内充气吹式玉米精量排种器设计与试验

崔 涛，韩丹丹，殷小伟，李克鸿，肖荔荔，杨 丽，张东兴

（中国农业大学工学院，北京 100083）

·农业装备工程与机械化·

内充气吹式玉米精量排种器设计与试验

崔 涛，韩丹丹，殷小伟，李克鸿，肖荔荔，杨 丽，张东兴※

（中国农业大学工学院，北京 100083）

针对内充机械气力组合式排种器工作压强范围窄，排种器在工作压强范围外工作时，合格指数低的问题，该文基于气吹式排种器气流清种及气压式排种器种子压附原理，设计了一种内充气吹式排种器，对清种-压种组合式气嘴的倾角和安装位置进行设计计算。对清种气嘴的截面倾角进行流体仿真分析，并对不同类型的玉米种子在不同工作压强下进行了排种器台架试验。结果表明：不同类型种子的合格指数呈现出大扁种子＞小扁种子＞小圆种子＞大圆种子的规律；工作压强为4.5和5.0 kPa时，大扁种子和小扁种子的合格指数均达95%以上，该排种器适用于扁型种子的播种。

种子；农业机械；试验；玉米；精量排种器；内充气吹式

0 引 言

播种质量是影响玉米单产的重要因素之一，高性能的精量播种机是获得优良播种质量的有效方式[1-3]。玉米机械化精量播种能节约良种、省去人工间苗、增加玉米产量、节本增收，近年来已成为玉米播种的主要发展方向。性能稳定可靠、能适应高速作业的精量排种器则是实现玉米机械化精量播种的关键部件。

目前，常用的玉米精量排种器按工作原理主要分为机械式、气压式、气吸式和气吹式4类[4]。机械式（如指夹式）排种器结构简单、加工制造成本低，在低速作业时能够实现精量播种，但在高速作业时，精确率低且种子机械破损率较高，一般作业速度不宜超过5 km/h[5-7]。气吸式排种器结构复杂、对种子形状适应性差，密封性要求极高，播玉米等非圆形种子时重播及漏播率较高、动力消耗大[8-10]；气压式排种器如中央集排式，由于排种速度较高，整机设备大，在国外高速精播大地块应用广泛[11-12]；气吹式排种器单粒性好，对种子大小、形状的适应性较强，对密封性要求较低，但清种时容易卡种，导致排种器无法正常工作[13-14]。

现有精密排种器按充种方式划分主要有内充[15]、侧充[16]、外充[17-18]、侧充与外充相结合等方式，侧充和外充均是依靠种子重力充种，当排种盘转动时，种子所受的离心力对充种不利，而内充种能够充分利用种子的重力和离心力，更有利于充种。

针对内充种优良的充填特性，马连元等[19-21]分别设计了内侧充种式垂直圆盘排种器，应用“填补空间”和“舀取”的原理，从种群中分离出单粒或定量的均匀的种子流，该类排种器比传统的机械式排种器有较高的充填极限速度，更有利于充种；廖庆喜等[22]设计了一种内充气吹式油菜精量排种器，通过内充种实现单粒取种，通过气流压力卸种，通过平衡气孔调节气流压力，可以提高排种器播种均匀性。杨善东等[23-24]设计了内充式侧正压玉米精量排种器，结构简单，风机工作压强为1.2 kPa、播种机作业速度为7.2 km/h，排种合格指数达到91.30%，能够满足实际作业要求，功耗较低。

刘佳等[25]设计了一种机械气力组合式玉米精量排种器，该排种器适用的工作压强范围较窄，当工作压强在0.7～1.6 kPa时，合格指数为95.41%～96.28%，当在田间工作时，由于工作压强难以精确控制，且由于毛刷清种不可靠，高压工作时，存在重播率较高的问题。

针对上述现象，为解决排种器充种过程中清种效果差，充种效果不佳的问题，本文设计了一种充种性能可靠，功耗低，结构简单的内充气吹式玉米精量排种器。该排种器利用机械内充式排种器良好的充填性能，依靠种子自身重力及离心力充种，利用气吹式排种器气流清种及气压式排种器压力附种的原理，结合创新设计的清种-压种组合气嘴，清种气嘴在完成清种保证型孔单粒性的同时，压种气嘴能够有效地将种子压附在型孔内，使种子具有良好的稳定性；采用半锥孔排种盘结构，实现种子在自身重力作用下投种，同时采用护种装置，使得排种器在田间震动的工况下，表现出良好的防震动效果。

