小白菜正负气压组合式精量排种器设计与试验

刘 海 廖宜涛 王 磊 王宝山 杜 铮 廖庆喜

(1.华中农业大学工学院， 武汉 430070； 2.武汉市农业科学院， 武汉 430065；3.农业农村部长江中下游农业装备重点实验室， 武汉 430070)

0 引言

小白菜属十字花科，是长江中下游地区广泛种植的叶类菜[1]，其种植方式主要以人工为主，劳动强度大、效率低，制约了小白菜的规模化生产，小白菜机械化精量播种技术是提高小白菜直播作业水平的主要手段[2]。排种器是播种机的关键部件之一，其工作性能直接影响播种机的播种质量[3-4]。气力式排种器具有低伤种、速度适应性广、粒径适应范围大等优点，是现阶段精量排种技术的主要研究方向[5-7]。

目前国内外学者对精量排种技术进行了深入研究[8-11]。ANANTACHAR等[12]为提高排种器充种性能，采用遗传算法和神经网络优化了排种器结构，提高了排种性能。GAIKWAD等[13]为提高蔬菜播种机排种性能，采用激振扰动结合负压吸附方式设计了一种气力式排种器。ARZU等[14]研究了气力式排种器负压、排种盘转速、型孔直径、型孔数量对排种性能的影响，建立了不同参数的数学模型。李兆东等[15]设计了一种油菜精量气压式集排器，该集排器利用气流清种和气压护种技术实现精量排种。崔涛等[16]利用气吹清种原理设计了一种内充气吹式精量排种器，可实现玉米单粒精量排种。李玉环等[17]设计了一种一器双行气吸式精量排种器，该排种器采用单风道实现了双行排种，适用于类球型种子精量排种。尹文庆等[18]采用二级排种方式开展气力组合式精密排种器的设计，试验表明蔬菜种子在最优真空度下排种合格指数高于93%。上述研究表明气力式排种器通用性好，对种子适应性较强[19-24]，可实现不同形状、粒径种子的精量排种。而适应于长江中下游地区小白菜精量多行集中排种的排种器研究较少，制约了小白菜精量播种的发展。

针对小白菜精量复式播种机采用单体排种器播种8行时需配置8个单行排种器，导致传动系统复杂、各行出苗效果差异明显等不足，本文基于小白菜种植农艺要求，设计一种负压吸种、携种，正压投种的小白菜正负气压组合式精量排种器，采用双排种盘共用同一气室，实现2个排种盘可同时播种8行，通过仿真和台架试验获取排种器较优作业参数，并通过田间试验验证排种器的实际作业效果。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

小白菜精量复式播种机主要由开沟器、排种器、传动系统、气力系统、施肥系统、机架和开沟起垄装置等组成，其结构如图1所示，主要技术参数如表1所示。

图1 小白菜精量复式播种机结构示意图Fig.1 Structure diagram of precision combined seeder for Pakchoi1.开沟器 2.排种器 3.传动系统 4.气力系统 5.施肥系统 6.机架 7.开沟起垄装置

表1 排种器主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of metering device

1.2 工作原理

小白菜正负气压组合式精量排种器主要由排种口、种箱、罩壳、排种盘和气室等组成，如图2所示。排种器关键部件采用对称布局形式，两个排种盘共用同一气室，每个排种盘上分布有4圈型孔，每圈型孔实现1行排种，排种器工作原理如图3所示。

图2 排种器结构示意图Fig.2 Structure diagram of metering device1.种箱 2.排种口 3.排种轴 4.罩壳 5.锁紧螺母 6.气室

图3 排种器工作原理图Fig.3 Working principle of metering device1.负压口 2.排种盘 3.气室 4.型孔 5.正压口 6.种子 Ⅰ.充种区 Ⅱ.携种区 Ⅲ.投种区

排种器工作过程主要包括吸种、携种和投种3个阶段。工作时，排种盘上型孔依次经过充种区、携种区和投种区。种子因自重及种箱结构而堆积于罩壳的充种区，外界与气室相连通并依靠气力系统的风机提供一定负压，单粒种子吸附于经过充种区的型孔上并随型孔同步绕排种轴转动至投种区，在正压及自重作用下，种子脱离排种盘，通过排种口排出完成排种过程。

