氣吸式玉米排種器吸附姿態對投種性能的影響分析

丁 力 楊 麗 張東興 崔 濤 張凱良 鐘翔君

(中國農業大學工學院， 北京 100083)

0 引言

播種環節對玉米產量具有重要影響。運用先進的機械化手段，可將種子按照精確的數量、精確的播深和精準的粒距投放至土壤中，為種子生根、發芽和生長提供良好的生長環境，可有效減少人工投入和避免種子浪費，從而降低了生產成本[1-5]。

排種器是播種機的“心臟”，其工作是將成群堆積的種子單粒進行有效分離和精準可靠的投送，最終落入種床[6-7]。機械式排種器大多利用種子重力進行填充充種，受機械結構限制，很難保證不同形狀和尺寸的種子定量充種，在規?；N植環境下速度較低，適應性較差[8]。氣力式排種器采用氣流輔助充種，避免了機械結構對種子的損傷，具有適應性強、可高速作業、精度高等優勢，在實際生產中得到了廣泛應用，氣吸式排種器已成為精量播種技術的研究熱點[9-11]。BARUT等[12]以玉米種子為例對排種器性能進行了試驗，研究表明，排種器轉速增加時充種率下降，但同時提高排種盤的真空度可使充種率增加。YAZGI等[13]通過對氣吸式排種器的充種過程進行試驗研究，優化了播種均勻性能。

為提高作業速度和降低風壓，國內學者進行了大量提高充填性能方面的研究，相關研究主要集中在吸孔形狀和輔助充種結構上[14-17]，很少涉及精準可靠投送的投種環節，對種子吸附投種機理的研究也較少。

計算機模擬技術為研究復雜系統運動過程提供了可能。氣吸式排種器內部既存在流場變化，又存在顆粒運動變化，同時兩者之間還有相互作用。采用離散元法研究種子的運動和種子之間的碰撞，采用計算流體力學研究氣流的流動狀態和軌跡，二者相結合能更好地模擬氣流與種子、種子與種子之間的相互作用關系，分析其運動過程，最終獲取需要的排種器作業參數[18-19]。

本文首先對投種過程進行動力學和運動學分析，探尋投種機理，然后采用DEM-CFD耦合的方式分析排種器實際投種過程，以期明確種子吸附姿態對投種性能的影響規律，并通過試驗驗證理論分析的正確性。

1 結構與工作原理

排種器結構如圖1所示。排種器工作時，進氣口通入負壓氣流，同時種盤在排種軸的帶動下順時針轉動，負壓氣流的吸附力使種子迅速朝吸孔運動，吸附在吸孔上的種子從種子堆中上升，隨種盤一起轉動；吸孔周邊多余吸附的種子被清種機構清除，吸附占據優勢的種子繼續轉動直至到達氣室末端，負壓氣流消失，種子在重力、離心力的作用下開始掉落，同時，位于種盤后盤面的卸種機構將進一步阻斷負壓氣流，保證均勻投種。

2 投種過程分析

投種過程是將種子單粒有序分離出排種器，高速投種情況下，種子運動速度較快，如何保證平穩連貫的投遞是確保排種質量的關鍵[20]。因此，需針對投種過程進行動力學和運動學分析，探尋投種機理[21-24]。圖2為投種區末端受力分析。

種子在攜種區的受力情況如圖2所示。為使種子不掉落，必須滿足

(1)

(2)

式中Q——離心力和種子之間產生的內摩擦阻力的合力，N

P——種子所受的吸附力，N

d——吸孔直徑，mm

t′——Q到型孔距離，mm

P0——型孔兩側壓差

由此可得種子被吸附需滿足的基本條件

(3)

由式(3)可以看出，隨著種子重心t′的增大，也就是說種子吸附姿態的變化，使種子被可靠吸附需要的型孔兩側壓差P0增大，種子重心距種盤越遠，會導致種子越容易掉落。因此，種子的吸附姿態至關重要。

