气送式高速玉米精量排种器设计与试验

高筱钧，徐 杨，张东兴，杨 丽，鲁 兵，苏 媛，夏国艺，崔 涛

气送式高速玉米精量排种器设计与试验

高筱钧，徐 杨，张东兴，杨 丽，鲁 兵，苏 媛，夏国艺，崔 涛※

（1. 中国农业大学工学院，北京 100083； 2. 农业农村部土壤-机器-植物系统技术重点实验室，北京 100083）

为满足在高速条件下玉米精量播种的要求，从工作原理出发，设计一种可从根本上解决因高速作业带来的充种性能不佳、清种结构复杂等问题的高速精量排种器，其利用高速作业产生的离心力进行充种与清种，将现行的种子堆积依靠重力充种的形式改成气送充种，对排种盘、型孔插件、护种板结构形状进行了理论分析和参数设计，采用文丘里管进行有序气吹送种，型孔插件与护种板相配合充种与携种，护种板宽度变化清种。分别对排种器工作速度、种子喂入速度、气送风压进行单因素试验，以合格指数、漏播指数、重播指数为试验指标，得出各因素对排种性能的影响，其中此工作原理下增加排种器工作速度不但不会增加漏充指数，反而降低并基本保持不变。为得到排种器的最佳性能参数，进行正交旋转组合试验并构建各因素与指标间的关系式。采用响应曲面法对试验结果进行目标优化，并通过台架试验进行验证：得到工作速度为9 km/h，种子喂入量为1.91 kg/min，气送风压为492.17 Pa时，排种合格指、漏播指数、重播指数分别为93.14%，1.00%，5.86%，经台架试验验证，优化结果可靠。试验结果表明此种气送式高速玉米精量排种器很好的解决了在高速作业下充种难，清种复杂的问题，在高速工作条件下能保持良好的排种性能。

农业机械；作物；设计；高速；玉米；向心力；回归方程

0 引 言

所谓高速精量播种[1-2]是依托具有高速作业性能的精量播种机，依据农艺所需要求，将种子按照粒距、行距、播深一致的标准播入土壤中并可准确定位的过程。高工作性能的高速精量播种机是得到优良播种质量的有效方式[3-5]，其可有效的节约种子、减少田间作业次数，同时还能达到苗全、苗齐、苗壮的效果，既降低成本又提高产量[6-7]。高速精量排种器作为核心机构，其对高速作业的适应性以及工作性能成为了玉米播种技术的关键。

精密排种器按照大类可分为机械式排种器[8-10]和气力式排种器[11]，其中机械式排种器又可分为圆盘式[12]、窝眼轮式[9]、勺轮式[13]以及指夹式[8,14]等，其优势在于结构简单易于加工且成本低，但由于其充种过程主要依靠重力或夹持作用，很难在高速作业下形成有效充种；气力式排种器则可分为气吹式[15-17]、气吸式[18-19]和中央气送式[20-21]3种，其优势则在于适用于高速作业且精度高不伤种，由于上述特点其应用日益增加[22-23]。但其充种形式均采用重力充种，在高速作业情况下特别是在充种过程对于玉米这种非类圆形种子的适应性较差，难以实现有效填充，易造成漏播率高[24-27]。为了有效解决充种难的问题，现有方式是应用机械搅动，如采用带有凹槽的排种盘和有搅拌功能的型孔，或者采用气流扰动以及电磁振动等方式。主要目的是增加种子流动性，提高充种性能[28-30]。上述学者均是采用种群堆积重力充种的方式并从提高种群的扰动性角度进行研究解决因种群堆积流动性差造成充种难的问题，而未从原理和结构上根本的改变排种器工作方式以解决由于种群堆积重力充种带来的在高速工作下难以充种的问题[31-34]。

基于上述问题，设计1种基于全新原理与结构气送式高速玉米精量排种器，其特点在于利用高速作业产生的离心力进行充种与清种，采用气送喂种及型孔插件和护种板组合结构，将原本高速作业产生的不利条件转变为有利条件，从根本上解决了传统形式下高速作业时充种时间短难以充种的问题。对排种器展开以排种器工作速度、种子喂入速度、气送风压为因素的单因素试验，得出对高速精量排种器工作性能的影响规律，同时为获得较好的排种性能去探寻各最佳试验因素组合，开展二次回归正交旋转组合试验，为高速玉米精量排种器的设计提供参考。

