国内气力式精密排种器研究综述

章鑫鹏，郑乐，张富贵

（550025 贵州省 贵阳市 贵州大学 机械工程学院）

0 引言

精密播种是对种子合理分布与高效利用的一种方式，它保证了种子在规定行距和穴距的前提下实现每穴一粒，是目前播种发展的主要方向。排种器是播种机的核心[1]，其目的是将种群转化为均匀的种子流或连续的单粒种子。精密排种器按照工作原理可以分为机械式精密排种器和气力式排种器。机械式精密排种器虽然成本较低，但对种子的损伤率较高[2]。气力式排种器利用气流压差完成囊种与排种[3]，具有适应性强、通用性好、不伤种、对种子的形状尺寸要求不高等优点，成为国内精密排种器发展的主要趋势[4-6]。

由于不同种类的种子在形状和尺寸上差异较大，且存在吸嘴气孔易被堵塞等问题，使得气力式排种器的排种性能受到影响。对气力式排种器排种过程进行分析，其核心是对种子受力及运动的分析。国内相关学者从理论建模与分析和仿真建模与分析两个维度，准确分析了种子的受力及运动情况和降低排种器性能的影响因素，这对排种器的优化具有重要意义。

在查阅相关文献的基础上，本文拟从排种器结构设计与研究和理论分析与仿真两个方面对气力式精密排种器的研究现状进行综述，以期为相关学者提供参考。

1 排种器结构设计与研究

近年来，国内相关研究人员针对播种时存在的问题，对气力式排种器的结构进行了大量研究。排种过程的技术难题可归纳为3 个方面：（1）吸孔易被粉尘、杂质等堵塞导致漏充与堵孔，漏播率较高；（2）种子品种多、形状不规则、大小不一，导致难以实现精量播种；（3）小粒径种子尺寸较小、流动性差，难以精量播种。

1.1 针对堵孔、漏播率高等问题

有研究表明，排种器在高速作业时，会因排种器气密性下降、种群的拖带、堵孔易堵塞等一系列问题，导致充种效果不佳，漏播严重。针对此类问题，李兆东[7]等设计了一种槽齿定向扰动辅助充种种盘，该排种器通过多行并联组合的播种方式，利用槽齿定向扰动辅助充种种盘，抑制了种群的拖带，改善了种子的流动性；杨全军[8]等为了改善充种环境，采用双盘对置交错的方式，设计了一种气力式芽种精量排种器，有效降低了漏播率；丁立[9]等针对种子充种效果不佳等问题，采用了对种子起拖持作用的种盘型孔凸台机构，设计了一种玉米气吸式高速精量排种器，对玉米种子起到了很好的辅助充种作用；贾洪雷[10]等考虑到排种器在高速运转时内部气流负压骤降时种群运移不稳定的情况，设计了一种气吸机械复合式大豆精密排种器（如图1所示），通过排种盘上吸孔、导种槽和取种槽的相互配合，有效解决了这一问题；陈付东[11]等针对排种器在高速运转时协种不稳定的问题，在原有气吸式花生排种器的基础上进行改进，增设了一种支持式协种器，起到了很好的辅助协种作用；李兆东[12]等设计了一种槽齿组合式吸种盘，该吸种盘中的扰种齿有效地打破了种群的堆积状态，并使种子在凹槽内吸孔上的负压作用下被快速捕捉和准确吸附，有效降低了种子的漏吸率，提高了排种器的排种性能。

图1 排种器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of seed discharge structure

排种器在运转时，吸孔容易被粉尘、杂质或小粒径种子、细长形状牙种等堵塞。针对此类问题，李兆东[13]等为了分析排种器漏播成因，设计了一种同步检测系统，排种器检测区域如图2 所示。同步检测排种器可在不同吸式真空度和转速下同步检测吸孔堵塞率和漏充率，分析吸式真空度和排种盘转速的最优组合方案，降低了漏播率；翟建波[14]等设计了一种气力式杂交稻精量穴直播排种器，该排种器利用凸轮推杆与梳种条使芽种均匀稳定地流至充种室，降低了芽种间的粘附力和摩擦力，提高了排种盘的吸种概率；张顺[15]等在原有排种器基础上增加了清种绳和清种风嘴，设计了一种气力滚筒式水稻穴直播精量排种器。结合种绳和清种风嘴，使得窝眼中多余的牙种能更好地在气流的作用下被清除，有效避免了滚筒窝眼的堵塞。

