氣吹投種的氣吸滾筒式精量排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

姜有忠，侯曉曉，趙永滿，胡斌，羅昕，陳永，張歡

(1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；2.黃河交通學(xué)院汽車工程學(xué)院，河南 焦作 454150)

辣椒是新疆種植的主要經(jīng)濟(jì)作物.辣椒種植方式主要以育苗移栽為主，穴盤育苗是移栽種植模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[1].高質(zhì)量的育苗可以節(jié)省播種量，減少人員勞動(dòng)，提高經(jīng)濟(jì)效益.

排種器是穴盤育苗精量播種機(jī)的核心部件[2].排種器的性能直接影響育苗的質(zhì)量。國內(nèi)外先進(jìn)的排種器主要以氣力式為主，這是因?yàn)闅饬κ脚欧N器能夠高速作業(yè)，并且對(duì)種子形狀尺寸要求低，傷種率低，適應(yīng)性強(qiáng)[3].在國外，Singh等[4-5]對(duì)氣力式排種器播種大豆、花生等大顆粒種子時(shí)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化.Gaikwad等[6]針對(duì)穴盤育苗研制了針吸式精量排種器，通過更換吸嘴來實(shí)現(xiàn)不同作物的精量播種.在國內(nèi)，張順[7]研究了氣吸滾筒式排種器的吸種孔、清種方式對(duì)排種性能的影響.王朝暉等[8]以水稻為研究對(duì)象，通過高速攝像觀察、流場(chǎng)仿真等方法對(duì)氣吸滾筒式排種器負(fù)壓氣室流場(chǎng)均勻性和投種過程對(duì)排種性能影響進(jìn)行了分析.

氣力式排種器主要針對(duì)規(guī)整種子的播種，而對(duì)于辣椒等小粒經(jīng)、不規(guī)整種子(非丸粒化)在排種過程中存在的投種精度差和容易堵塞吸孔等問題不能有效解決.針對(duì)上述問題，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了氣吹投種和錐形吸孔取種的氣吸滾筒式排種器，展開吸孔形狀、正壓值、滾筒轉(zhuǎn)速、負(fù)壓值對(duì)排種性能影響的試驗(yàn)研究，尋找各因素間的最佳參數(shù)組合，并進(jìn)行播種適應(yīng)性試驗(yàn)，為播種辣椒等小粒經(jīng)、不規(guī)整種子的氣吸滾筒式精量排種器的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù).

1 辣椒種子幾何特性

種子的幾何特性決定了排種器關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)[12].試驗(yàn)前期對(duì)辣椒種子物料特性研究可知，未經(jīng)丸?；睦苯贩N子的形狀為碟狀，也可以將其看作為薄圓盤形.隨機(jī)選取新疆種植最為廣泛的辣椒品種新選8819號(hào)種子200粒，對(duì)每粒種子的長、寬、厚尺寸進(jìn)行測(cè)量并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定種子幾何尺寸，如表 1所示.

表1 辣椒種子幾何尺寸

2 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

氣吹投種的氣吸滾筒式精量排種器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由氣吹投種裝置、負(fù)壓空心軸、正壓管、半剖式滾筒、鏈輪、滾筒關(guān)卡等組成.

1：負(fù)壓空心軸；2：O型密封圈；3：定位凸臺(tái)；4：吸種孔；5：滾筒；6：正壓管；7：鏈輪；8：鐵箍；9：連接套管；10：正壓管接頭；11：負(fù)壓空心軸；12：掛件；13：氣吹投種裝置；14：橡膠條；15：快速接頭；16：滾筒關(guān)卡；17：機(jī)架.1:Negative pressure hollow shaft;2:O-ring;3:Positioning boss;4:Suction hole;5:Roller;6:Positive pressure tube;7:Sprocket;8:Iron hoop;9:Connecting the sleeve;10:Positive pressure pipe joint;11:Negative pressure hollow shaft;12：Pendant;13：Air blowing seeding device;14：Rubber strip;15:Quick joint;16:Roller check level;17:Frame.圖1 氣吹投種的氣吸滾筒式精量排種器結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Air-blowing seeding type structure of suction drum precision metering device