1 排种器的整体结构及工作原理

内充气吹式玉米精量排种器主要由排种器底壳，排种盘，组合气嘴，护种板组成，其中组合气嘴分为清种气嘴与压种气嘴，排种器底壳上分别开有进种口和投种口，排种器的工作过程由 4个阶段组成，分别为充种、清种压种、护种以及投种过程。内充气吹式玉米精量排种器结构如图1所示。

图1 内充气吹式玉米精量排种器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of inside-filling air-blowing maize precision seed metering device

排种器工作时，风机通过塑料软管与组合气嘴上方2个进气口相连，种子通过排种器底壳背面的输种装置到达进种口；排种盘按顺时针方向旋转，型孔到达充种区Ⅰ后，种子在自身重力和离心力的共同作用下填充进入其正下方或侧下方的型孔内，通常会有2～3粒种子充填进入型孔，充种区域在型孔转过进种口的左边缘时结束，充种角度为50°。

随着排种盘的转动，充有种子的型孔进入清种区Ⅱ，由于排种盘型孔为半圆锥孔，将有一粒种子占据型孔底部形成完全充填状态，而处于型孔上方的多余种子在清种气嘴的高速气流作用下被清出，落回充种区Ⅰ，压种气嘴相对均匀的气流能够将型孔内的单粒种子压附在型孔底部，防止清种气嘴的气流再次将型孔内的种子清出，清种及压种区域在护种板处结束，清种及压种范围为22°；被压附在型孔底部的单粒种子随着排种盘的转动到达护种区Ⅲ，在护种板的托送、保护下，转至投种口附近时，底壳对种子的支撑力消失，种子在自身重力作用下从型孔内下落，在排种区Ⅳ完成投种工作。排种盘继续转动，开始下一个排种过程。

2 排种器关键部件参数设计

2.1 排种盘及型孔参数设计

该排种器采用内充种的工作原理，排种盘的结构设计以玉米种子的形状尺寸为基础，以顺利实现单粒排种为目的。其排种的实现主要依靠内侧面外缘周向开有凹形型孔的排种盘，该型孔为圆锥型孔的一半，排种器底壳为一平面可与排种盘贴合，组成完整型孔，以便充种。该排种盘结构有利于种子在充种区内沿底壳面顺利下滑进入型孔，提高充种概率[26]。

排种盘型孔为底部开有小孔的半圆锥型孔，主要设计参数包括型孔深度H，型孔直径D，型孔锥角θ，底孔直径d，底孔高度h[13]等。

设计型孔时，型孔深度H应保证长度尺寸最大的玉米种子能够进入型孔，在型孔宽度方向，玉米种子宽度最大值应小于型孔直径D且大于底孔直径d，如图2所示，设计参数如下：

式中ε，ε＇为可靠性系数，扁粒种子宽度方向上的最大值b1=12 mm，扁粒种子在型孔中受力位置的宽度值b2=8 mm，圆粒种子厚度方向上的最大值c=8 mm，扁粒种子厚度方向最大值c＇=9.9 mm，扁粒种子长度方向最大值l1=14 mm，扁粒种子 b2位置以上的长度值 l2=12 mm，ε=1.8～2，ε＇=1.2[4]，d为底孔直径，mm。由式（1）～（3），得出，D=21.6～24 mm。为便于加工固定且种子最大可能的充入型孔，取型孔直径D=24 mm。型孔锥角满足以下关系

式中D2为气嘴内径，mm。代入式（1）、（5），圆整后取型孔深度H=22.5 mm，型孔锥角θ=60°。

图2 型孔设计计算模型Fig.2 Design calculation model of hole

针对半盘型结构，底孔的设计使其内、外形成压力差，从而将型孔底部的一颗种子牢牢地压附在型孔底部，考虑到泄气量的问题，泄气量越大，越有利于保留种子，但增加了2粒较小种子同时被压附的概率，且清种时，多余的种子不易清出，造成重播；泄气量小，型孔内压差小，对种子压附力不足，清种时，种子易被吹出，造成漏播。该文取d=6 mm，底孔高度h=4 mm，实际开孔面积为14.14 mm2。

