氣吸式三七育苗播種精密排種器設計與試驗

楊文彩 闞成龍 張效偉 吳 翀 杜 遷 潘吳建

(1.云南農業大學機電工程學院， 昆明 650201； 2.芒市農業農村局農機技術推廣站， 芒市 678400)

0 引言

目前，三七育苗播種以人工點播為主，其勞動強度大、用工成本高，且效率低。采用機械化播種不僅可以提高效率，還可以有效降低播種成本、提高播種質量。然而，三七育苗播種行、株距均為50 mm[1]，對排種器精度要求較高，目前尚無適宜的三七育苗播種排種器。

根據播種對象的不同，生產上使用的排種器有機械式和氣力式。機械式排種器存在傷種率高、落種時機不精確等問題[2-3]，機械式三七排種器需要在播種前對種子進行分級處理[4]。氣力式排種器傷種率低、不需對種子進行分級處理，采用正壓投種可以準確把握投種時機[5-8]，但氣壓均勻性控制難度較大，易使單個氣孔吸附多顆種子而造成重播，或者因未吸附種子而造成漏播[9-13]。從簡化分級農藝和減少種子損傷的角度考慮，選用氣力式排種器進行三七育苗播種，還需通過結構設計和系統工作參數的優化，以解決氣壓均勻性問題。

本文基于負壓吸種、正壓排種原理設計氣吸滾筒式三七精密排種器，通過力學分析研究主要結構參數，分析影響排種性能的關鍵因素，通過試驗確定影響排種器性能的最佳參數組合，借助高速攝像儀通過土槽試驗驗證排種器的排種性能。

1 結構與工作原理

氣吸式三七精密排種器主要由滾筒、左右配氣盤、左右端蓋、導氣管、氣孔塞、毛刷滾、充種室等組成，如圖1。該排種器設計效率為0.1 hm2/h左右，用于1.4～1.5 m寬的三七育苗槽播種。其中，導氣管、左右端蓋、氣孔塞、滾筒隨半空心軸轉動；左右配氣盤固定于機架；氣孔塞固定于滾筒表面。

氣吸式三七精密排種器工作原理：采用負壓力充種，毛刷滾清種，正壓力投種。利用真空泵向負氣壓槽抽氣，提供負壓，利用空壓機向正氣壓槽提供正壓；導氣管與負壓力槽相連，導氣管和氣孔內的氣體與大氣壓之間形成負壓力差，多根導氣管由負壓力槽統一配氣，可以保證氣壓均勻性；種子在該負壓作用下，被吸附到滾筒壁面的氣孔塞上，并隨滾筒一起轉動；毛刷滾清理吸附在氣孔塞上的多余種子；種子隨滾筒繼續轉動；導氣管與正氣壓槽相連，氣孔產生正氣壓，在正氣壓和種子重力的作用下，種子脫離滾筒表面，完成一次排種，滾筒繼續轉動。

按照上述工作原理，氣吸式三七精密排種工作過程可劃分為5個階段，即充種階段、清種階段、攜種階段、投種階段和過渡階段，如圖2所示。其中，充種階段分為兩個過程：種子從靜止狀態被吸附至氣孔處的運動過程；種子被氣孔完全吸附隨滾筒運動的過程。

2 力學分析及主要部件設計

由于過渡階段不涉及種子運動，這里僅對充種階段、清種階段、攜種階段以及投種階段進行力學分析。

2.1 三七種子物理特性

三七播種前一般需要做包衣處理，包衣后三七種子直徑主要在4.99～7.21 mm之間，三軸平均尺寸分別為：長度6.20 mm、寬度5.82 mm、高度5.46 mm，千粒質量165.86 g，休止角22.4°。三七種子的球度Sp為93.55%，可將三七種子近似作為球體[14]。

2.2 力學分析

2.2.1充種階段

充種階段第1過程中，種子在氣孔附近，處于氣體流場中，假設種子為均勻球體，并且忽略種子的自身重力，種子將受到繞流阻力對種子產生的吸附力，此時只有吸附力改變種子的運動狀態[15]，種子的受力如圖3所示。

