氣吸式小青菜精密排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

王浩屹，孫新平，陳曦，李驊，王永健

(1. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，南京市，210031；2. 江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，南京市，210031；3. 南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，南京市，211816)

0 引言

小青菜又名小白菜，屬于十字花科蕓薹屬植物，因其口感好、生長(zhǎng)周期短，在我國(guó)南北方地區(qū)廣泛種植[1-5]。因其種子粒徑較小，種植戶通常采用拋撒的播種方式，既浪費(fèi)種子增大經(jīng)濟(jì)成本，又因撒播不均致使菜苗雜堆生長(zhǎng)，降低生長(zhǎng)效率。市面上針對(duì)小青菜精量播種的機(jī)械類型較少，現(xiàn)存的小青菜播種機(jī)大都由其他播種機(jī)械改裝而來(lái)，缺乏針對(duì)性，難以真正提升小青菜的播種精度。

排種器是播種機(jī)的重要組成部分，按照工作原理可分為機(jī)械式排種器和氣吸式排種器兩大類[6]。機(jī)械式排種器主要依靠種子自身重力和推種器等強(qiáng)制方式進(jìn)行排種，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作容易，缺點(diǎn)是播種效率不穩(wěn)定、播種精度偏低[7-9]。氣吸式排種器主要依靠調(diào)整風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓實(shí)現(xiàn)精密穴播，其優(yōu)點(diǎn)是播種精度高、穩(wěn)定性好、種子損傷率小，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、技術(shù)難度高[10-11]。國(guó)內(nèi)蔬菜排種器多采用機(jī)械式排種器，已有較多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究。張宇文[12]設(shè)計(jì)一款機(jī)械式多功能精密排種器，通過(guò)在排種器底端安裝推種齒來(lái)解決種子堵塞問(wèn)題，但種子破損率較大；王英博等[13]研究了機(jī)械式小麥射播排種器，探究轉(zhuǎn)速、葉片后傾部分曲率半徑、葉片安裝角度對(duì)排種性能的影響，但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。國(guó)外蔬菜排種器多采用氣吸式結(jié)構(gòu)，技術(shù)較為成熟。Sial[14]研究了園藝播種機(jī)的吸嘴，得出當(dāng)充種高度大于種子半徑時(shí)，充種所需的壓強(qiáng)隨充種高度變量的4次方的增加而增加。Maleki等[15]研究谷物條播機(jī)上的排種器，得到種子突然釋放對(duì)種子計(jì)量的均勻性有影響。Mandal等[16]設(shè)計(jì)一種適用于三排精密播種的氣動(dòng)排種器，并對(duì)排種器的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)。

本文以江蘇省小青菜種植農(nóng)藝為參考，結(jié)合田間生產(chǎn)實(shí)際和市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的氣吸式小青菜精密排種器，并進(jìn)行了仿真和臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)提高小青菜等小粒徑種子的排種效率具有重要意義。

1 排種器整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 排種器整體結(jié)構(gòu)

參考其他氣吸式排種器的設(shè)計(jì)[17-20]，氣吸式小青菜精密排種器結(jié)構(gòu)主要由鏈輪、種箱、排種器底座、清種裝置、種箱擋板、排種盤(pán)、攪種輪、密封圈、排種器外殼、中心六棱柱等部件組成，如圖1所示。

圖1 氣吸式排種器整體結(jié)構(gòu)

1.2 排種器工作原理

本排種器設(shè)計(jì)充種區(qū)、清種區(qū)、攜種區(qū)、落種區(qū)4個(gè)工作區(qū)域，分別用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ對(duì)應(yīng)表示，如圖2所示。排種器工作時(shí)，播種機(jī)上的風(fēng)機(jī)通過(guò)負(fù)壓軟管將風(fēng)壓傳至排種器內(nèi)，在排種器外殼與排種盤(pán)之間形成碗狀密閉負(fù)壓空間。排種時(shí)種箱內(nèi)的種子最先落入充種區(qū)Ⅰ,經(jīng)旋轉(zhuǎn)的攪種輪攪拌均勻后，在負(fù)壓力作用下,種子被吸附在排種盤(pán)的表面和型孔內(nèi)，隨排種盤(pán)旋轉(zhuǎn)進(jìn)入清種區(qū)Ⅱ；在負(fù)壓力持續(xù)作用下，型孔內(nèi)的種子隨排種盤(pán)經(jīng)攜種區(qū)Ⅲ向落種區(qū)Ⅳ旋轉(zhuǎn)，排種盤(pán)表面的種子與清種裝置刮碰，掉落至充種區(qū)再次參與充種；落種區(qū)Ⅳ內(nèi)負(fù)壓氣道被隔斷，吸附作用消失，種子在重力作用下從型孔內(nèi)脫落，沿導(dǎo)種裝置落入開(kāi)溝器，經(jīng)開(kāi)溝器將種子置于開(kāi)好的種溝內(nèi)，完成排種作業(yè)。

