趙永滿，侯曉曉，姜有忠，劉永鋒，胡 斌，羅 昕

( 1.石河子大學(xué) a.機(jī)械電氣工程學(xué)院；b.新疆建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832003；2.黃河交通學(xué)院 汽車工程學(xué)院，河南 焦作 454950)

0 引言

辣椒是新疆的特色經(jīng)濟(jì)作物，市場(chǎng)前景好，近幾年種植面積不斷增加[1]。穴盤育苗過(guò)程是移栽種植模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，穴盤育苗排種器是育苗過(guò)程的關(guān)鍵部件，但辣椒種子存在外形不規(guī)整、流動(dòng)性差、尺寸小及分離效果不佳等問(wèn)題[1]。新疆育苗播種主要靠人工點(diǎn)播，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，成本高，目前還沒(méi)有滿足“一穴一?！崩苯费ūP育苗精量排種器。因此，迫切需要設(shè)計(jì)一種實(shí)現(xiàn)“一穴一粒”精量播種要求的排種器。

目前，氣力式排種器因具有種子適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)效率高、不易傷種等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)作物精量播種中廣泛應(yīng)用[2]。國(guó)內(nèi)，李耀明、陳進(jìn)等[3]以油菜、水稻等作物種子為研究對(duì)象，確定了振動(dòng)氣吸式排種器的核心部件結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)，研究分析了振動(dòng)種盤內(nèi)種子的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，以及吸孔形狀、孔徑、導(dǎo)程對(duì)吸種效果的影響。王朝暉、袁月明、馬旭等[4]以超級(jí)稻為播種對(duì)象，通過(guò)三維建模與仿真、高速攝像觀察等方法對(duì)氣吸滾筒式排種器氣室流場(chǎng)、投種過(guò)程及種層振動(dòng)規(guī)律等排種性能影響規(guī)律進(jìn)行了研究。上述氣力式排種器大都采用振動(dòng)供種，不能滿足小顆粒、不規(guī)整的番茄(非丸?；N子)種子“一穴一?！钡挠绮シN要求。

由于辣椒種子破損將影響出苗率，且種子尺寸小、外形不規(guī)整、流動(dòng)性差，種植要求又屬于精量播種，針對(duì)現(xiàn)有氣吸滾筒式排種器存在的取種難、吸種孔容易堵塞、投種精度差等主要技術(shù)問(wèn)題，提出了由負(fù)壓取種、正壓氣吹供種和投種的新方案，并設(shè)計(jì)了一種適合辣椒育苗播種的氣吹懸浮供種的氣吸滾筒式排種器。同時(shí)，以種箱氣室正壓力、滾筒轉(zhuǎn)速、吸種角度為影響因素，對(duì)排種器排種性能進(jìn)行試驗(yàn)分析，尋找上述因素最優(yōu)參參數(shù)組合，為辣椒等小粒種子育苗排種器的設(shè)計(jì)提供參考。

1 排種器的結(jié)構(gòu)與工作原理

氣吹懸浮供種的氣吸滾筒式精量排種器由氣吹式種箱、排種滾筒、正負(fù)壓空心軸、旋渦氣泵、正壓供氣管、負(fù)壓供氣管及傳動(dòng)鏈輪等組成，如圖1所示。

1.正壓空心軸 2.關(guān)卡 3.滾筒 4.O型密封圈 5.吸種孔 6.定位凸臺(tái) 7.密封墊圈 8.鏈輪螺栓 9.鐵箍 10.負(fù)壓空心軸 11.滾筒支架 12.鏈輪 13.絕壓分隔裝置 14.快速接頭 15.塑料管 16.掛件 17.橡膠條 18.種箱支架 19.種箱氣室 20.供種箱

