气吹投种的气吸滚筒式精量排种器设计与试验
2019-06-01姜有忠侯晓晓赵永满胡斌罗昕陈永张欢
姜有忠，侯晓晓，赵永满，胡斌，罗昕，陈永，张欢
(1.石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832003；2.黄河交通学院汽车工程学院，河南 焦作 454150)
辣椒是新疆种植的主要经济作物.辣椒种植方式主要以育苗移栽为主，穴盘育苗是移栽种植模式的关键环节之一[1].高质量的育苗可以节省播种量，减少人员劳动，提高经济效益.
排种器是穴盘育苗精量播种机的核心部件[2].排种器的性能直接影响育苗的质量。国内外先进的排种器主要以气力式为主，这是因为气力式排种器能够高速作业，并且对种子形状尺寸要求低，伤种率低，适应性强[3].在国外，Singh等[4-5]对气力式排种器播种大豆、花生等大颗粒种子时的结构参数和工作参数进行了优化.Gaikwad等[6]针对穴盘育苗研制了针吸式精量排种器，通过更换吸嘴来实现不同作物的精量播种.在国内，张顺[7]研究了气吸滚筒式排种器的吸种孔、清种方式对排种性能的影响.王朝晖等[8]以水稻为研究对象，通过高速摄像观察、流场仿真等方法对气吸滚筒式排种器负压气室流场均匀性和投种过程对排种性能影响进行了分析.
气力式排种器主要针对规整种子的播种，而对于辣椒等小粒经、不规整种子(非丸粒化)在排种过程中存在的投种精度差和容易堵塞吸孔等问题不能有效解决.针对上述问题，本试验设计了气吹投种和锥形吸孔取种的气吸滚筒式排种器，展开吸孔形状、正压值、滚筒转速、负压值对排种性能影响的试验研究，寻找各因素间的最佳参数组合，并进行播种适应性试验，为播种辣椒等小粒经、不规整种子的气吸滚筒式精量排种器的设计提供参考依据.
1 辣椒种子几何特性
种子的几何特性决定了排种器关键部件的结构设计参数[12].试验前期对辣椒种子物料特性研究可知，未经丸粒化的辣椒种子的形状为碟状，也可以将其看作为薄圆盘形.随机选取新疆种植最为广泛的辣椒品种新选8819号种子200粒，对每粒种子的长、宽、厚尺寸进行测量并进行统计分析，确定种子几何尺寸，如表 1所示.
表1 辣椒种子几何尺寸
2 排种器结构与工作原理
气吹投种的气吸滚筒式精量排种器结构如图1所示，主要由气吹投种装置、负压空心轴、正压管、半剖式滚筒、链轮、滚筒关卡等组成.
1：负压空心轴；2：O型密封圈；3：定位凸台；4：吸种孔；5：滚筒；6：正压管；7：链轮；8：铁箍；9：连接套管；10：正压管接头；11：负压空心轴；12：挂件；13：气吹投种装置；14：橡胶条；15：快速接头；16：滚筒关卡；17：机架.1:Negative pressure hollow shaft;2:O-ring;3:Positioning boss;4:Suction hole;5:Roller;6:Positive pressure tube;7:Sprocket;8:Iron hoop;9:Connecting the sleeve;10:Positive pressure pipe joint;11:Negative pressure hollow shaft;12：Pendant;13：Air blowing seeding device;14：Rubber strip;15:Quick joint;16:Roller check level;17:Frame.图1 气吹投种的气吸滚筒式精量排种器结构示意图Figure 1 Air-blowing seeding type structure of suction drum precision metering device
负压空心轴与气吹投种装置为一体结构，正压管通过开孔套管固定在负压空心轴上，正压管通过快速接头与投种装置内部连通，2段负压空心轴都与滚筒内部连通.气吹投种装置下部装有橡胶条与滚筒内表面密封接触并将滚筒内部分为正负压2个密封区.排种器工作时，风机一端通过2段负压空心轴使滚筒内部形成负压，从而使滚筒吸种孔内外两侧形成压差；风机另外一端连接正压管接头.通过正压管往投种装置中输入正压气体，并与滚筒吸种孔形成一定的吹力.链轮固定在滚筒上，电机带动滚筒绕固定空心轴转动，当滚筒吸种孔转入充种区时，种子在滚筒内负压的作用下被吸附在吸种孔上，并随滚筒一起转动，当转动到投种装置下方时，种子失去了滚筒内负压的吸附作用力，在重力、吹力、离心力的作用下，种子从吸种孔中排出.
