單盤多行獨立氣道式蔬菜精量排種器設計與試驗*

李曉冉，張銀平，刁培松，趙殿報，王振偉

(1. 山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東淄博，255049；2. 農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

我國蔬菜種植面積和產量居世界首位，種植方式分為育苗移栽和種子直播兩種形式[1]，其中果菜類蔬菜主要采用育苗移栽的方式，而種植密度大、行距小的葉菜類蔬菜主要采用種子直播的方式。蔬菜種子小而輕且形狀不規則，如何實現精量排種仍是技術瓶頸。

排種器是實現小粒蔬菜種子精量排種的核心部件[2]，氣力式排種器對種子形狀適應性好、損傷小，且排種精度和均勻性好[3-5]，在蔬菜領域的研究應用較多[6-8]。李明等[9]研制了氣力集排式油菜精量排種器，主要應用于牽引式油菜直播機，對風壓的要求比較高；張開興等[10]設計了變粒徑雙圓盤氣吸式蔬菜精量排種器，可實現不同粒徑種子精量排種，但對較輕的蔬菜種子靠種子自重落種易產生粘盤現象；叢錦玲等[11]設計了正負氣壓組合式排種器，依靠負壓充種，在落種處增加正壓，將種子吹落，解決了種子粘盤問題；顏秋艷等[12]研制了氣力式一器雙行排種器，可實現兩行播種，但兩個排種盤共用一個氣室，行距適應性較差，氣壓要求較高。

上述研究在排種器結構和型式上都有所創新，但無論是單行還是多行排種器，氣室體積均較大，吸種氣壓要求均較高，本研究針對現有單盤多行蔬菜精量排種器存在氣壓損失大的問題，設計了單盤多行獨立氣道式蔬菜精量排種器，創新設計氣道盤結構，僅在與吸種孔相對應的區域內通有正負壓，通過單因素試驗和正交組合試驗對排種器性能進行了試驗研究，確定了排種器性能較優時各影響因素取值范圍和較優參數組合，并進行了試驗驗證。

1 總體結構與工作過程

單盤多行獨立氣道式排種器的結構如圖1所示，主要由種箱、排種殼、攪種裝置、動力盤、排種盤、氣道盤、清種裝置等部分組成。

圖1 單盤多行獨立氣道式排種器結構示意圖

工作時，風機通過風管與排種器外殼上的正壓、負壓風口相連接，通過獨立的氣道給排種盤不同行提供穩定的正負壓強，種箱內的種子在充種區經過高速攪種裝置攪拌并在負壓的作用下被緊緊吸附在排種盤上隨排種盤轉動，轉動到清種區由清種裝置刮去多余的種子，繼續旋轉經導種條進入卸種區。種子到達卸種區后在重力、離心力和正壓力的作用下，落入下方的分種器，實現多行播種作業。

2 關鍵部件設計

2.1 排種盤設計

1) 排種盤直徑。排種盤是實現一器多行作業模式的關鍵部件，其直徑決定了排種器體積、吸孔數量等結構參數。排種盤直徑過大，會造成排種器體積較大，同時工作所需負壓值也相應增大；直徑過小，不能保證一個排種盤可播多行的作業要求。綜合考慮播種速度、排種器質量及外形尺寸等因素，選取排種盤(圖2)直徑為235 mm，每圈吸種孔中心線之間間隔15 mm，最外圈吸種孔與排種盤邊緣間隔10 mm。

圖2 排種盤結構示意圖

2) 吸種孔數量。充種性能是體現排種器性能的重要指標，一般情況下，充種性能與充種時間成正比。當確定作業速度和株距時，增加排種盤吸孔數量，可降低排種盤線速度，從而延長吸種過程中負壓的作用時間，但隨著吸孔數量的增多，吸種負壓值也相應增加[13]，因此要根據具體情況合理選擇吸種孔數量。吸種孔數量與作業速度和株距的關系為

