气吹悬浮供种滚筒式播种机吸附取种理论分析

陈 永，王科杰，罗 昕，李俊伟，胡 斌，张 欢

( 石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832003 )



气吹悬浮供种滚筒式播种机吸附取种理论分析

陈 永，王科杰，罗 昕，李俊伟，胡 斌，张 欢

( 石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832003 )

根据新疆番茄穴盘育苗排种器播种过程对种子的“单粒单穴”的农业工艺要求，创新设计了一种基于气吹悬浮供种方式的滚筒式番茄育苗播种机，解决了精密播种过程中多粒、空穴、漏播等问题。通过介绍播种机的主要结构及其播种原理，分析排种器吸附取种过程及种子瞬时吸附受力，得出滚筒吸附取种的条件。通过样机试验及吸附取种理论分析，得出影响播种机取种性能主要指标的主次关系依次为种箱结构气室正压力、吸孔的直径、滚筒转速。当种箱结构气室正压力为2.0kPa、吸孔直径为1.5mm、滚筒转速为12r/min时，取种综合效果效果较理想。同时，通过试验设计及数据处理，得出较优水平组合，统计结果为：单粒率92.5%，多粒率5.3%，空穴率3.0%。气吹悬浮供种滚筒式育苗排种器的播种效果较佳，可满足农艺要求。

番茄育苗播种机；气吹供种；精量播种

0 引言

育苗播种是通过播种的方式培育幼苗，使苗木分布均匀、合理，是农业机械化及现代化的重要环节之一。穴盘育苗播种器是穴盘育苗精量播种机的核心部件，按结构原理分为机械式和气吸式[1]。其中，气吸式播种机利用气流取种、携种、清种和投种，具有生产率高、种子适应性强和不伤种等优点[2]，是精密播种器的研究方向[3]。番茄在新疆占有很大的比重，是主要的经济作物之一。气吹悬浮排种器的对象多为丸粒化或者外形规整的种子，而外形规整或者丸粒的种子价格高，通常丸粒种子的价格为非丸粒种子的4～8倍，不易被大多数的农民用户实际接受。非丸粒化番茄种子的主要特点为均匀性较差、结构尺寸小、外形不规整、流动性差、外部有毛易产生静电且形状不规整，只通过设计种箱气室和吸种孔结构参数，研究气室流场均匀性很难满足其“单粒单穴”的精量播种技术新要求。因此，迫切需要研究开发一种能够实现 “一穴一粒”技术要求的加工番茄(非丸粒化种子)穴盘育苗精量播种机。

1 结构及工作原理

1.1 结构

气吹悬浮供种的滚筒式育苗排种器主要由电动机、调频器、供种箱、供种板、圆形滚筒、穴播盘、机架、吸吹双用鼓风泵及管路调压阀等零部件组成，如图1所示。其特点是通过对育苗播种器的气吹悬浮工作原理及排种过程的理论分析,得到了吸附力、隔板垂直高度、供种高度、种层数和种子厚度等力学与数学模型, 为种箱和气室压力、吸孔直径及运动参数设计提供理论依据。

1.电动机 2.调频器 3.传送带 4.供种箱 5.供种板 6.种子 7.圆形滚筒 8.机架 9.穴播盘 10.传送带机架 11.吸吹双用鼓风泵 12.负压管路调压阀 13.正压管路调压阀

1.2 工作原理及过程

排种器工作时，调频器调整电动机，高速级为带传动，具有打滑作用；低速级为链传动。排种器通过电动机带动传送带、链转动；滚筒上的负压轴通过机架及负压气路支撑，正压气室通过供种板相连；气压及气流通过负压管路进入位于滚筒表面的吸孔，吸孔通过管道的压力差吸取种子；种箱的供种板种子在气流的作用下产生“沸腾”跳动，滚筒上毛刷，刷掉吸孔多余的种子，种子掉回种箱；当供种箱的多粒种子进入滚筒，且在同一条母线上，随着滚筒的转动，种子在自身重力和气流压力的作用下，落入穴播盘的苗孔，完成一次投种的过程，然后依次循环往复下去，完成吸取种子、清理种子、保护种子及投放种子4个过程。