依据机械气力组合式排种器排种盘的设计原则，充种时间与排种盘转速有关，而排种盘直径增大并不能增加型孔在充种区停留的时间[25]。因此排种盘直径的确定应主要考虑锥孔的数目，同时兼顾排种器整体的结构需要。这里取排种盘直径为250 mm，锥孔数目N=22。

2.2 组合气嘴的设计

2.2.1 组合气嘴清种倾角及位置的设计

该排种器采用气吹式排种器的清种原理，利用气嘴产生的高速气流吹出型孔中的多余种子，胡树荣等[13]通过探测气吹式排种器型孔内的静压和速度分布，发现型孔内的多余种子是当型孔与气嘴对过前后被吹出来的，而且当气嘴开始全部对准型孔的瞬间时气嘴清种作用最强。因此，针对内充气吹式排种器，当清种气嘴与结束充种过程的型孔左边沿相切时，清种气流能够沿着型孔左侧内壁平行进入型孔中，此时清种效果最佳。因此，本文只需计算出当清种气嘴与型孔K左边沿线AB相切时AB的斜率，即能得到清种气嘴的倾角。

当某一时刻型孔K沿纵坐标OY方向顺时针转过角度α时，型孔K与清种气嘴的相对位置如图3a所示，对于型孔K，满足以下几何关系

其中，排种盘内腔半径R1=102.5 mm，排种盘外缘半径R2=125 mm，底孔高度h=4 mm，底孔直径d=6 mm，型孔锥角θ=60°，联立式（6）～（9），解得BC=28.5 mm。

OB与型孔K中心轴线OC的夹角为β满足以下关系

代入各值，计算取整后得β=8°。

在直角三角形ΔOFA中，存在以下几何关系

式中γ为型孔K中心线OC与线OA的夹角，(°)。

如图3所示，A、B点坐标可分别表示为：

由式（13）、（14）可得到AB连线的斜率，即转过α角的型孔K左边沿AB的斜率为

式中α为型孔K中心线OC与纵坐标OY的夹角，(°)。

这里，清种开始的时间就是充种结束的时间，如图3b所示，沿进种口左边沿作连线，该连线的位置即为充种结束临界位置，此时对应的角度即为α=45°，代入式（15）中，可以得到直线AB的斜率kAB=3.87。这样我们可得到清种气嘴与X轴的夹角φ值，即：φ≈75°。

图3 气嘴倾角设计Fig.3 Design of nozzle inclination angle

排种盘内腔的空间厚度为25 mm，为了保证组合气嘴不与排种盘产生干涉，该文选用外径D1为20 mm，内径D2为16 mm的PVC硬质塑料圆管。为了在有限的排种盘内腔空间布置组合气嘴，令清种气嘴的左边沿与K型孔左边缘AB保证相切的关系，此时根据AB直线方程

当y=0，即可得清种气嘴左边沿与X轴的交点和Y轴之间的距离L，经计算取整后得L≈55 mm，由此我们可以得到清种气嘴轴线与X轴交点到Y轴的距离l约为45 mm。

充入种子的型孔在经过清种气嘴后将有1颗种子被压附在型孔底部，为防止种子在清种气嘴气流的干扰下被卷出型孔外，针对清种-压种组合气嘴和清种气嘴2种结构进行流体仿真，气流运动迹线图如图4所示，当只有清种气嘴时，气流会分别流向清种气嘴前后的型孔内，并在后侧型孔内形成涡流，该涡流易将种子卷出型孔。因此，需在清种过程结束后布置一压种气嘴，如图4b所示，在该位置处的型孔上方有稳定且分布均匀的静压力用来压附型孔底部的种子，使种子不滑落、不被清出；压种气嘴的的作用越强，种子越能稳定的转动到护种区。压种气嘴的倾角采用与清种气嘴平行并列的位置，结构参数与清种气嘴相同。

图4 不同气嘴结构气流迹线图Fig.4 Air trajectories of different nozzle structures

2.2.2 清种气嘴出口截面大小的设计

气嘴出口截面的倾角和面积大小直接关系到气流的流向、风速大小和型孔及周边流线的分布，也决定了型孔内多余种子是否能够被清出。为了能够得到清种气嘴出口截面倾角λ对清种过程的影响，对清种过程中种子的受力情况进行分析。

