三七超窄行氣吸式精密排種器設計與試驗

賴慶輝 于慶旭 蘇 微 孫 凱

(昆明理工大學現代農業工程學院， 昆明 650500)

0 引言

三七是中國名貴中藥材，在云南省廣泛種植。三七播種的株距和行距均為50 mm左右，屬于密集型精密播種[1-2]。精密排種器是播種機的核心部件，其作業精度決定播種質量，按其工作原理，精密排種器通常分為機械式和氣力式兩大類[3-10]。氣吸式排種器[11-17]具有傷種率低、通用性好、作業穩定等特點，適合三七等密集型精密播種作物。

國外對氣吸式排種器研究較早，目前已經廣泛應用。GUARELLA等[18]研究分析氣吸式蔬菜精密排種器型孔直徑、型孔形狀和種子距離對排種器吸種的影響，并建立數學模型。BARUT等[19]以玉米精密排種器為研究對象，研究吸孔形狀、吸室真空度、吸孔面積、排種輪線速度等因素對排種性能的影響，得出吸種率隨排種輪線速度的增加而降低、隨吸室真空度的升高而升高的結論。SINGH等[20]對播種機氣吸式排種器進行優化，對排種孔的孔徑及其形狀進行試驗研究，得到優化后的孔徑參數，并確定了最合適的排種孔形狀。GAIKWARD等[21]用洋蔥種子和辣椒種子對氣吸式精密排種器進行性能測試，得出適合播種洋蔥和辣椒的排種器吸孔吸力及噴嘴直徑。

融合機械氣力組合充種技術，可進一步提高氣吸式排種器的充種性能，目前許多學者對機械氣力組合式排種器進行了研究。史嵩等[22]設計了一種氣壓組合孔式玉米精量排種器，通過正壓氣流與導槽相結合，為研制播種精度更高的排種器提供了參考。賈洪雷等[23]設計了一種氣吸機械復合式大豆精密排種器，在排種輪上同時設有吸孔、導種槽和取種槽，通過回歸分析和多因素試驗得出排種器最優結構。殷德峰[24]設計了一種氣力窩眼輪式小粒徑種子排種器，結合氣力式排種器和窩眼輪式排種器的特點，解決了由于小粒徑蔬菜種子外形不規則造成的充種難度大的問題。

按照三七特性和種植農藝要求，融合機械氣力組合充種技術，本文設計一種超窄行氣吸式精密排種器。通過理論計算、仿真試驗和臺架試驗，得到主要結構參數，并分析吸孔負壓、排種輪轉速和種層高度對排種性能的影響規律。

1 結構與工作原理

1.1 排種器結構

超窄行氣吸式三七精密排種器主要由機架、種箱、導種器機構和排種輪機構組成，其結構如圖1所示。排種輪機構由排種輪、負壓導氣管、密封隔板和空心連接軸等組成。

圖1 排種器結構示意圖Fig.1 Structural diagram of seeding metering device 1.負壓導氣管 2.鏈輪 3.軸承 4.左側空心連接軸 5.中間空心連接軸 6.種箱 7.種層高度調節板 8.排種輪 9.軸承座 10.右側空心連接軸 11.導種器機構 12.密封隔板 13.機架

1.2 工作原理

負壓導氣管上加工有固定角度的通氣開口。在充種區和攜種區，排種輪的通氣孔與負壓導氣管的負壓腔相通；在投種區通氣孔與負壓腔隔絕。密封隔板保證排種輪外部的氣密性。排種器的工作示意圖如圖2所示。

圖2 排種器工作示意圖Fig.2 Working structural diagram of seeding metering device 1.負壓腔 2.吸孔 3.窩眼孔 4.通氣孔 5.負壓接口

排種輪兩側端面加工有水滴形窩眼孔，窩眼孔底部加工有吸孔，吸孔與通氣孔相通。鏈條帶動排種輪轉動工作，在充種區，通氣孔與負壓腔相通，吸孔產生吸附力，三七種子在吸附力和重力共同作用下進入窩眼孔，并且吸附力將種子吸附在窩眼孔內，完成充種；在攜種區，吸附在窩眼孔內的種子，隨著排種輪一起轉動，實現攜種；在投種區，通氣孔與負壓腔隔絕，吸孔吸附力消失，種子在自身重力作用下投種，完成投種過程。

2 關鍵部件設計及參數確定

2.1 三七種子參數

三七種子含水率ω′為20%～60%，密度ρ為929～1 132 kg/m3，長度L為5.2～7.2 mm，寬度W為4.8～6.8 mm，高度H為4.0～6.0 mm，平均直徑D為5.62 mm，球度S為90.86%，可近似為球體[25]，特征參數如表1所示。