對投種過程進行分析，種子在種盤和播種機帶動下的合運動如圖3所示。

假設種子在點O′1位置脫離種盤，此時種子的速度為v0，速度v0在坐標軸上投影分別為v0xi、v0yj，則

v0=v0xi+v0yj

(4)

實際上，播種機工作時，地面的不平整帶來的振動將直接傳遞到排種器上，且這種振動特性會隨著速度的增加而變得劇烈。因此，有必要考慮因路面不平引起的振動響應對投種過程的影響[25]。定義Z(t)為種盤中心因振動而發生的位移，即振幅，則有

(5)

由此可得

(6)

式中ω——角速度r——種盤半徑

vh——播種機前進速度

δ——投種與豎直方向夾角

定義種子脫落瞬間的初始條件為

(7)

當種子脫離種盤自由下落時，種子的運動由牛頓第二定律可知ma=mg，在xy坐標軸上的投影為

(8)

對式(8)積分兩次，可得

(9)

聯立式(6)～(8)，消去時間t，可得

(10)

(11)

式中Hh——種盤底端與地面距離，m

聯立式(11)，求方程通解可得

(12)

將式(6)代入式(12)，可得

(13)

當下落的種子接觸到地面，投種過程結束，聯立式(12)，可得種子下落的時間間隔為

(14)

播種機工作時因路面不平引起振動，會改變y方向的速度和位移，進而影響投種間距和間隔時間，隨著振動幅度的加大，這種影響會進一步加劇。由文獻[26-27]田間試驗振動測量可知，播種機在6～12 km/h定速作業工況下激振頻率為3～10 Hz，最大幅值為0.68g2/Hz，田間作業幅值為12 mm，振動速度0.24 m/s。

取排種器最高作業速度14 km/h，相關參數代入式(13)中，考慮振動條件下種子下落水平距離的參數方程為

(15)

由以上各式可知，投種在水平方向上的距離與種盤半徑、轉速、振動幅度和頻率、投種高度、角度有關。因此，為保障平穩有序地投種，應合理設計投種位置來提高投種環節質量。

3 投種性能仿真

3.1 仿真模型建立

氣吸式排種器工作時，種子依靠型孔內部的負壓將種子吸附，然后在種盤的旋轉運動下，種子被帶動，進而完成充種、投種等一系列運動過程。在這個過程中，種盤是運動部件，其余部件均靜止，傳統的Fluent在計算兩個區域有相對運動時，簡單的參考坐標系轉換方法不能完全適用，需采用滑移網格(Sliding mesh)計算方法[28]。其中滑移網格需要設定交界面(interface)連接動區域和靜區域，當兩區域旋轉運動時，交界面總有一部分相連接，相對位置發生變化時，Fluent會重新計算相應的區域，這樣就可以解決排種器種盤轉動帶來的動、靜兩區域流場數據交換問題。

3.1.1EDEM仿真模型

為簡化計算過程，減少不必要的計算量，將排種器簡化為前殼體、后殼體、種盤、清種鋸齒4部分，在SolidWorks中建立模型保存為step格式導入EDEM中。創建顆粒工廠時應確保顆粒生成盡可能散開，避免堆積在一起，以防止替換時因為顆粒間的重疊造成坐標計算不準確，整個過程如圖4所示。

3.1.2CFD仿真模型

流體區域網格劃分采用滑移網格法，通過該方法將型孔結構劃分為動區域和靜區域兩個區域，在SolidWorks中建立流場三維模型，保存成step格式導入ICEM-CFD中劃分結構化網格，如圖5所示。

在ICEM-CFD中利用Edit Mesh的Display Mesh Quality檢查網格質量，得出網格總數為181 296個，在Histogram of Quality values中顯示出網格均大于0.3范圍，其中與顆粒相接觸的型孔處和種子腔室網格尺寸均大于氣室部位網格，滿足耦合仿真要求。

