嵌入旋转气腔式水稻穴直播排种器设计与试验

万 霖 王洪超 车 刚

(1.黑龙江八一农垦大学工程学院， 大庆 163319； 2.黑龙江省农机智能装备重点实验室， 大庆 163319)

0 引言

水稻直播技术是一种省时、省力、节水增效、抗倒伏的种植技术[1-4]。穴直播是根据农业需求，将水稻芽种按一定穴距、粒数、行距精确地播到田间。稻种催芽处理后含水率增大，芽种间摩擦力增大，流动性差，因此水稻穴直播研究的关键在于排种器[5-6]。

排种器作为直播的重要组成部件，主要分为机械式和气力式两大类[7-12]。气力式排种器综合性能较优，对作物摩擦作用小，几乎不伤种，但造价大，当前在玉米、大豆等圆形种子作物或者接近圆形的种子作物上有很好的适应性。对于水稻、小麦等不规则种子作物，充种过程中影响因素比较复杂，导致工作性能下降。为此，国内学者对水稻穴直播排种器进行了研究，如臧英等[13]设计一种水稻挡种装置，减少了飞种现象。李兆东等[14]设计一种槽齿式吸种盘，适合于高速播种作业。张国忠等[15]为实现粳稻与杂交稻配合水稻穴直播，设计一种双腔充种式排种器。李兰兰等[16]为提高排种精度，设计一种滑片型孔轮式穴直播排种器。邢赫等[17]为提高水稻在充种区的流动性，在种箱和排种器之间设计分层充种室。上述研究在一定程度上提高了工作性能，但种盘与壳体相对旋转仍然存在摩擦，造成气压损失，高速作业振动对播种仍有影响。

为消除摩擦、降低气压损失、提高装置的稳定性，本文将底盘嵌入到壳体，形成轴承种盘密封结构并同步旋转，设计一种嵌入旋转气腔式水稻排种器。利用Fluent对负压气腔流体仿真与数值模拟，分析不同情况对负压气腔流速和气压的影响规律，通过台架试验验证，确定工作性能最优的参数组合。

1 工作原理与参数设计

1.1 排种器结构

排种器主要由端盖、壳体、吸种盘、橡胶刷、轴承、链轮、负压气腔和风机接头构成，如图1所示。吸种盘由搅种齿和吸孔组成。搅种齿呈圆周焊接在种盘上，在种盘边缘均匀分布圆柱形吸孔。链轮嵌入壳体内，用螺栓与底盘固定。

图1 嵌入旋转气腔式排种器结构图Fig.1 Structure diagram of rice seeder embedded with rotary air cavity1.吸孔 2.搅种装置 3.吸种盘 4.轴承 5.橡胶刷 6.扰流叶片 7.清种调节装置 8.出种装置 9.端盖 10.壳体 11.风机接头 12.链轮 13.垫圈 14.底盘

1.2 工作原理

嵌入旋转气腔式水稻排种器安装在播种机种箱的底部，并通过储种室与播种机的种箱贯通。风机接头与负压风机连接，负压风机工作时在气腔室内产生负压。在吸种区、清种区和携种区阶段，依靠气腔内外的压力差，稻种被吸在种盘上。工作时，通过地轮驱动链轮。此时稻种已经从储种室落入型孔周边，吸种盘上搅种齿对种群有扰动作用，清种装置除去吸附多余的稻种。经过投种阶段时，橡胶刷堵住吸孔，吸孔与负压气腔隔离，稻种将不再受负压吸力，同时在卸种装置的作用下，种子靠自身重力下落，结束一个排种过程。吸种盘分为4个区域，如图2所示。

图2 吸种盘结构与工作区域示意图Fig.2 Sketch of suction tray structure and working area

1.3 吸种盘关键参数

1.3.1吸种盘转速

吸种盘是将种子从种群中分离出的重要部件，其参数对排种器结构设计至关重要[18-20]。种盘转速与充种时间对应关系为

(1)

(2)

式中T——吸孔在充种区经过的时间，s

Cr——充种区弧长，mm

vp——吸种盘线速度，m/s

α——充种角，rad

dp——种盘直径，mm

np——吸种盘转速，r/min

rk——外侧群组吸孔中心与吸种盘边的径向距离，mm

ω——充种区角速度，取1～5 rad/s

由式(2)表明，为确保充种性能良好，转速应控制在10～50 r/min范围内。

1.3.2吸孔孔数

随着孔数增多，穴距不断减小，出现排种混乱。而孔数减小，穴距逐渐增大，出现漏播现象。根据手册知[21]，按照农艺穴播水稻指标，保证每穴3～6粒，有

(3)