圖2 氣吸式排種器工作區(qū)域劃分

2 小青菜種子物理特性測(cè)定

排種器相關(guān)部件的尺寸與所播種子的物理特性相關(guān)，在設(shè)計(jì)時(shí)需先對(duì)種子物理特性進(jìn)行研究。以“上海矮箕”型號(hào)的小青菜種子為試驗(yàn)材料，對(duì)其主要物理特性進(jìn)行測(cè)定，為排種器設(shè)計(jì)與仿真試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

2.1 千粒重的測(cè)定

千粒重是指一千粒種子的重量，是農(nóng)業(yè)物料學(xué)中用來(lái)檢測(cè)種子標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的重要指標(biāo)。按照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB 5519-85)，隨機(jī)選取去除雜質(zhì)的該小青菜種子3份，每份1 000粒，通過(guò)ME204E分析天平(精度0.001 g)分別進(jìn)行稱重，取其平均值，最終求得該小青菜種子千粒重為2.41 g，如圖3所示。

圖3 “上海矮箕”型號(hào)小青菜種子

2.2 三軸尺寸的測(cè)定

農(nóng)業(yè)物料學(xué)手冊(cè)中對(duì)較小物料物理特性測(cè)定通常采用軸向尺寸法。本試驗(yàn)隨機(jī)選取千粒重為2.41 g的小青菜種子50粒，用精度為0.01 mm的數(shù)顯游標(biāo)卡尺分別對(duì)每粒種子的三軸尺寸進(jìn)行測(cè)定。圖4為種子三軸尺寸示意圖，表1為所測(cè)種子三軸尺寸統(tǒng)計(jì)分析表。

圖4 “上海矮箕”種子三軸尺寸示意圖

表1 種子三軸尺寸Tab. 1 Three-dimensional sizes of seeds

2.3 球形度的測(cè)定

球形度是表示種子實(shí)際形狀與球體之間差異程度的指標(biāo)，球形度數(shù)值越高，表明種子實(shí)際形狀越接近于球體。仿真建模需要對(duì)種子球形度進(jìn)行測(cè)定，查閱農(nóng)業(yè)物料學(xué)手冊(cè)，物料的球形度

(1)

式中：a——物料的長(zhǎng)度，mm；

b——物料的寬度，mm；

c——物料的高度，mm。

將小青菜種子三軸尺寸的平均值代入式(1)，計(jì)算出種子的球形度SP=95.59%，此數(shù)據(jù)表明小青菜種子粒徑較小，球形度極高，近似于球形，為后續(xù)仿真建模提供數(shù)據(jù)支撐。

3 排種器重要部件設(shè)計(jì)

3.1 排種盤(pán)相關(guān)參數(shù)

排種盤(pán)是排種器內(nèi)的重要部件，其主要參數(shù)包括：排種盤(pán)直徑dp、型孔直徑dx、型孔處轉(zhuǎn)動(dòng)半徑r、型孔個(gè)數(shù)Z，現(xiàn)分別對(duì)這4個(gè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，圖5為排種盤(pán)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸示意圖。

圖5 排種盤(pán)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

3.1.1 排種盤(pán)直徑

排種盤(pán)直徑dp越大，可開(kāi)的型孔數(shù)就越多，其線速度降低、排種效率提高，但dp過(guò)大會(huì)增加研發(fā)成本，故以適度尺寸為宜。查閱農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，現(xiàn)有排種盤(pán)直徑dp一般為140～260 mm，結(jié)合氣吸式排種器的整體尺寸，確定此排種盤(pán)直徑dp取220 mm。

3.1.2 型孔錐度及直徑

型孔是外大內(nèi)小的錐形結(jié)構(gòu)，其錐度α及直徑dx與吸、排種靈活度密切相關(guān)，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中錐度通常取46°～61°性能較優(yōu)，α取55°為宜。型孔直徑

dx=(0.64～0.66)d

(2)

