三七超窄行气吸式精密排种器设计与试验
2019-04-29赖庆辉于庆旭
赖庆辉 于庆旭 苏 微 孙 凯
(昆明理工大学现代农业工程学院， 昆明 650500)
0 引言
三七是中国名贵中药材，在云南省广泛种植。三七播种的株距和行距均为50 mm左右，属于密集型精密播种[1-2]。精密排种器是播种机的核心部件，其作业精度决定播种质量，按其工作原理，精密排种器通常分为机械式和气力式两大类[3-10]。气吸式排种器[11-17]具有伤种率低、通用性好、作业稳定等特点，适合三七等密集型精密播种作物。
国外对气吸式排种器研究较早，目前已经广泛应用。GUARELLA等[18]研究分析气吸式蔬菜精密排种器型孔直径、型孔形状和种子距离对排种器吸种的影响，并建立数学模型。BARUT等[19]以玉米精密排种器为研究对象，研究吸孔形状、吸室真空度、吸孔面积、排种轮线速度等因素对排种性能的影响，得出吸种率随排种轮线速度的增加而降低、随吸室真空度的升高而升高的结论。SINGH等[20]对播种机气吸式排种器进行优化，对排种孔的孔径及其形状进行试验研究，得到优化后的孔径参数，并确定了最合适的排种孔形状。GAIKWARD等[21]用洋葱种子和辣椒种子对气吸式精密排种器进行性能测试，得出适合播种洋葱和辣椒的排种器吸孔吸力及喷嘴直径。
融合机械气力组合充种技术，可进一步提高气吸式排种器的充种性能，目前许多学者对机械气力组合式排种器进行了研究。史嵩等[22]设计了一种气压组合孔式玉米精量排种器，通过正压气流与导槽相结合，为研制播种精度更高的排种器提供了参考。贾洪雷等[23]设计了一种气吸机械复合式大豆精密排种器，在排种轮上同时设有吸孔、导种槽和取种槽，通过回归分析和多因素试验得出排种器最优结构。殷德峰[24]设计了一种气力窝眼轮式小粒径种子排种器，结合气力式排种器和窝眼轮式排种器的特点，解决了由于小粒径蔬菜种子外形不规则造成的充种难度大的问题。
按照三七特性和种植农艺要求，融合机械气力组合充种技术，本文设计一种超窄行气吸式精密排种器。通过理论计算、仿真试验和台架试验，得到主要结构参数，并分析吸孔负压、排种轮转速和种层高度对排种性能的影响规律。
1 结构与工作原理
1.1 排种器结构
超窄行气吸式三七精密排种器主要由机架、种箱、导种器机构和排种轮机构组成，其结构如图1所示。排种轮机构由排种轮、负压导气管、密封隔板和空心连接轴等组成。
图1 排种器结构示意图Fig.1 Structural diagram of seeding metering device 1.负压导气管 2.链轮 3.轴承 4.左侧空心连接轴 5.中间空心连接轴 6.种箱 7.种层高度调节板 8.排种轮 9.轴承座 10.右侧空心连接轴 11.导种器机构 12.密封隔板 13.机架
1.2 工作原理
负压导气管上加工有固定角度的通气开口。在充种区和携种区，排种轮的通气孔与负压导气管的负压腔相通；在投种区通气孔与负压腔隔绝。密封隔板保证排种轮外部的气密性。排种器的工作示意图如图2所示。
图2 排种器工作示意图Fig.2 Working structural diagram of seeding metering device 1.负压腔 2.吸孔 3.窝眼孔 4.通气孔 5.负压接口
排种轮两侧端面加工有水滴形窝眼孔，窝眼孔底部加工有吸孔，吸孔与通气孔相通。链条带动排种轮转动工作，在充种区，通气孔与负压腔相通，吸孔产生吸附力，三七种子在吸附力和重力共同作用下进入窝眼孔，并且吸附力将种子吸附在窝眼孔内，完成充种；在携种区，吸附在窝眼孔内的种子，随着排种轮一起转动，实现携种；在投种区，通气孔与负压腔隔绝，吸孔吸附力消失，种子在自身重力作用下投种，完成投种过程。
2 关键部件设计及参数确定
2.1 三七种子参数
三七种子含水率ω′为20%～60%，密度ρ为929～1 132 kg/m3，长度L为5.2～7.2 mm，宽度W为4.8～6.8 mm，高度H为4.0～6.0 mm，平均直径D为5.62 mm，球度S为90.86%，可近似为球体[25]，特征参数如表1所示。
表1 三七种子特征参数Tab.1 Material parameters of Panax notoginseng seed
