負(fù)壓驅(qū)動(dòng)水稻精量直播排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

魏海明，楊發(fā)展，李建東，劉永武，羅 佳，楊 薇

(1.青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,山東 青島 265200；2.中機(jī)美諾科技股份有限公司，北京 100083)

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化速度的加快和農(nóng)業(yè)作業(yè)人口的減少，傳統(tǒng)的水稻缽苗、育秧并結(jié)合插秧的種植模式面臨嚴(yán)重的勞動(dòng)力短缺難題。直播是一種節(jié)省勞動(dòng)力、節(jié)約水資源和大幅提高農(nóng)民收入的緊湊型農(nóng)藝種植模式，尤其引人關(guān)注的是精量穴直播方法。精量穴直播技術(shù)即按水稻種植農(nóng)藝要求，將水稻芽種按所需的株距、行距和每穴種子粒數(shù)要求精準(zhǔn)成穴地分布于田間，是目前較為先進(jìn)的水稻直播技術(shù)。精量穴直播的關(guān)鍵裝置在于排種器的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)[1-5]。雜交稻的種植強(qiáng)調(diào)少本稀植，為獲得適宜高產(chǎn)的田間生長(zhǎng)環(huán)境，其直播種植要求每穴稻種粒數(shù)為(3±1)粒為宜，尤其是每穴不要超過(guò)4粒[6-10]。

氣力式排種器因具有取種方便、對(duì)種子形狀要求低及傷種率低等優(yōu)點(diǎn)，在各種子播種領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。上述氣力式水稻排種器目前還僅限于每穴單粒或雙粒的室內(nèi)機(jī)械化育秧播種。張國(guó)忠[11]等研制了一種可同時(shí)吸附多粒稻種的、具有群布吸孔的吸種盤，并應(yīng)用于垂直圓盤式直播排種器上。據(jù)報(bào)道，其排種性能和播種效率還有待進(jìn)一步提高。

基于上述分析和研究，本文將探索利用負(fù)壓吸附技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了負(fù)壓驅(qū)動(dòng)的水稻精量直播排種器，研究其排種效果和播種的精準(zhǔn)化程度。同時(shí)，為了滿足雜交稻大田精量穴直播的實(shí)際生產(chǎn)需求，采用多吸孔吸種、機(jī)械清種及氣力清堵等原理，設(shè)計(jì)了一種氣力圓盤式水稻精量直播排種器，并對(duì)圓盤轉(zhuǎn)速、吸種孔尺寸、氣室的真空度等對(duì)排種性能的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究和分析，探究了上述因素間的最佳參數(shù)組合，以期為氣力式水稻精量穴直播排種器的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考和設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 圓盤式排種器工作原理

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的氣力圓盤式水稻精量直播排種器主要由外殼、吸種盤、攪種盤及排種器后蓋等組成，如圖1所示。其中，負(fù)壓氣室的管接頭通過(guò)軟管與風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口連接，吸種盤緊貼排種器的后蓋，在吸種盤與負(fù)壓氣室間形成負(fù)壓區(qū)，吸種盤安裝在傳動(dòng)軸上，在傳動(dòng)軸的末端設(shè)置有花鍵，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力可通過(guò)鏈條傳遞到傳動(dòng)軸上帶動(dòng)吸種盤旋轉(zhuǎn)；水稻種子從播種機(jī)分種裝置進(jìn)入預(yù)存種裝置內(nèi)，進(jìn)而落入充種區(qū)，種子在內(nèi)外壓差作用下會(huì)被吸附到吸種孔上并隨吸種盤的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)；在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，清種裝置將刮掉吸種盤吸種孔上多余的種子，當(dāng)吸種盤的吸種孔轉(zhuǎn)到非負(fù)壓區(qū)時(shí)，吸種孔的內(nèi)外壓差將消失，種子會(huì)在重力的作用下落入種溝內(nèi)，完成播種過(guò)程；當(dāng)上一個(gè)品種的種子播種完之后，清種裝置工作，種子在風(fēng)機(jī)負(fù)壓的作用下通過(guò)吸種口吸入設(shè)定的存種裝置內(nèi)，完成清種工作，為后續(xù)的循環(huán)作業(yè)提供條件。

