棉花氣吸式排種機構的優化

馮洋洋 紀 超 陳金成 史 嵩 陳學庚，4*

(1.青島農業大學 機電工程學院，山東 青島 266109； 2.新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆 石河子 832000； 3.山東省農業機械科學研究院，濟南 250100； 4.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

目前，我國棉花排種機構以指夾式為主，驅動方式多為地輪驅動，其作業速度低，精度差，已不再適應高速精密播種技術[1-3]的發展。由電機驅動的氣吸式排種機構可避免因地輪打滑導致的排種精度不高的問題，已廣泛應用于玉米、大豆等播種機具上，而適用于棉花播種的電機驅動氣吸式排種機構鮮有報道。

國內外對棉花排種機構的研究主要集中在關鍵部件結構設計、流場模擬仿真分析[4-8]、作業性能試驗探究等方面，已有研究對電驅氣吸式排種機構的電控系統進行分析編程和虛擬樣機仿真，初步實現了棉花精量播種的目的。國外Singh R C等[9]對氣吸式排種器的結構參數和工作參數進行了優化，得到較優參數組合；美國Precision Planting公司研制的排種機構在作業速度為16 km/h時仍有良好的排種性能[10-13]，但購買成本較高，維修困難，在我國難以普及。國內對電驅氣吸棉花播種的研究相對較少，康施為[14]采用FLUENT分析了滾筒式排種器流場分布及特性，得出滾筒負壓大小只影響型孔處的速度，型孔直徑大小對型孔處流體速度有一定影響；倪向東等[15]采用陣列吸孔吸種、側向氣吹清種等方式，對排種器結構進行設計，可實現側向吸種與充種。綜上，國內對棉花電驅氣吸式排種機構的研發均在樣機開發階段，流場仿真及關鍵部件結構參數仍需深入研究[16]。

本研究擬采用理論與流體仿真相結合的方法，對排種盤型孔類型和結構參數進行優化，以期為棉花電驅氣吸式排種機構的設計提供理論支撐。

1 排種機構整體結構與工作原理

1.1 整體結構

電驅氣吸式排種器結構主要由種室側外殼、擋種毛刷、清種刀、風壓室軟帶、風壓室側外殼、吸氣管、驅動軸、排種盤、落種調節板組成(圖1)。其中，吸種管通過螺栓固定在風壓室側外殼上，風壓室軟帶內嵌在與之結構相似的凹槽內，自身材料特性可保證封閉性，清種刀緊貼排種盤，并與種室側外殼通過螺釘固定，擋種毛刷安放在清種刀右下方，保證脫落種子不會被排出，排種盤與驅動軸通過3個圓孔定位，作業時同軸轉動。

1.種室側外殼；2.擋種毛刷；3.清種刀；4.風壓室軟帶；5.風壓室側外殼；6.吸氣管；7.驅動軸；8.排種盤；9.落種調節板；10.進種口1.Seed shell; 2.Blocking brush; 3.Clear seed knife; 4.Wind pressure chamber; 5.Wind pressure shell; 6.Imported tube; 7.Drive shaft; 8.Seed disk; 9.Planting adjustment board; 10.Entrance into the seed圖1 棉花排種器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of cotton seed metering device

1.2 工作原理

排種機構工作原理見圖2。按工作過程可分為充種、清種、排種和清孔過程[17-18]，對應的區域分別為充種區、清種區、排種區和清孔區，排種盤邊緣齒輪與電機輸出齒輪相互嚙合，并隨電機驅動而順時針轉動。

Ⅰ.充種區；Ⅱ.清種區；Ⅲ.排種區；Ⅳ.清孔區Ⅰ. Seed filling area; Ⅱ. Seed clearing area; Ⅲ. Seeding area; Ⅳ. Clearing hole area圖2 排種器工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of seed metering device

充種過程：種子在進入排種器種室后，受到排種盤的擾動以及風壓吸力作用產生速度，當種子進入氣流控制范圍內，種子逐漸被吸附在排種盤型孔上。

清種過程：為實現單粒精量排種，吸附多粒種子的型孔在轉至清種區后，受到清種刀的阻礙，可使受力不穩定的種子脫落，而單粒種子因受力均勻可以穩定通過，進而實現完成清種作業后每個型孔只保留1粒棉花種子，同時在清種區末端，由清種刀尾部曲線矯正種子方向，使種子按照統一方向排出，以提高排種精度。

