内充种组合型孔式播量可调棉花精量排种器设计与试验

周 勇，胡梦杰，夏俊芳，张国忠，徐照耀，冯闯闯，唐楠锐，刘德柱



内充种组合型孔式播量可调棉花精量排种器设计与试验

周 勇※，胡梦杰，夏俊芳，张国忠，徐照耀，冯闯闯，唐楠锐，刘德柱

（华中农业大学工学院，武汉 430070）

为改善内充种式排种器用于棉花排种时易出现剪切伤种、内窝孔口堵塞以及播量无法调节的问题，该文设计了一种组合式阶梯状充填孔的播量可调式棉花精量排种器。以含水率为11.01%（湿基）的“鄂抗棉-10”棉种为试验对象，采用三元二次回归正交旋转组合设计试验，分析了内窝孔深度、入种口高度与排种盘转速对排种性能的影响规律，并获得了上述3因素的最佳工作参数组合。试验结果表明：排种器工作时种子破损率较低，凹型充填孔更适宜于棉花直播作业，影响排种器排种合格率的主次因素依次为排种盘转速≥内窝孔深度≥入种口高度，在内窝孔深度7.7 mm、入种口高度62.9 mm、排种盘转速23.52 r/min时，排种合格率（（2±1）粒/穴）为96.23%，漏播率（0粒/穴）为1.85%，重播率（大于3粒/穴）为1.92%，破损率为0.17%，满足棉花精量直播农艺要求。试验结果表明，阶梯状充填孔有延长清种时间与约束充种形态的作用，可减少排种器种子破损率3.73%，提高精量排种质量，可为内充种式排种器结构设计与优化提供参考。

农业机械；种子；设计；内充种式；排种器；精量直播；阶梯状充填孔；棉花

0 引 言

棉花机械化直播可省本节工、效率高，是实现棉花生产可持续发展的重要途径之一[1]。排种器作为棉花机械化直播的核心工作部件，其排种性能直接决定播种质量[2]。内充种式排种器结构简单、造价低、使用维护方便，适于中耕作物精播作业[3-5]，但存在漏播率、种子破损率较高及播量无法调节等问题[6-7]。张翔等[8]设计了一种入口渐收式柔性防伤种护种板，且在充种区域加设充种突起，提高了内充种式排种器播种性能。王吉奎等[6]增设了辅助充种与清种装置，有效提高了内充种式棉花穴播器的播种质量。尚家杰设计了一种具有容纳式防伤种护种板的浅盆形立式圆盘排种器，有利于降低种子破碎率，且提高了排种器充填性能[9]。Ryu 等[10]设计了一种借助毛刷清种的窝眼轮式排种器，以减少种子破碎率。罗锡文等[11-13]为降低精量穴直播水稻的破碎率，设计了一种可拆式弹性随动护种装置。祁兵等[14]在滚筒式排种器中设置了周向清种装置，可提高排种器排种质量。王冲等[15-16]针对机械式排种器中固定板式护种器伤种率高的问题，研制出一种同步柔性皮带护种器，该装置可减少种子破碎率0.5%以上。张宇文等[17]针对于窝眼轮式排种器中窝眼孔易堵塞的问题，增设推种轮，采用推种轮与排种轮啮合的形式强制排种。上述研究表明，通过改进护种板结构、增设充种与清种装置等，可提高排种器工作性能，但采用优化型孔结构，降低机械式排种器种子破损率，提高排种质量的精量排种鲜有报道。

本文结合棉花直播农艺要求，基于内充种式排种器工作原理，设计了一种棉花精量排种器，其采用容纳式阶梯状充填孔，以降低种子破损率且减少型孔堵塞的问题，并结合台架与田间试验，对其排种性能进行测试，以期为内充种式排种器结构优化设计提供参考。