3.2 EDEM-CFD耦合仿真流程

啟動Fluent，導入mesh網格文件，設置單位為毫米，連接交界面(interface)，采用非定常求解，選取k-epsilon湍流模型、standard模型，設置速度、方向和區域，定義邊界條件，設置風壓和壁面，進行保存。

打開EDEM界面，顆粒替換完成后先保存成0 s input文件，然后打開保存的input文件，設置相關參數如表1所示。為保證仿真真實性，同時節約仿真時間，經過多次嘗試，選取160粒種子作為顆粒工廠生成的顆粒數，其中大扁形85粒、小扁形35粒、類圓形40粒。在EDEM中設置時間步長為1×10-5s，

表1 模擬所需物理和力學特性參數

Fluent中時間步長應為EDEM時間步長的50～100倍，選取0.000 5 s作為Fluent中時間步長；設置Fluent步數為10 000步，即仿真時間為5 s，設置最大迭代次數為80，每0.01 s保存一次數據。

點擊EDEM中Coupling Server按鈕，使EDEM處于待耦合狀態，接下來在Fluent用戶自定義的函數(Functions)中選擇Manage并導入UDF，Model欄會增加EDEM Coupling(Not Connected)，點選后，選擇Connect，括號中內容會變成Conneted，此時Fluent與EDEM耦合已經建立，單擊Calculate開始計算，整體計算過程大概需要3 d。仿真過程與真實試驗過程對比如圖6所示。

初次仿真試驗，采用角速度3.1 rad/s，風壓-3 kPa。從圖中可以看出，仿真顆粒在充種區的堆積量小于真實試驗情況。這是由于仿真采用的是玉米粘結顆粒，它是由眾多小顆粒堆積而成，每個顆粒都是一個計算單元，這樣龐大的顆粒群在每個時間步長下都在進行數據交換，計算量巨大，因此仿真顆粒數量小于真實試驗情況。從顆粒的運動情況可以看出，仿真模擬與真實試驗情形較為接近，在充種區都有較多種子被吸附，清種區能夠清除大多多余吸附種子，到達攜種區時，每個型孔基本都具有單粒吸附性，種群的流動狀況和吸附狀態都與真實情況一致，證明了仿真模擬的真實性。

3.3 投種性能仿真分析

通過上述分析可知，為保證排種均勻性，氣吸式排種器投種時應保證負壓氣流在同一位置和同一時刻被完全阻斷，在這個階段，前后兩粒種子掉落的時間間隔和位置直接影響播種均勻性。玉米籽粒中大扁形種子所占比例較高，其次為類圓形和小扁形，類圓形形態近似圓形，吸附最為容易，小扁形在玉米種子中所占比例較少。所占比例較高的大扁形種子因為形狀尺寸相對不規則，長寬厚變化較大，更容易受到吸附姿態的影響，應觀察吸附姿態和氣流阻斷情況。

3.3.1工作參數對種子吸附姿態的影響

在投種性能仿真中，因為玉米籽粒中大扁形種子所占比例較高，并且大扁形種子的長寬厚變化較大，更容易受到吸附姿態的影響。對大扁形種子被吸附的姿態定義為3種：側躺、豎直和平躺，仿真時，提取并標記已被穩定吸附的大扁形種子3種姿態，分別統計不同姿態的數量，仿真過程如圖7所示。

