气吸式三七育苗播种精密排种器设计与试验

2021-06-29杨文彩阚成龙张效伟潘吴建

农业机械学报 2021年6期

杨文彩阚成龙张效伟吴翀杜迁潘吴建

(1.云南农业大学机电工程学院，昆明 650201； 2.芒市农业农村局农机技术推广站，芒市 678400)

0 引言

目前，三七育苗播种以人工点播为主，其劳动强度大、用工成本高，且效率低。采用机械化播种不仅可以提高效率，还可以有效降低播种成本、提高播种质量。然而，三七育苗播种行、株距均为50 mm[1]，对排种器精度要求较高，目前尚无适宜的三七育苗播种排种器。

根据播种对象的不同，生产上使用的排种器有机械式和气力式。机械式排种器存在伤种率高、落种时机不精确等问题[2-3]，机械式三七排种器需要在播种前对种子进行分级处理[4]。气力式排种器伤种率低、不需对种子进行分级处理，采用正压投种可以准确把握投种时机[5-8]，但气压均匀性控制难度较大，易使单个气孔吸附多颗种子而造成重播，或者因未吸附种子而造成漏播[9-13]。从简化分级农艺和减少种子损伤的角度考虑，选用气力式排种器进行三七育苗播种，还需通过结构设计和系统工作参数的优化，以解决气压均匀性问题。

本文基于负压吸种、正压排种原理设计气吸滚筒式三七精密排种器，通过力学分析研究主要结构参数，分析影响排种性能的关键因素，通过试验确定影响排种器性能的最佳参数组合，借助高速摄像仪通过土槽试验验证排种器的排种性能。

1 结构与工作原理

气吸式三七精密排种器主要由滚筒、左右配气盘、左右端盖、导气管、气孔塞、毛刷滚、充种室等组成，如图1。该排种器设计效率为0.1 hm2/h左右，用于1.4～1.5 m宽的三七育苗槽播种。其中，导气管、左右端盖、气孔塞、滚筒随半空心轴转动；左右配气盘固定于机架；气孔塞固定于滚筒表面。

气吸式三七精密排种器工作原理：采用负压力充种，毛刷滚清种，正压力投种。利用真空泵向负气压槽抽气，提供负压，利用空压机向正气压槽提供正压；导气管与负压力槽相连，导气管和气孔内的气体与大气压之间形成负压力差，多根导气管由负压力槽统一配气，可以保证气压均匀性；种子在该负压作用下，被吸附到滚筒壁面的气孔塞上，并随滚筒一起转动；毛刷滚清理吸附在气孔塞上的多余种子；种子随滚筒继续转动；导气管与正气压槽相连，气孔产生正气压，在正气压和种子重力的作用下，种子脱离滚筒表面，完成一次排种，滚筒继续转动。

按照上述工作原理，气吸式三七精密排种工作过程可划分为5个阶段，即充种阶段、清种阶段、携种阶段、投种阶段和过渡阶段，如图2所示。其中，充种阶段分为两个过程：种子从静止状态被吸附至气孔处的运动过程；种子被气孔完全吸附随滚筒运动的过程。

2 力学分析及主要部件设计

由于过渡阶段不涉及种子运动，这里仅对充种阶段、清种阶段、携种阶段以及投种阶段进行力学分析。

2.1 三七种子物理特性

三七播种前一般需要做包衣处理，包衣后三七种子直径主要在4.99～7.21 mm之间，三轴平均尺寸分别为：长度6.20 mm、宽度5.82 mm、高度5.46 mm，千粒质量165.86 g，休止角22.4°。三七种子的球度Sp为93.55%，可将三七种子近似作为球体[14]。

2.2 力学分析

2.2.1充种阶段

充种阶段第1过程中，种子在气孔附近，处于气体流场中，假设种子为均匀球体，并且忽略种子的自身重力，种子将受到绕流阻力对种子产生的吸附力，此时只有吸附力改变种子的运动状态[15]，种子的受力如图3所示。

设种子负压面所受压力为p1，正压面所受压力为大气压力p0，那么推动种子移动的压力为p0-p1。根据伯努利方程可得

(1)

其中

(2)

(3)

式中ρ——空气密度，kg/m3

q——空气流速，m/s

r——种子中心与气孔距离，m

y——种子偏离气孔中心的横向距离，m

A——有效吸附面积，m2

k1——常数，随Q增大而减小

k2——常数，取0.2

Q——空气流量，m3/s

c——气孔半径，m

计算可得

(4)