1 内充种式棉花精量排种器结构与工作原理

内充种式棉花精量排种器结构如图1所示，主要由毛刷1、后壳体2、凸耳3、排种内盘4、护种板5、前壳体6、进种管7、入种口高度调节板8、排种轴9及排种外盘10等部分组成。其中，排种盘由凸耳、排种外盘和排种内盘组成，凸耳通过内六角圆柱头螺钉紧固于排种外盘上，排种内盘与排种外盘采用螺栓连接，故可相对转动，实现播量的无级调节。

排种器工作过程可分为充种、清种、护种与投种4个阶段，如图2所示。排种器作业前，将入种口高度调节板调至合适位置，棉种由进种管经入种口进入充种腔后形成种子群；排种轴在动力驱动下带动排种盘转动，种子群中下层棉种在重力、离心力及种子间相互作用力下充入排种盘与前壳体形成的组合型孔内；当型孔旋转至清种区时，其充填孔内多余的棉种在重力作用下落回充种腔，内窝孔中的棉种随排种盘进入护种区，在护种板作用下充填孔口封住，棉种保留在型孔内，转过一定角度后到达投种区，在重力与离心力作用下通过投种口排出棉种，完成投种过程。

注：Φ为排种盘外径，mm；Dd为内窝孔中心对应的圆周直径，mm。

图2 排种器工作原理

2 关键部件设计与参数确定

2.1 排种盘直径Φ与型孔数k

型孔轮式排种器排种盘直径选取范围一般为80～260 mm[18]，因排种盘直径取较大值时，有利于提高排种器充、清种性能，故本文选取排种盘外径为220 mm，内径为186 mm。

在播种穴距与前进速度一定的条件下，型孔数目越多，排种盘转速越低，有利于提高机械式排种器充种性能，同时，减小种子机械损伤。故在满足排种盘2个相邻型孔互不影响的条件下，应尽可能布置较多的型孔数，且排种盘型孔数目需满足下式[19]：

式中为排种盘型孔数，个；D为排种盘内窝孔中心对应的圆周直径，m；为地轮滑移系数；v为内窝孔中心处线速度，m/s；I为播种穴距，m；V为机组前进速度，m/s；为排种轴转速，r/min。

由式（1）可得

排种器安装于配套拖拉机上，其前进速度为0.5～1.5 m/s，本文选取V=1.0 m/s；根据农艺要求棉花直播机田间播种穴距范围为0.125～0.324 m，取I=0.200 m；排种器采用拖拉机动力驱动，取地轮滑移系数=0；排种轴转速设为25 r/min，经计算确定排种盘型孔数=12。

2.2 组合型孔结构与参数

为改善内充种式排种器存在的剪切伤种、高漏播率的问题，将排种盘充填孔设计为阶梯状，由矩形型孔1与梯形型孔2组成，如图3所示。矩形型孔一方面延长了清种时间，另一方面当棉种下落至左右两侧分别与毛刷和充填孔凸起3接触时，由于受到力矩作用将侧翻进入矩形型孔中，避免剪切伤种。同时，将充填孔的梯形型孔设计为开口沿圆周向外方向逐渐缩小，限制内窝孔口处棉种形态，使其只能以一粒横躺或两粒斜立的方式进入内窝孔，避免内窝孔口处因种子结拱或卡滞而造成漏播，且型孔布置于排种盘外侧边缘处构成“敞口”形式，增强型孔内种群扰动，提高排种器充种性能。

注：O为排种盘转动中心；a为矩形型孔长度，mm；b为矩形型孔高度，mm；q为梯形型孔下底面长度，mm；e为梯形型孔上底面长度，mm；k为充填孔上底面长度，mm；h为内窝孔高度，mm；s为内窝孔深度，mm。

本文选取鄂抗棉-10号棉种作为试验对象，其三轴平均尺寸长×宽×厚分别为9.14 mm×5.28 mm×4.78 mm，棉种长度最大值max=10.20 mm，最小值min=8.61 mm，宽度最大值max=5.83 mm，最小值min=4.44 mm，厚度最小值min=3.59 mm，以此作为型孔设计依据。

