基于計算機仿真的氣吸式谷子精量排種器設計

池丹丹， 杜 雄， 趙曉順， 郭超龍， 桑永英

(1.唐山科技職業技術學院，河北唐山 063000； 2.河北農業大學機電工程學院，河北保定 071001)

谷子作為雜糧之首，含有豐富的蛋白質、脂肪、碳水化合物、粗纖維和多種微量元素，其粗蛋白質平均含量是 11.42%，具有豐富的營養價值[1]。谷子在我國北方的種植面積占糧食作物播種面積的10%～15%，僅次于小麥、玉米，居第3位。但由于谷子生長發育的特殊農藝要求，為不影響種子出苗，保證苗全、苗壯，目前仍然沿用傳統的大播量條播方式，不僅浪費種子，而且使得谷子苗期的人工間苗勞動強度大，用工成本高[1-3]。因此，谷子穴播播種是發展谷子生產的核心和關鍵環節，在推廣優種過程中，亟須研究相關的穴播播種關鍵技術和裝備，以提高播種質量，實現省種和降低間苗勞動強度的目的。排種器是影響播種機播種精密性的關鍵部件[4-6]，目前常用的排種器分為機械式和氣力式2種，而氣力式排種器又分為氣吸式、氣壓式和氣吹式。我國常用的氣吸式排種器主要用于播種玉米，播種谷子的排種器多為槽輪式或窩眼式排種器，但由于谷子籽粒體形極小、千粒質量小、播種量小，此類排種器不易控制播種量，容易堵塞，傷種率高[7]，對播種均勻性、穩定性有不利影響，很難達到谷子優質精播的目的[8-9]。試驗證明，氣吸式排種器的排種性能遠遠優于機械式排種器，它具有省種、不傷種并且對不同尺寸的種子有良好通用性以及播種均勻性高、易實現精量播種等諸多優點[10]。

國外成熟的氣力式精量播種作業機械主要用于播種玉米、大豆等中耕作物，如法國MONOSEM公司生產的 NG PLUS 系列和MONOSEMNC系列的氣吸式播種機、美國的John-Deere 1700系列氣吸式精量播種機、德國阿瑪松公司生產的ED系列氣吸式單粒精量播種機等[11-13]。國外對小麥、谷子等條播作物的氣力式精量播種機械進行了長期的研究，其中氣流一階分配式集排排種系統被大量應用在田間小區試驗的谷物條播機上，排種器的性能可滿足高速作業精量播種的要求，但未見到在大田中進行規?；シN作業[14-17]。我國對中耕作物氣力式精量播種機械的研究也已比較成熟，但谷子精量播種機主要以機械式為主，如采用窩眼式排種器的播種機、山西省運城市農機局與運城市施肥播種機廠共同研究設計的采用往復式排種器的播種機、山西農業大學發明的異型螺旋槽式精少量播種機、陜西省寶雞市農業科學研究所研制的多功能精量排種器等。廖慶喜等設計的內充氣吹式油菜精量排種器，其充種與清種機制仍然是機械式的結構形式，傷種率必然高于氣吸式充種結構，只是在投種時利用了氣吹原理[4]。郭超永設計的另外一類油菜精量排種器采用的是氣吸和氣吹聯合排種原理，正壓區和負壓區通過氣室隔板隔開，需要嚴格的密封性，設計結構復雜，加工制造成本高[18]。針對谷子具有粒徑小、質量輕、形狀不規則等特殊的物理特性，研究一種氣吸式谷子精量穴播機，旨在有效解決吸種型孔堵塞及種子破損問題，并實現谷子精量播種。

1 排種器的結構與工作原理

1.1 排種器結構

排種器主要由氣室體、氣室蓋、排種盤、中心軸、密封圈、軸承、傳動齒輪和清種裝置等結構組成，其整體結構如圖1所示。排種盤的一側為種子室，用于盛放即將播種的谷種，另一側為氣室體，通過密封圈密封。排種盤的吸種孔采用組孔形式，即沿圓周方向開有18組圓孔，每組5個吸種圓孔。清種刷用于清除小孔內被吸附的雜質和小粒谷種，以避免長期作業后種孔堵塞。擋種刷可阻擋種室內小粒谷種的下漏，同時減少摩擦。

1.2 排種器工作原理

如圖2所示，谷種隨排種盤的運動可分為充種區、攜種區、投種區等3個工作區段。吸種孔處于種子室區域時即為充種區，在充種區，由于真空吸力的作用谷種被吸附在吸種孔組上，隨排種盤的轉動脫離種子室，實現充種；充種完成后，谷種隨排種盤經過攜種區進入投種區，此時負壓消失，在重力作用下，谷種自動落入種溝內，落種區的清種刷將吸孔組內的雜質和小粒谷種清理掉，為下一個循環吸種孔吸附谷種提供可靠保證。

2 排種器的氣室流場仿真分析

2.1 邊界條件設置

首先運用SolidWork建立排種器的三維立體模型，然后將排種器模型導入有限元分析軟件ANSYS FLUENT中。將模型的面分成in、out、wall等3個部分，以方便邊界條件的加載，其中in為氣流入口，壓力值為標準大氣壓，out為氣流出口，設置壓力值為-1.5 kPa。采用非結構化四面體網格結構，運用Mesh功能對模型進行網格劃分。選擇流體域為氣體，定常密度，標準K-ε湍流模型。

