白蘿卜氣吸式精量排種器結構設計與分析

岳海霞　譚波　魏松　謝紅

摘要：為滿足白蘿卜機械種植要求，解決我國西南地區缺乏相關種植機械問題，設計了一種氣吸式精量排種器。通過計算與理論分析，設計了排種器關鍵結構參數；對充種、攜種和投種階段種子受力進行分析，確定了影響播種性能的主要因素。利用Fluent軟件仿真模擬不同型孔尺寸參數對負氣壓室氣流影響，確定了最佳型孔直徑參數，其型孔直徑范圍為2.079～2.178 mm。通過參數優化得到最佳參數組合為：排種盤直徑200 mm、型孔分布直徑160 mm、型孔個數16 個、型孔直徑2.2 mm。排種性能臺架試驗結果表明，在工作轉速為30.54 r·min-1，負氣壓室氣壓為6.58 kPa，排種器單粒合格指數95.61%，漏播指數為0.64%，重播指數為2.04%。該研究結果有助于提高播種器性能，為白蘿卜精量播種機器設計與制造提供可靠參考。

關鍵詞：白蘿卜；氣吸式排種器；精量播種；仿真

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0233

中圖分類號：S223.2+5 文獻標志碼：A 文章編號：10080864（2024）05012009

白蘿卜是我國重要的蔬菜作物，其具有較高的營養價值和藥用價值。在我國西南地區，白蘿卜種植普遍以人工為主，缺乏相關精量播種機械。精量播種機的核心部件為精量排種器，依據其工作原理分為機械式和氣力式2種：機械式排種器結構簡單、便于加工，但對播種物料形狀要求高，易對物料造成損傷[12]；氣力式按照其氣體流通方式主要分為氣吸式[34]、氣吹式[56]和中央集排式[7]3種，其中氣吸式排種器不易損傷種子，并且還能滿足播種機高速作業而廣泛應用[8]。近年來，學者對玉米、水稻和花生等大中粒徑種子氣吸式排種器做了大量研究。丁力等[9-11]針對氣吸式玉米排種器在充種、卸種和清種階段影響播種性能的因素分別進行分析，對玉米氣吸式排種器進行了優化改進，一定程度上提高了玉米精量播種水平。Wang 等[12]設計了內充氣式玉米排種器，對重播問題進行了研究，確定了排種裝置的前進速度和工作壓力是影響排種性能的主要因素。衣淑娟等[13]針對谷子穴播過程中因谷子種殼脫落堵塞型孔問題，設計了“正負氣壓”型孔輪組合式排種器，用負壓輔助充種，正壓強制投種以及清除型孔雜質。史嵩等[14]采用壓力梯度力算法對氣吸排種器進行了性能測試評估，建立了顆粒軌道模型，為排種性能指標提供一定的參考。石林榕等[1]利用彈性橡膠制造吸種材料，增強了排種器在攜種過程中的穩定性，很大程度上提高了滾輪式排種器在地勢不平作業條件下播種性能。

綜上，大部分研究主要針對粒徑較大種子氣吸式排種器的研究，對白蘿卜等小粒徑種子排種器的研究較少。為此，本文基于西南地區冬季、早春干旱缺水白蘿卜需鋪膜種植的特點，設計了一種氣吸式滾輪排種器，并對排種器的重要參數進行了理論分析和優化，得到最佳工作參數，可為白蘿卜精量播種機的研發提供參考。

1 材料與方法

1.1 排種器結構及排種盤結構設計

排種器主要由左殼體、鴨嘴固定架、排種器主體、鴨嘴、氣管種、擋板、密封圈、種盤限位架、吸種盤、右殼體、種室隔板等組成，如圖1所示。

氣吸式排種器依靠正負兩室的氣壓差進行工作，其吸種盤分為4個區：吸種區、清種區、攜種區和落種區。作業時，種子在重力作用下從入種口進入排種器種室底部，吸種盤在電機的帶動下轉動，正負兩氣室在風機的抽氣作用下形成氣壓差，當型孔經過種室底部，種子被吸附在型孔上；當型孔吸附有多余的種子時，種盤經過清種區時，在重力和清種機構的作用下清除多余的種子，實現單粒攜種，多余的白蘿卜種子掉入吸種區；經過攜種區進入落種區，壓力差清除，種子在重力作用下落至鴨嘴內，鴨嘴隨著播種輪旋轉前進，當鴨嘴觸地并插入一定的深度，鴨嘴打開完成投種，播種輪繼續滾動，鴨嘴結構離開地面，彈簧恢復原形，鴨嘴關閉。