2 吸附取种过程的力学分析

若种子由于种毛间摩擦产生静电作用彼此吸附，黏附一起的多粒种子会受到种群间挤压力和摩擦力的阻碍作用，单粒种子很难脱附其他的多粒种子。因此，假设种子在供种箱中均匀分布，吸种孔吸附种群表层的种子。因种子之间吸附时间及过程短暂，分析时可视为种子瞬间的运动状态暂未发生改变，根据力学原理，分析静力学的平衡条件[4]。假设施加在供种板上气吹力竖直向上，按照两种情况：①若种层面在排种器轴线以上；②若种层面在排种器轴线以下，沿排种器滚筒的切线方向和法线方向建立二维直角坐标系,如图2所示。

图2 种层在滚筒轴线不同位置受力分析

为便于力学分析，以种粒为研究对象，对被吸附时的临界状态建立平衡受力方程、探讨种层在滚筒轴线不同位置时所需吸附力的大小关系。

供种板上物料在黏附过程中，番茄种子在气室气流场的作用效果下，由静止开始加速运动，相对于滚筒速度为零，所以分析这一阶段的离心力为零。首先对图2(a)进行分析，则

(1)

(2)

FNf=FNtanφ,FNf2=FNGXtanφ2

(3)

化简得到

Q=(G-F1)sinδ-FNGX+

(4)

若忽略种子间的相互作用，则种子能够被有效吸附的条件为

(5)

同理，若种层在滚筒轴线以下，如图2(b)所示，则

(6)

其中，FNGX为供种板上其余种子对被吸附种子在X轴方向的合力(N)；FNGY为供种板上其余种子对被吸附种子在Y轴方向的合力(N)；G为种子自身重力(N)；FN为滚筒对吸附种子的法向压力(N)；FNf为滚筒对种子的切向摩擦力(N)；F1为气室对种子的气流悬浮力(N)；F1的方向垂直于供种板；Q为滚筒里面的气流场对种子的吸附力(N)；FNf2为种子间的内摩擦力(N)；φ为滚筒与种子间的摩擦角(rad)；φ2为种粒与种粒之间的内摩擦角(rad)；δ为取种时位置角，也就是吸取种子开始时种子质心和滚筒中心连线与滚筒水平中心线之间的夹角(rad)。

2.1 种子瞬时吸附受力

要使种子被滚筒从种群中有效吸附吸附力最小，需要比较上两式分母的大小。分析余弦函数可知，种层在排种器轴线以上所需的吸附力较小。

本模型中，气室对种子的气吹力方向并非竖直向上，而是垂直于供种板。种层在滚筒轴线以上时，种子吸附阶段受力分析如图3所示。

图3 种子吸附阶段受力分析

由图3可知，受力平衡方程为

(7)

(8)

FNf=FNtanφ,FNf2=FNGXtanφ2

(9)

FNf=FNGX·tanφ2+Gcosδ-F1cos(δ+θ)-FNGY

(10)

种子能被有效吸附的条件为

Q≥-Gsinδ-FNGX+F1sin(δ-θ)+

(11)

其中，FNGX、FNGY都与种箱中种子层高度有关。若忽略种子间的相互作用力，则

(12)

化简得

(13)

其中，θ为供种板与水平面的夹角(rad)。

根据流体力学原理[5]，番茄种子受到绕流阻。流绕阻力来自排种器内部气流场对种粒的黏附力，其推算公式为

(14)

其中，Cd为无因次系数，与物料形状、表面状态和雷诺数有关,无量纲；S为种子在垂直于运动方向的平面上的投影面积(m2)；ρ 为空气密度(kg/m3)；V0为气流速度(m/s)。

Guarella．P研究[6]认为：吸种孔的几何形状决定了其附近的流场均匀性，气体流场的分布呈圆锥体，形状为放射状，并得出吸孔的气流速度，则

(15)