1 排种器结构与工作原理

气送式高速玉米精量排种器主要由后壳体、轴承、排种盘、型孔插件、轴、护种板、前壳体组成其整体结构如图1所示。

1.后壳体 2.轴承 3.排种盘 4.型孔插件 5.轴 6.护种板 7.前壳体 8.分隔板 9.进种口 10.落种口

气流从进风口吹入，将从喂入口进入的种子吹入文丘里管，形成均匀有序的种子流进入高速排种装置[35]。如图2所示，整个工作过程分为5个阶段，包括种子填充、种子携带、清除多余种子、抛投种子以及过渡。轴转动带动排种盘转动，排种盘转动带动与之连接的4个型孔插件转动，种子从前壳体进种口随气流进入，充入下端的型孔插件。在型孔插件以及护种板的夹持作用下，充入型孔插件的种子随之转动，途径充种区和携种区后转动到排种器正上方处，由于护种板在充种区和携种区弧段的前端倾斜部与型孔插件贴合起到充种作用，在清种区由于其前端倾斜部分宽度变窄，此时型孔插件内仅能容纳单粒种子，多余的种子失去了护种板的支持力，做离心运动脱离型孔插件，甩到前壳体内壁面并顺着分隔板滑落回排种器底部，在气流作用下与刚进入排种器的种子汇合，进行再次的充种。型孔插件内留下的单粒种子继续随着型孔插件转动，直到投种区失去了护种板的包裹，种子缺少了支持力，在自身重力作用下脱离型孔插件沿着落种口排出排种器，完成整个排种过程。

1.进风口 2.喂入口 3.文丘里管 4.玉米种子 5.种子分离装置

I.充种区 II.携种区 III.清种区 IV.投种区 V.过渡区

1.Air intake 2.Feeding entrance 3.Venturi tube 4.Maize 5.Seed segregation device

I. Filling place II. Carrying place III. Cleaning place IV. Dropping place V. Transition place

图2 排种器工作原理图

Fig.2 Schematic diagram of seed metering device

2 排种器关键部件参数设计

2.1 排种盘直径

排种盘直径直接关系到排种器整体尺寸、排种盘线速度以及种子所需向心力等参数[20-21]。建立排种盘直径对于充种影响的方程组

式中为排种盘转过充种区的时间，s；l为充种区弧长，mm；为排种盘线速度，m/s；为排种盘直径，mm；为排种盘转速，r/min；为充种区弧度，rad。

由式（1）整理得出

由式（2）表明，排种盘转过充种区的时间仅与工作速度和充种区弧度有关，与排种盘直径无关[36]。目前国内外排种盘直径多为140～260 mm，大直径排种盘，可以增加排种盘线速度以及提高种子所需向心力，在高工作速度下，较大的离心力在充种区反而使得种子牢牢压覆于型孔底部有利于充种，在清种区有利于多余种子甩出型孔，结合实验室现有材料以及本排种器工作特点并兼顾排种器整体结构需要，综合考虑排种盘直径选取200 mm，轴向等角度设有4个型孔插件槽，可更换不同形式的型孔插件以适应各类种子。材料选取高性能尼龙，由3D打印机制成。

2.2 型孔插件结构设计

型孔插件的结构关系到高速排种器的工作性能，因此有必要对其结构参数进行设计。型孔插件结构参数包括型孔底部宽度、型孔底部长度、型孔深度、型孔上端高度以及型孔插件前端倾角，如图3所示。

注：W为型孔底部宽度，mm；L为型孔底部长度，mm；T为型孔深度，mm；H为型孔上端高度，mm；γ为型孔插件前端倾角，(°)。

此次排种器工作中所用的种子为未分级，因此型孔尺寸应当满足所选玉米种子的通用性。选取1 000粒郑单958玉米杂交种，其形状可大致分为大扁、小扁、类大圆、类小圆4种，对其长、宽、厚3个方向进行测量，如图4所示，得出其外形尺寸，如表1所示。

根据种子外形尺寸，型孔尺寸应满足下式

式中D为型孔宽间隙，mm；D为型孔长间隙，mm；D为型孔深间隙，mm。

注：0为种子宽度，mm；0为种子长度，mm；0为种子厚度，mm。

Note:0is seed width, mm;0isseed length, mm;0is seed thickness, mm.