表1 三七種子特征參數Tab.1 Material parameters of Panax notoginseng seed

2.2 排種輪設計

排種輪的主要結構參數包括排種輪直徑、窩眼孔數量及尺寸、吸孔直徑和排種輪厚度。排種輪結構示意圖如圖3所示，圖中d1為排種輪直徑，d2為吸孔分布圓直徑，d3為負壓導管安裝孔直徑，d4為通氣孔直徑，d5為吸孔直徑。

圖3 排種輪結構示意圖Fig.3 Structural diagram of seeding disc

2.2.1排種輪直徑

排種輪直徑是排種器基本結構特征參數之一，決定排種器的結構布置，以及其他部件的結構尺寸。當窩眼孔和吸孔停留在充種區的時間越長，越有利于充種，充種性能通常越好。為研究排種輪各參數對充種時間的影響，建立影響充種時間t的方程

(1)

式中α——充種區域角，(°)

ω——排種輪角速度，rad/s

n——排種輪轉速，r/min

v——播種機作業速度，m/s

L′——粒距，mm

Z——窩眼孔數量

由式(1)整理可得

(2)

由式(2)可知，在作業速度v、粒距L′和充種區域角α固定的情況下，吸孔在充種區停留時間t只與窩眼孔數量Z有關，但隨著排種輪直徑增大，窩眼輪的排布數量可以增多，即可增加充種區停留時間t，從而可增加合格指數，同時負壓腔的空間也會增大，需要風機提供的空氣流量也相應增加，能耗增加。

型孔輪直徑一般選取80～200 mm[26]，綜合考慮排種器的整體結構，最終選取排種輪直徑d1=150 mm。根據排種輪直徑和種箱尺寸布置，選取種層高度范圍為20～80 mm。

2.2.2窩眼孔數量及尺寸

(1)窩眼孔數量

根據排種器整體結構布置，負壓導管安裝孔直徑d3為30 mm，排種輪的通氣孔直徑d4為8 mm，通氣孔不能互相干涉，因此根據通氣孔和負壓導管安裝孔直徑布置可知

(3)

由式(3)可確定窩眼孔數量Z≤11.6，通氣孔夾角盡量選取整數，便于加工，所以確定窩眼孔數量Z=10。

(2)窩眼孔尺寸

三七種子近似為球體，播種屬于單粒點播，因此窩眼孔底部形狀為半球型；加工窩眼孔的球頭銑刀與排種輪端面法線的夾角為加工傾角δ，加工出來的窩眼孔類似水滴形，這有利于充種和投種。圖4為水滴形窩眼孔結構示意圖，圖中w為窩眼孔開口寬度，h為窩眼孔深度，r為窩眼孔底部球半徑。

圖4 水滴形窩眼孔結構示意圖Fig.4 Structural diagram of water drop-shaped hole

為提高窩眼孔機械充種效果，窩眼孔開口寬度w、窩眼孔深度h和窩眼孔底部球半徑r需根據三七種子的最大長度Lmax而定[27]，即

(4)

由式(4)整理可得

(5)

已知三七種子的最大長度Lmax=7.2 mm，由式(5)可得窩眼孔底部球半徑r≥4.91 mm，本文選取窩眼孔底部球半徑r=5 mm，窩眼孔深度h=7.5 mm，窩眼孔開口寬度w=8.67 mm。

窩眼孔與排種輪圓周的壁厚為2～5 mm，所以吸孔分布圓直徑d2=135 mm。

(3)窩眼孔加工傾角

排種輪材質選取丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(簡稱 ABS塑料)，三七種子與ABS塑料最大靜滑動摩擦角φ為26.5°[25]，所以窩眼孔加工傾角δ必須大于26.5°，本文選取加工傾角為30°、40°、50°、60°、70°進行單因素五水平試驗。采用離散元軟件EDEM進行仿真試驗[28-29]，種子顆粒選取直徑6 mm的圓球，種層高度為50 mm，排種輪轉速為24 r/min，吸孔無吸附力，其他試驗條件均一致，分析窩眼孔加工傾角對機械充種性能的影響，仿真試驗如圖5所示。

圖5 仿真試驗Fig.5 Simulation test

只驗證機械充種效果，窩眼孔充入1粒種子即為充種合格。參照GB/T 6973—2005 《單粒(精密)播種機試驗方法》進行試驗，以合格指數、漏播指數和重播指數作為試驗指標，每組試驗統計4行，每行連續測量200個窩眼孔，每組試驗重復3次，取平均值，仿真結果如圖6所示。