設種子負壓面所受壓力為p1，正壓面所受壓力為大氣壓力p0，那么推動種子移動的壓力為p0-p1。根據伯努利方程可得

(1)

其中

(2)

(3)

式中ρ——空氣密度，kg/m3

q——空氣流速，m/s

r——種子中心與氣孔距離，m

y——種子偏離氣孔中心的橫向距離，m

A——有效吸附面積，m2

k1——常數，隨Q增大而減小

k2——常數，取0.2

Q——空氣流量，m3/s

c——氣孔半徑，m

計算可得

(4)

式中a——種子半徑，m

F——種子受到的氣流場作用力，N

將其在受力平面上積分，得種子受力方程

(5)

由式(5)可知，種子受到氣流場中力F的作用，F與空氣流量Q成正比，與種子和氣孔間的距離r存在密切關系，該排種器種群直接接觸滾筒表面，不考慮距離r，可以通過增加氣孔的空氣流量增加充種吸附力。

充種階段第2過程中，種子被氣孔吸附并隨滾筒一起轉動脫離種群狀態[16]，其受力如圖4所示。

種子受力方程為

(6)

其中

(7)

式中Fa——充種第2過程氣孔對種子吸附力，N

Nz——運動種群對種子的壓力，N

fz——充種室內種群對種子摩擦力，N

Ng——滾筒對種子支持力,N

m——種子質量，kg

fr——滾筒對種子摩擦力，N

φg——滾筒與種子間滑動摩擦角，(°)

φz——休止角，(°)

α——氣流作用力與x軸夾角，(°)

β——Nz與x軸夾角，(°)

Rg——滾筒半徑，100～150 mm[17]

ω——角速度，rad/sG——種子重力，N

vg——滾筒表面線速度，m/s

由式(6)、(7)可得

(8)

由式(8)知，本過程氣孔對種子吸附力Fa與滾筒半徑Rg成反比，與轉速vg成正比。因此，滾筒轉速增加時，需相應增加吸附力。

2.2.2清種階段

清種階段，種子受到毛刷滾給予的外力，即與毛刷滾接觸的過程，需保證氣孔正中央處的種子不被毛刷滾清除。不計重力，種子的受力如圖5所示。

種子受力方程為

(9)

由式(9)得

Fb=(Ff-f)cotφ

(10)

式中Fb——清種階段氣孔對種子吸附力，N

FN——氣孔外沿對種子支持力,N

Ff——毛刷滾對種子摩擦力，N

f——滾筒對種子摩擦力,N

φ——FN與y軸夾角

由式(10)知，清種階段氣孔對種子吸附力Fb與角φ成反比。因此，可以通過增加氣孔外沿直徑的方法增加角φ，以減小該階段所需吸附力Fb。

2.2.3攜種階段

攜種階段，種子隨滾筒轉動，不計空氣阻力，種子的受力如圖6所示。

種子受力方程為

(11)

式中Fc——攜種階段氣孔對種子吸附力，N

fr0——攜種階段滾筒對種子摩擦力,N

φg——吸附角，(°)

計算可得

(12)

由式(12)知，該階段氣孔對種子吸附力Fc與滾筒半徑Rg成反比，與滾筒表面線速度vg成正比。

2.2.4投種階段

投種階段，氣孔處產生正壓力，種子受到正壓力和重力作用下落，種子受力如圖7所示。

種子運動分為兩個時間段：t1時間段內，種子離開滾筒，下落高度為h，此時種子受到正壓力、重力的作用；t2時間段內，種子下落高度為h′，此時種子僅受到重力作用。為方便分析，簡化受力過程，設t1為定值，且該時間段內種子受到正壓力F恒定不變，種子受到的空氣阻力不計。

對t1、t2時間段進行受力分析，得出方程組

(13)

(14)

對t1、t2時間段進行運動分析，得出方程組

(15)

(16)

由方程組(13)～(16)得

(17)

(18)