排種過程：種子進入到排種區后，不在受到風壓吸力作用，靠自身重力作用由排種口排出，完成1次有效排種。

清孔過程：完成1次排種后，部分型孔會被較小顆粒堵塞，若不及時清孔會造成下次難以充種，在清孔區，微小顆粒在排種盤轉動及整體振動下自動脫落，以此完成清孔。

2 關鍵部件優化與仿真分析

排種盤外圍由齒輪構成，與驅動電機輸出軸齒輪相互嚙合，檢測系統通過傳感器檢測機具前進速度，對驅動電機轉速進行調節，進而實時調節排種盤，達到精確穩定排種的目的。排種盤是排種機構核心部件[19]，其型孔大小、型孔數、種盤大小以及風壓等參數直接影響充種質量，因此本研究對以上參數進行優化，并對型孔流場進行仿真。

2.1 型孔大小、總數及種盤直徑

型孔直徑大小影響型孔風壓大小及吸種能力，直徑過小，風壓不足，吸種困難，則漏播嚴重；直徑過大，壓力較大，會吸附多粒種子且清種困難，則重播率較高。一般情況下，型孔直徑為種子最小直徑0.6倍左右[20]。播種速度、排種盤轉速、型孔數和株距之間的關系為：

vs=npSZ

(1)

式中：vs為播種速度，m/s；np為排種盤轉速，r/s；S為株距，m；Z為型孔數。

由式(1)可以看出，當播種速度恒定時，型孔數與排種盤轉速成反比，若轉速較高，則會使已吸附的種子受到較大離心力，導致吸附不穩定的種子脫落，因此為避免種子在種盤上被甩出，應盡量減小排種盤轉速，即增加型孔數。

相鄰型孔之間的轉角見圖3，可見排種盤直徑由型孔數目和型孔間距直接確定。相鄰型孔之間的轉角θ=360/Z，其中相臨兩個型孔中心距l應大于種子最大尺寸。根據棉花種子特性[21]，測量得到棉花種子的三軸尺寸為4 mm×5 mm×9 mm，所以l>9 mm，本研究取l=15 mm。由余弦定理可知：

式中：R為型孔與排種盤中心距，mm；l為相鄰型孔中心距，mm；θ為相鄰型孔轉角，(°)。

為保證少量種子有效充種，型孔中心與齒輪分度圓間距約為種子最短軸徑的2～3倍，本研究采用12 mm。最后確定，型孔吸種口直徑2.4 mm，型孔數45個，型孔中心到排種盤中心距離為71 mm，分度圓半徑為83 mm。

O為排種盤中心；M和N為兩相鄰型孔中心；R為型孔與排種盤中心距；l為相鄰型孔中心距；θ為相鄰型孔轉角。O is the center of the seeding disc; M and N are the centers of two adjacent holes; R is the center distance between the hole and the seeding disc; l is the center distance of adjacent holes; θ is the corner of adjacent holes.圖3 排種盤相鄰型孔位置和轉角示意圖Fig.3 Schematic diagram of the relationship between adjacent hole positions and angles one the plate

2.2 型孔類型及仿真分析

2.2.1型孔類型

當風壓相同，型孔吸種側軸徑相同情況下，不同類型的型孔導致不同壓力差，嚴重影響種子吸附狀態。本研究選用4種類型的型孔：A型孔為簡單圓柱型孔；B和C型孔為目前廣泛的圓錐型孔和圓柱與圓錐相結合型孔；D型孔為弧線狀型孔。為便于分析，分別以x軸作為型孔長度，y軸作為型孔軸徑建立xoy平面坐標系，并通過坐標以表達式的形式體現出來(圖4)。為保證出口氣壓相同，將4個型孔流體出口均勻連接到同一個風壓室。