图4 玉米种子

Fig.4 Seed of maize

表1 种子外形尺寸

根据（3）可知，型孔长度应该等于种子宽度的平均值0加上种子与型孔长度方向的间隙D，其中型孔长间隙D需要比种子平均宽度0小，这样才能有效避免在型孔宽度方向上容纳2个以上种子，以保证单粒精密播种。同理，型孔宽度尺寸的设计与型孔长度尺寸的设计一样。对型孔深度，需要型孔能容纳整个种子并且型孔深间隙D不足以保证另一颗种子重心以及大部分体积在型孔内，这样才可以保证在清种过程中多余的种子被清除。型孔上端凸起主要起到搅拌种群以及携种作用，为了提高充种效果，型孔上端高度至少可以遮盖到种子重心位置才能起到效果。

型孔长度、宽度、深度、上端高度均是依据测量种子尺寸值得到的，分别取10、9、12和8 mm，为配合护种板，前端倾角取30°。排种盘轴向对称布置4个型孔插件。由于排种器的工作原理，增加工作速度不会对充种性能产生影响，因此不必像传统排种器一样，在高速作业下通过增加型孔的数量来降低排种盘转速以确保充种性能。

2.3 型孔插件边缘圆角的设计

位于型孔插件上端即将进入型孔的种子，在有无边缘圆角的情况下，其受力分析如图5所示。对比发现，在无圆角的情况下，水平方向种子受到与运动方向相反的摩擦阻力，阻碍其顺利的进入型孔，而在有圆角的情况下，水平方向上产生了支持力F分力以及摩擦力分力且方向相反，其中F水平分力必定大于摩擦力水平分力，使得种子有了向前的加速度，加速进入型孔，从而提高型孔的充种率，型孔插件边缘圆角设计为半径4 mm的圆弧倒角。

注：v为种子前进速度，m·s-1；G为种子重力，N；Fn为种子受到的支持力，N；f为种子所受摩擦力，N。

2.4 护种板结构设计

护种板的主要作用是协助型孔插件充种、携种以及清种，其功能贯穿排种器工作过程，因此护种板对于排种器工作性能有着重要影响。护种板所覆盖的区域主要包括充种区、携种区以及清种区，所涉及到的参数有其前端倾角，充种区与携种区护板前端宽度1，清种区前端护板宽度2，清种区后端护板宽度3，如图6所示。

在充种过程中护种板与型孔插件相互配合，为了提高充种几率，在充种与携种区护板前端宽度1取17 mm。在清种区前端护种板宽度变窄，为了最大程度离心作用将多余种子清除，清种区前端护板宽度2需满足遮盖到种子重心位置，因此2取6 mm。多余种子清除后，为了保证型孔内种子不被清除，适当增宽护种板宽度，因此，清种区后端护板宽度3取11 mm。材料选取透明有机玻璃，为了提高充种性能，护种板前端倾角取30°，与种子和有机板之间滑动角相同[37]。

注：W1为充种与携种区护板前端宽度，mm；W2为清种区前端护板宽度，mm；W3为清种区后端护板宽度，mm；a为护种板前端倾角，(°)。

气送式高速玉米精量排种器工作过程中，工作速度的不同导致种子所需向心力的改变，从而受力有所不同，如图7所示。当工作速度较低情况下，种子受力如图7a。

a.低速种子受力a. Force of seed in lower rotation speedb. 中速种子受力b. Force of seed in moderate rotation speed c. 顶点处种子受力c. Force of seed at top of plated. 高速种子受力d. Force of seed in higher rotation speed

此时工作速度较低，种子所需向心力较小，型孔内种子与护种板没有接触，种子在方向的合力大于所需向心力。种子脱离型孔做近心运动，其受力分析如下式

逐渐提高工作速度，此时种子受力如图7b所示。随着工作速度的提高，种子所需向心力也随之增加。在临界状态下，型孔内种子与护种板无接触，种子在方向的合力等于所需向心力，种子随着排种盘做匀速圆周运动，其受力分析如下式

在此种状态下，种子随着排种盘运动到最高点处，此时种子受力如图7c所示。此时种子的自身重力充当向心力，水平方向不受力，这是种子随着排种盘做匀速圆周运动情况下，排种器的最低工作速度，种子受力分析如下式