式中a——种子半径，m

F——种子受到的气流场作用力，N

将其在受力平面上积分，得种子受力方程

(5)

由式(5)可知，种子受到气流场中力F的作用，F与空气流量Q成正比，与种子和气孔间的距离r存在密切关系，该排种器种群直接接触滚筒表面，不考虑距离r，可以通过增加气孔的空气流量增加充种吸附力。

充种阶段第2过程中，种子被气孔吸附并随滚筒一起转动脱离种群状态[16]，其受力如图4所示。

种子受力方程为

(6)

其中

(7)

式中Fa——充种第2过程气孔对种子吸附力，N

Nz——运动种群对种子的压力，N

fz——充种室内种群对种子摩擦力，N

Ng——滚筒对种子支持力,N

m——种子质量，kg

fr——滚筒对种子摩擦力，N

φg——滚筒与种子间滑动摩擦角，(°)

φz——休止角，(°)

α——气流作用力与x轴夹角，(°)

β——Nz与x轴夹角，(°)

Rg——滚筒半径，100～150 mm[17]

ω——角速度，rad/sG——种子重力，N

vg——滚筒表面线速度，m/s

由式(6)、(7)可得

(8)

由式(8)知，本过程气孔对种子吸附力Fa与滚筒半径Rg成反比，与转速vg成正比。因此，滚筒转速增加时，需相应增加吸附力。

2.2.2清种阶段

清种阶段，种子受到毛刷滚给予的外力，即与毛刷滚接触的过程，需保证气孔正中央处的种子不被毛刷滚清除。不计重力，种子的受力如图5所示。

种子受力方程为

(9)

由式(9)得

Fb=(Ff-f)cotφ

(10)

式中Fb——清种阶段气孔对种子吸附力，N

FN——气孔外沿对种子支持力,N

Ff——毛刷滚对种子摩擦力，N

f——滚筒对种子摩擦力,N

φ——FN与y轴夹角

由式(10)知，清种阶段气孔对种子吸附力Fb与角φ成反比。因此，可以通过增加气孔外沿直径的方法增加角φ，以减小该阶段所需吸附力Fb。

2.2.3携种阶段

携种阶段，种子随滚筒转动，不计空气阻力，种子的受力如图6所示。

种子受力方程为

(11)

式中Fc——携种阶段气孔对种子吸附力，N

fr0——携种阶段滚筒对种子摩擦力,N

φg——吸附角，(°)

计算可得

(12)

由式(12)知，该阶段气孔对种子吸附力Fc与滚筒半径Rg成反比，与滚筒表面线速度vg成正比。

2.2.4投种阶段

投种阶段，气孔处产生正压力，种子受到正压力和重力作用下落，种子受力如图7所示。

种子运动分为两个时间段：t1时间段内，种子离开滚筒，下落高度为h，此时种子受到正压力、重力的作用；t2时间段内，种子下落高度为h′，此时种子仅受到重力作用。为方便分析，简化受力过程，设t1为定值，且该时间段内种子受到正压力F恒定不变，种子受到的空气阻力不计。

对t1、t2时间段进行受力分析，得出方程组

(13)

(14)

对t1、t2时间段进行运动分析，得出方程组

(15)

(16)

由方程组(13)～(16)得

(17)

(18)

式中Fd——气孔对种子正压力，N

v′x——t1时间段种子水平方向分速度，m/s

δ——投种角，取60°

v′y——t1时间段种子竖直方向分速度，m/s

v″x——t2时间段种子水平方向分速度，m/s

v″y——t2时间段种子竖直方向分速度，m/s

由式(17)、(18)知，v″x、v″y均与滚筒表面线速度vg成正比，为了减小种子下落的接触速度，滚筒表面线速度vg不宜过大；为了保证种子水平方向分速度v″x为正值，滚筒表面线速度vg不宜过小。

2.3 排种滚筒设计及气孔分布

由于三七种子与大豆种子三轴尺寸接近，根据以上力学分析可知，种子围绕滚筒的圆周运动中，种子质量越小所需吸附力越小，更有利于完成排种，三七种子质量(千粒质量165.86 g)小于大豆种子(千粒质量230.40 g)，因此，参考大豆排种器的设计标准，排种滚筒直径一般为200～300 mm[18-19]，同时，考虑到三七育苗播种的密集性，滚筒直径选取为300 mm。

滚筒表面气孔分布包括径向分布和轴向分布，其中轴向的气孔间距与气孔数量由三七育苗槽的宽度和行距决定，农艺上三七育苗槽的宽度一般在1.4～1.5 m之间，播种行距、株距为50 mm，因此，轴向气孔数量设计为28个。径向气孔间弧长为[13]

