基于计算机仿真的气吸式谷子精量排种器设计

池丹丹， 杜 雄， 赵晓顺， 郭超龙， 桑永英

(1.唐山科技职业技术学院，河北唐山 063000； 2.河北农业大学机电工程学院，河北保定 071001)

谷子作为杂粮之首，含有丰富的蛋白质、脂肪、碳水化合物、粗纤维和多种微量元素，其粗蛋白质平均含量是 11.42%，具有丰富的营养价值[1]。谷子在我国北方的种植面积占粮食作物播种面积的10%～15%，仅次于小麦、玉米，居第3位。但由于谷子生长发育的特殊农艺要求，为不影响种子出苗，保证苗全、苗壮，目前仍然沿用传统的大播量条播方式，不仅浪费种子，而且使得谷子苗期的人工间苗劳动强度大，用工成本高[1-3]。因此，谷子穴播播种是发展谷子生产的核心和关键环节，在推广优种过程中，亟须研究相关的穴播播种关键技术和装备，以提高播种质量，实现省种和降低间苗劳动强度的目的。排种器是影响播种机播种精密性的关键部件[4-6]，目前常用的排种器分为机械式和气力式2种，而气力式排种器又分为气吸式、气压式和气吹式。我国常用的气吸式排种器主要用于播种玉米，播种谷子的排种器多为槽轮式或窝眼式排种器，但由于谷子籽粒体形极小、千粒质量小、播种量小，此类排种器不易控制播种量，容易堵塞，伤种率高[7]，对播种均匀性、稳定性有不利影响，很难达到谷子优质精播的目的[8-9]。试验证明，气吸式排种器的排种性能远远优于机械式排种器，它具有省种、不伤种并且对不同尺寸的种子有良好通用性以及播种均匀性高、易实现精量播种等诸多优点[10]。

国外成熟的气力式精量播种作业机械主要用于播种玉米、大豆等中耕作物，如法国MONOSEM公司生产的 NG PLUS 系列和MONOSEMNC系列的气吸式播种机、美国的John-Deere 1700系列气吸式精量播种机、德国阿玛松公司生产的ED系列气吸式单粒精量播种机等[11-13]。国外对小麦、谷子等条播作物的气力式精量播种机械进行了长期的研究，其中气流一阶分配式集排排种系统被大量应用在田间小区试验的谷物条播机上，排种器的性能可满足高速作业精量播种的要求，但未见到在大田中进行规模化播种作业[14-17]。我国对中耕作物气力式精量播种机械的研究也已比较成熟，但谷子精量播种机主要以机械式为主，如采用窝眼式排种器的播种机、山西省运城市农机局与运城市施肥播种机厂共同研究设计的采用往复式排种器的播种机、山西农业大学发明的异型螺旋槽式精少量播种机、陕西省宝鸡市农业科学研究所研制的多功能精量排种器等。廖庆喜等设计的内充气吹式油菜精量排种器，其充种与清种机制仍然是机械式的结构形式，伤种率必然高于气吸式充种结构，只是在投种时利用了气吹原理[4]。郭超永设计的另外一类油菜精量排种器采用的是气吸和气吹联合排种原理，正压区和负压区通过气室隔板隔开，需要严格的密封性，设计结构复杂，加工制造成本高[18]。针对谷子具有粒径小、质量轻、形状不规则等特殊的物理特性，研究一种气吸式谷子精量穴播机，旨在有效解决吸种型孔堵塞及种子破损问题，并实现谷子精量播种。

1 排种器的结构与工作原理

1.1 排种器结构

排种器主要由气室体、气室盖、排种盘、中心轴、密封圈、轴承、传动齿轮和清种装置等结构组成，其整体结构如图1所示。排种盘的一侧为种子室，用于盛放即将播种的谷种，另一侧为气室体，通过密封圈密封。排种盘的吸种孔采用组孔形式，即沿圆周方向开有18组圆孔，每组5个吸种圆孔。清种刷用于清除小孔内被吸附的杂质和小粒谷种，以避免长期作业后种孔堵塞。挡种刷可阻挡种室内小粒谷种的下漏，同时减少摩擦。

1.2 排种器工作原理

如图2所示，谷种随排种盘的运动可分为充种区、携种区、投种区等3个工作区段。吸种孔处于种子室区域时即为充种区，在充种区，由于真空吸力的作用谷种被吸附在吸种孔组上，随排种盘的转动脱离种子室，实现充种；充种完成后，谷种随排种盘经过携种区进入投种区，此时负压消失，在重力作用下，谷种自动落入种沟内，落种区的清种刷将吸孔组内的杂质和小粒谷种清理掉，为下一个循环吸种孔吸附谷种提供可靠保证。

2 排种器的气室流场仿真分析

2.1 边界条件设置

首先运用SolidWork建立排种器的三维立体模型，然后将排种器模型导入有限元分析软件ANSYS FLUENT中。将模型的面分成in、out、wall等3个部分，以方便边界条件的加载，其中in为气流入口，压力值为标准大气压，out为气流出口，设置压力值为-1.5 kPa。采用非结构化四面体网格结构，运用Mesh功能对模型进行网格划分。选择流体域为气体，定常密度，标准K-ε湍流模型。