(16)

其中，d为种子当量直径(m)；q为气流量(m3/s)；γ为孔锥角；R为种子离吸孔的距离；L为种子厚度(m)。

从以上分析可以得到

4F1cos(δ-θ+φ)]/(4sinφ)

(17)

式(17)表明[7]：种子能否被有效吸附，与滚筒与番茄种子之间的摩擦角φ、流体参数(ρ,q)、番茄种子的物料特性(ρs,Cd,d,L)、吸气孔的结构形式(r)及番茄种子距离吸孔的距离(R)等因素有关。

上述分析表明：90°的锥角能获得最大的吸种保持力；增大取种位置角 δ、供种板与水平面的夹角θ、种子与滚筒间的摩擦角φ，可以减小吸种所需的负压吸力。因此，在吸种阶段，提高取种位置角和滚筒型腔的负压值、选择较为合理的滚筒材料、增大滚筒与番茄种子之间的摩擦因数，利于改善及提高试验的吸种效果。

2.2 种子吸住时受力

种子被滚筒吸附时，种子与滚筒相对速度为零，离开吸种区，随滚筒一起转动。当种子被吸附住、随着滚筒转动过程中，除受到吸力Q、重力G、支持力FN及滚筒对种子的摩擦力FNf(θ=270°)外，还受到惯性离心P的作用。本文假设种子顺时针旋转方向为负，番茄种子都能被吸附到最低点，在此瞬时气流场由负压切换到正压，番茄种子在重力和正压等作用下投种，种粒在被黏附的过程中，滚筒转角β的范围为δ<β≤270°。种子在δ<β≤90°、90°<β≤180°、 180°<β≤270°这3个不同范围内，相对于滚筒的运动趋势不同，所受支持力FN的方向不同，因此所受摩擦力方向、瞬时角度也不同。其受力分析如图4所示。

图4 种子被吸住后随滚筒运动过程中的受力分析

moving with the roller

将动力学问题转化成静力学问题来分析，在3个转动范围内沿法线和切线方向分别列平衡方程。

1)滚筒转角范围为δ<β≤90°，如图4(a)所示，则

(18)

FNf=FNtanφ,P=mω2R1

(19)

转动过程中能够有效吸附的条件为

(20)

所需最小吸附力为β=α时，则

(21)

2)当滚筒转角范围为90°<β≤180°时，如图4(b)所示，则

(22)

FNf=FNtanφ,P=mω2R1

(23)

转动过程中能够有效吸附的条件为

(24)

所需最小吸附力为β=180°时，则

(25)

3)滚筒转角范围为180°<β≤270°，如图4(c)所示，则

(26)

FNf=FNtanφ,P=mω2R1

(27)

转动过程中能够有效吸附的条件为

(28)

所需最小吸附力为β=270°时，则

Q=m(ω2R1+g)

(29)

滚筒外表面与种子间的摩擦因数tanφ的范围为0.2～0.4之间[8]。综上可知，被黏附的种粒随滚筒运动过程中所需的最小吸附力为β=180°时，则

(30)

种子被吸附后，所受吸附力Q主要由滚筒气腔内外气压差ΔP产生，则

(31)

其中，φ为吸孔附近种子与滚筒的摩擦角(rad)；β为种子质心位置与滚筒中心的连线与滚筒轴线所在水平面的夹角(rad)；ω为滚筒角速度；R1为滚筒的半径；Sk为滚筒上吸孔的截面积(m2)；dk为滚筒上吸孔的半径(m)。

(32)