滾筒內(nèi)部有空心軸和絕壓分隔裝置，絕壓分隔裝置將滾筒內(nèi)部空間分成正壓區(qū)域和負(fù)壓區(qū)域。排種器工作時(shí)，電機(jī)通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)帶動(dòng)滾筒順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；旋渦氣泵的正壓供氣管與滾筒正壓空心軸和種箱氣室鏈接，負(fù)壓供氣管與滾筒負(fù)壓空心軸連接；正壓供氣管往絕壓分隔裝置和種箱氣室中輸入正壓氣體，種箱供種板兩疏種墻之間開(kāi)有小于種子的吹孔，供種板上的種子在正壓氣流吹動(dòng)作用下懸浮跳動(dòng)至滾筒附近；滾筒表面上開(kāi)有錐形通孔，負(fù)壓供氣管通過(guò)負(fù)壓空心軸往滾筒內(nèi)部通入負(fù)壓氣體；正壓供氣管通過(guò)正壓空心軸往絕壓分隔裝置內(nèi)部通入正壓氣體，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)到種箱出料口附近時(shí)，滾筒吸孔附近的種子在滾筒負(fù)壓腔內(nèi)部負(fù)壓的吸力作用下吸附在滾筒吸孔上，并隨著滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過(guò)種箱上方的毛刷時(shí)，將吸孔附近不穩(wěn)定的種子以清理種箱；當(dāng)吸孔轉(zhuǎn)動(dòng)到絕壓分隔裝置下方時(shí)，種子失去滾筒內(nèi)部負(fù)壓吸附力的作用，種子在自身重力和絕壓分隔裝置內(nèi)部正壓氣流的作用下掉落，完成整個(gè)投種過(guò)程。

2 排種器關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 滾筒正負(fù)壓腔的設(shè)計(jì)

正負(fù)壓腔是排種滾筒實(shí)現(xiàn)精量取種和精準(zhǔn)投種的關(guān)鍵部件[5]，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響滾筒吸種性能和投種精度。此內(nèi)腔是兩段空心軸，通過(guò)掛件與絕壓分隔裝置焊接成為一體結(jié)構(gòu)。掛件與絕壓分隔裝置和空心軸垂直連接，且兩段空心軸的中心線和絕壓分隔裝置的橫向中心線在同一平面內(nèi)。連接正壓氣體空心軸的滾筒內(nèi)端密封并開(kāi)有連接快速接頭的小孔，絕壓分隔裝置上部中心位置開(kāi)有連接快速接頭小孔，通過(guò)快速接頭和塑料管往絕壓分隔裝置中輸送正壓氣體，絕壓分隔裝置下部連接橡膠條與滾筒內(nèi)表面密封鏈接。此設(shè)計(jì)使得滾筒內(nèi)部負(fù)壓流場(chǎng)更加均勻，并保證了滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，如圖2所示。

1.負(fù)壓空心軸 2.掛件 3.絕壓分隔裝置 4.塑料管 5.快速接頭 6.正壓空心軸

目前，國(guó)內(nèi)外氣吸滾筒式排種器的滾筒直徑多為140～260mm[6]，經(jīng)過(guò)前期的試驗(yàn)研究確定滾筒直徑為180mm。在此內(nèi)腔結(jié)構(gòu)下采用CFD模擬滾筒內(nèi)部流場(chǎng)情況，模擬過(guò)程采用k-ε模型，設(shè)定邊界為恒壓力條件，選取滾筒上吸孔為壓力進(jìn)口，負(fù)壓空心軸截面為壓力出口，壁面采用無(wú)滑移壁面條件(ui=0)。滾筒內(nèi)部壓力和流場(chǎng)速度云圖如圖3所示。

圖3 滾筒內(nèi)部壓力和流場(chǎng)速度云圖

2.2 吸種孔的設(shè)計(jì)

2.2.1 辣椒種子幾何特性

選取新疆種植最為廣泛的辣椒品種新選 8819 線辣椒種子為研究對(duì)象[7]，應(yīng)用精度為 0.01mm 的SF-2000 型電子顯示游標(biāo)卡尺，對(duì)在辣椒種子樣品中隨意抽取的100粒種子進(jìn)行三軸方向的大小測(cè)量，平均結(jié)果如表 1 所示。

表1 辣椒種子平均三軸尺寸

2.2.2 滾筒吸孔與吸孔位置的設(shè)計(jì)

