氣吸式水稻逐粒排列裝置吸附試驗分析*

徐云杰，胡飛，沈俞，賈良權，祁亨年

(1.湖州師范學院工學院，浙江湖州，311800；2.湖州市機械工程學會，浙江湖州，311800)

0 引言

種子是農業(yè)生產的基本生產資料，種子活力是衡量種子質量的重要指標之一[1-2]，種子活力的優(yōu)劣直接影響種子品質、生長和產量，高活力種子具有更大的生長潛能和優(yōu)勢。據(jù)統(tǒng)計，每年我國因作物種子不適造成農產品減產在10%～20%之間[3]，研究種子活力的檢測技術，對保障農業(yè)經濟的穩(wěn)定發(fā)展有著重要意義。種子活力檢測技術國內外研究較多，但將檢測裝備應用于生產實際較少，發(fā)達國家的種子公司很多都有對其商品種子進行批量活力檢測的裝備，國內種子企業(yè)還做不到[4]。

以氣吸式吸取種子并檢測種子活力的吸附試驗國內外均未檢索到公開文獻，國內外學者圍繞播種的氣吸式排種器的吸附試驗有較多的研究[5]，有借鑒意義；主要集中在理論分析、建模仿真、試驗研究幾個方面。

理論分析方面主要是以某一類種子為對象構建排種數(shù)學模型，指導吸附參數(shù)的選擇。Guarella等[6]以氣吸形式的蔬菜排種器為研究對象，考察其對排種性能的影響并構建數(shù)學模型。Mohammed[7]針對小麥采用動力學與運動學的方法對吸排種進行理論分析，并指導吸排種性能的提高。張昆[5]以氣吸滾筒內部氣流流場的數(shù)學模型進行數(shù)值模擬，研究結果表明孔徑和孔距對內部流場分布均勻性有顯著性影響。廖宜濤等[8]針對油菜、青菜等類球形小粒徑種子開展吸種環(huán)節(jié)研究，明確了用于計算吸種臨界負壓的可靠性系數(shù)模型，為氣吸性能提供參考。

建模仿真方面常用離散元(DEM)、計算流體力學(CFD)等借助EDEM、FLUENT等軟件對速度場、壓力場進行分析與模擬。丁力等[9]采用DEM和CFD耦合的方法模擬了氣吸式排種器工作過程，優(yōu)化排種參數(shù)；孫舒暢[10]以玉米精密排種器為研究對象，采用EDEM、FLUENT進行仿真分析，通過臺架試驗，驗證了仿真模擬的可行性；張凱等[11]借助兩個分析軟件完成了小粒徑氣吸式排種器DEM-CFD耦合仿真試驗，獲得了最佳排種性能值；劉月琴等[12]采用離散元的方法進行了仿真研究，獲得了大豆的最優(yōu)排種性能參數(shù)組合。

試驗研究方面采用最多的一種方法是以某一類種子為對象通過試驗獲取最優(yōu)參數(shù)。崔濤等[13]設計了一種內充氣吹式玉米排種器,試驗研究了壓強和合格率的關系；Singh等[14]研究不同作物孔徑和型孔類型氣吸性能試驗；李娜等[15]對氣吸式谷子精量排種器性能進行正交試驗研究獲得了較優(yōu)組合；李衣菲等對黑豆精量排種裝置性能進行試驗研究等等。

圍繞播種的種子吸附裝備以滾筒式、盤式為主，根據(jù)種子的大小、形狀等通過試驗調整型孔形狀、轉速、吸氣壓力來達到最好的吸種效果[5]。播種時為了防止欠株側重保證全吸附率，允許吸附多粒種子[16-17]；但目前基于高光譜的種子活力檢測技術僅能夠單粒檢測，故有必要研究單粒吸附率。

本研究前期基于TDLAS技術進行批量種子活力檢測，每次檢測一盒(1 kg以內)[18]，檢測出的高活力種子整盒直接作為商品種子出售，檢測出的中活力種子整盒進行逐粒活力檢測，確保分選出每粒高活力種子，去除破損種子和雜質。為此研制了基于高光譜檢測技術的氣吸式單粒種子活力批量檢測分選裝備[19]，種子單粒排列裝置和高光譜檢測裝備是核心部件，因高光譜檢測裝備單粒檢測限制，要求種子單粒且有規(guī)律的進行排列，在充種、運種、投種中吸附參數(shù)是確保種子排列效率的關鍵因素，以三種不同類型的水稻種子為對象，試驗研究影響吸附特性的各因素之間的相關關系，從而確定最優(yōu)吸附參數(shù)。