負(fù)壓空心軸與氣吹投種裝置為一體結(jié)構(gòu)，正壓管通過開孔套管固定在負(fù)壓空心軸上，正壓管通過快速接頭與投種裝置內(nèi)部連通，2段負(fù)壓空心軸都與滾筒內(nèi)部連通.氣吹投種裝置下部裝有橡膠條與滾筒內(nèi)表面密封接觸并將滾筒內(nèi)部分為正負(fù)壓2個(gè)密封區(qū).排種器工作時(shí)，風(fēng)機(jī)一端通過2段負(fù)壓空心軸使?jié)L筒內(nèi)部形成負(fù)壓，從而使?jié)L筒吸種孔內(nèi)外兩側(cè)形成壓差；風(fēng)機(jī)另外一端連接正壓管接頭.通過正壓管往投種裝置中輸入正壓氣體，并與滾筒吸種孔形成一定的吹力.鏈輪固定在滾筒上，電機(jī)帶動(dòng)滾筒繞固定空心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)滾筒吸種孔轉(zhuǎn)入充種區(qū)時(shí)，種子在滾筒內(nèi)負(fù)壓的作用下被吸附在吸種孔上，并隨滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到投種裝置下方時(shí)，種子失去了滾筒內(nèi)負(fù)壓的吸附作用力，在重力、吹力、離心力的作用下，種子從吸種孔中排出.

3 關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

排種滾筒的結(jié)構(gòu)直接影響排種器排種質(zhì)量、整體尺寸、能量消耗[9].傳統(tǒng)排種滾筒與滾筒端蓋分開制造后進(jìn)行配合，整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，密封性難以保證，泄壓面積較大，滾筒內(nèi)部流場(chǎng)均勻性差，能耗相對(duì)增加.本試驗(yàn)排種滾筒設(shè)計(jì)為滾筒和滾筒端蓋一體結(jié)構(gòu)，通過3D打印技術(shù)進(jìn)行半剖式加工，然后進(jìn)行嚙合及密封處理.這使得結(jié)構(gòu)簡單化，大大提高設(shè)計(jì)效率，3D打印滾筒實(shí)物圖如圖2所示.由于本設(shè)計(jì)使用16×8黑色128孔PS標(biāo)準(zhǔn)穴盤，其外形尺寸為532 mm×278 mm×44 mm，兩吸種孔的中心距離為32 mm，滾筒長度設(shè)計(jì)為320 mm.滾筒直徑過小，吸孔數(shù)過少，不能保證充種性能，滾筒直徑過大，工作氣室增大，動(dòng)力消耗相應(yīng)增大，綜合考慮各項(xiàng)因素和借鑒國內(nèi)外氣吸式滾筒排種器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定滾筒直徑為160 mm.

圖2 3D打印排種滾筒實(shí)物圖Figure 2 Physical map of 3D printing roller

3.2 氣吹投種裝置設(shè)計(jì)

對(duì)于辣椒等尺寸小、質(zhì)量輕、形狀不規(guī)整(非丸?；?及流動(dòng)性差的種子在精量投種過程中投種精度差和排種器長時(shí)間工作后吸種孔容易堵塞等問題，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了1種氣吹投種裝置[10].氣吹投種裝置是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投種和有效清孔的核心部件，其絕壓槽內(nèi)部流場(chǎng)的均勻性直接影響排種器的排種性能和育苗的質(zhì)量.

3.2.1 單端進(jìn)氣投種裝置設(shè)計(jì) 投種裝置主要分為絕壓槽和正壓管，絕壓槽通過掛件和2段空心軸焊接為一體，并且2段空心軸橫向中線與絕壓槽橫向中線在同一平面，絕壓槽上方中心位置開有通孔，正壓管一端通過快速接頭與絕壓槽連通，另一端通過空心軸套固定在空心軸上并與正壓管接頭連接；同時(shí)，在絕壓槽下方四周安裝有可更換的橡膠條，使絕壓槽能夠與滾筒內(nèi)表面密封接觸，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示.

1：負(fù)壓空心軸；2：絕壓槽；3：快速接頭；4：正壓管；5：掛件；6：正壓空心軸；7：正壓管接頭.1:Negative pressure hollow shaft；2:Absolute pressure tank;3:Quick joint;4:Positive pressure tube;5:Pendant;6:Positive pressure hollow shaft；7:Positive pressure pipe joint.圖3 單端進(jìn)氣投種裝置結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Single-end intake seed device structure schematic

3.2.2 雙端進(jìn)氣投種裝置設(shè)計(jì) 雙端進(jìn)氣投種裝置與單端進(jìn)氣投種裝置的區(qū)別在于絕壓槽上方1/3處和2/3處開有2個(gè)通孔，滾筒內(nèi)部正壓管分為2個(gè)端口通過快速接頭分別與絕壓槽2個(gè)通孔連接.結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示.

