针孔管式小麦精准点播装置设计与吸种性能研究

刘俊孝，王庆杰，李洪文，何 进，卢彩云



针孔管式小麦精准点播装置设计与吸种性能研究

刘俊孝，王庆杰※，李洪文，何 进，卢彩云

（1. 中国农业大学工学院，北京 100083； 2. 农业农村部河北北部耕地保育科学观测实验站，北京 100083）

精准点播可保证播种作业的播量、播深及株距的均匀度，增强个体发育，但因小麦种子具有籽粒小、种植密度大等特点，目前尚缺少小麦精准点播装备。针对这一问题，该文设计了一种基于气力吸附、定点打穴、精准投种的针孔管式小麦精准点播装置，并对其吸种性能进行研究。确定了该播种机构的工作原理及主要结构，通过理论计算，确定适宜株距为2.73 cm，针孔吸种管扰动距离为7.86 cm，应分3行排布。以吸种孔位置、吸种孔直径和吸种面形状为因素，以漏种指数、重种指数和单粒指数为指标进行正交试验，得出最优参数组合为：吸种孔位置为顶面，吸种孔直径为2 mm，吸种面形状为凸面；在此条件下，试验结果为漏种指数为4.1%，重种指数为7.3%，单粒指数为88.6%，满足设计要求。

机械化；设计；农作物；小麦；针孔管式；吸附取种；定点打穴；精准点播

0 引 言

中国的小麦种植遍及全国，其主要种植方式以撒播或条播为主，该种植方式存在用种量大、个体发育差等问题[1]。随着现代农业的快速发展，对小麦的播种质量要求也日益提高，小麦精量播种可保证田间播种量的一致性和稳定性，降低用种量，减少作物间对光照、水分和养料的竞争，增强个体发育[2]，具有节种、节水、节肥等优势[3-4]，且研究表明[5-6]，保证播深及株距的均匀度对出苗时间、分蘖及产量具有显著有益影响。但小麦的播种密度远远高于玉米、大豆等作物，排种器排出的种粒间距小，即使能够排出均匀种子流，也极易被排出后发生的碰撞、滚动、弹跳等现象破坏[7-8]，无法实现精量、等粒距的高质量播种，因此，需要同步解决小麦精准投种的问题。控制种子在土壤中的空间分布，实现等播量、等粒距、等播深播种，提升小麦的播种质量。

近些年，国内外对于单粒点播技术与装备的研究大多围绕玉米、大豆等播种密度较小的作物[9]，而针对小麦等密植类作物的研究极少，仅有少数的精量排种及投种方面的研究。Yasir等[10]对气力式小麦精密排种器进行改进，并采用ANSYS-CFX耦合方法对不同参数下的气力分布进行了模拟。Lei等[11-12]采用DEM-CFD耦合方法，对气力集排式播种机从气场和种子运动两方面研究和分析了喉部面积、喉部长度、气流入口速度和进种率对作业效率的影响。赵晓顺等[13-14]设计了一种小麦槽缝气吸式排种器，对比分析了不同形式的槽缝结构对排种器吸种均匀性的影响，并进行了试验优化。上述研究为小麦精量排种的实现打下坚实基础，但并未涉及小麦的投种方面研究。定点投种方面的研究大多针对玉米等作物展开，John Deere 公司[15]研发了毛刷带式输种装置用于将种子运送到种沟，通过实时调整毛刷带转速，可使种子落入种床的水平分速度与播种机前进速度抵消，达到零速投种。陈学庚等[16]设计了一种传动与投种机构一体的带式导种装置，并确定了其主要结构参数。刘宏新等[17]研究了一种滚筒穴式免耕播种成穴机构，可实现在不对地表覆盖物进行处理的情况下穿透成穴。