1 種子單粒排列裝置設計

1.1 種子單粒排列裝置結構與工作原理

種子單粒排列裝置是單粒種子活力批量檢測分選線的重要組成部分；單條分選線可組合成多條分選線，每條分選線結構一樣，都由排列裝置、傳送裝置、檢測裝置、分選裝置等組成，如圖1所示為單條分選線，分選線的工作流程：待檢測的種子放到排列裝置的料箱內，排列裝置單粒吸取種子，種子落至傳送裝置并傳送至高光譜檢測裝置處進行檢測，檢測裝置將檢測結果轉換成數(shù)字信號控制分選裝置高壓氣體的通斷，不同活力程度的種子被高壓氣體吹入對應的種子回收袋內，高活力種子直接作為商品出售，中等或低活力根據(jù)具體情況進行處理。

圖1 單條分選線總裝圖Fig.1 Assembly drawing of sort device1.控制裝置 2.排列裝置 3.檢測裝置 4.分選裝置 5.傳送裝置 6.回收袋 7.低活力區(qū) 8.中等活力區(qū) 9.高活力區(qū)

單粒種子活力檢測的目的是檢測每一粒種子活力，確保分揀出高活力的種子，檢測中采用高光譜分析，要求種子單粒且有規(guī)律的進行排列，因此有必要研究單粒排列裝置。

種子單粒排列裝置逐粒吸附種子且單個排列，裝置的結構如圖2所示，由滑環(huán)定子、滑環(huán)轉子、料箱、吸管、吸嘴等組成。整個過程分四個區(qū)，Ⅰ區(qū)為吸種區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)為運種區(qū)、Ⅳ區(qū)為放種區(qū)，包含吸種、運種、放種三個步驟。

圖2 種子單粒排列裝置Fig.2 Seeds arranging device1.吸管 2.吸嘴 3.料箱 4.滑環(huán)轉子 5.滑環(huán)定子

工作原理：在吸種區(qū)Ⅰ區(qū)豎直方向0°位置吸管置為真空狀態(tài)，吸嘴吸附料箱內的水稻種子，滑環(huán)轉子帶動吸管、吸嘴和被吸附的水稻種子逆時針勻速轉動，經Ⅱ、Ⅲ區(qū)運送，在Ⅳ區(qū)270°吸管釋放真空度，放種，種子自由落體落至分選線傳送帶上，以此類推重復動作。圖2吸管數(shù)量為4個，每1轉投種間距為πd/4。根據(jù)檢測速度可通過增加吸管數(shù)量調整種子排列間距，如吸管數(shù)量為n個則投種間距為πd/n，還可以配合傳送帶進一步調整間距。

1.2 吸嘴類型及吸附參數(shù)確定

1.2.1 吸嘴類型

伊藤道秋等[20]研究了A型、B型、C型、D型四種類型吸嘴形狀(圖3)與氣穴直徑、真空負壓以及水稻種子的接觸速度等的關系，研究結果顯示同等參數(shù)條件下A型2粒及以上吸附率最低。以固定參數(shù)吸嘴直徑1.5 mm，吸附壓力9 kPa，轉速22.5 r/min，在同一臺排列裝置上的四個吸管上分別安裝四種吸嘴進行吸附試驗，結果顯示A型單粒吸附率達91.7%，B、D次之均可達到70%，C型多粒吸附率最高達50%。本研究以最優(yōu)單粒吸附率為目標，故選擇A型吸嘴進行試驗。吸嘴為可拆卸部件，更換吸嘴即可滿足不同規(guī)格、不同類型種子的單粒吸取需求。

(a)A型吸嘴 (b)B型吸嘴 (c)C型吸嘴 (d)D型吸嘴圖3 吸嘴結構Fig.3 Suction nozzles structure

1.2.2 吸附參數(shù)

種子有圓形如蘿卜、菠菜等，扁平形如西瓜、黃瓜等，特殊形狀如水稻、小麥、蕎麥等[20]。不同類別的種子需要的吸附力不同，要吸附單粒種子且不掉落，吸嘴處的吸附壓力至關重要，過小易吸空，過大易吸附多粒且破壞種子的活力，水稻種子形狀為類似橢圓，為特殊形狀，因此有必要單獨針對水稻種子進行吸附壓力研究。