1.排種器殼體 2.吸種盤 3.攪種盤 4.排種器后蓋

2 氣力圓盤式排種器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

2.1 仿真模型的建立及其分析步驟

目前，排種器吸種盤的直徑在140～260mm范圍內(nèi)[12]，考慮到水稻直播的農(nóng)藝要求，將開(kāi)發(fā)的吸種盤的直徑設(shè)定為210mm，吸種盤厚度為2mm,材質(zhì)選擇為不銹鋼(0Cr18Ni9)。排種器后蓋內(nèi)負(fù)壓氣室內(nèi)圓半徑設(shè)置為70mm，外圓半徑設(shè)置為105mm，壁厚為2mm，軸向深度為38mm,負(fù)壓氣室的管接頭外圓直徑為30mm，內(nèi)圓直徑為26mm。利用SolidWorks軟件建立排種器后蓋負(fù)壓氣室的三維結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

圖2 負(fù)壓氣室模型簡(jiǎn)圖

將設(shè)計(jì)的模型導(dǎo)入至Fluent15.0軟件中，采用ICEM CFD 15.0網(wǎng)格劃分軟件對(duì)模型劃分六面體網(wǎng)格，物理模型設(shè)置參數(shù)為：三維穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型、分離求解器、流體域設(shè)為氣體、定常密度，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。邊界條件設(shè)置為：入口邊界為壓力入口，壓力數(shù)值為0，出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，壓力數(shù)值為-3.5kPa，計(jì)算迭代步數(shù)設(shè)為500(已收斂)。

2.2 仿真結(jié)果及其分析

2.2.1吸種孔直徑不同對(duì)氣室內(nèi)部壓強(qiáng)、氣流速度的影響仿真分析

吸種盤上吸種孔直徑直接影響排種器的作業(yè)效果，對(duì)于相同質(zhì)量的種子，當(dāng)選擇較小直徑的吸種孔時(shí)，需更大的負(fù)壓值才能夠有效吸附種子；然而，過(guò)小的孔徑會(huì)使風(fēng)機(jī)的負(fù)載過(guò)大，吸孔直徑過(guò)大則會(huì)使水稻種子卡在吸種孔內(nèi)甚至吸入負(fù)壓氣室內(nèi)造成漏播。通過(guò)對(duì)比和參考現(xiàn)有的排種器，吸種孔直徑一般選擇在1.2～2.0mm之間。本文設(shè)計(jì)直徑分別為1.2、1.4、1.6、1.8mm等4種圓形吸種孔，設(shè)置吸孔的組數(shù)為10，進(jìn)行仿真對(duì)比分析，探究不同孔徑對(duì)氣室內(nèi)部壓強(qiáng)、氣流速度的影響，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 不同吸孔直徑下吸孔處壓強(qiáng)云圖

圖4 不同吸孔直徑下吸孔處氣流速度云圖

diameter of suction hole

吸種孔直徑大小不同對(duì)氣室內(nèi)部壓強(qiáng)、氣流速度的影響仿真分析：①吸種孔處壓強(qiáng)和氣流速度明顯低于氣室內(nèi)部，氣室內(nèi)部壓強(qiáng)和氣流速度分布較均勻，吸種孔在不同位置時(shí)的壓強(qiáng)和氣流速度變化不大。②隨著吸種孔孔徑的增大，吸孔處的壓強(qiáng)逐漸增大，氣室內(nèi)部壓強(qiáng)在孔徑為1.4mm時(shí)達(dá)到最大，最大值為-3.432kPa，在孔徑為1.8mm時(shí)氣室內(nèi)部壓強(qiáng)最小，最小值為-3.398kPa，且孔徑為1.8mm時(shí)氣室內(nèi)部壓強(qiáng)變化較明顯。③吸孔的氣流速度隨著孔徑的增大逐漸增大，在孔徑為1.6mm時(shí)達(dá)到最大值74.78m/s，然后逐漸減小，氣室內(nèi)部氣流速度沒(méi)有變化。綜上所述，孔徑為1.4mm和1.6mm吸種孔的吸種效果要好于其余兩種孔徑吸種孔的吸種效果。

