指夹式玉米精量排种器导种投送运移机理分析与试验

王金武 唐 汉 王金峰 沈红光 冯 鑫 黄会男

(东北农业大学工程学院， 哈尔滨 150030)

指夹式玉米精量排种器导种投送运移机理分析与试验

王金武 唐 汉 王金峰 沈红光 冯 鑫 黄会男

(东北农业大学工程学院， 哈尔滨 150030)

为研究指夹式玉米精量排种器籽粒投送运移规律，提高排种器导种性能，建立了导种投送过程的运动学和动力学模型，分析了各因素对运移稳定性及投送落种轨迹的影响。采用多因素二次通用旋转组合试验研究了工作转速和倾斜角对排种均匀稳定性的影响，运用Design-Expert 6.0.10软件对试验数据进行优化分析得到其最佳工作条件。在此基础上，运用镜面反射成像原理，搭建了排种轨迹测定试验台，结合高速摄像与图像目标追踪技术对落种籽粒轨迹运移规律进行了研究。试验结果表明，在工作转速为15～45 r/min、倾斜角为0°工况下，籽粒正面轨迹及侧面轨迹的水平位移随工作转速增加而增加，株距变异系数随工作转速增加而降低；当工作转速大于35 r/min时，籽粒轨迹及落点位置分布逐渐离散，株距变异系数明显增加，其正面水平位移稳定在12.9～14.3 mm内，侧面水平位移稳定在3.7～4.8 mm内，平均株距变异系数为15.13%。在工作转速为30 r/min、倾斜角为-12°～12°工况下，轨迹投种角随倾斜角的增加而减小，其整体角度稳定在66.4°～79.6°内。该研究为优化设计指夹式玉米精量排种器关键部件及配套导种管提供了参考。

玉米； 指夹式精量排种器； 导种投送； 机理； 试验

引言

精密播种是利用精密播种机械将籽粒精准定量地播入土壤预定位置的先进技术[1]，播种过程中籽粒在田间分布规律是由精准株距、播深和行距所组成的三维空间坐标所决定。精密排种器作为实现精密播种技术的核心部件，是国内外学者研究的重点与热点[2-4]。指夹式玉米精量排种器是一种通过夹持充种、振动清种、柔性导种及零速投种等多项环节共同作用进行播种作业的机械式排种器[5]，因具有结构简单、破损率低、适应性好等优点被广泛应用于精密播种技术中。

目前国内外学者对指夹式玉米精量排种器的研究主要集中于取种执行部件的理论研究与改进设计[6-8]，以提高其夹持单粒率，但对导种投送环节的相关研究较少。运移导种系统作为排种器最终作业部件，位于配套导种管上端，其将籽粒稳定投送至导种管壁将导种和投送环节串联为一体，其性能及运移规律直接影响机具播种质量。目前国内指夹式玉米精量排种器导种性能仍不稳定，籽粒与系统间存在滑移现象，运移过程中易造成籽粒在排种器与导种管连接处及导种管壁内发生碰撞异位，籽粒间运动自振幅度差异将导致籽粒由导种管投入种床时无法完全抵消与播种机具间的相对速度差，籽粒落入种床时间也各不相同，影响播种作业精度及稳定均匀性，造成实际田间作业无法得到理想播种性能[9-11]。因此，探究排种器导种投送机理，分析影响导种系统运移性能的主要因素，对排种器关键部件及配套导种管的优化设计具有实际意义。

近些年高速摄像与图像目标追踪技术在农业工程领域广泛应用，为玉米籽粒导投运移规律的研究提供了良好平台与手段[12-14]。本研究以所设计的指夹式玉米精量排种器为研究载体[5]，对其运移投送机理进行分析，建立导种投送过程的运动学和动力学模型，研究各因素对运移稳定性及投送轨迹的影响。在此基础上，采用多因素试验分析工作转速与倾斜角对排种均匀稳定性影响，并运用镜面反射成像原理，搭建排种轨迹测定试验台，结合高速摄像与图像目标追踪技术对玉米籽粒的三维空间位移进行测定分析，归纳投送落种轨迹分布，研究籽粒轨迹运动规律。

