玉米擾動輔助充種高速氣吸式排種器設計與試驗

劉 瑞 劉忠軍 劉立晶 李鷹航

(1.中國農業大學工學院， 北京 100083； 2.中國農業機械化科學研究院集團有限公司， 北京 100083; 3.土壤植物機器系統技術國家重點實驗室， 北京 100083; 4.現代農裝科技股份有限公司， 北京 100083)

0 引言

精密播種技術具有突出的節本增效優點，滿足現代農業對經濟效益的追求；隨著農業生產規?；?，經營主體追求高速高效生產[1-2]；氣吸式排種器對種子形狀適用性廣、單粒播種精度高、滿足高速作業對穩定性的要求，因而高速精密播種機具多采用氣吸式排種器[3-7]。該類型排種器利用吸種孔兩側的壓差來完成吸種，在高速作業時，種室中種群離散度低，吸種孔充種作業時間急劇縮短，大大增加種子的漏充率，降低整機作業性能。

國內外學者對高速精密排種器進行了大量研究，德國Horsch公司[8]的Maestro氣吸式排種器，采用漸開線形式的型孔，并在型孔邊緣開倒角，有利于對種子的吸附，作業速度可達15 km/h。美國Precision Planting公司[9]的vDrive氣吸式排種器，排種盤采用帶有凸臺的吸種孔，加強排種盤對種室中種群的擾動。陳玉龍[10]設計了一種大豆氣吸機械復合式排種器，采用取種孔與吸孔復合結構的排種，以較低的負壓完成高速精密排種作業，作業速度為10～12 km/h。丁力等[11]針對高速作業時玉米氣吸式精密排種器風壓需求量增大、漏吸嚴重的問題，設計了一種利用型孔凸臺擾動種群和托持種子，在作業速度8～14 km/h時，合格指數超過91.3%。史嵩等[12-13]采用主動驅導種群、減少局部種間接觸的方法，通過確定排種盤導種槽曲線，規劃種子相對運動軌跡，高速條件下充種性能較穩定，作業速度為9.11 km/h。

上述研究主要是通過改變吸種孔結構降低高速作業時漏播指數，缺少對種群離散度和增加排種盤充種時間的相關研究。為此，本文在兼顧減小種群層間壓力的同時設計擴容板增大充種區域，并設計一種具有擾種臺柱和中字型吸種孔的排種盤，以期實現在高速作業時，不增加工作負壓，且充種效果良好。

1 作業速度對排種器充種過程的影響

排種器高速作業時，種盤是充種過程攜種的直接接觸部件，當排種器充種區角度為θ時，充種時間為

(1)

其中

式中T——充種時間，s

r——吸種孔與排種盤中心距離，mm

vk——吸種孔中心線速度，m/s

n——排種盤轉速，r/min

v——播種機前進速度，km/h

L——理論粒距，cm

Z——排種盤吸種孔個數

排種盤高速通過充種區與排種盤低速通過充種區的時間差為

Δt=TD-TG

(2)

式中TG——高速種盤充種時間，s

TD——低速種盤充種時間，s

Δt——高速種盤與低速種盤充種時間差，s

聯立式(1)、(2)可得

(3)

式中vG——高速作業時播種機前進速度，km/h

vD——低速作業時播種機前進速度，km/h

當vD為一定值且大于零，vG為自變量，Δt為因變量時，對式(3)求導可知Δt的導數值大于零，即式(3)是一個單調遞增的函數，由此可知，排種器高速作業時，速度越大，充種時間下降越快；在保持粒距不變時，為了適應速度變化引起的種子漏吸，應從增大充種區角度和選取合適排種盤吸孔數兩方面來增加充種時間，因此本文設計一種雙重擾動排種盤和增加充種區域的排種器，從而提高氣吸式排種器高速作業的充種性能。

2 排種器結構與工作原理

玉米擾動輔助充種高速氣吸式排種器結構如圖1所示，主要由排種殼體、種室、下刮種刀、上刮種刀、排種盤、吸室殼體、進氣口、阻氣板、強制刮種刀等零部件組成。排種盤沿徑向由外向內周向布置中字型吸種孔和擾種臺柱，吸種孔一側布置有導種臺；排種盤結構如圖1、2所示。

圖1 高速氣吸式排種器結構圖Fig.1 Structure diagram of high speed air suction seeding metering device1.排種殼體 2.種室 3.下刮種刀 4.上刮種刀 5.雙重擾動排種盤 6.吸室殼體 7.后殼體 8.進氣口 9.阻氣板 10.排種下殼體 11.強制刮種刀