当某一型孔刚结束充种过程进入清种阶段，有一粒种子占据型孔底部，假设该种子上方存在一颗多余种子需要被清出，此时上部的种子在受自身重力G、型孔内壁对种子的支持力FN、摩擦力f、离心力J、绕流阻力FD，在清种气流作用下，上部种子不再受型孔底部种子的支持力，清种过程中，种子的受力情况如图5所示。

绕流阻力即黏性流体绕物体流动时物体受到的阻力，其方向与流体流线方向一致。绕流阻力的计算式如下：

式中CD为绕流阻力系数；S为绕流物投影面积，m2；ρ为流体的密度，kg/m3；v0为清种气嘴出口气流速度，m/s。

图5 清种过程种子受力分析图Fig.5 Analysis of force diagram during seed clearing process

由清种过程中种子的受力分析可知

式中f=μ·FN，μ为种子与排种盘型孔之间的滚动摩擦系数，取玉米种子与有机玻璃的滚动摩擦系数为0.0931[27]；J=m·ω2·OO＇，郑单958玉米种子的单粒质量约为0.351g[4]，这里排种盘转速取17.7 r/min，角速度ω=1.853 rad/s，对应前进速度为6 km/h；OO＇为排种盘圆心到上部种子重心的距离，假设种子距离底孔为一粒种子长度方向的最小值，约为8.2 mm，此时OO＇有最大值约为110 mm。计算后得到

随着前进速度的增大，由以上各参数间的关系可知，所需清种气流速度也将增大，而6 km/h是目前田间常用的作业速度，由此计算的清种气嘴出口气流速度是满足清种条件的最低风速。在此条件下，该排种器在清种过程中，清种气嘴出口气流速度至少要大于11.7 m/s。考虑到流场中的气流损失，在不增加进气口工作压强的条件下，需改变气流出口方式来进一步满足清种要求。

忽略清种气嘴进出口间气流损失时，气流流量满足式（19）。

式中Qin为气嘴进口处流量，m3/s；vin为气嘴进口处气流速度，m/s；Sin为气嘴进口处面积，m2；vout为气嘴出口处气流速度，m/s；Sout为气嘴出口处面积，m2。

由式（19）可知，气嘴出口流速与出口面积呈反比，为了增加出口气流速度，可以通过减小出口面积的方式得以实现。本文将出口面积减小为总截面积的1/3，采用KANOMAX热球式压力风速计（检测精度为±0.01 kPa，正压最大值5 kPa）测量出口处的风速值由原来的1/3，采用压力风速仪测量出口处的风速值由原来的18 m/s变为40 m/s，足以满足气流速度对清种的要求。

2.2.3 清种气嘴出口截面倾角的设计

影响清种气嘴工作效果的因素除了出口截面面积的大小外，还与出口截面倾角有关。为探明清种气嘴出口截面倾角对气流的流向及型孔内压差的影响，清种气嘴倾角的计算采用流体仿真的方式来确定，设计截面倾角λ分别为90°、75°、60°、45°和30°的清种气嘴进行仿真试验。

当工作压强为3 kPa时，用压力风速计测量气嘴进口处风速约为25 m/s，以此为仿真入口边界条件，各型孔底部的出口为压力出口，以90°和30°气嘴截面倾角为例，其速度云图如图6所示。

图6 不同出口截面倾角气嘴流场分析速度云图Fig.6 Flow field analysis of cleaning nozzles with different outlet cross section inclination angles

由图6a可知，当气嘴截面倾角为90°时，清种气嘴出口处会有部分高速气流流向后方的型孔内，从而影响压种气嘴压附种子的能力，导致该型孔内保留的单粒种子再次被卷出型孔外；当气嘴截面倾角较小为30°时，如图6b所示，气嘴出口处的气流已不再产生向后侧流动的气流分支，而是集中流向与气嘴相对应的型孔内；而且小倾角的清种气嘴在整个腔室内所产生的高速气流区域远大于90°倾角气嘴，结合图4b，气流在完成清种过程后，在充种区所形成的从下往上流动的回流可知，充种区内，高速气流区域越大，越易于将腔室内的种群搅动，种群的运动有利于充种过程的实现。