2 排种器关键部件设计

排种器关键部件设计以种子的机械物理特性为依据。小白菜种子类型为小粒径类球型，流动性好、球形度高[25]。本文以春油1号、中箕青605及楚农特矮白3种小白菜种子为排种对象，机械物理特性参数如表2所示。

表2 小白菜种子机械物理特性参数Tab.2 Mechanical and physical properties of Pakchoi seeds

由表2可知，小白菜种子的当量直径范围为1.44～1.56 mm，球形度均高于94%。小白菜种子粒径变化范围大，为实现排种器的精量排种，确保排种盘每一型孔对应一粒种子，需根据种子机械物理特性参数确定排种盘结构参数。种子尺寸的概率分布如图4所示。

图4 种子尺寸的概率分布Fig.4 Probability distributions of seeds’ size

2.1 排种盘设计与分析

2.1.1排种盘直径

排种盘是保证小白菜正负气压组合式精量排种器实现精量排种的关键部件，种子在排种器内的运移主要由排种盘吸附种子并同步转动完成，其中排种盘型孔结构与类球形种子直径密切相关[26]，根据排种器结构和几何关系得到排种盘直径关系式为

(1)

式中n——排种盘转速，r/min

ω——排种盘回转角速度，rad/s

v——排种盘外圈线速度，m/s

Dp——排种盘直径，mm

tx——携种时间，s

lx——携种区弧长，mm

θx——携种区转角，(°)

由式(1)得出

(2)

根据式(2)可知，携种时间tx与排种盘转速n及携种区转角θx有关，基于排种器气室结构，确定其携种区转角θx为225°，则可判断种子在携种过程中吸附于型孔的携种时间tx与排种盘转速n成反比。根据排种器气室结构及文献[27]，确定排种盘直径Dp为140 mm。

2.1.2排种盘型孔数

排种盘型孔参数是影响排种效率的重要因素，根据小白菜精量直播农艺，设计排种盘转速n取值范围为10～50 r/min[28]，根据播种机的传动机构有

(3)

式中N——单位时间内每圈理想排种粒数

Z——排种盘每圈型孔数

t——播种机作业时间，s

vm——机组前进速度，m/s

s——小白菜株距，mm

θl——相邻型孔中心角，(°)

根据排种器主要技术参数，小白菜株距s范围为100～250 mm，结合圆周均布孔组要求，将排种盘转速n、机组前进速度vm以及小白菜株距s代入式(3)得到排种盘每圈型孔数Z为4～36，综合考虑小白菜播量要求设计排种盘每圈型孔数Z为20，相邻型孔中心角θl为18°。

2.1.3排种盘型孔直径

排种器工作时，排种盘对种子有扰动作用，同时由于排种器携种区的负压作用，小白菜种子以单粒迁移方式吸附于排种盘各行型孔上，其稳定状态取决于型孔大小及气室中的负压。排种器采用垂直圆盘结构，双排种盘为对称分布形式，型孔为“沉头”通孔，种子被吸附于型孔时受力分析如图5所示。

图5 被吸附种子受力分析图Fig.5 Force analysis of seed in carrying process1.排种盘 2.型孔 3.种子

根据达朗贝尔原理[29]，建立排种盘单粒种子的受力方程为

(4)

式中G——单粒种子重力，N

Ri——各行型孔回转半径，mm

Ffi——被吸附种子的内摩擦力，N

Ji——种子离心力，N

Ti——G与Ji的合力，N

Qi——Ti与Ffi的合力，N

Pi——负压下各行单个型孔对种子的吸附力，N

H——种子重心到排种盘平面的距离，mm

d——型孔直径，mm

m——单粒种子质量，g

θGJ——G与Ji之间的夹角，(°)

θTF——Ti与Ffi之间的夹角，(°)

Zi——气室负压，Pa

vi——各行种子回转线速度，m/s

S——型孔吸附种子截面处面积，m2

排种器工作时，被吸附种子在携种区有空气阻力作用，而在充种区有种子间的相互作用，其种子间的内摩擦力在最底部位置型孔处最大，此时θGJ=θTF=0°，根据式(4)可得

(5)

其中

6tanθz<λ<10tanθz

式中λ——种子的摩擦阻力综合系数

θz——种子自然休止角[30]