圖2 排種盤結構示意圖Fig.2 Structure diagram of seed tray1.擾種臺柱 2.導種臺 3.中字型吸種孔

排種器工作時，在排種盤的旋轉驅動下，依靠種盤上的凹槽和擾種臺柱產生雙重擾動，將密集的種群離散開來；待吸附的種子首先落入兩吸種孔間的凹槽中，隨后在導種臺的輔助下，進入吸種孔區域；通過吸種孔兩側的壓差，種子被壓附在吸種孔上，隨著吸種孔做圓周運動；種子脫離種群后，在上下刮種刀的作用下，完成單粒種子的定量充種過程；種子到達投種區域時阻斷氣流，種子脫離排種盤，沿豎直方向進入導種管后，落入種溝。

3 關鍵部件參數設計

3.1 種室

玉米屬于農業散體物料，在種室與排種盤接觸的待充種區的分布區域由種室結構和玉米休止角決定[14-15]。種室結構如圖3所示，該種室沿排種盤圓周切向布置，為了使玉米種子在種室內能在不同高度同時均勻全部向下流動，形成整體流，根據無限長縫隙型孔的成拱原理,參照文獻[15]種子臨界結拱間隙與矩形孔長度關系曲線，結合本文所設計排種器的總體布局，種室進種孔寬度a取57 mm，進種孔長度b取133 mm。

圖3 種室Fig.3 Seed chamber

充種作業時，如圖4所示，種子在充種區的分布主要由玉米種子休止角β決定；為了增加充種區角度，如圖3所示，采用擴容板可提高玉米種子休止角水平線，從而擴大種子充種區域；擴容板位置直接影響不同高度種層種子壓力，進而增加排種盤吸種孔吸種難度，不同高度物料層種子受力如圖5所示。

圖4 工作區域劃分和充種區示意圖Fig.4 Schematics of work area division and seed filling area

圖5 充種區dx段物料層受力圖Fig.5 Stress diagram of material layer in dx section of seed filling area

設垂直壓力為σ1，物料對壁面的側壓力為σ2，種室壁面與種間摩擦因數為μ1，充種區界面面積為A，周長為C，則物料層受力平衡方程為

σ1A+γdxA=(σ1+dσ1)A+μ1Kσ1Cdx

(4)

其中

K=σ2/σ1

式中γ——物料重度，kN/m3

dx——物料層寬度微分

代入初始條件x=0，σ1=0，積分得

(5)

(6)

式中Rs——液力半徑，mm

h——擴容板上部與種室最低點的距離

由于充種區相對較淺，顆粒與壁面的摩擦力fKσ1Cdx較小，可以忽略，所以可得

(7)

式中hi——顆粒所在物料層與最上層物料距離，mm

由式(7)可知，上層種群對下層種群的垂直壓力隨hi呈線性增加。如圖4b所示，擴容板的下部設置在種群休止角頂點，當擴容板處在高位時，結合圖4b可知，種群橫截面長度減小，降低玉米種子在吸種孔處的數量，從而導致漏吸率增加；當擴容板處在低位時，會形成部分無效種群橫截面長度，在形成相同吸種區域時，擴容板的長度需增加，與排種盤上的擾種臺柱形成干涉。綜合上述分析，擴容板底部與種室最低點的距離h1設計為70 mm；為了增加充種區角度，同時降低種群垂直壓力，結合上部刮種刀的位置，故取擴容板上部與種室最低點的距離h為130 mm。擴容板傾角φ與玉米休止角β相同,參照文獻[14]φ取35°，由

(8)

計算擴容板長度l為104.6 mm，為了確保加工精度，l取整為104 mm，擴容板寬度為種室與排種盤間的距離65 mm。

3.2 排種盤

排種盤是吸附和攜帶玉米種子的關鍵部件，其主要結構參數包括：吸種孔直徑r1和周向布置半徑r2，中字型吸種孔的周向間距C1、徑向長度C2與個數，導種臺高度g與傾角α，擾種臺柱的個數、高度E、半徑r3和周向布置半徑r4。

3.2.1吸種孔參數確定

以被吸種孔吸附的單粒玉米種子為研究對象，假定種子為材質均勻的剛體，排種器在工作過程中，受種間碰撞和機具振動影響，需引入吸種可靠性系數K1(1.8～2.0)和外界可靠性系數K2(1.6～2.0)[16],受力分析如圖6所示，忽略不計空氣及種間摩擦力Ff，建立種子穩定吸附受力方程為

圖6 充種受力分析Fig.6 Stress analyses of seed filling

(9)