式中Z——群组吸孔的组数

D——地轮直径，mm

δ——地轮滑移系数，一般取0.05～0.12

ip——传动比，取1

S——穴距，mm

确定组数为18，每组孔数为5。

1.3.3定向搅种齿

种子分离盘表面嵌入呈圆周分布的搅种齿，对稻种分离与输送。搅种齿高度H为10 mm，宽度E为15 mm。搅种齿对稻种的作用力通过其他种子传递到吸孔处，种子受到吸附力P、吸种盘对种子的作用力N、吸孔处摩擦力F以及合力Q，由此建立种子吸附的等效模型，如图3所示。

图3 种子吸附等效模型Fig.3 Seed adsorption equivalent model

1.4 旋转气腔设计

1.4.1旋转气腔结构

旋转气腔如图4所示，底盘最大面的直径为250 mm，中间气室呈碗状结构，两个部件位于一条中心线。底盘进气口处安装直径为63 mm、高16 mm的轴承，轴承与底盘形成封闭的密封结构，具有较好的稳定性和适应性，防止气体泄漏，降低气压损失。底盘底部通过螺栓与链轮相连，进而同步旋转。吸种盘与底盘的环形键槽相配合，转动中具有较好的封闭性。扰流叶片在气腔旋转过程中，增加气体的流动性，使气腔内平均压强和吸孔处的流速达到最佳的作业效果。

图4 气腔结构示意图Fig.4 Schematic of air cavity structure1.吸种盘 2.扰流叶片 3.气室 4.轴承 5.底盘 6.橡胶刷

1.4.2扰流叶片理论设计

气室随链轮旋转运动，带动内部空气流动。扰流叶片在气室内部与气流接触，气体粘性使叶片表面形成压差，从而产生使叶片上升的力L，垂直作用于叶片旋转平面上的阻力D。工作受力如图5所示。

图5 扰流叶片受力示意图Fig.5 Force analysis diagram of spoiler blade

升力和阻力简化公式为

(4)

(5)

考虑叶片的数量K，叶片旋转区域半径r处的轴向推力为

(6)

转矩为

(7)

式中CL——升力系数

CD——阻力系数

C——AB长度，mm

ρ——气流密度，kg/m3

W——相对速度，m/s

叶片转动过程中，气流从高压向低压流动中形成涡流[22-23]，造成能量的损失，基于Schmitz理论，对扰流叶片进行设计，AB的长度C和安装角θ分别为

(8)

(9)

式中R——叶片展向长度，mm

α——迎角，为叶片AB与合速度夹角

λ——叶片尖速比

经计算，扰流叶片安装角为19°，AB的长度为51 mm。

为了从根本上提高中小零售企业电子商务商业运营模式的市场价值，企业要结合相关性因素对具体问题进行具体分析，并且针对相应的指标建立对应的管理机制，从创新和发展的角度出发提高电子商务发展转型水平，有效整合创新机制和管理流程，维护管控工作的基本效率。最重要的是，要从思想意识层面形成创新动力，优化创新化产品销售路径和宣传媒介，维护中小零售企业经济运行综合水平。

2 旋转气室数值优化

2.1 种子在气流场中的受力

水稻在重力场、气流场和颗粒场的共同作用下，受到阻力、Basset力、Magnus力和其他力的作用[24]。

假设吸孔周边的气流是均匀的，探究单粒水稻的受力情况。绕流阻力Fd为

(10)

式中Cd——阻尼力系数

S——种子垂直于运动方向上投影面积，m2

v0——吸孔周围的气流平均速度，m/s

稻种在负压气腔作用下有3种状态：平躺、竖直、横躺，如图6所示。稻种的形状类似椭圆，3种稻种状态的投影面积分别为St、Sw、Sl，有

(11)

图6 稻种吸附姿态示意图Fig.6 Schematics of adsorption posture of rice seeds

式中l——种子平均长度，mm

w——种子平均宽度，mm

t——种子平均厚度，mm

不同状态的稻种所受绕流阻力是不相同的，计算可知平躺状态下所受的绕流阻力最大，其次为竖直和横躺。

2.2 流体的基本控制方程

利用流体力学的基本控制方程，根据排种器的实际工作情况，流体粘度和流体密度接近为常数。k-ε模型被广大学者应用到CFD模拟仿真中，此流体模型能够真实模拟复杂的流体运动[25-26]。连续性方程为

(12)

动量方程(Navier-Stokes方程)为

(13)

湍流输运方程为

(14)