3 关键部件的结构设计
3.1 滚筒结构设计
排种滚筒的结构直接影响排种器排种质量、整体尺寸、能量消耗[9].传统排种滚筒与滚筒端盖分开制造后进行配合，整体结构复杂，密封性难以保证，泄压面积较大，滚筒内部流场均匀性差，能耗相对增加.本试验排种滚筒设计为滚筒和滚筒端盖一体结构，通过3D打印技术进行半剖式加工，然后进行啮合及密封处理.这使得结构简单化，大大提高设计效率，3D打印滚筒实物图如图2所示.由于本设计使用16×8黑色128孔PS标准穴盘，其外形尺寸为532 mm×278 mm×44 mm，两吸种孔的中心距离为32 mm，滚筒长度设计为320 mm.滚筒直径过小，吸孔数过少，不能保证充种性能，滚筒直径过大，工作气室增大，动力消耗相应增大，综合考虑各项因素和借鉴国内外气吸式滚筒排种器的设计经验，确定滚筒直径为160 mm.
图2 3D打印排种滚筒实物图Figure 2 Physical map of 3D printing roller
3.2 气吹投种装置设计
对于辣椒等尺寸小、质量轻、形状不规整(非丸粒化)及流动性差的种子在精量投种过程中投种精度差和排种器长时间工作后吸种孔容易堵塞等问题，本试验设计了1种气吹投种装置[10].气吹投种装置是实现精准投种和有效清孔的核心部件，其绝压槽内部流场的均匀性直接影响排种器的排种性能和育苗的质量.
3.2.1 单端进气投种装置设计 投种装置主要分为绝压槽和正压管，绝压槽通过挂件和2段空心轴焊接为一体，并且2段空心轴横向中线与绝压槽横向中线在同一平面，绝压槽上方中心位置开有通孔，正压管一端通过快速接头与绝压槽连通，另一端通过空心轴套固定在空心轴上并与正压管接头连接；同时，在绝压槽下方四周安装有可更换的橡胶条，使绝压槽能够与滚筒内表面密封接触，结构示意图如图3所示.
1：负压空心轴；2：绝压槽；3：快速接头；4：正压管；5：挂件；6：正压空心轴；7：正压管接头.1:Negative pressure hollow shaft；2:Absolute pressure tank;3:Quick joint;4:Positive pressure tube;5:Pendant;6:Positive pressure hollow shaft；7:Positive pressure pipe joint.图3 单端进气投种装置结构示意图Figure 3 Single-end intake seed device structure schematic
3.2.2 双端进气投种装置设计 双端进气投种装置与单端进气投种装置的区别在于绝压槽上方1/3处和2/3处开有2个通孔，滚筒内部正压管分为2个端口通过快速接头分别与绝压槽2个通孔连接.结构示意图如图4所示.
为了验证上述2种进气方式的绝压槽内部流场的均匀性，采用CFD模拟不同进气方式条件下投种装置内部流场情况，模拟过程采用k-ε模型，设定边界为恒压条件，选取正压管进口为压力进口，进口压力设置为900 Pa，绝压槽下方截面为压力出口，壁面采用无滑移壁面条件(ui=0)[11]，绝压槽长为260 mm，宽30 mm，高30 mm，图5为2种进气方式下绝压槽内部压力和流场速度云图.
1：负压空心轴；2：绝压槽；3：正压管；4：快速接头；5：挂件；6：正压空心轴；7：正压管接头1:Negative pressure hollow shaft;2:Absolute pressure tank;3:Positive pressure tube;4:Quick joint;5:Pendant;6:Positive pressure hollow shaft；7:Positive pressure pipe joint.图4 双端进气投种装置结构示意图Figure 4 Double inlet air seeding device structure schematic
图5 两种进气方式下绝压槽内部压力和流场速度云图Figure 5 The pressure and flow velocity inside the absolute pressure tank
仿真结果如图5所示，在相同边界条件下，单端进气方式下绝压槽流场压力居中于进气口下方，绝压槽2端流场压力几乎为零，这可能会导致投种过程中绝压槽2端的吸孔不能精准投种和有效清孔；双端进气方式下绝压槽内部流场压力分布更趋于均匀，这将更好的提高排种的均匀性和清孔效果，所以选取双端进气方式的投种装置.
