番茄氣吸滾筒式排種器的優(yōu)化設(shè)計與試驗

梅玉茹，謝方平,2*，王修善,2，李旭,2，劉大為,2

番茄氣吸滾筒式排種器的優(yōu)化設(shè)計與試驗

梅玉茹1，謝方平1,2*，王修善1,2，李旭1,2，劉大為1,2

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，湖南 長沙 410128；2.智能農(nóng)機裝備湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410128)

針對番茄種子粒徑小、質(zhì)量輕、形狀不規(guī)則、難以實現(xiàn)精量排種的問題，設(shè)計了一種氣吸滾筒式排種器，主要由正壓吹種裝置、凸形滾筒、種箱、激振器等部件組成。排種器凸形滾筒內(nèi)負壓產(chǎn)生吸附力，吸附番茄種子隨滾筒轉(zhuǎn)動，至投種位置時在正壓氣吹的作用下完成排種。確定滾筒直徑142 mm、長度345 mm，吸種孔數(shù)10個×20個、孔距33.3 mm、孔徑1.2 mm。以吸種負壓、滾筒轉(zhuǎn)速和振動頻率為試驗因素，單粒率、重播率和漏播率為性能評價指標，進行正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，建立回歸模型，采用多目標優(yōu)化方法，得到排種器的最優(yōu)工作參數(shù)為吸種負壓530 Pa、滾筒轉(zhuǎn)速5 r/min、振動頻率68 Hz，此時排種器漏播率為3.7%，重播率為3.2%，單粒率為93.1%。

番茄種子；氣吸滾筒式排種器；結(jié)構(gòu)參數(shù)；性能試驗

目前廣泛使用的蔬菜氣吸式排種器對于尺寸較小、自重輕、形狀不規(guī)則的番茄種子，還難以達到“一穴一粒”的精量播種要求[1–3]。

小粒徑種子的精密播種普遍采用氣力式結(jié)構(gòu)排種裝置。 GUARELLA等[4]的拾取試驗表明，番茄、生菜及卷心菜種子的拾取距離與0.3～0.9 mm的噴嘴直徑和0～20 kPa的吸種壓力呈正相關(guān)，且不規(guī)則扁平種子比球形種子的拾取距離長。GAIKWAD等[5]設(shè)計了一種低成本氣力穴盤育苗播種機，確定播種辣椒、番茄的最佳吸種壓力為4.91、3.92 kPa與噴嘴尺寸為0.46、0.49 mm。尹文慶等[6]設(shè)計的氣力槽輪組合式排種器可以實現(xiàn)青菜、蘿卜和茄子等多種蔬菜種子的精密排種，但需要根據(jù)種子的三軸尺寸更換吸嘴型孔來實現(xiàn)排種。曾山等[7]在蔬菜種子丸粒化的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種氣吸式小粒種精量穴播排種器，解決了種子難吸附、排種不穩(wěn)定的問題，但對種子進行丸粒化處理，增加了播種工序和成本。夏紅梅等[8]針對扁平茄果類種子設(shè)計了一種帶有“Y”形導槽的導向振動供種裝置，能實現(xiàn)持續(xù)、穩(wěn)定、均勻的定向供種。在種箱上安裝振動裝置，可以增加種子的流動性，但缺少考慮振動慣性力對排種過程影響的力學研究[9–10]。

筆者設(shè)計了一種針對不規(guī)則小粒徑番茄種子的氣吸滾筒式排種裝置，工作時由滾筒表面的凸形吸種孔進行精量吸種，同時在振動作用下減少排種器的多吸率和漏吸率，達到“一穴一粒”的排種效果，并確定了排種器關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。對不同吸種孔直徑下吸種孔空載、種子平躺、種子豎直和種子側(cè)臥4種吸附情況的吸種孔氣流場的變化進行仿真分析；研究吸種負壓、滾筒轉(zhuǎn)速和振動頻率對排種性能的影響，從而確定排種器工作參數(shù)的最優(yōu)組合，以期為番茄氣吸滾筒式排種器的制造提供參考。

