玉米扰动辅助充种高速气吸式排种器设计与试验

刘 瑞 刘忠军 刘立晶 李鹰航

(1.中国农业大学工学院， 北京 100083； 2.中国农业机械化科学研究院集团有限公司， 北京 100083; 3.土壤植物机器系统技术国家重点实验室， 北京 100083; 4.现代农装科技股份有限公司， 北京 100083)

0 引言

精密播种技术具有突出的节本增效优点，满足现代农业对经济效益的追求；随着农业生产规模化，经营主体追求高速高效生产[1-2]；气吸式排种器对种子形状适用性广、单粒播种精度高、满足高速作业对稳定性的要求，因而高速精密播种机具多采用气吸式排种器[3-7]。该类型排种器利用吸种孔两侧的压差来完成吸种，在高速作业时，种室中种群离散度低，吸种孔充种作业时间急剧缩短，大大增加种子的漏充率，降低整机作业性能。

国内外学者对高速精密排种器进行了大量研究，德国Horsch公司[8]的Maestro气吸式排种器，采用渐开线形式的型孔，并在型孔边缘开倒角，有利于对种子的吸附，作业速度可达15 km/h。美国Precision Planting公司[9]的vDrive气吸式排种器，排种盘采用带有凸台的吸种孔，加强排种盘对种室中种群的扰动。陈玉龙[10]设计了一种大豆气吸机械复合式排种器，采用取种孔与吸孔复合结构的排种，以较低的负压完成高速精密排种作业，作业速度为10～12 km/h。丁力等[11]针对高速作业时玉米气吸式精密排种器风压需求量增大、漏吸严重的问题，设计了一种利用型孔凸台扰动种群和托持种子，在作业速度8～14 km/h时，合格指数超过91.3%。史嵩等[12-13]采用主动驱导种群、减少局部种间接触的方法，通过确定排种盘导种槽曲线，规划种子相对运动轨迹，高速条件下充种性能较稳定，作业速度为9.11 km/h。

上述研究主要是通过改变吸种孔结构降低高速作业时漏播指数，缺少对种群离散度和增加排种盘充种时间的相关研究。为此，本文在兼顾减小种群层间压力的同时设计扩容板增大充种区域，并设计一种具有扰种台柱和中字型吸种孔的排种盘，以期实现在高速作业时，不增加工作负压，且充种效果良好。

1 作业速度对排种器充种过程的影响

排种器高速作业时，种盘是充种过程携种的直接接触部件，当排种器充种区角度为θ时，充种时间为

(1)

其中

式中T——充种时间，s

r——吸种孔与排种盘中心距离，mm

vk——吸种孔中心线速度，m/s

n——排种盘转速，r/min

v——播种机前进速度，km/h

L——理论粒距，cm

Z——排种盘吸种孔个数

排种盘高速通过充种区与排种盘低速通过充种区的时间差为

Δt=TD-TG

(2)

式中TG——高速种盘充种时间，s

TD——低速种盘充种时间，s

Δt——高速种盘与低速种盘充种时间差，s

联立式(1)、(2)可得

(3)

式中vG——高速作业时播种机前进速度，km/h

vD——低速作业时播种机前进速度，km/h

当vD为一定值且大于零，vG为自变量，Δt为因变量时，对式(3)求导可知Δt的导数值大于零，即式(3)是一个单调递增的函数，由此可知，排种器高速作业时，速度越大，充种时间下降越快；在保持粒距不变时，为了适应速度变化引起的种子漏吸，应从增大充种区角度和选取合适排种盘吸孔数两方面来增加充种时间，因此本文设计一种双重扰动排种盘和增加充种区域的排种器，从而提高气吸式排种器高速作业的充种性能。

2 排种器结构与工作原理

玉米扰动辅助充种高速气吸式排种器结构如图1所示，主要由排种壳体、种室、下刮种刀、上刮种刀、排种盘、吸室壳体、进气口、阻气板、强制刮种刀等零部件组成。排种盘沿径向由外向内周向布置中字型吸种孔和扰种台柱，吸种孔一侧布置有导种台；排种盘结构如图1、2所示。

图1 高速气吸式排种器结构图Fig.1 Structure diagram of high speed air suction seeding metering device1.排种壳体 2.种室 3.下刮种刀 4.上刮种刀 5.双重扰动排种盘 6.吸室壳体 7.后壳体 8.进气口 9.阻气板 10.排种下壳体 11.强制刮种刀