選取影響播種質量的主要因素：排種盤角速度和風壓，分析不同參數對吸附姿態的影響。試驗因素水平如表2所示。不同角速度和風壓對種子吸附姿態的影響曲線如圖8所示。

表2 單因素水平

從圖8可以看出，隨著排種盤角速度的增加，不同姿態的大扁形種子呈現出不同的變化趨勢，其中平躺姿態為主要吸附姿態，不同角速度下其比例的平均值為80.5%，其次為側躺姿態，比例為12%，豎直姿態在各個轉速下所占比例較低，平均值為7.5%；平躺姿態下大扁形種子的比例在一定轉速范圍內隨排種盤角速度的增加而升高，當排種盤角速度為3.1 rad/s時，所占比例最高，為89%；當超過3.1 rad/s時，平躺種子的比例開始降低，到4.1 rad/s時所占比例最低，為72%。側躺姿態下的大扁形種子所占的比例隨著排種盤角速度的升高有小幅度上升，然后迅速下降到達最低5%，隨后又開始急劇升高，當角速度為4.1 rad/s時，所占比例為18%。豎直姿態的大扁形種子所占比例隨著角速度的升高先降低后升高，最高為10%。在6種不同風壓下，平躺姿態為大扁形種子主要的吸附姿態，所占比例均值為81.8%，其次為側躺姿態，其均值為10%，豎直姿態所占比例最低，為8.2%。平躺姿態的種子隨著負壓的增大，比例先增加后降低，在風壓為-3.5 kPa時，所占比例最高，達到85%，風壓為-5 kPa時，所占比例最低，為74%；側躺姿態的種子比例變化不明顯，豎直姿態的種子在風壓為-3.5 kPa時比例最低，為5%，隨后隨著負壓的增大，比例迅速上升，在-5 kPa時比例最高，為15%。

3.3.2種子吸附姿態對排種性能的影響

吸附姿態會影響投種一致性，理想的吸附姿態為平躺姿態，這樣種子可以按照既定的路徑有序地下落。但實際工作中，種子受外界因素的干擾很難保證平躺狀態下被吸附，為更好地優化設計排種器，探究不同吸附姿態種子對排種性能的影響顯得尤為重要。

綜合考慮排種盤角速度、真空度及種子吸附姿態對排種性能的影響，選取排種盤角速度3.6 rad/s、風壓-3.5 kPa和大扁形種子進行仿真試驗。由于仿真試驗可以采用直接觀測的方式進行統計，進而計算出合格指數、重播指數和漏播指數，統計數據過程如表3所示。由于DEM-CFD仿真過程計算量巨大，十分耗時，因此，選取100個型孔中的大扁形玉米籽粒進行統計，仿真試驗重復5次。其仿真過程如圖9所示，仿真結果如表4所示。

表3 攜種區仿真統計過程

表4 3種吸附姿態種子比例及排種性能

從表4中可知，平躺種子比例越高，合格指數越高，說明提高合格指數需增加平躺種子比例；側躺種子比例的增多會對重播產生影響，隨著側躺種子比例的增加，重播指數也在增大，這是因為種子厚度較小，側躺種子不足以完全覆蓋種盤型孔，會導致裸露的型孔再次吸附種子，引發重吸現象；豎直種子比例的增大會對漏播產生影響，增加了漏播的可能，這是因為種子被豎直吸附，種子的重心離種盤較遠，增大了力臂，造成吸種不穩定，容易發生掉落，并且種子豎直吸附，迎流面積較小，受到的吸附力也較小，在其他種子的碰撞沖擊和流場壓強不穩狀態下增加了掉落的可能性。綜上分析，合格指數與平躺種子數量的變化趨勢相同，而重播指數、漏播指數與平躺種子數量的變化相反，側躺、豎直姿態種子的數量共同影響重播指數、漏播指數。

為進一步分析原因，通過觀察仿真回放視頻，將種子投種時機分為3種：提早投種、正常投種和延時投種。提早投種是指吸附的種子還未達到設計的投種區域，真空氣室負壓還未完全阻斷，提前脫離型孔，角度范圍為與水平位置夾角0°～15°；正常投種是指種子達到投種點，負壓被阻斷后及時脫離型孔，角度范圍為與水平位置夾角15°～30°；延時投種是指種子達到投種指定區域，負壓已被阻斷，但是種子未立即投種，角度范圍為與水平位置夾角30°～60°。具體區域劃分如圖10所示。