通过探测与清种气嘴相对应的型孔上部和下部M、N 2点的压力值，并计算上下2点的压差，结果如表1所示，随着气嘴出口截面倾角λ的减小，孔内部产生的压差值呈增大趋势，其中当气嘴截面倾角为45°时，型孔内的压差值最大，由于本文设计的排种器采用的是压力附种的原理，当压差越大时，越有利于清种并压附剩余的单粒种子，结合以上各因素，清种气嘴的截面倾角λ取45°。

表1 不同清种气嘴出口截面倾角对型孔产生的压差值Table 1 Pressure difference of different outlet section inclination angles of cleaning nozzles on hole

3 排种器性能试验

试验在JPS-12型排种器性能检测试验台上进行，试验种子为河南省农科院种业有限公司生产的秋乐牌郑单958玉米杂交种，籽粒黄色，半马齿型，千粒质量 351 g，含水率12.5%，未分级[25]。根据GB/T 6973-2005《单粒（精密）播种机试验方法》[29]的规定，试验指标包括合格指数（qualified index）：Q'=n1/N'×100%；重播指数（replay index）：R'=n2/N'×100%；漏播指数（leakage index）：L'=n3/N'×100%和变异系数V（variation coefficient）。其中n1为单粒排种数；n2是2粒以上排种数；n3则为漏排种数；N'是理论排种数。

3.1 工作压强对排种性能的影响

本文试验旨在测试内充气吹式排种器的工作性能，首先分析工作压强对排种器工作性能的影响，设计单因素试验，前进速度取8 km/h，对应排种盘转速为23.6 r/min，工作压强范围为5.0～7.0 kPa，间隔0.5 kPa取一水平，每组试验重复3次，每次试验测定250粒种子，按照GB/T 6973-2005《单粒（精密）播种机试验方法》[29]进行统计，取均值作为试验结果，各次试验数据汇总得内充气吹式玉米精密排种器播种指标如表2所示。

表2 工作压强单因素试验结果Table 2 Results of single factor experiments of pressure

随着工作压强的升高，漏播指数呈现上升趋势，重播指数比较稳定，前后差异在1%左右，由于漏播指数的增加，合格指数呈现先上升后下降的趋势。整体上，该排种器在各工作压强下的合格指数均能达到86.58%以上，为了探明种子形状对播种效果的影响，对玉米种子进行分级后继续试验。

3.2 种子分级与工作压强对排种性能的影响

为进一步研究排种器的工作性能，对排种器进行不同等级玉米种子的工作压强单因素试验，以探究玉米种子类型对排种器播种性能的影响。刘佳等对玉米种子分级处理对气力式精量排种器播种效果的影响进行了研究，研究表明种子分级对气吹式排种器的合格指数影响显著[30]。本文采用气吹式排种器气流清种的工作原理，在混合籽粒播种效果不佳的情况下，对玉米种子进行分级处理。先由人工将玉米种子分为扁粒和圆粒，扁粒种子按照能否通过6 mm×10 mm的矩形孔[31]分为大小2级，而圆形种子则按照能否通过孔径为8 mm的圆形孔[32]分为大小2级，种子分级效果如图7所示。

图7 种子分级后外观Fig.7 Appearance of seed grading

试验的工作压强范围取4.0～8.0 kPa，前进速度取8 km/h，对应排种盘转速为23.6 r/min，间隔0.5 kPa取1个水平，每一水平测量250个粒距，每个水平试验重复3次取均值。具体试验结果如表3所示。

表3 排种器在不同类型种子和不同工作压强下的播种指数Table 3 Seeding index of seed metering device under differenttypes of seeds and different working pressures

试验表明：分级后的玉米种子的播种效果明显优于未分级的种子，可见种子形状类型对于内充气吹式排种器的播种性能有显著影响。整体上，扁粒种子的漏播指数均在2%以下，重播指数在工作压强为5.5 kPa以上时均小于3.5%，合格指数在5.0 kPa以上时均能达到95%以上。而圆粒种子相比扁平粒种子，其排种质量不够理想，圆粒种子的重播指数普遍高于扁粒种子，对于大圆粒种子，工作压强大于6.0 kPa时，才能保证重播指数在3%以下，小圆粒种子需要工作压强大于7.0 kPa时才能达到相同的工作性能；大圆粒种子的漏播指数均在 4%以上，小圆粒种子在工作压强小于6.0 kPa时漏播指数才基本低于2%。随着工作压强的升高，漏播指数升高并超过2%；当工作压强大于5.5 kPa时，圆粒种子的合格指数才达到90%以上，且小圆粒种子在工作压强达7.5 kPa时合格指数能够达到95%以上。