式中：d——種子的平均寬度，mm。

將小青菜種子的平均寬度d=1.65 mm帶入式(2)，計(jì)算得出型孔直徑dx的范圍為1.056～1.089 mm，結(jié)合加工實(shí)際，經(jīng)過(guò)圓整后的型孔直徑dx約為1.1 mm。

3.1.3 吸附孔數(shù)量

吸附孔數(shù)量Z影響著排種效率和播種精度，孔數(shù)過(guò)少排種效率降低，孔數(shù)太多播種精度下降。徐蘇陽(yáng)等通過(guò)研究，總結(jié)得出吸附孔數(shù)量與播種機(jī)速度、播種株距、種盤(pán)轉(zhuǎn)速的密切關(guān)系，表達(dá)公式如式(3)所示。

(3)

式中：vb——播種機(jī)的行進(jìn)速度，m/s；

l——播種株距，m；

n——種盤(pán)轉(zhuǎn)速，r/min。

按照農(nóng)藝要求，小青菜的株距l(xiāng)為8～15 cm，行距為13 cm。查閱農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，種盤(pán)轉(zhuǎn)速n應(yīng)滿足n≤50 r/min，播種機(jī)的前進(jìn)速度vb應(yīng)滿足vb≤18 km/h，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(3)計(jì)算得出Z≥40，按照農(nóng)藝要求，結(jié)合實(shí)際加工精度及排種穩(wěn)定性等問(wèn)題，該排種器型孔數(shù)量Z取90，相鄰孔的角度取4°。

3.1.4 型孔轉(zhuǎn)動(dòng)半徑

按照農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)的要求，排種盤(pán)型孔中心線速度v≤0.35 m/s，排種盤(pán)的旋轉(zhuǎn)角速度w≈2 rad/s，根據(jù)角速度與線速度的換算公式

v=wr

(4)

式中：r——型孔轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，mm。

將上述數(shù)據(jù)代入式(4)，計(jì)算得出型孔轉(zhuǎn)動(dòng)半徑r≤175 mm，結(jié)合排種盤(pán)直徑dp=220 mm,為使排種盤(pán)邊緣與型孔處留有一定的間隙，便于種子更好地被吸附，最終選取型孔轉(zhuǎn)動(dòng)半徑r為95 mm。

3.2 排種器吸室相關(guān)參數(shù)

吸室設(shè)計(jì)是排種器設(shè)計(jì)中的重要部分，良好的吸室設(shè)計(jì)能夠保障種子被穩(wěn)定吸附在型孔內(nèi)，有效提高播種合格率。根據(jù)型孔處種子的受力特點(diǎn)，以排種盤(pán)上某一個(gè)型孔內(nèi)的種子為研究對(duì)象,研究其在型孔內(nèi)所受合力及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算出維持種子吸附狀態(tài)所需的吸附力大小。型孔吸附種子受力分析圖，如圖6所示。

圖6 型孔吸附種子的受力分析

為使一粒種子能夠被穩(wěn)定吸附在排種盤(pán)上，應(yīng)當(dāng)滿足式(5)的條件

(5)

式中：HCmax——形成氣室所需的最大真空度，Pa；

m——一粒種子的重量，kg；

vp——型孔中心處的線速度，m/s；

r——吸孔處轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，m；

d——種子平均寬度，mm

g——重力加速度，m/s2；

λ——種子的摩擦阻力綜合系數(shù)，λ=(6～10)tanε；

ε——種子的休止角，(°)；

k1——吸種可靠性系數(shù)，k1= 1.8～2.0；

k2——工作穩(wěn)定可靠性系數(shù)，k2= 1.6～2.0。

按照前文測(cè)定，dx取1.1 mm，小青菜種子的千粒重為2.41 g，C取0.65 mm；k1與種子的千粒重和球度有關(guān)，k1取1.8；k2與種子的千粒重有關(guān)，k2取1.6；按照農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)要求vp≤0.35 m/s，vp取0.35 m/s，r取95 mm；λ與種子的休止角有關(guān)，λ取3.83。將上述數(shù)據(jù)全部代入式(5)，計(jì)算得出P0≥ 0.028 4 N，HCmax=328.25 Pa，即只要單個(gè)型孔處產(chǎn)生的負(fù)壓吸力大于等于0.028 4 N，型孔處的負(fù)壓值就能達(dá)到328.25 Pa，理論上單粒小青菜種子就能完全被吸附在排種盤(pán)上的型孔內(nèi)。