1.1.1 白蘿卜種子三軸尺寸

供試白蘿卜品種為貴州省種植面積較大的‘白玉2號，由貴州大學農學院提供。種子的形狀和尺寸直接影響種子的流動性，決定了播種裝置排種孔徑的尺寸大小[15]。隨機選取300粒白蘿卜種子，通過數顯游標卡尺（精度0.01 mm）測定白蘿卜種子三軸（長、寬、厚）尺寸均值為4.23 mm×3.47 mm ×2.20 mm。

1.1.2 型孔直徑設計

白蘿卜種子的三軸尺寸是排種盤型孔結構參數設計的重要依據[16-18]，型孔直徑計算方式如下。

式中，0.64～0.66為系數，d 為型孔直徑，mm； b為種子平均寬度，mm； L 為種子長，mm；W 為種子寬，mm；T 為種子厚，mm。

1.1.3 孔數的設計

排種盤型孔數量對排種器轉速和粒距影響[20]，型孔數量計算公式如下。

式中，Z 為型孔數量；D 為排種盤直徑，mm；Vc為播種機作業速度，m·s-1；δ 為變異系數（0.05～0.12），取0.10；VI 為白蘿卜種子脫落時的速度，m·s-1；k 為株距，m。

1.2 排種運動過程受力分析

1.2.1 充種階段種子受力

在種子吸附過程中，種子由靜止到被型孔吸附的過程是個復雜的受力過程，將白蘿卜種子視為尺寸均勻的剛性橢球體，所受力均作用在質心上。忽略播種作業時機具振動的情況及種子吸附過程中的次要因素，對種子顆粒的受力情況進行分析。由于種子從種箱被吸附到型孔上的時間很短，假設種子未發生運動，受力過程如圖2所示。其中，G 為白蘿卜種子重力，N；R 為型孔處離排種盤中心的半徑，mm；ω 為排種器吸盤旋轉角速度，rad·s-1。

對排種過程中盤剛吸附種子臨界狀態，建立平衡方程（式3）。

式中，fq為排種器與白蘿卜種子間的摩擦力，N；fz為種箱其他白蘿卜種子對研究對象種子的摩擦力，N；N1為排種器對白蘿卜種子的支撐力，N；N2為種箱其他白蘿卜種子對其的支持力，N；γ 為排種器與白蘿卜種子的摩擦角，（°）；δ 為種箱其他種子對研究對象白蘿卜種子的摩擦角，（°）。

種子在恰能被吸盤吸附時白蘿卜種子在型孔處達到平衡狀態，此時白蘿卜種子負壓吸附力（Fq）如下。

Fq = N1 - G sin α - N2 cos （α + β ） -fz cos （90 - α - β） （4）

式中，G為白蘿卜種子動力，N；α 為白蘿卜種子吸附角度，（°）；β 為種箱其他種子對研究對象白蘿卜種子支持力與水平方向的角度，（°）。

在型孔處的負氣壓（P）如下。

P = Fq／S （5）

白蘿卜種子可以視為橢球體，白蘿卜種子厚度在三軸中最小，在厚度上的界面為圓，即在吸附截面為最小值。故在截面最小值（式6）時，種子恰能被吸附的負壓為臨界負氣壓強（式7）。

考慮播種機實際作業時，種子在吸種過程中由于機具作業振動，摩擦以及種子外形不規則擠壓等情況，需要引入相關工況系數和可靠系數。查閱農業機械設計手冊，外界系數K1和排種器吸種可靠系數K2。故保證排種器正常吸種條件如下。

