姜有忠，侯曉曉，趙永滿，胡斌，羅昕，陳永，張歡

(1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003；2.黃河交通學院汽車工程學院，河南 焦作 454150)

辣椒是新疆種植的主要經(jīng)濟作物.辣椒種植方式主要以育苗移栽為主，穴盤育苗是移栽種植模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[1].高質(zhì)量的育苗可以節(jié)省播種量，減少人員勞動，提高經(jīng)濟效益.

排種器是穴盤育苗精量播種機的核心部件[2].排種器的性能直接影響育苗的質(zhì)量。國內(nèi)外先進的排種器主要以氣力式為主，這是因為氣力式排種器能夠高速作業(yè)，并且對種子形狀尺寸要求低，傷種率低，適應性強[3].在國外，Singh等[4-5]對氣力式排種器播種大豆、花生等大顆粒種子時的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)進行了優(yōu)化.Gaikwad等[6]針對穴盤育苗研制了針吸式精量排種器，通過更換吸嘴來實現(xiàn)不同作物的精量播種.在國內(nèi)，張順[7]研究了氣吸滾筒式排種器的吸種孔、清種方式對排種性能的影響.王朝暉等[8]以水稻為研究對象，通過高速攝像觀察、流場仿真等方法對氣吸滾筒式排種器負壓氣室流場均勻性和投種過程對排種性能影響進行了分析.

氣力式排種器主要針對規(guī)整種子的播種，而對于辣椒等小粒經(jīng)、不規(guī)整種子(非丸?；?在排種過程中存在的投種精度差和容易堵塞吸孔等問題不能有效解決.針對上述問題，本試驗設計了氣吹投種和錐形吸孔取種的氣吸滾筒式排種器，展開吸孔形狀、正壓值、滾筒轉(zhuǎn)速、負壓值對排種性能影響的試驗研究，尋找各因素間的最佳參數(shù)組合，并進行播種適應性試驗，為播種辣椒等小粒經(jīng)、不規(guī)整種子的氣吸滾筒式精量排種器的設計提供參考依據(jù).

1 辣椒種子幾何特性

種子的幾何特性決定了排種器關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設計參數(shù)[12].試驗前期對辣椒種子物料特性研究可知，未經(jīng)丸?；睦苯贩N子的形狀為碟狀，也可以將其看作為薄圓盤形.隨機選取新疆種植最為廣泛的辣椒品種新選8819號種子200粒，對每粒種子的長、寬、厚尺寸進行測量并進行統(tǒng)計分析，確定種子幾何尺寸，如表 1所示.

表1 辣椒種子幾何尺寸

2 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

氣吹投種的氣吸滾筒式精量排種器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由氣吹投種裝置、負壓空心軸、正壓管、半剖式滾筒、鏈輪、滾筒關(guān)卡等組成.

1：負壓空心軸；2：O型密封圈；3：定位凸臺；4：吸種孔；5：滾筒；6：正壓管；7：鏈輪；8：鐵箍；9：連接套管；10：正壓管接頭；11：負壓空心軸；12：掛件；13：氣吹投種裝置；14：橡膠條；15：快速接頭；16：滾筒關(guān)卡；17：機架.1:Negative pressure hollow shaft;2:O-ring;3:Positioning boss;4:Suction hole;5:Roller;6:Positive pressure tube;7:Sprocket;8:Iron hoop;9:Connecting the sleeve;10:Positive pressure pipe joint;11:Negative pressure hollow shaft;12：Pendant;13：Air blowing seeding device;14：Rubber strip;15:Quick joint;16:Roller check level;17:Frame.圖1 氣吹投種的氣吸滾筒式精量排種器結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Air-blowing seeding type structure of suction drum precision metering device