Δl≥2Dmax

(19)

式中 Δl——两气孔间弧长，mm

Dmax——种子最大尺寸，mm

三七种子最大尺寸为7.21 mm，同时考虑滚筒材质的强度，选取径向均匀分布15个气孔，两气孔间的距离弧长Δl为62.8 mm。

研究表明排种器的转速n为0.17～0.50 r/s时，排种效果较好[4]，转速n求解方程组为[13]

(20)

式中i——播种机行走轮与滚筒传动比

vj——播种机作业速度，m/s

lz——播种株距，mm

根据方程组(20)得

(21)

该排种器设计效率为0.1 hm2/h左右，用于1.4～1.5 m宽三七育苗槽播种，计算得n≈14.80 r/min，经换算0.17 r/s≤n≤0.50 r/s，滚筒直径合理。

2.4 气孔设计

根据清种阶段的分析和三七种子包衣后的直径主要集中在4.99～7.21 mm之间，三轴尺寸平均直径为5.70 mm，因此添加直径为6 mm、深度2 mm的圆柱型沉孔，增加气孔外沿直径。

气孔内径应满足经验公式[17]

Φ=(0.6～0.7)Dg

(22)

式中Φ——气孔内孔直径，mm

Dg——种子平均直径，mm

根据三七种子包衣后的三轴尺寸平均直径，气孔直径取整为3 mm。为了防止三七种子的包衣粉尘堵塞气孔的通孔导程，扩大通孔导程直径，确定为4 mm，导程长度由滚筒壁与导气管相对位置确定，如图8所示。

2.5 充种角设计

充种角大于种子的休止角才有利于充种，根据三七包衣种子的休止角为22.4°，兼顾增加三七种子的流动性，为便于加工取整数，选取ε=30°，如图9所示。

2.6 毛刷滚设计

尼龙材质具有良好的机械性能，并且耐磨损、尺寸稳定性好、具有弹性和自润滑性[20]，并且，材质具有弹性，可以产生弹性形变，为三轴尺寸各异的种子施加清种摩擦力，实现精准清种，所以，选用0.2 mm的尼龙材质。

毛刷滚安装角应满足经验公式[3]

θ≥θ1-θ2

(23)

式中θ1——种子之间的滑动摩擦角，取5.7°～8°

θ2——毛刷滚与种子间滑动摩擦角，取26.5°～27.9°

综上计算，选定θ=22.0°。清种高度Y应小于种子的最小直径，根据包衣后三七种子直径范围，选定Y=3 mm，如图9所示。

3 排种性能试验

3.1 影响因素分析

本播种机行走轮与排种器滚筒之间的传动比固定不变，播种机作业速度决定了排种滚筒转速，作业速度越大，滚筒转速越大，则使充种时间变短，影响充种性能，反之，则降低播种效率。因此，将播种机作业速度(简称“作业速度”)作为影响因素进行试验分析[21]。

由充种阶段、携种阶段力学分析可知，气孔的吸附力取决于真空度，吸附力过大，气孔将携带多余种子，反之，气孔对种子的向心力不足，因此，真空度对排种器的充种、携种性能均有影响。

由于充种室的充种角为确定值，种箱其余部分尺寸、形状对充种性能的影响较小，不予考虑。种子质量影响种子内摩擦因数，从而影响种间作用力，种子质量增加，内摩擦因数增加，种子较难离散，种子质量减小，内摩擦因数过小，可能使气孔吸附多粒种子，影响气孔的充种性能[22]。

投种正压力决定了种子离开滚筒瞬间受到的外力，由于包衣种子表面存在粘性，正压力过小时，种子易粘粘在气孔处，不能顺利投种，反之，将使种子运动角度产生偏差。同时，可以清除排种器内部残留的包衣粉尘，正压力也影响滚筒内部积攒粉尘的厚度。

播种机作业速度、真空度、种子质量、投种正压力对排种器各个工作阶段均有不同程度的影响，其取值范围的适宜性决定了排种器的性能，因此，选取气吸式三七精密排种器性能的影响因素：播种机作业速度、真空度、种子总质量、投种正压力进行试验研究。

3.2 试验条件

试验选用包衣后的文山三七种子。将设计好的排种器试制后安装在播种机上，采用高速摄像机获得试验数据，在云南农业大学校内的土槽上进行试验，该土槽的宽度、土壤厚度与生产实际一致，如图10所示。