為了驗(yàn)證上述2種進(jìn)氣方式的絕壓槽內(nèi)部流場(chǎng)的均勻性，采用CFD模擬不同進(jìn)氣方式條件下投種裝置內(nèi)部流場(chǎng)情況，模擬過程采用k-ε模型，設(shè)定邊界為恒壓條件，選取正壓管進(jìn)口為壓力進(jìn)口，進(jìn)口壓力設(shè)置為900 Pa，絕壓槽下方截面為壓力出口，壁面采用無滑移壁面條件(ui=0)[11]，絕壓槽長為260 mm，寬30 mm，高30 mm，圖5為2種進(jìn)氣方式下絕壓槽內(nèi)部壓力和流場(chǎng)速度云圖.

1：負(fù)壓空心軸；2：絕壓槽；3：正壓管；4：快速接頭；5：掛件；6：正壓空心軸；7：正壓管接頭1:Negative pressure hollow shaft;2:Absolute pressure tank;3:Positive pressure tube;4:Quick joint;5:Pendant;6:Positive pressure hollow shaft；7:Positive pressure pipe joint.圖4 雙端進(jìn)氣投種裝置結(jié)構(gòu)示意圖Figure 4 Double inlet air seeding device structure schematic

圖5 兩種進(jìn)氣方式下絕壓槽內(nèi)部壓力和流場(chǎng)速度云圖Figure 5 The pressure and flow velocity inside the absolute pressure tank

仿真結(jié)果如圖5所示，在相同邊界條件下，單端進(jìn)氣方式下絕壓槽流場(chǎng)壓力居中于進(jìn)氣口下方，絕壓槽2端流場(chǎng)壓力幾乎為零，這可能會(huì)導(dǎo)致投種過程中絕壓槽2端的吸孔不能精準(zhǔn)投種和有效清孔；雙端進(jìn)氣方式下絕壓槽內(nèi)部流場(chǎng)壓力分布更趨于均勻，這將更好的提高排種的均勻性和清孔效果，所以選取雙端進(jìn)氣方式的投種裝置.

3.3 吸種孔結(jié)構(gòu)和位置設(shè)計(jì)

3.3.1 吸種孔尺寸和位置設(shè)計(jì) 合理的吸種孔徑是確保排種器性能的前提.孔徑大小直接影響滾筒負(fù)壓氣室內(nèi)外壓差和吸種孔處流場(chǎng)的均勻性，主要取決于辣椒種子的幾何尺寸[13]，經(jīng)驗(yàn)公式如下：

2.1.6 其它特性。某些高頻抗原抗體具備特殊性質(zhì)，可以輔助鑒定抗體。例如：產(chǎn)生抗-Kpb的血清中常發(fā)現(xiàn)抗-K。Sda在尿液中含量高，抗-Sda抗體可被尿液中和?？?Ch抗體和抗-Rg抗體可被血漿抑制?？?JMH和抗-Vel與臍血i細(xì)胞反應(yīng)較弱，抗-AnWj與臍血i細(xì)胞甚至不凝集。

D=(0.64～0.66)b

(1)

式中，D為吸種孔直徑(mm)；b為種子的平均寬度(mm).

試驗(yàn)測(cè)得辣椒種子的平均寬度為3.08 mm，從式(1)中得出吸孔直徑的范圍為1.97～2.03 mm.綜合考慮吸種孔直徑設(shè)計(jì)為2.0 mm.

由于本設(shè)計(jì)的育苗排種器所選用的16×8黑色128孔PS標(biāo)準(zhǔn)穴盤，兩吸種孔中心距離為32 mm，外形尺寸為532 mm×278 mm×44 mm，所以滾筒長度設(shè)計(jì)為320 mm，軸向吸孔的數(shù)量為8個(gè).在滾筒長度和直徑確定的情況下，增加周向孔數(shù)可以有效降低滾筒的線速度，但吸孔數(shù)過多，負(fù)壓氣室泄壓面積就越大，風(fēng)機(jī)所消耗的能量就越大，周向孔數(shù)Z的計(jì)算公式如下：

(2)

式中，Z為周向吸孔數(shù)量；Dd為滾筒直徑(mm)；d為吸孔直徑(mm)；Δl為兩相鄰吸孔之間的弧長(mm).