負壓空心軸與氣吹投種裝置為一體結(jié)構(gòu)，正壓管通過開孔套管固定在負壓空心軸上，正壓管通過快速接頭與投種裝置內(nèi)部連通，2段負壓空心軸都與滾筒內(nèi)部連通.氣吹投種裝置下部裝有橡膠條與滾筒內(nèi)表面密封接觸并將滾筒內(nèi)部分為正負壓2個密封區(qū).排種器工作時，風機一端通過2段負壓空心軸使?jié)L筒內(nèi)部形成負壓，從而使?jié)L筒吸種孔內(nèi)外兩側(cè)形成壓差；風機另外一端連接正壓管接頭.通過正壓管往投種裝置中輸入正壓氣體，并與滾筒吸種孔形成一定的吹力.鏈輪固定在滾筒上，電機帶動滾筒繞固定空心軸轉(zhuǎn)動，當滾筒吸種孔轉(zhuǎn)入充種區(qū)時，種子在滾筒內(nèi)負壓的作用下被吸附在吸種孔上，并隨滾筒一起轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)動到投種裝置下方時，種子失去了滾筒內(nèi)負壓的吸附作用力，在重力、吹力、離心力的作用下，種子從吸種孔中排出.

3 關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設計

3.1 滾筒結(jié)構(gòu)設計

排種滾筒的結(jié)構(gòu)直接影響排種器排種質(zhì)量、整體尺寸、能量消耗[9].傳統(tǒng)排種滾筒與滾筒端蓋分開制造后進行配合，整體結(jié)構(gòu)復雜，密封性難以保證，泄壓面積較大，滾筒內(nèi)部流場均勻性差，能耗相對增加.本試驗排種滾筒設計為滾筒和滾筒端蓋一體結(jié)構(gòu)，通過3D打印技術(shù)進行半剖式加工，然后進行嚙合及密封處理.這使得結(jié)構(gòu)簡單化，大大提高設計效率，3D打印滾筒實物圖如圖2所示.由于本設計使用16×8黑色128孔PS標準穴盤，其外形尺寸為532 mm×278 mm×44 mm，兩吸種孔的中心距離為32 mm，滾筒長度設計為320 mm.滾筒直徑過小，吸孔數(shù)過少，不能保證充種性能，滾筒直徑過大，工作氣室增大，動力消耗相應增大，綜合考慮各項因素和借鑒國內(nèi)外氣吸式滾筒排種器的設計經(jīng)驗，確定滾筒直徑為160 mm.

圖2 3D打印排種滾筒實物圖Figure 2 Physical map of 3D printing roller

3.2 氣吹投種裝置設計

對于辣椒等尺寸小、質(zhì)量輕、形狀不規(guī)整(非丸?；?及流動性差的種子在精量投種過程中投種精度差和排種器長時間工作后吸種孔容易堵塞等問題，本試驗設計了1種氣吹投種裝置[10].氣吹投種裝置是實現(xiàn)精準投種和有效清孔的核心部件，其絕壓槽內(nèi)部流場的均勻性直接影響排種器的排種性能和育苗的質(zhì)量.

3.2.1 單端進氣投種裝置設計 投種裝置主要分為絕壓槽和正壓管，絕壓槽通過掛件和2段空心軸焊接為一體，并且2段空心軸橫向中線與絕壓槽橫向中線在同一平面，絕壓槽上方中心位置開有通孔，正壓管一端通過快速接頭與絕壓槽連通，另一端通過空心軸套固定在空心軸上并與正壓管接頭連接；同時，在絕壓槽下方四周安裝有可更換的橡膠條，使絕壓槽能夠與滾筒內(nèi)表面密封接觸，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示.

1：負壓空心軸；2：絕壓槽；3：快速接頭；4：正壓管；5：掛件；6：正壓空心軸；7：正壓管接頭.1:Negative pressure hollow shaft；2:Absolute pressure tank;3:Quick joint;4:Positive pressure tube;5:Pendant;6:Positive pressure hollow shaft；7:Positive pressure pipe joint.圖3 單端進氣投種裝置結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Single-end intake seed device structure schematic

3.2.2 雙端進氣投種裝置設計 雙端進氣投種裝置與單端進氣投種裝置的區(qū)別在于絕壓槽上方1/3處和2/3處開有2個通孔，滾筒內(nèi)部正壓管分為2個端口通過快速接頭分別與絕壓槽2個通孔連接.結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示.