(1)

式中：N——吸種孔數量；

v——播種機作業速度，m/s；

L——播種株距，m；

n——排種盤轉速，r/min；

ε——地輪滑移率。

取播種機作業速度v=0.9 m/s，根據蔬菜種植農藝要求，株距范圍為0.02～0.1 m，取L=0.02 m，取排種盤轉速n=30 r/min，地輪滑移率ε=6.5%，從而確定排種盤每圈吸孔數量N=96。

3) 吸種孔直徑。吸種孔直徑是影響吸種負壓的重要因素，吸種孔直徑增大，吸種所需負壓減小，吸種孔直徑過大，容易產生重吸現象甚至將種子吸入負壓氣室內，因此吸孔直徑d要根據所播種子大小確定，即d=(0.64～0.66)b，b為種子的平均寬度。

以球型度較好的油菜、香菜種子為例，其平均粒徑分別為1.6 mm、1.9 mm，故可以確定吸種孔直徑為1 mm、1.2 mm。蔬菜種子類型多樣，因此可根據具體蔬菜種子確定吸種孔直徑，設計適用于不同蔬菜種子的系列排種盤。

2.2 氣道盤結構設計

氣道盤是排種器的核心創新結構，是實現氣室布局的關鍵部件。現有的正負氣壓組合式排種器以整個排種器腔體為氣室，在整個排種器內部通有正負壓，僅靠分離隔板實現正壓和負壓的分離[13]，較難保證氣流場的封閉性，需要較高的氣壓才能保證吸種穩定性。

本文設計的氣道盤將正負壓氣流場分布于氣道盤正反兩面，既可以實現正、負壓的分離，又保證了3條負壓氣道和正壓流場的獨立封閉性，僅在與3圈吸種孔對應的相應區域內通有負壓、僅在落種處的3個孔內通有正壓，減少了能量損失，結構如圖3所示。

圖3 氣道盤結構示意圖

氣道盤正面開有3道環型凹槽，正面與排種盤緊貼，形成封閉的負壓氣室，負壓僅與環形凹槽相通，用于將種子吸附在排種盤上，3道凹槽分別對應排種盤的3圈吸種孔，減少了風壓的損失，提高了風壓的有效利用率。環形凹槽中心線之間的距離與排種盤上3圈吸種孔中心線距離一致為15 mm，凹槽寬度為10 mm，深度為5 mm。氣道盤背面開有正壓凹槽和3個正壓通氣孔，與排種器外殼內壁緊貼，形成正壓氣室并通有正壓，用于在落種處吹掉種子和除雜，為了降低所需正壓，盡量減小正壓氣室體積，設計正壓凹槽厚度為2 mm，正壓通氣孔直徑為3 mm。氣道盤直徑與排種盤直徑一致為235 mm，總厚度為10 mm。正、負壓氣流路線圖如圖4所示，深色為負壓，淺色為正壓。

圖4 氣流路線圖

將設計的獨立氣道負壓氣室與傳統氣室結構進行簡化如圖5所示，由排種器的氣室結構可以算出負壓氣室體積

(a) 傳統氣室

(2)

式中：α——氣壓區對應的圓心角，(°)；

R1——氣室外筒內半徑，mm；

R2——氣室內筒外半徑，mm；

h——氣室厚度，mm。

環形負壓區的圓心角設計為260°，計算可得傳統負壓氣室體積V1=3.08×10-4m3，獨立負壓氣室體積V2=7.59×10-5m3，獨立氣室的氣室體積不到傳統氣室體積的1/3。

在流量一定的情況下，氣室內壓強與體積的關系由克拉伯龍方程可得

pV=n′RT

(3)

式中：p——氣體壓強，Pa；

R——氣體常數；

T——氣體溫度，K；

n′——氣體物質的量，mol。

因此理想條件下，傳統氣室壓強p1與獨立氣道氣室壓強p2的關系為

(4)