图2 排种盘结构示意图Fig.2 Structure diagram of seed tray1.扰种台柱 2.导种台 3.中字型吸种孔

排种器工作时，在排种盘的旋转驱动下，依靠种盘上的凹槽和扰种台柱产生双重扰动，将密集的种群离散开来；待吸附的种子首先落入两吸种孔间的凹槽中，随后在导种台的辅助下，进入吸种孔区域；通过吸种孔两侧的压差，种子被压附在吸种孔上，随着吸种孔做圆周运动；种子脱离种群后，在上下刮种刀的作用下，完成单粒种子的定量充种过程；种子到达投种区域时阻断气流，种子脱离排种盘，沿竖直方向进入导种管后，落入种沟。

3 关键部件参数设计

3.1 种室

玉米属于农业散体物料，在种室与排种盘接触的待充种区的分布区域由种室结构和玉米休止角决定[14-15]。种室结构如图3所示，该种室沿排种盘圆周切向布置，为了使玉米种子在种室内能在不同高度同时均匀全部向下流动，形成整体流，根据无限长缝隙型孔的成拱原理,参照文献[15]种子临界结拱间隙与矩形孔长度关系曲线，结合本文所设计排种器的总体布局，种室进种孔宽度a取57 mm，进种孔长度b取133 mm。

图3 种室Fig.3 Seed chamber

充种作业时，如图4所示，种子在充种区的分布主要由玉米种子休止角β决定；为了增加充种区角度，如图3所示，采用扩容板可提高玉米种子休止角水平线，从而扩大种子充种区域；扩容板位置直接影响不同高度种层种子压力，进而增加排种盘吸种孔吸种难度，不同高度物料层种子受力如图5所示。

图4 工作区域划分和充种区示意图Fig.4 Schematics of work area division and seed filling area

图5 充种区dx段物料层受力图Fig.5 Stress diagram of material layer in dx section of seed filling area

设垂直压力为σ1，物料对壁面的侧压力为σ2，种室壁面与种间摩擦因数为μ1，充种区界面面积为A，周长为C，则物料层受力平衡方程为

σ1A+γdxA=(σ1+dσ1)A+μ1Kσ1Cdx

(4)

其中

K=σ2/σ1

式中γ——物料重度，kN/m3

dx——物料层宽度微分

代入初始条件x=0，σ1=0，积分得

(5)

(6)

式中Rs——液力半径，mm

h——扩容板上部与种室最低点的距离

由于充种区相对较浅，颗粒与壁面的摩擦力fKσ1Cdx较小，可以忽略，所以可得

(7)

式中hi——颗粒所在物料层与最上层物料距离，mm

由式(7)可知，上层种群对下层种群的垂直压力随hi呈线性增加。如图4b所示，扩容板的下部设置在种群休止角顶点，当扩容板处在高位时，结合图4b可知，种群横截面长度减小，降低玉米种子在吸种孔处的数量，从而导致漏吸率增加；当扩容板处在低位时，会形成部分无效种群横截面长度，在形成相同吸种区域时，扩容板的长度需增加，与排种盘上的扰种台柱形成干涉。综合上述分析，扩容板底部与种室最低点的距离h1设计为70 mm；为了增加充种区角度，同时降低种群垂直压力，结合上部刮种刀的位置，故取扩容板上部与种室最低点的距离h为130 mm。扩容板倾角φ与玉米休止角β相同,参照文献[14]φ取35°，由

(8)

计算扩容板长度l为104.6 mm，为了确保加工精度，l取整为104 mm，扩容板宽度为种室与排种盘间的距离65 mm。

3.2 排种盘

排种盘是吸附和携带玉米种子的关键部件，其主要结构参数包括：吸种孔直径r1和周向布置半径r2，中字型吸种孔的周向间距C1、径向长度C2与个数，导种台高度g与倾角α，扰种台柱的个数、高度E、半径r3和周向布置半径r4。

3.2.1吸种孔参数确定

以被吸种孔吸附的单粒玉米种子为研究对象，假定种子为材质均匀的刚体，排种器在工作过程中，受种间碰撞和机具振动影响，需引入吸种可靠性系数K1(1.8～2.0)和外界可靠性系数K2(1.6～2.0)[16],受力分析如图6所示，忽略不计空气及种间摩擦力Ff，建立种子稳定吸附受力方程为

图6 充种受力分析Fig.6 Stress analyses of seed filling

(9)