上述研究在定点投种方面进行了探索，为后续小麦精准播种技术的发展奠定了基础，但由于播种密度的限制，很难应用于小麦精准点播。小麦投种的研究主要围绕一沟多行及苗带撒播等形式展开。刘彩玲等[18]在小麦精密排种器下接多行输种槽，使各行种子独立投送而互不干扰，提高行间种子分布均匀性。祝清震等[19]研究了苗带撒播器的弹籽板球面半径、安装倾角和跨度等因素对小麦宽幅投种质量的影响，得出弹籽板具有较好的横向匀种效果。牛琪等[20]设计了一种斜置三角式分种装置将从输种管落下的种子流经分种板横向匀流投种，可提高投种均匀性。这些研究在一定程度上提高了种子行间（横向）的均匀性，但种子均为自流下落，输送过程种子仍处于不可控状态，导致精量排种器排出的均匀种子流受到破坏，不能实现精准有序着床。目前，仍缺少配套的机械化小麦精准点播技术与装备。

针对这一问题，本文研究了针孔管对小麦种子的吸附特性，设计了一种针孔管式小麦精准点播装置，以期实现小麦种子定量分离，同时保持原有的均匀性投放在土壤中，做到小麦精准点播。

1 针孔管式小麦精准点播装置设计

1.1 整体结构设计

结合打穴播种机、导种机构及排种器[21-22]的原理，创新提出了一种基于气力吸附取种、定点打穴、精准投种的精准点播方法，并将取种部件、运输导种部件与投种部件相融合，使得针孔吸种管同时具有排种器、导种装置与打穴装置的功能，使小麦在土壤中仍能够保持原有的均匀性。根据该方法设计的针孔管式小麦精准点播装置，其结构如图1所示。

1.种箱 2.针孔吸种管 3.播种轮 4.气力分配机构

1.Seed box 2. Pinhole seed suction tube 3.Seeding wheel 4.Pneumatic distribution mechanism

图1 针孔管式小麦精准点播装置

Fig.1 Pinhole-tube wheat precision seeding device

针孔管式小麦精准点播装置主要由针孔吸种管、气力分配机构、播种轮、种箱等四部分组成。针孔吸种管均匀安装在播种轮的外侧壁上，为可更换部件，可根据所需播种量改变针孔吸种管的排布，未安装针孔吸种管的孔洞用橡胶塞封闭防止进土、漏气，针孔吸种管通过狭长气道管连接播种轮中心的气力分配机构以获取真空度，针孔吸种管为吸种、运种及投种的核心部件。气力分配机构主要由与播种轮固联在一起的气力分配中心和气力分配盖两部分组成，两者可相对旋转，播种轮通过与土壤的摩擦获取旋转动力，正压与负压也是利用旋转进行切换。种箱安装于播种轮侧上方，种箱下部装有柔性的单向通过装置，针孔吸种管可低阻力通过而种子不会泄漏。

针孔管式小麦精准点播装置基本结构尺寸：播种轮直径为600 mm，装置横向最大宽度为170 mm，播种行距为200 mm，种箱容积10 L，播种带宽度为80 mm。

1.2 工作原理

针孔管式小麦精准点播装置的主要工作原理为：播种轮的外壁压在土壤之上，将针孔吸种管插入土壤之中，当播种轮在地表滚动时，带动针孔吸种管旋转。气力分配机构与风机连接，并分为负压区与正压区2个部分，分别为处于吸种位置和排种位置的针孔吸种管提供气力，整个工作区域分为吸种、清种、运种、投种4个区域，其中吸种、清种、运种区域为负压区，投种区域为负压区，如图2所示。带有负压的针孔吸种管通过种箱，拾取种子，并随播种轮转动将种子运输到土壤之中，当针孔吸种管到达指定投种点时，正对应气力分配机构的正压区域，吸种孔由负压改变为正压，将种子吹入土壤，完成播种，同时正向气流也可起到防止土壤进入并清洁气道的作用，依次循环。

Ⅰ.吸种区域 Ⅱ.清种区域 Ⅲ.运种区域 Ⅳ.投种区域

Ⅰ.Sucking zone Ⅱ.Clearing zone Ⅲ.Carrying zone Ⅳ.Throwing zone

图2 气压分配示意图

Fig.2 Diagram of air pressure distribution

1.3 装置参数设计

1.3.1 精准点播株距计算

相较于玉米、大豆等作物，小麦的播种密度大，取种单元在播种轮上的分布相对密集，应根据株距来设计取种单元的间隔距离。但常规衡量小麦播种密度的指标不是株距而是单位面积播种质量，而小麦各个品种的千粒重差异较大，以单位面积播种质量来计算株距会有误差，因此以单位面积小麦基本苗数来计算更加准确。根据文献可知，采取精量播种方法所需苗数相对较少，为90～150万/hm2[23-24]。则可得