1　番茄氣吸滾筒式排種器的結(jié)構(gòu)與工作原理

番茄氣吸滾筒式排種器主要由固定端蓋、正壓管、密封套、密封彈簧、動端蓋、鏈輪、激振器、種箱、凸形滾筒、負壓管等組成，如圖1所示。激振器安裝在種箱上，種箱通過支架連接在滾筒的一側(cè)，在種箱底板靠近滾筒邊緣安裝毛刷，使凸形滾筒轉(zhuǎn)動時能順利通過種箱，且防止種箱內(nèi)的種子從縫隙掉落。由正壓管、密封套、密封彈簧組成的正壓吹種裝置固定在滾筒內(nèi)部，正壓管與風機出風口連接，密封套和密封彈簧套在每個吹種嘴上，與滾筒內(nèi)壁緊密貼合。固定端蓋上設(shè)有負壓進氣口，與風機進風口相連，為滾筒內(nèi)提供負壓。排種器安裝在4BSG–400輕簡型蔬菜播種流水線上，壓穴輥在育苗盤的輸送下通過鏈傳動帶動排種器滾筒轉(zhuǎn)動。

1　固定端蓋；2　正壓管；3　密封套；4　密封彈簧；5　動端蓋；6　鏈輪；7　激振器；8　種箱；9　負壓管；10　凸形滾筒。

排種器工作時，激振器使種箱內(nèi)的種子呈“沸騰”狀態(tài)，便于種子團的分離，實現(xiàn)單粒吸種；滾筒上的吸種型孔在負壓的作用下，對種子產(chǎn)生吸附力，實現(xiàn)負壓吸種；吸附的種子隨著滾筒一起轉(zhuǎn)動，多吸的種子會在自身重力和振動的作用下，落入另一側(cè)的接種盒中；當吸附種子的型孔最終轉(zhuǎn)動到吹種嘴位置時，種子在正壓氣吹的作用下脫離滾筒，落入下方的育苗盤中，完成精量排種。

2　凸形滾筒參數(shù)的確定

滾筒的直徑、長度決定排種器其他各部件的尺寸，開設(shè)在滾筒表面的吸種孔直接影響排種性能。滾筒結(jié)構(gòu)復雜，密封要求高，普通加工制造較難，選用3D打印的加工方式，加工材料為R4600樹脂。

考慮到滾筒直徑的增大，會使負壓室容積、滾筒線速度增大，風機功耗增大且不利于投種；而滾筒直徑過小，圓周方向可分布的吸種孔數(shù)目較少，排種效率低，同時影響負壓室內(nèi)部氣流場的穩(wěn)定性，不利于充種。鑒于氣吸滾筒式排種器的滾筒直徑多為140～260 mm，且排種器需適配4BSG–400輕簡型蔬菜播種流水線，所以將滾筒直徑設(shè)計為142 mm，滾筒壁厚為3 mm。

根據(jù)育苗盤尺寸670 mm×340 mm×60 mm，育苗盤規(guī)格10穴/行×20行，穴盤口徑25 mm×25 mm，穴距33.3 mm，確定滾筒軸向吸種孔數(shù)為10個，孔距為33.3 mm。滾筒動端蓋和固定端蓋兩側(cè)各預留20、25 mm的固定位置，滾筒長度設(shè)計為345 mm。

設(shè)計滾筒周向吸種孔數(shù)時，要求相鄰孔間的弧長不小于種子最大尺寸的2倍，滾筒線速度不大于350 mm/s。為了便于控制，滾筒周向吸種孔數(shù)設(shè)計為20個，保證滾筒轉(zhuǎn)動一圈播完一個育苗盤，并在滾筒上設(shè)計一個過渡區(qū)域，使連續(xù)的2個育苗盤實現(xiàn)無縫連接。此時，相鄰吸種孔間弧長為21.896 mm，大于番茄種子最大尺寸的2倍，播種效率最高時滾筒線速度不超過100 mm/s。

由于普通平面吸種孔播種番茄種子時，易產(chǎn)生多吸、漏吸的現(xiàn)象，根據(jù)番茄種子的形狀和尺寸，設(shè)計的凸形吸種孔與種子的接觸面積有限，一個吸種孔正常情況下僅能吸附一粒番茄種子，以此降低重播率，且凸形吸嘴能深入種群內(nèi)部，吸附種子的幾率大，可以降低漏播率。凸形吸種孔的結(jié)構(gòu)如圖2所示，凸形吸嘴直徑為3 mm。

圖2　凸形吸種孔的結(jié)構(gòu)

選取100粒遼寧‘漢姆九號’番茄種子，測量種子的長、寬、厚三軸尺寸基本呈正態(tài)分布：長度為2.64～4.32 mm，平均值為3.52 mm；寬度為1.77～3.13 mm，平均值為2.45 mm；厚度為0.59～1.07 mm，平均值為0.84 mm。吸種孔直徑根據(jù)經(jīng)驗公式=(0.6～0.7)確定[11]，為1.06～1.47 mm。