圖6 加工傾角與試驗指標關系Fig.6 Relationship curves of machining angle and reference index

隨著加工傾角增大，窩眼孔容積急劇增加。窩眼孔可充入多顆種子，由圖6可知，當加工傾角大于50°時，重播指數急劇加大，漏播指數降低至0，導致合格指數先增大后急劇減小。基于仿真結果，加工傾角δ選取為50°。

2.2.3吸孔直徑與吸孔壓差

(1)吸孔直徑

排種輪吸孔直徑d5經驗公式[27]為

d5=(0.6～0.7)D

(6)

三七種子平均直徑D=5.62 mm，由式(6)可得吸孔直徑范圍為3.37～3.93 mm，本文選擇吸孔直徑d5=3.5 mm。

(2)吸孔理論壓差

假設種子為均勻球體，合力作用于質心，氣室內負壓腔為穩定氣流，種子受力如圖7所示，此時種子受到自身重力G、吸孔吸附力F、支撐力N和摩擦力f作用。

圖7 種子受力分析圖Fig.7 Force analysis of seed

對三七種子在窩眼孔內時進行受力分析，沿著吸孔吸附力F和重力G方向建立xoy坐標系，建立種子受力平衡方程

(7)

式中β——支撐力方向角

種子所受吸附力由吸孔內外壓差所形成，壓差ΔP則決定三七種子能否吸附在窩眼孔內，吸附力F和重力G方程式為

(8)

式中g——重力加速度，m/s2

由式(7)、(8)整理得

(9)

由圖7可得支撐力方向角β為

(10)

已知三七種子平均直徑D=5.62 mm，選取最大密度ρ=1 132 kg/m3，最大靜滑動摩擦角φ=26.5°，由式(9)、(10)計算得吸孔理論壓差ΔP=50 Pa。

2.2.4排種輪厚度及氣室內部流場分析

(1)排種輪厚度

根據三七種植技術規程，本文播種密度采用5 cm×5 cm[1]，即粒距L′=50 mm，按照播種密度對排種輪和導種器進行結構布置，如圖8所示。

圖8 排種輪和導種器結構布置圖Fig.8 Structural arrangement diagram of seed-metering wheel and guiding device 1.導種器 2.排種輪

導種器寬度l1≥12 mm，安裝間隙l2≥1 mm，由圖8可得排種輪厚度范圍為

2h+d4

(11)

式中l——排種輪厚度，mm

由式(11)得排種輪厚度范圍為23 mm

(2)氣室內部流場分析

為進一步確定排種輪厚度，本文采用Fluent軟件分別對厚度為25、30、35 mm的排種輪進行內部流場模擬分析，選取吸孔端面處的流速作為評價指標，吸孔端面為吸孔與窩眼孔底部交匯面，吸孔端面處的流速越大表明吸種能力越強，同時各個吸孔處的流速及空氣運動軌跡基本一致，說明各個吸孔差異不大，流場分布均勻，利于充種和攜種[30-31]。

在UG軟件中建立排種器的氣室模型，如圖9所示。該排種器氣室模型包括窩眼孔、吸孔、通氣孔和負壓腔，在吸種區和攜種區通氣孔數量共計6個，30 mm厚度排種輪的氣室體積約為132 856 mm3，僅為同行數氣吸滾筒式排種器氣室體積的5%左右。

圖9 排種器的氣室模型Fig.9 Seed-metering air chamber model 1.吸孔端面 2.壓力出口 3.壓力入口 4.窩眼孔 5.吸孔 6.通氣孔 7.負壓腔

模擬過程采用k-ε模型，選取窩眼孔端面為壓力入口邊界條件，入口壓力設置為0 Pa，負壓接口為壓力出口邊界條件，出口壓力設置為-1 000 Pa，壁面采用無滑移邊界條件。不同厚度排種輪吸孔端面的速度云圖如圖10所示。

圖10 不同厚度排種輪吸孔端面的速度云圖Fig.10 Velocity contours of suction hole end face with different thickness seed-metering wheel

本文吸孔采用直孔形式，由圖10可知，排種輪厚度為30 mm時，吸孔端面處流速最大達到31.43 m/s，表明吸種能力最強，同時各個吸孔處的流速及空氣運動軌跡基本一致，說明各個吸孔差異不大，流場分布均勻，有利于充種和攜種。

厚度30 mm排種輪的速度云圖和壓力云圖如圖11所示。由圖11a可知，腔體內未出現較大局部渦流和回流現象，整體流場分布均勻。由圖11b可知，氣室內部壓降較小，壓力分布較均勻，且吸孔端面處的最小壓差為417.12 Pa，大于吸孔理論壓差ΔP=50 Pa，進一步驗證排種輪厚度為30 mm時氣室布置最為合理。