為了驗證上述2種進氣方式的絕壓槽內(nèi)部流場的均勻性，采用CFD模擬不同進氣方式條件下投種裝置內(nèi)部流場情況，模擬過程采用k-ε模型，設定邊界為恒壓條件，選取正壓管進口為壓力進口，進口壓力設置為900 Pa，絕壓槽下方截面為壓力出口，壁面采用無滑移壁面條件(ui=0)[11]，絕壓槽長為260 mm，寬30 mm，高30 mm，圖5為2種進氣方式下絕壓槽內(nèi)部壓力和流場速度云圖.

1：負壓空心軸；2：絕壓槽；3：正壓管；4：快速接頭；5：掛件；6：正壓空心軸；7：正壓管接頭1:Negative pressure hollow shaft;2:Absolute pressure tank;3:Positive pressure tube;4:Quick joint;5:Pendant;6:Positive pressure hollow shaft；7:Positive pressure pipe joint.圖4 雙端進氣投種裝置結(jié)構(gòu)示意圖Figure 4 Double inlet air seeding device structure schematic

圖5 兩種進氣方式下絕壓槽內(nèi)部壓力和流場速度云圖Figure 5 The pressure and flow velocity inside the absolute pressure tank

仿真結(jié)果如圖5所示，在相同邊界條件下，單端進氣方式下絕壓槽流場壓力居中于進氣口下方，絕壓槽2端流場壓力幾乎為零，這可能會導致投種過程中絕壓槽2端的吸孔不能精準投種和有效清孔；雙端進氣方式下絕壓槽內(nèi)部流場壓力分布更趨于均勻，這將更好的提高排種的均勻性和清孔效果，所以選取雙端進氣方式的投種裝置.

3.3 吸種孔結(jié)構(gòu)和位置設計

3.3.1 吸種孔尺寸和位置設計 合理的吸種孔徑是確保排種器性能的前提.孔徑大小直接影響滾筒負壓氣室內(nèi)外壓差和吸種孔處流場的均勻性，主要取決于辣椒種子的幾何尺寸[13]，經(jīng)驗公式如下：

2.1.6 其它特性。某些高頻抗原抗體具備特殊性質(zhì)，可以輔助鑒定抗體。例如：產(chǎn)生抗-Kpb的血清中常發(fā)現(xiàn)抗-K。Sda在尿液中含量高，抗-Sda抗體可被尿液中和?？?Ch抗體和抗-Rg抗體可被血漿抑制?？?JMH和抗-Vel與臍血i細胞反應較弱，抗-AnWj與臍血i細胞甚至不凝集。

D=(0.64～0.66)b

(1)

式中，D為吸種孔直徑(mm)；b為種子的平均寬度(mm).

試驗測得辣椒種子的平均寬度為3.08 mm，從式(1)中得出吸孔直徑的范圍為1.97～2.03 mm.綜合考慮吸種孔直徑設計為2.0 mm.

由于本設計的育苗排種器所選用的16×8黑色128孔PS標準穴盤，兩吸種孔中心距離為32 mm，外形尺寸為532 mm×278 mm×44 mm，所以滾筒長度設計為320 mm，軸向吸孔的數(shù)量為8個.在滾筒長度和直徑確定的情況下，增加周向孔數(shù)可以有效降低滾筒的線速度，但吸孔數(shù)過多，負壓氣室泄壓面積就越大，風機所消耗的能量就越大，周向孔數(shù)Z的計算公式如下：

(2)

式中，Z為周向吸孔數(shù)量；Dd為滾筒直徑(mm)；d為吸孔直徑(mm)；Δl為兩相鄰吸孔之間的弧長(mm).