2.2 排种轮设计
排种轮的主要结构参数包括排种轮直径、窝眼孔数量及尺寸、吸孔直径和排种轮厚度。排种轮结构示意图如图3所示，图中d1为排种轮直径，d2为吸孔分布圆直径，d3为负压导管安装孔直径，d4为通气孔直径，d5为吸孔直径。
图3 排种轮结构示意图Fig.3 Structural diagram of seeding disc
2.2.1排种轮直径
排种轮直径是排种器基本结构特征参数之一，决定排种器的结构布置，以及其他部件的结构尺寸。当窝眼孔和吸孔停留在充种区的时间越长，越有利于充种，充种性能通常越好。为研究排种轮各参数对充种时间的影响，建立影响充种时间t的方程
(1)
式中α——充种区域角，(°)
ω——排种轮角速度，rad/s
n——排种轮转速，r/min
v——播种机作业速度，m/s
L′——粒距，mm
Z——窝眼孔数量
由式(1)整理可得
(2)
由式(2)可知，在作业速度v、粒距L′和充种区域角α固定的情况下，吸孔在充种区停留时间t只与窝眼孔数量Z有关，但随着排种轮直径增大，窝眼轮的排布数量可以增多，即可增加充种区停留时间t，从而可增加合格指数，同时负压腔的空间也会增大，需要风机提供的空气流量也相应增加，能耗增加。
型孔轮直径一般选取80～200 mm[26]，综合考虑排种器的整体结构，最终选取排种轮直径d1=150 mm。根据排种轮直径和种箱尺寸布置，选取种层高度范围为20～80 mm。
2.2.2窝眼孔数量及尺寸
(1)窝眼孔数量
根据排种器整体结构布置，负压导管安装孔直径d3为30 mm，排种轮的通气孔直径d4为8 mm，通气孔不能互相干涉，因此根据通气孔和负压导管安装孔直径布置可知
(3)
由式(3)可确定窝眼孔数量Z≤11.6，通气孔夹角尽量选取整数，便于加工，所以确定窝眼孔数量Z=10。
(2)窝眼孔尺寸
三七种子近似为球体，播种属于单粒点播，因此窝眼孔底部形状为半球型；加工窝眼孔的球头铣刀与排种轮端面法线的夹角为加工倾角δ，加工出来的窝眼孔类似水滴形，这有利于充种和投种。图4为水滴形窝眼孔结构示意图，图中w为窝眼孔开口宽度，h为窝眼孔深度，r为窝眼孔底部球半径。
图4 水滴形窝眼孔结构示意图Fig.4 Structural diagram of water drop-shaped hole
为提高窝眼孔机械充种效果，窝眼孔开口宽度w、窝眼孔深度h和窝眼孔底部球半径r需根据三七种子的最大长度Lmax而定[27]，即
(4)
由式(4)整理可得
(5)
已知三七种子的最大长度Lmax=7.2 mm，由式(5)可得窝眼孔底部球半径r≥4.91 mm，本文选取窝眼孔底部球半径r=5 mm，窝眼孔深度h=7.5 mm，窝眼孔开口宽度w=8.67 mm。
窝眼孔与排种轮圆周的壁厚为2～5 mm，所以吸孔分布圆直径d2=135 mm。
(3)窝眼孔加工倾角
排种轮材质选取丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(简称 ABS塑料)，三七种子与ABS塑料最大静滑动摩擦角φ为26.5°[25]，所以窝眼孔加工倾角δ必须大于26.5°，本文选取加工倾角为30°、40°、50°、60°、70°进行单因素五水平试验。采用离散元软件EDEM进行仿真试验[28-29]，种子颗粒选取直径6 mm的圆球，种层高度为50 mm，排种轮转速为24 r/min，吸孔无吸附力，其他试验条件均一致，分析窝眼孔加工倾角对机械充种性能的影响，仿真试验如图5所示。
图5 仿真试验Fig.5 Simulation test
只验证机械充种效果，窝眼孔充入1粒种子即为充种合格。参照GB/T 6973—2005 《单粒(精密)播种机试验方法》进行试验，以合格指数、漏播指数和重播指数作为试验指标，每组试验统计4行，每行连续测量200个窝眼孔，每组试验重复3次，取平均值，仿真结果如图6所示。
图6 加工倾角与试验指标关系Fig.6 Relationship curves of machining angle and reference index