相同工作压强下，种子的合格指数基本上呈现大扁＞小扁＞小圆＞大圆种子的规律，说明大扁粒种子的排种效果最为理想，在工作压强4.5 kPa时就能保证合格指数达95%以上，小扁种子在工作压强5.0 kPa时也能保证同样的要求，试验结果表明，该排种器适应于扁平类种子，尤其适用于扁平大粒玉米种子。

3.3 前进速度对排种性能的影响

根据表3不同种子类型的播种性能随工作压力变化情况，选取扁粒种子进行排种盘转速的单因素试验，将工作压力固定在8.0 kPa，试验选取排种盘转速范围17.7～35.5 r/min，对应前进速度为6 ～12 km/h，间隔1 km/h取一水平，每个水平测量250个粒距，重复3次试验取均值，试验结果如表4所示。

表4 前进速度对扁粒种子播种情况的影响Table 4 Effect of forward speed on flat seed sowing

随着前进速度的提高，种子充填质量下降，导致排种器的重播指数逐渐减小，漏播指数逐渐上升，合格指数呈下降趋势，当排种器前进速度低于10 km/h时，作业效果较优。

JB/T 10293-2001《单粒（精密）播种机技术条件》中要求精密播种机播种粒距在 200～300 mm时，粒距合格指数应大于或等于80%，重播指数小于或等于15%，漏播指数小于或等于8%，合格粒距变异系数小于或等于30%[33]。分级后种子试验结果中的数据均远高于此标准，表明该排种器能够达到较高的精密播种质量，具有较好的工作性能。

3.4 播种过程高速摄影分析

为探究该排种器适应于扁粒种子的原因，采用高速摄影对扁粒种子和圆粒种子的工作过程进行高速摄影观察，如图8所示。

由于圆粒种子较扁粒种子厚，排种盘在充种时，圆粒种子受垂直方向排种盘尺寸的限制，易形成2粒或3粒种子并排卡在型孔内的现象，清种气嘴无法将并排卡在型孔内的种子清出，易形成重播；当有一粒圆粒种子占据型孔底部位置时，同样受垂直方向排种盘尺寸的限制，使得占优势的种子并没有处在紧挨底孔的位置，而是高于底孔一段距离，对底孔封闭不严而产生较大的气流泄流现象使种子受力状态不稳定，这样在清种气嘴气流的作用下，很容易被清出，形成漏播，而扁粒种子由于其厚度方向上尺寸较小，能够与半盘结构相适应，一旦在充种区进入型孔底部就能保证其单粒性，故有很好的排种效果。

图8 充种及清种过程和种子重漏播形成过程Fig.8 Seed filing,cleaning,replay and leakage formation process

图9所示分别为扁粒和圆粒种子位于型孔内时的气流速度云图，通过探测种子上部及下部U、V两点的压强值，其对种子产生的压差值分别为3 163.9和484.4 Pa，气流对扁粒种子产生的压差值明显高于圆粒种子，气流对扁粒种子也会产生较大的压附力，比圆粒种子更易将其压附在型孔底部，从而也进一步解释了该排种器对扁粒种子播种效果优于圆粒种子。

图9 不同种子类型在型孔内的气流速度云图Fig.9 Air flow velocity contours of different seed types in hole

4 结 论

1）内充气吹式排种器采用半盘结构的排种盘，通过与底壳形成的半圆锥体窝眼便于各类种子靠自重充种和清种，适应性好、伤种率低。

2）在相同工作压强下，当气嘴出口截面为45°的组合气嘴与水平方向成75°，清种气嘴中心轴线与排种盘中心水平方向交点到排种盘中心竖直方向的距离为45 mm时，出口气流速度能满足工作要求，且对型孔内的压差最大，最易清除多余种子并压附单粒种子，保证播种效果。