2.2 结果与分析

2.2.1 压力场计算与分析 由图3至图5可知，吸种孔径为1.6 mm的排种器气室模型的充种区(图中模型右侧区域)压力场较稳定，这有利于充种区可靠充种，同时可提高每组吸孔吸种数量的一致性和稳定性，进而降低空穴率，提高穴粒数合格率。

2.2.2 速度场计算与分析 由图6-a、图7-a、图8-a对比分析可知，随着孔径的增大，相邻孔之间的流速干扰比较明显，而且气室内回流(图中下面区域中向上的箭头)强度增大。由图6-b、图7-b、图8-b对比分析可知，相同负压下，吸种孔径越大，气流的横向流动速度越大，孔之间及孔组之间气流的干涉越强，气流越不稳定，出现大量旋涡和回流。这些现象在充种区会影响充种的可靠性，在携种区会影响吸种的稳定性。

通过对不同孔径排种器流场的压力场和速度场的仿真对比分析，确定将1.6 mm孔径的排种器用于后面的台架试验。

3 排种器台架试验

3.1 试验材料与装置

试验所用材料为包衣谷子8311-14，其物理特性参数为球形度97.53%，千粒质量14.16 g，自然休止角24°。试验用装置为1.6 mm吸种孔直径的排种器1套，试验设备是JPS-12计算机视觉排种器试验台，其实物如图9所示。包衣谷子在种床带上的落种分布情况如图10所示。

3.2 试验评价指标

依据NY/T 987—2006《铺膜穴播机 作业质量》和DB11/T 459—2007《蔬菜穴播播种机技术条件》，穴距以理论穴距 ±15 mm 为合格，若大于1.5倍理论穴距，则为空穴。根据农艺要求，每穴3～5粒谷种，多于5粒或少于3粒为不合格。本试验确定穴粒数合格率、穴距合格率、空穴率及穴距变异系数为排种器性能评价指标。每行测定不少于30个穴距，本试验测定穴数f=50。

穴距标准差：

(1)

式中：n为穴数；Xi为各穴距；X为穴距平均值。

当n<30时，式中分母取n-1；当n≥30时，式中分母取n。此处n=f=50，因此分母取n。

穴距变异系数：

(2)

穴粒数合格率：

(3)

式中：Lh为穴粒数合格的穴数。

穴距合格率：

(4)

式中：Xh为穴距合格数。

空穴率：

(5)

式中：Kh为空穴数。

本试验设定种床带运行速度为3 km/h，当播种距离较长时，理论穴距Xr为：

(6)

式中：v为种床带运行速度，此处为3 km/h；N为排种盘吸种孔组数，此处为18组。

3.3 试验方案与结果分析

试验台台架试验主要研究对排种性能影响比较大的排种器转速、气室真空度等2个参数对穴粒数合格指数、穴距合格指数、空穴指数及穴距变异系数等4个指标的影响。确定在实际作业过程中风机负压和排种器转速的合理取值范围。每组试验均重复进行3次，取平均值。

3.3.1 负压对排种器性能指标的影响 本试验设定种床带前进速度为3 km/h，吸种孔径为1.6 mm，排种轴转速为 28 r/min，并设置-0.4、-0.6、-0.8、-1.0、-1.2 kPa等5个负压水平。由表1可知，真空负压为 -0.8～-0.6 kPa 时，穴粒数合格率和穴距合格率较大，空穴率和穴距变异系数较小。可见，负压为-0.8～-0.6 kPa 时，排种器的排种性能相对较好。

表1 不同真空负压下排种器性能评价指标

3.3.2 排种轴转速对排种器性能指标的影响 本试验设定种床带前进速度3 km/h，吸种孔径1.6 mm，真空负压为 -0.8 kPa，并设置18、22、26、30、34 r/min等5个排种轴转速水平。由表2可知，排种轴转速为26～30 r/min 时，穴粒数合格率和穴距合格率较大，空穴率较小，穴距变异系数在 26 r/min 时偏大。根据农艺要求，为了解决人工间苗费时费力问题，以及保证可靠出苗，将穴距合格率、穴位数合格率和空穴率作为主要考核指标。在实际播种作业时，排种轴转速取26～30 r/min时，排种器的排种性能相对较好。

表2 不同排种轴转速下排种器性能评价指标

4 结论

利用真空负压原理，设计一种用于包衣谷子穴播的新型排种器，排种器吸孔采用每组多孔的形式，改变了传统的谷子条播作业方式，解决了谷子间苗花费大量人工的难题。

通过对排种器模型的仿真分析，对比分析压力云图和流速矢量图可知，1.6 mm孔径的排种器流场较稳定，有利于提高吸排种的稳定性和均匀性。

台架试验结果表明，真空负压值、排种器转速分别为 -0.8～-0.6 kPa、26～30 r/min时，排种器的穴粒数合格率、穴距合格率、空穴率及穴距变异系数较理想，可满足行业标准及农艺要求。

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