圖4 4種型孔曲線及表達式Fig.4 Four types of hole curves and expressions

以C型孔排種盤為例，在充種過程，種子受到多種力的共同作用，主要由自身重力、風壓吸力、種盤對種子合力和種群干擾力(圖5)。隨著種盤的轉動，種群相對運動，在型孔附近的種子會受到風壓吸力作用，當朝向型孔的合力大于其他作用合力時，種子逐漸加速向型孔靠攏，進而被完全吸附。此時種子受力平衡，隨排種盤同步轉動，其力學方程為：

化簡得：

F吸=G+F合(cosβ-sinβ)+F種(cosα-sinα)

(2)

式中：G為種子自身重力，N；F合為排種盤對種子合力，N；F種為種子干擾力，N；α：種群擾動力與豎直方向的夾角，(°)；β：排種盤對種子的合力與水平方向的夾角，(°)。

從式(2)可以看出，風壓吸力與種子自身重力、種群干擾力和排種盤對種子合力相關，若吸力過小則會導致種子失去平衡甚至脫落，因此風壓吸力對充種至關重要。

1.種子；2.排種盤；3.型孔F吸，風壓吸力；F種，種群擾動力；F合，排種盤對種子合力；G，種子重力；α，種群擾動力與豎直方向的夾角；β，排種盤對種子的合力與水平方向的夾角1. Seed; 2. Seeding tray; 3. HoleF吸, wind pressure suction; F種, population disturbance force; F合, the resultant force of the seeding plate on the seed; G, seed gravity; α, The angle between the population disturbance force and the vertical direction; β, The angle between the resultant force of the seeding plate on the seed and the horizontal direction圖5 吸附種子受力分析Fig.5 Force analysis diagram of adsorbed seeds

2.2.2仿真分析

根據已確定的型孔函數曲線，使用Solid Works建立型孔模型，并導入GAMBIT進行六面體網格劃分，確定邊界條件為壓力進口和壓力出口，并導出網格文件，如圖6所示。完成網格劃分后，將網格文件導入FULENT中進行流體仿真分析。

圖6 4種型孔網格劃分圖Fig.6 Schematic diagram of meshing of four types of holes

仿真的主要目的是觀察不同型孔的壓力變化情況，并分析產生不同變化的原因，最終得出風壓較優的型孔。本仿真流體為不可壓縮非定常牛頓流體[22]。選擇層流或湍流的關鍵指標是雷諾數Re[23]，計算公式為：

式中：ν0為流體速度，本研究約為10 m/s(已通過流速檢測器檢測)；d為型孔入口當量直徑，0.024 m；μ為流體的動力粘度，本研究為1.8×10-5Pa·s；ρ為流體密度，本研究為1.24 kg/m3。

當Re<2 000時為層流，Re>4 000時為湍流，2 000≤Re≤4 000時為過渡狀態。由計算可知Re約為13 423，遠大于4 000，因此本研究流體為湍流模型。

在FULENT中選用標準k-ε模型[24]，忽略重力影響，流體為氣體，進口邊界壓力為0，出口邊界風壓力為-5 kPa，收斂精度設為1×10-4，進行初始化，時間步長為1×10-3s，總的時間步為3 000，總時間t=3 s，最大收斂步數為100，進行計算。

2.2.3仿真結果分析

取t=1.5 s時的仿真結果進行分析，在后處理程序中截取并顯示型孔縱向平面和風壓入口平面壓力云圖(圖7)?？梢?，當出口壓力一定時，A型孔壓力逐漸減小，B型孔、C型孔和D型孔壓力逐漸增大。對比發現，A型孔入口和出口口徑一樣，孔壁阻尼造成壓力呈遞減趨勢；B型孔、C型孔和D型孔由于氣體出口口徑大于入口口徑，在出口壓力不變時，氣壓由出口到入口逐漸增大； B型孔壓力增加幅度最大，但入口壓力不均勻，易造成種子擺動幅度較大，甚至脫落；C型孔入口壓力相對均勻，但其轉折處壓力損失巨大，導致入口壓力遠遠低于B型孔入口壓力；而D型孔結合B型孔和C型孔優點，既保證了較大的入口壓力，也保證了入口壓力的均勻性，具有明顯優勢。