1 导种投送运移机理分析

1.1 排种器结构与工作原理

指夹式玉米精量排种器结构如图1所示，主要由排种轴、指夹压盘、调控凸轮、指夹盘(取种指夹和微调弹簧)、排种盘、导种端盖、导种带、导种带轮(Ⅰ、Ⅱ)、清种毛刷和导种护罩等部件组成，其工作过程分为充种、清种、导种和投种4个串联阶段，具体工作原理见文献[5]。

图1 指夹式玉米精量排种器结构图Fig.1 Structure diagram of pickup finger precision seed metering device1.充种盖 2.指夹压盘 3.排种盘 4.清种毛刷 5.取种指夹6.微调弹簧 7.导种带 8.导种带轮 9.排种轴 10.调控凸轮11.窥视胶垫 12.驱动链轮 13.导种端盖 14.护罩壳体 Ⅰ—充种区 Ⅱ—夹持区 Ⅲ—清种区 Ⅳ—投种区

1.2 平稳运移导种系统

为减缓高速播种过程中籽粒与导种管及土壤间的弹跳碰撞作用，提高播种精准度、均匀性和横纵直线度，降低投种点高度，在排种器后侧设计配置平稳导种系统，与播种机具工作末端导种管柔性配合，充分利用导种管引向作业，以二次投种方式抵消籽粒落入种沟瞬间的相对速度，实现籽粒的平稳运移投送，如图2所示(图中未标注配套导种管)。图中D为玉米种植株距，mm；v0为机具前进速度，m/s；ω为排种轴旋转角速度，rad/s。

图2 平稳运移导种系统结构简图Fig.2 Structure diagram of steady migratory guiding seed system1.导种口 2.导种带 3.排种轴 4.导种带轮Ⅰ 5.导种护罩6.导种带轮Ⅱ Ⅰ—导种运移区 Ⅱ—投种抛送区 Ⅲ—空转行程区

排种器导种系统主要由导种带、导种带轮(Ⅰ、Ⅱ)及导种护罩等部件组成。其中导种带作为导种系统的核心工作部件，直接影响排种器平稳运移作业性能(籽粒运移均匀性和投送轨迹)。导种带采用橡胶材料制作，其两侧设有微型种带护板，避免运动中因离心力及机械震动产生籽粒的相对滑移，其圆周上均匀等距配有12个倾斜导种叶片，与两侧护罩构成12个封闭导种室。根据导种系统作用区域将其分为导种运移区、投种抛送区和空转行程区3个阶段。

在导种过程中，排种轴驱动导种带轮Ⅰ(主动带轮)与导种带轮Ⅱ(从动带轮)同步转动，单粒籽粒由导种口进入导种室内，随导种带整体进行逆时针旋转运移，籽粒被平稳运送至投种点处进行反向投种抛送，减少与机具间相对速度，实现第1次籽粒运移作业。籽粒经导种带投送，在自身重力及导种管柔性接引作用下落入导种管内，通过导种管引向实现低位零速投种，实现第2次籽粒运移作业。

本文主要对排种器导种系统作业机理进行研究，建立运移投送过程运动学及动力学模型，对籽粒运移均匀性及精准度进行测定，得到其最佳工作条件，并结合高速摄像与图像目标追踪技术对籽粒投送轨迹分布进行测定提取，为导种系统及配套对接导种管优化设计奠定理论基础。

1.3 导种运移力学分析

为研究导种运移阶段籽粒平稳性，对此阶段籽粒运动状态进行力学分析，研究籽粒与导种叶片间相对平衡且不被甩离的临界条件。以排种轴旋转中心为坐标原点O，建立空间直角坐标系XYZ，如图3所示。当单粒籽粒由导种口进入导种室内，随导种带逆时针旋转运动，对玉米籽粒进行受力分析，籽粒受到导种带离心力Fc、导种叶片支持力FN、导种叶片摩擦力Fs和籽粒自身重力G所组成的空间力系共同作用。

图3 导种运移过程受力分析图Fig.3 Diagram of mechanical analysis in guiding seed phase

若保证籽粒与导种叶片间相对平衡，避免籽粒被甩离导种叶片影响抛送落种状态，在导种带转动平面XOZ沿籽粒相对叶片滑移方向各力间应满足

F′c+Gcosφ+FNcos(π-β-φ)≤Fscosβ

(1)

其中

(2)

