气吸滚筒式油菜穴盘育苗精密排种器设计与试验

曹秀龙，马 旭，李宏伟，温志成，李泽华，王曦成

（1. 华南农业大学工程学院，广州 510642；2. 华南农业大学数学与信息学院，广州 510642；3. 华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州 510642）

0 引言

油菜是中国播种面积最大的油料作物，主要分为冬油菜和春油菜。冬油菜种植区域主要分布于长江流域[1]，以直播和育苗移栽种植方式为主。虽然机械直播可以省工节本，但由于该区域多熟制轮作，前后两季作物茬口矛盾，在晚稻收获后采用直播方式种植油菜，将错过油菜最佳播种期，导致油菜生长缓慢、植株瘦小而减产[2]。育苗移栽能有效缓解由于茬口矛盾导致油菜生长周期不足和抗逆能力差等问题，但长期以来，由于油菜机械化育苗和移栽技术尚不成熟，主要采用人工育苗移栽方式进行生产[3]，费时费力，既造成种子浪费，也为后期移栽机械化作业增加了难度[4]。为此，亟需突破油菜机械化育苗移栽技术瓶颈，而机械化精密播种是其难点之一。

由于气吸式排种器对种子大小适应性强、不易伤种和播种精度高等优点[5-7]，近年来，在国内外播种机上得到了大力发展和广泛应用[8-12]。气吸式精密排种器通过负压吸种，隔压板隔绝负压，然后依靠种子自身重力进行投种，主要应用于大粒径和中粒径种子，如三七[13]、水稻[14]、玉米[15]、马铃薯[16]和棉花[17]等。对于质量比较轻的小粒径种子，若仅依靠其自身重力进行投种，投种速度和位置波动较大，无法满足同步投种而影响单粒精密播种的质量。油菜种子是一种典型的小粒径种子，实现油菜单粒精密播种，对解决油菜育苗移栽技术难题和丰富气力式排种器应用领域具有重要的理论和实际应用价值。

围绕油菜气力式精密播种技术，华中农业大学廖庆喜团队先后设计了气吸圆盘式[18]、气吸滚筒式[19]和气压集排式[20]等油菜精密排种器。其中气吸圆盘式精密排种器通过设置独立吸种区和正压投种区，解决了吸种孔堵塞和籽粒破碎等问题；气吸滚筒式排种器通过在气吸滚筒上增设多排吸种孔，实现一器多行精密排种；气压集排式排种器采用气流清种与气压护种组合技术，能有效解决清种和护种环节种子易剪切破坏问题。但这些精密排种器主要用于油菜直播，单体结构较大，不适于油菜穴盘育苗对行对穴精密单粒播种。

油菜育苗使用的穴盘和蔬菜育苗穴盘相似或通用，并且油菜种子和部分蔬菜种子形态相似，所以蔬菜穴盘育苗排种器对油菜育苗排种器的设计具有一定的参考价值。蔬菜育苗排种器研发方面，美国Blackmore公司、意大利Mosa公司和荷兰Visser公司等设计的精密排种器都采用真空吸附原理[21-22]，以气针、盖板和气吸滚筒式为主；中国的台州赛得林公司、宝鸡鼎铎机械公司和江苏云马农机制造有限公司等引进国外先进技术，通过对穴盘育苗播种技术研究，改制了一批穴盘育苗精密排种器[23-24]，其原理与国外类似。总体上，国外蔬菜育苗技术和设备相对完善，智能化程度和生产率相对较高，但产品价格昂贵。国内蔬菜育苗排种器对不同规格穴盘和不同类型种子的适应性较差，播种精度较低，限制了相关设备的推广使用。

本文采用负压吸种与正压投种组合作用原理，设计一种气吸滚筒式油菜穴盘育苗精密排种器。由于正负压组合式排种器的内部流场极易出现气流紊乱，无法保证吸种和投种的稳定性，影响排种性能。为此，本文设计一种卸压及正压气吹投种装置，应用Fluent软件模拟分析滚筒内壁和吸种孔与正压气室的流场特征，进而优选正压进气孔间距等参数；为提高单粒播种率，设计了一种带凸起的吸种帽和倒U型清种结构，并搭建穴孔与吸种孔同步精准对位及投种控制系统。