考虑到排种器工作时种子间相互碰撞及机组振动等因素，代入外界条件系数K1(1.6～2.0)和吸种可靠性系数K2(1.8～2.0)，结合式(5)得到气室内通过单个型孔瞬时最大吸附压强为

(6)

式中Zimax——气室临界负压最大值，Pa

由式(6)可知，充种区种子吸附于型孔时，气室临界负压最大值Zimax与排种盘回转角速度ω的平方成正比，与型孔直径的3次方成反比。

结合小白菜种子三轴尺寸，取种子平均宽度b为1.50 mm，代入型孔直径公式d=(0.64～0.66)b，得到d的范围为0.96～1.00 mm，为便于型孔加工，取型孔直径d为1.00 mm。

2.1.4排种盘型孔分布形式与种子迁移轨迹分析

型孔的分布形式根据播种方式确定，根据小白菜正负气压组合式精量排种器的结构特点，每圈型孔绕排种盘中心均布，如图6所示。

图6 排种盘型孔分布形式Fig.6 Distribution of suction holes in metering plate1.排种盘 2.型孔

根据排种盘单型孔分布形式，得到相邻两行型孔中心距的计算式为

(7)

式中l——气室边界水平投影方向距离，mm

l1——最外行相邻两型孔距的弧长，mm

l2——相邻两行型孔中心距，mm

l3——最内行型孔与气室边界距离，mm

l4——最外行型孔与气室边界距离，mm

vki——各行型孔回转线速度，m/s

现有气室边界水平投影方向距离l=36 mm，考虑到型孔均匀分布于排种盘，为满足正负压能完全通过型孔作用于种子，可取l3=l4≥l2/2>Dz/2，其中种子直径Dz为0.99～2.09 mm，代入式(7)可得l2取值范围为2.09～9.00 mm。根据式(7)可知，各行回转线速度关系为vki>vki+1，为缩小各行型孔吸附种子概率的差异，本研究取相邻两行型孔中心距l2为5.55 mm。

如图7所示，播种机以速度vm作业，排种盘做回转运动的同时随播种机前进，排种盘上任意一型孔绕回转中心点C旋转。当点C运动到点C′时，点M的运动方程为

(8)

式中 (xM，yM)——点M的坐标

θ——各行型孔转角，(°)

lOP——点O到点P的位移，mm

lM′P——点M′到点P的弧长，mm

lC′P——点C′到点P的位移，mm

lBC′——点B到点C′的位移，mm

图7 型孔处单粒种子迁移示意图Fig.7 Schematic diagram of seed motion in suction hole

式(8)消去θ得点M的轨迹方程为

(9)

根据式(9)可知点M的运动轨迹为旋轮线，基于该线绘制各行型孔的轨迹如图8所示。

图8 型孔处种子轨迹示意图Fig.8 Schematic diagram of seed trajectory in suction hole1.排种盘 2.型孔 3.种子

2.2 排种口设计与分析

2.2.1护种腔宽度

排种口是保证小白菜正负气压组合式精量排种器投种时精准分配有序种子流的关键部件，其结构主要包含护种弧板、分种栅板和出种管，如图9所示。

图9 排种口结构示意图Fig.9 Structure diagram of seed outlet 1、2.护种弧板 3、4.分种栅板 5、6.护种腔 7、8.出种管

排种器工作时，种子随排种盘转动从携种区进入投种区，在正压气流作用下，小白菜种子脱离型孔进入排种口，经由出种管进入导种管。排种口位于种子进入投种区的初始位置，其结构如图10所示。

图10 排种口与排种盘型孔的位置关系Fig.10 Relative position of seed outlet and suction hole1.排种盘 2.型孔 3.排种口

为保证种子顺利分流，护种腔宽度应保证种子顺利通过且不堵塞，根据小白菜种子三轴尺寸及护种腔结构得出护种腔宽度范围为

4.5L0>B>1.2W0

(10)

式中B——护种腔宽度，mm

W0——种子平均宽度，mm

L0——种子平均长度，mm

根据式(10)设计护种腔宽度B的范围为1.8～7.16 mm。基于排种口结构及排种盘型孔分布形式，排种口护种腔宽度满足关系式

(11)