3.3 吸种孔结构和位置设计
3.3.1 吸种孔尺寸和位置设计 合理的吸种孔径是确保排种器性能的前提.孔径大小直接影响滚筒负压气室内外压差和吸种孔处流场的均匀性，主要取决于辣椒种子的几何尺寸[13]，经验公式如下：
2.1.6 其它特性。某些高频抗原抗体具备特殊性质，可以辅助鉴定抗体。例如：产生抗-Kpb的血清中常发现抗-K。Sda在尿液中含量高，抗-Sda抗体可被尿液中和。抗-Ch抗体和抗-Rg抗体可被血浆抑制。抗-JMH和抗-Vel与脐血i细胞反应较弱，抗-AnWj与脐血i细胞甚至不凝集。
D=(0.64～0.66)b
(1)
式中，D为吸种孔直径(mm)；b为种子的平均宽度(mm).
试验测得辣椒种子的平均宽度为3.08 mm，从式(1)中得出吸孔直径的范围为1.97～2.03 mm.综合考虑吸种孔直径设计为2.0 mm.
由于本设计的育苗排种器所选用的16×8黑色128孔PS标准穴盘，两吸种孔中心距离为32 mm，外形尺寸为532 mm×278 mm×44 mm，所以滚筒长度设计为320 mm，轴向吸孔的数量为8个.在滚筒长度和直径确定的情况下，增加周向孔数可以有效降低滚筒的线速度，但吸孔数过多，负压气室泄压面积就越大，风机所消耗的能量就越大，周向孔数Z的计算公式如下：
(2)
式中，Z为周向吸孔数量；Dd为滚筒直径(mm)；d为吸孔直径(mm)；Δl为两相邻吸孔之间的弧长(mm).
但考虑到充种过程中种群的分离及排种滚筒周向两相邻吸孔之间的弧长Δl不能小于2粒种子的最大尺寸[14]，即
Δl≥2lmax
(3)
式中，lmax为2粒种子的最大尺寸(mm).
由表1可知2粒种子的最大长度小于8.1 mm，则由式(2)和(3)可得周向孔数Z=26个.
3.3.2 吸种孔孔形设计 在孔径一定的条件下吸种孔形状也直接影响排种的合格率，合理的孔形可以提高吸孔处流场的均匀度，从而提高排种器排种工作效率.辣椒种子在吸附过程中，主要以“平躺”、“直立”和“侧卧”3种姿态被吸附到滚筒上，当种子被吸孔吸附之前为“平躺”姿态，吸孔对种子的吸附面积最大，为种子充种过程的最理想姿态，当为“直立”和“侧卧”姿态时对种子吸附面积较小，对吸孔吸附力的均匀性要求提高，所以设计有效的孔形可以提高吸附力的均匀性，还可以在吸种过程中进一步改变种子的姿态，提高排种器的充种性能.本试验设计的3种不同的孔形如图6所示.
图6 不同孔形结构示意图Figure 6 Different hole shape empty structure diagram
采用CFD模拟不同孔形情况下吸孔处流场均匀性情况，模拟过程采用k-ε模型，设定边界为恒压力条件，壁面采用无滑移条件(ui=0)，空心轴负压进口为压力进口，设置进口压力为3 kPa，滚筒吸孔为压力出口，吸孔直径为2.0 mm，滚筒长度为320 mm进行模拟分析对比，图7为3种不同孔形处压力和流场速度云图.分析可知，单锥孔流场分布更均匀，更有利于提高排种器的合格率.
图7 不同孔形压力和流场速度云图Figure 7 Pressure and flow velocity cloud diagram at different hole shapes
4 排种器投种过程的动力学分析
当种子随排种滚筒运动至投种装置下方时，吸种孔由负压区进入到正压区，吸种孔中的种子在正压气流和重力的共同作用下排出，在种子排出时，滚筒中负压对种子的吸力和滚筒对种子的摩擦力消失，受力分析如图8所示，投种装置中的正压力使吸种孔处种子顺利投出的同时也防止了吸种孔的堵塞[15].种子从吸种孔排出瞬间的动力学方程如下：
(4)
(5)
种子投出的运动方程为：
(6)
(7)
式中，G为种子自身重力(N)；FQ为正压气流对种子向外的作用力(N)；R为排种滚筒半径(mm)；W为滚筒角速度(rad/s)；h为种子下落高度(mm)；s为种子在水平方向运动距离(mm)；ax为种子在x轴方向的加速度；ay为种子在y轴方向的加速度.