1 排种器结构与工作原理

本文研制的穴盘育苗精密排种器主要由种箱、清种机构、侧板、空心轴、空心轴固定夹、同步带轮、滚筒端盖、接种盒、滚筒、吸种帽、卸压及正压气吹投种装置和穴盘位置传感器等组成，如图1所示。

排种器滚筒内部设置有空心轴和卸压及正压气吹投种装置，空心轴通过固定夹固定在排种器侧板，其一端通负压，另一端通正压；正压气室通过压缩弹簧紧密贴合滚筒内壁，堵住吸种孔，隔绝负压，并提供投种正压。图2为穴盘穴孔与吸种孔对位投种过程示意图。排种器工作时，穴盘通过输送带运送到穴盘位置传感器处，穴盘位置传感器发出脉冲信号，PLC接收到脉冲信号控制伺服电机转动，伺服电机通过同步带带动滚筒转动。此时吸种孔处的种子在滚筒内外压力差作用下被吸附到吸种帽上，并随着滚筒一起转动。当种子转动至清种机构时，吸种帽上多吸的种子被清种机构清除并回流至种箱，吸种帽上只吸附一粒种子。如果因气吸滚筒黏连导致种子没有回流至种箱，多余的种子会依靠自身重力落入另一侧的接种盒内。当吸附的种子转动到投种位置时，吸种孔处的压力差被卸除，种子在正压气吹作用下与吸种帽分离，落入下方的穴孔中，完成精准同步投种。

2 关键部件设计

2.1 气吸滚筒

气吸滚筒是排种器的核心部件之一，其他各部件的尺寸设计都依赖于气吸滚筒的外形尺寸。图3为气吸滚筒结构简图。

气吸滚筒直径与充种时间的关系式如下：

式中t为充种时间，s；l为充种区弧长，mm；v为气吸滚筒线速度，mm/s；n为气吸滚筒转速，r/min。

由式（1）可得：

由式（2）可知，t与n成反比，与α成正比，与直径D无关。现有滚筒式精密排种器直径通常为140～260 mm[25]。在满足充种弧长的条件下，直径D越大，圆周方向可设置的型孔数量越多，气吸滚筒转速越低，有利于提高充种性能，但整机结构增大，并且负压风机功率增加，能耗增加，同时也会使负压气室密封要求过高；若气吸滚筒直径太小，圆周方向可设置的型孔数量较少，滚筒转速较高，不利于充种，播种合格指数降低。综合考虑，本文选取气吸滚筒直径D为200 mm，材料为5 mm厚铝合金无缝管。

现有油菜育苗穴盘的标准规格为128孔（8穴/行×16行）软盘，长×宽×高为590×300×45（mm），穴距为36 mm。根据穴盘规格，确定气吸滚筒轴向型孔数为8个，孔距Lk为36 mm，两端对称预留44 mm的端盖固定位置，气吸滚筒长度L为340 mm。

设计气吸滚筒周向型孔数量时，理论上最少可设计成1个，最多可根据种子的尺寸大小布满整个滚筒。但是，实际相邻型孔间的弧长至少需要大于种子最大尺寸的2倍，并且气吸滚筒线速度v≤350 mm/s[26]。考虑到实际生产中，连续2个育苗穴盘难以实现无缝连接，前一个穴盘的最后一穴和后一个穴盘第一穴之间的距离与同一穴盘中两穴之间的距离不同，因此每播种一盘都需要通过穴盘位置传感器检测穴孔位置实现对穴精准投种。本文所用穴盘每列穴孔数为16个，为方便伺服电机调控滚筒转速，满足气吸滚筒线速度与不同生产率下穴盘运动速度的协调性，设计气吸滚筒周向型孔数Z为育苗穴盘每列穴数的2倍，即Z=32。此时相邻型孔间的弧长T=19.625 mm，大于油菜种子最大尺寸的2倍（油菜种子粒径为1.45～2.68 mm，见2.2节），且当生产率为500盘/h，气吸滚筒线速度v=44.67 mm/s＜350 mm/s。