式中p——一个吸种孔的吸附负压，Pa

J——种子所受离心力，N

G——种子重力，N

β——J与G+γhi之间的夹角，(°)

d——种子重心与排种盘之间距离，m

S——吸种孔截面积，m2

可得

(10)

进而可得实际需要的最小吸附负压pmin为

(11)

吸种孔对马齿形玉米种子吸附能力弱于球锥形和类球形玉米种子[17],即马齿形玉米种子所需吸附负压最大；吸种孔直径r1为0.64B～0.66B[18],马齿形玉米种子平均宽度B为8.5 mm[19]，故确定吸种孔直径r1为5.5 mm。

由文献[15]可知玉米排种盘吸种孔的个数绝大多数为26，结合本文吸种孔的尺寸和排种器尺寸，故确定吸种孔的个数为24。

如图7所示，凹槽需满足单粒种子以竖向和横向两种姿态顺利进入，而凹槽的尺寸与吸种孔的尺寸相关联，由文献[19]可知玉米种子最大长度为12.82 mm，根据前期试验，故确定吸种孔的周向间距和径向长度范围分别为16 mm≤C1≤18 mm、14 mm≤C2≤16 mm；由于吸种孔个数为24个， 根据圆周长计算公式可得368 mm≤2πr2≤414 mm,确定吸种孔周向布置半径最小为58.59 mm，故取r2为60 mm；现有气吸式排种器排种盘直径一般为80～260 mm[20]，结合文献[18]设计规范要求，故确定排种盘直径为200 mm。

图7 种子在凹槽中的状态示意图Fig.7 Schematic of seed state in groove1.凹槽 2.竖向姿态种子 3.横向姿态种子

3.2.2导种台

排种盘转动时，中字型吸种孔间凹槽从充种区的种群中穿过，种子以如图7所示的姿态2或姿态3进入凹槽，随着排种盘的进一步转动，种子沿着导种台进入吸种孔区域，由此建立种子在导种台的力学等效模型，如图8所示。

图8 种子受力分析Fig.8 Seed stress analysis

为了使种子能够顺利沿着导种台运动，应确保其有沿导种台向吸种孔运动的趋势，即

(12)

式中α——导种台与排种盘平面的夹角，(°)

μ2——种子与排种盘间摩擦因数

N——种子在导种台斜面受到的支持力，N

f——种子沿导种台平面受到的摩擦力，N

(13)

由式(13)可得α≤65.34°，考虑加工精度，本文设计时选取α=60°；α取值一定时，导种台高度g增大会增加种子在导种台的行程，造成吸种困难，因此g应小于玉米种子厚度的一半。导种台的高度过小，凹槽对种群的扰动效果不佳，导种台的高度过大，种子容易卡在凹槽中，由文献[19]可知玉米种子的平均厚度为5.16 mm，本文设计排种盘厚度为3 mm，因此g取值应在0～2.58 mm之间，通过试验可知g=1.5 mm时，对种群的扰动效果最好，且不会造成卡种，综合考虑确定g=1.5 mm。

3.2.3扰种台柱

高速气吸式排种器充种区增加，导致上层种群对下层种群垂直压力增加，排种盘吸种孔吸种难度增加、携种稳定性降低；在扰种台柱对种群定向扰动下，玉米种子以散体颗粒形式从种群分离，分布在吸种孔附近，可提高充种性能。扰种台柱为圆柱体，其结构如图2所示。为了使扰种台对种群形成有效扰动，同时避免种子停留在扰种台上，扰种台尺寸应满足

(14)

式中lz——玉米种子长度，mm

lw——玉米种子宽度，mm

lx——排种盘面与种室内壁的距离，mm

通过测量可知排种盘面与种室内壁的最短距离为28 mm，结合文献[19]中玉米的三轴尺寸，确定扰种台高度E为25 mm，半径r3为6 mm。

如图9所示，排种盘转动时，相邻两扰种台之间的空隙应满足不会发生卡种现象。当吸种孔处于携种状态时，扰种台与吸种孔间的径向距离应满足扰种台不会对被吸附的种子施加挤压力，因此扰种台的位置应满足

图9 扰种台位置分析 Fig.9 Analysis of position of scrambling station

(15)

其中

(16)