2.2.1 矩形型孔结构与参数确定

1）矩形型孔高度

因矩形区域可容纳侧翻进入的棉种，则矩形型孔高度应满足

式中max为棉种宽度最大值，mm。

依据前期物料试验，棉种最大宽度值max=5.83 mm，为增大组合型孔结构强度，矩形区域宽度应在满足要求的条件下尽可能小，故本文矩形区域高度确定为=6 mm。

2）矩形型孔长度

拟剪切棉种下落至排种器清种与护种交界处时，主要受重力、充填孔凸起对棉种的推力、毛刷对棉种的支持力与摩擦力作用。为进一步确定矩形型孔长度，对棉种进行受力分析，建立如图4所示拟剪切棉种清种力学模型：将棉种视为刚性椭球体[20-21]，其质心为几何中心，以棉种质心为坐标原点1，长轴为轴，与毛刷侧边平行，短轴为轴，建立如图4所示辅助坐标系。

注：l为棉种极限运动状态下落出型孔时间段内排种盘内圆所转过的弧长，mm；G为棉种颗粒所受重力，N；N为毛刷对棉种的支持力，N；θ1为毛刷对棉种支持力与Y轴夹角，（°）；θ2为起始护种角，（°）；f1为毛刷对棉种的摩擦力，N；F1为充填孔凸起对棉种的推力，N；O1为棉种质心；O2为棉种与毛刷接触点。

各分力对棉种与毛刷接触点处2的合力矩为

Σ=11-2（4）

式中为棉种与毛刷接触点处2所受合力矩，N·mm；1为充填孔凸起对棉种的推力，N；为棉种颗粒所受重力，N；1为点2到1的力臂，mm；2为点2到重力的力臂，mm。

由式（4）可知，当合力矩Σ>0时，拟剪切棉种侧翻进入矩形型孔；当合力矩Σ<0时，拟剪切棉种因清种时间的延长落出型孔，均避免了剪切伤种。

一方面，排种器防伤种设计延长了清种时间使得无矩形区域时拟剪切的棉种有足够时间顺利落出充填孔，其极限运动状态为棉种刚好未与充填孔凸起接触，此时充填孔凸起对棉种的推力1=0。因棉种下落至清种与护种交界处时，其速度具有竖直向下分量，为使棉种在矩形区域内完全落出充填孔，设棉种从静止开始沿毛刷侧边下滑，主要受重力、毛刷对棉种的支持力与摩擦力作用。由动力学分析可知，棉种下滑过程中，沿轴方向加速度先增大后不变，为避免剪切伤种，确保棉种完全落出充填孔，以棉种初始时刻的加速度为基准确定矩形型孔长度，则矩形型孔长度需大于棉种落出型孔时间段内排种盘内圆所转过的弧长，即

由式（5）可得

式中为排种盘转速，r/min；1为矩形区域径向圆周方向内底面处对应的圆周半径，mm；1为棉种落出型孔所需时间，s；1为棉种沿轴方向的加速度，1=6.75～8.69 m/s2；为毛刷对棉种的支持力，N；1为毛刷对棉种支持力与轴夹角，（°）；2为护种板起始护种角，（°）；为棉种与毛刷间滑动摩擦角，（°）；为棉种与毛刷间摩擦系数；为棉种沿轴方向所受合力，N；1为毛刷对棉种的摩擦力，N。

因棉种近似于椭球体且处于极限运动状态，则棉种所受支持力与轴正向之间的夹角1满足如下几何关系：

式中1为毛刷与棉种接触点处横坐标，mm；1为毛刷与棉种接触点处纵坐标，mm。

由式（7）可得

将=9.14 mm，=5.28 mm，=6 mm，排种盘内圆半径=93 mm，排种盘角速度取=2.62 rad/s，矩形区域径向圆周方向内底面处对应的圆周半径1=+=99 mm，棉种与毛刷滑动摩擦角取=15°，起始护种角取2=16°，代入式（6）与式（8）中计算可得1=29.70°，≥10.93 mm。