統計3種吸附姿態下各種投種方式出現的次數，種子吸附姿態比例與投種方式關系見圖11。

由圖11可直觀地分析出：提早投種狀態下種子的主要姿態為豎直和側躺，其中豎直姿態所占比例最高，平躺姿態種子所占比例最低；正常投種狀態下，平躺種子比例占據絕對優勢，比例高達83%，其次為側躺和豎直姿態種子，其中豎直姿態種子比例最低；延時投種狀態下，側躺種子所占比例較高，豎直姿態種子比例較低。上述觀察統計與種子吸附力動力學分析結果相一致，平躺種子吸附最為穩定，基本保證正常投種，實際工作中，路面不平、機器振動、風機轉速不恒定等因素會導致提前投種。豎直姿態種子吸附不穩定，有一定比例的提前投種。側躺的種子易與型孔凸臺產生碰撞，被吸附后投種困難。由圖11可知，投種方式以正常投種為主，提早投種次之，延時投種最少。

為分析不同投種方式對排種性能的影響，記錄3次試驗中提早投種、正常投種、延時投種的次數。漏吸記作正常投種；吸附n粒種子時，按最后掉落種子的投種方式。投種方式比例及排種性能見表5。

表5 投種方式比例及排種性能

由表5可直觀地分析出：合格指數與正常投種比例變化的趨勢相一致，與提早投種、延時投種的變化趨勢相反。重播指數、漏播指數與正常投種的變化趨勢相反，與提早投種、延時投種變化趨勢相同。由此可得，增加正常投種種子所占的比例，減少提早投種和延時投種比例可有效提高合格指數，吸附姿態的不同影響投種時機，進而影響排種質量。

綜合以上分析可知，風壓和排種盤角速度的變化會影響種子的吸附姿態，而種子的吸附姿態將直接影響投種均勻性，進而影響播種質量。為確保投種穩定均勻，應通過具體試驗，尋找風壓與排種盤角速度合理的匹配關系，增大大扁形種子平躺姿態的比例，以達到提高播種質量的目的。

4 臺架試驗

臺架試驗主要利用實驗室設備模擬排種器的工況，得到相關參數指導田間試驗。本研究的室內臺架試驗應用中國農業大學自主研發的排種性能檢測儀[29-30]。該檢測儀采用可視化屏幕操作，采用光電傳感器檢測下落的種子，實時得出排種性能指標，操作簡單、方便快捷。本研究采用該排種性能檢測儀采集數據，風壓測量選用RE-1211型風壓計，檢測儀器如圖12所示。

基于此，本試驗主體為輔助充種氣吸式排種器，排種器后殼體采用鋁合金6061，公差為100 μm或0.1%。通過五軸機床加工而成。為了便于觀察，采用透明光敏樹脂3D打印而成，其余部件采用8000樹脂材質打印。試驗所用排種器如圖13所示。

4.1 速度單因素試驗

在作業速度6～14 km/h范圍內均勻選取5個水平進行測試，作業風壓設定為-4 kPa。根據GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，每組試驗采集251粒種子進行統計，每組重復3次，以重播指數、漏播指數、合格指數為排種性能評價指標，設置理論株距為25 cm。

單因素試驗結果如表6所示。通過觀察，排種器在作業速度6～14 km/h范圍內，合格指數均不低

表6 速度單因素試驗結果

于94.4%，漏播指數均不高于2.3%，重播指數均不高于5.3%。

隨著作業速度的增加，合格指數先迅速升高，到達最高點后急劇下降，其中作業速度6 km/h時，合格指數最低，為94.4%，10 km/h時，合格指數升至最高為97.8%；隨著作業速度的提高，漏播指數逐漸升高，速度為6 km/h時，漏播指數最低，為0.3%，14 km/h時，漏播指數達到2.3%的最高點；重播指數整體隨著速度的增加呈下降趨勢后緩慢上升。合格指數是評判排種性能最為重要的指標，從表6可以明顯看出，在作業速度8～12 km/h時，排種器合格指數都能穩定在一個較高的水平上，說明排種器在-4 kPa風壓下有一個較為寬闊的作業速度區間，最優作業速度范圍為8～12 km/h。