随着加工倾角增大，窝眼孔容积急剧增加。窝眼孔可充入多颗种子，由图6可知，当加工倾角大于50°时，重播指数急剧加大，漏播指数降低至0，导致合格指数先增大后急剧减小。基于仿真结果，加工倾角δ选取为50°。
2.2.3吸孔直径与吸孔压差
(1)吸孔直径
排种轮吸孔直径d5经验公式[27]为
d5=(0.6～0.7)D
(6)
三七种子平均直径D=5.62 mm，由式(6)可得吸孔直径范围为3.37～3.93 mm，本文选择吸孔直径d5=3.5 mm。
(2)吸孔理论压差
假设种子为均匀球体，合力作用于质心，气室内负压腔为稳定气流，种子受力如图7所示，此时种子受到自身重力G、吸孔吸附力F、支撑力N和摩擦力f作用。
图7 种子受力分析图Fig.7 Force analysis of seed
对三七种子在窝眼孔内时进行受力分析，沿着吸孔吸附力F和重力G方向建立xoy坐标系，建立种子受力平衡方程
(7)
式中β——支撑力方向角
种子所受吸附力由吸孔内外压差所形成，压差ΔP则决定三七种子能否吸附在窝眼孔内，吸附力F和重力G方程式为
(8)
式中g——重力加速度，m/s2
由式(7)、(8)整理得
(9)
由图7可得支撑力方向角β为
(10)
已知三七种子平均直径D=5.62 mm，选取最大密度ρ=1 132 kg/m3，最大静滑动摩擦角φ=26.5°，由式(9)、(10)计算得吸孔理论压差ΔP=50 Pa。
2.2.4排种轮厚度及气室内部流场分析
(1)排种轮厚度
根据三七种植技术规程，本文播种密度采用5 cm×5 cm[1]，即粒距L′=50 mm，按照播种密度对排种轮和导种器进行结构布置，如图8所示。
图8 排种轮和导种器结构布置图Fig.8 Structural arrangement diagram of seed-metering wheel and guiding device 1.导种器 2.排种轮
导种器宽度l1≥12 mm，安装间隙l2≥1 mm，由图8可得排种轮厚度范围为
2h+d4 (11) 式中l——排种轮厚度，mm 由式(11)得排种轮厚度范围为23 mm (2)气室内部流场分析 为进一步确定排种轮厚度，本文采用Fluent软件分别对厚度为25、30、35 mm的排种轮进行内部流场模拟分析，选取吸孔端面处的流速作为评价指标，吸孔端面为吸孔与窝眼孔底部交汇面，吸孔端面处的流速越大表明吸种能力越强，同时各个吸孔处的流速及空气运动轨迹基本一致，说明各个吸孔差异不大，流场分布均匀，利于充种和携种[30-31]。 在UG软件中建立排种器的气室模型，如图9所示。该排种器气室模型包括窝眼孔、吸孔、通气孔和负压腔，在吸种区和携种区通气孔数量共计6个，30 mm厚度排种轮的气室体积约为132 856 mm3，仅为同行数气吸滚筒式排种器气室体积的5%左右。 图9 排种器的气室模型Fig.9 Seed-metering air chamber model 1.吸孔端面 2.压力出口 3.压力入口 4.窝眼孔 5.吸孔 6.通气孔 7.负压腔 模拟过程采用k-ε模型，选取窝眼孔端面为压力入口边界条件，入口压力设置为0 Pa，负压接口为压力出口边界条件，出口压力设置为-1 000 Pa，壁面采用无滑移边界条件。不同厚度排种轮吸孔端面的速度云图如图10所示。 图10 不同厚度排种轮吸孔端面的速度云图Fig.10 Velocity contours of suction hole end face with different thickness seed-metering wheel 本文吸孔采用直孔形式，由图10可知，排种轮厚度为30 mm时，吸孔端面处流速最大达到31.43 m/s，表明吸种能力最强，同时各个吸孔处的流速及空气运动轨迹基本一致，说明各个吸孔差异不大，流场分布均匀，有利于充种和携种。 厚度30 mm排种轮的速度云图和压力云图如图11所示。由图11a可知，腔体内未出现较大局部涡流和回流现象，整体流场分布均匀。由图11b可知，气室内部压降较小，压力分布较均匀，且吸孔端面处的最小压差为417.12 Pa，大于吸孔理论压差ΔP=50 Pa，进一步验证排种轮厚度为30 mm时气室布置最为合理。 