吸嘴內徑為圓柱形，吸嘴與水稻種子完全吸附接觸面為圓形，吸力遠大于種子自重、種子間的振動力、碰撞力，因此研究過程中將水稻種子等效為球形，水稻種子的直徑簡化為等效直徑[21]。吸附過程中水稻種子受力分析如圖4所示，建立水稻種子受力方程。

(a)種子吸附狀態(tài)

(b)種子受力情況圖4 水稻種子受力分析圖Fig.4 Stress analysis diagram of rice seed

(1)

式中：ω——吸嘴的角速度，rad/s；

R——吸嘴旋轉半徑，mm；

α——吸管與豎直方向的夾角，(°)；

G——水稻種子重力，N；

Ff——水稻種子間的摩擦力，N；

J——水稻種子慣性離心力，N；

F0——水稻種子的吸附力，N；

FR——Ff方向上G與Ff的合外力，N；

NR——孔壁對水稻種子的支持力，N；

FN——NR方向上G、J、NR的合外力；

d——吸嘴直徑，mm；

B——水稻種子到吸嘴的中心距離，mm。

由式(1)可得，當水稻種子被吸附在吸嘴上時所需的吸附壓力如式(2)所示。

(mω2R+NR+Gcosα)

(2)

由于重力G、中心距B、種子間摩擦力Ff等不變，由式(2)可知，決定水稻種子吸附壓力最重要的因素是吸嘴直徑和吸嘴轉速。通過試驗分析吸嘴直徑、吸嘴轉速與吸附壓力之間的相關性可以確定每個類型水稻種子所適合的吸附參數(shù)。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

本文選擇三種代表不同形狀的水稻種子作為試驗對象，中嘉早17、甬優(yōu)538、中浙優(yōu)10，種子形狀如圖5所示。

圖5 三種水稻種子實物圖Fig.5 Physical diagram of three rice seeds

各取1 000粒用電子秤及游標卡尺分別測量種子的重量、長度與粒徑，測得中嘉早17平均粒重26.0 mg/粒、平均長度8.19 mm，平均粒徑3.17 mm，長徑比L/D=2.58；甬優(yōu)538平均粒重24.8 mg/粒、平均長度7.16 mm，平均粒徑3.21 mm，長徑比L/D=2.22；中浙優(yōu)10平均粒重23.5 mg/粒、平均長度9.67 mm，平均粒徑2.48 mm，長徑比L/D=3.89。

2.2 試驗設備

主要的試驗設備有：種子單粒排列裝置，57HS22步進電機及TB6600驅動器，奧突斯雙缸無油空壓機，三菱控制器，機架試驗臺，游標卡尺等，試驗裝置如圖6所示。

圖6 水稻種子吸附性能檢測試驗臺Fig.6 Test bench for detecting the adsorption property of rice seeds

2.3 試驗方法

種子高光譜檢測速度為4～6個/s，取轉子轉速為15～22.5 r/min，PLC控制步進電機，取脈沖頻率分別是800、900、1 000、1 100、1 200 Hz可獲得5種轉速；取平均粒重24.9 mg/粒，取d=1.0和d=2.0，由式(2)初步預算吸附壓力區(qū)間為1～13 kPa。以這14個影響因素為試驗參數(shù)，因素水平如表1所示，每組試驗連續(xù)記錄120粒種子的吸附情況。由式(2)可知，吸附壓力p0對吸附率影響較大，故首先以單因素試驗研究吸附壓力與吸附率的關系，參數(shù)取值分別為：中嘉早17和甬優(yōu)538取中間直徑d=1.5；中浙優(yōu)10取d=1.25；轉速取轉子最大轉速ω=22.5 r/min；吸附壓力p0=1、2、5、9、13 kPa。在單因素試驗的基礎上，獲得各個種子最優(yōu)吸附壓力，在此壓力下再分別取不同的吸嘴直徑和轉速做組合試驗，中嘉早17和甬優(yōu)538取吸嘴直徑d=1.0、1.5、2.0；中浙優(yōu)10取d=1.0、1.25、1.5；ω=15.0、16.875、18.75、20.625、22.5 r/min。最后，在直徑與轉速的組合試驗中得到各個種子的最優(yōu)吸嘴直徑，在最優(yōu)吸嘴直徑的情況下，取吸附壓力p0=1、2、5、9、13 kPa，ω=15.0、16.875、18.75、20.625、22.5 r/min，進行吸附壓力和轉速組合試驗。依據(jù)組合試驗結果分析p0、d、ω變化規(guī)律，確定最優(yōu)吸附參數(shù)。

