國內(nèi)氣力式精密排種器研究綜述

章鑫鵬，鄭樂，張富貴

（550025 貴州省 貴陽市 貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

精密播種是對種子合理分布與高效利用的一種方式，它保證了種子在規(guī)定行距和穴距的前提下實(shí)現(xiàn)每穴一粒，是目前播種發(fā)展的主要方向。排種器是播種機(jī)的核心[1]，其目的是將種群轉(zhuǎn)化為均勻的種子流或連續(xù)的單粒種子。精密排種器按照工作原理可以分為機(jī)械式精密排種器和氣力式排種器。機(jī)械式精密排種器雖然成本較低，但對種子的損傷率較高[2]。氣力式排種器利用氣流壓差完成囊種與排種[3]，具有適應(yīng)性強(qiáng)、通用性好、不傷種、對種子的形狀尺寸要求不高等優(yōu)點(diǎn)，成為國內(nèi)精密排種器發(fā)展的主要趨勢[4-6]。

由于不同種類的種子在形狀和尺寸上差異較大，且存在吸嘴氣孔易被堵塞等問題，使得氣力式排種器的排種性能受到影響。對氣力式排種器排種過程進(jìn)行分析，其核心是對種子受力及運(yùn)動(dòng)的分析。國內(nèi)相關(guān)學(xué)者從理論建模與分析和仿真建模與分析兩個(gè)維度，準(zhǔn)確分析了種子的受力及運(yùn)動(dòng)情況和降低排種器性能的影響因素，這對排種器的優(yōu)化具有重要意義。

在查閱相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，本文擬從排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究和理論分析與仿真兩個(gè)方面對氣力式精密排種器的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，以期為相關(guān)學(xué)者提供參考。

1 排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

近年來，國內(nèi)相關(guān)研究人員針對播種時(shí)存在的問題，對氣力式排種器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量研究。排種過程的技術(shù)難題可歸納為3 個(gè)方面：（1）吸孔易被粉塵、雜質(zhì)等堵塞導(dǎo)致漏充與堵孔，漏播率較高；（2）種子品種多、形狀不規(guī)則、大小不一，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)精量播種；（3）小粒徑種子尺寸較小、流動(dòng)性差，難以精量播種。

1.1 針對堵孔、漏播率高等問題

有研究表明，排種器在高速作業(yè)時(shí)，會因排種器氣密性下降、種群的拖帶、堵孔易堵塞等一系列問題，導(dǎo)致充種效果不佳，漏播嚴(yán)重。針對此類問題，李兆東[7]等設(shè)計(jì)了一種槽齒定向擾動(dòng)輔助充種種盤，該排種器通過多行并聯(lián)組合的播種方式，利用槽齒定向擾動(dòng)輔助充種種盤，抑制了種群的拖帶，改善了種子的流動(dòng)性；楊全軍[8]等為了改善充種環(huán)境，采用雙盤對置交錯(cuò)的方式，設(shè)計(jì)了一種氣力式芽種精量排種器，有效降低了漏播率；丁立[9]等針對種子充種效果不佳等問題，采用了對種子起拖持作用的種盤型孔凸臺機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種玉米氣吸式高速精量排種器，對玉米種子起到了很好的輔助充種作用；賈洪雷[10]等考慮到排種器在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)部氣流負(fù)壓驟降時(shí)種群運(yùn)移不穩(wěn)定的情況，設(shè)計(jì)了一種氣吸機(jī)械復(fù)合式大豆精密排種器（如圖1所示），通過排種盤上吸孔、導(dǎo)種槽和取種槽的相互配合，有效解決了這一問題；陳付東[11]等針對排種器在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)協(xié)種不穩(wěn)定的問題，在原有氣吸式花生排種器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，增設(shè)了一種支持式協(xié)種器，起到了很好的輔助協(xié)種作用；李兆東[12]等設(shè)計(jì)了一種槽齒組合式吸種盤，該吸種盤中的擾種齒有效地打破了種群的堆積狀態(tài)，并使種子在凹槽內(nèi)吸孔上的負(fù)壓作用下被快速捕捉和準(zhǔn)確吸附，有效降低了種子的漏吸率，提高了排種器的排種性能。

圖1 排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of seed discharge structure