式中p——一個吸種孔的吸附負壓，Pa

J——種子所受離心力，N

G——種子重力，N

β——J與G+γhi之間的夾角，(°)

d——種子重心與排種盤之間距離，m

S——吸種孔截面積，m2

可得

(10)

進而可得實際需要的最小吸附負壓pmin為

(11)

吸種孔對馬齒形玉米種子吸附能力弱于球錐形和類球形玉米種子[17],即馬齒形玉米種子所需吸附負壓最大；吸種孔直徑r1為0.64B～0.66B[18],馬齒形玉米種子平均寬度B為8.5 mm[19]，故確定吸種孔直徑r1為5.5 mm。

由文獻[15]可知玉米排種盤吸種孔的個數絕大多數為26，結合本文吸種孔的尺寸和排種器尺寸，故確定吸種孔的個數為24。

如圖7所示，凹槽需滿足單粒種子以豎向和橫向兩種姿態順利進入，而凹槽的尺寸與吸種孔的尺寸相關聯，由文獻[19]可知玉米種子最大長度為12.82 mm，根據前期試驗，故確定吸種孔的周向間距和徑向長度范圍分別為16 mm≤C1≤18 mm、14 mm≤C2≤16 mm；由于吸種孔個數為24個， 根據圓周長計算公式可得368 mm≤2πr2≤414 mm,確定吸種孔周向布置半徑最小為58.59 mm，故取r2為60 mm；現有氣吸式排種器排種盤直徑一般為80～260 mm[20]，結合文獻[18]設計規范要求，故確定排種盤直徑為200 mm。

圖7 種子在凹槽中的狀態示意圖Fig.7 Schematic of seed state in groove1.凹槽 2.豎向姿態種子 3.橫向姿態種子

3.2.2導種臺

排種盤轉動時，中字型吸種孔間凹槽從充種區的種群中穿過，種子以如圖7所示的姿態2或姿態3進入凹槽，隨著排種盤的進一步轉動，種子沿著導種臺進入吸種孔區域，由此建立種子在導種臺的力學等效模型，如圖8所示。

圖8 種子受力分析Fig.8 Seed stress analysis

為了使種子能夠順利沿著導種臺運動，應確保其有沿導種臺向吸種孔運動的趨勢，即

(12)

式中α——導種臺與排種盤平面的夾角，(°)

μ2——種子與排種盤間摩擦因數

N——種子在導種臺斜面受到的支持力，N

f——種子沿導種臺平面受到的摩擦力，N

(13)

由式(13)可得α≤65.34°，考慮加工精度，本文設計時選取α=60°；α取值一定時，導種臺高度g增大會增加種子在導種臺的行程，造成吸種困難，因此g應小于玉米種子厚度的一半。導種臺的高度過小，凹槽對種群的擾動效果不佳，導種臺的高度過大，種子容易卡在凹槽中，由文獻[19]可知玉米種子的平均厚度為5.16 mm，本文設計排種盤厚度為3 mm，因此g取值應在0～2.58 mm之間，通過試驗可知g=1.5 mm時，對種群的擾動效果最好，且不會造成卡種，綜合考慮確定g=1.5 mm。

3.2.3擾種臺柱

高速氣吸式排種器充種區增加，導致上層種群對下層種群垂直壓力增加，排種盤吸種孔吸種難度增加、攜種穩定性降低；在擾種臺柱對種群定向擾動下，玉米種子以散體顆粒形式從種群分離，分布在吸種孔附近，可提高充種性能。擾種臺柱為圓柱體，其結構如圖2所示。為了使擾種臺對種群形成有效擾動，同時避免種子停留在擾種臺上，擾種臺尺寸應滿足

(14)

式中lz——玉米種子長度，mm

lw——玉米種子寬度，mm

lx——排種盤面與種室內壁的距離，mm

通過測量可知排種盤面與種室內壁的最短距離為28 mm，結合文獻[19]中玉米的三軸尺寸，確定擾種臺高度E為25 mm，半徑r3為6 mm。

如圖9所示，排種盤轉動時，相鄰兩擾種臺之間的空隙應滿足不會發生卡種現象。當吸種孔處于攜種狀態時，擾種臺與吸種孔間的徑向距離應滿足擾種臺不會對被吸附的種子施加擠壓力，因此擾種臺的位置應滿足

圖9 擾種臺位置分析 Fig.9 Analysis of position of scrambling station

(15)

其中

(16)