另一方面，当棉种侧翻进入矩形区域时，矩形型孔长度需满足

式中max为棉种最大长度值，mm。

因max=10.20 mm，综合上述分析可知，矩形型孔长度需满足≥10.93 mm，本文矩形型孔长度确定为=11 mm。

2.2.2 梯形型孔结构与参数确定

1）梯形型孔上底面长度

棉种充入组合型孔虽然具有相向速度差、同向速度差与填补空间3种形式，但在充种过程中始终受到离心力、重力与种子间相互作用力[22]。根据动态落粒拱原理，忽略种子间相互作用力[23]，且充种过程中，棉种所受离心力变化较小，可忽略不计。以棉种为研究对象，以其质心为坐标原点，长轴为轴，短轴为轴，建立如图5所示辅助坐标系。

注：P为棉种所受离心力，N；G为棉种颗粒所受重力，N；θ3为棉种所受离心力方向与排种盘竖直轴线的夹角，（°）；R为排种盘内圆半径，mm；vx为棉种充种时刻初速度，m·s-1。

为确保棉种顺利充入充填孔，需使梯形型孔上底面长度大于棉种沿轴方向合力作用下充入充填孔的时间内排种盘内圆所转过的弧长、棉种沿轴方向下落的位移x与棉种长半轴所对应的弧长之和，即

由式（10）可得

式中为排种盘内圆半径，mm；1为矩形区域径向圆周方向内底面处对应的圆周半径，mm；2为棉种处于排种盘内侧时棉种质心所对应的圆周半径，mm；2为棉种下落时间，s；y为棉种沿轴下落的距离，mm；x为棉种沿轴下落的距离，mm；y为棉种沿轴下落的加速度，m/s2；x为棉种沿轴下落的加速度，m/s2；F为棉种沿轴方向所受合力，N；F为棉种沿轴方向所受合力，N；3为棉种所受离心力方向与排种盘竖直轴线的夹角，（°）；x为棉种充种时刻初速度，m/s；2为棉种随排种盘内壁转动的角速度，rad/s。

将=93 mm，max=10.20 mm，y=+/2=8.39 mm，1=+=99 mm，2=-/2=90.61 mm，排种盘角速度取=2.62 rad/s，棉种所受离心力方向与排种盘竖直轴线的夹角取3=20°，排种器工作过程中，充种腔内棉种作环流运动，内层棉种随壁转动，其角速度2取值范围为0<2<[20],将上述参数值代入式（11）可得≥17.43 mm。因上底面长度越大，充填孔内可容纳棉种数越多，不利于种子充入内窝孔，且对型孔数目的确定具有一定的限制作用，综合考虑，梯形型孔上底面长度确定为=18 mm。

2）梯形型孔下底面长度

因内窝孔口堵塞主要是由于充填孔内种子量过多，造成内窝孔口种子结拱或卡滞[6]，故将充填孔的梯形型孔区域设计为开口沿圆周向外方向逐渐缩小，限制充填孔内种子量，当棉种下落至充填孔底部与后壳体接触时，内窝孔口处只存在有1粒或2粒棉种，且以1粒横躺或2粒并列斜立的方式有序充入内窝孔，避免内窝孔口堵塞，且通过合理调节内窝孔深度更易实现排种器精量排种。故梯形型孔下底面长度应满足

式中max为棉种宽度最大值，mm；min为棉种厚度最小值，mm。

将max=5.83 mm，min=3.59 mm代入式（12）得5.83 mm≤≤7.18 mm，因梯形型孔下底面长度设置越大，内窝孔口处所聚集的棉种越多，不利于顺利充种，故梯形型孔下底面长度确定为=6 mm。

3）充填孔孔型

充填孔孔型决定了梯形型孔内可容纳棉种的种子量，为探究不同型孔情况对种子充填的影响，本文设计了3 种不同形状的凸耳以改变充填孔孔型，分别为直线型、凸型（圆弧半径为25 mm）和凹型（圆弧半径为25 mm），并进行试验研究，确定较为适合棉花直播的充填孔孔型。3种孔型如图6所示。