但考慮到充種過程中種群的分離及排種滾筒周向兩相鄰吸孔之間的弧長Δl不能小于2粒種子的最大尺寸[14]，即

Δl≥2lmax

(3)

式中，lmax為2粒種子的最大尺寸(mm).

由表1可知2粒種子的最大長度小于8.1 mm，則由式(2)和(3)可得周向孔數(shù)Z=26個.

3.3.2 吸種孔孔形設計 在孔徑一定的條件下吸種孔形狀也直接影響排種的合格率，合理的孔形可以提高吸孔處流場的均勻度，從而提高排種器排種工作效率.辣椒種子在吸附過程中，主要以“平躺”、“直立”和“側(cè)臥”3種姿態(tài)被吸附到滾筒上，當種子被吸孔吸附之前為“平躺”姿態(tài)，吸孔對種子的吸附面積最大，為種子充種過程的最理想姿態(tài)，當為“直立”和“側(cè)臥”姿態(tài)時對種子吸附面積較小，對吸孔吸附力的均勻性要求提高，所以設計有效的孔形可以提高吸附力的均勻性，還可以在吸種過程中進一步改變種子的姿態(tài)，提高排種器的充種性能.本試驗設計的3種不同的孔形如圖6所示.

圖6 不同孔形結(jié)構(gòu)示意圖Figure 6 Different hole shape empty structure diagram

采用CFD模擬不同孔形情況下吸孔處流場均勻性情況，模擬過程采用k-ε模型，設定邊界為恒壓力條件，壁面采用無滑移條件(ui=0)，空心軸負壓進口為壓力進口，設置進口壓力為3 kPa，滾筒吸孔為壓力出口，吸孔直徑為2.0 mm，滾筒長度為320 mm進行模擬分析對比，圖7為3種不同孔形處壓力和流場速度云圖.分析可知，單錐孔流場分布更均勻，更有利于提高排種器的合格率.

圖7 不同孔形壓力和流場速度云圖Figure 7 Pressure and flow velocity cloud diagram at different hole shapes

4 排種器投種過程的動力學分析

當種子隨排種滾筒運動至投種裝置下方時，吸種孔由負壓區(qū)進入到正壓區(qū)，吸種孔中的種子在正壓氣流和重力的共同作用下排出，在種子排出時，滾筒中負壓對種子的吸力和滾筒對種子的摩擦力消失，受力分析如圖8所示，投種裝置中的正壓力使吸種孔處種子順利投出的同時也防止了吸種孔的堵塞[15].種子從吸種孔排出瞬間的動力學方程如下：

(4)

(5)

種子投出的運動方程為：

(6)

(7)

式中，G為種子自身重力(N)；FQ為正壓氣流對種子向外的作用力(N)；R為排種滾筒半徑(mm)；W為滾筒角速度(rad/s)；h為種子下落高度(mm)；s為種子在水平方向運動距離(mm)；ax為種子在x軸方向的加速度；ay為種子在y軸方向的加速度.

圖8 投種運動分析Figure 8 Seeding exercise analysis

圖8中FN為負壓氣流對種子的吸附力(N)；Ff為滾筒對種子的摩擦力(N).

由上式分析可知，種子在正壓力形成的射流場中的受力與流場(Q，ΔP)和種子在射流場中的位置(x，y)有關(guān)，即a=(x，y，Q，ΔP).在滾筒內(nèi)部正負壓轉(zhuǎn)換過程中受到投種裝置結(jié)構(gòu)、滾筒結(jié)構(gòu)、正壓力值、排種滾筒轉(zhuǎn)速等因素的影響，不能保證每個種子下落過程中的運動軌跡相同，因此需要合理優(yōu)化滾筒、投種裝置的結(jié)構(gòu)，使得正負壓流場盡可能均勻，以保證投種的均勻度.