式中ξ——相鄰兩擾種臺柱中心與排種盤圓心的夾角，(°)

t——ξ角對應的弦長，mm

n——擾種臺個數

根據文獻[19]中玉米的三軸尺寸，結合式(15)可知r4的取值范圍為34.36～40.44 mm，擾種臺的周向布置半徑越小，對近吸種孔附近的種群擾動能力弱，不利于充種，所以確定擾種臺柱的周向布置半徑r4為40 mm。當r3、r4為已知值，擾種臺的個數n取10、12、14時，代入式(15)可求得最佳擾種臺個數為12。

4 仿真試驗

本文設計的種室充種區域增大，種層間壓力增大，高速條件下，吸種孔吸附種子的難度增加，排種盤需要增設攪種機構以加強對種群的擾動，降低種子被吸附的難度，因此需要對排種盤的擾動性能進行研究。本文應用EDEM仿真軟件對光面排種盤A、中字型吸種孔排種盤B和帶擾種臺柱的中字型吸種孔排種盤C進行種群擾動的對比仿真試驗，排種盤結構如圖10所示。

圖10 3種結構排種盤Fig.10 Three structure types of seed tray

4.1 仿真模型

利用EDEM進行數值模擬時，將本文設計的高速氣吸式排種器簡化為氣室殼體、排種殼體和排種盤3部分；以鄭單958玉米種子為對象建模，將如圖11所示的玉米種子模型按照實際不同形狀玉米種子數量占比進行設置，馬齒形、球錐形、類球形的比例為6∶2∶1。顆粒接觸模型選用Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型。利用顆粒工廠生成種子，每種形狀玉米種子按照體積正態分布的方式生成，EDEM仿真模型如圖12所示。種子、排種盤物理特性參數和相關力學特性參數如表1所示[21-24]。

圖11 玉米種子模型Fig.11 Corn seed models

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

表1 玉米種子與排種盤物理和力學仿真參數Tab.1 Physical and mechanical simulation parameters of corn seed and seed tray

4.2 仿真試驗方法

種群擾動強度大能夠降低種子瞬態的法向力即瞬時種子內摩擦力，可以提高種子充種性能[25]。為了探究3種不同結構排種盤對種群的擾動程度，以種群內每個時刻顆粒法向力平均值作為評價指標進行仿真試驗。本文設計排種器工作速度為8～14 km/h，同時兼顧試驗水平寬度，故試驗時排種盤轉速分別設置為20、30、40、50、60 r/min，在不同轉速下開展3種排種盤的仿真試驗。仿真中顆粒工廠生成3 000顆玉米種子需要耗時2 s，排種盤從2 s開始轉動，所以應用EDEM后處理模塊提取2～10 s時間段內顆粒的平均法向力。

4.3 仿真結果分析

本文設計排種器最高工作速度為14 km/h,故以種盤轉速40 r/min為例進行分析。3種排種盤顆粒平均法向力隨時間變化曲線如圖13所示，從圖13a可以看出，A型排種盤顆粒的平均法向力在2～3 s時，圍繞著一個中心值小范圍上下波動；待排種盤轉動步入穩定狀態時，顆粒的平均法向力基本沒有震蕩。圖13b中顯示，B型排種盤顆粒的平均法向力隨著排種盤的周期轉動，在2～10 s內，圍繞著一個中心值呈現穩定的波動狀態。圖13c中C型排種盤顆粒的平均法向力在保持穩定波動的基礎上，上下震動的幅值均明顯高于B型排種盤。

圖13 3種排種盤的種子平均法向力隨時間變化曲線Fig.13 Variation curves of average normal force of seeds with time in three types of seed tray

3種排種盤種群法向力總和與排種盤轉速之間的關系如圖14所示，隨著轉速的變化，B型排種盤顆粒的法向力總和上下波動較大；C型排種盤顆粒的法向力總和基本呈上升趨勢；B型排種盤和C型排種盤的種群法向力總和均大于A型排種盤。

圖14 3種排種盤種群法向力總和與轉速的關系曲線Fig.14 Relationship between sum of normal stress and rotational speed

綜合上述分析，C型排種盤具有較大的擾動強度，會顯著降低種子顆粒瞬時的內摩擦力，吸種孔對種子的吸附難度降低，即所需吸附負壓小，C型排種盤的輔助充種性能較好。

5 臺架試驗

5.1 試驗材料與設備

試驗材料選用建模使用的鄭單958玉米種子，其含水率為13%，千粒質量375 g。排種盤按照仿真使用的3種排種盤進行加工試制，分別安裝在自主設計的玉米高速氣吸式排種器上，將排種器安裝在中國農業機械化科學研究院集團有限公司土壤植物機器系統技術國家重點實驗室2PST型排種器性能測試系統上，并增設FASTEC-TS3型高速攝像機，如圖15所示。

