負壓驅動水稻精量直播排種器設計與試驗研究

魏海明，楊發展，李建東，劉永武，羅 佳，楊 薇

(1.青島理工大學 機械與汽車工程學院,山東 青島 265200；2.中機美諾科技股份有限公司，北京 100083)

0 引言

隨著我國城鎮化速度的加快和農業作業人口的減少，傳統的水稻缽苗、育秧并結合插秧的種植模式面臨嚴重的勞動力短缺難題。直播是一種節省勞動力、節約水資源和大幅提高農民收入的緊湊型農藝種植模式，尤其引人關注的是精量穴直播方法。精量穴直播技術即按水稻種植農藝要求，將水稻芽種按所需的株距、行距和每穴種子粒數要求精準成穴地分布于田間，是目前較為先進的水稻直播技術。精量穴直播的關鍵裝置在于排種器的設計和開發[1-5]。雜交稻的種植強調少本稀植，為獲得適宜高產的田間生長環境，其直播種植要求每穴稻種粒數為(3±1)粒為宜，尤其是每穴不要超過4粒[6-10]。

氣力式排種器因具有取種方便、對種子形狀要求低及傷種率低等優點，在各種子播種領域得到廣泛應用。上述氣力式水稻排種器目前還僅限于每穴單粒或雙粒的室內機械化育秧播種。張國忠[11]等研制了一種可同時吸附多粒稻種的、具有群布吸孔的吸種盤，并應用于垂直圓盤式直播排種器上。據報道，其排種性能和播種效率還有待進一步提高。

基于上述分析和研究，本文將探索利用負壓吸附技術，設計開發了負壓驅動的水稻精量直播排種器，研究其排種效果和播種的精準化程度。同時，為了滿足雜交稻大田精量穴直播的實際生產需求，采用多吸孔吸種、機械清種及氣力清堵等原理，設計了一種氣力圓盤式水稻精量直播排種器，并對圓盤轉速、吸種孔尺寸、氣室的真空度等對排種性能的影響進行了系統研究和分析，探究了上述因素間的最佳參數組合，以期為氣力式水稻精量穴直播排種器的設計提供技術參考和設計依據。

1 圓盤式排種器工作原理

設計開發的氣力圓盤式水稻精量直播排種器主要由外殼、吸種盤、攪種盤及排種器后蓋等組成，如圖1所示。其中，負壓氣室的管接頭通過軟管與風機進風口連接，吸種盤緊貼排種器的后蓋，在吸種盤與負壓氣室間形成負壓區，吸種盤安裝在傳動軸上，在傳動軸的末端設置有花鍵，發動機的動力可通過鏈條傳遞到傳動軸上帶動吸種盤旋轉；水稻種子從播種機分種裝置進入預存種裝置內，進而落入充種區，種子在內外壓差作用下會被吸附到吸種孔上并隨吸種盤的轉動而轉動；在轉動過程中，清種裝置將刮掉吸種盤吸種孔上多余的種子，當吸種盤的吸種孔轉到非負壓區時，吸種孔的內外壓差將消失，種子會在重力的作用下落入種溝內，完成播種過程；當上一個品種的種子播種完之后，清種裝置工作，種子在風機負壓的作用下通過吸種口吸入設定的存種裝置內，完成清種工作，為后續的循環作業提供條件。

1.排種器殼體 2.吸種盤 3.攪種盤 4.排種器后蓋

2 氣力圓盤式排種器關鍵結構設計與仿真

2.1 仿真模型的建立及其分析步驟

目前，排種器吸種盤的直徑在140～260mm范圍內[12]，考慮到水稻直播的農藝要求，將開發的吸種盤的直徑設定為210mm，吸種盤厚度為2mm,材質選擇為不銹鋼(0Cr18Ni9)。排種器后蓋內負壓氣室內圓半徑設置為70mm，外圓半徑設置為105mm，壁厚為2mm，軸向深度為38mm,負壓氣室的管接頭外圓直徑為30mm，內圓直徑為26mm。利用SolidWorks軟件建立排種器后蓋負壓氣室的三維結構模型，如圖2所示。