2.2 攜種階段種子受力

當白蘿卜種子隨著排種盤旋轉時，無種子之間的相互影響，并且在攜種過程中排種器運行穩定，負壓值穩定，此時種子受到吸附力、排種器對種子的支持力、摩擦力、慣性離心力和自身重力達到平衡，隨排種盤勻速轉動，此階段白蘿卜種子受力如圖3所示。其中，R 為型孔處離排種盤中心的半徑，mm；ω為排種器吸盤旋轉角速度，rad·s-1。對攜種過程種子受力分析如下。

式中，fq 為排種器與白蘿卜種子間的摩擦力，N；Fq 為白蘿卜種子受到的負壓吸附力，N；Fl 為白蘿卜種子所受到的離心力，N；α 為白蘿卜種子所受重力與吸附力的夾角，（°）。

攜種過程中吸附力利用公式（10）進行計算。

白蘿卜種子在攜種過程中，種子吸附姿態基本保持不變，此時所需最小負壓值（Pmin）計算如下。

1.2.3 投種階段種子受力分析

在排種過程中，排種盤攜帶種子轉出投種區，負壓作用消失，此時種子只受自身重力和慣性離心力，并且白蘿卜種子沿著排種盤切線方向做拋物運動，因白蘿卜種子體積較小，忽略空氣阻力的影響，對白蘿卜種子投種過程做運動學分析如圖4所示。

投種過程中白蘿卜種子受力分析如下。

式中，G 為白蘿卜種子重力，N；m 為白蘿卜種子重量，kg；Fl 為白蘿卜種子所受的離心力，N；α為白蘿卜種子投種夾角，（°）；ax 為水平方向的加速度，m·s-2；ay 為豎直方向的加速度，m·s-2。

排種過程中白蘿卜種子從投種點A 到著床點B 運動學分析如下。

式中，VA為白蘿卜種子投種點A的速度，m·s-1；VAx為白蘿卜種子投種點的水平分速度，m·s-1；VB為白蘿卜種子著床點B 的速度，m·s-1；VBx為白蘿卜種子著床時的水平方向分速度，m·s-1；VBy 為白蘿卜種子投種點豎直方向分速度，m·s-1；S 為白蘿卜種子水平位移，m；h 為白蘿卜種子投種高度，m；g 為重力加速度，m·s-2；t 為白蘿卜種子完成投種過程的時間，s。

由上式可得白蘿卜種子到達著床點B 的速度。

1.3 基于Fluent 排種盤結構優化

排種器是氣吸式白蘿卜播種裝置的核心部件，其排種性能直接影響到播種機的作業質量。負氣室內氣流分布情況直接影響到排種性能，而型孔尺寸對氣室的影響較大。因此本文利用Fluent軟件模擬型孔直徑對負壓氣流場的影響，分析不同型孔尺寸參數對負氣壓室氣流影響情況。

1.3.1 Fluent仿真模型建立

型孔形狀和型孔大小對排種過程影響較大[20]，本文選取不同型孔直徑對負壓氣流場模擬。為了便于觀察白蘿卜負氣壓室的流場情況，建立整個負壓區域的模型，如圖5所示。

利用三維軟件Solidworks建立不同直徑仿真模型，以x_t 格式文件保存。在 Workbench 中選擇 Geometry，將模型導入。由于本文流場仿真對象為負壓氣室，因此將型孔面設為壓力入口，模型導入后對仿真模型邊界命名為inlet；將空心軸連接風機的一端設為壓力出口，命名為outlet 并退出。

1.3.2 流場模型網格劃分

將1.3.1 的Geometry導入模型，利用求解器Fluent自動生產默認網格。為了提高仿真精度對排種器型孔進行網格密集細化處理，網格劃分如圖6所示，3種不同直徑網格數量如表2所示。設置邊界條件，將氣流入口壓力設置為0，出口設置為-5 000 Pa，殘差參數設為1×10-3，收精度為0.001，步數100。

1.3.4 排種器試驗驗證

為驗證白蘿卜種子氣吸式精量排種器的可靠性與可行性，采用本實驗室自行搭建的排種器性能檢測裝置。試驗臺主要由氣吸式排種器、雙福BDX-400 風機、MIK-Y290-XM-1-P2-M1-T1-Z 數字氣壓表（測量范圍為±0.6MPa）、信達電機10 A直流調速器，中大力德220 V交流電機、US52交流調速器和機架等組成。