图2 检测区域示意图Fig.2 Testing area diagram

1.2 针对种子形状不规则、大小不一等问题

张开兴[16]等设计了一种变粒径双圆盘气吸式精量排种器，其排种器和排种盘结构如图3 和图4所示。该排种器的固定圆盘和旋转圆盘同轴连接，相向旋转，使两个圆盘上直径相同的型孔重合，针对不同的作业状况，选取及计算出不同型孔大小和数量的圆盘，实现不同直径种子的精量播种；尹文庆[17]等通过气力槽轮组合的方式，设计了一种精密排种器。该排种器排种盘上螺纹连接不同种类和尺寸的可拆卸的吸嘴，根据不同三轴尺寸的蔬菜种子设计了多种吸嘴型孔，针对实际播种的种子情况更换合适的吸嘴，实现不同形状及大小种子的排种。

图3 排种器结构示意图Fig.3 Schematic diagram of seed discharge structure

图4 排种盘结构示意图Fig.4 Schematic diagram of seed reel structure

1.3 针对小粒径种子难以播种问题

由于小粒径种子粒径小、质量轻，对排种器内气流要求更为严苛，吸种效果对排种器吸种负压变化敏感，因此针对吸种环节进行研究变得尤为迫切。杨昌敏[18]等、廖宜涛[19]等、姜有忠[20]等均通过负压吸种、正压排种的方式，设计了正负气压组合式精量排种器，对小粒径种子进行排种。其中，杨昌敏[18]等的设计结合了可以检测育苗盘的光电传感器和接收位置信号的霍尔传感器，对滚筒的转动和排气口供给正压的时间进行了控制，实现了对蔬菜等小粒径种子的精量播种；姜有忠[20]等设计的滚筒式精量排种器，其投种装置结构如图5 所示。该装置使绝压槽内流场压力的分布更加均匀，很好地解决了小粒径种子易堵孔、投种精度差的问题

图5 双端进气投种装置结构示意图Fig.5 Schematic diagram of double-end air inlet seeding device structure

2 理论建模与分析

为了提高气力式排种器的排种性能，相关科研人员围绕种子受力和运动分析展开的研究越来越多。通过理论建模与分析，可获得影响排种器性能的因素，对排种器性能优化具有重要意义。张静[21]等根据对种子的绕流阻力、吸种孔外部气流场气体的流动状态、种子到吸孔的距离和种子在运动临界状态的受力的分析，推导出种子吸附边界的数学模型，得出种子吸附边界运动区域越大，种子进入运动区域的概率越大，可进入运动区域的种子数目越多，易形成多粒吸附；翟建波[22]等通过对充种区芽种受力情况的研究，建立了以不同姿态背吸附的牙种的吸室真空度方程，分析得出了排种盘的线速度、水稻芽种的质量、吸孔的大小都是吸室真空度的影响因素；何亚豪[23]等通过建立辅助夹持装置夹持种子的力学模型，分析种子在夹持过程中的受力，得出影响夹持力大小的关键因素是凸轮的轮廓轨迹，应对凸轮轨迹进行合理的设计来提高排种器在吸种和携种过程中的稳定性；史嵩[24]等对种子在驱导辅助充种气吸式排种器充种过程的运动及受力进行了分析（如图6 所示），经过理论计算得出排种盘导种槽的曲率系数、深度、斜面倾角均会对充种性能产生影响，将它们作为目标参数，进行后续对排种器的优化。

图6 种子的运动及受力分析Fig.6 Movement of seeds and force analysis

3 仿真建模与分析

气力式排种器的气力输送是影响气力式排种器的关键，气力式排种器工作时种子、气流的运动并存[24]，必须把颗粒流体化或拟流体化，基于离散元的数值模拟，准确分析种子的受力及运动情况，得到模拟结果。而目前CFD-EDM 气固耦合法成为研究气固两相流的主要方法，它是通过CFD 技术求解流场，使用DEM 方法计算颗粒系统的运动受力情况，两者经过一定的模型以能量、质量和动量的传递进行耦合。该方法先将流体视为连续介质，对计算空间进行网格划分，然后求解纳维-斯托克斯方程得到每个网格上流体的速度、密度和压力等信息，最后通过对颗粒的受力计算与分析，根据牛顿定律计算其加速度、速度和位置的变化。而Fluent 作为一款CFD 的应用软件，可以针对各种复杂流动的物理现象采用不同的离散格式和数学方法，高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题，广泛应用于气力式排种器的气力分析中。图7 为EDEM-Fluent 耦合求解流程图。

图7 EDEM-Fluent 耦合求解流程图Fig.7 EDEM-Fluent coupled solver flow chart

史嵩[24]等在对排种器DEM-CFD 气固两相流耦合分析中引入压力梯度算法，进行了基于修改后耦合接口的排种器气固两相流仿真，得出压力梯度力大于曳力，是型孔吸附种子的主要作用力形式。图8 为其曳力与压力梯度力的作用对比情况。

