氣吹懸浮供種的氣吸滾筒式排種器設計與實驗

趙永滿，侯曉曉，姜有忠，劉永鋒，胡 斌，羅 昕

( 1.石河子大學 a.機械電氣工程學院；b.新疆建設兵團農業機械重點實驗室，新疆 石河子 832003；2.黃河交通學院 汽車工程學院，河南 焦作 454950)

0 引言

辣椒是新疆的特色經濟作物，市場前景好，近幾年種植面積不斷增加[1]。穴盤育苗過程是移栽種植模式的關鍵環節之一，穴盤育苗排種器是育苗過程的關鍵部件，但辣椒種子存在外形不規整、流動性差、尺寸小及分離效果不佳等問題[1]。新疆育苗播種主要靠人工點播，勞動強度大，效率低，成本高，目前還沒有滿足“一穴一粒”辣椒穴盤育苗精量排種器。因此，迫切需要設計一種實現“一穴一粒”精量播種要求的排種器。

目前，氣力式排種器因具有種子適應性強、生產效率高、不易傷種等優點，在農作物精量播種中廣泛應用[2]。國內，李耀明、陳進等[3]以油菜、水稻等作物種子為研究對象，確定了振動氣吸式排種器的核心部件結構和工作參數，研究分析了振動種盤內種子的運動機理，以及吸孔形狀、孔徑、導程對吸種效果的影響。王朝暉、袁月明、馬旭等[4]以超級稻為播種對象，通過三維建模與仿真、高速攝像觀察等方法對氣吸滾筒式排種器氣室流場、投種過程及種層振動規律等排種性能影響規律進行了研究。上述氣力式排種器大都采用振動供種，不能滿足小顆粒、不規整的番茄(非丸粒化種子)種子“一穴一粒”的育苗播種要求。

由于辣椒種子破損將影響出苗率，且種子尺寸小、外形不規整、流動性差，種植要求又屬于精量播種，針對現有氣吸滾筒式排種器存在的取種難、吸種孔容易堵塞、投種精度差等主要技術問題，提出了由負壓取種、正壓氣吹供種和投種的新方案，并設計了一種適合辣椒育苗播種的氣吹懸浮供種的氣吸滾筒式排種器。同時，以種箱氣室正壓力、滾筒轉速、吸種角度為影響因素，對排種器排種性能進行試驗分析，尋找上述因素最優參參數組合，為辣椒等小粒種子育苗排種器的設計提供參考。

1 排種器的結構與工作原理

氣吹懸浮供種的氣吸滾筒式精量排種器由氣吹式種箱、排種滾筒、正負壓空心軸、旋渦氣泵、正壓供氣管、負壓供氣管及傳動鏈輪等組成，如圖1所示。

1.正壓空心軸 2.關卡 3.滾筒 4.O型密封圈 5.吸種孔 6.定位凸臺 7.密封墊圈 8.鏈輪螺栓 9.鐵箍 10.負壓空心軸 11.滾筒支架 12.鏈輪 13.絕壓分隔裝置 14.快速接頭 15.塑料管 16.掛件 17.橡膠條 18.種箱支架 19.種箱氣室 20.供種箱

滾筒內部有空心軸和絕壓分隔裝置，絕壓分隔裝置將滾筒內部空間分成正壓區域和負壓區域。排種器工作時，電機通過變頻器調節帶動滾筒順時針轉動；旋渦氣泵的正壓供氣管與滾筒正壓空心軸和種箱氣室鏈接，負壓供氣管與滾筒負壓空心軸連接；正壓供氣管往絕壓分隔裝置和種箱氣室中輸入正壓氣體，種箱供種板兩疏種墻之間開有小于種子的吹孔，供種板上的種子在正壓氣流吹動作用下懸浮跳動至滾筒附近；滾筒表面上開有錐形通孔，負壓供氣管通過負壓空心軸往滾筒內部通入負壓氣體；正壓供氣管通過正壓空心軸往絕壓分隔裝置內部通入正壓氣體，當滾筒轉動到種箱出料口附近時，滾筒吸孔附近的種子在滾筒負壓腔內部負壓的吸力作用下吸附在滾筒吸孔上，并隨著滾筒一起轉動；當轉動經過種箱上方的毛刷時，將吸孔附近不穩定的種子以清理種箱；當吸孔轉動到絕壓分隔裝置下方時，種子失去滾筒內部負壓吸附力的作用，種子在自身重力和絕壓分隔裝置內部正壓氣流的作用下掉落，完成整個投種過程。