式中为重力加速度，m/s2。

整理式（6）得出

又因

整理式（7）、（8）得出

计算式（9）排种盘最低转速约为95 r/min。

再次提高工作速度，此时种子受力如图7d所示。随着工作速度进一步提高，种子与护种板接触，护种板给予种子向心支持力，若工作速度再次提高，这种支持力将持续提高，使得种子牢牢压覆于型孔内，随着排种盘一起做匀速圆周运动，使得此结构适合高速作业，其受力分析如下式

从上述分析可以看出，此种工作原理的排种器很好的适应高速作业，不但不会因为工作速度的提高充种性能下降，反而有利于种子的填充。

2.5 充种区护种板的设计

在充种过程中，种子之间相互碰撞，不止一颗种子被充入型孔插件中，其中在型孔底端的种子受力如图8a所示。

工作速度提高，种子所需向心力增加，同时护种板给予型孔底部种子的支持力以及种群对型孔底部种子的挤压力均增大，使得型孔底部的种子被牢牢压覆于型孔内，因此在高工作速度下不会出现漏充的现象。此排种器种子通过高速气流送入排种器内，因此避免了传统排种器因种群堆积排种盘在高速转动下漏充严重的问题。

2.6 清种区护种板的设计

随着高速旋转的排种盘，型孔内的种子到达排种盘顶端清种区，由于排种盘高速旋转，种子所需向心力较大，且多来自护种板的支持力，当种子到达清种区由于护种板宽度骤减，型孔上部多余的种子瞬间失去了来自护种板的支持力，做离心运动，脱离型孔，其受力情况如图8b所示。在型孔底部的种子被牢牢压覆在型孔内且清种区护种板宽度遮盖型孔底部种子的重心位置，提供其足够的向心力，不会脱离型孔，从而实现清除多余种子，保证单粒率。

a. 充种区种子受力a. Force of seed in filling placeb. 清种区种子受力b. Force of seed in cleaning place

2.7 投种区护种板的设计

在投种区，型孔内种子失去护种板的支持力，种子做离心运动。在离心运动过程中，种子第1阶段先脱离型孔，其受力运动情况如图9a所示。第2阶段中，种子脱离型孔的束缚，仅在自身重力的作用下，沿着排种盘切线方向做自由落体运动，从落种口排出，实现单粒播种，如图9b所示。

a. 第1阶段a. First stageb. 第2阶段b. Second stage

3 试验研究

3.1 试验条件

试验所用排种器为自主研发气送式高速玉米精量排种器，所用排种性能检测装置为团队自主研发设备，如图10所示。试验时，为排种器提供风压的是检测装置内置风机，种子经由定量供种装置送入到文丘里管内，再由高速气流吹入气送式高速玉米精量排种器内部，导种管置于出种口处，其内部安装有传感器用于检测排出种子粒距，相关数据将会传输到显示器上。与国外相关检测装置对比发现，此检测装置测试结果可靠[38-39]。

1.器性能检测仪 2.定量供种装置 3.文丘里管 4.高速排种器 5.导种管

Fig10 Experiment equipment

试验所用种子为未分等级的杂交品种郑单958[40]，符合实际播种情况。试验时设定株距为30 cm，根据国家标准[41]，选择合格指数、重播指数以及漏播指数为试验指标。

3.2 单因素试验

种子喂入速度、工作速度、气送风压为试验可变参数，也是影响排种性能的重要因素。其中定义种子喂入速度为试验初始时间段内喂入速度，此时速度大于排种速度，持续5 s，随后调整喂入速度与排种速度保持一致，在后续的研究中将会针对排种器内种子余量对排种性能的影响进行探讨。排种速度与工作速度关系如下式

式中为排种速度，g/s；为排种器工作速度，km/h；为理论株距，m。

其中真实工作速度与排种盘转速关系如下式

式中为型孔插件个数。

气送风压为投种口处风压值。持续读取200粒种子的指标数据，试验每组进行3次取平均值。

3.2.1 工作速度对排种器工作性能的影响

本文所设计的排种器为气送式高速精量排种器，因此工作速度均选取大于8 km/h。在风压130 Pa，种子喂入速度为1 kg/min的情况下，分别对工作速度在8.3、9.8、12.1、14.3、15.8 km/h下进行排种性能试验，试验结果如图11所示。