排種器在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，吸孔容易被粉塵、雜質(zhì)或小粒徑種子、細(xì)長形狀牙種等堵塞。針對此類問題，李兆東[13]等為了分析排種器漏播成因，設(shè)計(jì)了一種同步檢測系統(tǒng)，排種器檢測區(qū)域如圖2 所示。同步檢測排種器可在不同吸式真空度和轉(zhuǎn)速下同步檢測吸孔堵塞率和漏充率，分析吸式真空度和排種盤轉(zhuǎn)速的最優(yōu)組合方案，降低了漏播率；翟建波[14]等設(shè)計(jì)了一種氣力式雜交稻精量穴直播排種器，該排種器利用凸輪推桿與梳種條使芽種均勻穩(wěn)定地流至充種室，降低了芽種間的粘附力和摩擦力，提高了排種盤的吸種概率；張順[15]等在原有排種器基礎(chǔ)上增加了清種繩和清種風(fēng)嘴，設(shè)計(jì)了一種氣力滾筒式水稻穴直播精量排種器。結(jié)合種繩和清種風(fēng)嘴，使得窩眼中多余的牙種能更好地在氣流的作用下被清除，有效避免了滾筒窩眼的堵塞。

圖2 檢測區(qū)域示意圖Fig.2 Testing area diagram

1.2 針對種子形狀不規(guī)則、大小不一等問題

張開興[16]等設(shè)計(jì)了一種變粒徑雙圓盤氣吸式精量排種器，其排種器和排種盤結(jié)構(gòu)如圖3 和圖4所示。該排種器的固定圓盤和旋轉(zhuǎn)圓盤同軸連接，相向旋轉(zhuǎn)，使兩個(gè)圓盤上直徑相同的型孔重合，針對不同的作業(yè)狀況，選取及計(jì)算出不同型孔大小和數(shù)量的圓盤，實(shí)現(xiàn)不同直徑種子的精量播種；尹文慶[17]等通過氣力槽輪組合的方式，設(shè)計(jì)了一種精密排種器。該排種器排種盤上螺紋連接不同種類和尺寸的可拆卸的吸嘴，根據(jù)不同三軸尺寸的蔬菜種子設(shè)計(jì)了多種吸嘴型孔，針對實(shí)際播種的種子情況更換合適的吸嘴，實(shí)現(xiàn)不同形狀及大小種子的排種。

圖3 排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of seed discharge structure

圖4 排種盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of seed reel structure

1.3 針對小粒徑種子難以播種問題

由于小粒徑種子粒徑小、質(zhì)量輕，對排種器內(nèi)氣流要求更為嚴(yán)苛，吸種效果對排種器吸種負(fù)壓變化敏感，因此針對吸種環(huán)節(jié)進(jìn)行研究變得尤為迫切。楊昌敏[18]等、廖宜濤[19]等、姜有忠[20]等均通過負(fù)壓吸種、正壓排種的方式，設(shè)計(jì)了正負(fù)氣壓組合式精量排種器，對小粒徑種子進(jìn)行排種。其中，楊昌敏[18]等的設(shè)計(jì)結(jié)合了可以檢測育苗盤的光電傳感器和接收位置信號的霍爾傳感器，對滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)和排氣口供給正壓的時(shí)間進(jìn)行了控制，實(shí)現(xiàn)了對蔬菜等小粒徑種子的精量播種；姜有忠[20]等設(shè)計(jì)的滾筒式精量排種器，其投種裝置結(jié)構(gòu)如圖5 所示。該裝置使絕壓槽內(nèi)流場壓力的分布更加均勻，很好地解決了小粒徑種子易堵孔、投種精度差的問題

圖5 雙端進(jìn)氣投種裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of double-end air inlet seeding device structure

2 理論建模與分析

為了提高氣力式排種器的排種性能，相關(guān)科研人員圍繞種子受力和運(yùn)動(dòng)分析展開的研究越來越多。通過理論建模與分析，可獲得影響排種器性能的因素，對排種器性能優(yōu)化具有重要意義。張靜[21]等根據(jù)對種子的繞流阻力、吸種孔外部氣流場氣體的流動(dòng)狀態(tài)、種子到吸孔的距離和種子在運(yùn)動(dòng)臨界狀態(tài)的受力的分析，推導(dǎo)出種子吸附邊界的數(shù)學(xué)模型，得出種子吸附邊界運(yùn)動(dòng)區(qū)域越大，種子進(jìn)入運(yùn)動(dòng)區(qū)域的概率越大，可進(jìn)入運(yùn)動(dòng)區(qū)域的種子數(shù)目越多，易形成多粒吸附；翟建波[22]等通過對充種區(qū)芽種受力情況的研究，建立了以不同姿態(tài)背吸附的牙種的吸室真空度方程，分析得出了排種盤的線速度、水稻芽種的質(zhì)量、吸孔的大小都是吸室真空度的影響因素；何亞豪[23]等通過建立輔助夾持裝置夾持種子的力學(xué)模型，分析種子在夾持過程中的受力，得出影響夾持力大小的關(guān)鍵因素是凸輪的輪廓軌跡，應(yīng)對凸輪軌跡進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)來提高排種器在吸種和攜種過程中的穩(wěn)定性；史嵩[24]等對種子在驅(qū)導(dǎo)輔助充種氣吸式排種器充種過程的運(yùn)動(dòng)及受力進(jìn)行了分析（如圖6 所示），經(jīng)過理論計(jì)算得出排種盤導(dǎo)種槽的曲率系數(shù)、深度、斜面傾角均會對充種性能產(chǎn)生影響，將它們作為目標(biāo)參數(shù)，進(jìn)行后續(xù)對排種器的優(yōu)化。