式中m——籽粒质量，mgφ——导种叶片相对旋转角，(°)β——导种叶片结构倾斜角，(°)μ——籽粒与导种叶片间摩擦因数R1——导种带轮Ⅰ半径，mmF′c——玉米籽粒所受离心力切向分量，其分量夹角较小，大小近似为离心力，N

将式(1)和式(2)合并可得

mω2R1+Gcosφ≤mgsinβ(μcosβ+cos(β+φ))

(3)

为求解临界滑移状态下排种转速极限值，将式(3)进行整理得

(4)

由于排种器整体结构一定(见文献[5])，即其导种带轮Ⅰ半径R1为50～60 mm，叶片旋转角φ为60°～110°，叶片倾斜角β≤22.3°，将以上参数代入式(4)中，可得在工况条件下，当排种器工作转速小于49.5 r/min时，籽粒与导种带间保持相对静止平衡状态，不发生相对滑移。因此，在后续多因素试验中所设定工作转速因素水平值将小于此临界值，以寻求最佳因素组合条件。

1.4 籽粒投送落种位移分析

玉米籽粒在三维空间中投送落种轨迹是研究导种投送运移机理的重要参考，合理的运移轨迹有利于导种系统第1次投送至导种管时，籽粒速度大小及方向的平稳过渡，保证籽粒流对应顺序及间隔一致，减少籽粒与管壁间弹跳碰撞，提高籽粒着床时均匀性及精准性。因此，对导种系统投送后籽粒落种轨迹进行分析。

当单粒籽粒在投种点处被抛送离开倾斜导种叶片时，在平行于导种带转动平面(正面)籽粒将产生与机具前进方向相反、初速度为vx的正向水平匀速运动，在重力作用下籽粒将产生竖直向下的匀加速运动(加速度g=9.8 m/s2)，同时由于籽粒质心在导种带上位置与导种带中心线位置具有一定偏差，投送瞬间将受到离心力分量突变，在垂直于导种带转动平面(侧面)籽粒将产生初速度为vy的侧向水平匀速运动，综合上述因素共同作用，籽粒投送落种轨迹为空间三维抛物线。

图4 投送过程运动学分析Fig.4 Kinematics analysis in dropping seed phase

对投送落种过程玉米籽粒进行运动学分析，在导种带转动平面建立直角坐标系XPZ，坐标原点P与初始投种点相重合，在垂直于转动平面建立直角坐标系YQZ，坐标原点Q与导种带中心点相重合，如图4所示。籽粒的运动轨迹为

(5)

其中

(6)

式中X——正面水平方向位移，mmY——侧面水平方向位移，mmZ——竖直方向位移，mmθ——籽粒投送速度与水平间夹角，(°)t——籽粒投送运动时间，sv1——导种带线速度，m/svx——投种速度正面水平方向分量，m/svy——投种速度侧面水平方向分量，m/svz——投种速度竖直方向分量，m/s

忽略投送过程中空气阻力影响，根据动量定理可得

(7)

将式(5)～(7)合并，进行整理可得籽粒空间轨迹位移为

(8)

式中t0——籽粒脱落导种带叶片所用时间，sR2——导种带轮Ⅱ半径，mm

通过对导种投送运移过程进行动力学与运动学分析可知，当排种器导种系统整体结构一定时，导种系统对籽粒运移投送稳定性及落种轨迹主要与排种器工作转速、籽粒投送速度与水平间夹角、籽粒脱落导种带时间等因素有关，影响着播种精准性与均匀性。因此，在后续试验阶段，将通过多因素试验研究导种系统工况下运移精准性及均匀性，并结合高速摄像与图像目标追踪技术对籽粒投送落种轨迹分布进行测定提取。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

试验材料为黑龙江省广泛种植的“德美亚1号”玉米品种，经人工分级清选处理，保证供试籽粒饱满、无损伤及虫害，测定其千粒质量为281.12 g，密度均值为1.154 g/cm3，平均几何尺寸为：长度9.27 mm、宽度7.40 mm、厚度4.11 mm(对100粒籽粒进行测量取平均值)。

2.2 试验条件

试验地点为东北农业大学排种性能实验室，试验装置主要由JPS-12型排种器性能检测试验台(黑龙江省农业机械工程科学研究院)、Phantom V9.1高速摄像仪(美国Vision Research公司，Nikon镜头，图像处理程序为Phantom控制软件)、指夹式玉米精量排种器、PC计算机(美国惠普HP公司)、空间网格面板和反射镜面板等搭建组成，如图5所示。