图6 充填孔孔型

2.2.3 内窝孔结构参数确定

1）内窝孔宽度

因棉种以1粒横躺或2粒斜立的方式充入内窝孔，且内窝孔内只能容纳1层棉种，故内窝孔宽度需满足

式中max为棉种长度最大值，mm；min为长度最小值，mm；max为宽度最大值，mm；min为宽度最小值，mm；min为棉种厚度最小值，mm。

将max=10.20 mm，min=8.61 mm，max=5.83 mm，min=4.44 mm，min=3.59 mm代入式（13）得11.66 mm<<12.20 mm，故内窝孔宽度确定为=12 mm。

2）内窝孔高度

为使排种器更易实现精量播种，限制内窝孔高度使其只可容纳1层棉种，则以内窝孔内恰好能充入2层棉种时的高度值作为内窝孔高度设计的最大临界值。

假设棉种均以斜立的方式充入内窝孔，则3粒棉种均以平行于内窝孔深度方向充入内窝孔时，其最小高度值即为最大临界值，充种模型如图7所示。

注：O1、O2、O3分别为3粒棉种截面中心；F为椭圆O1与椭圆O3的切点；G为椭圆O2与椭圆O3的切点；M为直线GM与x轴的垂足；m为内窝孔宽度，mm；h为内窝孔高度，mm。

将棉种简化为椭球体，沿内窝孔深度方向截取棉种宽度与厚度平面横截面最大尺寸，则棉种截面为椭圆，以棉种最小宽度作为椭圆长轴，最小厚度作为椭圆短轴，其长、短半轴分别记为、。忽略棉种间相互挤压作用，3粒棉种充入内窝孔内，当棉种均以平躺形式且横截面如图7所示堆叠时，内窝孔高度达到最小值，分别记3粒棉种的截面中心为1、2、3，椭圆1、3相切于点，椭圆2、3相切于点，以1、2连线的中点为坐标原点，以水平方向且通过点1、2的坐标轴为轴，以竖直方向且通过点3的坐标轴为轴，建立如图7所示坐标系，记切点处坐标值为（0，0），椭圆3的坐标值为（0，0），则内窝孔高度最大值为max=2+0，按照式（14）计算出内窝孔高度最大临界值。

由式（14）可得

由式（15）可知，内窝孔高度最大临界值与棉种宽度、厚度和内窝孔宽度有关，将=min/2=2.22 mm，=min/2=1.80 mm，=12 mm代入式（15）得max=7.15 mm。因内窝孔内可容纳1层棉种，则max<，故有5.83 mm<<7.15 mm，考虑到种子间相互挤压作用的影响，内窝孔高度不宜选取较大值，故内窝孔高度确定为=6 mm。

3）内窝孔深度

内窝孔深度为内窝孔上表面所对应的弧长。根据棉花直播农艺要求，直播机田间作业每穴（2±1）粒为合格，由棉种三轴尺寸分析可知，当3粒棉种均以平行于内窝孔宽度方向平躺于内窝孔内时，内窝孔深度达到最大值，即内窝孔深度可调范围应满足

式中max为棉种宽度最大值，mm。

将max=5.83 mm代入式（16）得≥17.49 mm，考虑到内窝孔深度可调范围越大，组合型孔结构强度相对削弱，故内窝孔深度最大值确定为=18 mm，可调范围为0≤≤18 mm。

3 排种性能试验

3.1 台架试验

3.1.1 试验材料及装置

试验材料选用鄂抗棉-10号脱绒包衣棉种，如图8a所示，人工精选后无破损，其湿基含水率为11.02%，千粒质量为101.62 g[21]。试验装置采用JPS-12型排种器性能检测试验台，如图8b所示。

图8 台架试验材料及装置

3.1.2 评价指标

按照黄河流域棉花机械化直播农艺要求每穴（2±1）粒[24]。参照行业标准NY/T 987-2006《铺膜穴播机作业质量》与国家标准GB/T 6973-2005单粒（精密）播种机试验方法[25-26]，以合格率、漏播率、重播率以及破损率为评价指标开展台架性能试验。