3.3 评价指标的确定

一般试验以排种性能作为排种器的性能指标[19]，台架试验以运转输送带模拟机器前进，种子离开排种器落入输送带上，会产生滚动和弹跳，对排种性能有影响；样机试验中，样机在土槽上作业，会出现种子触土弹跳，导种管材质的弹性、倾斜角度、断面形状、长度及粗糙度等多种因素对排种性能均有影响[23-25]，因此，不采用台架试验。

本研究采用样机试验模拟作业过程，由于本文主要研究对象为排种器,因此,为了排除带、导种管等干扰因素，以充种性能代替排种性能来衡量排种器的排种能力，即以每个气孔成功吸取一颗三七种子并顺利通过清种阶段、携种阶段，脱离排种口，判定为一次合格的充种，用高速摄像机从投种口处获取试验数据，判断排种器是否成功充种，并投种，若每个吸孔上吸取的种子数大于等于2，判定为重播，吸孔没有吸取种子判定为漏播，用充种合格指数y1、重播指数y2及漏播指数y3为试验评价指标。每组试验重复5次取平均值。

3.4 单因素试验

分析各因素对充种性能的影响规律，并获得正交试验的因素水平范围。

3.4.1试验设计与结果

随机选取4列气孔作为观察对象，采用高速摄像机获取图像，借助phantom软件进行图像处理。

参考前期预试验结果，选取播种机作业速度0.08、0.12、0.15、0.18、0.22 m/s共5个水平进行单因素试验，设定真空度为11 kPa，种子质量为1.0 kg，正压力为100 kPa，试验结果如图11a所示。

参考前期预试验结果，选取真空度为7、9、11、13、15 kPa共5个水平进行单因素试验，设定作业速度为0.15 m/s，种子质量为1.0 kg，正压力为100 kPa，试验结果如图11b所示。

根据种子流动性较好的范围，参考前期预试验结果，选取种子质量为0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 kg共5个水平进行单因素试验，设定作业速度为0.15 m/s，真空度为11 kPa，正压力为100 kPa，试验结果如图11c所示。

根据空压机提供正气压范围，并参考前期预试验结果，选取正压力为0、100、200 kPa共3个水平进行单因素试验，设定作业速度为0.15 m/s、真空度为11 kPa、种子质量为1.0 kg，试验结果如图11d所示。

3.4.2结果分析

由图11a可知，真空度为11 kPa，种子质量为1.0 kg，正压力为100 kPa时，随着作业速度的增加，合格指数先升高后下降，漏播指数先升高，当作业速度为0.12～0.15 m/s时，漏播指数略微下降，当作业速度大于0.15 m/s后，漏播指数逐渐升高。作业速度处在0.15 m/s时合格指数最高，为94%。作业速度为0.22 m/s时合格指数为91%，漏播指数较高，原因是滚筒转速变快，气孔经过充种弧长的时间变短，充种成功率降低。合格指数均在90%以上，作业速度合理取值范围为0.08～0.22 m/s。

由图11b可知，作业速度为0.15 m/s，种子质量为1.0 kg，正压力为100 kPa时，真空度由7 kPa上升至9 kPa，合格指数显著上升，漏播指数下降；真空度继续升高为11～15 kPa时，合格指数呈下降趋势，重播指数上升，原因是真空度增加，气孔吸附种子能力增强。合格指数均在85%以上，真空度合理取值范围为7～15 kPa。

由图11c可知，作业速度为0.15 m/s，真空度为11 kPa，正压力为100 kPa时，随着种子质量的增加，合格指数呈先上升后下降趋势，种子质量在1.0 kg时合格指数最高，为95%，当种子质量为1.4 kg时，合格指数最低，重播指数最高，原因是种子质量增加，增加了充种弧长，气孔吸附的种子数量增加。合格指数均在90%以上。种子质量合理取值范围为0.6～1.4 kg。

由图11d可知，作业速度为0.15 m/s、真空度为11 kPa、种子质量为1.0 kg时，随着正压力的变化合格指数均大于93%，合格指数、漏播指数、重播指数的变化均不足0.5%，正压力在0～200 kPa范围内时，其对于各指标的影响均非常小，可以忽略。

单因素试验结果表明，作业速度、真空度、充种室内种子质量对充种性能有明显影响。

3.5 二次正交旋转组合试验

开展三因素五水平的二次正交旋转组合试验，优选排种性能最佳的参数组合。

3.5.1试验设计

本试验的因变量为气吸式三七精密排种器的充种合格指数、重播指数和漏播指数，自变量为播种机的作业速度、充种室内的种子质量、排种器滚筒的真空度。根据单因素试验确定播种机作业速度为0.08～0.22 m/s，真空度为7.0～15.0 kPa，种子质量为0.6～1.4 kg。二次正交旋转组合试验的因素编码如表1所示。