氣道盤的存在減少了壓力損失，降低了能耗，在相同氣流條件下，有效吸種壓力更大，排種器的合格率更高。

2.3 攪種裝置設計

攪種裝置是增加種子流動性的重要部件。種子的流動性對吸種環節影響顯著，種子流動性差，即使吸種負壓增大，仍容易產生漏吸現象。現有排種器的攪種裝置大多在排種盤上設計攪種撥片或攪種棒，隨排種盤轉動起到擾動種子的作用，擾動轉速一般與排種盤轉速一致，攪種效果和區域有限，攪種部件材質一般與排種盤一致，容易傷種[14]。

本文設計的高速攪種裝置由大圓錐齒輪、小圓錐齒輪、攪種軸和攪拌棒組成，其結構如圖6所示。攪種軸安裝在種箱底部，攪種棒在攪種軸上十字排列，大圓錐齒輪隨排種盤一起轉動，通過錐齒輪嚙合帶動小齒輪和攪種棒轉動，大小錐齒輪的傳動比為3∶1，大圓錐齒輪與排種盤轉速一致，小圓錐齒輪轉速即攪種速度得到了提高。攪種棒貫穿整個種箱底部，攪種區域變大，可以對整個充種區種子起到擾動梳理作用。攪種裝置材質采用耐磨尼龍材質，屬于柔性材質，減小對種子的損傷。高速攪種裝置的存在，對充種區種子起到擾動、梳理的作用，增加了種子的流動性，提高了排種器充種率。

圖6 攪種裝置結構示意圖

2.4 動力盤設計

動力盤是排種盤和攪種裝置的動力部件，現有排種器的排種盤大多由排種軸帶動，一方面不易形成獨立封閉的氣室，影響排種效果，另一方面不易更換排種盤，作業模式和品種適應性較差。

為了形成獨立封閉的正負壓氣室，且方便拆卸和更換排種盤，設計由動力盤帶動排種盤轉動，動力盤結構如圖7所示。動力盤與氣道盤和排種盤同軸安裝，氣道盤固定不動，動力盤外圓與氣道盤內圓緊密結合，保證正壓流場的獨立密封性。排種盤表面與動力盤和氣道盤表面緊密貼合，保證負壓流場的獨立密封性。同時動力盤上設計3個立柱與排種盤上的3個缺口相配合，帶動排種盤轉動，在動力盤內部嵌入磁鐵柱，用于吸附排種盤防止漏氣。

圖7 動力盤結構示意圖

2.5 清種器設計

清種器是降低重播率的必要部件。現有排種器的清種裝置僅可以實現刮種角度間斷調節，由于蔬菜種子形狀多樣，間斷調節刮種角度不能夠滿足蔬菜播種作業，因此設計連續可調式清種裝置，結構如圖8所示，主要包括清種調節盤、清種調節尺及清種器。

(a) 清種裝置模型

清種調節盤與清種調節尺固定在排種器外殼上，清種調節盤外邊緣設計為偏心螺線，最小直徑為55 mm，最大直徑為70 mm。清種器一端固定、另一端與清種調節盤相切并可以沿清種調節盤邊緣滑動從而實現角度調節，角度調節范圍為12°。清種部分采用鋸齒狀，為了不傷種，選用耐磨尼龍材質，結構如圖8(c)所示。