假設(shè)種子為質(zhì)地均勻的剛性球體，受力均作用于質(zhì)心。種子在吸種和攜種過程的受力如圖3所示。

圖3　排種器吸種和攜種過程中種子的受力

經(jīng)計算，排種過程中所需臨界吸附力的最大值為：

式中：1為種子受到的吸附力；為滾筒與種子間的摩擦角；為振動幅度；1為振動角頻率；為種子質(zhì)量；為滾筒半徑；2為滾筒轉(zhuǎn)動角速度。

由此可知，排種器在工作時所需要的吸附力與種子質(zhì)量、滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒直徑、振動幅度、振動角頻率、種子與滾筒間的摩擦角等因素有關(guān)。

在吸種過程中，種子受到的吸附力為氣流場對種子的繞流阻力[12]，即：

式中：為無因次系數(shù)；為種子迎風面積；為空氣密度；為種子在流場中的相對速度。

種子在氣流場中受到的吸附力與氣流速度、種子的迎風面積即種子的吸附姿態(tài)有關(guān)，而氣流速度與吸種孔直徑有關(guān)。在攜種階段，種子受到的吸附力由吸種孔內(nèi)外的氣壓差與吸種孔直徑?jīng)Q定。因此，吸種孔直徑是影響排種性能的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

選取直徑為1.0、1.1、1.2、1.3、1.4 mm的吸種孔進行仿真分析。

通過ANSYS Workbench的Meshing模塊對凸形吸種孔模型進行流場網(wǎng)格劃分。在Fluent中設(shè)置模型入口邊界，壓強為大氣壓強101.325 kPa，出口邊界壓強為100 kPa，湍流模型選用k–epsilon標準模型，求解方法選擇SIMPLE算法，收斂條件設(shè)為10–3，進行穩(wěn)態(tài)求解計算。在后處理CFD–Post中對仿真結(jié)果進行分析，得到不同孔徑下吸種孔空載、種子平躺、種子豎直、種子側(cè)臥4種吸附狀態(tài)的速度云圖，如圖4所示。不同孔徑的吸種孔入口邊界氣流速度分布如圖5所示。

圖4　不同吸附姿態(tài)吸種孔速度云圖

由圖4可以看出，吸種孔空載和種子不同吸附狀態(tài)時的氣流場速度分布有較大區(qū)別。種子豎直吸附時氣流場變化最大，孔徑較小時，豎直種子的端部在吸種孔內(nèi)，吸種孔處于不完全堵塞狀態(tài)，吸種孔入口氣流速度很小?？蛰d時吸種孔入口氣流速度分布均勻，吸附種子時吸種孔入口氣流速度呈邊緣高、中心低的特點。隨著孔徑的增大，吸附種子時的吸種孔入口邊緣氣流速度逐漸達到空載時的氣流速度，可能導致吸種孔再次吸附種子，重播率則會增加。

圖5　不同孔徑吸種孔入口平均氣流速度

空載時氣流平均速度最大，種子豎直吸附時氣流平均速度最小，并且種子豎直吸附的迎風面積較小，受到的吸附力較小，在排種過程中掉落的可能性較大。隨著孔徑的增大，吸種孔入口平均氣流速度大致呈上升趨勢，氣流場對種子的吸附能力增強，有利于減少漏播現(xiàn)象。綜上，增大吸種孔直徑能夠增大種子的迎風面積和提高氣流速度，從而增加種子受到的吸附力，提高吸種性能。但孔徑過大，必然造成重播率的上升，為了保證排種器單粒率，設(shè)計排種器吸種孔直徑為1.2 mm。

3　番茄氣吸滾筒式排種器排種性能的驗證

為優(yōu)化排種器的工作參數(shù)，選取吸種負壓、滾筒轉(zhuǎn)速和振動頻率作為試驗因素，設(shè)計正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，測定排種單粒率、重播率和漏播率。選用遼寧‘漢姆九號’番茄種子，千粒質(zhì)量為3.3 g。試驗在自行設(shè)計的輕簡型蔬菜播種流水線上進行，配置XGB–550型旋渦式氣泵，使用HT–1890數(shù)字壓力表測量壓力大小。依據(jù)T/NJ 1182氣吸式蔬菜精量播種流水線進行試驗。種子一穴一粒計為單粒，大于等于2粒計為重播，沒有種子計為漏播。為了保證試驗結(jié)果的準確性，機器正常運行后，連續(xù)播種10盤，隨機抽取5盤，重復3次，取平均值作為試驗結(jié)果。