注：风压130 Pa，种子喂入速度为1 kg·min-1。

如图11所示，由于排种器工作速度的提高，出现排种合格指数整体上出现先上浮后连续降低并保持稳定，而漏播指数并没有因为工作速度的增加而增大，反而先下降后基本保持稳定不变，重播指数始终变化不大保持稳定，峰值在9.8 km/h处出现，此处合格指数为88.75%，漏播指数为9.58%，重播指数为1.67%。试验中发现，开始工作速度较低的情况下，型孔底部的种子压覆不牢靠，极易被甩出型孔插件造成漏播，随着速度的提升，处于型孔底部的种子被紧紧压覆，因此漏播指数降低，与理论分析结论一致。因此，在这种条件下，工作速度为9.8 km/h排种性能最佳。

3.2.2 种子喂入速度对排种器工作性能的影响

为了使得种子之间起到压覆作用，种子喂入速度要大于排种速度，因此，选取1 kg/min及以上喂入速度。在风压130 Pa，工作速度为14.3 km/h的情况下，分别对种子喂入速度在1、1.2、1.5、1.8、2 kg/min下进行排种性能试验，试验结果如图12所示。

注：风压130 Pa，工作速度为14.3 km·h-1。

如图12所示，由于种子喂入速度的提高，出现排种合格指数先平稳上浮后大幅降低后平稳降低并保持稳定，而漏播指数在如此高速作业情况下先下降后保持稳定且基本趋于0，重播指数持续上升后保持稳定，峰值在1.2 kg/min处出现，此处合格指数为91.33%，漏播指数为0.67%，重播指数为8.00%。试验中发现，开始种子喂入速度较低的情况下，充种区种子量较少，型孔插件内充入种子数量少甚至没有，造成漏播指数较高。随着种子喂入速度的提高，充种区内有适量的种子，型孔插件内充入一定数量的种子，由于一定数量的种子对处于型孔插件底部的种子产生压覆作用，使其牢牢压在底部，因此降低了漏播几率。在种子喂入速度持续的增加，充种区种子过量，型孔插件内充入过多的种子，种子之间相互挤压，到清种区多余部分的种子不能及时清除造成重播指数持续上涨，但未出现漏播情况。因此，在种子喂入速度为1.2 kg/min时，排种器工作性能最佳。

3.2.3 气送风压对排种器工作性能的影响

通过前期试验测量，气送风压不能低于100 Pa，种子才能送入排种器，因此在种子喂入速度为1.5 kg/min，工作速度为14.3 km/h的情况下，选取气送风压分别在130、215、340、465、550 Pa 5个水平下开展排种性能试验，试验结果如图13所示。

注：种子喂入速度为1.5 kg·min-1，工作速度为14.3 km·h-1。

如图13所示，由于气送风压的提升，出现排种合格指数持续上浮后略微降低，而漏播指数在如此高作业速度下先保持稳定且趋于0后略有上升，重播指数持续下滑，峰值在465 Pa处出现，此处合格指数为91.80%，漏播指数为0，重播指数为8.20%。试验中发现，开始风压较低的情况下，充种区种子堆积较多，型孔内充入过多的种子，种群内相互碰撞挤压，到清种区多余部分种子不能及时清除造成合重播指数高，但未出现漏播情况。随着风压的增加，充种区的种子逐渐疏散，堆积情况逐渐减少，使得型孔内充入适量数量的种子，重播指数明显下滑，合格指数上浮，漏播指数保持不变。当气送风压过高时，充种区种子受到较大曳力，出现种子速度大于排种盘转速，型孔插件内充入种子数量降低甚至没有，导致漏充，此时漏播指数上浮，重播指数持续下落，合格指数回落。因此在这种条件下，气送风压为465 Pa排种性能最佳。

从上述单因素试验中总结得出，此工作原理的排种器与传统排种器[9-13]相比最大特点在于漏播指数不随着工作速度的增加而增加，且在高速工作的情况下，即工作速度达到14.3 km/h时，漏播指数基本维持在1%以下，均低于传统排种器漏播指数，这也使其更加适用于高速作业。

3.3 二次旋转正交组合试验

前期单因素试验中试验指标均出现了峰值，说明所选范围合理，因此确定了工作速度取值范围在8.3～15.8 km/h，种子喂入速度取值范围在1~2 kg/min，气送风压范围在130～550 Pa。选择用正交组合试验方法，寻找使得排种器具有最佳工作性能的因素组合。因素水平以及试验安排如表2，表3所示。每组试验进行3次取平均值。