式中Fd——氣孔對種子正壓力，N

v′x——t1時間段種子水平方向分速度，m/s

δ——投種角，取60°

v′y——t1時間段種子豎直方向分速度，m/s

v″x——t2時間段種子水平方向分速度，m/s

v″y——t2時間段種子豎直方向分速度，m/s

由式(17)、(18)知，v″x、v″y均與滾筒表面線速度vg成正比，為了減小種子下落的接觸速度，滾筒表面線速度vg不宜過大；為了保證種子水平方向分速度v″x為正值，滾筒表面線速度vg不宜過小。

2.3 排種滾筒設計及氣孔分布

由于三七種子與大豆種子三軸尺寸接近，根據以上力學分析可知，種子圍繞滾筒的圓周運動中，種子質量越小所需吸附力越小，更有利于完成排種，三七種子質量(千粒質量165.86 g)小于大豆種子(千粒質量230.40 g)，因此，參考大豆排種器的設計標準，排種滾筒直徑一般為200～300 mm[18-19]，同時，考慮到三七育苗播種的密集性，滾筒直徑選取為300 mm。

滾筒表面氣孔分布包括徑向分布和軸向分布，其中軸向的氣孔間距與氣孔數量由三七育苗槽的寬度和行距決定，農藝上三七育苗槽的寬度一般在1.4～1.5 m之間，播種行距、株距為50 mm，因此，軸向氣孔數量設計為28個。徑向氣孔間弧長為[13]

Δl≥2Dmax

(19)

式中 Δl——兩氣孔間弧長，mm

Dmax——種子最大尺寸，mm

三七種子最大尺寸為7.21 mm，同時考慮滾筒材質的強度，選取徑向均勻分布15個氣孔，兩氣孔間的距離弧長Δl為62.8 mm。

研究表明排種器的轉速n為0.17～0.50 r/s時，排種效果較好[4]，轉速n求解方程組為[13]

(20)

式中i——播種機行走輪與滾筒傳動比

vj——播種機作業速度，m/s

lz——播種株距，mm

根據方程組(20)得

(21)

該排種器設計效率為0.1 hm2/h左右，用于1.4～1.5 m寬三七育苗槽播種，計算得n≈14.80 r/min，經換算0.17 r/s≤n≤0.50 r/s，滾筒直徑合理。

2.4 氣孔設計

根據清種階段的分析和三七種子包衣后的直徑主要集中在4.99～7.21 mm之間，三軸尺寸平均直徑為5.70 mm，因此添加直徑為6 mm、深度2 mm的圓柱型沉孔，增加氣孔外沿直徑。

氣孔內徑應滿足經驗公式[17]

Φ=(0.6～0.7)Dg

(22)

式中Φ——氣孔內孔直徑，mm

Dg——種子平均直徑，mm

根據三七種子包衣后的三軸尺寸平均直徑，氣孔直徑取整為3 mm。為了防止三七種子的包衣粉塵堵塞氣孔的通孔導程，擴大通孔導程直徑，確定為4 mm，導程長度由滾筒壁與導氣管相對位置確定，如圖8所示。

2.5 充種角設計

充種角大于種子的休止角才有利于充種，根據三七包衣種子的休止角為22.4°，兼顧增加三七種子的流動性，為便于加工取整數，選取ε=30°，如圖9所示。

2.6 毛刷滾設計

尼龍材質具有良好的機械性能，并且耐磨損、尺寸穩定性好、具有彈性和自潤滑性[20]，并且，材質具有彈性，可以產生彈性形變，為三軸尺寸各異的種子施加清種摩擦力，實現精準清種，所以，選用0.2 mm的尼龍材質。

毛刷滾安裝角應滿足經驗公式[3]

θ≥θ1-θ2

(23)

式中θ1——種子之間的滑動摩擦角，取5.7°～8°

θ2——毛刷滾與種子間滑動摩擦角，取26.5°～27.9°

綜上計算，選定θ=22.0°。清種高度Y應小于種子的最小直徑，根據包衣后三七種子直徑范圍，選定Y=3 mm，如圖9所示。

3 排種性能試驗

3.1 影響因素分析

本播種機行走輪與排種器滾筒之間的傳動比固定不變，播種機作業速度決定了排種滾筒轉速，作業速度越大，滾筒轉速越大，則使充種時間變短，影響充種性能，反之，則降低播種效率。因此，將播種機作業速度(簡稱“作業速度”)作為影響因素進行試驗分析[21]。