式中ξ——相邻两扰种台柱中心与排种盘圆心的夹角，(°)

t——ξ角对应的弦长，mm

n——扰种台个数

根据文献[19]中玉米的三轴尺寸，结合式(15)可知r4的取值范围为34.36～40.44 mm，扰种台的周向布置半径越小，对近吸种孔附近的种群扰动能力弱，不利于充种，所以确定扰种台柱的周向布置半径r4为40 mm。当r3、r4为已知值，扰种台的个数n取10、12、14时，代入式(15)可求得最佳扰种台个数为12。

4 仿真试验

本文设计的种室充种区域增大，种层间压力增大，高速条件下，吸种孔吸附种子的难度增加，排种盘需要增设搅种机构以加强对种群的扰动，降低种子被吸附的难度，因此需要对排种盘的扰动性能进行研究。本文应用EDEM仿真软件对光面排种盘A、中字型吸种孔排种盘B和带扰种台柱的中字型吸种孔排种盘C进行种群扰动的对比仿真试验，排种盘结构如图10所示。

图10 3种结构排种盘Fig.10 Three structure types of seed tray

4.1 仿真模型

利用EDEM进行数值模拟时，将本文设计的高速气吸式排种器简化为气室壳体、排种壳体和排种盘3部分；以郑单958玉米种子为对象建模，将如图11所示的玉米种子模型按照实际不同形状玉米种子数量占比进行设置，马齿形、球锥形、类球形的比例为6∶2∶1。颗粒接触模型选用Hertz-Mindlin(no slip)接触模型。利用颗粒工厂生成种子，每种形状玉米种子按照体积正态分布的方式生成，EDEM仿真模型如图12所示。种子、排种盘物理特性参数和相关力学特性参数如表1所示[21-24]。

图11 玉米种子模型Fig.11 Corn seed models

图12 EDEM仿真模型Fig.12 EDEM simulation model

表1 玉米种子与排种盘物理和力学仿真参数Tab.1 Physical and mechanical simulation parameters of corn seed and seed tray

4.2 仿真试验方法

种群扰动强度大能够降低种子瞬态的法向力即瞬时种子内摩擦力，可以提高种子充种性能[25]。为了探究3种不同结构排种盘对种群的扰动程度，以种群内每个时刻颗粒法向力平均值作为评价指标进行仿真试验。本文设计排种器工作速度为8～14 km/h，同时兼顾试验水平宽度，故试验时排种盘转速分别设置为20、30、40、50、60 r/min，在不同转速下开展3种排种盘的仿真试验。仿真中颗粒工厂生成3 000颗玉米种子需要耗时2 s，排种盘从2 s开始转动，所以应用EDEM后处理模块提取2～10 s时间段内颗粒的平均法向力。

4.3 仿真结果分析

本文设计排种器最高工作速度为14 km/h,故以种盘转速40 r/min为例进行分析。3种排种盘颗粒平均法向力随时间变化曲线如图13所示，从图13a可以看出，A型排种盘颗粒的平均法向力在2～3 s时，围绕着一个中心值小范围上下波动；待排种盘转动步入稳定状态时，颗粒的平均法向力基本没有震荡。图13b中显示，B型排种盘颗粒的平均法向力随着排种盘的周期转动，在2～10 s内，围绕着一个中心值呈现稳定的波动状态。图13c中C型排种盘颗粒的平均法向力在保持稳定波动的基础上，上下震动的幅值均明显高于B型排种盘。

图13 3种排种盘的种子平均法向力随时间变化曲线Fig.13 Variation curves of average normal force of seeds with time in three types of seed tray

3种排种盘种群法向力总和与排种盘转速之间的关系如图14所示，随着转速的变化，B型排种盘颗粒的法向力总和上下波动较大；C型排种盘颗粒的法向力总和基本呈上升趋势；B型排种盘和C型排种盘的种群法向力总和均大于A型排种盘。

图14 3种排种盘种群法向力总和与转速的关系曲线Fig.14 Relationship between sum of normal stress and rotational speed

综合上述分析，C型排种盘具有较大的扰动强度，会显著降低种子颗粒瞬时的内摩擦力，吸种孔对种子的吸附难度降低，即所需吸附负压小，C型排种盘的辅助充种性能较好。

5 台架试验

5.1 试验材料与设备

试验材料选用建模使用的郑单958玉米种子，其含水率为13%，千粒质量375 g。排种盘按照仿真使用的3种排种盘进行加工试制，分别安装在自主设计的玉米高速气吸式排种器上，将排种器安装在中国农业机械化科学研究院集团有限公司土壤植物机器系统技术国家重点实验室2PST型排种器性能测试系统上，并增设FASTEC-TS3型高速摄像机，如图15所示。