表2 试验因素和水平

表3 试验设计及结果

3.4 模型建立与显著性分析

为了建立合格指数1、漏播指数2和重播指数3的数学模型，应用Design-Expert8.0.6对试验数据进行分析和拟合。

1）合格指数1

对试验结果进行回归拟合，建立合格指数1回归数学模型如式（13），显著性检验见表4

根据表4可知，模型的拟合度是显著的（<0.05）。但其中一次项气送风压（3），二次项工作速度和气送风压的交互（13）、种子喂入速度和气送风压的交互（23）、工作速度二次方（12）、种子喂入速度二次方（22）以及气送风压二次方（32）的值都>0.1，说明其对排种合格指数的影响不显著，其余各项均显著，表明所选试验因素对试验指标的影响有二次关系。对式（13）系数的检验可以得出影响排种合格指数主次顺序为种子喂入速度、工作速度和气送风压。

2）漏播指数2

对试验结果进行回归拟合，建立漏播指数2回归数学模型如式（14），显著性检验见表4

根据表4可知，模型拟合度为极显著（<0.01）。但其中一次项工作速度（1），二次项工作速度和种子喂入速度的交互（12）、工作速度和气送风压的交互（13）、种子喂入速度和气送风压的交互（23）以及工作速度二次方（12）的值都>0.1，说明其对排种器漏播影响不显著，其余各项均为极显著或显著，表明所选试验因素对试验指标的影响有二次关系。对式（14）系数的检验可以得出影响漏播指数主次顺序为种子喂入速度、气送风压和工作速度。说明了工作速度并不影响漏播指数，此工作原理与结构排种器适应高速作业。

3）重播指数3

对试验结果进行回归拟合，建立重播指数3回归数学模型如式（15），显著性检验见表4

根据表4可知，模型拟合度为极显著（<0.01）。其中二次项工作速度和气送风压的交互（13）、种子喂入速度和气送风压的交互（23）、种子喂入速度二次方（22）以及气送风压的二次方方（32）值都>0.1，说明其对重播指数的影响不显著，其余各项均为极显著或显著，表明所选试验因素对试验指标的影响有二次关系。对式（15）系数的检验可以得出影响重播指数主次顺序为种子喂入速度、工作速度和气送风压。

表4 模型方差分析

3.5 试验因素对指标的影响

为了分析各因素与指标之间关系，采用设计大师软件得出试验结果的响应曲面图，如图14所示。

图14a、14b、14c是3因素对合格指数的影响：排种合格指数随着工作速度的提高先上升后下降并保持稳定，在 10.8～13.7 km/h有最大值；随着种子喂入速度的增大先增后降，在1.2～1.5 kg/min有最大值；随着气送风压的增大先增后降，在340～465 Pa有最大值。图14d、14e、14f说明漏播指数随工作速度的提高先下降后略有上浮并保持稳定，随种子喂入速度的提高先下降后上浮，随气送风压的提高先下降后上浮。图14g、14h、14i说明排种重播指数随工作速度的提高先下降后上浮，随种子喂入速度的提高而上浮，随气送风压的提高而下降。

图14 试验因素对各指标的影响

3.6 参数优化

选定合格指数最大，漏播指数最小，并结合各因素选取条件，对试验指标进行优化求解。

得出工作速度9 km/h，种子喂入量1.91 kg/min，气送风压492.17 Pa时，合格指数最高，漏播指数最低，重播指数合理，其数值分别为93.14%，1.00%，5.86%。

为了验证优化结果，在相同条件下进行验证试验，其结果为合格指数达到91.86%，而漏播指数为0.84%、重播指数为7.30%。由此可见，优化结果可信。

4 结 论

1）充分利用高速作业下的特点设计了1种基于气送式的高速玉米精量排种器，对其结构以及工作原理进行了介绍，对其中的关键部件如排种盘、型孔插件、护种板参数进行了理论分析和设计，采用气吹送种和型孔插件与护种板相配合的方式很好的解决了在高速作业下充种难，清种机构结构复杂的问题，在高速工作环境下排种器工作性能良好。

2）分别对工作速度、种子喂入速度、气送风压3个重要工作参数进行单因素试验，得出此工作原理下增加排种器工作速度不但不会增加漏充指数，反而降低。在气送风压130 Pa，种子喂入速度1 kg/min固定不变时，工作速度在9.8 km/h，排种性能最佳。在气送风压130 Pa，工作速度14.4 km/h固定不变时，种子喂入速度在1.2 kg/min，排种性能最佳。在种子喂入速度1.5 kg/min，工作速度14.3 km/h固定不变时，气送风压在465 Pa，排种性能最佳。