图8 投种运动分析Figure 8 Seeding exercise analysis
图8中FN为负压气流对种子的吸附力(N)；Ff为滚筒对种子的摩擦力(N).
由上式分析可知，种子在正压力形成的射流场中的受力与流场(Q，ΔP)和种子在射流场中的位置(x，y)有关，即a=(x，y，Q，ΔP).在滚筒内部正负压转换过程中受到投种装置结构、滚筒结构、正压力值、排种滚筒转速等因素的影响，不能保证每个种子下落过程中的运动轨迹相同，因此需要合理优化滚筒、投种装置的结构，使得正负压流场尽可能均匀，以保证投种的均匀度.
5 排种器性能试验
5.1 试验准备
试验辣椒种子为新疆最普遍的的新选8819线辣椒种子，经过人工精选，无破碎，均干燥，含水率小于 6.0%，含杂率小于 2.0%.试验在石河子大学排种器性能检测试验室进行，采用课题组研制的气吸滚筒式育苗播种机试验样机进行试验，试验台结构如图9所示.
5.2 试验方法及结果分析
5.2.1 试验方法 试验参照国家标准GB/T6973-2005《单粒(精密)播种机试验方法》，以单粒指数、多粒指数、漏播指数作为判定排种器排种性能指标[16].排种器工作稳定后记录排出的250个穴孔中每穴的种子数量，重复3次.各试验指标计算公式如下：
(8)
(9)
(10)
式中，Q为单粒率；M为多粒率；C为漏播率；n1为穴孔中种子为1粒种子的总穴数；n2为穴孔中种子数大于2粒的总穴数；n3为穴孔中无种子的总穴数.
1：输送带；2：种箱；3：链轮；4：毛刷；5：滚筒；6：机架；7：传动链条；8：穴盘；9：电机；10：负压管；11：负压调压阀；12：正压调压阀；13：正压管；14：涡旋气泵；15：电机.1：Conveyor belt；2：Seed box；3：Sprocket；4：Brush；5：Drum；6：Frame；7：Drive chain；8：Plug；9：Motor；10：Negative pressure；11：Negative pressure regulating valve；12：Positive pressure regulating valve；13：Positive pressure tube；14：Vortex air pump；15：Motor.图9 试验台结构示意图Figure 9 Test bench structure diagram
5.2.2 试验设计与分析 通过前期试验分析，采用正交设计试验方案，以吸孔形状、正压值、滚筒转速、负压值为影响因素，以单粒率、多粒率、漏播率为试验指标，选择4因素3水平的正交表L9(34)进行试验[17]，因素水平如表2所示，试验方案与结果如表3所示，对正交试验结果进行极差分析如表4所示.
由表2可知影响排种器排种合格率的主次因素为：负压值>吸孔形状>滚筒转速>正压值.对于漏播率的最优方案为D2A2C1B3，且KA2
表2 试验因素及水平
由表3可知，负压值为3 kPa，滚筒转速为8 r/min，吸种孔为单锥型，正压值900 Pa时单粒率为86.83%，多粒率为5.35%，漏播率为4.61%，排种效果更为满足种植要求.
表3 试验方案及结果
表4 分析结果
6 结论
1) 以单锥孔吸种、气吹投种和清堵方式设计的排种器满足辣椒穴盘育苗的种植要求.
2) 通过CFD设计单因素数值模拟试验，对不同吸种孔和气吹投种装置在不同进气方式下内部流场均匀性进行分析并通过样机试验得出排种器在单锥吸孔和投种装置在两端进气的方式下排种效果最佳.
3) 排种器吸孔形状、正压值、滚筒转速和负压值4因素3水平正交试验得出影响排种器单粒率、多粒率、漏播率的主次因素均为负压值>吸孔形状>滚筒转速>正压值.在试验参数范围内最适合辣椒穴盘育苗播种的参数组合为负压值为3 kPa，滚筒转速为8 r/min，吸种孔为单锥型，正压值900 Pa，此时排种器的单粒率为86.83%、多粒率为5.35%、漏播率为4.61%.