但考慮到充種過程中種群的分離及排種滾筒周向兩相鄰吸孔之間的弧長Δl不能小于2粒種子的最大尺寸[14]，即

Δl≥2lmax

(3)

式中，lmax為2粒種子的最大尺寸(mm).

由表1可知2粒種子的最大長度小于8.1 mm，則由式(2)和(3)可得周向孔數(shù)Z=26個(gè).

3.3.2 吸種孔孔形設(shè)計(jì) 在孔徑一定的條件下吸種孔形狀也直接影響排種的合格率，合理的孔形可以提高吸孔處流場(chǎng)的均勻度，從而提高排種器排種工作效率.辣椒種子在吸附過程中，主要以“平躺”、“直立”和“側(cè)臥”3種姿態(tài)被吸附到滾筒上，當(dāng)種子被吸孔吸附之前為“平躺”姿態(tài)，吸孔對(duì)種子的吸附面積最大，為種子充種過程的最理想姿態(tài)，當(dāng)為“直立”和“側(cè)臥”姿態(tài)時(shí)對(duì)種子吸附面積較小，對(duì)吸孔吸附力的均勻性要求提高，所以設(shè)計(jì)有效的孔形可以提高吸附力的均勻性，還可以在吸種過程中進(jìn)一步改變種子的姿態(tài)，提高排種器的充種性能.本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的3種不同的孔形如圖6所示.

圖6 不同孔形結(jié)構(gòu)示意圖Figure 6 Different hole shape empty structure diagram

采用CFD模擬不同孔形情況下吸孔處流場(chǎng)均勻性情況，模擬過程采用k-ε模型，設(shè)定邊界為恒壓力條件，壁面采用無滑移條件(ui=0)，空心軸負(fù)壓進(jìn)口為壓力進(jìn)口，設(shè)置進(jìn)口壓力為3 kPa，滾筒吸孔為壓力出口，吸孔直徑為2.0 mm，滾筒長度為320 mm進(jìn)行模擬分析對(duì)比，圖7為3種不同孔形處壓力和流場(chǎng)速度云圖.分析可知，單錐孔流場(chǎng)分布更均勻，更有利于提高排種器的合格率.

圖7 不同孔形壓力和流場(chǎng)速度云圖Figure 7 Pressure and flow velocity cloud diagram at different hole shapes

4 排種器投種過程的動(dòng)力學(xué)分析

當(dāng)種子隨排種滾筒運(yùn)動(dòng)至投種裝置下方時(shí)，吸種孔由負(fù)壓區(qū)進(jìn)入到正壓區(qū)，吸種孔中的種子在正壓氣流和重力的共同作用下排出，在種子排出時(shí)，滾筒中負(fù)壓對(duì)種子的吸力和滾筒對(duì)種子的摩擦力消失，受力分析如圖8所示，投種裝置中的正壓力使吸種孔處種子順利投出的同時(shí)也防止了吸種孔的堵塞[15].種子從吸種孔排出瞬間的動(dòng)力學(xué)方程如下：

(4)

(5)

種子投出的運(yùn)動(dòng)方程為：

(6)

(7)

式中，G為種子自身重力(N)；FQ為正壓氣流對(duì)種子向外的作用力(N)；R為排種滾筒半徑(mm)；W為滾筒角速度(rad/s)；h為種子下落高度(mm)；s為種子在水平方向運(yùn)動(dòng)距離(mm)；ax為種子在x軸方向的加速度；ay為種子在y軸方向的加速度.

圖8 投種運(yùn)動(dòng)分析Figure 8 Seeding exercise analysis

圖8中FN為負(fù)壓氣流對(duì)種子的吸附力(N)；Ff為滾筒對(duì)種子的摩擦力(N).

由上式分析可知，種子在正壓力形成的射流場(chǎng)中的受力與流場(chǎng)(Q，ΔP)和種子在射流場(chǎng)中的位置(x，y)有關(guān)，即a=(x，y，Q，ΔP).在滾筒內(nèi)部正負(fù)壓轉(zhuǎn)換過程中受到投種裝置結(jié)構(gòu)、滾筒結(jié)構(gòu)、正壓力值、排種滾筒轉(zhuǎn)速等因素的影響，不能保證每個(gè)種子下落過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡相同，因此需要合理優(yōu)化滾筒、投種裝置的結(jié)構(gòu)，使得正負(fù)壓流場(chǎng)盡可能均勻，以保證投種的均勻度.

