基于計算機仿真的氣吸式谷子精量排種器設(shè)計

池丹丹， 杜 雄， 趙曉順， 郭超龍， 桑永英

(1.唐山科技職業(yè)技術(shù)學院，河北唐山 063000； 2.河北農(nóng)業(yè)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(zhì)、脂肪、碳水化合物、粗纖維和多種微量元素，其粗蛋白質(zhì)平均含量是 11.42%，具有豐富的營養(yǎng)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(fā)育的特殊農(nóng)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(tǒng)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(fā)展谷子生產(chǎn)的核心和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在推廣優(yōu)種過程中，亟須研究相關(guān)的穴播播種關(guān)鍵技術(shù)和裝備，以提高播種質(zhì)量，實現(xiàn)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(guān)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(zhì)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(wěn)定性有不利影響，很難達到谷子優(yōu)質(zhì)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(yōu)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(xiàn)精量播種等諸多優(yōu)點[10]。

國外成熟的氣力式精量播種作業(yè)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(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)被大量應(yīng)用在田間小區(qū)試驗的谷物條播機上，排種器的性能可滿足高速作業(yè)精量播種的要求，但未見到在大田中進行規(guī)?；シN作業(yè)[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(nóng)機局與運城市施肥播種機廠共同研究設(shè)計的采用往復式排種器的播種機、山西農(nóng)業(yè)大學發(fā)明的異型螺旋槽式精少量播種機、陜西省寶雞市農(nóng)業(yè)科學研究所研制的多功能精量排種器等。廖慶喜等設(shè)計的內(nèi)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(jié)構(gòu)形式，傷種率必然高于氣吸式充種結(jié)構(gòu)，只是在投種時利用了氣吹原理[4]。郭超永設(shè)計的另外一類油菜精量排種器采用的是氣吸和氣吹聯(lián)合排種原理，正壓區(qū)和負壓區(qū)通過氣室隔板隔開，需要嚴格的密封性，設(shè)計結(jié)構(gòu)復雜，加工制造成本高[18]。針對谷子具有粒徑小、質(zhì)量輕、形狀不規(guī)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(xiàn)谷子精量播種。

1 排種器的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 排種器結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。排種盤的一側(cè)為種子室，用于盛放即將播種的谷種，另一側(cè)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(nèi)被吸附的雜質(zhì)和小粒谷種，以避免長期作業(yè)后種孔堵塞。擋種刷可阻擋種室內(nèi)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(qū)、攜種區(qū)、投種區(qū)等3個工作區(qū)段。吸種孔處于種子室區(qū)域時即為充種區(qū)，在充種區(qū)，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(zhuǎn)動脫離種子室，實現(xiàn)充種；充種完成后，谷種隨排種盤經(jīng)過攜種區(qū)進入投種區(qū)，此時負壓消失，在重力作用下，谷種自動落入種溝內(nèi)，落種區(qū)的清種刷將吸孔組內(nèi)的雜質(zhì)和小粒谷種清理掉，為下一個循環(huán)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(shè)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(shè)置壓力值為-1.5 kPa。采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，運用Mesh功能對模型進行網(wǎng)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(jié)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(qū)(圖中模型右側(cè)區(qū)域)壓力場較穩(wěn)定，這有利于充種區(qū)可靠充種，同時可提高每組吸孔吸種數(shù)量的一致性和穩(wěn)定性，進而降低空穴率，提高穴粒數(shù)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(nèi)回流(圖中下面區(qū)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(wěn)定，出現(xiàn)大量旋渦和回流。這些現(xiàn)象在充種區(qū)會影響充種的可靠性，在攜種區(qū)會影響吸種的穩(wěn)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(shù)為球形度97.53%，千粒質(zhì)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(shè)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(jù)NY/T 987—2006《鋪膜穴播機 作業(yè)質(zhì)量》和DB11/T 459—2007《蔬菜穴播播種機技術(shù)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(jù)農(nóng)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(shù)合格率、穴距合格率、空穴率及穴距變異系數(shù)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(shù)f=50。

穴距標準差：

(1)

式中：n為穴數(shù)；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(shù)：

(2)

穴粒數(shù)合格率：

(3)

式中：Lh為穴粒數(shù)合格的穴數(shù)。

穴距合格率：

(4)

式中：Xh為穴距合格數(shù)。

空穴率：

(5)

式中：Kh為空穴數(shù)。

本試驗設(shè)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(shù)，此處為18組。

3.3 試驗方案與結(jié)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(zhuǎn)速、氣室真空度等2個參數(shù)對穴粒數(shù)合格指數(shù)、穴距合格指數(shù)、空穴指數(shù)及穴距變異系數(shù)等4個指標的影響。確定在實際作業(yè)過程中風機負壓和排種器轉(zhuǎn)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(shè)定種床帶前進速度為3 km/h，吸種孔徑為1.6 mm，排種軸轉(zhuǎn)速為 28 r/min，并設(shè)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(shù)合格率和穴距合格率較大，空穴率和穴距變異系數(shù)較小。可見，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(zhuǎn)速對排種器性能指標的影響 本試驗設(shè)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(shè)置18、22、26、30、34 r/min等5個排種軸轉(zhuǎn)速水平。由表2可知，排種軸轉(zhuǎn)速為26～30 r/min 時，穴粒數(shù)合格率和穴距合格率較大，空穴率較小，穴距變異系數(shù)在 26 r/min 時偏大。根據(jù)農(nóng)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(shù)合格率和空穴率作為主要考核指標。在實際播種作業(yè)時，排種軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下排種器性能評價指標

4 結(jié)論

利用真空負壓原理，設(shè)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(tǒng)的谷子條播作業(yè)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(wěn)定，有利于提高吸排種的穩(wěn)定性和均勻性。

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

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