圖7 4種型孔截面壓力云圖Fig.7 Pressure cloud diagram of four types of hole section

3 試驗驗證

3.1 試驗材料及裝置

為驗證不同型孔排種盤的充種性能，針對A型孔、B型孔、C型孔和D型孔排種盤展開臺架試驗。試驗材料為晉棉38號品種，千粒重105.43 g，含水率11.5%，橢球型，平均軸徑4 mm×5 mm×9 mm。

本研究使用山東農業機械研究院室內試驗臺(圖8)，該試驗臺采用調頻異步電機，轉速100～1 400 r/min，風機為渦流，風壓范圍0～25 kPa。

1.已被吸附的種子；2.正在被吸附的種子；3.未被吸附的種子；4.排種盤1.Seeds that have been adsorbed; 2.Seeds that are being adsorbed; 3.Seeds that are not adsorbed; 4.Seed plate圖8 排種器性能檢測試驗臺Fig.8 Seed metering device performance test bench

3.2 試驗方法及指標

由于播種速度與風壓大小是影響播種質量的關鍵因素，以兩者為試驗因素對A型孔、B型孔、C型孔和D型孔排種盤充種性能分別進行單因素試驗，播種速度使用目前較高速度10～14 km/h，風壓采用常用負壓值3.5～5.5 kPa，共5個水平(表1)。對試驗結果進行分析，找出充種性能較優的排種盤，并對其進行二因素全水平試驗。

表1 4種型孔排種盤作業性能單因素試驗因素和水平Table 1 Single factor test factors and level of operationperformance of four types of hole metering discs

根據GB/T 6973—2013《單粒(精密)播種機試驗方法》，對每組試驗進行3次，取平均值進行分析。使用高速攝影機拍攝清種刀前端，檢測轉過的吸附多粒棉籽的型孔數、未吸附棉籽的型孔數和總的型孔數。以多充率和漏充率為試驗指標，計算公式為：

式中：Dc為棉籽多充率，%；Mc為棉籽漏充率，%；n1為吸附多粒棉籽的型孔數；n2為未吸附棉籽型孔數；Nc為檢測型孔總數。

3.3 試驗結果分析

3.3.1單因素試驗

針對A型孔、B型孔、C型孔和D型孔排種盤，對排種機構充種性能進行單因素試驗，以得到較優播種速度與風壓。當播種速度為12 km/h時，調節風壓為-3.5、-4.0、-4.5、-5.0和-5.5 kPa進行試驗探究,試驗結果如圖9所示：在試驗水平內，4種型孔多充率和漏充率總體變化基本一致，多充率隨風壓增大而增加，漏充率隨風壓增大而減小。其中，A型孔多充率最低，漏充率最高，B和D型孔多充率均較高，漏充率較低，C型孔多充率和漏充率均位于中等。

A、B、C和D即為A型孔、B型孔、C型孔和D型孔，圖10同。A, B, C and D represent type A hole, type B hole, type C hole and type D hole respectively, the same as the Fig.10.圖9 4種型孔排種盤不同風壓下的多充率(a)和漏充率(b)Fig.9 Multi-charge rate (a) and leakage rate (b) of four types of holes under different wind pressures

由于已漏充的型孔無法再次吸附種子，而吸附多粒種子的型孔可以由清種刀進一步處理，因此漏充率更為重要，但多充率過高會導致清種刀負擔過大，易導致卡種現象。綜合考慮，本研究選用風壓為-5 kPa，對4種型孔在播種速度為10、11、12、13和14 km/h時的充種性能進行試驗探究。試驗結果見圖10：作業速度對多充率影響不明顯，對漏充率影響較為明顯，且隨作業速度的增加，漏充率逐漸降低。4種型孔排種盤的漏充率具有明顯差距，同一速度下，型孔A漏充率最高，C型孔位于中等；B和D型孔相對較低，但D型孔坡度較緩，適應性較好，相對于B型孔具有一定優勢，當作業速度為10 km/h時，D型孔漏充率最低為2.9%。

圖10 4種型孔不同速度下的多充率(a)和漏充率(b)Fig.10 Multi-charge rate (a) and leakage rate (b) of four types of holes under different wind speed