表1 因素水平Tab.1 Level of factor

3 結果與分析

3.1 吸附壓力試驗結果分析

中嘉早17和甬優(yōu)538取中間直徑d=1.5；中浙優(yōu)10取d=1.25；轉速取轉子最大轉速為22.5 r/min；p0=1、2、5、9、13 kPa，進行吸附壓力單因素分析，試驗結果如圖7所示。

(a)中嘉早17

由圖7可知，當p0≤5 kPa時γ空∝1/p0，當p0>5 kPa 時γ空<10%；γ單隨著p0的增加先增后降，中嘉早17當p0=9 kPa時達到最大，γ單max=91.7%，甬優(yōu)538當p0=9 kPa時達到最大，γ單max=86.7%；中浙優(yōu)10當p0=5 kPa時達到最大，γ單max=85.84%。γ復∝p0，p0≥9 kPa時增加明顯。由表2吸附壓力方差分析結果可知，吸附壓力對三種種子的吸空率、單粒吸附率、復粒吸附率均具有顯著影響。

表2 吸附壓力方差顯著性分析Tab.2 Variance analysis of adsorption pressure

3.2 吸嘴直徑與轉速試驗結果與分析

中嘉早17和甬優(yōu)538取d=1.0、1.5、2.0，p0=9 kPa；中浙優(yōu)10取d=1.0、1.25、1.5，p0=5 kPa；ω=15.0、16.875、18.75、20.625、22.5 r/min，分別進行吸嘴直徑與轉速的組合試驗，試驗結果如圖8所示。圖8顯示，三種種子的γ空∝1/d，且隨ω的增加呈微上升趨勢；γ單隨d的增加先增加而后降低；γ復∝d，且隨ω的增加總體呈微下降趨勢。

圖8(a)中嘉早17，當d=1.5、ω=22.5 r/min時γ空=5.8%，γ單max=91.7%明顯優(yōu)于其他，γ復min=2.5%，此組參數(shù)較優(yōu)。當d=1.0時γ空>60%，γ復≈0%；當d=2.0時γ復>40%，γ空≈0%；γ單均<60%。

(a)中嘉早17

圖8(b)甬優(yōu)538，當d=1.5、ω=18.75 r/min時γ空=1.6%，γ單max=88.3%明顯優(yōu)于其他，γ復=10%，此組參數(shù)較優(yōu)。當d=1.0時γ空>40%，γ復≈0%；當d=2.0時γ復≈50%，γ空≈0%；γ單均<60%，非最優(yōu)參數(shù)范圍。

圖8(c)中浙優(yōu)10，當d=1.25、ω=22.5 r/min時γ空=15.5%，γ單max=88.3%明顯優(yōu)于其他，γ復min=0.8%，此組參數(shù)較優(yōu)。當d=1.0時γ空>20%，γ復<5%；當d=1.5時γ復>30%，γ空<5%；γ單均<70%，非最優(yōu)參數(shù)范圍。

由表3可知，三種種子吸嘴直徑試驗結果對應的各項P值均小于0.05，因此吸嘴直徑對吸空率、單粒吸附率和復粒吸附率有顯著影響；由表4可知，轉速的各項P值均大于0.05，因此轉速對三種種子的吸空率、復粒吸附率及單粒吸附率影響效果不顯著。與試驗結果吻合。

表3 吸嘴直徑方差顯著性分析Tab.3 Variance analysis of suction nozzles diameter

表4 轉速方差顯著性分析Tab.4 Variance analysis of suction nozzles rotation speed

3.3 吸附壓力和轉速試驗結果與分析

中嘉早17和甬優(yōu)538種子取d=1.5，中浙優(yōu)10取d=1.25，分別取p0=5、9、13 kPa，取ω=16.875、18.75、20.625、22.5 r/min進行組合吸附試驗，同時吸附3粒種子的情況基本為0，同時吸附0粒、1粒和2粒的試驗結果如表5所示。

表5 吸附壓力、轉速和吸附數(shù)量關系Tab.5 Relationship between adsorption pressure,rotation speed and adsorption quantity