本文所設計的清種裝置可以連續調整不同蔬菜種子的刮種角度，有效降低重播率。

3 排種性能試驗

3.1 試驗條件與材料

為探究影響排種器性能的各因素影響規律，在山東理工大學排種性能實驗室進行了排種性能試驗，試驗在JPS-12型排種器性能試驗臺上進行，如圖9所示。

圖9 JPS-12型排種器性能試驗臺

試驗選擇油菜種子為試驗材料，并對其機械物理特性進行試驗研究，數據如表1所示。

表1 試驗種子機械物理特性

3.2 單因素試驗設計與分析

3.2.1 吸種環節單因素試驗

經理論分析可知排種盤轉速、負壓值對吸種環節的影響較大[14]，為確定兩因素對內、中、外3圈吸種孔吸種性能的影響規律及差異，分別以3圈吸種孔處單粒吸種率、漏吸率、重吸率為評價指標，選用油菜種子和1 mm孔徑排種盤進行排種盤轉速和負壓單因素試驗。試驗過程中，用高速攝像頭拍攝記錄排種器工作過程中種子的吸附狀況，在排種盤上做標記，以圈為單位統計數據，每次試驗取10組數據，求平均值進行記錄。

1) 負壓值：負壓值過小會造成種子吸附不上，負壓值過大容易產生一孔多種的現象[15-17]，負壓值越大所需能耗越大，因此在滿足穩定吸附的條件下應盡量降低能耗[10]。經預試驗發現，油菜種子在-200 Pa時既能被吸附，因此負壓單因素試驗從-200 Pa開始，以400 Pa間隔遞增7次，進行該試驗時排種盤轉速保持在10 r/min。試驗結果如圖10所示，在負壓值低于1 kPa 時，排種盤在轉速較低的情況下，依然不能穩定吸種，漏吸現象嚴重，當負壓值大于2.2 kPa時，重吸現象急劇增加，在1～2 kPa范圍內，單粒吸種率較高，維持在95%以上。

(a) 漏吸率

2) 排種盤轉速：進行轉速單因素試驗時選擇在負壓試驗中效果較好的-2 kPa條件下進行。從10 r/min開始，以5 r/min間隔遞增7次。試驗結果如圖11所示，當轉速低于20 r/min時，由于排種盤轉速較低，型孔與種子作用時間較長[18]，造成重吸現象嚴重，隨著轉速的增加重吸現象逐漸減少趨于穩定。漏吸率隨著轉速的增加呈現階段線性增長。在20 r/min附近單粒吸種率達到峰值，在95%以上。

(a) 漏吸率

3) 3圈吸種孔排種性能差異：由圖10、圖11觀察可知，負壓和轉速對內中外3圈排種性能影響趨勢大致相同，區別在于外圈的單粒率和重吸率略低于內圈，外圈漏吸率略高于內圈。這是因為相同條件下，吸種孔處線速度由內到外依次增大，相應的所受離心力也依次增大，但3圈吸種孔附近壓力趨于恒定，從而造成外圈漏吸率較大，重吸率較小，單粒率較小，排種性能由內到外略有減弱。

3.2.2 落種環節正壓單因素試驗

正壓主要影響落種環節。正壓值過小，生菜、油麥菜等披針狀種子無法控制其吸種形態，若針尖部分吸入型孔強制落種容易產生堵塞現象；正壓過大種子在落種過程中與排種器壁碰撞損傷種子且影響落種軌跡；因此正壓是保障排種均勻性的關鍵因素。

對于正壓的研究，需要通過試驗在理論范圍內找到種子主動落種率達到90%以上的最低正壓。選擇油菜種子和1 mm孔徑排種盤在落種環節進行正壓單因素試驗。試驗過程中，以主動落種率作為評價指標，設置排種盤轉速為15 r/min、負壓值為1.5 kPa，用高速攝像頭拍攝排種器落種區域，記錄工作過程中種子的落種情況，在排種盤上做標記，以圈為單位統計數據，每次試驗取10組數據，求平均值進行記錄，結果如表2所示。當正壓達到150 Pa時，主動落種率就可以達到90%以上，正壓力越大，主動落種率越高，但當正壓力達到300 Pa以上時，種子出現與排種器內壁碰撞的現象。因此正壓在150～250 Pa范圍內效果最好。