綜合對比發現，當作業速度為10 km/h，風壓為-5 kPa時，各型孔充種效果相對較優。為進一步檢測各型孔在較優水平下的充種效果，本研究針對4種型孔對應的排種盤，以較優水平進行試驗驗證。試驗結果如表2所示，可見，各型孔多充率由大到小依次為：D型孔、B型孔、C型孔、A型孔；漏充率由大到小依次為：A型孔、C型孔、D型孔、B型孔，與前期試驗結論基本相符。

表2 4種型孔充種性能單因素驗證試驗結果Table 2 Single factor verification test results of four types ofhole filling performance %

3.3.2二因素全水平試驗

針對D型孔排種盤的顯著優勢，對D型孔排種盤充種性能進一步探究，以播種速度(9、10、11和12 km/h)和風壓(-4.0、-4.5、-5.0和-5.5 kPa)為試驗水平，以多充率和漏充率為指標進行二因素全水平試驗，每組試驗3次，試驗結果見圖11。當播種速度一定時，隨著風壓的增加，多充率呈上升趨勢，漏充率呈下降趨勢，說明風壓大小對多充率和漏充率具有顯著影響。當風壓值達到最大值-5.5 kPa時，D型孔不同作業速度下的多充率均取得最大值，漏充率均取得最小值；當風壓值為試驗最小值-4 kPa時，D型孔不同作業速度下的多充率均取得最小值，漏充率均取得最大值。隨著播種速度的增加，D型孔相同風壓下的多充率和漏充率變化趨勢不明顯，說明作業速度對多充率和漏充率影響能力較弱。

圖11 D型孔不同速度與風壓下的多充率(a)和漏充率(b)Fig.11 Multi-charge rate and leakage rate of type D hole at different speeds and wind pressures

表3示出二因素試驗方差分析結果，可見：速度和風壓對多充率和漏充率的顯著性各不相同，其中速度對多充率一般顯著，對漏充率影響及其顯著，風壓對多充率和漏充率影響均及其顯著，兩者交互作用對多種率和漏充率均一般顯著。

表3 二因素試驗方差分析Table 3 Two-factor test analysis of variance table

充種過程中由于清種刀的作用，多吸附的種子可以被清除，但未吸附種子的型孔無法再次吸附，因此漏充率相對于多充率更為重要，為提高充種性能，應保證漏充率足夠小，多充率盡量小。為探究D型孔對應的最優解，借助Design-expert優化模塊對試驗結果進行優化，邊界條件為：

式中，Ps為播種所需風壓，kPa。計算得出的較優參數為：播種速度10.01 km/h，風壓-5.23 kPa，該條件下多充率為10.12%，漏充率3.75%。

為探究優化結果的準確性，對優化結果進行試驗驗證，試驗重復3次，每次計算150粒種子，最后取3次試驗結果平均值：多充率為9.95%，漏充率3.62%，結果與理論值相近，滿足要求。

4 結 論

本研究針對現有棉花排種機構作業速度低，精度不夠高等問題，對電驅氣吸式排種機構進行優化，重點對排種盤上不同型孔類型流場壓力的變化情況進行仿真分析，并通過試驗驗證了仿真的可行性，主要結論如下：

1)簡單圓柱型孔阻尼較大，入口風壓最??；圓錐型孔入口風壓最大，吸種口的中心及邊緣風壓差較大；弧線狀型孔入口風壓僅次于圓錐型孔，吸種口風壓相對均勻；圓柱與圓錐相結合型孔風壓相對較小，吸種口風壓也相對均勻。

2)單因素試驗結果表明，作業速度對多充率影響不明顯，對漏充率影響較為明顯，隨作業速度的增大，漏充率逐漸降低；風壓對多充率和漏充率影響均明顯，多充率隨風壓增大而增加，漏充率隨風壓增大而減小。各型孔根據多充率由大到小排序為：弧線狀型孔、圓錐型孔、圓柱與圓錐相結合型孔、圓柱型孔；根據漏充率由大到小排序為：圓柱型孔、圓柱與圓錐相結合型孔、弧線狀型孔型孔、圓錐型孔，與前期試驗結論基本相符。對弧線狀型孔充種性能的二因素全水平試驗表明，當播種速度為10.01 km/h，風壓為-5.23 kPa時，對應的多充率為9.95%，漏充率3.62%。