4 排種器內(nèi)部氣流場(chǎng)仿真驗(yàn)證

為試驗(yàn)種子在負(fù)壓氣室內(nèi)的受力和吸附狀態(tài)，本文應(yīng)用CFD軟件對(duì)排種器內(nèi)部氣流場(chǎng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

4.1 仿真驗(yàn)證方法

首先利用SolidWorks 2018建模軟件對(duì)排種器內(nèi)部的氣流場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)化建模，并將建模完成后的氣流場(chǎng)模型導(dǎo)入Ansys Workbench 17.0中，用Mesh將該氣流場(chǎng)劃分成網(wǎng)格面為0.7～1 mm、網(wǎng)格質(zhì)量為0.817的網(wǎng)格單元，如圖7所示。

圖7 排種器內(nèi)部流場(chǎng)網(wǎng)格劃分

其次設(shè)置氣流場(chǎng)出入口邊界壓力，入口與外界空氣相通，其壓力值設(shè)為0 Pa。出口與風(fēng)機(jī)相連，其負(fù)壓值設(shè)置為3.5 kPa；最后設(shè)定求解算法為SIMPLE，壓力差值方式為Standard，設(shè)定迭代次數(shù)為200 000次，每隔5 000步保存一次計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行迭代計(jì)算。

4.2 仿真結(jié)果分析

按照上述仿真驗(yàn)證方法，重點(diǎn)對(duì)排種器內(nèi)部氣流場(chǎng)的壓力分布、氣流速度和氣流擾動(dòng)情況進(jìn)行仿真分析。

4.2.1 壓力分布分析

將計(jì)算數(shù)據(jù)導(dǎo)入CFD-Post 軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)，經(jīng)后處理分析得到負(fù)壓值為-4 405.898～-3 849.706 Pa，負(fù)壓氣室壓力分布云圖如圖8所示。由圖8可知負(fù)壓出口附近負(fù)壓絕對(duì)值最大，吸附作用最強(qiáng)，標(biāo)為藍(lán)色區(qū)域；以負(fù)壓出口為起點(diǎn)，負(fù)壓絕對(duì)值向兩側(cè)逐漸減小，云圖上呈現(xiàn)出由藍(lán)色向綠色、橙色和紅色減弱的趨勢(shì)；排種器入種口和落種口位于負(fù)壓接口最遠(yuǎn)處，負(fù)壓吸附作用最弱。前文已計(jì)算出單粒種子能被牢牢吸附在型孔內(nèi)所需要的最大負(fù)壓值為-328.25 Pa，說(shuō)明在氣室內(nèi)負(fù)壓吸附作用最弱的地方，仍能滿足單粒種子的吸附要求，理論上每個(gè)型孔均能正常完成對(duì)種子的吸附。

圖8 負(fù)壓氣室的壓力分布云圖

4.2.2 氣流速度分析

通過(guò)CFD-Post軟件導(dǎo)出排種器內(nèi)部氣流場(chǎng)的速度矢量云圖，如圖9所示。

因型孔外大內(nèi)小呈錐狀，氣流通過(guò)型孔時(shí)速度由外向內(nèi)迅速增大，最高可達(dá)79.165 m/s，高速氣流將種子牢牢吸壓在型孔內(nèi)；型孔旋轉(zhuǎn)至落種區(qū)時(shí)負(fù)壓氣道被隔斷，負(fù)壓吸附作用完全消失，氣流速度瞬間為0 m/s，種子在重力作用下完成落種。由此可見(jiàn) 氣流場(chǎng)速度矢量的分布規(guī)律與排種器排種規(guī)律相吻合，氣流速度達(dá)到充種要求。

4.2.3 氣流擾動(dòng)分析

型孔氣流對(duì)周?chē)鷼饬鲌?chǎng)的擾動(dòng)會(huì)影響到整個(gè)氣流場(chǎng)的穩(wěn)定性，從而影響其他型孔吸附種子的穩(wěn)定性。本文以負(fù)壓區(qū)型孔氣流為研究對(duì)象，如圖10所示。當(dāng)負(fù)壓氣流穿向外寬內(nèi)窄的錐形孔時(shí)，大量氣流突然從大空間向小錐孔聚集，受擠壓的負(fù)壓氣流高速穿過(guò)型孔，隨著空間變大，氣流由束狀向散發(fā)狀運(yùn)動(dòng)，速度慢慢減小，最后在負(fù)壓腔內(nèi)作近似順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，對(duì)整個(gè)流場(chǎng)影響較小，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖10 型孔氣流擾動(dòng)情況