吸種孔直徑大小對(duì)排種器充種性能影響較大[8]。參考吸種孔d經(jīng)驗(yàn)公式，即

d=(0.6～0.7)B

(1)

其中，d為吸孔直徑；B為種子平均短徑。由上述可知：辣椒種子的平均短徑為3.08mm，從式(1)中可以得出吸孔直徑的數(shù)值范圍為1.85～2.16mm。所以，本吸孔直徑設(shè)計(jì)為2.0mm。

由于本設(shè)計(jì)為穴盤育苗排種器，目前最常使用的穴盤為PS材料的128孔16×8標(biāo)準(zhǔn)穴盤，其穴盤尺寸為532mm×278mm×44mm，穴盤兩錐孔中心距為32mm。由于滾筒長(zhǎng)度、軸向吸孔數(shù)、周向吸孔排數(shù)會(huì)影響排種器性能和穩(wěn)定性，綜合考慮，滾筒長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為310mm，軸向吸孔的數(shù)量為8個(gè)，滾筒周向排數(shù)設(shè)計(jì)16排。

2.3 種箱的設(shè)計(jì)

種箱由供種箱和種箱氣室組成，種箱的出料口上部設(shè)有與滾筒表面弧形相對(duì)應(yīng)的弧凹槽，弧凹槽套在滾筒的圓周上，與滾筒通過(guò)種箱支架成一定角度安裝在機(jī)架上?？紤]到與滾筒設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)，滾筒長(zhǎng)310mm，滾筒兩側(cè)吸種孔中心距離為224mm，所以種箱寬度設(shè)計(jì)為280mm。

供種板出料口處設(shè)計(jì)有疏種墻，疏種墻之間的供種板上開(kāi)有整齊排列的吹孔，其直徑為2.0mm。種箱設(shè)計(jì)有8個(gè)出料口，每個(gè)出料口之間的中心距為32mm，與滾筒吸孔之間的中心距相同。工作時(shí)，種箱氣室通入正壓氣體，在供種板吹孔氣流的作用下使種子懸浮出料口附近。滾筒吸孔轉(zhuǎn)動(dòng)至種箱出料口處，滾筒吸孔在壓差作用下將種子吸附在滾筒吸孔中，實(shí)現(xiàn)吸種過(guò)程，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.種箱氣室 2.種箱隔板 3.供種板吹孔 4.疏種墻

2.4 吸種區(qū)吸種壓差及吸種角度

滾筒吸種分為兩個(gè)過(guò)程：一是種子在種箱分離板作用下向下滑動(dòng)至滾筒附近，在氣流作用下懸浮，沒(méi)有與滾筒接觸；二是滾筒內(nèi)部負(fù)壓的作用下吸附在滾筒吸孔上，并隨滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)。第2過(guò)程種子吸附運(yùn)動(dòng)和受力如圖5所示[9]。

分析表明：種子在吸附過(guò)程中要受到種群間的擠壓力和摩檫力，還有自身的重力。對(duì)第2過(guò)程種子吸附進(jìn)行力學(xué)分析，則

(2)

(3)

(4)

其中，F(xiàn)NX為被吸附種子在X軸方向的合力(N)；FNY為被吸附種子在Y軸方向的合力(N)；Fqz為被吸附種子受到種群的支持力(N)；Fgz為被吸附種子受到滾筒的支持力(N)；Fgm為被吸附種子受到滾筒的摩檫力(N)；Fqm為被吸附種子受到種群的摩檫力(N)；G為被吸附種子自身重力(N)；FN為被吸附種子所受吸附力(N)；FNQ2為被吸附種子在第二階段所受吸附力(N)；m為被吸附種子的質(zhì)量(kg)；w為滾筒轉(zhuǎn)速(rad/s);R為滾筒半徑(m)；α為Fqz與水平方向的夾角(°)；β為吸種角(°)；φm為番茄種子于滾筒之間的滑動(dòng)摩擦角26(°)；φq為番茄種子的自然休止角φq=41(°)。

圖5 種子吸附階段受力分析

種子的吸附力由滾筒內(nèi)外壓差產(chǎn)生，則

(5)