表2 正壓單因素試驗結果

3.3 二次回歸正交旋轉組合試驗

3.3.1 試驗設計

經單因素試驗研究分析，在外圈種子性能指標較好時，內圈種子亦可達到要求，因此選擇排種器性能較好時的負壓值、排種盤轉速、正壓值，以最外圈漏播指數Y1、重播指數Y2、合格指數Y3為試驗指標，選擇油菜種子和1 mm孔徑排種盤進行三因素三水平二次回歸正交旋轉組合試驗[19]，探究各個影響因素的顯著程度和各因素交互作用對評價指標的影響機制，建立各評價指標的回歸數學模型，并找到排種器性能較優的參數組合。試驗中排種盤轉速范圍為15～25 r/min，負壓值范圍為1～2 kPa，正壓值范圍為150～250 Pa，因素編碼設計見表3，由排種器試驗臺傳送帶上掉落的種子帶獲得數據，每組試驗重復5次取平均值作為試驗結果，試驗方案與結果見表4。

表3 因素編碼

表4 試驗方案與結果

3.3.2 回歸模型建立與顯著性檢驗

將正交試驗結果導入Design-Expert軟件進行數據分析和回歸擬合，分別以各影響因素為自變量，建立排種器漏播指數、重播指數和合格指數響應函數Y1、Y2、Y3的回歸模型，各響應函數的回歸模型如下

Y1=1.75-1.64A+1.22B-0.42C-0.43AB+

0.037AC-0.11BC+0.76A2+0.82B2+

0.98C2

(5)

Y2=1.98+0.6A-0.52B+0.16C-0.088AB+0.07A2+0.15B2

(6)

Y3=96.28+0.87A-0.69B+0.26C+0.52AB+0.015AC+0.082BC-0.83A2-0.97B2-1.02C2

(7)

各影響因素及其交互作用的方差分析結果如表5所示，通過表5可知，漏播指數、重播指數和合格指數的失擬項的顯著水平P值均大于0.05，說明回歸模型失擬不顯著，即在試驗范圍內，實際排種效果與各響應函數的回歸模型較為相符[20]。另外，負壓值A、排種盤轉速B和正壓值C對漏播指數Y1、重播指數Y2、合格指數Y3影響的顯著水平P<0.01，說明各影響因素對響應指標的影響極顯著。

表5 回歸方程方差分析

由表5分析各因素及其交互因素對漏播指數的影響可知，A、B、C、A2、B2、C2的顯著水平P<0.01，對漏播指數影響極顯著，AB的顯著水平P<0.05，對漏播指數影響顯著，其余各項的顯著水平P>0.5，對漏播指數影響不顯著。同理對重播指數的影響，A和B的顯著水平P<0.01，影響極顯著，其余各項的顯著水平P>0.1，影響不顯著。對合格指數的影響，AC、BC的顯著水平P>0.05，影響不顯著，其余各項顯著水平P<0.01，影響極顯著。

對已經建立的回歸模型剔除不顯著因素的回歸模型方程為

Y1=1.75-1.46A+1.22B-0.42C-0.43AB+0.76A2+0.82B2+0.98C2

(8)

Y2=1.98+0.6A-0.52B

(9)

Y3=96.28+0.87A-0.69B+0.26C+0.52AB-0.83A2-0.97B2-1.02C2

(10)

分析回歸方程的回歸系數可知，影響漏播指數、合格指數的因素主次順序為負壓值、排種盤轉速、正壓值。對重播指數的影響，正壓值影響不顯著，其他兩因素的主次順序為負壓值、排種盤轉速。

3.3.3 試驗因素影響效應分析與最佳參數優化驗證

為了直觀地反映各影響因素對排種器性能的交互作用，采用降維法將排種盤轉速、負壓值和正壓值中任意一項調至零水平[21]，繪制出其他兩因素的交互作用對漏播指數和合格指數影響的響應曲面圖，如圖12、圖13所示。