1）合格率、漏播率与重播率

在排种器与种床带稳定工作状态下，连续记录排种器所排出的每穴棉种粒数，每250穴为1组，试验重复3次。则排种合格率、漏播率、重播率计算公式如下：

式中0为一穴0粒的总穴数；1为一穴（2±1）粒的总穴数；2为一穴4粒及以上的总穴数；为3组试验所记录的总穴数。

2）破损率

在排种器稳定工作状态下，记录1 min内排种器排出的棉种数为0，其中所包含的破损棉种数为n，则破损率为[27]

3.1.3 试验设计

以充填孔孔型为影响因子，分别对凸型、直线型与凹型充填孔开展单因素试验，探究充填孔孔型对试验指标的影响。

根据前期理论分析与预试验，确定影响排种性能的主要因素及其工作范围为：内窝孔深度6.0~10.0 mm；入种口高度40.0~80.0 mm；排种盘转速10.00~40.00 r/min，开展具有凹型充填孔的内充种式排种器三元二次回归正交旋转组合设计多因素寻优试验。因素水平编码表见表1。

表1 因素水平编码表

3.1.4 结果与分析

1）充填孔孔型对排种性能的影响

设定内窝孔深度为8 mm，入种口高度为60 mm，排种盘转速为25 r/min，种床带工作速度为3.96 km/h，对图6所示的3种充填孔孔型进行单因素试验，每组试验重复3次，取其平均值，试验结果见表2。

表2 充填孔孔型对排种性能的影响

由表2可知，无论排种器采用何种充填孔，棉种破损率均低于0.5%，满足农艺要求。排种器采用凸型充填孔时排种效果最差，漏播率为32.46%，合格率为65.91%，这主要是由于充填孔容积较小，当型孔进入充种区时，棉种在重力与种子间相互作用力下涌入充填孔，导致充填孔孔口堵塞，漏播较多。采用直线型充填孔时，充填孔容积相应增大，此时排种器漏播减小，合格率增大，但在充填孔内仍存在有棉种以2粒棉种并列与1粒棉种横跨堵塞充填孔的现象（图9）。排种器采用凹型充填孔时，充填孔容积进一步增大，充种较为顺利，此时排种性能最好，穴粒数合格率达到95.32%，漏播率为1.93%。

图9 充填孔堵塞形式

2）正交旋转组合设计

根据三元二次回归正交旋转组合设计共进行23组试验，每组试验重复3次，取其平均值作为最终试验指标。试验结果见表3。

表3 正交旋转组合试验设计及结果

由表3可知，正交旋转组合设计试验中棉种破损率均低于0.5%，防伤种结构设计合理，可有效减少种子损伤。对试验数据进行回归拟合，建立合格率、漏播率与内窝孔深度、入种口高度、排种盘转速的二次回归模型[28]，并进行方差分析，方差分析表见表4。进而筛选出显著项[29]，根据因素编码公式进行回代，得出回归方程为：

=-10.805+18.1831+0.882+0.9883-1.18712

-0.00722-0.02132（21）

=55.859-7.5361-0.5512-0.2813-0.05413

+0.50512+0.00422+0.01632（22）

表4 正交旋转组合试验结果及回归方程方差分析

注：0.05（9,13）=2.71；0.01（9,13）=4.19；0.05（1,13）=4.67；0.01（1,13）=9.07；0.05（5,8）=3.69；0.01（5,8）=6.63；**表示方差分析在0.01水平上显著；*表示方差分析在0.05水平上显著。

Note:0.05(9,13)=2.71;0.01（9,13）=4.19;0.05(1,13)=4.67;0.01(1,13)=9.07;0.05(5,8)=3.69;0.01(5,8)=6.63; ** denotes significance of variance analysis at the 0.01 probability levels; * denotes significance of variance analysis at the 0.05 probability levels.