式中L——排种口安装宽度，mm

L1——分种栅板间隔，mm

L2——护种腔外壁厚度，mm

L3——分种栅板厚度，mm

根据现有罩壳结构参数，可知排种口安装宽度L=28 mm。为便于排种口结构优化及降低加工成本，该排种口采用3D打印加工而成，材料为工程塑料ABS，根据材料成型厚度最小值，确定分种栅板厚度L3=1 mm，代入式(11)可得L1=6 mm、B=5 mm，护种腔宽度B满足设计原则。

2.2.2护种弧板结构

为保证排种器投种作业时种子顺利进入导种管，种子进入投种区后，因投种区气室结构变化，种子受到正压气流作用落入排种口，当种子进入排种口后，其运动轨迹为抛物线[27]，如图11所示。

图11 排种器内种子迁移运动规律Fig.11 Schematic of seeds movement law

排种器投种过程从种子随排种盘进入投种区开始，此时种子在正压气流作用下沿气流方向产生一定速度，种子脱离排种盘后仅受重力影响，因此投种阶段种子脱离型孔的速度为

(12)

式中vji——vni、vki的合速度，m/s

vhi——vji、vli的合速度，m/s

αji——投种区转角，(°)

βji——vli与vhi的夹角，(°)

种子沿投种轨迹曲线的落点为正态分布[27]，结合现有罩壳结构设计护种弧板，护种弧板结构如图12所示。

图12 护种弧板结构示意图Fig.12 Structure diagrams of guard board

为减小种子碰撞护种弧板内壁对各行株距的影响，排种口护种弧板应以种子投种轨迹为基准。当αji=0°时，为临界投种位置，假设种子不碰排种口内壁离开出种管，则种子脱离型孔到出种管的位移为

(13)

式中Lxi——各行种子沿x方向位移，mm

Lyi——各行种子沿y方向位移，mm

Lzi——各行种子沿z方向位移，mm

为使种子不碰排种口侧壁，可令vm=vni，则种子离开出种管的分速度为

(14)

式中tz——种子脱离型孔到出种管终点的时间，s

g——重力加速度，m/s2

种子离开出种管的总速度为

(15)

由式(13)、(15)可知，理想状态下种子离开出种管的总速度与排种盘转速、各行型孔回转半径及种子脱离型孔到出种管终点的时间成正比，种子碰壁现象越严重，则种子着床株距变异系数越大；种子总速度越大，则种子着床时弹跳越严重。为降低种子着床时的影响，选择排种口圆角半径R为35 mm，排种口限位深度a为26 mm即可满足要求。

3 仿真试验

3.1 试验设计与方法

利用DEM-CFD开展排种器仿真试验，其中EDEM的仿真几何模型主要包括：种箱、流体域、罩壳、排种盘、排种口和种子颗粒，几何体中的流体域和颗粒工厂设为虚拟，EDEM中的仿真模型如图13所示。

图13 排种器仿真模型Fig.13 Simulation model of metering device in EDEM1.排种盘 2.型孔 3.种子

EDEM软件中设置接触模型为Hertz-Mindlin，仿真环境重力加速度为9.81 m/s2，颗粒工厂1 s内生成1×105颗小白菜种子，颗粒总数为2×104，种子直径分别为1.44、1.56、1.52 mm，排种盘转速为10～50 r/min，时间步长为5×10-6s。以排种器实际加工材料为依据，排种盘设定为不锈钢材料，种箱、罩壳、排种口和气室设定为工程塑料ABS，EDEM中仿真模型的材料特性参数如表3所示。

表3 材料特性参数Tab.3 Material properties in EDEM

Fluent软件中采用滑移网格法划分流体域，仅将型孔结构设置为动区域，其余结构设为静区域。耦合计算需加载流体域mesh文件及耦合接口文件，设置分析类型时间为Transient，Viscous设置k-epsilon接口，选择湍流模型的Realizable，时间步长为5×10-4s，时间步数为2×104步，迭代次数为20次。

综合考虑小白菜种植农艺要求，设置排种盘转速为10～50 r/min，负压为-5 000～-1 000 Pa，正压为100～300 Pa。转速每间隔20 r/min设一个水平，负压每隔-2 000 Pa设一个水平，正压每隔100 Pa设一个水平，因素水平如表4所示。