图5 排种轨迹测定试验台Fig.5 Test platform for dropping trajectory measurement1.排种试验控制器 2.计算机 3.种床运行电动机 4.喷油泵 5.指夹式精量排种器 6.空间网格面板 7.排种驱动电动机 8.图像采集处理装置 9.种床带 10.传动系统 11.安装台架 12.反射镜面板 13.台架倾斜手柄 14.高速摄像仪

为便于对排种器导种系统工作性能及玉米籽粒运移轨迹进行分析，将导种系统进行可视化处理，将原有金属护罩改为有机玻璃材质，并将排种器固定在安装台架上。试验时，种床带相对于排种器反向运动，模拟播种机前进运动状态，喷油泵将油喷于种床带上，玉米籽粒从排种口落至涂有油层的种床带上，通过摄像处理装置进行实时检测并采集数据，以实现准确测量各项排种性能指标[15-17]。

为防止拍摄角度对籽粒轨迹位移数据采集时产生影响，将高速摄像仪固定于水平位置。为得到籽粒抛送过程中实际位移变化，应保证各组试验中高速摄像仪与籽粒运动平面的垂直距离一致，在籽粒运动平面内放置丁字尺作为标定。为全面分析运移过程中玉米籽粒的三维空间位移量，应从导种带转动平面(正面)和垂直于转动平面(侧面)进行拍摄，仅依靠一台高速摄像仪无法完成三维空间上的数据采集。因此根据镜面反射成像原理，设计空间网格面板和反射镜面板间呈135°夹角定位，模拟三维空间坐标系XYZ，在空间网格面板粘贴单位刻度为5 mm的坐标网格纸，以便高速摄像对玉米籽粒三维空间位移量进行测定，减少因仪器不足带来的不便，提高试验测量精确度。

2.3 试验方法

由上述导种运移投送机理分析可知，籽粒运移投送稳定性及落种运动轨迹与排种器工作转速、投送速度与水平间夹角、籽粒脱落导种带时间等因素有关。鉴于籽粒脱落时间极短(各组试验近似相同)且难以控制，为提高台架试验可操作性及准确性，本研究选取工作转速及投种水平角度为试验因素，分别进行多因素排种稳定性试验和单因素高速摄像投送落种轨迹测定试验。通过调节JPS-12型排种试验台电动机变频器频率控制排种器工作转速平稳运转，将投种水平角度转换为排种器导种系统投种端面与台架水平面间夹角(即倾斜角)，通过控制台架倾斜手柄调节排种器倾斜角。

为研究导种系统投种稳定性与均匀性，采用二因素五水平通用旋转组合试验研究排种器最佳作业性能，根据前期理论分析、单因素预试验及田间实际播种作业需求，配合各因素可控有效范围，设定试验因素水平如表1所示。参考GB/T 6973—2005《单粒(精密)播种机试验方法》，选取试验指标为合格指数和变异系数，以评价排种器排种稳定性。试验时，通过排种器性能检测试验台数据采集系统对各工况下性能指标进行测定，保证各组试验测定籽粒数量超过1 000粒，其他各项参数保持恒定。

表1 试验因素编码
Tab.1 Factors and levels of experiments

编码试验因素工作转速x1/(r·min-1)倾斜角x2/(°)1.41445.012.0140.68.5030.00-119.4-8.5-1.41415.0-12.0

在此基础上，结合高速摄像与图像目标追踪技术对较优工况下籽粒三维空间投送轨迹分布进行测定提取，采用单因素试验研究各倾斜角(-12°～12°)及工作转速(15～45 r/min)对落种轨迹的影响。试验时，高速摄像仪正对空间网格面板摆放，对空间网格面板和反射镜面板内玉米籽粒位移进行测定，观察并分析导种系统对玉米籽粒的运移投送轨迹特性，每组试验重复3次，对100粒玉米籽粒下落位移进行统计，单因素角度调节如图6所示。