图8 曳力与压力梯度力的作用情况对比Fig.8 Comparison of the action of traction force and pressure gradient force

通过排种器3 因素2 次旋转正交组合仿真试验和多目标优化分析，确定排种盘最佳结构参数组合为导种槽曲率系数0.265、导种槽深度2.57 mm、斜面倾角为15.33°；丁力[25-26]等通过对气吸式玉米排种器DEM-CFD 气固耦合仿真分析，得出压强由大到小依次为充种区、自清种区、清种区、携种区、卸种区，为确定最佳进气口位置参数提供理论基础。图9 为其型孔切面压强云图。

图9 型孔切面压强云图Fig.9 Pressure cloud diagram of profile hole section

他们还模拟了气吸式排种器工作过程，通过提取仿真过程中种子所受曳力和吸附速度运动参数，得出不同种子充种能力大小依次为小扁形、类圆形、大扁形，并选取不易吸附充种的大扁形种子建立充种过程的数学模型，得到了种盘型孔凸台高度和型孔凸台角度的最优参数；韩丹丹[27-28]等运用EDEM-CFD 耦合分析方法对 3 种不同型孔结构排种盘进行圆粒种子排种效果的耦合仿真，得出同一排种盘中的大圆粒种子所受曳力均大于小圆粒种子，更容易被清出型孔，且径向内开方孔盘型孔内气流对颗粒的曳力及压附力均较大。为改善该盘对圆粒种子及混合种子的工作效果，应增大型孔对种子在径向方向的充填容积。他们还以前进速度、工作压强和气嘴安装位置为影响因素进行正交试验优化仿真，通过对充种时长和极限充种速度的分析，得出工作压强、前进速度和气嘴安装位置对充种极限速度影响显著而对充种时长影响不显著，因此较大的充种极限速度和较短的充种时长有利于提高排种器充种性能；杨航[29]等利用CFD-EDM 耦合法对气吸式三七排种器的三七种子悬浮速度进行测定，根据悬浮速度在Fluent 中模拟确定抽气口处工作流速及压力，得出该排种器排种效果最好的情况下种子密度、当量直径、种子悬浮速度、排种筒抽气口处气流速度的最佳组合参数；张凯[30]等利用CFD-EDM 耦合法对气吸式排种器内部流场进行仿真分析，得到了真空度和转速对流场的作用规律：吸种孔内的速度大小只受真空度的影响，且随着真空度的增大减小成正比关系。转速对气吸室整体的压力分布影响不显著，起主导作用的是吸种孔的转速；李衍军[31]等通过 EDEM-Fluent 耦合仿真分析得到种子在输种管内分布与运动状态，以及在不同进口风速与播种量情况下种子在输种管不同位置处的种子速度，得出输种管内种子速度随进口风速的增大逐渐增大，随播种量的增加变化很小，结合方差分析得到输种管内种子速度主要受进口风速的影响；邹翌[32]等对研究设计的一种由密封锥角（α）可变的分流密封盖和边壁直径（R）可调节的喇叭口式内腔组成的α-R式气流分配式排种器进行EDEMFluent 耦合软件仿真，其分配器中气固合速度分布如图10 所示。分析得出α=20°，R=180 mm 时，分配器内部旋涡滞种区域明显降低，排种性能最优；邢赫[32]等利用 ANSYS-Fluent 有限元流体分析软件对其设计的水稻播量可调气力式排种器负压流道结构的吸孔负压影响规律进行了分析，得出流道结构与吸孔压强的关系，优选了最佳流道结构。

图10 α-R 结构分配器中气固合速度分布图Fig.10 Distribution of gas-solids combination velocity in α-R structure distributor

4 结语

近年来，国内有大量学者针对种子品种多、形状和大小不一、流动性差、吸孔易漏充与堵孔等问题，对传统气力式精密排种器的结构进行了改进与设计。但由于农业种子不同于工业均匀物料，也存在偏液态化的种子，而且同一作物的种子也可能存在形状不规则、大小不一等情况，这是气力式排种器气密性面临的严峻问题，不管是对于排种器结构的设计与研究，还是排种理论分析与优化，都是需要考虑的因素。大部分学者只是在排种器排种某一类形状和大小基本统一的种子的情况下，对排种器的零部件结构进行设计、分析与优化，也很少考虑零部件之间的关联性。

气力式排种器的气力输送涉及到气固两相流问题，大量学者利用CFD-DEM 耦合法对排种器中种子的受力和运动规律以及排种器关键零部件的流场特性进行了模拟仿真与定量分析，得出了排种器排性种能影响因素的优选方案，对排种器进行了优化。但离散元法尚处于不断发展阶段，尤其在农业工程领域，模拟的真实度还有待提高，基本理论和实际应用都还有大量的研究工作待进一步开展。