式中ui、uj——流体速度

ε——湍动耗散率

Gk——平均速度梯度引起的湍动能产生项

Gb——浮力引起的湍动能产生项

YM——可压湍流中脉动扩张的贡献

σk——湍动能对应的普朗特数，默认为1.0

Sk、Si——源项

2.3 网格划分与边界条件设置

在ANSYS Workbench中将建立完成的模型简化，网格类型为非结构化四面体网格。旋转气室内部的流体雷诺数Re超过4 000，判断为湍流。流体域设置为标准大气压，壁面设置为标准函数。流体域的气压入口为0 kPa，气压出口根据实际所需的负压大小设置。

2.3.1嵌入旋转气腔结构对吸种性能的影响

为验证嵌入旋转气腔结构对气腔吸种性能的影响，在仿真中，将嵌入旋转气腔结构与无扰流叶片、轴承等结构的气腔对比试验，速度云图如图7所示。验证嵌入旋转气腔结构具有较好的稳定性和适应性，能有效降低气压损失，提高气压利用率。由仿真结果可知，嵌入旋转气腔结构压力分布(图7a)较均匀，气腔平均压强与吸孔处的流速均有所提高。气压利用率提高约0.69%，增强了充种性能。

2.3.2吸孔直径对吸种性能的影响

图7 不同气腔结构的速度云图Fig.7 Velocity cloud diagrams of different air cavity structures

图8 不同孔径的压力流线图Fig.8 Pressure flow diagrams for different orifice sizes

孔径对吸种性能具有较大影响[27]。当吸孔直径超过一定值，会发生漏气现象，导致气压损失，工作性能降低。吸孔直径小在工作状态下所需的气室真空度就越小，漏播率增加。为考察不同孔径处的气流速度与压力，选择1.2、1.4、1.6、1.8 mm的孔径为研究对象，盘转速设置为25 r/min，气腔负压设置为3 500 kPa。在Fluent中设置相应参数，残差参数设置成1×10-4，迭代计算设置成2 000次，收敛后如图8所示。

由仿真模拟结果可知，孔径对气腔的压力分布产生一定的影响。不同孔径仿真时流场都很稳定，吸孔的压力比周围的小。由图9可知，孔径为1.6 mm时的平均气腔压力和出口平均流速较好。当直径从1.2 mm增大到1.8 mm过程中，压力先上升后下降，吸孔流速从72.446 m/s增到77.965 m/s，之后呈下降趋势。在其他条件不变的情况下，增加吸孔直径会使种子吸附能力增强，但过大会导致重播率增加，过小会发生卡种的现象。当吸孔直径为1.6 mm时，气流场的压力和速度吸种效果最好，有助于提高工作性能。

2.3.3吸孔分布对吸种性能的影响

由于水稻籽粒体积小，吸孔分布形式决定着稻种吸附密集程度。在保证正常工作的基础上，采用5个吸孔，基于前面的仿真与试验结果，孔径确定为1.6 mm。各孔径之间的距离要适中。为研究吸种效果是否与吸孔分布情况有关，进行了3种吸孔分布方式的试验，分别为A型、B型、C型。气腔转速设置为30 r/min，气腔负压设置为4 000 kPa。在其他影响因素不变的情况下，分析在各因素作用下的压力流场变化，如图10所示。

图9 不同孔径的性能曲线Fig.9 Simulation plots with different apertures

仿真模拟结果和对比数据如图11，不同吸孔分布类型平均压力和流速变化不大，流场区域分布均匀且稳定。从Fluent软件中导出收敛后的仿真数据，可以看出B型吸孔分布各项指标较高，流体负压气腔平均压力为3 747.35 kPa，吸孔的流速均值为77.64 m/s，满足水稻穴播种的需求。

3 性能试验

为测试嵌入旋转气腔式水稻排种器的工作性能，在黑龙江八一农垦大学西土槽试验室进行台架性能试验，如图12所示。调频电机控制传送运动，在落种区域涂上一定厚度的油层，由Seeder Test软件采集试验数据，观察每穴粒数。

3.1 试验仪器设备和材料

霍尔转速记录仪(量程范围：5～200 r/min，分度值：0.1 r/min)，JJ系列高精度电子天平(量程：420 g，精度：0.001 g)，游标卡尺(精度：0.02 mm)。

图10 不同吸孔分布的压力云图Fig.10 Pressure nephograms with different distributions of suction holes

图11 不同吸孔分布的性能曲线Fig.11 Performance curve diagram of different suction hole distributions

JPS-12排种试验台，转速为15～120 r/min，输送带速度为1.5～12 km/h。

图12 计算机视觉排种器试验台Fig.12 Computer vision seeder test bench1.种箱 2.排种器 3.负压气管 4.电机 5.胶带 6.油刷