3）内充气吹式排种器对不分级种子的播种效果并非最佳，而对扁型种子的播种效果最好。当工作压强分别为4.5和5.0 kPa时，大扁粒种子和小扁粒种子的合格指数均达到了95%以上，效果明显；当排种器作业速度低于10 km/h时，大扁和小扁粒种子的作业效果均较好。

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Design and experiment of inside-filling air-blowing maize precision seed metering device

Cui Tao,Han Dandan,Yin Xiaowei,Li Kehong,Xiao Lili,Yang Li,Zhang Dongxing※
(College of Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China)

Combined with the good filling performance of the inside-filling seed metering device,in this study,one kind of combined nozzles was designed using the principle of gas cleaning of air-blowing seed metering device and the principle of pressing seeds of air pressure seed metering device. At the same time,the semi disc structure of seeding plate was used. The conical stepped hole was adopted in the form of hole,so as to achieve the seed charge under self-gravity. The obliquity of combined nozzles was designed as 75°,the distance between the intersection of the center axis of clearing nozzle and the horizontal direction of the center of seeding plate and vertical direction of the center of seeding plate was about 45mm through the design calculation of the structure and position size of combined nozzles. The function and necessity of pressing nozzle was determined through the comparison of fluid simulation of single cleaning nozzle and combine nozzles. We concluded that the flow velocity of the outlet was at least 11.7 m/s to satisfy the cleaning condition through the analysis of the force of the seed in the hole during cleaning process. The outlet air flow speed was increased by reducing outlet area of cleaning nozzle due to the outlet velocity of the air nozzle was inversely proportional to the outlet area. Finally,the outlet area was defined as 1/3 of the total area of cleaning nozzle. By means of the fluid simulation of gas nozzles with different cross sections,this research produced that the larger inclination angle of cleaning nozzle,the larger area of high speed air flow which generated by the gas nozzle in the whole chamber and which was more difficult to produce vortex in the rear side hole. The differential pressure generated by the gas nozzle with 45° in the hole was the largest by detecting the pressure value of the upper and lower part of the hole with different dip angles. Therefore,the single seed was the most easily attached to the inside of the hole under this inclination angle gas nozzle. According to the simulation results,the angle between the section of nozzle and the pipe wall was 45°. The bench tests were carried out on the seed metering device according to the performance indexes such as working pressure,replay index,leakage index and the qualified rate of grain distance. Experimental results showed that the qualified index was above 86.58% which the effect was not the best under the working pressure was 5 kPa or above when the seeds were not graded. Through the classification of maize seeds and seeds of different types of the qualified index of different kinds of seeds basically had such regular:big flat＞small flat＞small circle＞big circle through the classification of maize seeds. The qualified index of big flat could reach more than 95% under the pressure of 4.5 kPa and the small flat seeds could also achieve the same sowing condition under the pressure of 5.0 kPa. The theoretical foundation was provided for the improvement research of the following seed metering device through analyzing the reasons of replay leakage of flat and circle seeds combined with high speed imaging technology.

seed;agricultural machinery;experiments;maize;precision metering device;inside-filling air-blowing

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01002

S223.2

A

1002-6819(2017)-01-0008-09

崔 涛，韩丹丹，殷小伟，李克鸿，肖荔荔，杨 丽，张东兴. 内充气吹式玉米精量排种器设计与试验[J]. 农业工程学报，2017，33(1)：8－16.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.008 http://www.tcsae.org

Cui Tao,Han Dandan,Yin Xiaowei,Li Kehong,Xiao Lili,Yang Li,Zhang Dongxing. Design and experiment of inside-filling air-blowing maize precision seed metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2017,33(1):8－16.(in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.008 http://www.tcsae.org

2016-05-29

2016-11-25

中央高校基本科研业务费专项资金资助（2014XJ011）；国家自然科学基金资助项目（51375483）；国家自然科学基金资助项目（51575515）；农业部土壤-机器-植物系统技术重点实验室资助项目

崔 涛，男，河南郑州人，讲师，主要从事农业机械装备与计算机测控研究。北京 中国农业大学工学院，100083。

Email：cuitao850919@163.com

※通信作者：张东兴，男，河北衡水人，教授，博士生导师，主要从事农业机械装备与计算机测控研究。北京 中国农业大学工学院，100083。Email：zhangdx@cau.edu.cn