稻麥兼用排種器檢測與吹種裝置性能模擬與試驗

梁玉玥， 鄭侃， 夏俊芳

（1.恩施職業技術學院，湖北 恩施 445000； 2.華中農業大學工學院，武漢 430070）

水稻和小麥是人類最重要的糧食作物，長江中下游稻麥種植多以中稻和冬小麥為主，中稻的播種期為4—5 月、冬小麥的播種期為9—10 月，2 種作物播種期不沖突，現有稻麥機具多為單體機，具有功能單一、利用率不高等特點[1]。目前，針對該地區稻麥輪作制度特點研制的兼用設備極少，為符合現代農業提出的節約能源、精量播種、保護性耕作等要求，積極推動稻麥輪作區開展水稻和小麥精量播種[2-6]，制造兼用機具可實現節約增效[7]，精確計數是稻麥兼用排種器精播技術研究中亟待解決的問題之一。Rajaiah 等[8]設計了可調節排種播種量的閉環控制系統用于精密排種裝置，可在最高殘茬覆蓋水平下，提高間距均勻性的播種精度。梅志雄等[9]設計了稻麥兩用螺旋式排種器，通過配合調節出種孔長度、傾斜角、轉速的方式實現稻麥兼用模糊精量排種。杜俊等[10]根據稻麥不同物料特性對滾筒上的窩眼進行設計，通過更換滾筒方式實現稻麥模糊精量兼用。何麗楠等[11]設計了螺旋槽式排種器結構，通過旋轉手輪推動播量調節裝置改變排種輪工作長度，控制排種輪槽大小實現模糊精量排種，以此解決稻麥播種不均勻問題。唐楠銳等[12]采用輔助充種攪種型孔實現水稻精量穴播。曹成茂等[13]在勺輪式排種器基礎上設計了帶有針對水稻種子的異型孔的氣力式排種器，通過改變氣吹角度配合調節氣壓大小，獲得較好的排種效果。趙曉順等[14]利用真空負壓原理研制帶吸種環槽的小麥精量排種器，實現小麥精播?；诓钏僭砗碗x散元法，趙金等[15]通過輪盤轉動進行充種，可在種溝內形成有序的種帶，實現小麥單粒精播。已有研究主要結合種子尺寸設計型孔結構來實現模糊精量囊種，為實現精量播種提供了重要借鑒，但在精量播種檢測手段與性能評估方面較為薄弱，采用精確計數的方式達到精量排種仍需深入研究。

針對上述問題，本研究設計了基于精確計數的吹種裝置，根據平拋運動軌跡和文丘里原理分別設計稻麥檢測裝置和吹種裝置，分析影響稻麥充種性能的關鍵因素，基于CFD（computational fluid dynamics）氣固耦合的方法對種子在檢測與吹種裝置中的移動過程進行氣固兩相流模擬，分析影響種子運動狀態的最優參數組合，并進行仿真試驗驗證檢測與吹種裝置可行性，通過更改參數實現不同工作轉速排種需求，為稻麥精量計數系統設計奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用水稻‘黃華占’‘鄂麥11’各1 000 粒作為研究對象，經測量稻麥種子在長、寬、厚方向平均幾何尺寸分別為9.57 mm×2.31 mm×1.99 mm 和6.85 mm×3.50 mm×2.98 mm，采用旱作直播方式進行排種。

1.2 排種器整體結構與工作原理

稻麥兼用氣吹式精量排種器結構如圖1 所示，主要由振動供種裝置、電磁閥、排序管、光電傳感器、吹種噴嘴閥、上排種盤、下排種盤等組成。

圖1 排種器結構Fig. 1 Structure of seed metering device

供種時，種箱里的種子在電磁激振作用下進行擴散運動，沿著螺旋導軌向上排序輸送進入排序管，經過排序管時形成單列連續種子流。種子經過檢測裝置下落時被光電傳感器檢測，單片機驅動電磁閥打開吹種噴嘴閥，由風泵提供的連續正壓氣流通過吹種噴嘴閥形成的高速氣流將種子吹進充種管并落入上排種盤的型孔中，上排種盤由步進電機驅動并帶動種子一起做旋轉運動，下排種盤與機架相對固定，當種子經過下排種盤型孔處時隨自重進入排種管，經排種管落入已開好溝的溝槽里，完成1次排種作業過程。