2.4 籽粒轨迹追踪后处理

图6 单因素倾斜角试验Fig.6 Single-factor tests at different tilt angles

轨迹测定过程中，设定高速摄像仪拍摄帧率为1 000帧/s，采集域为512 mm×512 mm，曝光时长为990 μs，调整排种器工作转速和倾斜角至指定值进行试验，通过摄像机将所采集籽粒运动轨迹图像实时存储于计算机内，待试验结束后保存为.cin格式视频文件。利用Phantom控制软件主系统窗口对视频文件进行图像目标追踪，并提取不同帧图像中玉米籽粒质心点坐标，绘制出各工作条件下玉米籽粒抛送轨迹。由于两帧图片间过渡时间较短，对种子质心点坐标值进行处理时存在一定误差，因此将两帧图片间距调大些，减少因数据采集造成的误差。

图7 高速摄像籽粒坐标点测定Fig.7 Coordinate measurement of corn grains by high-speed photography

3 试验结果与分析

3.1 多因素试验结果与分析

试验方案与结果如表2所示，试验参数设计值与实际值误差小于1.3%，可近似以排种器工作转速和倾斜角的设计值对结果进行分析。

通过Design-Expert 6.0.10软件对试验数据回归分析，进行因素方差分析，筛选出较为显著影响因素，进而得到性能指标与因素编码值间回归方程。

(9)

表2 试验方案与结果
Tab.2 Design and results of tests

序号试验因素性能指标工作转速X1倾斜角X2合格指数y1/%变异系数y2/%11176.5616.5921-177.1316.213-1-183.9213.844-1184.3414.1851.414078.0117.076-1.414088.969.01701.41479.9518.1180-1.41480.5618.5690083.2314.03100082.8714.47110083.0113.56120081.9213.29130082.5514.04

(10)

为直观地分析试验指标与因素间关系，运用Design-Expert 6.0.10软件得到响应曲面，如图8所示。

图8 各因素对试验性能参数的响应曲面Fig.8 Response surfaces of seeding qualified index to factors

根据上述回归方程和响应曲面图可知，排种器工作转速与倾斜角间存在交互作用。由图8a可知，当倾斜角一定时，合格指数随工作转速增加而降低；当工作转速一定时，合格指数随倾斜角增加而先增加后降低；当工作转速变化时，合格指数的变化区间较大，因此工作转速是影响合格指数的主要因素。由图8b可知，当倾斜角一定时，变异系数随工作转速增加而增加；当工作转速一定时，变异系数随倾斜角增加而先降低后增加；当倾斜角变化时，变异系数的变化区间较大，因此倾斜角是影响变异系数的主要因素。

在此基础上，为得到试验因素最佳水平组合，即排种器最佳工作参数组合，对试验进行优化设计。建立参数化数学模型，结合试验因素的边界条件，对合格指数和变异系数回归方程进行分析，得到其非线性规划的数学模型为

风选系统正常运转后，可提高商品煤品类精度，但相应的排矸量也相应增加，势必减少商品煤总量，这就需要进行项目经济性对比分析，从而佐证项目经济性和可行性。经对风选实验时商品煤质量情况进行测定，结合市场价格情况和具体资金投入等进行综合分析计算，来测算项目的经济效益。

(11)

当工作转速为27.6 r/min，倾斜角为0.2°时，排种器作业性能最优，排种稳定性及均匀性最好，其合格指数为87.03%，变异系数为10.98%。根据优化结果进行试验验证，合格指数为86.92%，变异系数为10.02%，与优化结果基本一致，误差在可接受范围内。在实际作业过程时，在保证播种质量的同时应提高排种器作业效率，同时减少其倾斜程度。本试验主要通过多因素试验研究排种器导种系统作业过程中运移稳定性及均匀性，探求其最佳工作条件，为单因素试验测定籽粒投送落种轨迹奠定基础。

3.2 单因素试验结果与分析

结合高速摄像与图像目标追踪技术，以排种器工作转速和倾斜角为试验因素进行单因素试验，对不同工况条件下投送落种轨迹进行测定分析。将各帧图片内籽粒质心点坐标值记录到Excel软件中，即可得出不同工作状态下籽粒运移规律与趋势。图9为倾斜角-12°、0°、12°，工作转速15～45 r/min工况条件下玉米籽粒运移投送落种坐标分布。