式中为纵向株距，cm；F为小麦种子发芽率，%；F为小麦田间出苗率，%；为行距，m；为公顷基本苗数。

根据文献可知[25-26]，小麦种子发芽率F取90%，小麦田间出苗率取95%，行距取常用值0.2m，公顷基本苗数取150万/hm2。解得植株的纵向株距（即在行进方向上株距）为2.84 cm。

解出的所需株距远小于常规穴播机构，而针孔吸种管会在土壤中移动，若株距过小，则两相邻针孔吸种管会相互影响，甚至出现后一针孔吸种管会使前一种子移位的现象，影响播种质量。因此需要对针孔吸种管在土壤中的扰动距离进行研究。

1.3.2 土壤扰动距离研究

针孔吸种管在土壤中所扰动距离不仅仅是其直径范围，还应考虑其触地后会因播种轮转动及打滑等原因在土壤中产生的位移。当某一针孔吸种管接触土壤瞬间，其位置关系如图3所示。

注：l为针孔吸种管接触地面瞬间其顶端与播种轮触地点的距离，cm；为触地的针孔吸种管与垂直方向夹角，(°)；l为角所对应的弧长，cm；为播种轮半径，cm；l为针孔吸种管长度，cm。

Note:lis the distance between the top of the pinhole seed suction tube and the contact place of the seeding wheel when it touches the ground，cm；is the angle with the vertical direction and pinhole seed suction pipe when touchdown，(°)；lis the arc length corresponding to，cm；is the radius of seeding wheel，cm；lis the length of pinhole seed suction tube，cm.

图3 针孔吸种管触地位置关系示意图

Fig.3 Schematic diagram of contact position relationship between pinhole seed suction tube and ground

根据图3，可得

式中l为针孔吸种管扰动距离，cm；d为针孔吸种管直径，cm；为播种轮滑移率，%。

针孔吸种管直径应稍大于小麦种子，小麦种子长度一般不超过0.8 cm，综合考虑取1 cm，播种轮为金属制品，相较于橡胶制品滑移率较高，一般在14%～20%之间[27]，应取最大值以保证相邻的针孔吸种管不会相互干扰，因此播种轮滑移率取20%，播种轮半径取30 cm，针孔吸种管长度为小麦播深，取3 cm，因此可解得针孔吸种管扰动距离l为7.86 cm。

1.3.3 针孔吸种管分布设计

所得扰动距离l远大于所需理论种植株距，考虑到宽幅播种有利于作物增产[28]，可分为多行种植以增大垂直株距（分排后，同一排两相邻针孔吸种管间的距离）。若按照垂直株距必须大于扰动距离来计算，最少需要将针孔吸种管分为3排。分排后两植株的绝对株距为

式中为植株的绝对株距，cm；l为苗带宽度，cm；N为针孔吸种管排数。

由式（6）可知，植株的绝对株距与针孔吸种管排数N呈负相关关系。而两植株距离越远越有利于植株个体发育[29-30]，因此针孔吸种管排数取最小值，为3排。当针孔吸种管分3排均布于播种轮圆周上时，针孔吸种管每排个数为

解得每排个数为22.12个，为避免播种量不足，向上取整得23，因此播种轮圆周上每排有23个针孔吸种管，每个吸种管角间距约为15.65°。对之前计算的株距进行修正则可得实际株距为2.73 cm。

2 针孔吸种管参数研究

2.1 吸种孔直径设计

针孔吸种管吸引种子的形式是利用负压使气流产生运动，从而牵引种子吸附到吸种管之上，种子在被吸附过程中所受到的力无法利用简单的压强公式来计算，更多的是在吸种孔所营造的气场中对种子的吸引力。而吸种孔中的气流速度为[31]