圖2 負壓氣室模型簡圖

將設計的模型導入至Fluent15.0軟件中，采用ICEM CFD 15.0網格劃分軟件對模型劃分六面體網格，物理模型設置參數為：三維穩態計算模型、分離求解器、流體域設為氣體、定常密度，采用標準k-ε湍流模型。邊界條件設置為：入口邊界為壓力入口，壓力數值為0，出口邊界條件設置為壓力出口，壓力數值為-3.5kPa，計算迭代步數設為500(已收斂)。

2.2 仿真結果及其分析

2.2.1吸種孔直徑不同對氣室內部壓強、氣流速度的影響仿真分析

吸種盤上吸種孔直徑直接影響排種器的作業效果，對于相同質量的種子，當選擇較小直徑的吸種孔時，需更大的負壓值才能夠有效吸附種子；然而，過小的孔徑會使風機的負載過大，吸孔直徑過大則會使水稻種子卡在吸種孔內甚至吸入負壓氣室內造成漏播。通過對比和參考現有的排種器，吸種孔直徑一般選擇在1.2～2.0mm之間。本文設計直徑分別為1.2、1.4、1.6、1.8mm等4種圓形吸種孔，設置吸孔的組數為10，進行仿真對比分析，探究不同孔徑對氣室內部壓強、氣流速度的影響，結果如圖3和圖4所示。

圖3 不同吸孔直徑下吸孔處壓強云圖

圖4 不同吸孔直徑下吸孔處氣流速度云圖

diameter of suction hole

吸種孔直徑大小不同對氣室內部壓強、氣流速度的影響仿真分析：①吸種孔處壓強和氣流速度明顯低于氣室內部，氣室內部壓強和氣流速度分布較均勻，吸種孔在不同位置時的壓強和氣流速度變化不大。②隨著吸種孔孔徑的增大，吸孔處的壓強逐漸增大，氣室內部壓強在孔徑為1.4mm時達到最大，最大值為-3.432kPa，在孔徑為1.8mm時氣室內部壓強最小，最小值為-3.398kPa，且孔徑為1.8mm時氣室內部壓強變化較明顯。③吸孔的氣流速度隨著孔徑的增大逐漸增大，在孔徑為1.6mm時達到最大值74.78m/s，然后逐漸減小，氣室內部氣流速度沒有變化。綜上所述，孔徑為1.4mm和1.6mm吸種孔的吸種效果要好于其余兩種孔徑吸種孔的吸種效果。

2.2.2吸種盤厚度對氣室氣流速度、表面壓力的影響仿真分析

本文選擇板厚分別為2mm和4mm兩種吸種盤，吸種孔的孔徑為1.4mm進行仿真分析，結果如圖5、圖6所示。

圖5 不同吸種盤厚度下吸孔處氣流速度云圖

圖6 不同吸種盤厚度下吸孔處壓強云圖

在相同工作條件下：①速度云圖顯示，板厚為2mm時，吸種孔處氣流速度為69.83m/s；板厚為4mm時，吸種孔處氣流速度為69.33m/s。②壓強云圖顯示，板厚為2mm時，吸室內部壓強為3.136kPa；板厚為4mm時，吸室內部壓強為2.664kPa。③上述分析表明：吸種盤厚度會對吸種效果產生一定影響，厚度為2mm的吸種盤吸種效果要優于厚度為4mm的吸種盤吸種效果。

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3 排種器性能試驗及測定

3.1 試驗準備

試驗用水稻品種為滇瑞408，統計結果為：長度平均值10.71mm，寬度平均值2.39mm，厚度平均值2.17mm，千粒質量26.3g。采用不銹鋼加工各類孔徑的吸種盤。試驗臺采用黑龍江省農業機械工程科學研究院研制的JPS計算機視覺排種器性能試驗臺(自行進行了初步的改造)，試驗吸種效果如圖7所示。