圖6 種子的運(yùn)動(dòng)及受力分析Fig.6 Movement of seeds and force analysis

3 仿真建模與分析

氣力式排種器的氣力輸送是影響氣力式排種器的關(guān)鍵，氣力式排種器工作時(shí)種子、氣流的運(yùn)動(dòng)并存[24]，必須把顆粒流體化或擬流體化，基于離散元的數(shù)值模擬，準(zhǔn)確分析種子的受力及運(yùn)動(dòng)情況，得到模擬結(jié)果。而目前CFD-EDM 氣固耦合法成為研究氣固兩相流的主要方法，它是通過CFD 技術(shù)求解流場，使用DEM 方法計(jì)算顆粒系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)受力情況，兩者經(jīng)過一定的模型以能量、質(zhì)量和動(dòng)量的傳遞進(jìn)行耦合。該方法先將流體視為連續(xù)介質(zhì)，對計(jì)算空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后求解納維-斯托克斯方程得到每個(gè)網(wǎng)格上流體的速度、密度和壓力等信息，最后通過對顆粒的受力計(jì)算與分析，根據(jù)牛頓定律計(jì)算其加速度、速度和位置的變化。而Fluent 作為一款CFD 的應(yīng)用軟件，可以針對各種復(fù)雜流動(dòng)的物理現(xiàn)象采用不同的離散格式和數(shù)學(xué)方法，高效率地解決各個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜流動(dòng)計(jì)算問題，廣泛應(yīng)用于氣力式排種器的氣力分析中。圖7 為EDEM-Fluent 耦合求解流程圖。

圖7 EDEM-Fluent 耦合求解流程圖Fig.7 EDEM-Fluent coupled solver flow chart

史嵩[24]等在對排種器DEM-CFD 氣固兩相流耦合分析中引入壓力梯度算法，進(jìn)行了基于修改后耦合接口的排種器氣固兩相流仿真，得出壓力梯度力大于曳力，是型孔吸附種子的主要作用力形式。圖8 為其曳力與壓力梯度力的作用對比情況。

圖8 曳力與壓力梯度力的作用情況對比Fig.8 Comparison of the action of traction force and pressure gradient force

通過排種器3 因素2 次旋轉(zhuǎn)正交組合仿真試驗(yàn)和多目標(biāo)優(yōu)化分析，確定排種盤最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為導(dǎo)種槽曲率系數(shù)0.265、導(dǎo)種槽深度2.57 mm、斜面傾角為15.33°；丁力[25-26]等通過對氣吸式玉米排種器DEM-CFD 氣固耦合仿真分析，得出壓強(qiáng)由大到小依次為充種區(qū)、自清種區(qū)、清種區(qū)、攜種區(qū)、卸種區(qū)，為確定最佳進(jìn)氣口位置參數(shù)提供理論基礎(chǔ)。圖9 為其型孔切面壓強(qiáng)云圖。