在檢測和吹氣過程中設置精量計數環節，將U型EE-SX672-WR光電傳感器[歐姆龍自動化（中國）有限公司]連接至STC89C52 單片機[普天科技（深圳）有限公司]外部中斷I/O 口，將此信號作為單片機外部中斷源，當單片機打開外部中斷請求且外部中斷觸發時，單片機驅動電磁閥打開吹種噴嘴閥。同時單片機對種子數量進行累加，當計數到達設定值(水稻3 粒、小麥1 粒)時，單片機關閉外部中斷請求且將電磁閥復位。單片機再次打開外部中斷請求的間隔時間t，取決于上排種盤的轉速n，即t=f(n)。

1.3 關鍵部件設計

1.3.1 檢測裝置設計 稻麥種子通過振動排序裝置可形成種子流，其種供速率分別為19.6、13.9 粒?s-1[16]，為了方便光電傳感器更靈敏地檢測到種子，設計檢測裝置使連續種子流在下落時形成短暫分離。種子下落時沿水平方向做勻速直線運動，豎直方向只受重力作用，做自由落體運動，以拋出點為原點，水平拋出方向為X軸正方向、豎直向下方向為Z軸正方向建立坐標系，以水稻19.6 粒?s-1為基準計算，可得2 粒種子平均間隔時間為50 ms，假設種子以與水平方向呈45°開始下落，落下時種子速度方向與水平地面呈60°，由平拋運動速度變化規律可知，連續相等的時間間隔內，豎直方向上的位移差相等，由式（1）可得位移差為24.5 mm。由此可見，種子在50 ms 時間間隔內下降24.5 mm，足以讓種子之間形成短暫分離，于是設置檢測裝置結構（圖2）。

圖2 檢測裝置結構Fig. 2 Structure of detection-device

式中，Δt為時間間隔，s；Δz為豎直方向位移差，mm。

1.3.2 吹種裝置設計 吹種裝置是稻麥兼用氣吹式排種器核心部件，吹種裝置為非移動部件，其作用是將高速氣流吹送種子在管道中形成氣固兩相流。吹種裝置由種子入口、分料出口、氣流入口、氣固兩相流混合管道和氣固兩相流出口組成（圖3）。

圖3 吹種裝置Fig. 3 Blowing device

根據文丘里原理采取方形管形式的噴嘴[17]，長度、寬度和高度分別為L、b和h。為了方便加工與安裝，分料出口管道與氣固兩相流出口管道之間形成45°夾角，分料出口與供料口入口直徑相同。吹種裝置的工作原理為：將光電傳感器檢測到的種子，借助風泵產生的氣流通過氣流入口進入噴嘴處，將種子吹進氣固兩相流出口。種子入口承接供種裝置輸出的單列種子流，為便于傳感器檢測，使種子沿縱向方向掉落，設計種子入口的直徑為10 mm，氣固兩相流出口為傾斜管道，與分料出口管道之間呈45°夾角，從噴嘴到氣固兩相流出口的截面積逐漸增大，氣固兩相流出口直徑和氣流入口直徑均為10 mm。由連續性方程可知，在流量穩定的前提下，通過縮小噴嘴橫截面積能提高氣流速度，設計噴嘴管的寬度小于10 mm，同時使氣流覆蓋到種子表面，噴嘴面積以稻麥幾何尺寸長×寬或長×厚為19 mm2作為基準，初步確定方形噴嘴管的長為18 mm，寬為5～7 mm，高為3～5 mm。

1.4 檢測與吹種裝置氣固耦合仿真

1.4.1 充種性能主要因素設置 利用文丘里原理設計噴嘴結構，使氣流在噴嘴與入口處產生較大的壓力差，由于噴嘴處面積變小，根據連續性方程可知，在噴嘴處的氣流速度將會增加產生高速氣流將種子吹進氣固兩相流出口。因此，當氣固兩相流進入排種管時，種子流與氣流將完成混合和輸送過程。種子在運輸過程中，稻麥排1 穴的時間與排種盤轉速有關，排1 穴水稻需要在排種盤轉動1/16 轉的時間內完成，即將3 粒水稻吹至氣固兩相流出口所需的時間與工作轉速之間的關系為15/4n，排1 穴小麥需要在排種盤轉動1/36 轉的時間內完成，即將1 粒小麥吹至氣固兩相流出口所需的時間與工作轉速之間的關系為5/3n。由此可見，噴嘴氣流速度將明顯影響輸送性能，主要影響參數有噴嘴結構，即長度（L）、寬度（b）、高度（h）；工作轉速（np）和氣流入口壓力（P）。