由充種階段、攜種階段力學分析可知，氣孔的吸附力取決于真空度，吸附力過大，氣孔將攜帶多余種子，反之，氣孔對種子的向心力不足，因此，真空度對排種器的充種、攜種性能均有影響。

由于充種室的充種角為確定值，種箱其余部分尺寸、形狀對充種性能的影響較小，不予考慮。種子質量影響種子內摩擦因數，從而影響種間作用力，種子質量增加，內摩擦因數增加，種子較難離散，種子質量減小，內摩擦因數過小，可能使氣孔吸附多粒種子，影響氣孔的充種性能[22]。

投種正壓力決定了種子離開滾筒瞬間受到的外力，由于包衣種子表面存在粘性，正壓力過小時，種子易粘粘在氣孔處，不能順利投種，反之，將使種子運動角度產生偏差。同時，可以清除排種器內部殘留的包衣粉塵，正壓力也影響滾筒內部積攢粉塵的厚度。

播種機作業速度、真空度、種子質量、投種正壓力對排種器各個工作階段均有不同程度的影響，其取值范圍的適宜性決定了排種器的性能，因此，選取氣吸式三七精密排種器性能的影響因素：播種機作業速度、真空度、種子總質量、投種正壓力進行試驗研究。

3.2 試驗條件

試驗選用包衣后的文山三七種子。將設計好的排種器試制后安裝在播種機上，采用高速攝像機獲得試驗數據，在云南農業大學校內的土槽上進行試驗，該土槽的寬度、土壤厚度與生產實際一致，如圖10所示。

3.3 評價指標的確定

一般試驗以排種性能作為排種器的性能指標[19]，臺架試驗以運轉輸送帶模擬機器前進，種子離開排種器落入輸送帶上，會產生滾動和彈跳，對排種性能有影響；樣機試驗中，樣機在土槽上作業，會出現種子觸土彈跳，導種管材質的彈性、傾斜角度、斷面形狀、長度及粗糙度等多種因素對排種性能均有影響[23-25]，因此，不采用臺架試驗。

本研究采用樣機試驗模擬作業過程，由于本文主要研究對象為排種器,因此,為了排除帶、導種管等干擾因素，以充種性能代替排種性能來衡量排種器的排種能力，即以每個氣孔成功吸取一顆三七種子并順利通過清種階段、攜種階段，脫離排種口，判定為一次合格的充種，用高速攝像機從投種口處獲取試驗數據，判斷排種器是否成功充種，并投種，若每個吸孔上吸取的種子數大于等于2，判定為重播，吸孔沒有吸取種子判定為漏播，用充種合格指數y1、重播指數y2及漏播指數y3為試驗評價指標。每組試驗重復5次取平均值。

3.4 單因素試驗

分析各因素對充種性能的影響規律，并獲得正交試驗的因素水平范圍。

3.4.1試驗設計與結果

隨機選取4列氣孔作為觀察對象，采用高速攝像機獲取圖像，借助phantom軟件進行圖像處理。

參考前期預試驗結果，選取播種機作業速度0.08、0.12、0.15、0.18、0.22 m/s共5個水平進行單因素試驗，設定真空度為11 kPa，種子質量為1.0 kg，正壓力為100 kPa，試驗結果如圖11a所示。

參考前期預試驗結果，選取真空度為7、9、11、13、15 kPa共5個水平進行單因素試驗，設定作業速度為0.15 m/s，種子質量為1.0 kg，正壓力為100 kPa，試驗結果如圖11b所示。

根據種子流動性較好的范圍，參考前期預試驗結果，選取種子質量為0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 kg共5個水平進行單因素試驗，設定作業速度為0.15 m/s，真空度為11 kPa，正壓力為100 kPa，試驗結果如圖11c所示。