2 排種器關鍵部件的設計

2.1 滾筒正負壓腔的設計

正負壓腔是排種滾筒實現精量取種和精準投種的關鍵部件[5]，其結構設計直接影響滾筒吸種性能和投種精度。此內腔是兩段空心軸，通過掛件與絕壓分隔裝置焊接成為一體結構。掛件與絕壓分隔裝置和空心軸垂直連接，且兩段空心軸的中心線和絕壓分隔裝置的橫向中心線在同一平面內。連接正壓氣體空心軸的滾筒內端密封并開有連接快速接頭的小孔，絕壓分隔裝置上部中心位置開有連接快速接頭小孔，通過快速接頭和塑料管往絕壓分隔裝置中輸送正壓氣體，絕壓分隔裝置下部連接橡膠條與滾筒內表面密封鏈接。此設計使得滾筒內部負壓流場更加均勻，并保證了滾筒運轉的穩定性，如圖2所示。

1.負壓空心軸 2.掛件 3.絕壓分隔裝置 4.塑料管 5.快速接頭 6.正壓空心軸

目前，國內外氣吸滾筒式排種器的滾筒直徑多為140～260mm[6]，經過前期的試驗研究確定滾筒直徑為180mm。在此內腔結構下采用CFD模擬滾筒內部流場情況，模擬過程采用k-ε模型，設定邊界為恒壓力條件，選取滾筒上吸孔為壓力進口，負壓空心軸截面為壓力出口，壁面采用無滑移壁面條件(ui=0)。滾筒內部壓力和流場速度云圖如圖3所示。

圖3 滾筒內部壓力和流場速度云圖

2.2 吸種孔的設計

2.2.1 辣椒種子幾何特性

選取新疆種植最為廣泛的辣椒品種新選 8819 線辣椒種子為研究對象[7]，應用精度為 0.01mm 的SF-2000 型電子顯示游標卡尺，對在辣椒種子樣品中隨意抽取的100粒種子進行三軸方向的大小測量，平均結果如表 1 所示。

表1 辣椒種子平均三軸尺寸

2.2.2 滾筒吸孔與吸孔位置的設計

吸種孔直徑大小對排種器充種性能影響較大[8]。參考吸種孔d經驗公式，即

d=(0.6～0.7)B

(1)

其中，d為吸孔直徑；B為種子平均短徑。由上述可知：辣椒種子的平均短徑為3.08mm，從式(1)中可以得出吸孔直徑的數值范圍為1.85～2.16mm。所以，本吸孔直徑設計為2.0mm。

由于本設計為穴盤育苗排種器，目前最常使用的穴盤為PS材料的128孔16×8標準穴盤，其穴盤尺寸為532mm×278mm×44mm，穴盤兩錐孔中心距為32mm。由于滾筒長度、軸向吸孔數、周向吸孔排數會影響排種器性能和穩定性，綜合考慮，滾筒長度設計為310mm，軸向吸孔的數量為8個，滾筒周向排數設計16排。

2.3 種箱的設計

種箱由供種箱和種箱氣室組成，種箱的出料口上部設有與滾筒表面弧形相對應的弧凹槽，弧凹槽套在滾筒的圓周上，與滾筒通過種箱支架成一定角度安裝在機架上。考慮到與滾筒設計相對應，滾筒長310mm，滾筒兩側吸種孔中心距離為224mm，所以種箱寬度設計為280mm。

供種板出料口處設計有疏種墻，疏種墻之間的供種板上開有整齊排列的吹孔，其直徑為2.0mm。種箱設計有8個出料口，每個出料口之間的中心距為32mm，與滾筒吸孔之間的中心距相同。工作時，種箱氣室通入正壓氣體，在供種板吹孔氣流的作用下使種子懸浮出料口附近。滾筒吸孔轉動至種箱出料口處，滾筒吸孔在壓差作用下將種子吸附在滾筒吸孔中，實現吸種過程，結構如圖4所示。

1.種箱氣室 2.種箱隔板 3.供種板吹孔 4.疏種墻

2.4 吸種區吸種壓差及吸種角度

滾筒吸種分為兩個過程：一是種子在種箱分離板作用下向下滑動至滾筒附近，在氣流作用下懸浮，沒有與滾筒接觸；二是滾筒內部負壓的作用下吸附在滾筒吸孔上，并隨滾筒一起轉動。第2過程種子吸附運動和受力如圖5所示[9]。

分析表明：種子在吸附過程中要受到種群間的擠壓力和摩檫力，還有自身的重力。對第2過程種子吸附進行力學分析，則

(2)

(3)

(4)