表4 试验因素水平Tab.4 Test factors and levels

根据文献[15]中试验方法，以各行型孔所吸附种子颗粒的合格指数、重播指数和漏播指数为评价指标，利用EDEM后处理模块直接获取排种器排种过程中的种子颗粒数量，开展排种器仿真试验。

3.2 试验结果与分析

不同因素对排种性能的影响程度如表5所示，A、B、C、D分别表示转速、负压、正压和小白菜品种水平值，其中负压对合格指数和漏播指数的影响显著。

表5 仿真试验结果与显著性分析Tab.5 Results and significance analysis of simulation test

表6为仿真试验极差分析结果，影响合格指数、重播指数和漏播指数的主次顺序为负压、正压、转速和品种，以因素水平组合A2B2C3D1为较优选择，即转速为30 r/min、负压为-3 000 Pa、正压为300 Pa、品种为中箕青605，对应的各行平均合格指数为93.12%、平均重播指数为3.59%、平均漏播指数为3.29%。

表6 仿真试验极差分析结果Tab.6 Result of range analysis in simulation test

3.3 种子运动速度分析

为分析各行种子的运动速度，采用EDEM后处理模块选取同一行程同一转角的8粒种子，以排种轴为转动中心，排种盘1和排种盘2分别对应排种口1和排种口2。各行种子进入投种区受正压气流作用脱离排种盘后以自重下落，因种子机械物理特性和速度不同，种子运动轨迹有一定差异。由前述分析可知，同一转速下，排种盘外圈种子速度大于内圈种子速度，但因各行型孔中心距较小，这种速度差异可以忽略。种子脱离排种盘后，因种子三轴尺寸不同，受正压气流作用，部分种子与排种口护种腔内壁碰撞，当种子从出种管排出后达到稳定状态。

图14 种子沿垂直方向速度变化曲线Fig.14 Variation curves of seed velocity in vertical direction

为分析各行种子投种过程中从脱离排种盘到出种口的速度，采用EDEM后处理模块选取同一行程同一携种转角的8粒种子，其速度变化曲线如图14所示。

图14为8粒种子从生成至排出排种口的速度变化曲线，由图可知种子落入种箱内达到稳定状态之前，种子速度先增大后减小；种盘转动后，受种盘扰动及种间摩擦作用，种子进入小幅波动状态，其中靠近种盘的种子速度比远离种盘的速度大，各行种子速度变化差异小；充种时，种子受负压作用吸附于型孔，不同吸附位置和姿态导致种子速度差异变大，种子的速度增大，直至种子完全固定于型孔并随型孔绕排种轴转动，进入携种区的种子速度稳定不变，外圈种子速度大于内圈种子；种子进入投种区，受正压气流作用，种子速度先增大后减小，达到峰值后减小直至离开排种器，完成排种器排种过程。

3.4 各行型孔气流速度和压力分布的影响

图15、16分别为2个排种盘型孔在携种区和投种区内的气流速度和压力分布仿真结果。由图可知垂直对称双圆盘各型孔平均速度和压力差异不大。携种区同一排种盘上各行型孔内气流速度和压力与各行型孔回转半径成正比，从远离负压口的型孔到靠近负压口的型孔内气流为梯度增加；投种区同一排种盘上各行型孔内气流速度和压力与各行型孔回转半径成正比，从远离负压口的型孔到靠近负压口的型孔内气流为梯度增加。由于同一排种盘上的相邻两行型孔的中心距较小，导致相邻两型孔之间的速度和压力变化较小，同时最外圈型孔和最内圈型孔的差异较小，保证了各行排种一致性。双盘各行对应型孔的气流速度和压力分布差异较小，确保排种器8行排种的总排量一致性。

图15 排种盘型孔内气流速度分布图Fig.15 Diagrams of airflow velocity distribution in suction hole

图16 排种盘型孔内气流压力分布图Fig.16 Diagrams of airflow pressure distribution in suction hole