2.2 吸种孔直径与吸种帽

吸种孔直径大小取决于种子的几何特性。为提高排种器对品种的适应性，选取长江流域常用的中双11号、湘杂油787和华油杂9号3个品种油菜种子为对象，每个品种随机选取100粒，用精度为0.01 mm数显游标卡尺测量每粒油菜种子3次，取平均值作为油菜种子的粒径。测得3个品种油菜种子的平均粒径分别为2.05、1.96和1.87 mm，粒径范围为1.45～2.68 mm，图4为油菜种子粒径分布。

一般地，吸种孔直径d（mm）与种子粒径的关系[27]为

式中dk为种子粒径，mm。由式（3）可知，吸种孔直径d取值为0.87～1.88 mm。

由于油菜种子近似球形，种子间存在一定的空隙，传统的气吸滚筒采用光滑表面，滚筒转动对种子的扰动不足，影响种子吸附性能。为此，本文设计一种带凸起的吸种帽，如图5所示。根据油菜种子粒径大小，为便于加工，取凸台直径为1.95 mm。为保证滚筒转动时顺利通过种箱底板，并且种箱中的种子不会从种箱底部掉落，设定凸台高度为1 mm，凸台顶端倒圆角，圆角与吸种孔的顶端相切。

2.3 清种装置

为保证投种时吸种孔上只保留1粒种子，本文设计一种倒U形刮板式清种装置。采用2 mm厚的尼龙板，清种口为光滑倒U形结构，如图6所示。

根据3个品种油菜种子粒径数据和统计学中“3σ原则”，得到3个品种油菜种子的粒径上限分别为2.67、2.51和2.23 mm。为保证最大粒径的油菜种子能通过清种口，且不能有2粒及以上的种子同时通过清种口，倒U形开口宽度s的取值范围为2.70～2.90 mm。为确定最优倒U形开口宽度s的值，分别取开口宽度为2.70、2.80和2.90 mm进行清种试验，试验时，连续统计清种前后各1000个吸种帽上的种子数，计算清种前后的单粒合格指数、多粒重吸指数和0粒指数：

试验重复3次取平均值，结果见表1。

表1 清种试验结果 Table 1 Results of seed cleaning test

由表1可知，当倒U形开口宽度s为2.70 mm时，清种后单粒合格指数为97.63%。由于倒U形开口的高度只要求大于种子的最大粒径，本文设计倒U形开口的宽度s为2.70 mm，高度h为3.00 mm。

2.4 卸压投种装置

卸压投种装置是气吸式排种器的关键部件。为确保同步整排投种，并减少吸种孔堵塞的情况，本文设计一种可隔绝负压和增加正压辅助气吹投种装置，其结构如图7所示。

正压气室采用具有一定压缩变形和强度好的优力胶板，下弧面直径与滚筒内径相同，在压缩弹簧作用下与滚筒内壁紧密贴合，保证正压气室的密封性。为增加空心轴正压侧的密封性，采用可拆卸的热熔胶进行密封处理，保证负压气室的密封性。正压气室上增设一条正压卸气管连接大气，当正压气室处在非吸种孔位置时，连续供给的正压气流通过正压卸气管排放到外界，保证滚筒内部流场稳定。

为确定正压气室内部气体的流动特征，需对其雷诺数Re进行求解，计算公式为

式中Re为雷诺数；ρ为空气密度，g/mm3；μ为空气动力黏度，g/mms；vk为空气平均流速，mm/s；Lz为正压气室宽度，mm。

为使正压气室完全覆盖吸种帽的下端，本文正压气室宽度取8 mm。利用风速仪测得正压气室空气平均流速大于5000 mm/s，由式（5）得出Re=2873.33，大于空气的湍流临界值2300，故正压气室中空气的运动为湍流。