式中为绝热指数；R为气体常数，J/(kg·K)；T为空气绝热温度，K；P为排种器的气体压力，Pa；P为大气压力，Pa。

由式（8）可知，吸种孔中的气流速度主要由吸种孔内外的压差决定，但该速度并不能直接作用与种子，需要形成一定范围的气场，气流流量与速度的转换关系为

式中为通过吸种孔的流量，m3/s；为吸种孔直经，m。

吸种孔外部气场的流动区域近似于半球形[32]。以平面顶吸式针孔吸种管为例，如图4所示。

注：R为到吸种孔的距离，m；为吸种边界与垂直的夹角，(°)。

Note:Ris the distance to the seed hole, m;is the angle between the seed absorption boundary and the vertical, (°).

图4 针孔吸种管外部气场截面示意图

Fig.4 Schematic diagram of outside gas field of pinhole seed suction tube

假设气体为等熵、无旋流动，通过截面的气体体积流量与通过吸种孔的气体体积流量相等，截面上的各点速度近似相等。则吸种孔气流场中任意一点的气体流速V为

式中V为气流场中任意一点的气体流速，m/s。

将式（8）、（9）带入式（10）中，可得

由式（11）可知，气场中的气流速度与吸种孔的直径成正比，而与种子与吸种孔的距离成反比，吸种孔直径是影响吸种效果的关键参数之一。而吸种孔的直径主要是由种子尺寸决定，对小麦种子进行测量，其种子长度范围为4.46～7.93 mm，种子宽度范围为2.0～4.26 mm，种子厚度范围为1.81～3.98 mm。为防止小麦种子被吸入气道内部损坏风机，其最大直径只能取2mm。考虑到小吸种孔直径易使吸附力不足造成漏种，而大孔径易造成重种，因此选择1，1.5，2 mm 3种孔径进行试验，以确定最佳吸种孔直经。

2.2 吸种孔位置研究

吸种孔在针孔吸种管上的位置对吸种效果也有显著影响，理论上针孔吸种管的5个面均可布置吸种孔，分别为触土面，触土背面，左右两侧面及顶面。但若将吸种孔布置在左右侧面，则针孔吸种管入土时种子处于无支撑的剪切力作用下，种子极易掉落在土壤表面，无法进入土壤之中，且其吸种时的力学模型与顶面基本相似，因此仅对吸种孔开在触土面，触土背面及顶面时种子的受力进行分析[33]。

针孔吸种管应为圆柱形结构，但为了使针孔吸种管更容易通过种箱下部的单向通过装置，防止产生脉冲震动，对针孔吸种管进行优化，使其截面变为梭型，更有利于降低运行阻力，但布置吸种孔的面仍保持圆柱型结构，吸种孔开在触土面，触土背面的结构一致，仅安装角度不同。针孔吸种管吸种孔位置示意图如图5所示。

图5 针孔吸种管吸种孔位置示意图

2.2.1 触土背面吸种分析

首先对吸种孔布置于触土背面的针孔吸种管进行吸种受力分析（以吸种面为平面为例），如图6所示。

处于被吸附平衡状态时的种子受到重力、离心惯性力、支持力、摩擦力F和吸附力F的作用达到受力平衡。即有

在方向

在方向

2.2.2 顶面吸种分析

对吸种孔布置于顶面的针孔吸种管进行吸种受力分析（以吸种面为平面为例），如图7所示。

注：为小麦种子重力，N；F1为触土背面吸种时针孔吸种管对种子的静摩擦力，N；1为触土背面吸种时小麦种子所受的离心惯性力，N；F1为触土背面吸种时吸种孔对种子的吸附力，N；1为触土背面吸种时针孔吸种管对种子的支持力，N；为播种轮角速度，rad·s-1；为针孔吸种管与水平面的夹角，(°)。

Note:is the gravity of wheat seeds, N;F1is the static friction force of pinhole seed suction tube for seeds when absorbing on reverse side of contact soil surface, N;1is the centrifugal inertia force on wheat seeds when absorbing on reverse side of contact soil surface, N;F1is the suction force for seeds when absorbing on reverse side of contact soil surface, N;1is the supporting force of pinhole seed suction tube for seeds when absorbing on reverse side of contact soil surface, N;is the angular velocity for sowing wheel, rad·s-1;isthe angle for pinhole seed suction tube and horizontal plane, (°).