(a) 轉速—負壓交互作用響應曲面

(a) 轉速—負壓交互作用響應曲面

由圖12(a)、圖13(a)可知，正壓處于零水平(200 Pa)，負壓一定時，隨著排種盤轉速的增加，漏播指數呈現上升趨勢，合格指數在轉速19 r/min時出現轉折點由緩慢上升變為下降趨勢；排種盤轉速一定時，隨著負壓值不斷增加，漏播指數呈下降趨勢，合格指數在負壓1.7 kPa時出現轉折點由上升變為下降的趨勢。

由圖12(b)、圖13(b)可知，排種盤轉速處于零水平(20 r/min)，正壓一定時，隨著負壓的增加，合格指數在負壓1.7 kPa出現轉折點由上升變為緩慢下降，漏播指數先下降后保持穩定；負壓一定時，隨著正壓的增加，合格指數在正壓210 Pa出現轉折呈現先上升后下降的趨勢，漏播指數緩慢上升。由圖12(c)、圖13(c)可知，負壓處于零水平(1.5 kPa)，正壓一定時，隨著排種盤轉速的增加，合格指數在轉速19 r/min出現轉折點由緩慢上升變為下降，漏播指數呈上升趨勢；排種盤轉速一定時，隨著正壓的增加，合格指數呈現先小幅度上升后下降的趨勢，合格指數在正壓值210 Pa附近達到峰值，漏播指數在正壓值210 Pa附近出現拐點呈現先小幅度下降后上升的趨勢。

合格指數取最大值，漏播指數和重播指數取最小值，在負壓值為1～2 kPa、排種盤轉速為15～25 r/min、正壓值為150～250 Pa范圍內進行優化求解。得到排種器較優參數組合為：負壓值1.68 kPa，轉速19.15 r/min，正壓值209.56 Pa，此時合格指數為96.56%，漏播指數1.14%，重播指數2.32%。

在排種器性能試驗臺上對優化后的理論結果進行試驗驗證，將負壓值設置為1.7 kPa，轉速設置為19 r/min，正壓值設置為210 Pa，試驗重復5次，得到合格指數平均值為96.43%，漏播指數平均值為1.63%，重播指數平均值為1.94%，試驗結果與理論結果基本相符，滿足國家標準要求。

4 結論

針對傳統一器多行精量排種器窄行播種受限、風壓損失大的問題，設計了單盤多行獨立氣道式排種器，滿足蔬菜窄行密植作業要求，減少風壓損失，提高蔬菜精量排種質量。

1) 對單盤多行獨立氣道式排種器排種盤、氣道盤、攪種裝置、清種器等關鍵部件進行了結構設計。排種盤直徑235 mm，開有3圈吸種孔，每圈吸種孔個數為96。設計高速攪種裝置，攪種轉速與排種盤轉速比為3∶1，增加了攪種轉速和攪種區域，有效降低漏播率。設計氣道盤結構，僅在氣道盤正面環形凹槽內通有負壓，負壓凹槽寬度為10 mm，深度為5 mm；僅在氣道盤背面正壓通氣凹槽和正壓通氣孔內通有正壓，正壓凹槽深度為2 mm。

2) 通過分析負壓值、排種盤轉速、正壓值對排種器性能影響的單因素試驗，得出各因素對排種性能指標的影響趨勢和各圈吸種孔性能差異，3圈吸種孔排種性能由內到外略有減弱。同時得到性能較好時各因素的合理變化范圍：負壓值為1～2 kPa，排種盤轉速15～25 r/min，正壓值150～250 Pa。

3) 選擇油菜種子進行三因素三水平二次回歸旋轉正交組合試驗，建立了評價指標的回歸方程和響應曲面，確定影響因素的主次順序為：負壓值、排種盤轉速、正壓值；對較優參數組合進行試驗驗證：負壓值1.7 kPa，轉速19 r/min，正壓值210 Pa，此時合格指數為96.43%，漏播指數1.63%，重播指數1.94%，滿足國家標準要求。