湍流时正压气室内必然出现压降，压降公式为

式中Hloos为压降，Pa；f为摩阻系数；C为正压进气孔间距，mm；j为正压进气孔直径，mm；g为重力加速度，m/s2。

由式（6）可知，压降的产生主要与正压进气孔间距和正压进气孔直径有关。为减小压降和保证正压气室流场的均匀性，本文采用Fluent软件模拟3种不同正压进气孔间距条件下，滚筒内壁和吸种孔与正压气室接触的流场特征。设定正压进气孔直径为8 mm（与正压气室宽度匹配），基于等距设计原则，以正压卸气孔为中心，对称设置2个正压进气孔。3种不同正压进气孔间距分别为72、144和216 mm，图8为正压气室结构示意图。

模拟过程采用k-ε模型，选取正压进气孔为速度进口边界条件，根据获取的正压气室平均流速，设定进气速度为5000 mm/s，正压卸气孔和吸种孔为压力出口边界，壁面采用无滑移边界条件。将模拟结果导入EnSight软件进行正压气室流场分析，结果如图9所示，其中图9a为正压气室与滚筒接触处的速度云图，图9b为正压气室与吸种孔接触处的速度云图。

由图9a可知，随着正压进气孔间距的增加，正压气室内流场的稳定性变差。当正压进气孔间距为72 mm时，进气孔气流很快从卸气孔排出，正压气室内流场相对稳定。由图9b可知，当进正压气孔间距为72 mm时，两端吸种孔处的气流速度明显低于滚筒中间吸种孔处的气流速度，并且正压卸气孔处出现了较大的压降，气流损失较大；当正压进气孔间距为216 mm时，两端倒数第二孔处的气流速度明显高于其他吸种孔处的气流速度，并且滚筒两端出现漩涡和回流现象。总体上，当正压进气孔间距为144 mm时，各吸种孔处的气流速度差异较小，并且正压气室内流场分布均匀，无回流和漩涡现象。因此，本文选取正压进气孔间距为144 mm。

3 排种性能试验

为优化排种器核心部件结构参数与工作参数，以中双11号油菜种子为材料进行排种性能试验，采用二次旋转正交组合试验方法，分析排种器性能的主要影响因素（吸种负压、投种正压和吸种孔直径）与播种指标（单粒合格指数、漏播指数和重播指数）的关系，应用回归分析、响应曲面和多目标变量优化方法，优化排种器的结构参数和工作参数。为评价其排种性能，在优化参数条件下，选用3个品种油菜种子和1个蔬菜类种子（茄子），设定生产率分别为600、700和800盘/h进行排种试验，验证排种器的品种适应性。

3.1 试验材料与仪器设备

试验材料为中双11号油菜种子，含杂率≤0.1%，含水率≤5%。试验在自主设计的油菜育秧生产线上进行，试验台配置格标生产的型号为GB-370S型高压漩涡气泵，中国红旗牌YZ-100压力真空表和Y-60压力表，试验装置如图10所示。

3.2 试验方案与方法

试验依据国家标准《单粒（精密）播种机试验方法》（GB/T6973—2005）实施[28]，选取单粒合格指数Y1、漏播指数Y2和重播指数Y3为评价指标，计算公式如下：

式中n0为漏播穴数；n1为单粒合格穴数；n2为重播穴数；N´为理论排种穴数。统计每个穴孔中种子数，只有1粒种子为合格，大于等于2粒为重播，没有种子为漏播。每次连续播种10盘，重复3 次，取平均值作为试验结果。

根据前期试验研究，选择吸种负压X1、投种正压X2和吸种孔直径X3为试验因素，每个因素考察5个水平，因素编码水平如表2所示。采用Design-Expert11.0软件进行数据处理和统计分析。试验方案与结果如表3所示。