表1 排种器试验因素编码

试验次数计算式为

Ns=mc+my+m0=2m′+2m′+m0

(24)

其中m′=3，m0=9，经计算Ns=23，共进行23次试验。

3.5.2试验结果与分析

将目标函数：合格指数、重播指数、漏播指数分别用Y1、Y2、Y3表示，影响因素：作业速度、真空度、种子质量编码值分别用X1、X2、X3表示，试验设计与结果如表2所示。

表2 试验设计与试验结果

应用Design-Expert 10.0软件对数据进行多元回归拟合。建立合格指数Y1、重播指数Y2、漏播指数Y3与播种机作业速度x1、真空度x2、充种室内种子的质量x3之间的回归方程

(25)

(26)

(27)

表3 回归方程方差分析

(28)

(29)

(30)

3.5.3各因素交互作用对排种器充种性能的影响

排种性能可以根据合格指数和重播指数进行评价[15]。借助Design-Expert 10.0软件，生成合格指数和重播指数的响应曲面和等高线图，如图12、13 所示。

由图12a、 13a可知，种子质量处于零水平(1.0 kg)，真空度一定时，随着作业速度的增加，合格指数呈先上升后下降趋势，重播指数呈下降趋势；播种机作业速度一定时，随着真空度增加，合格指数呈先上升后下降趋势，重播指数呈上升趋势；作业速度为0.15～0.19 m/s、真空度为7.0～10.0 kPa时合格指数较高，重播指数较低。

由图12b、13b可知，真空度处于零水平(11.0 kPa)，种子质量一定时，随着作业速度的增加，合格指数呈先上升后下降趋势，重播指数呈下降趋势；播种机作业速度0.08～0.15 m/s范围内变化时，随着种子质量增加，合格指数呈先上升后下降趋势，重播指数呈下降趋势，播种机作业速度0.15～0.22 m/s范围内变化时，随着种子质量增加，合格指数呈先上升后下降趋势，重播指数呈上升趋势；作业速度为0.15～0.19 m/s、种子质量为0.8～1.2 kg时合格指数较高，重播指数较低。

由图12c、13c可知，作业速度处于零水平(0.15 m/s)，真空度在7.0～11.0 kPa范围内变化时，随着种子质量的增加，合格指数呈上升趋势，重播指数呈下降趋势；真空度在11.0～15.0 kPa范围内变化时，随着种子质量的增加，合格指数呈下降趋势，重播指数呈上升趋势；种子质量在0.6～0.8 kg范围内变化时，随着真空度的增加，合格指数呈先上升后下降趋势，重播指数呈下降趋势，种子质量在0.8～1.4 kg范围内变化时，随着真空度的增加，合格指数呈先下降趋势，重播指数呈上升趋势。真空度在7.0～11.0 kPa、种子质量在1.0～1.4 kg时合格指数较高、重播指数较低。

结合回归方程(28)～(30)以及各因素交互作用可知，影响合格指数、重播指数的各因素主次顺序为：充种室种子质量、真空度、播种机作业速度，影响漏播指数的主要因素为播种机作业速度。

3.5.4参数优化

为获得试验因素的最优组合，以播种机作业速度、真空度、充种室种子质量为自变量，以合格指数、重播指数、漏播指数为目标，根据上述响应曲面分析，结合3.5.2节中得到的回归方程，建立数学模型

(31)

借助Design-Expert 10.0软件的Optimization模块求解，得到充种性能最佳参数组合为播种机作业速度0.18 m/s、真空度9.6 kPa、种子质量1.2 kg，此时合格指数Y1=95.0%，重播指数Y2=0.1%，漏播指数Y3=4.3%。

3.6 验证试验

为了验证最佳参数组合，以包衣三七种子为试验对象，用试制的播种机在云南农业大学校内的土槽上进行验证。随机选取4列气孔作为观察对象，采用高速摄像机获取图像，借助phantom软件进行图像处理，选取播种机作业速度为0.18 m/s、真空度9.6 kPa、种子质量1.2 kg，进行5次重复试验，试验现场如图14所示。试验结果如表4所示，合格指数为95.6%，重播指数为0.4%，漏播指数为4.0%，与上述优化结果基本一致，满足三七育苗播种的生产需要。