根據空壓機提供正氣壓范圍，并參考前期預試驗結果，選取正壓力為0、100、200 kPa共3個水平進行單因素試驗，設定作業速度為0.15 m/s、真空度為11 kPa、種子質量為1.0 kg，試驗結果如圖11d所示。

3.4.2結果分析

由圖11a可知，真空度為11 kPa，種子質量為1.0 kg，正壓力為100 kPa時，隨著作業速度的增加，合格指數先升高后下降，漏播指數先升高，當作業速度為0.12～0.15 m/s時，漏播指數略微下降，當作業速度大于0.15 m/s后，漏播指數逐漸升高。作業速度處在0.15 m/s時合格指數最高，為94%。作業速度為0.22 m/s時合格指數為91%，漏播指數較高，原因是滾筒轉速變快，氣孔經過充種弧長的時間變短，充種成功率降低。合格指數均在90%以上，作業速度合理取值范圍為0.08～0.22 m/s。

由圖11b可知，作業速度為0.15 m/s，種子質量為1.0 kg，正壓力為100 kPa時，真空度由7 kPa上升至9 kPa，合格指數顯著上升，漏播指數下降；真空度繼續升高為11～15 kPa時，合格指數呈下降趨勢，重播指數上升，原因是真空度增加，氣孔吸附種子能力增強。合格指數均在85%以上，真空度合理取值范圍為7～15 kPa。

由圖11c可知，作業速度為0.15 m/s，真空度為11 kPa，正壓力為100 kPa時，隨著種子質量的增加，合格指數呈先上升后下降趨勢，種子質量在1.0 kg時合格指數最高，為95%，當種子質量為1.4 kg時，合格指數最低，重播指數最高，原因是種子質量增加，增加了充種弧長，氣孔吸附的種子數量增加。合格指數均在90%以上。種子質量合理取值范圍為0.6～1.4 kg。

由圖11d可知，作業速度為0.15 m/s、真空度為11 kPa、種子質量為1.0 kg時，隨著正壓力的變化合格指數均大于93%，合格指數、漏播指數、重播指數的變化均不足0.5%，正壓力在0～200 kPa范圍內時，其對于各指標的影響均非常小，可以忽略。

單因素試驗結果表明，作業速度、真空度、充種室內種子質量對充種性能有明顯影響。

3.5 二次正交旋轉組合試驗

開展三因素五水平的二次正交旋轉組合試驗，優選排種性能最佳的參數組合。

3.5.1試驗設計

本試驗的因變量為氣吸式三七精密排種器的充種合格指數、重播指數和漏播指數，自變量為播種機的作業速度、充種室內的種子質量、排種器滾筒的真空度。根據單因素試驗確定播種機作業速度為0.08～0.22 m/s，真空度為7.0～15.0 kPa，種子質量為0.6～1.4 kg。二次正交旋轉組合試驗的因素編碼如表1所示。

表1 排種器試驗因素編碼

試驗次數計算式為

Ns=mc+my+m0=2m′+2m′+m0

(24)

其中m′=3，m0=9，經計算Ns=23，共進行23次試驗。

3.5.2試驗結果與分析

將目標函數：合格指數、重播指數、漏播指數分別用Y1、Y2、Y3表示，影響因素：作業速度、真空度、種子質量編碼值分別用X1、X2、X3表示，試驗設計與結果如表2所示。

表2 試驗設計與試驗結果

應用Design-Expert 10.0軟件對數據進行多元回歸擬合。建立合格指數Y1、重播指數Y2、漏播指數Y3與播種機作業速度x1、真空度x2、充種室內種子的質量x3之間的回歸方程

(25)

(26)

(27)

表3 回歸方程方差分析

(28)

(29)

(30)

3.5.3各因素交互作用對排種器充種性能的影響

排種性能可以根據合格指數和重播指數進行評價[15]。借助Design-Expert 10.0軟件，生成合格指數和重播指數的響應曲面和等高線圖，如圖12、13 所示。

由圖12a、 13a可知，種子質量處于零水平(1.0 kg)，真空度一定時，隨著作業速度的增加，合格指數呈先上升后下降趨勢，重播指數呈下降趨勢；播種機作業速度一定時，隨著真空度增加，合格指數呈先上升后下降趨勢，重播指數呈上升趨勢；作業速度為0.15～0.19 m/s、真空度為7.0～10.0 kPa時合格指數較高，重播指數較低。