2.2 結果與分析

2.2.1 壓力場計算與分析 由圖3至圖5可知，吸種孔徑為1.6 mm的排種器氣室模型的充種區(圖中模型右側區域)壓力場較穩定，這有利于充種區可靠充種，同時可提高每組吸孔吸種數量的一致性和穩定性，進而降低空穴率，提高穴粒數合格率。

2.2.2 速度場計算與分析 由圖6-a、圖7-a、圖8-a對比分析可知，隨著孔徑的增大，相鄰孔之間的流速干擾比較明顯，而且氣室內回流(圖中下面區域中向上的箭頭)強度增大。由圖6-b、圖7-b、圖8-b對比分析可知，相同負壓下，吸種孔徑越大，氣流的橫向流動速度越大，孔之間及孔組之間氣流的干涉越強，氣流越不穩定，出現大量旋渦和回流。這些現象在充種區會影響充種的可靠性，在攜種區會影響吸種的穩定性。

通過對不同孔徑排種器流場的壓力場和速度場的仿真對比分析，確定將1.6 mm孔徑的排種器用于后面的臺架試驗。

3 排種器臺架試驗

3.1 試驗材料與裝置

試驗所用材料為包衣谷子8311-14，其物理特性參數為球形度97.53%，千粒質量14.16 g，自然休止角24°。試驗用裝置為1.6 mm吸種孔直徑的排種器1套，試驗設備是JPS-12計算機視覺排種器試驗臺，其實物如圖9所示。包衣谷子在種床帶上的落種分布情況如圖10所示。

3.2 試驗評價指標

依據NY/T 987—2006《鋪膜穴播機 作業質量》和DB11/T 459—2007《蔬菜穴播播種機技術條件》，穴距以理論穴距 ±15 mm 為合格，若大于1.5倍理論穴距，則為空穴。根據農藝要求，每穴3～5粒谷種，多于5?；蛏儆?粒為不合格。本試驗確定穴粒數合格率、穴距合格率、空穴率及穴距變異系數為排種器性能評價指標。每行測定不少于30個穴距，本試驗測定穴數f=50。

穴距標準差：

(1)

式中：n為穴數；Xi為各穴距；X為穴距平均值。

當n<30時，式中分母取n-1；當n≥30時，式中分母取n。此處n=f=50，因此分母取n。

穴距變異系數：

(2)

穴粒數合格率：

(3)

式中：Lh為穴粒數合格的穴數。

穴距合格率：

(4)

式中：Xh為穴距合格數。

空穴率：

(5)

式中：Kh為空穴數。

本試驗設定種床帶運行速度為3 km/h，當播種距離較長時，理論穴距Xr為：

(6)

式中：v為種床帶運行速度，此處為3 km/h；N為排種盤吸種孔組數，此處為18組。

3.3 試驗方案與結果分析

試驗臺臺架試驗主要研究對排種性能影響比較大的排種器轉速、氣室真空度等2個參數對穴粒數合格指數、穴距合格指數、空穴指數及穴距變異系數等4個指標的影響。確定在實際作業過程中風機負壓和排種器轉速的合理取值范圍。每組試驗均重復進行3次，取平均值。

3.3.1 負壓對排種器性能指標的影響 本試驗設定種床帶前進速度為3 km/h，吸種孔徑為1.6 mm，排種軸轉速為 28 r/min，并設置-0.4、-0.6、-0.8、-1.0、-1.2 kPa等5個負壓水平。由表1可知，真空負壓為 -0.8～-0.6 kPa 時，穴粒數合格率和穴距合格率較大，空穴率和穴距變異系數較小?？梢?，負壓為-0.8～-0.6 kPa 時，排種器的排種性能相對較好。

表1 不同真空負壓下排種器性能評價指標

3.3.2 排種軸轉速對排種器性能指標的影響 本試驗設定種床帶前進速度3 km/h，吸種孔徑1.6 mm，真空負壓為 -0.8 kPa，并設置18、22、26、30、34 r/min等5個排種軸轉速水平。由表2可知，排種軸轉速為26～30 r/min 時，穴粒數合格率和穴距合格率較大，空穴率較小，穴距變異系數在 26 r/min 時偏大。根據農藝要求，為了解決人工間苗費時費力問題，以及保證可靠出苗，將穴距合格率、穴位數合格率和空穴率作為主要考核指標。在實際播種作業時，排種軸轉速取26～30 r/min時，排種器的排種性能相對較好。

表2 不同排種軸轉速下排種器性能評價指標

4 結論

利用真空負壓原理，設計一種用于包衣谷子穴播的新型排種器，排種器吸孔采用每組多孔的形式，改變了傳統的谷子條播作業方式，解決了谷子間苗花費大量人工的難題。

通過對排種器模型的仿真分析，對比分析壓力云圖和流速矢量圖可知，1.6 mm孔徑的排種器流場較穩定，有利于提高吸排種的穩定性和均勻性。

臺架試驗結果表明，真空負壓值、排種器轉速分別為 -0.8～-0.6 kPa、26～30 r/min時，排種器的穴粒數合格率、穴距合格率、空穴率及穴距變異系數較理想，可滿足行業標準及農藝要求。

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