4 台架试验

4.1 试验设计与方法

为验证小白菜正负气压组合式精量排种器的排种性能，在华中农业大学现代农业装备工程技术研究中心开展排种性能试验。主要试验装置有：小白菜正负气压组合式精量排种器、12 V 100 W永磁直流电机、自制电机驱动控制装置、PVC透明钢丝气力管、JPS-12型排种器检测试验台、U型压力计、HG-220型高压漩涡吹吸风机，试验装置如图17所示。

图17 排种性能试验装置Fig.17 Experiment device of seeding performance1.排种器 2.电机 3.控制装置 4.气力管 5.试验台 6.压力计 7.风机

将排种器固定于试验台输送带上部，利用试验台油带缓冲种子下落势能的同时，模拟种子在种床带的分布便于观测种子定位情况。为减少导种管长度对种子着床过程的影响，降低排种器高度。

试验材料品种分别为春油1号、中箕青605及楚农特矮白；负压设为-5 000～-1 000 Pa，每隔-2 000 Pa设一个水平；正压设为100～300 Pa，每隔100 Pa设一个水平。为获取一次行程最大样本量，试验台种床带速度设定为0.6 m/s，排种盘转速设定为30 r/min，每组试验重复5次取平均值。根据GB/T 6973—2005《单粒(精密)播种机试验方法》，以合格指数、重播指数和漏播指数为评价指标，开展小白菜种子品种优选及排种性能试验。

4.2 试验结果与分析

图18为台架试验小白菜种子分布情况，表7为台架试验设计结果与显著性分析，结果显示负压对合格指数的影响显著。

图18 小白菜种子分布Fig.18 Distributions of Pakchoi seeds on oil belt

表8为台架试验极差分析结果，影响合格指数、重播指数和漏播指数的主次因素依次为：负压、正压、转速和品种，与仿真试验一致。综合考虑各评价指标，以因素水平组合A2B2C3D1为较优选择，即转速为30 r/min、负压为-3 000 Pa、正压为300 Pa、品种为中箕青605，对应的各行平均合格指数为91.32%、平均重播指数为6.19%、平均漏播指数为2.49%。

表8 台架试验极差分析结果Tab.8 Result of range analysis in bench test

5 田间试验

为进一步检验台架试验结果，考察小白菜正负气压组合式精量排种器的排种性能，于2020年9月9日在湖北省武汉市农业科学院农业机械化研究所蔬菜机械化展示区示范田开展小白菜田间播种试验，如图19所示。

图19 田间播种试验Fig.19 Field seeding experiment

田间试验的配套动力为东风井关T954型拖拉机，经预试验确定拖拉机液压手柄挡位与机具作业高度之间的关系，按照台架试验较优因素水平组合调节排种盘转速为30 r/min、负压为-3 000 Pa、正压为300 Pa。试验机组确保直线方向前进，作业距离为30 m，作业速度为0.6 m/s。

试验以中箕青605为排种对象，每一行程播种8行，行距为180 mm。出苗后，根据小白菜田间分布情况，每个行程各行随机测5段，每段以1 m内长度测定小白菜苗数和株距。田间试验结果表明：小白菜平均苗数为10株/m、株距平均值为100.48 mm，各行苗数一致性变异系数为8.05%，满足小白菜田间种植要求。

6 结论

(1)基于小白菜种子的机械物理特性和精量直播农艺要求，设计了一种小白菜正负气压组合式精量排种器，阐明了排种器的工作过程、原理及主要结构参数，理论分析确定了排种盘和排种口结构参数及其种子迁移轨迹。

(2)应用EDEM软件构建了仿真几何模型，利用DEM-CFD耦合仿真试验分析了转速、负压和正压对排种性能的影响规律，分析发现负压对评价指标合格指数和漏播指数影响显著，负压为-3 000 Pa、正压为300 Pa、转速为30 r/min、品种为中箕青605时，各行平均合格指数为93.12%、平均重播指数为3.59%、平均漏播指数为3.29%，指标均优于行业标准。

(3)台架试验结果表明，负压对评价指标合格指数的影响显著，以较优因素水平组合开展试验后的各行平均合格指数为91.32%、平均重播指数为6.19%、平均漏播指数为2.49%。田间试验结果表明，排种盘转速为30 r/min时，小白菜平均苗数为10株/m、株距平均值为100.48 mm，各行苗数一致性变异系数为8.05%，满足小白菜田间种植要求。