图11 厚度30 mm排种轮的速度云图和压力云图Fig.11 Velocity contour and pressure contour of seed-metering wheel in 30 mm thickness 本文排种器的作业速度v=0.9～1.8 km/h，粒距L′=50 mm，窝眼孔数量Z=10，由式(1)可得排种轮转速方程为 (12) 由式(12)得排种轮转速n=30～60 r/min。 选取文山三七种子，含水率为60%，在JPS-12型计算机视觉排种器性能检测试验台上进行试验，利用加野麦克斯KANOMAX6036型热式风速风量仪(精度0.01 kPa)测量吸孔端面气压，U型测压管监测气压稳定性，排种性能试验如图12所示。 图12 排种性能试验Fig.12 Seed-metering performance test 1.排种器 2.U型测压管 3.KANOMAX6036型热式风速风量仪 4.JPS-12型计算机视觉排种器性能检测试验台 根据GB/T 6973—2005 《单粒(精密)播种机试验方法》实施，选取对排种器工作性能影响较大的排种轮转速、吸孔负压和种层高度作为试验因素，为寻求最佳参数组合，进行三因素二次回归正交旋转组合试验，以排种合格指数Y1、重播指数Y2、漏播指数Y3和各行排量一致性变异系数Y4为评价指标，每组试验统计4行，每行连续测量200粒种子，每组试验重复3次，取平均值。 通过前期单因素试验，确定吸孔负压为450～750 Pa，排种轮转速为30～60 r/min，种层高度为20～80 mm。试验因素编码如表2所示，试验设计方案与结果如表3所示，表中X1、X2、X3为吸孔负压、排种轮转速、种层高度的编码值。 采用Design-Expert 8.0.6软件对试验数据进行多元回归拟合，对试验结果进行回归分析，可以得到合格指数Y1、重播指数Y2、漏播指数Y3和各行排量一致性变异系数Y4的回归方程。 表2 试验因素编码Tab.2 Experimental factors and codes 表3 试验方案设计与结果Tab.3 Experiment design and results 3.4.1合格指数Y1 通过试验以及对试验数据进行多元回归拟合，得到各因素对排种合格指数Y1影响的回归模型为 (13) 回归方程的显著性检验如表4所示。根据表4可知，模型的拟合度极显著(P<0.01)。但吸孔负压和排种轮转速的交互项(X1X2)、吸孔负压和种层高度的交互项(X1X3)以及排种轮转速和种层高度的交互项(X2X3)的P值均大于0.1，说明以上各项对排种合格指数的影响不显著，其他各项的P检验均极显著，说明相关试验因素对响应值影响不是简单的线性关系，存在二次关系。失拟项P=0.126 9，不显著，说明无其他影响指标的主要因素。回归方程的决定系数R2=0.94，说明回归方程的预测值与实际值拟合良好。剔除不显著因素后的回归模型为 (14) 通过对式(14)回归系数的检验得出，影响排种合格指数的因素主次顺序为吸孔负压、排种轮转速、种层高度。 3.4.2重播指数Y2 通过试验以及对试验数据进行多元回归拟合，得到各因素对重播指数Y2影响的回归模型为 (15) (16) 通过对式(16)回归系数的检验得出，影响重播指数的因素主次顺序为种层高度、吸孔负压、排种轮转速。 3.4.3漏播指数Y3 通过试验以及对试验数据进行多元回归拟合，得到各因素对漏播指数Y3影响的回归模型为 (17) (18) 通过对式(18)回归系数的检验得出，影响漏播指数的因素主次顺序为吸孔负压、排种轮转速、种层高度。 3.4.4各行排量一致性变异系数Y4 通过试验以及对试验数据进行多元回归拟合，得到各因素对各行排量一致性变异系数Y4影响的回归模型为 (19) (20) 通过对式(20)回归系数的检验得出，影响各行排量一致性变异系数的因素主次顺序为排种轮转速、吸孔负压、种层高度。 表4 回归方程方差分析Tab.4 Variance analysis of regression equation 注：*表示影响显著(P<0.05)，** 表示影响极显著(P<0.01)。 