5 排種器性能試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)辣椒種子為新疆最普遍的的新選8819線辣椒種子，經(jīng)過人工精選，無破碎，均干燥，含水率小于 6.0%，含雜率小于 2.0%.試驗(yàn)在石河子大學(xué)排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)室進(jìn)行，采用課題組研制的氣吸滾筒式育苗播種機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖9所示.

5.2 試驗(yàn)方法及結(jié)果分析

5.2.1 試驗(yàn)方法 試驗(yàn)參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T6973-2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，以單粒指數(shù)、多粒指數(shù)、漏播指數(shù)作為判定排種器排種性能指標(biāo)[16].排種器工作穩(wěn)定后記錄排出的250個(gè)穴孔中每穴的種子數(shù)量，重復(fù)3次.各試驗(yàn)指標(biāo)計(jì)算公式如下：

(8)

(9)

(10)

式中，Q為單粒率；M為多粒率；C為漏播率；n1為穴孔中種子為1粒種子的總穴數(shù)；n2為穴孔中種子數(shù)大于2粒的總穴數(shù)；n3為穴孔中無種子的總穴數(shù).

1：輸送帶；2：種箱；3：鏈輪；4：毛刷；5：滾筒；6：機(jī)架；7：傳動(dòng)鏈條；8：穴盤；9：電機(jī)；10：負(fù)壓管；11：負(fù)壓調(diào)壓閥；12：正壓調(diào)壓閥；13：正壓管；14：渦旋氣泵；15：電機(jī).1：Conveyor belt；2：Seed box；3：Sprocket；4：Brush；5：Drum；6：Frame；7：Drive chain；8：Plug；9：Motor；10：Negative pressure；11：Negative pressure regulating valve；12：Positive pressure regulating valve；13：Positive pressure tube；14：Vortex air pump；15：Motor.圖9 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 9 Test bench structure diagram

5.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析 通過前期試驗(yàn)分析，采用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，以吸孔形狀、正壓值、滾筒轉(zhuǎn)速、負(fù)壓值為影響因素，以單粒率、多粒率、漏播率為試驗(yàn)指標(biāo)，選擇4因素3水平的正交表L9(34)進(jìn)行試驗(yàn)[17]，因素水平如表2所示，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示，對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析如表4所示.

由表2可知影響排種器排種合格率的主次因素為：負(fù)壓值>吸孔形狀>滾筒轉(zhuǎn)速>正壓值.對(duì)于漏播率的最優(yōu)方案為D2A2C1B3，且KA2KA1>KA3，說明單錐吸種孔的單粒率明顯優(yōu)于其他2種吸種孔形，結(jié)合辣椒種子的育苗生產(chǎn)需求和保證單粒率和漏播率，選擇單錐吸種孔更為有利.

表2 試驗(yàn)因素及水平

由表3可知，負(fù)壓值為3 kPa，滾筒轉(zhuǎn)速為8 r/min，吸種孔為單錐型，正壓值900 Pa時(shí)單粒率為86.83%，多粒率為5.35%，漏播率為4.61%，排種效果更為滿足種植要求.

表3 試驗(yàn)方案及結(jié)果

表4 分析結(jié)果

6 結(jié)論

1) 以單錐孔吸種、氣吹投種和清堵方式設(shè)計(jì)的排種器滿足辣椒穴盤育苗的種植要求.

2) 通過CFD設(shè)計(jì)單因素?cái)?shù)值模擬試驗(yàn)，對(duì)不同吸種孔和氣吹投種裝置在不同進(jìn)氣方式下內(nèi)部流場(chǎng)均勻性進(jìn)行分析并通過樣機(jī)試驗(yàn)得出排種器在單錐吸孔和投種裝置在兩端進(jìn)氣的方式下排種效果最佳.

3) 排種器吸孔形狀、正壓值、滾筒轉(zhuǎn)速和負(fù)壓值4因素3水平正交試驗(yàn)得出影響排種器單粒率、多粒率、漏播率的主次因素均為負(fù)壓值>吸孔形狀>滾筒轉(zhuǎn)速>正壓值.在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)最適合辣椒穴盤育苗播種的參數(shù)組合為負(fù)壓值為3 kPa，滾筒轉(zhuǎn)速為8 r/min，吸種孔為單錐型，正壓值900 Pa，此時(shí)排種器的單粒率為86.83%、多粒率為5.35%、漏播率為4.61%.