氣吸針式播種機(jī)吸嘴部件設(shè)計(jì)

陳志強(qiáng)，高 銳，沈嶸楓，紀(jì) 敏，謝詩(shī)妍

(1.福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建 福州 350012； 2.福建農(nóng)林大學(xué)，福建 福州 350002 )

針式播種機(jī)是一款對(duì)不同形狀、不同尺寸的種子通過(guò)配置不同型號(hào)的針嘴來(lái)進(jìn)行播種的全自動(dòng)播種機(jī)，負(fù)壓吸嘴吸種、正壓吸嘴排種；應(yīng)用PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，控制傳動(dòng)皮帶的傳動(dòng)速度、播量及播速，種子的吸/排動(dòng)作利用氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)排種器。在某些發(fā)達(dá)國(guó)家，由于針式播種機(jī)將原離散的人工生產(chǎn)管理模式提升為集信息數(shù)據(jù)化、管理可視化、制造智能化于一體的生產(chǎn)模式，效率大大提高，因此被廣泛用于工廠化育苗。散粒狀林木種子介于流體和固體之間，有非常復(fù)雜的機(jī)械特性；在林木種子自然堆積的情況下，種群中有著復(fù)雜的擠壓力和摩擦力，種子本身的特性決定了這種力的大小。吸種時(shí)，負(fù)壓由真空泵提供，吸種器被氣缸轉(zhuǎn)動(dòng)到集種槽上方，而后種子被吸種針吸起；投種時(shí)，正壓由空氣壓縮機(jī)提供，吸種器被氣缸轉(zhuǎn)動(dòng)到播種位置，正壓和自重促使種子掉入到容器內(nèi)，結(jié)束播種動(dòng)作。吸種器，又叫排種器，是種子拾取和播種的關(guān)鍵工作部件。前人也對(duì)各種類型的吸種器進(jìn)行了研究：袁月明等[1]為了分析影響水稻種子姿態(tài)的原因以及排種均勻性和種子的姿態(tài)之間的關(guān)系，使用高速攝影機(jī)記錄氣吸式排種器的工作過(guò)程；何東健等[2]建立了種子在組合吸孔氣吸式排種器中的運(yùn)動(dòng)方程，分析了種子在排種器中的受力及運(yùn)動(dòng)參數(shù)，討論了影響排種性能的主要因素；陳立東等[3]對(duì)影響氣吸式排種器排種性能的因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，建立了漏播率、重播率與粒距合格率等因素之間的數(shù)學(xué)模型，得到回歸方程和最優(yōu)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)；龔志強(qiáng)[4]利用超級(jí)稻氣吸振動(dòng)盤(pán)式精密排種裝置測(cè)量和分析芽種的基本物理性質(zhì)，進(jìn)行設(shè)計(jì)和離散元仿真。氣吸式播種為此次研究的播種方式，實(shí)現(xiàn)整個(gè)育苗容器的播種僅在一次吸排種過(guò)程中完成，達(dá)到一容器一種的播種功能。

1 吸種受力分析

播種性能與種子能否被有效吸附密切相關(guān)，在不同類型的播種機(jī)中，種子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，其所受的力也不同。例如，在吸種與攜種階段，吸滾筒式播種機(jī)中的種子是與滾筒一起做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，而氣吸針式播種機(jī)中的種子與吸嘴沿仿形塊做運(yùn)動(dòng)；而在排種階段，2種播種機(jī)上的種子都做拋物線運(yùn)動(dòng)。所以，有必要分析不同時(shí)期種子的受力情況，種子在振動(dòng)過(guò)程中的狀態(tài)和位置變化，其主軸方向不確定，為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，設(shè)定種子沿著種子長(zhǎng)軸線方向吸附。針式吸嘴在種盤(pán)上方運(yùn)動(dòng)，吸嘴對(duì)種子的作用力如圖1所示。種子形狀不規(guī)則，難以確定吸附過(guò)程中其受到的繞流阻力(F)和升力(H)的大小和方向，這是由于振動(dòng)后種子主軸線的方向不確定導(dǎo)致的。

圖1 吸種受力圖

假設(shè)種子形狀為橢球體，種子的升力H=0，受到重力(G)、吸附力(F)和支持力(N)的作用[5]：

(1)

式中：ρs為種子容重；g為重力加速度；Cu為阻尼系數(shù)；v為氣流速度；d為種子的平均直徑；A為截面積；ρ為氣體密度。

2 吸嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與流體分析

對(duì)于播種機(jī)來(lái)說(shuō)，完成種子拾取和播種動(dòng)作的部件是吸種器，其工藝為：種子由吸種器從自然堆積的群體中吸取出來(lái)，成為可進(jìn)行播種的連續(xù)單粒種子或種子流。吸種器是評(píng)價(jià)播種機(jī)播種質(zhì)量和各項(xiàng)性能指標(biāo)的關(guān)鍵部件，其性能直接關(guān)系到播種機(jī)能否滿足播種質(zhì)量要求。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吸種器有機(jī)械式吸種器和氣力式吸種器。機(jī)械式吸種器成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但適用的種子形狀單一、效率低。其原理是根據(jù)不同種子的形狀和大小，通過(guò)吸種器的孔將種子從群體中抽離，再靠裝置的壓力和種子的自重完成種子拾取和播種。氣力式吸種器有氣吸式、氣壓式、氣送式3種類型，可以進(jìn)行單粒種子精量播種，是以氣流為載體靠氣體的正/負(fù)壓完成種子的拾取和播種，氣力式的優(yōu)勢(shì)是高效低耗，避免重播和損傷種子，且適用于各種形狀和大小的種子，通用性較強(qiáng)。