表2 试验因素和水平 Table 2 Factors and levels of test

3.3 回归模型建立与显著性检验

运用Design-Expert11.0软件，分别建立单粒合格指数Y1、漏播指数Y2和重播指数Y3关于吸种负压X1、投种正压X2和吸种孔直径X3的多元非线性回归模型，并进行模型和系数的显著性检验，分析与结果如下：

1）单粒合格指数Y1回归模型与显著性检验

单粒合格指数Y1的回归方程为

其方差分析结果如表4所示。

表3 试验方案与结果 Table 3 Experiment scheme and results

表4 单粒合格指数回归模型的方差分析表 Table 4 Variance analysis of single seed qualified index regression model

由表4可知，单粒合格指数回归模型通过显著性检验（P＜0.01），模型有效。其中交互项X1X3和X2X3的影响不显著，其他各项均通过显著性检验。

由式（8）可知，单粒合格指数Y1与吸种负压X1、投种正压X2和吸种孔直径X3都分别呈开口向下的二次函数关系，表明存在吸种负压、投种正压和吸种孔直径的最优参数组合。

2）漏播指数Y2回归模型与显著性检验

漏播指数Y2的回归方程为

其方差分析结果如表5所示。

表5 漏播指数回归模型的方差分析表 Table 5 Variance analysis of missing seeding index regression model

由表5可知，漏播指数回归模型通过显著性检验（P＜0.01），模型有效。其中交互项X1X2、X1X3、X2X3和二次项X12和X22都不显著，其他各项均通过显著性检验。

由式（9）可知，吸种负压X1对漏播指数Y2的影响呈负线性相关关系，表明吸种负压越大，漏播指数将降低；投种正压X2对漏播指数Y2的影响呈正线性相关关系，表明投种正压越大，漏播指数将增加；漏播指数Y2与吸种孔直径X3呈开口向上的二次函数关系，表明当固定吸种负压和投种正压时，存在吸种孔直径的最优值，使得漏播指数最小。

3）重播指数Y3回归模型与显著性检验

重播指数Y3的回归方程为

其方差分析结果如表6所示。

表6 重播指数回归模型的方差分析表 Table 6 Variance analysis of multiple seeding index regression model

由表6可知，重播指数回归模型通过显著性检验（P＜0.01），模型有效。其中交互项X2X3的影响不显著，其他各项均通过显著性检验。

由式（10）可知，重播指数Y3与吸种负压X1、投种正压X2和吸种孔直径X3都分别呈开口向上的二次函数关系，表明存在吸种负压、投种正压和吸种孔直径的最优参数组合使得重播指数最小。

3.4 各因素间交互作用对试验指标的影响

由3.3节的结果可知，吸种负压X1和投种正压X2的交互项X1X2对单粒合格指数Y1有显著影响，交互项X1X2和X1X3对重播指数Y3有显著影响，表明各因素间存在交互效应。应用响应曲面分析方法，利用Design-Expert11.0软件生成各因素交互作用对单粒合格指数Y1和重播指数Y3的响应曲面图，如图11所示。

由图11a可知，固定吸种孔直径为1.20 mm，当吸种负压为3.32～3.68 kPa和投种正压为0.22～0.23 MPa时，单粒合格指数存在最优值。固定投种正压，随着吸种负压的增大，单粒合格指数先增大后降低；固定吸种负压，随着投种正压的增大，单粒合格指数也呈现先增大后降低的趋势。

由图11b可知，固定吸种孔直径为1.20 mm，当吸种负压为3.32～3.68 kPa和投种正压为0.23～0.25 MPa时，重播指数存在最小值。固定投种正压，随着吸种负压的增大，重播指数先降低后增加；固定吸种负压，随着投种正压的增大，重播指数也呈现先降低后增加的趋势。

由图11c可知，固定投种正压为0.255 MPa，当吸种负压为2.96～3.22 kPa和吸种孔直径为1.15～1.25 mm时，重播指数存在最小值。固定吸种负压，随着吸种孔直径的增大，重播指数先降低后增加；固定吸种孔直径，随着吸种负压的增大，重播指数也呈现先降低后增加的趋势。