圖7 吸種效果圖

3.2 試驗方法

試驗結果評定依據《GB/T6973-2005單粒(精密)播種機試驗方法》，試驗材料為水稻種子，通過測量落在種床帶上種子的粒距來反映排種器性能，根據農藝要求選擇標準粒距Xr為200mm。評定標準主要有粒距合格指數、重播指數、漏播指數。實測粒距在(0.5Xr，1.5Xr)視為合格，小于或等于0.5Xr視為重播，大于0.5Xr視為漏播。試驗過程中，取排種器穩定運行的時間段作為統計樣本，每單次試驗重復3次取平均值。

3.3 試驗測試

3.3.1 吸種孔布置類型對排種質量的影響

根據水稻旱地直播的農藝要求，穴粒數為(3±1)粒。本次試驗采用的吸種孔孔徑為1.6mm，排種軸轉速為30r/min，風機的負壓值1.5kPa，設計了兩種吸種孔布置方式，如圖8所示。在保證其他條件相同的情況下進行試驗，每次試驗重復3次取平均值，試驗結果如表1所示。

圖8 吸孔布置類型圖

吸種孔布置類型 合格率/%漏播率/%重播率/%A型75.622.0121.37B型63.291.5234.19

試驗結果表明：在其他條件不變的情況下，A型吸種孔布置方式排種效果要優于B型。因此，在后續的正交試驗中，選取A型吸種孔的布局方式。

3.3.2吸種孔直徑、氣室真空度和吸種盤轉速對排種質量的影響

考慮到吸種孔直徑、氣室真空度和吸種盤轉速等參數對排種質量均造成影響，采用正交試驗進行分析，研究影響播種效果因素的主次關系和最優的組合類型。試驗的影響因素及水平變化如表2所示。本文采用L16(45)正交表進行臺架試驗，結果如表3所示，方差分析如表4所示。

表2 正交試驗因素水平表

表3 正交試驗結果分析

續表3

表4 正交試驗方差分析

3.3.3 試驗結果及其分析

由表3可知：吸種盤轉速A、氣室真空度B及吸種孔直徑C對排種合格率X的影響主次順序為C>A>B，最優組合為A4B1C2，即吸種盤轉速為35r/min、氣室真空度為1.0kPa、吸種孔直徑為1.4mm；對于重播率Y，影響的主次順序為C>A>B，最優組合為A4B1C1，即吸種盤轉速為35r/min、氣室真空度為1.0kPa、吸種孔直徑為1.2mm；對于漏播率Z,影響的主次順序為C>A>B，最優組合為A4B4C2，即吸種盤轉速為35r/min、氣室真空度為1.6kPa、吸種孔直徑為1.4mm。由于氣室真空度對排種效果影響較小，故確定最優組合為A4B3C2，即吸種盤轉速為35r/min、氣室真空度為1.4kPa、吸種孔直徑為1.4mm時，合格率為84.22%，重播率為8.81%，漏播率為5.97%，滿足JB/T 10293-2013《單粒(精密)播種機技術條件》中的參數指標。

由表4方差分析的結果可知，對于合格指數、重播指數、漏播指數與極差分析的因素主次一致。

4 結論

1)設計開發了一種適用于水稻旱地直播的氣吸式排種器，采用負壓吸種、高壓氣力清種，滿足水稻的精量播種要求。

2)利用有限元分析軟件Fluent對負壓氣室進行了仿真分析，研究了吸種孔的孔徑、吸種盤厚度等參數對吸種孔及氣室內部壓強和氣流速度的影響，并對排種器的參數進行了優化，確定了吸種孔的直徑范圍為1.4～1.6mm、吸種盤的厚度為2mm時最適宜進行精量排種。

3)對開發的排種器進行了排種正交試驗，分析了吸種盤轉速、氣室真空度、吸種孔直徑對排種器性能的影響，確定了3種因素對排種性能影響的主次順序。其中，吸種孔直徑的大小對排種性能影響最大，其次為吸種盤轉速，最小的是氣室真空度的大小。確定了最優的參數組合：吸種盤轉速為35r/min、氣室真空度為1.4kpa、當吸種孔直徑為1.4mm時，排種合格率為84.22%、重播率為8.81%、漏播率為5.97%，符合JB/T 10293-2013《單粒(精密)播種機技術條件》中的參數指標要求，滿足后續播種的需要。