①噴嘴結構參數。根據1.3.2 方形噴嘴管尺寸分析，設置3 種（Type 1、Type 2、Type 3）截面積不同的方形噴嘴管，其參數如表1所示。

表1 不同截面積噴嘴結構參數Table 1 Structural parameters of nozzle tubes with different cross-sectional areas (mm)

②工作轉速。根據水稻和小麥種植農藝要求，稻麥精量播種合理株距分別為200、60 mm，水稻和小麥排種盤徑向型孔數分別為16和36，由公式（2）可計算得出水稻和小麥上排種盤轉速分別為18.75、27.78 r?min-1，在兩端分別留有一定的富余度，取轉速范圍為12~28 r?min-1。

式中，D為地輪直徑，取0.6 m；δ為地輪滑移系數，取0.1；S為株距，m；Z為排種盤徑向型孔數量；vm為拖拉機前進速度，m·s-1；ip為傳動比，取1。

③氣流入口壓力。稻麥種子經傳感器檢測之后，將種子吹進氣固兩相流出口，此時種子受到重力（G）和吹種正壓作用力（FQ）的作用，如圖4所示。

圖4 吹種時受力分析Fig. 4 Force analysis during seed blowing

要使種子能夠順利進入氣固兩相流管道，以某粒種子為研究對象，進行受力分析，建立力學方程如下。

式中，FQ為吹種正壓作用力，N；G為種子質點的重力，N；Ac為噴嘴管面積，m2；P為吹種正壓力，Pa；m為某粒種子的質量，kg。

由式（3）可得臨界吹種正壓≥79 Pa，于是取氣流入口壓力為100~500 Pa。

1.4.2 檢測與吹種裝置氣固兩相流仿真試驗 為保證充種管內種子連續穩定，分析種子在吹種過程中運動狀態特性，利用編程軟件VS 2010 編寫用戶自定義UDF 函數，對Fluent 19.0 進行二次開發，確定合適的充種性能參數。

①模型選擇與網格劃分。運用Cro-E 軟件對檢測與吹種裝置進行三維建模，并采用六面體結構化網格進行網格劃分，吹種裝置網格結構如圖5 所示。再進行CFD 計算分析，根據種子在氣流場中的運動為湍流運動[17]，且k-ε湍流模型對分岔流動具有較高的準確性及較小的誤差性[18]，因此模擬計算采用自帶的k-ε 湍流模型對檢測與吹種裝置進行流場分析。

圖5 吹種裝置網格Fig. 5 Grid of blowing-device

②仿真試驗方法與設計。選擇截面不同的方形噴嘴、工作轉速、氣流入口壓力作為試驗因素。為探究噴嘴截面對噴嘴氣流速度的影響，首先結合表1參數進行仿真分析，令氣流分布面積較大且氣流速度高的最優截面類型為W。為探究工作轉速、氣流入口壓力對種子運動特性的影響，采用最優截面類型W，稻麥供種速率分別為19.6、13.9 粒?s-1，試驗設計水平見表2，對作用于種子的作用力和速度進行仿真試驗。為驗證排種時該吹種裝置是否滿足時間要求，對其進行仿真試驗分析種子運動狀態，并以種子間隔時間為參考討論裝置是否合理。在仿真過程中，通過編寫UDF 編譯文件對水稻數量進行檢測控制時，以理論時間t=190 ms為標準，檢測水稻3粒并吹走的時間不足時間t，剩下的時間傳感器暫停不檢測，等到總時間到達t之后重新計數再進行下1個周期；對小麥數量進行檢測控制時更改UDF 編譯文件，僅更改UDF 文件中的時間間隔及數量要求，控制要求以理論時間t=100 ms為標準，檢測數量為1 粒小麥種子，其他要求與排種水稻要求一致。

表2 仿真試驗設計水平Table 2 Simulation test design level

1.5 臺架試驗

選用寬度為6.35 mm 的光電傳感器，光電傳感器緊貼噴嘴口進行安裝，若種子在傳感器正中間位置被檢測到且留一定富余量，即種子到達噴嘴口的位移為3 mm，則有下落時間為17 ms，保留一定的電氣延時，于是設定延時時間為10、11、12、13、14 ms，排種轉速設置為20 r?min-1，水稻供種電壓為110 V、小麥種供電壓為130 V，吹種氣流均為300 Pa，設置每穴之間無延時，分別試驗測定30 s 內吹種數量，每組試驗5 次取平均值，得出最佳延時時間。再設置此延時時間，以合格率為指標評價排種效果。利用數字調壓控制器調節供種裝置工作電壓，排種軸旋轉5圈，重復試驗5次，統計合格率求平均值。