為了保證播種的生產(chǎn)效率，排種器滾筒轉(zhuǎn)速應(yīng)不低于5 r/min，綜合流水線速度上限為11.5 r/min，確定滾筒轉(zhuǎn)速(2)的水平范圍。試驗發(fā)現(xiàn)，振動頻率低于30 Hz時，激振器對種箱內(nèi)種子作用極小，振動頻率超過80 Hz后，振動慣性力使種子難以吸附，由此確定振動頻率(3)的范圍。設(shè)定滾筒轉(zhuǎn)速為8 r/min、振動頻率為55 Hz，在吸種負壓200～2000 Pa進行試驗。結(jié)果表明，吸種負壓低于400 Pa漏播率過高，吸種負壓高于1400 Pa重播率過高，由此確定吸種負壓(1)的范圍。吸種負壓(1)、滾筒轉(zhuǎn)速(2)和振動頻率(3)正交旋轉(zhuǎn)組合試驗因素編碼水平如表1所示，試驗方案與結(jié)果如表2所示。

表1　正交旋轉(zhuǎn)組合試驗的因素與水平

表2　正交旋轉(zhuǎn)組合試驗番茄種子的漏播率與重播率和單粒率

運用Design–Expert 12.0軟件，分別建立漏播率(1)、重播率(2)和單粒率(3)與吸種負壓(1)、滾筒轉(zhuǎn)速(2)和振動頻率(3)的回歸模型，并進行模型的顯著性檢驗。結(jié)果列于表3。

表3　回歸方差分析結(jié)果

“*”表示顯著(＜0.05)；“**”表示極顯著(＜0.01)。

由回歸模型的方差分析可知，吸種負壓、振動頻率和滾筒轉(zhuǎn)速對漏播率、重播率和單粒率的影響的回歸模型均極顯著(<0.01)，而響應(yīng)失擬項均不顯著(>0.05)，說明在試驗范圍內(nèi)模型與實際情況擬合較好。影響漏播率的因素大小依次為吸種負壓、振動頻率和滾筒轉(zhuǎn)速，1、3、12、13、32的值均小于0.01，對漏播率的影響極顯著；2、12的值均小于0.05，對漏播率的影響顯著；其余項對漏播率影響不顯著。剔除不顯著項得到漏播率的回歸方程為：1=5.01–2.311+0.56482–1.273–1.112+1.2213+0.644312+2.3432。

影響重播率的因素大小依次為振動頻率、吸種負壓和滾筒轉(zhuǎn)速，1、2、3、12、32的值均小于0.01，對重播率的影響極顯著；23的值均小于0.05，對重播率的影響顯著；其余項對重播率的影響不顯著。剔除不顯著項，得到重播率的回歸方程為：2=22.29+5.31–2.072–5.553+2.423–3.9912–3.1132。

影響單粒率的因素大小依次為振動頻率、吸種負壓和滾筒轉(zhuǎn)速，1、3、12的值均小于0.01，對單粒率的影響極顯著；2、23的值均小于0.05，對單粒率的影響顯著；其余項對單粒率影響不顯著。剔除不顯著項得到單粒率的回歸方程為：3=72.69–2.981+1.512+6.823–2.523+3.3512。

吸種負壓和滾筒轉(zhuǎn)速的交互項12、吸種負壓和振動頻率的交互項13對漏播率1有極顯著影響，滾筒轉(zhuǎn)速和振動頻率的交互項23對重播率2和單粒率3有顯著影響，表明各因素存在交互效應(yīng)。利用Design–Expert 12.0軟件繪制各因素對漏播率、重播率和單粒率的響應(yīng)曲面圖，如圖6所示。

由圖6–a可知，振動頻率為55 Hz，滾筒轉(zhuǎn)速一定時，隨著吸種負壓的增大，漏播率呈下降趨勢；吸種負壓一定時，隨著轉(zhuǎn)速的增加，充種時間減少，漏播率呈上升趨勢。由圖6–b可知，滾筒轉(zhuǎn)速為8 r/min，振動頻率一定時，隨著吸種負壓的增大，漏播率呈下降趨勢；吸種負壓一定時，振動頻率為40～58 Hz時，漏播率隨振動頻率的增大而減小，振動頻率為64～70 Hz時，漏播率隨振動頻率的增大而增大，因此增大振動頻率使種箱內(nèi)的種子“沸騰”加劇，吸種能力加強，而振頻過大不利于種子的吸附。由圖6–c、圖6–d可知，吸種負壓為900 Pa，滾筒轉(zhuǎn)速一定時，單粒率隨著振動頻率的增大而增大，而重播率在振動頻率為40～46 Hz時存在峰值；振動頻率一定時，隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加，充種時間減少，重播率呈下降趨勢，單粒率呈上升趨勢，但轉(zhuǎn)速大于9 r/min后充種時間不足，導致單粒率開始下降。