圖9 型孔切面壓強(qiáng)云圖Fig.9 Pressure cloud diagram of profile hole section

他們還模擬了氣吸式排種器工作過程，通過提取仿真過程中種子所受曳力和吸附速度運(yùn)動(dòng)參數(shù)，得出不同種子充種能力大小依次為小扁形、類圓形、大扁形，并選取不易吸附充種的大扁形種子建立充種過程的數(shù)學(xué)模型，得到了種盤型孔凸臺高度和型孔凸臺角度的最優(yōu)參數(shù)；韓丹丹[27-28]等運(yùn)用EDEM-CFD 耦合分析方法對 3 種不同型孔結(jié)構(gòu)排種盤進(jìn)行圓粒種子排種效果的耦合仿真，得出同一排種盤中的大圓粒種子所受曳力均大于小圓粒種子，更容易被清出型孔，且徑向內(nèi)開方孔盤型孔內(nèi)氣流對顆粒的曳力及壓附力均較大。為改善該盤對圓粒種子及混合種子的工作效果，應(yīng)增大型孔對種子在徑向方向的充填容積。他們還以前進(jìn)速度、工作壓強(qiáng)和氣嘴安裝位置為影響因素進(jìn)行正交試驗(yàn)優(yōu)化仿真，通過對充種時(shí)長和極限充種速度的分析，得出工作壓強(qiáng)、前進(jìn)速度和氣嘴安裝位置對充種極限速度影響顯著而對充種時(shí)長影響不顯著，因此較大的充種極限速度和較短的充種時(shí)長有利于提高排種器充種性能；楊航[29]等利用CFD-EDM 耦合法對氣吸式三七排種器的三七種子懸浮速度進(jìn)行測定，根據(jù)懸浮速度在Fluent 中模擬確定抽氣口處工作流速及壓力，得出該排種器排種效果最好的情況下種子密度、當(dāng)量直徑、種子懸浮速度、排種筒抽氣口處氣流速度的最佳組合參數(shù)；張凱[30]等利用CFD-EDM 耦合法對氣吸式排種器內(nèi)部流場進(jìn)行仿真分析，得到了真空度和轉(zhuǎn)速對流場的作用規(guī)律：吸種孔內(nèi)的速度大小只受真空度的影響，且隨著真空度的增大減小成正比關(guān)系。轉(zhuǎn)速對氣吸室整體的壓力分布影響不顯著，起主導(dǎo)作用的是吸種孔的轉(zhuǎn)速；李衍軍[31]等通過 EDEM-Fluent 耦合仿真分析得到種子在輸種管內(nèi)分布與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以及在不同進(jìn)口風(fēng)速與播種量情況下種子在輸種管不同位置處的種子速度，得出輸種管內(nèi)種子速度隨進(jìn)口風(fēng)速的增大逐漸增大，隨播種量的增加變化很小，結(jié)合方差分析得到輸種管內(nèi)種子速度主要受進(jìn)口風(fēng)速的影響；鄒翌[32]等對研究設(shè)計(jì)的一種由密封錐角（α）可變的分流密封蓋和邊壁直徑（R）可調(diào)節(jié)的喇叭口式內(nèi)腔組成的α-R式氣流分配式排種器進(jìn)行EDEMFluent 耦合軟件仿真，其分配器中氣固合速度分布如圖10 所示。分析得出α=20°，R=180 mm 時(shí)，分配器內(nèi)部旋渦滯種區(qū)域明顯降低，排種性能最優(yōu)；邢赫[32]等利用 ANSYS-Fluent 有限元流體分析軟件對其設(shè)計(jì)的水稻播量可調(diào)氣力式排種器負(fù)壓流道結(jié)構(gòu)的吸孔負(fù)壓影響規(guī)律進(jìn)行了分析，得出流道結(jié)構(gòu)與吸孔壓強(qiáng)的關(guān)系，優(yōu)選了最佳流道結(jié)構(gòu)。

圖10 α-R 結(jié)構(gòu)分配器中氣固合速度分布圖Fig.10 Distribution of gas-solids combination velocity in α-R structure distributor

4 結(jié)語

近年來，國內(nèi)有大量學(xué)者針對種子品種多、形狀和大小不一、流動(dòng)性差、吸孔易漏充與堵孔等問題，對傳統(tǒng)氣力式精密排種器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)與設(shè)計(jì)。但由于農(nóng)業(yè)種子不同于工業(yè)均勻物料，也存在偏液態(tài)化的種子，而且同一作物的種子也可能存在形狀不規(guī)則、大小不一等情況，這是氣力式排種器氣密性面臨的嚴(yán)峻問題，不管是對于排種器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究，還是排種理論分析與優(yōu)化，都是需要考慮的因素。大部分學(xué)者只是在排種器排種某一類形狀和大小基本統(tǒng)一的種子的情況下，對排種器的零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析與優(yōu)化，也很少考慮零部件之間的關(guān)聯(lián)性。

氣力式排種器的氣力輸送涉及到氣固兩相流問題，大量學(xué)者利用CFD-DEM 耦合法對排種器中種子的受力和運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及排種器關(guān)鍵零部件的流場特性進(jìn)行了模擬仿真與定量分析，得出了排種器排性種能影響因素的優(yōu)選方案，對排種器進(jìn)行了優(yōu)化。但離散元法尚處于不斷發(fā)展階段，尤其在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域，模擬的真實(shí)度還有待提高，基本理論和實(shí)際應(yīng)用都還有大量的研究工作待進(jìn)一步開展。