2 結果與分析

2.1 噴嘴管截面形狀對噴嘴氣流速度影響分析

圖6 所示的是不同類型噴嘴管截面形狀對噴嘴氣流速度流場分布，在水平1 下進行仿真試驗，取Y=0 mm 切片的氣流速度分布。由圖6 可知，3 種類型的噴嘴管在噴嘴口處均可獲得較高的氣流速度，隨著截面積長度增加，高氣流集中在噴嘴口處。當傳感器檢測到下落的種子后，噴嘴口處出來的氣流分布面積較大且氣流速度高，比較3種不同類型的截面積可以看出，Type 3噴嘴管結構在噴嘴口處的速度分布較廣，可以獲得較高的噴嘴氣流速度，其性能更優。

圖6 不同類型噴嘴管截面形狀速度流場Fig. 6 Velocity flow field diagram of different types of nozzle tube section shape

2.2 吹種裝置多因素對種子運動特性的影響分析

2.2.1 對種子受力的影響 以氣流入口壓力和工作轉速為試驗因素，對種子的作用力進行仿真試驗。由表3 可知，作用于稻麥上的合力變化均與氣流入口壓力和工作轉速正相關，其中Z方向的力（Fz）主要有重力和浮力，其整體水平處于平穩狀態，主要因為X方向的力（Fx）變化幅度較大導致合力（Fp）的增加。在同一氣流入口壓力下，工作轉速設定為12~28 r?min-1時，作用于水稻種子的X方向的力和合力基本保持穩定；在同一工作轉速下，氣流入口壓力設定為100~500 Pa 時，作用于水稻種子X方向的力和合力隨工作轉速的增加而逐漸增加。在同一氣流入口壓力下，工作轉速設定為12~28 r?min-1時，作用于小麥種子的X方向的力和合力與工作轉速正相關；在同一工作轉速下，氣流入口壓力設定為100~500 Pa 時，作用于小麥種子的X方向的力和合力隨氣流入口壓力的增加而逐漸增加。從表4 可知，氣流入口壓力和工作轉速均對作用于稻麥種子上的合力有顯著影響。

表3 不同氣流入口壓力和工作轉速下種子的受力Table 3 Seed stress under different airflow inlet pressure and working speed

表4 各因素對種子受力方差分析Table 4 Variance analysis on various factors on force

2.2.2 對種子速度的影響 以氣流入口壓力和工作轉速為試驗因素，對種子的運動速度進行仿真試驗。由表5 可知，作用于稻麥上的速度與氣流入口壓力和工作轉速正相關，Z方向的速度（vz）在穩定范圍內變化，整體水平處于平穩狀態，主要因為X方向的速度（vx）變化幅度較大導致合速度（vp）的增加，在同一氣流入口壓力下，工作轉速設定為20~28 r?min-1時，作用于稻麥種子的X方向的速度和合速度隨工作轉速的增加而逐漸增加。在同一工作轉速下，氣流入口壓力設定為100~500 Pa 時，作用于稻麥種子的X方向的速度和合速度隨氣流入口壓力的增加而逐漸增加。從表6可知，氣流入口壓力和工作轉速均對作用于稻麥種子上的合速度影響極顯著。

表5 不同氣流入口壓力和工作轉速下的種子速度Table 5 Mean velocity under different airflow inlet pressure and working speed

表6 各因素對種子速度方差分析Table 6 Variance analysis on various factors on velocity

當氣流入口壓力增加至500 Pa，工作轉速增加至28 r?min-1，種子所受的作用力和速度都處于較大值，使相對速度增加，不利于后續投種。為使后續投種性能較好，應選擇合適的工作參數使種子受到較高的作用力和速度，又能滿足相對速度較小。因此，考慮氣流入口壓力為300 Pa、工作轉速為20 r?min-1較適宜。