由上述回归方程与方差分析表可知，排种合格率与漏播率回归模型检验均极显著（<0.01），回归方程失拟不显著，与排种器实际情况拟合良好。对于合格率回归方程，除交互项12、13、XX3外，其余各回归项影响均显著，且影响排种合格率的主次因素为排种盘转速、内窝孔深度、入种口高度；对于漏播率回归方程，除交互项12、XX3外，其余各回归项影响均显著，影响排种漏播率的主次因素为内窝孔深度、入种口高度、排种盘转速。

为得到排种器各因素最佳工作参数组合，以合格率、漏播率回归方程为性能指标函数，采用极值理论进行优化求解[30]，其目标函数与约束条件为

当内窝孔深度为7.7 mm、入种口高度为62.9 mm、排种盘转速为23.52 r/min时，排种器性能指标达到最优状态，其合格率为95.89%，漏播率为1.45%，重播率为2.66%。为验证其可靠性，开展台架验证试验，试验重复3次，取其平均值为排种合格率96.23%，漏播率1.85%，重播率1.92%，与优化结果基本一致，且棉种破损率为0.17%，均满足棉花精量直播农艺要求。

改进前内充种式排种器用于棉花排种时，其排种质量为合格率51.6%，漏播率3.0%，种子破损率3.9%[6]，经与内充种组合型孔式棉花精量排种器台架试验最优排种效果对比可知，排种器合格率提高44.63%，漏播率降低1.15%，种子破损率降低3.73%，可显著提高播种质量。

3.2 田间试验

为检验内充种式棉花精量排种器田间播种效果，于2018年1月11日至14日在华中农业大学现代农业科技试验基地开展田间性能试验，如图10所示。试验田块选取长28 m、宽9 m的棉田，试验前使用旋耕机进行耕整，使其达到棉花机械直播土壤农艺要求。耕整后棉田高度差在5 cm以内，耕深为26.3 cm，土壤紧实度为563.8 kPa。试验以棉麦套作棉花播种机为平台，将排种器各参数均调节至台架试验时的最佳工作状态，机具前进速度约为3.73 km/h，连续统计机组匀速行驶的20 m取样长度内每穴粒数与穴距，重复5次，取其平均值作为试验值。试验测得排种器田间播种作业质量为穴粒数合格率95.44%、漏播率2.28%、重播率2.28%、伤种率0.06%、穴距合格率97.63%、穴距变异系数23.11%，满足棉花精量直播田间作业要求。

图10 田间试验

4 结 论

1）利用约束充种形态与容纳拟剪切棉种的思想，设计了一种内充种组合型孔式棉花精量排种器，采用容纳式阶梯状充填孔，以解决排种器易出现内窝孔口堵塞与伤种率高的问题。

2）内充种组合型孔式排种器台架试验结果表明，棉种破损率均低于0.5%；凹型充填孔较直线型、凸型充填孔更适宜于棉花精量直播作业；影响排种器排种性能的主要因素最佳工作参数组合为：内窝孔深度7.7 mm、入种口高度62.9 mm、排种盘转速23.52 r/min，此时，其相应性能指标为合格率96.23%、漏播率1.85%、重播率1.92%、破损率0.17%；内充种组合型孔式排种器可减小种子破损率3.73%，漏播率1.15%，显著提高播种质量。

3）内充种组合型孔式排种器田间试验结果表明，内充种式棉花精量排种器田间播种质量为合格率95.44%、漏播率2.28%、伤种率0.06%、穴距合格率97.63%、穴距变异系数23.11%，满足棉花精量直播农艺要求。

本文研究了内充种组合型孔式棉花精量排种器对鄂抗棉-10号棉种的排种性能影响规律，而棉花品种繁多，不同品种可能需要不同的组合型孔参数，因此，针对组合型孔形状、参数的研究还有待深入开展。

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Design and experiment of inside-filling adjustable precision seed-metering device with combined hole for cotton

Zhou Yong※, Hu Mengjie, Xia Junfang, Zhang Guozhong, Xu Zhaoyao, Feng Chuangchuang, Tang Nanrui, Liu Dezhu

(,,430070,)