图9 籽粒坐标位置概率分布图Fig.9 Probability distribution graphs of corn grain coordinates

3.3 工作转速对运移投送轨迹影响

当工作转速为15～45 r/min、倾斜角为0°时，籽粒正面轨迹水平位移量整体稳定在1.1～17 mm内，侧面轨迹水平位移整体稳定在0.7～5.9 mm内，且各组试验中籽粒与导种带间均未发生相互滑移。分析可知，工作转速对运移投种轨迹具有显著性影响，各投种轨迹曲线均为正态分布。在倾斜角-12°～12°范围内均表现为：随工作转速增加，导种带及玉米籽粒线速度水平分量逐渐增加，籽粒抛物线轨迹开口变大，其正面水平位移与侧面水平位移随之增大。

当工作转速为15～35 r/min、倾斜角为0°时，籽粒正面轨迹水平位移量整体稳定在1.1～12.9 mm内，侧面轨迹水平位移整体稳定在0.7～4.8 mm内，籽粒运移投送轨迹及落点位置较集中，波动性较小，株距间变异系数较小。工作转速大于35 r/min时，籽粒轨迹及落点位置分布逐渐离散，株距变异系数明显增加，此时正面水平位移稳定在12.9～14.3 mm内，侧面水平位移稳定在3.7～4.8 mm内。在各组试验中，籽粒侧向位移受工作转速影响较大，侧向轨迹分布离散不均，籽粒正面水平位移变异系数均小于侧面水平位移坐标。造成此种现象的主要原因可能是随工作转速增加，排种器侧向振动增大，导致籽粒在惯性作用下与排种壳体间发生轻微碰撞，造成籽粒运动轨迹变化。

对工作转速为15～45 r/min、倾斜角为0°工况时籽粒投种角及株间变异系数进行测定分析，结果如表3所示。分析可知，投种角和株间变异系数随工作转速增加而减小，籽粒轨迹投种角整体稳定在62.3°～80.7°内，株间变异系数整体稳定在8.99%～17.97%内。通过SPSS软件对两者的相关系数进行显著性检验，其伴随概率P皆小于0.01，投种角Yt和株间变异系数Yc随工作转速变化的回归方程决定系数R2分别为0.943和0.982，其相关函数分别为

Yt=-0.607 9x+90.95

(12)

Yc=-0.003 6x2+0.486 5x+2.960 2

(13)

表3 各工作转速下投种角与株间变异系数测定结果
Tab.3 Measurement results of dropping seed angle and variation coefficient at different rotational speeds

工作转速/(r·min-1)轨迹投种角均值/(°)变异系数均值/%1580.78.992078.611.862575.913.163074.114.283571.815.234065.716.434562.317.97

3.4 倾斜角对运移投送轨迹影响

当工作转速为30 r/min、倾斜角为-12°～12°时，籽粒正面轨迹水平位移量整体稳定在2～45 mm内，侧面轨迹水平位移整体稳定在1.1～5.1 mm内。当工作转速30 r/min，倾斜角小于-8°或大于8°时，籽粒与导种带发生轻微滑移运动，影响运移轨迹稳定分布。

分析可知，倾斜角对运移投种轨迹具有显著性影响。在试验过程中倾斜角的变化使得籽粒并未在同一位置进行初始投种，投种点在0～4 mm高度范围内波动，对籽粒正面水平轨迹影响相对较小，落点位置较集中，对侧面水平落点位置影响较大，轨迹波动性较大。造成此种现象的主要原因可能是随倾斜角改变，籽粒投种角发生较大变化，且不同初始投种点导致初速度不同，在投种下落过程中籽粒姿态发生改变，使得运动轨迹侧面位移增大，稳定性下降。

对工作转速为30 r/min、倾斜角为-12°～12°工况下籽粒投种角及株间变异系数进行测定分析，结果如表4所示。分析可知，投种角随倾斜角的增大而减小，株间变异系数随倾斜角增大而先减小后增大，籽粒轨迹投种角整体稳定在66.4°～79.6°，株间变异系数整体稳定在14.28%～18.26%内。投种角Yt和株间变异系数Yc随倾斜角变化的回归方程决定系数R2分别为0.978和0.974，其相关函数分别为

Yt=-0.513 4x+73.557

(14)

Yc=-0.024 7x2+0.020 4x+14.605

(15)

表4 各倾斜角下投种角与株间变异系数测定结果
Tab.4 Measurement results of dropping seed angle and variation coefficient at different tilt angles