式(32)表明：番茄种粒被黏附后能否随滚筒一起转动到预定的排种位置，与滚筒内外腔压力差(ΔP)、滚筒的转速大小(ω)、滚筒上吸种孔的直径(dk)、番茄种粒的质量(m)、滚筒半径(R1)及番茄种子与滚筒表面之间的摩擦因子(tanφ)等因素有关。增加滚筒上吸种的直径d1、吸种气腔内外的真空度ΔP及滚筒表面与种子之间的摩擦因数tanφ，可以提高被吸附的效果；但过大的吸种孔直径和较高的型腔内外的真空度会增大种子的吸附力，容易多吸番茄种子，造成一穴多粒，堵住排种口，大量的种子不能及时排出，降低了播种效率。因而，滚筒内外腔压力差应采取吸附力超过番茄种粒质量10倍以上的力，按照10倍以上的力选取试验的吸附力；而滚筒上吸孔种直径按dk=(0.6～0.7)bc选取(bc为番茄种粒的平均直径)。选择较为合理的滚筒表层的材料，可以减小摩擦，即提高番茄种子与滚筒表面之间的摩擦因数tanφ。提高滚筒的转速可以提高精密播种效率，但滚筒直径增大、转速提高，质量越大，番茄种粒的惯性力P增大，将很难确保番茄种粒被有效吸附，从而难以保证“单粒单穴”。根据研究及试验可知：合理的滚筒圆周速度范围为(0.4～0.6m/s)，但最大圆周速度不能超过0.6m/s。

3 试验与结果分析

3.1 材料与方法

试验在石河子大学机械电气工程学院兵团农业重点实验室进行，采用课题组研制的气吹供种滚筒式播种机试验样机，如图5所示。

图5 现场试验图

现场试验所使用的穴播盘8×16，穴盘的整体尺寸为532mm×278mm。

试验材料：偶斯帝番茄种子，饱和度98%，纯度97%，发芽率>85%，含水率<6%；三轴尺寸平均值分别为3.46、2.43、0.77mm，差异性较大；千粒质量为3.10g，孔隙率为0.524，休止角为41°，在有机玻璃上的滑动摩擦角是26°。

试验选取4种不同孔径的吸孔进行研究，滚筒式播种机外喇叭吸孔在滚筒孔壁上的从前到后的分布情况依次为：①、②Φ1.1mm；③、④Φ1.3mm；⑤、⑥Φ1.5mm；⑦、⑧Φ1.7mm。利用高速摄像对滚筒吸孔取种结果进行分析。

3.2 试验结果分析

3.2.1 试验结果统计

根据试验情况，结果统计如表3所示，试验指标如表4所示。通过试验样机试验及分析得出影响播种机取种性能主要指标的因主次关系依序为种箱结构气室正压力、吸孔的直径、滚筒的转速。当种箱结构气室正压力为2.0kPa、吸孔直径为1.5mm、滚筒转速为12r/min时，取种综合效果效果较理想。通过试验设计及数据处理，得出较优水平组合。其统计结果为：当单粒率92.5%、多粒率5.3%、空穴率3.0%时，育苗排种器的播种效果较佳。

表3 试验结果

表4 试验指标

5 结论

1) 当播种机种箱结构气室正压力为2.0kPa、吸孔直径为1.5mm、滚筒转速为12r/min时，单粒率92.5%，多粒率5.3%，空穴率3.0%。此时滚筒式育苗排种器的播种效果较佳，能够较好地满足精量播种的农艺技术新需求。

2) 供种板与播种机种箱结构气室黏接在一起，种箱结构气室的作用是保证供种板上的种子能够在气吹悬浮气流及力等的作用下产生沸腾，使种子近似悬浮的状态。气室的流场均匀性将直接影响播种机滚筒上与穴播盘对应的所有吸孔的取种均匀性，包括影响种子的单粒率、多粒率及空穴率。通过试验样机测试及分析发现：当试验的种子未加正压气吹悬浮供种时，滚筒上吸孔吸附的多粒率较高，高达78%。原因是番茄种子是非丸形状，呈矮、卵形且扁平，种子尺寸较小、外形不规整、种子流动性弱且对象为番茄种子，其外表面覆了细小的粗毛，种子在接触过程中会产生静电，其作用较强。当正压结构气室工作时，由于正压作用，对供种板上种子产生气吹力，种子间的相互作用力减少，种群之间的静电作用削弱，滚筒吸附种子的单粒率也随之增加，空穴率、多粒率也相应降低。

[1] 北京农业工程大学.农业机械学(上册)[M].北京:中国农业出版社,1995:201-207.