5 排種器臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用自制的臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)備，于2021年10月在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)采用3D打印加工除排種盤(pán)外的所有排種器部件，排種盤(pán)采用機(jī)加工的方式定制。將排種器安裝在臺(tái)架上，其正負(fù)壓接口用軟管與HG1500型高壓漩渦風(fēng)機(jī)相連，通過(guò)功率為1.5 kW的110-180-Z系列伺服電機(jī)帶動(dòng)排種盤(pán)旋轉(zhuǎn)，下方設(shè)有傳送皮帶，用來(lái)模擬種子落入田地的工作狀況，皮帶上涂有糯米膠，防止小青菜種子與傳送帶接觸時(shí)發(fā)生彈跳。在進(jìn)行具體試驗(yàn)時(shí)，風(fēng)機(jī)負(fù)壓值定為3.9 kPa，排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為1.6 rad/s，排種器臺(tái)架試驗(yàn)如圖11所示。

參考播種國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》[21]，以排種合格率Q、漏播率M、重播率C作排種器排種性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。按照相關(guān)農(nóng)藝要求，小青菜播種株距為4～5 mm，取中間值4.5 mm作為試驗(yàn)理論合格株距L，按照要求合格排種的株距應(yīng)在(0.5L=2.25 mm，1.5L=6.75 mm)范圍內(nèi)，若臺(tái)架試驗(yàn)中排種器排出的種子間株距大于6.75 mm，則記為漏播株距；若種子間株距小于2.25 mm，則記為重播株距，試驗(yàn)共進(jìn)行3次，式(6)為排種合格率Q、漏播率M、重播率C具體計(jì)算公式。

(6)

式中：n1——出現(xiàn)合格播種株距次數(shù)；

n2——出現(xiàn)漏播株距次數(shù)；

n3——出現(xiàn)重播株距次數(shù)；

N——試驗(yàn)粒距測(cè)試總次數(shù)。

圖11 排種器臺(tái)架試驗(yàn)圖

經(jīng)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試，排種器排種性能結(jié)果如表2所示，經(jīng)試驗(yàn)后，求出排種器的平均合格率Q、平均漏播率M、平均重播率C分別為93.18%、2.34%、4.48%，查閱播種國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JB/T10293—2001《單粒(精密)播種機(jī)技術(shù)條件》[22]，當(dāng)種子間距≤10 mm時(shí)，排種合格的標(biāo)準(zhǔn)為粒距合格指數(shù)≥60%、重播指數(shù)≤30%、漏播指數(shù)≤15%，故測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果符合此標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)中種子基本能夠被牢牢吸附在排種盤(pán)的型孔內(nèi)，整個(gè)排種作業(yè)過(guò)程也較為穩(wěn)定。與其余氣吸式排種器排種效果數(shù)據(jù)對(duì)比，如表3所示。綜上所述，所設(shè)計(jì)的氣吸式排種器，其排種性能良好，播種穩(wěn)定性較高。

表2 排種器排種性能結(jié)果Tab. 2 Seed metering performance results of seed metering device

表3 排種器排種性能對(duì)比結(jié)果Tab. 3 Seed discharge performance comparison results

6 結(jié)論

1) 通過(guò)對(duì)“上海矮箕”型號(hào)的小青菜種子物理特性進(jìn)行測(cè)定，得出單粒小青菜種子的千粒重為2.41 g，平均長(zhǎng)度、寬度、厚度分別為1.76 mm、1.65 mm、1.64 mm，種子的球形度SP為95.59%。

2) 設(shè)計(jì)一款氣吸式小青菜精密排種器，對(duì)其排種過(guò)程進(jìn)行闡釋，計(jì)算得出排種器的幾個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，包括排種盤(pán)直徑dp=220 mm、排種盤(pán)上型孔直徑dx=1.1 mm、排種盤(pán)上吸附孔數(shù)量Z=90、型孔轉(zhuǎn)動(dòng)半徑r=95 mm以及形成氣室所需最大真空度HCmax=-328.25 Pa。

3) 利用fluent軟件對(duì)排種器的排種過(guò)程進(jìn)行仿真，得出排種器內(nèi)氣流場(chǎng)的相關(guān)仿真圖像及數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的排種器具有良好的排種能力。

4) 通過(guò)對(duì)排種器進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，測(cè)得排種器的平均合格率Q、平均漏播率M以及平均重播率C分別為93.18%、2.34%、4.48%，并與已有排種器排種性能進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明排種器排種性能良好，符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。