圖15 試驗臺Fig.15 Test bed1.驅動裝置 2.高速攝像機 3.排種器

5.2 不同排種盤排種性能對比試驗

排種盤排種性能檢測試驗中，排種盤轉速選定為20、30、40、50、60 r/min，工作吸附負壓設定為2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 kPa；試驗區域是以吸種孔離開種群位置為起點，吸種孔到達攜種區最高位置為終點。利用高速攝像機記錄該區域的圖像，每組試驗記錄排種盤轉5 圈的圖像進行統計計算，每組試驗重復5次取平均值作為試驗結果。

5.3 試驗結果分析

由圖16a可知，排種盤轉速為40 r/min時，3種排種盤漏播指數隨著吸附負壓的增大而減小，但C型排種盤在負壓為4.0～4.5 kPa時，漏播指數基本保持不變，而B型排種盤和C型排種盤在吸附負壓從4.0 kPa增加到4.5 kPa時，漏播指數仍保持較大的下降速率。由圖17a可知，吸附負壓為4.0 kPa時，轉盤轉速為20～30 r/min時，3種排種盤的漏播指數增加規律基本一致；當轉速由40 r/min增加到60 r/min時，A型排種盤和B型排種盤的漏播指數增長速率均顯著高于C型排種盤。出現上述試驗結果的原因在于，C型排種盤擾動性最優，吸種孔對種子的捕獲能力最強。

圖16 轉速為40 r/min不同吸附負壓時吸種性能變化曲線Fig.16 Variation curves of seed absorption performance under different adsorption negative pressures at rotational speed of 40 r/min

由圖16b和圖17b可知，吸種孔尺寸相同時，轉盤轉速較大時，吸附負壓對各盤重播指數影響幾乎無差異；因此，合理的吸種孔尺寸可減低重播指數。

由圖17c可知，當排種盤轉速為60 r/min時，C型排種盤粒距合格指數較A型排種盤提高了7.5個百分點。

圖17 負壓為3.5 kPa不同轉盤轉速時吸附性能變化曲線Fig.17 Adsorption performance change curves when negative pressure was 3.5 kPa with different rotating speeds of turntable

綜合上述結果和上文對未設擴容板的排種器的計算分析可知，高速作業時，擴大充種區域，排種盤的漏播指數降低，擾種強度增大，可顯著改善吸種孔的吸附能力。

5.4 驗證試驗

為了進一步驗證安裝C型排種盤的排種器排種性能，根據JB/T 10293—2013《單粒(精密)播種機技術條件》中的要求，以重播指數、漏播指數、粒距合格指數和合格粒距變異系數為試驗指標，進行作業速度、吸附負壓的全因素試驗，試驗結果如表2所示。

表2 試驗結果Tab.2 Test result

從C型排種盤排種器作業性能整體試驗結果可知，當作業速度為8～10 km/h、吸附負壓為3.0～4.0 kPa時，漏播指數不高于5.1%，重播指數不大于4.2%，粒距合格指數不小于94.6%,合格粒距變異系數不大于15.33%；當作業速度為12～14 km/h、吸附負壓為3.5～4.0 kPa時，漏播指數不高于7.9%，重播指數不高于1.3%，粒距合格指數不小于92.1%，合格粒距變異系數不高于17.67%。各項指標均優于國家標準。

6 結論

(1)針對高速作業時，玉米氣吸式排種器漏播指數增大，工作性能不佳的問題，設計擴容板增大充種區域，延長充種時間，降低漏播指數。

(2)充種區域擴大，種群層間壓力增大，為了加強對種群離散度，設計一種具有擾種臺柱和中字型吸種孔的擾動輔助充種排種盤。

(3)通過EDEM仿真試驗和臺架試驗對光面排種盤、中字型吸種孔排種盤和帶擾種臺柱的中字型吸種孔排種盤進行擾動性能對比試驗，結果表明帶擾種臺柱的中字型吸種孔排種盤的擾動性能最佳。

(4)排種盤轉速為60 r/min時，擾動輔助充種玉米排種器的粒距合格指數較原排種器提高了7.5個百分點。擾動輔助充種高速氣吸式玉米排種器作業速度為8～10 km/h、吸附負壓為3.0～4.0 kPa時，漏播指數不高于5.1%，重播指數不大于4.2%，粒距合格指數不小于94.6%,合格粒距變異系數不大于15.33%；當作業速度為12～14 km/h、吸附負壓在3.5～4.0 kPa時，漏播指數不高于7.9%，重播指數不大于1.3%，粒距合格指數不小于92.1%，合格粒距變異系數不高于17.67%，各項指標均優于國家標準。