2.2.2吸種盤厚度對(duì)氣室氣流速度、表面壓力的影響仿真分析

本文選擇板厚分別為2mm和4mm兩種吸種盤，吸種孔的孔徑為1.4mm進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 不同吸種盤厚度下吸孔處氣流速度云圖

圖6 不同吸種盤厚度下吸孔處壓強(qiáng)云圖

在相同工作條件下：①速度云圖顯示，板厚為2mm時(shí)，吸種孔處氣流速度為69.83m/s；板厚為4mm時(shí)，吸種孔處氣流速度為69.33m/s。②壓強(qiáng)云圖顯示，板厚為2mm時(shí)，吸室內(nèi)部壓強(qiáng)為3.136kPa；板厚為4mm時(shí)，吸室內(nèi)部壓強(qiáng)為2.664kPa。③上述分析表明：吸種盤厚度會(huì)對(duì)吸種效果產(chǎn)生一定影響，厚度為2mm的吸種盤吸種效果要優(yōu)于厚度為4mm的吸種盤吸種效果。

從經(jīng)濟(jì)管理視角看，企業(yè)要結(jié)合當(dāng)前商品包裝活動(dòng)的具體要求，在包裝設(shè)計(jì)中融入相關(guān)文化的理念和設(shè)計(jì)思維，同時(shí)在整個(gè)包裝圖案、包裝文字，乃至具體的色彩篩選、搭配應(yīng)用等多個(gè)角度，從大眾訴求出發(fā)，堅(jiān)持走“親民”路線，在堅(jiān)持控制包裝成本的基礎(chǔ)上，體現(xiàn)出包裝的價(jià)值。在買方市場(chǎng)的環(huán)境下，買方訴求就是衡量其價(jià)值效益的基礎(chǔ)。

3 排種器性能試驗(yàn)及測(cè)定

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)用水稻品種為滇瑞408，統(tǒng)計(jì)結(jié)果為：長(zhǎng)度平均值10.71mm，寬度平均值2.39mm，厚度平均值2.17mm，千粒質(zhì)量26.3g。采用不銹鋼加工各類孔徑的吸種盤。試驗(yàn)臺(tái)采用黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院研制的JPS計(jì)算機(jī)視覺(jué)排種器性能試驗(yàn)臺(tái)(自行進(jìn)行了初步的改造)，試驗(yàn)吸種效果如圖7所示。

圖7 吸種效果圖

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)結(jié)果評(píng)定依據(jù)《GB/T6973-2005單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，試驗(yàn)材料為水稻種子，通過(guò)測(cè)量落在種床帶上種子的粒距來(lái)反映排種器性能，根據(jù)農(nóng)藝要求選擇標(biāo)準(zhǔn)粒距Xr為200mm。評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)主要有粒距合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)。實(shí)測(cè)粒距在(0.5Xr，1.5Xr)視為合格，小于或等于0.5Xr視為重播，大于0.5Xr視為漏播。試驗(yàn)過(guò)程中，取排種器穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間段作為統(tǒng)計(jì)樣本，每單次試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值。

3.3 試驗(yàn)測(cè)試

3.3.1 吸種孔布置類型對(duì)排種質(zhì)量的影響

根據(jù)水稻旱地直播的農(nóng)藝要求，穴粒數(shù)為(3±1)粒。本次試驗(yàn)采用的吸種孔孔徑為1.6mm，排種軸轉(zhuǎn)速為30r/min，風(fēng)機(jī)的負(fù)壓值1.5kPa，設(shè)計(jì)了兩種吸種孔布置方式，如圖8所示。在保證其他條件相同的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，每次試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖8 吸孔布置類型圖