3）以工作速度、种子喂入速度、气送风压为因素与排种性能建立了数学模型，并得出了各因素以及交互因素对排种性能的影响。

4）应用数据分析软件Design-expert 8.0.6对试验结果进行拟合与优化分析，得到在工作速度为9 km/h，种子喂入量为1.91 kg/min，气送风压为492.17 Pa时，排种合格指数可高达93.14%，而漏播指数低至1.00%，重播指数为5.86%，优化结果经台架试验验证可靠。

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Design and experiment of air-assisted high speed precision maize seed metering device

Gao Xiaojun, Xu Yang, Zhang Dongxing, Yang Li, Lu Bing, Su Yuan, Xia Guoyi, Cui Tao※

(1.,100083,; 2.,100083,)

In order to meet the requirements of maize precision seeding under high-speed conditions, from the working principle, we designed a high-speed precision seed metering device that could fundamentally solve the problems of poor filling performance and complex structure caused by high-speed operation. The device used the centrifugal force generated by high-speed operation to fill and clean seeds, and traditional seed stacking was changed into a gas-filled seed by means of gravity filling. Theoretical analysis and parameter design were carried out on the shape of seed tray, hole insert and seed plate. Seed supply mechanism was used for seed supply, and venturi tube was used for orderly gas blowing, and plug of type hole was matched with seed plate to fill and carry seeds, and changed width of the seed plate to clean seeds, and gravity of seeds and driving force of airflow were used for seeding. Single factor test was carried out on working speed of seed meter device, seed feeding speed and wind pressure. The qualified index, missing index and multiple index were used as test indicators to obtain the influence of various factors on seeding performance. The principle and structure of seed metering device was different from conventional seed metering device. In the case of increasing working speed of seed metering device, it did not increase missing index, but decreased and basically went to zero. When wind pressure was 130 Pa and seed feeding speed was 1 kg/min, the seeding performance was best when working speed was 9.8 km/h. When wind pressure was 130 Pa and working speed was 14.4 km/h, the seeding performance was best when seed feeding speed was 1.2 kg/min. When seed feeding speed was 1.5 kg/min and working speed was 14.3 km/h, the seeding performance was best when wind pressure was 465 Pa. In order to obtain the best performance parameter combination of seed metering device, the ternary quadratic regression orthogonal rotation combination test was carried out with above factors and test indexes, and the mathematical model between test index and test factor was established, and working principle and structure were obtained. Working speed had no significant effect on missing index for this metering device. The multi-objective optimization of the regression equation was carried out by using the response surface method. The optimal parameter range was: working speed was 9 km/h, seed feeding speed was 1.91 kg/min, and wind pressure was 492.17 Pa. Qualified index was 93.14%, missing index was 1.00%, and multiple index was 5.86%. It was verified by experiments and basically consistent with optimization results. It can be seen that working principle and structure of metering device had a low missing index, and missing index was not increased due to increase of working speed. It showed that this air-assisted high-speed maize precision seed metering device solved the problem of difficult to fill in high-speed operation, and its seed cleaning structure was simple, and could maintain good seeding performance under high-speed working conditions. It provided a reference for design and optimization of high-speed precision metering devices.

agricultural machinery; crops; design; high speed; maize; centripetal force; regression equation

高筱钧，徐 杨，张东兴，杨 丽，鲁 兵，苏 媛，夏国艺，崔 涛. 气送式高速玉米精量排种器设计与试验[J]. 农业工程学报，2019，35(23)：9－20.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.002 http://www.tcsae.org

Gao Xiaojun, Xu Yang, Zhang Dongxing, Yang Li, Lu Bing, Su Yuan, Xia Guoyi, Cui Tao. Design and experiment of air-assisted high speed precision maize seed metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(23): 9－20. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.002 http://www.tcsae.org

2018-07-03

2019-10-23

十三五国家重点研发计划“精量播种技术装备研发”（No.2017YFD0700703）；国家自然科学基金资助项目（51575515）；国家玉米产业技术体系建设项目（CARS-02）

高筱钧，博士生，研究方向为农业机械装备与计算机测控研究。Email：gxj_1234@126.com

崔 涛，副教授，主要从事农业机械装备与计算机测控研究。Email：cuitao850919@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.002

S223.2+5

A

1002-6819(2019)-23-0009-12