2 結果與分析

2.1 型孔直徑和孔數的選擇

利用式（1）得出型孔直徑范圍為2.079～2.178 mm。傳統氣吸式排種盤直徑一般在140～260 mm[19]，考慮白蘿卜種子粒徑小和排種器內部結構布局，設計排種盤直徑為200 mm，厚度為3 mm，型孔分布直徑160 mm。根據公式（2），一般排種器的線速度不高于0.35 m·s-1，選取白蘿卜種子脫落時的速度0.3 m·s-1，作業速度1.6～2.5 m·s-1，株距0.25～0.30 m，計算得出白蘿卜排種盤孔組數范圍為9.21～17.27。根據排種盤線速度越低便于吸種的原則選取孔數Z=16。

2.2 排種運動過程受力分析

吸種過程中，種子的半徑越小，型孔對種子吸附力越大；吸盤的旋轉角速度越大，型孔對種子的吸附力越大；種子間摩擦角越大，型孔對種子的吸附力越大；種子質量越大，型孔對種子的吸附力越大。說明排種器在吸種過程中與白蘿卜種子物理特性、排種盤轉速和氣流參數等因素有關。

在攜種過程中可以忽略白蘿卜種子摩擦力和空氣阻力，并且沒有種子間的相互碰撞和擠壓。白蘿卜種子受力平穩，由充種和攜種2個過程所需最小負壓值可知，吸種區的負壓值遠大于攜種區，故確定排種器所需真空度負壓依據吸種最小負壓值來設計。

當白蘿卜種子到達著床位置時，可能會以一定的速度碰撞回彈，影響播種株距的準確性，由式（15）可知，白蘿卜種子著床速度與種子脫落排種盤時的速度、播種機前進速度和落種高度成正比。白蘿卜種子著床速度越大，種子碰撞回彈現象越嚴重，對株距穩定性影響越大。

2.3 不同型孔直徑對負氣壓室流場的影響

2.3.1 不同型孔直徑對負氣壓室整體流場的影響

壓力分布情況是評判氣流分布的重要指標，壓力的變化情況可以反映型孔內是否存在湍流。型孔在吸附白蘿卜種子時，種子所受到的吸附力與氣流速度有關，氣流速度越大，氣流對種子的吸附力越大，越利于排種器充種；湍動能會影響氣流分布均勻性。不同型孔直徑的整體負氣壓室氣流分布情況如圖7～9所示。可以看出，在3種不同型孔的負氣壓室，整體的壓力為-6.086×103～-6.307×103 Pa，其中型孔直徑為2.0 mm時，其負壓最大；由整體的速度云圖可以得出，最大流速均發生在型孔處，流速最小都發生在型孔最外沿處，其中型孔直徑2.5 mm的流速最大，達到86.46 m·s-1，型孔直徑2.5mm的流速最小，為6.176 m·s-1。

從整體流場壓力云圖（圖7）可以看出，吸種盤邊緣壓力最小，而最邊緣是離氣管接口最遠，說明離管道越遠的地方壓力越小。但是從整體上看壓力分布變化不明顯，說明不同直徑吸孔的改變不會影響氣室內壓力的分布，只能改變壓力的大小。所以當風機供壓不穩時氣室壓力分布才會有變化。

從整體流場速度云圖（圖8）可以看出，在不同直徑下，吸種孔內的氣體流速分布不變，吸種孔直徑的不同只會影響孔內流速大小，靠近氣室端的流速較大，與充種室相連的一端流速較小，并且充種室內幾乎沒有氣體流動。從吸種孔端面速度云圖可以看出，在不同直徑大小下，吸種孔內氣體流速大小分布與氣室壓力大小分布相同，在管道處的型孔內的流速較大，離管道最遠端流速最小。在負壓值和排種軸轉速相同的情況下，氣吸室內部動壓和速度云圖分布大致相同，均以吸孔為中心向周圍發散。由于孔徑取值較為接近，故吸孔附近流場分布狀況相似。