图6 触土背面吸种时种子受力示意图

Fig.6 Seed force diagram of absorbing seeds on reverse side of contact soil surface

注：F2为顶面吸种时针孔吸种管对种子的静摩擦力，N；2为顶面吸种时小麦种子所受的离心惯性力，N；F2为顶面吸种时吸种孔对种子的吸附力，N；2为顶面吸种时针孔吸种管对种子的支持力，N。

Note:F2is the static friction force of pinhole seed suction tube for seeds when absorbing on top surface, N;2is the centrifugal inertia force on wheat seeds when absorbing on top surface, N;2is the suction force for seeds when absorbing on top surface, N;2is the supporting force of pinhole seed suction tube for seeds when absorbing on top surface, N.

图7 顶面吸种时种子受力示意图

Fig.7 Seed force diagram of absorbing seeds on top surface

即有

在方向

在方向

2.2.3 触土面吸种分析

对吸种孔布置于触土面的针孔吸种管进行吸种受力分析（以吸种面为平面为例），如图8所示。

即有

在方向

在方向

2.2.4 各吸种孔位置所需吸力对比研究

对触土面，触土背面及顶面吸种的受力分析进行整理，并有摩擦力与支持力的关系为

注：F3为触土面吸种时针孔吸种管对种子的静摩擦力，N；3为触土面吸种时小麦种子所受的离心惯性力，N； F3为触土面吸种时吸种孔对种子的吸附力，N；3为触土面吸种时针孔吸种管对种子的支持力，N。

Note:F3is the static friction force of pinhole seed suction tube for seeds when absorbing on contact soil surface, N;3is the centrifugal inertia force on wheat seeds when absorbing on contact soil surface , N;3is the suction force for seeds when absorbing on contact soil surface, N;3is the supporting force of pinhole seed suction tube for seeds when absorbing on contact soil surface, N.

图8 触土面吸种时种子受力示意图

Fig.8 Seed force diagram of absorbing seeds on contact soil surface

F=sin（18）

式中为小麦种子的内摩擦角，(°)。

可得

对式（19）、（20）、（21）进行计算，小麦的内摩擦角取20°，针孔吸种管与水平面的夹角可以为针孔吸种管位于种箱内的任意位置，取种箱吸种的中心区域20°，种子的离心惯性力为

=(+l)2（22）

式中为小麦种子质量，kg。

小麦千粒质量取46.5 g，小麦精准点播相较于条播结构复杂，其工作速度相较于条播机构较低，文中计算及试验选用的前进速度为6 km/h，对应播种轮角速度为5.56 rad/s。可得

F3<F2<F1（23）

即同样吸附一粒种子，触土背面吸种所需的吸附力最大，触土面吸种所需的吸附力最小，顶面吸种所需的吸附力介于两者之间，理论上触土面吸种的吸种指数应该最佳，但吸附力过大有可能会造成重种现象，吸附力不足又会导致吸种指数下滑，因此仍需通过试验来确定最优的吸种孔位置。

2.3 吸种面形状研究

吸种面形状影响能够为小麦种子提供支持力的面积，当该面积越大时，理论上种子越容易获取支持力以维持种子平衡，并减少了所需的吸力，也就越容易被吸取，但过大的支持面积会导致重种现象增加。将针孔吸种管的吸种面形状分为凹面，平面与凸面3种形式[34-35]（以顶面吸种为例进行分析），如图9所示。

3种形式中凸面的支持面积最小，仅局限在吸种孔处，吸种面不会给予其他种子支撑，其重种现象应有所减少，但其吸种性能会有所降低。而吸种面形状为凹面时其凹槽中可以容纳多粒种子，支持面积最大，最易吸取种子，但由于有足够的空间对小麦种子予以支撑，可能重种现象会较多，平面则介于两者之间。具体何种形状作业效果更好，仍需通过试验予以证明。