通过Design-Expert 8.0.6对数据进行处理，可得到吸孔负压、排种轮转速和种层高度对合格指数的影响，其响应曲面如图13所示。任意固定某个因素的水平，根据响应曲面图，分析其余2个因素间的交互作用对排种合格指数的影响。 3.5.1吸孔负压和排种轮转速的交互作用 图13a为种层高度为50 mm时，吸孔负压和排种轮转速对排种合格指数交互作用的响应曲面图。由图可知，在吸孔负压为600～640 Pa，排种轮转速为35～42 r/min时，排种合格指数较高。吸孔负压一定时，随着排种轮转速的增大，排种合格指数先上升后下降。排种轮转速一定时，随着吸孔负压的增大，排种合格指数先上升后下降。 图13 交互因素对合格指数的影响Fig.13 Effects of interactive factors on qualified index 3.5.2吸孔负压和种层高度的交互作用 图13b为排种轮转速为45 r/min时，吸孔负压和种层高度对排种合格指数交互作用的响应曲面图。由图可知，在吸孔负压为600～640 Pa，种层高度为40～50 mm时，排种合格指数较高。吸孔负压一定时，随着种层高度的增大，排种合格指数先上升后下降。种层高度一定时，随着吸孔负压的增大，排种合格指数先上升后下降。 3.5.3排种轮转速和种层高度的交互作用 图13c为吸孔负压为600 Pa时，排种轮转速和种层高度对排种合格指数交互作用的响应曲面图。由图可知，在排种轮转速为38～41 r/min，种层高度为44～50 mm时，排种合格指数较高。排种轮转速一定时，随着种层高度的增大，排种合格指数先上升后下降。种层高度一定时，随着排种轮转速的增大，排种合格指数先上升后下降。 设定合格指数大于93.0%，漏播指数小于3.5%，重播指数小于3.5%，各行排量一致性变异系数小于3.0%，优化得到最佳参数范围如图14所示。在种层高度为50 mm时，黄色区域为最佳参数优化区域，即吸孔负压560～660 Pa，排种轮转速34～48 r/min时，合格指数大于93.0%，漏播指数小于3.5%，重播指数小于3.5%，各行排量一致性变异系数小于3.0%。 图14 参数优化分析Fig.14 Parameters optimization and analysis 对优化得到的结果进行验证。在相同的试验条件下选取吸孔负压为650 Pa，排种轮转速为40 r/min，种层高度为50 mm，进行3次重复验证试验，得到排种器合格指数平均值为94.1%，且均大于93.0%；漏播指数平均值为3.1%，且均小于3.5%；重播指数平均值为2.8%，且均小于3.5%；各行排量一致性变异系数平均值为2.7%，且均小于3.0%；试验结果与优化结果相符。 (1)设计的超窄行气吸式三七精密排种器，融合机械气力组合充种技术，排种轮两侧加工有水滴形窝眼孔，可进行“一轮双行、多轮串联”播种作业。该排种器结构紧凑，相对于气吸滚筒式排种器气室更小，对风量和风压稳定要求低。可进行超窄行播种作业，适应三七等密集型精密播种作物。 (2)基于离散元法，利用EDEM软件，以水滴形窝眼孔加工倾角为试验因素，以合格指数、重播指数和漏播指数为试验指标，进行单因素仿真试验，验证水滴形窝眼孔机械充种性能，得出较佳加工倾角为50°。 (3)采用二次回归正交旋转组合试验方法进行试验，以吸孔负压、排种轮转速和种层高度作为试验因素，以合格指数、重播指数、漏播指数和各行排量一致性变异系数为试验指标，对试验结果进行回归分析，建立回归方程，得出影响合格指数的主次顺序为吸孔负压、排种轮转速、种层高度。 (4)利用Design-Expert 8.0.6 软件进行数据优化处理，当种层高度为50 mm、吸孔负压为560～660 Pa、排种轮转速为34～48 r/min时，合格指数大于93.0%，重播指数小于3.5%，漏播指数小于3.5%，各行排量一致性变异系数小于3.0%。对优化结果进行验证试验，得到的试验结果与优化结果基本一致。
2.3 排种轮转速
3 排种性能试验
3.1 试验材料与仪器设备
3.2 试验方法
3.3 二次回归正交旋转组合试验
3.4 回归数学模型的建立与显著性检验
3.5 各因素对排种合格指数的影响
3.6 最佳参数优化
4 结论