由整體流場湍動能云圖（圖9）可以看出，孔徑改變并未影響氣吸室內部動壓分布，動壓與速度云圖變化大致相同，數值隨著孔徑增大而降低，吸種孔內部動壓值和速度與孔徑成反比，故在滿足排種需求的前提下，應減小排種盤孔徑，在保證內部穩定流場的同時，還可以提高吸孔內部的吸附力。

2.3.2 不同型孔直徑對負氣壓室局部流場的影響

不同型孔直徑的局部流場分布如圖10～12所示，可以看出，負壓型孔在直徑為2.5 mm時出現湍急情況，氣壓分布不均勻，其余2 種直徑型孔湍急部分較小，壓力分布均勻；對比直徑2.0和2.2 mm型孔，后者湍流情況較小，氣流分布情況優于其他2 種直徑型孔。故選取型孔直徑為2.2 mm。

不同氣孔直徑下的流場差異不大，通過型孔的氣流速度沒有很大的區別，氣流速度都是在型孔中心處取得最大值（圖10）；型孔處的氣流速度呈半球形分布，并且氣流流速的最大值出現在型孔中心，軸心處的氣流速度最小，往型孔方向氣流速度逐漸增大（圖11）；排種器工作時能夠保持較高的壓強，壓力主要分布在型孔附近，呈半球形分布，且型孔中心壓力最小，但壓力梯度不高（圖12）。

2.4 排種器驗證結果分析

通過大量預試驗確定了白蘿卜氣吸式排種器最佳工作的轉速為30.54 r·min-1，負氣壓室氣壓為6.58 kPa，由臺架驗證試驗得出：排種器單粒合格指數95.61%，漏播指數為0.64%，重播指數為2.04%。根據實際工作情況，選擇負氣壓室氣壓6.50 kPa，排種器轉30 r·min-1，在此工作參數下再次進行排種器排種性能測試，在相同條件下重復實驗5次，得到平均單粒合格指數為94.10%，漏播指數為1.75%，重播指數為0.78%，表明本研究設計的排種器滿足白蘿卜精量播種要求。

3 討論

目前，市場上的氣吸式型孔形狀大多數采用倒角型，李金鳳[20]利用Fluent對氣吸式小粒徑排種器直筒型型孔、空竹型型孔、倒角型型孔、錐角型型孔和沉頭型型孔5種型孔的氣室流場特征對比，得出倒角型型孔動靜氣壓分布均勻，效果最佳。并對倒角型型孔不同倒角角度進行氣室流場分析，得出60°倒角效果最佳。故本文型孔形狀選擇倒角型，倒角為60°。由于不同種子形狀大小不一，其型孔直徑差異較大。型孔的結構參數對于排種器能否實現精量排種起著至關重要的作用，其型孔直徑太大，無法保障單粒播種，重播率增大；型孔直徑過小，導致型孔負壓不足，使漏播率增大。

基于國內外已有氣力式排種器發展現狀，針對我國小粒徑氣吸式精密排種器具裝備上存在的通用性差、結構復雜、合格率低等主要問題，本文基于Fluent軟件通過改變孔徑來研究排種器內部流場變化，確定了排種性能較好情況時的型孔直徑，通過預試驗確定了負氣壓室氣壓、排種盤轉速等作業參數，并借助臺架試驗驗證排種器可靠性，表明優化后的小粒徑白蘿卜種子氣吸式精量排種器作業效果顯著提升。該排種器克服了傳統排種器作業速度低、作業效率低及浪費種子等問題，且結構設計簡單，大大提高了排種器的通用性，對于提高精量播種機作業性能和促進播種機械化生產具有重要的意義。實際作業中，影響排種性能的因素較多，后續有待進一步研究吸孔直徑，排種器結構、排種器轉速等因素對排種性能的影響，以期提高小粒徑播種效率；同時，通過計算耦合模型，并考慮白蘿卜種之間的相互作用以及白蘿卜種與排種器壁面的摩擦等因素，使得數值模擬與實際情況更接近。

參 考 文 獻

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（責任編輯：溫小杰）

基金項目：重慶市教委教育委員會科學技術研究計劃青年項目（KJQN202103509）。