水稻采用黑龙江优质常规稻龙粳31，用清水浸泡后采用干燥箱催芽，直至破裂露出白芽，其湿基含水率为21.65%～23.73%后装入自封袋中，保持其水分含量，参数如表1所示。

3.2 试验评价指标

农艺要求水稻穴径不大于50 mm，通常粳稻的播量为穴粒数3～6粒。在不同条件下，采用不同的评价标准来判断工作效果。每组试验做3次并采集250穴数据，每次取全部装置平稳运行状态下的数值。漏播率、重播率和合格率作为判断装置性能的评价标准。稻种穴径与穴距示意图如图13所示，S为穴距，D为穴径。

表1 水稻芽种物料特性参数Tab.1 Characteristic parameters of rice sprout material

图13 稻种穴径与穴距示意图Fig.13 Schematic of diameter and spacing of rice seeds

合格率为

(15)

(16)

(17)

式中B——每穴中含有3～6粒稻种穴数

F——每穴中含有0～2粒稻种穴数

E——每穴中含有大于6粒稻种穴数

I——全部穴数

3.3 对比试验

为验证嵌入旋转气腔式排种器能够消除摩擦，降低气压损失，提高气压利用率，从而改善播种性能，将嵌入旋转气腔式排种器(图14a)与存在摩擦的气吸式排种器(图14b)进行对比试验。本试验选用孔径为1.6 mm，吸孔分布和搅种齿都相同的种盘，转速设置为20 r/min，气腔负压设置为4 kPa，3次试验为一组并计算平均值。

图14 排种器对比试验Fig.14 Seed meter comparison test

嵌入旋转气腔式排种器的合格率、漏播率、重播率为93.85%、3.94%、2.21%，存在摩擦的气吸式排种器合格率、漏播率、重播率为92.56%、4.86%、2.58%。可知所设计排种器的合格率、漏播率、重播率均优于传统排种器，证明所设计排种器能降低气压损失，有利于气压的充分利用，排种器的综合性能得到改善。

3.4 单因素试验

3.4.1型孔分布对排种性能的影响

选用孔径为1.6 mm的种盘，气腔转速设置为25 r/min，气腔负压设置为3.5 kPa。加工制作3种吸孔分布形式，A型外侧3个吸孔，内侧2个吸孔。B型最内侧和最外侧圆周上有2个吸孔，中间分布1个吸孔。C型外侧2个吸孔，内侧3个吸孔。如图15所示。除了吸孔分布有变化，其他条件固定不变，3次试验为一组并计算平均值。

图15 吸孔分布类型实物图Fig.15 Physical drawings of distribution type of suction hole

由表2可知，B型分布的播种效果要优于A型和C型。试验结果与仿真结果相符。因此，在后续的试验研究中，应用B型吸孔。

表2 不同吸孔分布类型试验结果Tab.2 Different suction hole distribution type data %

3.4.2孔径对排种性能的影响

选用孔径1.2、1.4、1.6、1.8 mm为研究对象，气腔转速设置为20 r/min，气腔负压为4 kPa。在其他条件不变的基础上，实时采集试验数据。3次重复试验求平均值。

由表3可知，孔径对装置工作性能有显著的影响。随孔径不断的增大，合格率先不断上升，然后呈下降趋势，漏播率明显减小。小于1.6 mm时，重播率较小，1.8 mm时重播率明显增加。当孔径为1.6 mm，效果最佳。

表3 不同孔径试验结果Tab.3 Different aperture data %

3.5 二次回归正交旋转组合试验

在单因素试验基础上，选取较优的龙粳31水稻种子为试验对象，进行三因素五水平二次正交旋转组合设计试验，对影响因素进行显著性分析，从而得到最佳的工作参数组合[28]。在试验过程中，由于部分数值是通过传感器检测，存在一定的误差，但最高误差不超过1.4%，在可接受的范围内。确定气腔负压的范围为2.6～5.4 kPa，气腔转速范围为12～28 r/min，填种高度为5～25 cm。因素编码如表4所示，试验方案设计与结果如表5所示，表中x1、x2、x3为气腔转速、气腔负压和填种高度编码值，y1、y2、y3为漏播率、合格率和重播率。

表4 试验因素编码Tab.4 Test factors and codes

3.6 试验结果分析

运用Design-Expert 8.0.6软件进行多元回归拟合后，得出各因素对合格率、漏播率和重播率的回归方程。方差分析与显著性结果如表6所示，3组回归方程均极显著(P<0.01)。并且失拟P值不显著，表明方程的拟合程度较好。合格率的方差分析对回归方程系数检验后，得出填种高度、气腔负压、气腔转速对合格率的影响逐渐增加，得出填种高度、气腔转速、气腔负压对漏播率的影响逐渐增加，得出填种高度、气腔负压、气腔转速对重播率的影响逐渐增加。