图15 试验台Fig.15 Test bed1.驱动装置 2.高速摄像机 3.排种器

5.2 不同排种盘排种性能对比试验

排种盘排种性能检测试验中，排种盘转速选定为20、30、40、50、60 r/min，工作吸附负压设定为2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 kPa；试验区域是以吸种孔离开种群位置为起点，吸种孔到达携种区最高位置为终点。利用高速摄像机记录该区域的图像，每组试验记录排种盘转5 圈的图像进行统计计算，每组试验重复5次取平均值作为试验结果。

5.3 试验结果分析

由图16a可知，排种盘转速为40 r/min时，3种排种盘漏播指数随着吸附负压的增大而减小，但C型排种盘在负压为4.0～4.5 kPa时，漏播指数基本保持不变，而B型排种盘和C型排种盘在吸附负压从4.0 kPa增加到4.5 kPa时，漏播指数仍保持较大的下降速率。由图17a可知，吸附负压为4.0 kPa时，转盘转速为20～30 r/min时，3种排种盘的漏播指数增加规律基本一致；当转速由40 r/min增加到60 r/min时，A型排种盘和B型排种盘的漏播指数增长速率均显著高于C型排种盘。出现上述试验结果的原因在于，C型排种盘扰动性最优，吸种孔对种子的捕获能力最强。

图16 转速为40 r/min不同吸附负压时吸种性能变化曲线Fig.16 Variation curves of seed absorption performance under different adsorption negative pressures at rotational speed of 40 r/min

由图16b和图17b可知，吸种孔尺寸相同时，转盘转速较大时，吸附负压对各盘重播指数影响几乎无差异；因此，合理的吸种孔尺寸可减低重播指数。

由图17c可知，当排种盘转速为60 r/min时，C型排种盘粒距合格指数较A型排种盘提高了7.5个百分点。

图17 负压为3.5 kPa不同转盘转速时吸附性能变化曲线Fig.17 Adsorption performance change curves when negative pressure was 3.5 kPa with different rotating speeds of turntable

综合上述结果和上文对未设扩容板的排种器的计算分析可知，高速作业时，扩大充种区域，排种盘的漏播指数降低，扰种强度增大，可显著改善吸种孔的吸附能力。

5.4 验证试验

为了进一步验证安装C型排种盘的排种器排种性能，根据JB/T 10293—2013《单粒(精密)播种机技术条件》中的要求，以重播指数、漏播指数、粒距合格指数和合格粒距变异系数为试验指标，进行作业速度、吸附负压的全因素试验，试验结果如表2所示。

表2 试验结果Tab.2 Test result

从C型排种盘排种器作业性能整体试验结果可知，当作业速度为8～10 km/h、吸附负压为3.0～4.0 kPa时，漏播指数不高于5.1%，重播指数不大于4.2%，粒距合格指数不小于94.6%,合格粒距变异系数不大于15.33%；当作业速度为12～14 km/h、吸附负压为3.5～4.0 kPa时，漏播指数不高于7.9%，重播指数不高于1.3%，粒距合格指数不小于92.1%，合格粒距变异系数不高于17.67%。各项指标均优于国家标准。

6 结论

(1)针对高速作业时，玉米气吸式排种器漏播指数增大，工作性能不佳的问题，设计扩容板增大充种区域，延长充种时间，降低漏播指数。

(2)充种区域扩大，种群层间压力增大，为了加强对种群离散度，设计一种具有扰种台柱和中字型吸种孔的扰动辅助充种排种盘。

(3)通过EDEM仿真试验和台架试验对光面排种盘、中字型吸种孔排种盘和带扰种台柱的中字型吸种孔排种盘进行扰动性能对比试验，结果表明带扰种台柱的中字型吸种孔排种盘的扰动性能最佳。

(4)排种盘转速为60 r/min时，扰动辅助充种玉米排种器的粒距合格指数较原排种器提高了7.5个百分点。扰动辅助充种高速气吸式玉米排种器作业速度为8～10 km/h、吸附负压为3.0～4.0 kPa时，漏播指数不高于5.1%，重播指数不大于4.2%，粒距合格指数不小于94.6%,合格粒距变异系数不大于15.33%；当作业速度为12～14 km/h、吸附负压在3.5～4.0 kPa时，漏播指数不高于7.9%，重播指数不大于1.3%，粒距合格指数不小于92.1%，合格粒距变异系数不高于17.67%，各项指标均优于国家标准。