圖6　吸種負壓、振動頻率和滾筒轉(zhuǎn)速的交互作用對漏播率、重播率和單粒率的響應(yīng)面效應(yīng)

利用Design–Expert 12.0的約束和優(yōu)化求解功能，在吸種負壓400～1400 Pa、滾筒轉(zhuǎn)速5～11 r/min、振動頻率30～80 Hz約束條件下，以漏播率和重播率趨于最小、單粒率趨于最大的優(yōu)化準則，得到最優(yōu)工作參數(shù)組合為吸種負壓530 Pa、滾筒轉(zhuǎn)速5 r/min、振動頻率68 Hz，此時預測漏播率為4.8%，重播率為2.0%，單粒率為93.2%。

對優(yōu)化得到的最優(yōu)參數(shù)組合進行試驗驗證。在相同的條件下設(shè)置吸種負壓為530 Pa，滾筒轉(zhuǎn)速為5 r/min，振動頻率為68 Hz，進行3次重復試驗。結(jié)果排種器平均漏播率為3.7%，平均重播率為3.2%，平均單粒率為93.1%，與優(yōu)化預測結(jié)果基本一致。

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Optimization design and experiment of tomato pneumatic roller type seed-metering device

MEI Yuru1，XIE Fangping1,2*，WANG Xiushan1,2，LI Xu1,2，LIU Dawei1,2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China; 2.Hunan Key Laboratory of Intelligent Agricultural Machinery Equipment, Changsha, Hunan 410128, China)

Aiming at the problems such as light weight, irregular shape and small particle size of tomato seeds, and difficult to realize precision seed metering, a pneumatic roller type seed-metering device was designed, which is mainly composed of positive pressure seed blowing device, convex drum, seed box, and vibration exciter. The adsorption force generated by the negative pressure in the drum absorbs the tomato seeds in the seed box and rotates together with the drum. The adsorption force generated by the negative pressure in the drum of the seed-metering device, enables the tomato seeds to rotate with the drum. When the adsorbed tomato seeds rotate with the drum to the seed feeding position, the seed metering is completed under the action of positive air blowing. The structural parameters of the drum were determined as the diameter of 142 mm, the length of 345 mm, the number of seed suction holes of 10 × 20, the hole spacing of 33.3 mm, and the hole diameter of 1.2 mm. The central composite designed experiment was carried out with the seed suction negative pressure, the drum rotation speed and the vibration frequency as experiment factors and the single grain rate, the replay rate and the missed seeding rate as performance evaluation indicators. The regression model was established to obtain the optimal working parameters of seed-metering device by multi-objective optimization method, which included the seed suction negative pressure of 530 Pa, the drum speed of 5 r/min, and the vibration frequency of 68 Hz. At this time, the missed seed rate of the seed-metering device is 3.7%, the replay rate is 3.2%, and the single seed rate is 93.1%.

tomato seeds; pneumatic roller typed seed-metering device; structural parameters; performance experiment

S223.2

A

1007-1032(2022)06-0730-07

梅玉茹，謝方平，王修善，李旭，劉大為．番茄氣吸滾筒式排種器的優(yōu)化設(shè)計與試驗[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學學報(自然科學版)，2022，48(6)：730–736．

MEI Y R，XIE F P，WANG X S，LI X，LIU D W．Optimization design and experiment of tomato pneumatic roller type seed-metering device[J]．Journal of Hunan Agricultural University(Natural Sciences)，2022，48(6)：730–736．

http://xb.hunau.edu.cn

2021–10–18

2022–08–20

科學技術(shù)部重點研發(fā)計劃項目(2020YFD1000300)

梅玉茹(1997—)，女，湖南懷化人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)機械創(chuàng)新設(shè)計研究，1245752671@qq.com；*通信作者，謝方平，博士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)機械性能試驗與創(chuàng)新設(shè)計研究，hunanxie2002@163.com

10.13331/j.cnki.jhau.2022.06.016

責任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立