圖11 厚度30 mm排種輪的速度云圖和壓力云圖Fig.11 Velocity contour and pressure contour of seed-metering wheel in 30 mm thickness

2.3 排種輪轉速

本文排種器的作業速度v=0.9～1.8 km/h，粒距L′=50 mm，窩眼孔數量Z=10，由式(1)可得排種輪轉速方程為

(12)

由式(12)得排種輪轉速n=30～60 r/min。

3 排種性能試驗

3.1 試驗材料與儀器設備

選取文山三七種子，含水率為60%，在JPS-12型計算機視覺排種器性能檢測試驗臺上進行試驗，利用加野麥克斯KANOMAX6036型熱式風速風量儀(精度0.01 kPa)測量吸孔端面氣壓，U型測壓管監測氣壓穩定性，排種性能試驗如圖12所示。

圖12 排種性能試驗Fig.12 Seed-metering performance test 1.排種器 2.U型測壓管 3.KANOMAX6036型熱式風速風量儀 4.JPS-12型計算機視覺排種器性能檢測試驗臺

3.2 試驗方法

根據GB/T 6973—2005 《單粒(精密)播種機試驗方法》實施，選取對排種器工作性能影響較大的排種輪轉速、吸孔負壓和種層高度作為試驗因素，為尋求最佳參數組合，進行三因素二次回歸正交旋轉組合試驗，以排種合格指數Y1、重播指數Y2、漏播指數Y3和各行排量一致性變異系數Y4為評價指標，每組試驗統計4行，每行連續測量200粒種子，每組試驗重復3次，取平均值。

3.3 二次回歸正交旋轉組合試驗

通過前期單因素試驗，確定吸孔負壓為450～750 Pa，排種輪轉速為30～60 r/min，種層高度為20～80 mm。試驗因素編碼如表2所示，試驗設計方案與結果如表3所示，表中X1、X2、X3為吸孔負壓、排種輪轉速、種層高度的編碼值。

3.4 回歸數學模型的建立與顯著性檢驗

采用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗數據進行多元回歸擬合，對試驗結果進行回歸分析，可以得到合格指數Y1、重播指數Y2、漏播指數Y3和各行排量一致性變異系數Y4的回歸方程。

表2 試驗因素編碼Tab.2 Experimental factors and codes

表3 試驗方案設計與結果Tab.3 Experiment design and results

3.4.1合格指數Y1

通過試驗以及對試驗數據進行多元回歸擬合，得到各因素對排種合格指數Y1影響的回歸模型為

(13)

回歸方程的顯著性檢驗如表4所示。根據表4可知，模型的擬合度極顯著(P<0.01)。但吸孔負壓和排種輪轉速的交互項(X1X2)、吸孔負壓和種層高度的交互項(X1X3)以及排種輪轉速和種層高度的交互項(X2X3)的P值均大于0.1，說明以上各項對排種合格指數的影響不顯著，其他各項的P檢驗均極顯著，說明相關試驗因素對響應值影響不是簡單的線性關系，存在二次關系。失擬項P=0.126 9，不顯著，說明無其他影響指標的主要因素。回歸方程的決定系數R2=0.94，說明回歸方程的預測值與實際值擬合良好。剔除不顯著因素后的回歸模型為

(14)

通過對式(14)回歸系數的檢驗得出，影響排種合格指數的因素主次順序為吸孔負壓、排種輪轉速、種層高度。

3.4.2重播指數Y2

通過試驗以及對試驗數據進行多元回歸擬合，得到各因素對重播指數Y2影響的回歸模型為

(15)

(16)

通過對式(16)回歸系數的檢驗得出，影響重播指數的因素主次順序為種層高度、吸孔負壓、排種輪轉速。

3.4.3漏播指數Y3

通過試驗以及對試驗數據進行多元回歸擬合，得到各因素對漏播指數Y3影響的回歸模型為

(17)

(18)

通過對式(18)回歸系數的檢驗得出，影響漏播指數的因素主次順序為吸孔負壓、排種輪轉速、種層高度。

3.4.4各行排量一致性變異系數Y4

通過試驗以及對試驗數據進行多元回歸擬合，得到各因素對各行排量一致性變異系數Y4影響的回歸模型為

(19)

(20)