综上可得，当固定其中任何一个参数，其他2个因素对单粒合格指数Y1的影响都呈现先增加后下降的趋势，对重播指数Y3的影响都呈现先下降后增加的趋势。

3.5 参数优化

为了得到排种器的最优结构参数组合，采用多目标优化方法，同时优化单粒合格指数Y1、漏播指数Y2和重播指数Y3的影响因素。依据提高单粒合格指数，降低漏播和重播指数的目标，结合各试验因素的边界条件，得到优化模型为

利用Design-Expert软件中的Optimization模块进行参数优化并分析求解，结果表明，当吸种负压为3.73 kPa、投种正压为0.23 MPa和吸种孔直径为1.28 mm时，排种器单粒合格指数达到95.13%、漏播指数为2.80%，重播指数为2.07%。

为便于实际加工和参数调节，圆整吸种负压为3.70 kPa，投种正压为0.23 MPa和吸种孔直径为1.20 mm进行验证试验，在相同的试验条件下重复3次，试验结果如表7所示。

表7 优化参数试验结果 Table 7 Test results of optimized parameters

结果表明，单粒合格指数平均值为95.08%，漏播指数平均值为2.72%，重播指数平均值为2.20%，试验结果与优化结果基本一致。

3.6 排种器的品种适应性与精准高效性试验

选取吸种负压为3.70 kPa，投种正压为0.23 MPa和吸种孔直径为1.20 mm，设定排种器生产率分别为600、700和800盘/h，选用3个品种的油菜种子分别为中双11号、湘杂油787、中油杂9号，一个蔬菜类种子茄子天龙8号进行排种性能试验。每个试验连续播种10盘，试验结果如表8。

由表8可知，当生产率为600盘/h，所有油菜品种的单粒合格指数都高于94%，漏播指数和重播指数都小于3%；茄子的单粒合格指数高于91%，漏播指数和重播指数都小于5%。当生产率为700和800盘/h时，所有油菜品种单粒合格指数都高于93%，漏播指数和重播指数都小于5%；茄子的单粒合格指数高于90%，漏播指数和重播指数都小于5%。说明该穴盘育苗精密排种器在不同生产率下对不同品种油菜种子和茄子种子具有较好的适应性。随着生产率增加，单粒合格指数虽略有下降，但下降幅度不超过2个百分点，满足高效和精准播种作业要求。由于茄子播种试验时未更换匹配的清种装置，播种质量稍有不足，通过更换匹配的清种装置，可提高播种质量。

表8 品种适应性试验结果 Table 8 Results of variety adaptability test

4 结论

1）采用负压吸种与正压投种组合作用技术，设计了一种气吸滚筒式穴盘育苗精密排种器。通过模拟分析正压气室分别与滚筒内壁和吸种孔的流场特征，确定最优正压进气孔间距为144 mm；滚筒型孔中设置带凸起吸种帽，用倒U型结构清种装置进行清种，通过在卸压投种装置中增加辅助正压，配合穴孔与吸种孔同步精准对位及投种控制系统，实现同步整排精准投种。

2）基于Design-Expert11.0软件中的Optimizaition模块，应用多目标优化方法对排种性能影响因素进行优化，得到最优参数组合为：吸种负压3.73 kPa、投种正压0.23 MPa、吸种孔直径1.28 mm，此时排种器单粒合格指数为95.13%，漏播指数为2.80%，重播指数为2.07%。验证试验的单粒合格指数平均值为95.08%，漏播指数平均值为2.72%，重播指数平均值为2.20%，与优化结果基本一致。

3）当生产率分别为600、700和800盘/h时，分别对3个品种油菜种子和1个蔬菜种子（茄子）进行排种性能的品种适应性和播种精准高效性试验，结果表明：油菜种子的单粒合格指数高于93%，漏播指数和重播指数都小于5%；茄子的单粒合格指数高于90%，漏播指数和重播指数都小于5%，说明该排种器能较好地满足油菜和部分蔬菜穴盘育苗精密播种农艺要求，具有较好的适应性。