[2] 柳召芹.磁吸滚筒式穴盘精密播种器自动控制系统研究与设计[D].镇江:江苏大学,2008.

[3] 周海波，马旭，姚亚利.水稻秧盘育秧播种技术与装备的研究现状及发展趋势[J].农业工程学报,2008,24(4)301-306.

[4] 夏红梅,李志伟,牛菊菊.气力滚筒式蔬菜穴盘播种机吸排种动力学模型的研究[J].农业工程学报,2008,24(1):141-146.

[5] 张鸿雁, 张志政,王元. 流体力学[M].北京：北京科学出版社,2004:155-158.

[6] Guarella P,Pellerano A,Pascuzzi S.Experimental and theoretical performance of avacuum seeder nozzle for vegetable seeds[J].J Agric Eng Res,1996,64:29-36．

[7] R.C.Singh,G.Singh，D.C.Saraswat.Optimization of Design and Operational Parameters of a Pneumatic Seed Metering Device for Planting Cottonseeds[J].Biosystems Engineering，2005，92(4):429-438．

[8] 张波屏.播种机械设计原理[M].北京:机械工业出版社,1982:310-318.

[9] 刘彩铃，宋建农.气吸式水稻钵盘精量播种装置的设计与试验研究[J].农业机械学报,2005,36(2):43-46.

[10] 陈进，李耀明.气吸振动式播种试验台内种子运动规律的研究[J].农业机械学报,2002,33(1):47-50.

[11] 刘菊菊.滚筒气力式蔬菜育苗穴盘排种器的研究[D].广州：华南农业大学，2004.

[12] 董春旺.棉花穴盘育苗精量播种机理论分析与结构优化[D].石河子:石河子大学，2010.

[13] 胡树荣，马成林，李慧珍,等.气吹式排种器锥孔的结构对排种质量影响的研究[J].农业机械学报，1981,9(3)：21-31.

[14] 王丽红,何荣,付威,等.矮化密植红枣采收装置参数的优化[J].农机化研究,2014,36(2):161-163.

Theoretical Analysis of Cylinder Seed-metering Device and Adsorption Species Based on the Pneumatic Suspension Seed Supply

Chen Yong, Wang Kejie, LuoXin, Li Junwei, Hu Bin, Zhang Huan

(College of Mechanical and Electrical Engineering ,Shihezi University,Shihezi 832003,China)

According to the tomato plug seedling row for seeding process of seeds of the "single grain of single point" of the agricultural technology in Xinjiang, innovation designs a machine based on gas blowing suspension and suppling way of drum type tomato seeding , precision seeding in the process of multi-particle, hole, leakage sowing problem is solved. Through the introduction of the main structure of the seeder and seeding principle, analyze row for adsorption from process and seed instantaneous adsorption force and draw roller adsorption from the conditions. The primary and secondary relationship of the main indicators of the performance of the plant is the main index of the air chamber pressure, the diameter of the suction hole and the rotating speed of the drum. When the gas chamber of the box structure is 2.0kPa, the suction hole diameter is 1.5mm, when the drum speed is 12r/min, the effect of the combined effect is more ideal. And through the experimental design and data processing, it is concluded that the optimal level combination, the statistical results: rate of single seed:92.5%, multi-grain rate: 5.3%, the rate of hole:3.0%, air blowing suspended for roller type seedling row the seeding effect better, meet the agricultural requirements.

tomato seedling planter; the pneumatic suspension seed supply; precision seeding

2016-03-16

国家自然科学基金项目(51265045)；石河子大学重大科技攻关计划(gxjs2010-zdgg03-02)

陈 永(1987-)，男，河南信阳人，硕士研究生， (E-mail)1376368424@qq.com。

罗 昕(1969-)，女，四川隆昌人，教授，硕士生导师，(E-mail)1187169629@qq.com。

S3223.2+5

A

1003-188X(2017)04-0021-06