通過對式(20)回歸系數的檢驗得出，影響各行排量一致性變異系數的因素主次順序為排種輪轉速、吸孔負壓、種層高度。

表4 回歸方程方差分析Tab.4 Variance analysis of regression equation

注：*表示影響顯著(P<0.05)，** 表示影響極顯著(P<0.01)。

3.5 各因素對排種合格指數的影響

通過Design-Expert 8.0.6對數據進行處理，可得到吸孔負壓、排種輪轉速和種層高度對合格指數的影響，其響應曲面如圖13所示。任意固定某個因素的水平，根據響應曲面圖，分析其余2個因素間的交互作用對排種合格指數的影響。

3.5.1吸孔負壓和排種輪轉速的交互作用

圖13a為種層高度為50 mm時，吸孔負壓和排種輪轉速對排種合格指數交互作用的響應曲面圖。由圖可知，在吸孔負壓為600～640 Pa，排種輪轉速為35～42 r/min時，排種合格指數較高。吸孔負壓一定時，隨著排種輪轉速的增大，排種合格指數先上升后下降。排種輪轉速一定時，隨著吸孔負壓的增大，排種合格指數先上升后下降。

圖13 交互因素對合格指數的影響Fig.13 Effects of interactive factors on qualified index

3.5.2吸孔負壓和種層高度的交互作用

圖13b為排種輪轉速為45 r/min時，吸孔負壓和種層高度對排種合格指數交互作用的響應曲面圖。由圖可知，在吸孔負壓為600～640 Pa，種層高度為40～50 mm時，排種合格指數較高。吸孔負壓一定時，隨著種層高度的增大，排種合格指數先上升后下降。種層高度一定時，隨著吸孔負壓的增大，排種合格指數先上升后下降。

3.5.3排種輪轉速和種層高度的交互作用

圖13c為吸孔負壓為600 Pa時，排種輪轉速和種層高度對排種合格指數交互作用的響應曲面圖。由圖可知，在排種輪轉速為38～41 r/min，種層高度為44～50 mm時，排種合格指數較高。排種輪轉速一定時，隨著種層高度的增大，排種合格指數先上升后下降。種層高度一定時，隨著排種輪轉速的增大，排種合格指數先上升后下降。

3.6 最佳參數優化

設定合格指數大于93.0%，漏播指數小于3.5%，重播指數小于3.5%，各行排量一致性變異系數小于3.0%，優化得到最佳參數范圍如圖14所示。在種層高度為50 mm時，黃色區域為最佳參數優化區域，即吸孔負壓560～660 Pa，排種輪轉速34～48 r/min時，合格指數大于93.0%，漏播指數小于3.5%，重播指數小于3.5%，各行排量一致性變異系數小于3.0%。

圖14 參數優化分析Fig.14 Parameters optimization and analysis

對優化得到的結果進行驗證。在相同的試驗條件下選取吸孔負壓為650 Pa，排種輪轉速為40 r/min，種層高度為50 mm，進行3次重復驗證試驗，得到排種器合格指數平均值為94.1%，且均大于93.0%；漏播指數平均值為3.1%，且均小于3.5%；重播指數平均值為2.8%，且均小于3.5%；各行排量一致性變異系數平均值為2.7%，且均小于3.0%；試驗結果與優化結果相符。

4 結論

(1)設計的超窄行氣吸式三七精密排種器，融合機械氣力組合充種技術，排種輪兩側加工有水滴形窩眼孔，可進行“一輪雙行、多輪串聯”播種作業。該排種器結構緊湊，相對于氣吸滾筒式排種器氣室更小，對風量和風壓穩定要求低。可進行超窄行播種作業，適應三七等密集型精密播種作物。

(2)基于離散元法，利用EDEM軟件，以水滴形窩眼孔加工傾角為試驗因素，以合格指數、重播指數和漏播指數為試驗指標，進行單因素仿真試驗，驗證水滴形窩眼孔機械充種性能，得出較佳加工傾角為50°。

(3)采用二次回歸正交旋轉組合試驗方法進行試驗，以吸孔負壓、排種輪轉速和種層高度作為試驗因素，以合格指數、重播指數、漏播指數和各行排量一致性變異系數為試驗指標，對試驗結果進行回歸分析，建立回歸方程，得出影響合格指數的主次順序為吸孔負壓、排種輪轉速、種層高度。

(4)利用Design-Expert 8.0.6 軟件進行數據優化處理，當種層高度為50 mm、吸孔負壓為560～660 Pa、排種輪轉速為34～48 r/min時，合格指數大于93.0%，重播指數小于3.5%，漏播指數小于3.5%，各行排量一致性變異系數小于3.0%。對優化結果進行驗證試驗，得到的試驗結果與優化結果基本一致。