倾斜角/(°)轨迹投种角均值/(°)变异系数均值/%-1279.617.87-877.016.03-475.715.19074.114.28472.414.94869.716.711266.418.26

4 结论

(1)以指夹式玉米精量排种器为研究载体，对其导种运移投送机理进行分析，建立导种投送过程的运动学及动力学模型，分析各因素对运移稳定性及投送落种轨迹的影响。

(2)采用多因素二次通用旋转组合试验研究排种器工作转速及倾斜角对排种均匀稳定性的交互影响，运用Design-Expert 6.0.10软件对试验结果进行分析，对回归数学模型进行多因素优化。试验结果表明，当工作转速为27.6 r/min，倾斜角为0.2°时，排种器排种稳定性及均匀性最优，合格指数为86.92%，变异系数为10.02%，验证了排种器运行工作参数的合理性。

(3)运用镜面反射成像原理，搭建了排种轨迹测定试验台，结合高速摄像与图像目标追踪技术对投送落种过程中玉米籽粒三维空间位移进行测定分析，以工作转速和倾斜角为试验因素进行了籽粒投送轨迹运移规律的研究。试验结果表明，在工作转速为15～45 r/min、倾斜角为0°工况下，籽粒正面轨迹及侧面轨迹的水平位移随工作转速增加而增加，株距变异系数随工作转速增加而降低；当工作转速大于35 r/min时，籽粒轨迹及落点位置分布逐渐离散，株距变异系数明显增加，其正面水平位移稳定在12.9～14.3 mm内，侧面水平位移稳定在3.7～4.8 mm内，平均株距变异系数为15.13%。在工作转速为30 r/min、倾斜角为-12°～12°工况下，轨迹投种角随倾斜角的增加而减小，其整体角度稳定在66.4°～79.6°内。

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Analysis and Experiment of Guiding and Dropping Migratory Mechanism on Pickup Finger Precision Seed Metering Device for Corn

WANG Jinwu TANG Han WANG Jinfeng SHEN Hongguang FENG Xin HUANG Huinan

(CollegeofEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

In order to improve the guiding migration performance of pickup finger precision seed metering device, the steady migratory mechanism of guiding-seed system was studied. The kinematics and dynamics models of guiding-seed and dropping-seed processes were established based on its working principle. The influences of various factors on dropping trajectory and migration stability were analyzed. The quadratic general rotary unitized design was carried out by taking the rotational speed of seed meter and tilt angle as experiment factors, and the seeding qualified index and variation coefficient as experiment indexes. Based on experimental data, a mathematical model was built by using the Design-Expert 6.0.10 software, and the experiment factors were optimized, the best combination was achieved. On this basis, a kind of dropping trajectory measuring test platform was designed and built based on the theory of mirror reflection. And then the three-dimensional space velocities of the falling corn were measured and analyzed by high-speed photography and target tracking technology. The single factor tests for factors, including rotational speed and tilt angle, were carried out and the corresponding regression equations were obtained by analysis. Experimental results showed that when the rotational speed was between 15 r/min and 45 r/min and the tilt angle was 0°, the horizontal displacements of trajectories of frontal and profile dropping seed were increased with the increase of rotational speed and the variation coefficient of seeding was decreased with the increase of rotational speed. As the rotational speed was greater than 35 r/min, the trajectories and landing positions of corn grains were gradually discrete and the variation coefficient of seeding was significantly increased, and its horizontal displacements of frontal trajectory were stabilized within the range of 12.9～14.3 mm, the horizontal displacements of profile trajectory were stabilized within the range of 3.7～4.8 mm, and the average variation coefficient was 15.13%. The dropping seed angle was decreased with the increase of tilt angle at rotational speed of 30 r/min and tilt angle of -12°～12°. The results can provide guidance and direction for the research of mechanical precision seed metering device and its seed tube.

corn； pickup finger precision seed metering device； guiding and dropping seed； mechanism； experiment

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.01.005

2016-09-20

2016-11-20

“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD06B04)

王金武(1968—)，男，教授，博士生导师，主要从事田间机械及机械可靠性研究，E-mail： jinwuw@163.com

王金峰(1981—)，男，副教授，主要从事田间作业机械研究，E-mail: jinfeng_w@126.com

S223.2

A

1000-1298(2017)01-0029-09