由圖12b、13b可知，真空度處于零水平(11.0 kPa)，種子質量一定時，隨著作業速度的增加，合格指數呈先上升后下降趨勢，重播指數呈下降趨勢；播種機作業速度0.08～0.15 m/s范圍內變化時，隨著種子質量增加，合格指數呈先上升后下降趨勢，重播指數呈下降趨勢，播種機作業速度0.15～0.22 m/s范圍內變化時，隨著種子質量增加，合格指數呈先上升后下降趨勢，重播指數呈上升趨勢；作業速度為0.15～0.19 m/s、種子質量為0.8～1.2 kg時合格指數較高，重播指數較低。

由圖12c、13c可知，作業速度處于零水平(0.15 m/s)，真空度在7.0～11.0 kPa范圍內變化時，隨著種子質量的增加，合格指數呈上升趨勢，重播指數呈下降趨勢；真空度在11.0～15.0 kPa范圍內變化時，隨著種子質量的增加，合格指數呈下降趨勢，重播指數呈上升趨勢；種子質量在0.6～0.8 kg范圍內變化時，隨著真空度的增加，合格指數呈先上升后下降趨勢，重播指數呈下降趨勢，種子質量在0.8～1.4 kg范圍內變化時，隨著真空度的增加，合格指數呈先下降趨勢，重播指數呈上升趨勢。真空度在7.0～11.0 kPa、種子質量在1.0～1.4 kg時合格指數較高、重播指數較低。

結合回歸方程(28)～(30)以及各因素交互作用可知，影響合格指數、重播指數的各因素主次順序為：充種室種子質量、真空度、播種機作業速度，影響漏播指數的主要因素為播種機作業速度。

3.5.4參數優化

為獲得試驗因素的最優組合，以播種機作業速度、真空度、充種室種子質量為自變量，以合格指數、重播指數、漏播指數為目標，根據上述響應曲面分析，結合3.5.2節中得到的回歸方程，建立數學模型

(31)

借助Design-Expert 10.0軟件的Optimization模塊求解，得到充種性能最佳參數組合為播種機作業速度0.18 m/s、真空度9.6 kPa、種子質量1.2 kg，此時合格指數Y1=95.0%，重播指數Y2=0.1%，漏播指數Y3=4.3%。

3.6 驗證試驗

為了驗證最佳參數組合，以包衣三七種子為試驗對象，用試制的播種機在云南農業大學校內的土槽上進行驗證。隨機選取4列氣孔作為觀察對象，采用高速攝像機獲取圖像，借助phantom軟件進行圖像處理，選取播種機作業速度為0.18 m/s、真空度9.6 kPa、種子質量1.2 kg，進行5次重復試驗，試驗現場如圖14所示。試驗結果如表4所示，合格指數為95.6%，重播指數為0.4%，漏播指數為4.0%，與上述優化結果基本一致，滿足三七育苗播種的生產需要。

表4 驗證試驗結果

4 結論

(1)設計并試制了氣吸式三七精密排種器，該排種器通過滾筒與配氣盤的正、負氣壓槽交替連通，實現負壓充種、正壓投種，滿足50 mm行、株距三七育苗精密播種，適用于1.4～1.5 m寬的三七育苗槽播種。

(2)分析了作業速度、真空度、充種室內種子質量、投種正壓力對排種器充種性能的影響，通過單因素試驗確定了各因素的合理變化范圍：作業速度為0.08～0.22 m/s，真空度為7～15 kPa，種子質量為0.6～1.4 kg。

(3)通過三因素五水平二次正交旋轉組合試驗，得到播種效果較好的最佳參數組合為：播種機作業速度0.18 m/s、真空度9.6 kPa、種子質量1.2 kg。通過土槽試驗對其進行了驗證，結果表明，最優參數組合下的合格指數為95.6%、重播指數為0.4%、漏播指數為4.0%，滿足農藝要求。