吸種孔布置類型 合格率/%漏播率/%重播率/%A型75.622.0121.37B型63.291.5234.19

試驗(yàn)結(jié)果表明：在其他條件不變的情況下，A型吸種孔布置方式排種效果要優(yōu)于B型。因此，在后續(xù)的正交試驗(yàn)中，選取A型吸種孔的布局方式。

3.3.2吸種孔直徑、氣室真空度和吸種盤轉(zhuǎn)速對(duì)排種質(zhì)量的影響

考慮到吸種孔直徑、氣室真空度和吸種盤轉(zhuǎn)速等參數(shù)對(duì)排種質(zhì)量均造成影響，采用正交試驗(yàn)進(jìn)行分析，研究影響播種效果因素的主次關(guān)系和最優(yōu)的組合類型。試驗(yàn)的影響因素及水平變化如表2所示。本文采用L16(45)正交表進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示，方差分析如表4所示。

表2 正交試驗(yàn)因素水平表

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

續(xù)表3

表4 正交試驗(yàn)方差分析

3.3.3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

由表3可知：吸種盤轉(zhuǎn)速A、氣室真空度B及吸種孔直徑C對(duì)排種合格率X的影響主次順序?yàn)镃>A>B，最優(yōu)組合為A4B1C2，即吸種盤轉(zhuǎn)速為35r/min、氣室真空度為1.0kPa、吸種孔直徑為1.4mm；對(duì)于重播率Y，影響的主次順序?yàn)镃>A>B，最優(yōu)組合為A4B1C1，即吸種盤轉(zhuǎn)速為35r/min、氣室真空度為1.0kPa、吸種孔直徑為1.2mm；對(duì)于漏播率Z,影響的主次順序?yàn)镃>A>B，最優(yōu)組合為A4B4C2，即吸種盤轉(zhuǎn)速為35r/min、氣室真空度為1.6kPa、吸種孔直徑為1.4mm。由于氣室真空度對(duì)排種效果影響較小，故確定最優(yōu)組合為A4B3C2，即吸種盤轉(zhuǎn)速為35r/min、氣室真空度為1.4kPa、吸種孔直徑為1.4mm時(shí)，合格率為84.22%，重播率為8.81%，漏播率為5.97%，滿足JB/T 10293-2013《單粒(精密)播種機(jī)技術(shù)條件》中的參數(shù)指標(biāo)。

由表4方差分析的結(jié)果可知，對(duì)于合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)與極差分析的因素主次一致。

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種適用于水稻旱地直播的氣吸式排種器，采用負(fù)壓吸種、高壓氣力清種，滿足水稻的精量播種要求。

2)利用有限元分析軟件Fluent對(duì)負(fù)壓氣室進(jìn)行了仿真分析，研究了吸種孔的孔徑、吸種盤厚度等參數(shù)對(duì)吸種孔及氣室內(nèi)部壓強(qiáng)和氣流速度的影響，并對(duì)排種器的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，確定了吸種孔的直徑范圍為1.4～1.6mm、吸種盤的厚度為2mm時(shí)最適宜進(jìn)行精量排種。

3)對(duì)開(kāi)發(fā)的排種器進(jìn)行了排種正交試驗(yàn)，分析了吸種盤轉(zhuǎn)速、氣室真空度、吸種孔直徑對(duì)排種器性能的影響，確定了3種因素對(duì)排種性能影響的主次順序。其中，吸種孔直徑的大小對(duì)排種性能影響最大，其次為吸種盤轉(zhuǎn)速，最小的是氣室真空度的大小。確定了最優(yōu)的參數(shù)組合：吸種盤轉(zhuǎn)速為35r/min、氣室真空度為1.4kpa、當(dāng)吸種孔直徑為1.4mm時(shí)，排種合格率為84.22%、重播率為8.81%、漏播率為5.97%，符合JB/T 10293-2013《單粒(精密)播種機(jī)技術(shù)條件》中的參數(shù)指標(biāo)要求，滿足后續(xù)播種的需要。