图9 三种形式吸种面剖面图

3 试验研究

3.1 试验材料及设备

为研究针孔管式小麦精准点播装置的吸种性能，加工了吸种试验装置，在搭建的播种装置试验台上进行试验。试验所用小麦种子为烟农19，千粒质量46.5 g。由于装置模型比较复杂，利用机加工制作成本较高，因此选择3D打印技术进行加工，使用材料为未来8 000低粘度光敏树脂，硬度79，断裂延展率6%～9%，抗拉强度35 MPa。为方便观察吸种过程及规律，种箱使用材料为透明光敏树脂，硬度87，断裂延展率10%，抗拉强度50 MPa。在试验台上播种轮为旋转件无法被固定，整机质量完全由支撑架与气力分配盖的螺栓承受，气力分配盖为薄壁结构，载荷有限，考虑到本试验仅进行吸种试验，因此对模型进行简化，将播种轮直径减半，并将3排针孔吸种管简化为1排，简化后的试验台装置如图10a所示。

1.支撑架 2.种箱 3.气力分配机构 4.针孔吸种管 5.播种轮 6.试验台梁架 7.高压风机 8.播种装置 9.直流电机 10.变频器

1.Support frame 2.Seed box 3.Pneumatic distribution mechanism 4.Pinhole seed suction tube 5.Seeding wheel 6.Girder frame 7.High pressure air blower 8.Seeding apparatus 9.Direct current motor 10.Frequency converter

图10 试验样机及试验台

Fig.10 Test prototype and test bench

试验配套风机为德国好凯德2HB320H36高压离心风机。吸气管连接负压接口，吹气管连接正压接口，为播种装置提供气源。变频器为Rexroth VFC3610，动力为12V直流电机，播种装置试验台如图10b所示。

3.2 试验设计

通过前期理论分析，得出对播种装置性能有显著影响的因素有吸种孔位置、吸种孔直径和吸种面形状。为研究上述3个因素对排种性能的影响，以烟农19为试验对象，选取三因素三水平正交表安排试验。试验因素和水平如表1所示。

表1 试验因素和水平

为方便因素变换，将针孔吸种管设计为可拆卸式，使用螺纹连接，树脂材料攻丝偏差相对较大，连接较为松动，在试验前使用热熔胶将螺纹缝隙填充，亦可保证针孔吸种管气密性。试验所需针孔吸种管如图11所示。

图11 针孔吸种管实物图

本文研究目标为吸种性能研究，不涉及投种方面，但需确定当下端吸种管触碰土壤时，是否会对正处于吸种位置的针孔吸种管的吸种性能带来显著影响，因此将点播装置安装于传送带试验台，使其下端与土壤（已整备过的细碎土壤）紧密接触，试验土壤对吸种性能的影响，如图12所示。试验表明，土壤接触对吸种性能方面影响不显著，因此为更利于开展试验研究，进行正交试验时未添加土壤。

图12 土壤对吸种影响试验

在播种轮角速度为5.56 rad/s，真空度为6 kPa的条件下进行试验，记录试验结果，试验重复3次，选用漏种指数、重种指数和单粒指数为评价指标[36]。并对正交试验结果进行极差分析，最佳参数组合的选择依据为：漏种指数与重种指数越小，则作业效果越好，单粒指数越大，则作业效果越好。所测各指标平均值及基差分析结果如表2所示。

3.3 试验结果分析

极差分析表明：吸种孔位置、吸种孔直径和吸种面形状3因素均对试验结果有影响，对漏种指数的影响由大到小排列为吸种孔位置、吸种孔直径、吸种面形状，且吸种孔位置对漏种指数的影响极为显著，远超其他两因素，最佳参数组合为232。对重种指数的影响由大到小排列为吸种孔位置、吸种面形状、吸种孔直径，最佳参数组合为323。对单粒指数的影响由大到小排列为吸种孔位置、吸种面形状、吸种孔直径，最佳参数组合为123。对3组最佳参数组合进行分析，可以看出各因素在3个指数上取得的最佳项存在差异，因此需对各项指标赋予权重，通过无量纲计算选取各项最优指标。