2.3 間隔時間仿真試驗驗證分析

種子在氣流場的分布情況可以通過種子的運動狀態直觀表達，設置氣流入口壓力為300 Pa，水稻供種速率為19.6粒?s-1、小麥供種速率為13.9粒?s-1，工作轉速為20 r?min-1。排種水稻種子時以種子流進入檢測裝置開始進行1 個周期的仿真試驗，其仿真結果如圖7所示，時間間隔統計見表7。仿真試驗結果表明，對稻麥進行排種時，該檢測吹種裝置滿足稻麥兼用要求。當排種水稻時，連續3粒稻種之間的間隔時間為9.19 ms，小于2 粒稻種理論間隔時間60 ms；當排種小麥時，連續2 粒小麥種之間的間隔時間為8.45 ms，小于2 粒小麥種最小理論間隔時間50 ms，說明在稻麥種子經過檢測裝置時，傳感器有足夠時間進行檢測計數，并將信號發送給單片機，驅動電磁閥打開噴嘴閥進行吹種。表明該裝置可以適應不同工作轉速的排種要求。

表7 種子間隔時間Table 7 Seed spacing time （ms）

圖7 種子運動狀態Fig. 7 Motion state of seed

2.4 臺架驗證試驗分析

為檢驗稻麥兼用排種器檢測與吹種裝置的試驗效果，構建排種器檢測與吹種裝置試驗裝置。試驗結果如表8 所示，對水稻進行計數吹種時，隨著延時時間增加，吹種數量先增加后減小，當延時時間為12 ms 時，吹種數量最大，說明物料從傳感器檢測口到吹氣口所需時間匹配單片機內部處理計算時間與延時時間之和；當延時時間大于12 ms時，種子經過噴嘴口時高速電磁閥還沒有打開，導致種子無法進行精確控制；當延時時間小于12 ms時，種子還沒有經過噴嘴口已經開始吹氣，由于吹氣口為矩形，在一定時間間隔內仍有氣壓，但會出現因為氣壓不足引起漏吹現象，隨著延時時間逐漸減少，漏吹現象明顯增加。對小麥進行計數吹種時，當延時時間為12 ms 時，吹種效果最佳。于是方便稻麥兼用機械結構選用一致，粒間延時時間設定為12 ms。設置此延時時間，以合格率為排種效果評價指標，得到當排種軸轉速20 r?min-1時，水稻和小麥排種的合格率分別為90.7%和93.2%，滿足稻麥兼用播種要求。

表8 不同粒間延時時間下的吹種數量Table 8 Number of seed blowing under different delay time between grains

3 討論

目前，對稻麥兼用排種器的研究尚未深入開展采用精確計數方法實現精量排種。對于單體排種器的研究，精量排種的方法有較多研究，主要結合種子尺寸和穴播粒數設計型孔結構，通過機械或氣力方式實現模糊精量囊種，在1個環節中實現模糊計數與囊種2個功能，通過試驗調試在一定程度上提高模糊精量排種性能[19]。此外，光纖計數技術可用于油菜種子流的檢測，以評估傳感器精度對油菜種子播種量檢測的影響，然而該技術在根據穴播粒數實現精確檢測計數方面存在限制[20]。為實現稻麥兼用排種器精確檢測計數的目的，本研究將計數、投種功能實現模塊化設計，分別構建檢測與吹種裝置。通過平拋運動理論設計檢測裝置，根據種子流下落時產生一定的間距使用檢測元件靈敏檢測單粒種子；采用氣固耦合方法分析各影響因素對種子運動狀態特性的影響，獲得最優工作參數組合：噴嘴管截面長度為18 mm、寬度為7 mm、高度為3 mm、氣流入口壓力為300 Pa、工作轉速為20 r?min-1。通過理論分析與仿真模擬相結合的方法確定稻麥理論間隔時間均大于仿真下落時間，驗證了檢測裝置與吹種裝置的可行性。為了兼顧稻麥農藝要求，確保檢測到的種子順利進入充種管進行囊種，本研究確定種子粒間延時時間為12 ms，得到水稻和小麥的合格率分別為90.7%和93.2%，說明檢測與吹種裝置精量排種合格率明顯提升。

本研究設計的稻麥精量排種器進一步提升了排種合格率，可為今后機械式稻麥精量排種器結構優化設計提供參考。在試驗過程中，種子的檢測環節被單獨構建實現了精確計數效果。然而，通常情況下檢測元件靈敏度受外界環境光照、振動等影響，對合格率造成一定影響。因此，在后續研究中進一步增強檢測裝置穩定性，使其具有較高抗干擾能力，同時可結合高速攝影以圖片形式進行精準計數加強探索檢測精度，為精量技術提供參考。