對單因素試驗指標進行方差分析，結果如表7所示。在風壓為-4 kPa時，作業速度對合格指數、漏播指數的影響高度顯著，說明速度對排種性能的影響較大。

表7 作業速度單因素試驗方差分析

4.2 風壓單因素試驗

為確定排種器工作風壓范圍，控制排種器作業速度為12 km/h，風壓在-4.5～-2.5 kPa間平均取5個梯度進行試驗，風壓計連接至進氣口，可實時讀取風壓數據。每次試驗測量251粒種子，重復4次進行統計。試驗結果如表8所示。

表8 風壓單因素試驗結果

從表8中可以看出，除風壓-2.5 kPa時，漏播指數低于國標，其余風壓下合格指數均不低于93.4%，漏播指數均不高于4.5%，重播指數均不大于3.1%。

隨著風壓的增大，合格指數上升，風壓到-3.5 kPa時，合格指數上升趨勢趨于平緩，隨后在風壓為-4.5 kPa時，合格指數有小幅度下降，其中合格指數最高為96.9%；隨著負壓的不斷增大，漏播指數逐漸降低，風壓-4.5～-3.5 kPa區間，漏播指數可以維持在一個較為穩定較優水平區間；重播指數隨著風壓的變化不斷波動，其中在風壓-2.5、-4.5 kPa時，重播指數較高，這是因為種子在投種區投種時，由于風壓較低，不同種子的投種位置差異較大，種子有的提早有的延后下落，會造成在投種管中種子之間的碰撞，導致一個投種點有多粒種子的情形，而風壓較高時，型孔可吸附多粒種子，造成重播。

對風壓單因素試驗進行方差分析，如表9所示，得出在工作速度12 km/h下，風壓對合格指數和漏播指數有顯著影響，對重播指數影響不顯著。

表9 風壓單因素試驗方差分析

選取大扁形種子，采用高速攝像慢速回放，如圖14所示。統計大扁形種子各種姿態所占比例，輸出試驗結果如圖15所示。

通過與仿真試驗結果相對比，考慮到仿真是理想狀態，沒有工作時振動干擾，數據結果較接近，證明了仿真的真實性。由圖15得出，角速度3.1 rad/s、風壓-3 kPa和角速度3.6 rad/s、風壓-3.5 kPa的平躺姿態種子最多。

5 結論

(1)通過對攜種區末端進行受力分析得出，種子吸附姿態的變化會直接影響吸附穩定性；分析了投種過程，構建了投種過程數學模型，發現投種在水平方向上的距離與種盤半徑、轉速、振動幅度和頻率、投種高度、角度有關。

(2)分析了影響投種性能的關鍵因素——種子吸附姿態，發現不同排種盤角速度下大扁形種子平躺姿態為主要吸附姿態，且隨著轉速升高，平躺姿態比例在1.6～3.6 rad/s范圍內逐漸升高。研究了種子吸附姿態對排種性能的影響，結果表明，平躺種子比例越高，合格指數越高；側躺種子比例增加，重播指數增大；豎直種子比例增大會對漏播產生影響。通過對投種區域的分析可知，增加正常投種種子所占的比例、減少提早投種和延時投種比例可有效提高合格指數，吸附姿態不同影響投種時機，進而影響排種質量，與水平位置夾角15°～30°區域投種效果最好。

(3)速度單因素試驗表明，作業速度變化對排種合格指數、漏播指數的影響均高度顯著，排種器作業速度在6～14 km/h范圍內，合格指數均不低于94.4%，漏播指數均不高于2.3%，重播指數均不高于5.3%。風壓單因素試驗表明，風壓對合格指數和漏播指數有顯著性影響，對重播指數影響不顯著，風壓在-4.5～-3 kPa區間內，合格指數不低于93.4%，漏播指數不高于4.5%，重播指數不大于3.1%。通過高速攝像慢速回放，得到種子姿態變化情況與仿真結果相一致，驗證了仿真模擬的準確性。