表2 试验结果及分析

在小麦播种作业中首要原则为减少漏播情况的发生，允许发生少量的重播现象，因此漏种指数的权重应大于重种指数与单粒指数，而重种指数与单粒指数的权重应相同。因此凭借经验为漏种指数，重种指数和单粒指数赋予的权重系数比例为5:1:1。权重影响指数计算公式为

式中可取，，；可取1，2，3；W为权重影响指数；1，2和3分别表示漏种指数，重种指数和单粒指数；1，2，3分别为漏种指数，重种指数和单粒指数所占的权重系数；为表2中所对应的分析项。计算结果如表3所示。

表3 权重影响指数计算结果

权重影响指数越小则作业效果越好，最终确定的最佳参数组合为133，即吸种孔位置为顶面，吸种孔直径为2 mm，吸种面形状为凸面。在其条件下，试验结果为漏种指数为4.1%，重种指数为7.3%，单粒指数为88.6%，满足设计要求。

将试验结果与理论分析结果进行对比可以发现，重种指数和吸种孔直径成正相关关系，漏种指数与单粒指数和吸种孔直径成负相关关系，与理论分析结果一致。吸种孔位置对试验的3项指标影响最显著（<0.01），尤其是当吸种孔开在触土背面时，漏种指数急剧上升，分析其主要原因是其运动为远离种群方向，向上的运动会在吸种孔附近形成空腔，造成在合适的吸种范围内种子较少，而吸种力又与距离成反比，且所需吸种力在3种吸种面形状中最大，造成吸种效果较差。而吸种孔位置位于顶面与触土面时，漏种指数相近且触土面稍好，但重种指数与单粒指数顶面要远优于触土面，试验结果也与理论分析结果相符。吸种面形状对漏种指数影响相对较小，但对重种指数与单粒指数有较大影响。理论分析结果得出吸种能力由大到小为凹面，平面和凸面，但试验结果表明，漏种指数凹面反而高于平面。对数据进行分析，发现当触土背面吸种时，凹面吸种指数最低，影响了整体数据，而在触土面与顶面吸种时与理论分析结果一致。产生该现象的原因为凹型布置在触土面与顶面时，其转动是贴合种群的过程，而布置在触土背面时，其转动是远离种群的过程，凹型的侧壁反而阻止了种子的进入，致使吸种能力下降。

4 结论与讨论

1）提出了一种基于气力吸附取种、定点打穴、精准投种的精准点播方法，并设计了针孔管式小麦精准点播装置，确定了该播种机构的工作原理及主要结构，通过理论计算，确定适宜株距为2.73 cm，针孔吸种管在土壤内的扰动距离为7.86 cm，分3行排布，间隔角度15.65°。

2）对影响针孔吸种管吸种性能的因素进行理论分析，发现吸种孔位置、吸种孔直径和吸种面形状对吸种性能具有显著影响（均有<0.05），并建立了不同吸种形式的力学模型。

3）通过正交试验，确定了吸种孔位置、吸种孔直径和吸种面形状均对吸种效果有显著影响。设定各评价指标权重，得出最优参数组合为吸种孔位置为顶面，吸种孔直径为2 mm，吸种面形状为凸面，该情况下漏种指数为4.1%，重种指数为7.3%，单粒指数为88.6%，满足设计要求。试验结果基本与力学分析结果一致，验证了其准确性。

文中试验条件相对于实际作业环境仍过于简单，无法充分验证该装置在田间作业条件下的准确性和可靠性，尤其是仅考虑了吸种管结构对吸种性能的影响，未研究各结构形式与土壤接触时和种子的相互作用情况。当针孔吸种管吸取的种子与土壤接触，能否稳定的携带种子至指定位置实现精准点播，其携种定点投放的能力可能与吸种管结构、吸种管顶部曲率半径、播种轮直径、针孔吸种管长度、机具前进速度等多个因素有关，仍有待进一步研究。

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Design and seed suction performance of pinhole-tube wheat precision seeding device

Liu Junxiao, Wang Qingjie※, Li Hongwen, He Jin, Lu Caiyun

(1.,,100083,; 2.100083,)