中嘉早17的γ空∝1/p0；不同壓力下，γ單∝p0，在相同壓力下，在p0=5 kPa時隨ω增大先增后減，在p0=9、13 kPa時隨ω增大先增后減再增，在p0=9 kPa，ω=22.5 r/min達到最大γ單max=91.7%；同一壓力下，γ復∝1/ω，不同壓力下，γ復∝p0。

甬優(yōu)538的γ空隨p0增大先增后減；在p0=5 kPa時γ單∝1/ω，在p0=9 kPa時隨ω增大先升后降再升，在p0=13 kPa時隨ω增大先升后降，在p0=5 kPa，ω=16.875 r/min達到最大γ單max=92.5%。在p0=5 kPa 時隨ω的增加γ復先增后減，在p0=9、13 kPa時，隨ω的增加γ復先減后增，不同壓力下，γ復∝p0。

中浙優(yōu)10，不同壓力下γ空∝1/p0，同一壓力下γ空隨ω變化不明顯；不同壓力下γ單變化規(guī)律不明顯，在p0=9 kPa，ω=22.5 r/min達到最大γ單max=91.7%。同一壓力下，γ復∝1/ω不同壓力下，γ復∝p0。

4 結論

本文以水稻種子為對象，試驗裝備為自主研發(fā)的基于高光譜檢測技術的氣吸式單粒種子活力批量檢測分選裝備，采用單因素和組合因素分析法，以吸空率γ空、單粒吸附率γ單、復粒吸附率γ復為考核指標，對其核心部件種子逐粒排列裝置在充種、運種、投種中的關鍵吸附參數(shù)p0、d、ω進行了試驗研究，最終確定了三種不同類型的水稻種子研究影響吸附特性的各因素之間的相關關系，以及最優(yōu)吸附參數(shù)。

1)吸附壓力對三種種子的吸空率、單粒吸附率、復粒吸附率均具有顯著影響。γ空∝1/p0；長徑比小的中嘉早17和甬優(yōu)538的γ單隨著p0的增加先增后降，長徑比大的中浙優(yōu)10的γ單隨著p0的增加先降后增；γ復∝p0。

2)吸嘴直徑對三種種子的吸空率、單粒吸附率、復粒吸附率均有顯著影響；γ空∝1/d；γ單隨d的增加先增后降；γ復∝d。

3)吸嘴轉速對三種種子的吸空率、單粒吸附率、復粒吸附率影響效果不顯著。γ空隨ω的增加呈微上升趨勢；γ單隨ω的增加有增有減，總變化范圍平均13.9%；γ復∝d，且隨ω的增加總體呈微下降趨勢。

4)長徑比L/D中浙優(yōu)10>中嘉早17>甬優(yōu)538；最優(yōu)單粒吸附率γ單甬優(yōu)538>中嘉早17>中浙優(yōu)10；吸空率γ空中浙優(yōu)10>中嘉早17>甬優(yōu)538；L/D越大p0和d的影響越顯著，說明種子的形狀對種子的吸附性能有很大影響，γ單∝1/(L/D),γ空∝L/D,γ復∝1/(L/D)。

5)通過試驗最終確定中嘉早17最優(yōu)吸附參數(shù)為p0=9 kPa，d=1.5 mm，ω=22.5 r/min；在此參數(shù)下γ空=5.8%，γ單max=91.7%，γ復=2.5%；甬優(yōu)538最優(yōu)吸附參數(shù)為p0=5 kPa，d=1.5 mm，ω=16.875 r/min；在此參數(shù)下γ空=5%；γ單max=92.5%，γ復=2.5%；中浙優(yōu)10最優(yōu)吸附參數(shù)為p0=5 kPa，d=1.25 mm，ω=22.5 r/min；在此參數(shù)下γ空=13.33%，γ單max=85.84%，γ復=0.83%。

6)在最優(yōu)吸附參數(shù)條件下，三類種子的復粒吸附基本是2粒，2粒落到傳送帶后自動分開，可以分別按兩個單粒檢測，滿足檢測的有效吸附率最低86.7%，最高95%。此三組最優(yōu)參數(shù)均能夠滿足水稻種子批量單?；盍?～6個/s的檢測要求，無論是使用效率還是檢測質量都可以得到保障。在實際應用過程中針對具體的種子，可依據(jù)此試驗的規(guī)律，更換吸嘴，有針對性的進行試驗便可確定最優(yōu)吸附參數(shù)。