In order to improve the status quo that mechanical direct seeding level for cotton is insufficient in the Yellow River basin, a kind of inside-filling precision seed-metering device with stepped filling holes which can reduce the shearing damage on seeds and blocking of nest inside hole was designed. To realize stepless adjustment of the seeding rate, a composite seeding plate which consists of inner seeding plate, lug and outer seeding plate assembled by bolts and nuts was adopted. This paper set forth the working principle of inside-filling seed-metering device and determined the general structure along with necessary parameters of key components. The cotton seed variety E`kangmian-10 with moisture content 11.01% (wet basis) was selected as experimental object. Before testing, all of the cotton seeds had been delinted and coated, and there were no damaged cotton seeds after manual selection. In bench test, the single factor experiment was performed on the seed-metering device. The factor was the shape of filling hole which was changed by replacing lugs, so as to study the effect of shape of filling hole on seeding performance and the optimal one was used for cotton direct seeding. Based on pre-experiments, the nest inside hole depth, seed entrance height and seeding plate rotational speed were taken as main impact factors and the qualified rate, reseeding rate, miss seeding rate and damage rate of seeding were taken as the test indexes. Then quadratic regression rotation-orthogonal combination experiment with concave filling hole was executed. The regression model was established and the influence law of various factors on test indexes was analyzed. Through the tests above, the optimal combination of each factor was obtained. The results indicated that the structural design of anti-injury was reasonable due to the low damage rate, and the concave filling holes are more suitable for cotton direct seeding than straight and convex filling holes. Due to its small volume and the incapability of cotton seeds filling into the hole smoothly under the application of gravity, centrifugal force and interaction force of cotton seeds, the convex filling hole adopted in the inside-filling seed-metering device was seriously blocked which resulted in a high miss seeding rate, the miss seeding rate decreased and qualified rate increased with the increasing of filling hole volume for straight filling hole and the phenomenon of blockage still existed, and seeding performance reached the optimal state without blockage for concave filling hole. The order influencing qualified rate of seed-metering device was seeding plate rotational speed>nest inside hole depth>seed entrance height, and the order influencing miss-seeding rate of seed-metering device was nest inside hole depth>seed entrance height>seeding plate rotational speed. The optimal combination was nest inside hole depth with 7.7 mm, seed entrance height with 62.9 mm, seeding plate rotational speed with 23.52 r/min. On the condition above, the qualified rate (1-3 seeds per hole), reseeding rate (more than 3 seeds per hole), miss seeding rate (0 seed per hole) and damage rate of seeding were 96.23%, 1.92%, 1.85% and 0.17%, respectively. In order to test the seeding performance of seed-metering device in the field, the field experiment was carried out and the results showed that the qualified rate was 95.44%, reseeding rate was 2.28%, miss eeding rate was 2.28%, damage rate was 0.06%, the qualified rate of hole distance was 97.63% and the variation coefficient of hole distance was 23.11%, which meet agronomy requirement for cotton direct seeding. The study provide a reference for the structural design and optimization of inside-filling precision seed-metering device for cotton.

agricultural machinery; seed; design; inside-filling; seed-metering device; direct seeding; stair-stepped filling hole; cotton

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.008

S223.2+3

A

1002-6819(2018)-18-0059-09

2018-05-23

2018-07-27

国家科技支撑计划项目（2013BAD08B02）;中央高校基本科研业务费专项（2662015PY070和2012ZYTS022）

周 勇，男，副教授，博士，研究方向为现代农业装备设计与测控技术。Email：zhyong@mail.hzau.edu.cn

周 勇，胡梦杰，夏俊芳，张国忠，徐照耀，冯闯闯，唐楠锐，刘德柱. 内充种组合型孔式播量可调棉花精量排种器设计与试验[J]. 农业工程学报，2018，34(18)：59－67. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.008 http://www.tcsae.org

Zhou Yong, Hu Mengjie, Xia Junfang, Zhang Guozhong, Xu Zhaoyao, Feng Chuangchuang, Tang Nanrui, Liu Dezhu. Design and experiment of inside-filling adjustable precision seed-metering device with combined hole for cotton[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(18): 59－67. (in Chinese with English abstract) doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.008 http://www.tcsae.org