Precise seeding on point is a wheat seeding method which can control the spatial distribution of seeds in the soil effectively and strive to achieve equal seeding amount, grain spacing and seeding depth, so as to further improve the seeding quality of wheat. In order to achieve this goal, the organic combination of precision seeding and accurate seed casting was put forward. The functions of quantitative seed separation and stable seed transportation of seeder were integrated into the seed casting device to change the form of seed transportation, so as to realize the precision fixed seeding of single grain of wheat. This paper put forward a method based on seed adsorption, point perforation and precision seeding. According to this method, the pinhole-tube wheat precision seeding device was designed. The main working principle is as follows: The outer wall of the seeding wheel is pressed on the soil, and the pinhole seed suction tube is inserted into the soil. When the seeding wheel rolls, the pinhole seed suction tube is driven to rotate. The pneumatic distribution mechanism is connected with the fan that is divided into negative pressure area and positive pressure area to provide pressure for the pinhole seed suction tube in the position of seeding and throwing. The pinhole seed suction tube with negative pressure picks up the seeds in the seed box, and transports the seeds to the soil with the rotation of the seeding wheel. When the pinhole seed suction tube reaches the designated seed drop point, it is in the positive pressure area of the pneumatic distribution mechanism. The seed suction hole changes from negative pressure to positive pressure, and seeds are blown into the soil to complete the sowing. According to the number of basic seedlings required by precision seeding method, the planting frequency was calculated to determine the plant spacing. The appropriate directional planting distance was 2.73 cm and the spacing angle in seeding wheel of pinhole seed suction tube was 15.65°. When the pinhole seed suction tube was inserted into the soil, the rotation of seeding wheel and other factors would produce displacement in the soil. The stirring distance in the soil was 7.86 cm by calculating, which was greater than the plant spacing. 3 rows should be arranged because of the less the row number of pinhole seed suction tube, the greater the absolute distance between 2 plants. The seed suction hole diameter had a great influence on seed suction effect by studying the principle of pinhole seed suction tube to absorb seed. The mechanical model of seed suction was established when seed suction holes were arranged in different positions of pinhole seed suction tube. The factors arranged from largest to smallest by the seed suction force requirement was reverse side of contact soil surface, top surface and contact soil surface. It was concluded that it would have a great influence on seed suction by analyzing the seed suction surface shape of pinhole seed suction tube. Therefore, the above 3 factors were taken as influencing factors, and the orthogonal test was conducted with the parameters of leakage seed index, multiple seed index and single seed index. The optimum combination was obtained as follows: the seed suction hole position was in the top surface, the seed suction hole diameter was 2 mm, and the seed suction surface shape was convex. Under the condition of optimal parameter combination, the experimental results showed that the leakage seed index was 4.1%, the multiple seed index was 7.3%, and the single seed index was 88.6%, which met the design requirements. By analyzing the experimental data, it was concluded that the 3 factors had significant influence on the experimental results. The reliability of the theoretical analysis results was verified by comparing with the experimental results. The rationality analysis of the differences between the results and analysis is carried out to lay a foundation for further research. It provides a reference for the design and performance improvement of precision seeding machinery and promotes the development of precise seeding on point of wheat.

mechanization; design; crops; wheat; pinhole-tube type; seed adsorption; point drilling; accurate point seeding

2019-01-09

2019-05-30

国家重点研发计划项目（2016YFD0200600）、国家现代农业产业技术体系建设项目(CARS03)和教育部创新团队发展计划项目（IRT13039）联合资助

刘俊孝，博士生，主要从事精量播种技术与装备研究。Email：B20173070539@cau.edu.cn

王庆杰，教授，博士，博士生导师，主要从事保护性耕作技术与装备研究。Email：wangqingjie@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.002

S223.2+3

A

1002-6819(2019)-11-0010-09

刘俊孝，王庆杰，李洪文，何 进，卢彩云. 针孔管式小麦精准点播装置设计与吸种性能研究[J]. 农业工程学报，2019，35(11)：10－18. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.002 http://www.tcsae.org

Liu Junxiao, Wang Qingjie, Li Hongwen, He Jin, Lu Caiyun. Design and seed suction performance of pinhole-tube wheat precision seeding device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 10－18. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.002 http://www.tcsae.org