其中，FNX為被吸附種子在X軸方向的合力(N)；FNY為被吸附種子在Y軸方向的合力(N)；Fqz為被吸附種子受到種群的支持力(N)；Fgz為被吸附種子受到滾筒的支持力(N)；Fgm為被吸附種子受到滾筒的摩檫力(N)；Fqm為被吸附種子受到種群的摩檫力(N)；G為被吸附種子自身重力(N)；FN為被吸附種子所受吸附力(N)；FNQ2為被吸附種子在第二階段所受吸附力(N)；m為被吸附種子的質量(kg)；w為滾筒轉速(rad/s);R為滾筒半徑(m)；α為Fqz與水平方向的夾角(°)；β為吸種角(°)；φm為番茄種子于滾筒之間的滑動摩擦角26(°)；φq為番茄種子的自然休止角φq=41(°)。

圖5 種子吸附階段受力分析

種子的吸附力由滾筒內外壓差產生，則

(5)

其中，FNQ為被吸附種子所受吸附力(N)；ΔPN滾筒內部負壓值(Pa)；ε為滾筒內部流場比例系數，ε=0.65。

要使種子被成功吸附，吸附力FNQ要大于種子在第2階段的吸附力FNQ2。由式(2)～式(7)得出被吸附種子需要吸附力的最小值，即當FNQ與FNQ2相等時為最小值，則

[Fqz·cos(φq+φm-α-β)+

m·g·cosφq·sin(β-φm)]/(cosφq·cosφt)

(6)

其中，FNQmin為最小吸附力。

當α=90°時，被吸附種子自身重力與所受種群支持力相等，則

(7)

由式(7)可知：滾筒吸種的成功與否與滾筒轉速、滾筒內部負壓、種箱角度、種子物料特性有關。結合前期大量實驗結果，本文選擇種箱角度范圍為10～40°，吸種負壓為1～4kPa。

3 排種器排種性能試驗

3.1 試驗準備

試驗所用種子為新疆最為廣泛的辣椒品種8819線辣椒種子，種子顆粒群的純度為>97%、凈度為>98%、發芽率>85%、水分<8%。[10]。試驗在石河子大學機械電氣工程學院兵團農業重點實驗室進行，采用課題組研制的氣吹供種氣吸滾筒式播種機實驗樣機進行試驗。試驗臺配置有上海生產的型號為CHRH-440DEE的調頻器，上海生產的型號為YCT132-4B高速相機，廣州生產的型號為GLB1500S的渦旋氣泵，青島生產的型號為MS-130ST-M10015的電機，上海伊萊克生產的型號為YE-60(0-10kp)的微壓表。試驗臺結構示意圖如圖6所示。

1.電機 2.調頻器 3.輸送帶 4.種箱 5.供種板 6.吸種孔 7.吸種滾筒 8.滾筒機架 9.穴盤 10.機架 11.旋渦氣泵 12.正壓供氣管 13.負壓供氣管

3.2 試驗方法

以GB/T6973-2005《單粒(精密)播種機試驗方法》及排種器排種性能試驗為目標，選用單粒率、多粒率、漏播率作為判定排種器排種性能指標[11]，選取滾筒轉速、吸種角度、種箱氣室正壓值為主要試驗因素。在試驗過程中，通過種箱支架調節吸種角度，渦旋氣泵管道上閥門調節種箱正壓值，調頻器調節滾筒的轉速，每組試驗重復3次取平均值，最后利用高速攝像機對滾筒吸種結果進行統計分析。

3.3 試驗及結果分析

3.3.1 正交組合試驗

通過前期試驗分析，確定滾筒轉速的取值范圍為10～16 r/min，種箱氣室正壓值的范圍為1～4kPa，吸種角度范圍10°～40°。為明確上述3個因素對排種性能的影響，選擇三因素四水平的正交組合實驗方法[12-13]，因素和水平如表2所示，試驗方案與結果如表3所示。

表2 因素水平表

表3 試驗結果

3.3.2 結果分析

1)由表3試驗結果分析可知：試驗數據統計相差不大，證明所設計的氣吹懸浮供種的氣吸滾筒式排種器工作性能穩定。

2)由表3可知：當吸種角度為20°、種箱氣室正壓值為2kPa、滾筒轉速為12r/min時，單粒率91.5%，多粒率5.4%，漏播率3.2%，其效果最佳。

4 結論

1)設計了一種氣吹懸浮供種的氣吸式排種器，確定了氣吹供種和滾筒排種的工作原理、主要結構與性能參數。

2)采用三因素四水平正交試驗得出最佳參數范圍如下：在吸種角度為20°，種箱氣室正壓值為2kPa、滾筒轉速為12r/min時，可獲得單粒率91.5%、多粒率5.4%、漏播率3.2%的結果。分析表明：影響排種器性能因素的主次順序為種箱氣室正壓力、滾筒轉速、吸種角度。