5 排種器性能試驗

5.1 試驗準備

試驗辣椒種子為新疆最普遍的的新選8819線辣椒種子，經(jīng)過人工精選，無破碎，均干燥，含水率小于 6.0%，含雜率小于 2.0%.試驗在石河子大學排種器性能檢測試驗室進行，采用課題組研制的氣吸滾筒式育苗播種機試驗樣機進行試驗，試驗臺結(jié)構(gòu)如圖9所示.

5.2 試驗方法及結(jié)果分析

5.2.1 試驗方法 試驗參照國家標準GB/T6973-2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，以單粒指數(shù)、多粒指數(shù)、漏播指數(shù)作為判定排種器排種性能指標[16].排種器工作穩(wěn)定后記錄排出的250個穴孔中每穴的種子數(shù)量，重復3次.各試驗指標計算公式如下：

(8)

(9)

(10)

式中，Q為單粒率；M為多粒率；C為漏播率；n1為穴孔中種子為1粒種子的總穴數(shù)；n2為穴孔中種子數(shù)大于2粒的總穴數(shù)；n3為穴孔中無種子的總穴數(shù).

1：輸送帶；2：種箱；3：鏈輪；4：毛刷；5：滾筒；6：機架；7：傳動鏈條；8：穴盤；9：電機；10：負壓管；11：負壓調(diào)壓閥；12：正壓調(diào)壓閥；13：正壓管；14：渦旋氣泵；15：電機.1：Conveyor belt；2：Seed box；3：Sprocket；4：Brush；5：Drum；6：Frame；7：Drive chain；8：Plug；9：Motor；10：Negative pressure；11：Negative pressure regulating valve；12：Positive pressure regulating valve；13：Positive pressure tube；14：Vortex air pump；15：Motor.圖9 試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖Figure 9 Test bench structure diagram

5.2.2 試驗設計與分析 通過前期試驗分析，采用正交設計試驗方案，以吸孔形狀、正壓值、滾筒轉(zhuǎn)速、負壓值為影響因素，以單粒率、多粒率、漏播率為試驗指標，選擇4因素3水平的正交表L9(34)進行試驗[17]，因素水平如表2所示，試驗方案與結(jié)果如表3所示，對正交試驗結(jié)果進行極差分析如表4所示.

由表2可知影響排種器排種合格率的主次因素為：負壓值>吸孔形狀>滾筒轉(zhuǎn)速>正壓值.對于漏播率的最優(yōu)方案為D2A2C1B3，且KA2KA1>KA3，說明單錐吸種孔的單粒率明顯優(yōu)于其他2種吸種孔形，結(jié)合辣椒種子的育苗生產(chǎn)需求和保證單粒率和漏播率，選擇單錐吸種孔更為有利.

表2 試驗因素及水平

由表3可知，負壓值為3 kPa，滾筒轉(zhuǎn)速為8 r/min，吸種孔為單錐型，正壓值900 Pa時單粒率為86.83%，多粒率為5.35%，漏播率為4.61%，排種效果更為滿足種植要求.

表3 試驗方案及結(jié)果

表4 分析結(jié)果

6 結(jié)論

1) 以單錐孔吸種、氣吹投種和清堵方式設計的排種器滿足辣椒穴盤育苗的種植要求.

2) 通過CFD設計單因素數(shù)值模擬試驗，對不同吸種孔和氣吹投種裝置在不同進氣方式下內(nèi)部流場均勻性進行分析并通過樣機試驗得出排種器在單錐吸孔和投種裝置在兩端進氣的方式下排種效果最佳.

3) 排種器吸孔形狀、正壓值、滾筒轉(zhuǎn)速和負壓值4因素3水平正交試驗得出影響排種器單粒率、多粒率、漏播率的主次因素均為負壓值>吸孔形狀>滾筒轉(zhuǎn)速>正壓值.在試驗參數(shù)范圍內(nèi)最適合辣椒穴盤育苗播種的參數(shù)組合為負壓值為3 kPa，滾筒轉(zhuǎn)速為8 r/min，吸種孔為單錐型，正壓值900 Pa，此時排種器的單粒率為86.83%、多粒率為5.35%、漏播率為4.61%.