影響氣吸式吸種器工作性能的主要因素[5]：①真空度：真空度過(guò)大時(shí)，氣孔對(duì)種子的吸附力會(huì)很大，出現(xiàn)不止一粒種子被氣孔吸附，導(dǎo)致重播，且極易破壞種子，使林木種子的發(fā)芽率降低；真空度過(guò)小時(shí)，氣孔對(duì)種子的吸附力變小，易使種子振落，變成漏播。②吸種時(shí)間：如果吸種時(shí)間太短，氣孔不能有效的吸附種子，出現(xiàn)漏播；如果吸種時(shí)間太長(zhǎng)，則降低播種效率。③吸種孔內(nèi)徑：若吸種器內(nèi)部壓強(qiáng)恒定，吸種孔內(nèi)徑過(guò)大，對(duì)種子的吸附力就會(huì)變大，吸口與種子的接觸面積增大，則吸收過(guò)多種子，變成重播，且增加流體的泄漏率；吸種孔內(nèi)徑過(guò)小，吸附力就會(huì)減小，吸種成功率降低，變成漏播。因此，對(duì)氣力式吸種器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且設(shè)計(jì)與其他運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的配合連接。吸種器部件主要包括：固定座、真空接口、吸種針連接頭、吸種針等。圖2為吸種器的結(jié)構(gòu)示意圖。

1為真空接口；2為固定座；3為吸種針連接頭；4為吸種針 圖2 氣吸式吸種器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 流道流體分析

觀察空間幾何點(diǎn)是描述流體的有效方法，某點(diǎn)(x，y，z)流體的速度表達(dá)式在空間直角坐標(biāo)系中為：

(2)

圖3 流道流體設(shè)置

吸嘴的流體分析采用SOLIDWORKS FloXpress作為分析工具。在此忽略流體介質(zhì)和外界的熱交換，因其工作環(huán)境為常溫并且流體介質(zhì)為空氣。在吸種過(guò)程中，吸種器內(nèi)部與外界需要存在一定的壓力差(吸種器內(nèi)部<大氣壓)，為了能夠進(jìn)行有效的吸種，其差值產(chǎn)生的吸附力要大于種子的重力。通過(guò)真空泵抽氣來(lái)實(shí)現(xiàn)排種器內(nèi)部的負(fù)壓。設(shè)置初始條件，出氣口的流量為0.005 m3·s-1(圖3a、表1)；吸種口的外界氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(圖3b、表2)。

設(shè)定好參數(shù)后運(yùn)行仿真，圖4、圖5分別為吸種器內(nèi)部流線圖和內(nèi)部壓力分布圖。從吸種器內(nèi)部流線的分布情況可知，在抽真空過(guò)程中，流體介質(zhì)能從吸種口平穩(wěn)地流向出口，且無(wú)明顯渦流現(xiàn)象；從吸種器的內(nèi)部壓力分布圖可清晰地看到，內(nèi)部壓力分布均勻，最大壓力在吸種口位置，并且每個(gè)吸種口的壓力基本相同，達(dá)到工作要求。吸種器在吸種過(guò)程的仿真可以直觀地反映流體的流動(dòng)情況，證明了裝置工作的可靠性。

表1 入口主要參數(shù)

表2 出口主要參數(shù)

圖4 入口、出口管道圖

圖5 入口、出口滾珠圖

3 結(jié)論

育苗要走產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化、機(jī)械化的發(fā)展道路，工廠化育苗是必然的選擇。播種機(jī)的播種性能是影響優(yōu)質(zhì)種苗培育的關(guān)鍵。本文分析了氣吸針式播種機(jī)排種器吸種過(guò)程中種子的受力與運(yùn)動(dòng)，得出影響針式播種機(jī)播種性能的相關(guān)參數(shù)的關(guān)系式。利用SOLIDWORKS FloXpress，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值分析技術(shù)進(jìn)行了流體仿真，得到了吸種器內(nèi)部的流線分布圖，結(jié)果表明，真空泵抽真空過(guò)程中無(wú)明顯渦流現(xiàn)象，流體介質(zhì)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。吸種器在吸種和投種過(guò)程中吸種器內(nèi)部的壓力分布均勻，最大壓強(qiáng)值處于吸種口位置。采用優(yōu)化吸嘴部件的針式播種機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、工作可靠、播種性能良好，符合設(shè)計(jì)要求。