表5 试验设计与结果Tab.5 Experimental design and results

结果中，失拟P值为0.81，说明无其他因素影响合格率。漏播率的方差分析结果中，失拟P值为0.23，表明无其他因素影响合格率。重播率的方差分析中，失拟P值为0.54，表明无其他因素影响合格率。在确保模型都显著和失拟项不显著情况下，除去不显著因素，建立因素编码值回归方程

表6 回归方程方差分析Tab.6 Regression equation analysis of variance

注：*表示影响显著(P<0.05)，** 表示影响极显著(P<0.01)。

(18)

(19)

(20)

3.7 各因素对合格率的影响

合格率是评判排种器性能的重要指标，因此本文重点分析各因素交互作用对合格率的影响，响应曲面如图16所示。

3.7.1气腔转速和气腔负压的交互作用

图16a为当填种高度为15 cm时，气腔转速和气腔负压交互作用对合格率的影响。从图可看出，气腔转速固定不变，气腔负压逐渐增大时，作业合格率先缓慢增加，到达最高点后，缓慢下降。气腔负压固定不变时，气腔转速逐渐增大时，作业合格率先缓慢增加，到达最高点后，缓慢下降。在气腔负压为3.8～4.2 kPa，气腔转速为18～22 r/min时，作业合格率最高。

图16 交互因素对合格率的影响Fig.16 Influences of interactive factors on eligibility index

3.7.2气腔负压和填种高度的交互作用

图16b为当气腔转速为20 r/min时，填种高度和气腔负压交互作用对合格率的影响。从图可看出，填种高度固定不变，气腔负压逐渐增大时，作业合格率先缓慢增加，到达最高点后，缓慢下降。气腔负压固定不变，填种高度逐渐增大时，作业合格率先缓慢增加，到达最高点后，缓慢下降。在气腔负压为3.8～4.2 kPa，填种高度为14～18 cm时，作业合格率最高。

3.7.3气腔转速和填种高度的交互作用

图16c为当气腔负压为4 kPa时，填种高度和气腔转速交互作用对合格率的影响。从图可看出，填种高度固定不变，气腔转速逐渐增大时，作业合格率先缓慢增加，到达最高点后，缓慢下降。气腔转速固定不变，填种高度逐渐增大时，作业合格率先缓慢增加，到达最高点后，缓慢下降。在气腔转速为18～22 r/min，填种高度为14～18 cm时，作业合格率最高。

3.8 优化与验证

运用软件优化最佳参数组合需设定边界条件，并建立数学模型。分析得到数学模型为

(21)

在Design-Expert 8.0.6软件中优化模块完成各参数优化，当气腔转速为21.61 r/min，气腔负压为4.4 kPa，填种高度为15.7 cm时，作业性能最好。按照优化后的参数进行3组重复试验，结果如表7所示。可以看出，实际评价指标与优化评价指标相差不大，可以完成精量播种。

表7 优化与试验结果对比Tab.7 Comparison of optimization and test results %

4 结论

(1)针对排种盘与壳体之间存在摩擦、穴播量不稳定、机车速度对播种性能影响的问题，采用底盘嵌入到壳体，形成轴承种盘密封结构并同步旋转，设计一种嵌入旋转气腔式水稻排种器。

(2)应用Fluent软件对腔体内部进行模拟仿真，结合单因素试验，以吸孔孔径和吸孔位置分布为影响因素、以气腔压力平均值和吸孔处的平均流速为评价指标进行数值模拟仿真研究。仿真结果表明：气腔流场分布比较稳定，可为吸种提供稳定的负压环境。当孔径为1.6 mm时，吸种效果较优。气腔平均负压为3 432.45 kPa，吸孔处的平均流速为77.96 m/s。B型吸孔分布各项指标略高于其他类型，气腔平均负压为3 747.35 kPa，吸孔处的流速均值为77.64 m/s。

(3)以气腔转速、气腔负压和填种高度为影响因素，选取各因素的数值变化范围。通过对各因素方差分析得到回归方程，结合响应曲面法得出指标随因素的变化趋势。应用优化模块，得出最佳参数组合为：当气腔转速为21.61 r/min、气腔负压为4.4 kPa、填种高度为15.7 cm时，作业性能最好。台架试验得合格率为93.6%，漏播率3.47%，重播率2.93%。优化值与实际值误差较小，结果准确可靠。