其中，F(xiàn)NQ為被吸附種子所受吸附力(N)；ΔPN滾筒內(nèi)部負(fù)壓值(Pa)；ε為滾筒內(nèi)部流場(chǎng)比例系數(shù)，ε=0.65。

要使種子被成功吸附，吸附力FNQ要大于種子在第2階段的吸附力FNQ2。由式(2)～式(7)得出被吸附種子需要吸附力的最小值，即當(dāng)FNQ與FNQ2相等時(shí)為最小值，則

[Fqz·cos(φq+φm-α-β)+

m·g·cosφq·sin(β-φm)]/(cosφq·cosφt)

(6)

其中，F(xiàn)NQmin為最小吸附力。

當(dāng)α=90°時(shí)，被吸附種子自身重力與所受種群支持力相等，則

(7)

由式(7)可知：滾筒吸種的成功與否與滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒內(nèi)部負(fù)壓、種箱角度、種子物料特性有關(guān)。結(jié)合前期大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文選擇種箱角度范圍為10～40°，吸種負(fù)壓為1～4kPa。

3 排種器排種性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)所用種子為新疆最為廣泛的辣椒品種8819線辣椒種子，種子顆粒群的純度為>97%、凈度為>98%、發(fā)芽率>85%、水分<8%。[10]。試驗(yàn)在石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院兵團(tuán)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用課題組研制的氣吹供種氣吸滾筒式播種機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)配置有上海生產(chǎn)的型號(hào)為CHRH-440DEE的調(diào)頻器，上海生產(chǎn)的型號(hào)為YCT132-4B高速相機(jī)，廣州生產(chǎn)的型號(hào)為GLB1500S的渦旋氣泵，青島生產(chǎn)的型號(hào)為MS-130ST-M10015的電機(jī)，上海伊萊克生產(chǎn)的型號(hào)為YE-60(0-10kp)的微壓表。試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

1.電機(jī) 2.調(diào)頻器 3.輸送帶 4.種箱 5.供種板 6.吸種孔 7.吸種滾筒 8.滾筒機(jī)架 9.穴盤 10.機(jī)架 11.旋渦氣泵 12.正壓供氣管 13.負(fù)壓供氣管

3.2 試驗(yàn)方法

以GB/T6973-2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》及排種器排種性能試驗(yàn)為目標(biāo)，選用單粒率、多粒率、漏播率作為判定排種器排種性能指標(biāo)[11]，選取滾筒轉(zhuǎn)速、吸種角度、種箱氣室正壓值為主要試驗(yàn)因素。在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)種箱支架調(diào)節(jié)吸種角度，渦旋氣泵管道上閥門調(diào)節(jié)種箱正壓值，調(diào)頻器調(diào)節(jié)滾筒的轉(zhuǎn)速，每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值，最后利用高速攝像機(jī)對(duì)滾筒吸種結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.3.1 正交組合試驗(yàn)

通過(guò)前期試驗(yàn)分析，確定滾筒轉(zhuǎn)速的取值范圍為10～16 r/min，種箱氣室正壓值的范圍為1～4kPa，吸種角度范圍10°～40°。為明確上述3個(gè)因素對(duì)排種性能的影響，選擇三因素四水平的正交組合實(shí)驗(yàn)方法[12-13]，因素和水平如表2所示，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示。

表2 因素水平表

表3 試驗(yàn)結(jié)果

3.3.2 結(jié)果分析

1)由表3試驗(yàn)結(jié)果分析可知：試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)相差不大，證明所設(shè)計(jì)的氣吹懸浮供種的氣吸滾筒式排種器工作性能穩(wěn)定。

2)由表3可知：當(dāng)吸種角度為20°、種箱氣室正壓值為2kPa、滾筒轉(zhuǎn)速為12r/min時(shí)，單粒率91.5%，多粒率5.4%，漏播率3.2%，其效果最佳。

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種氣吹懸浮供種的氣吸式排種器，確定了氣吹供種和滾筒排種的工作原理、主要結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)。

2)采用三因素四水平正交試驗(yàn)得出最佳參數(shù)范圍如下：在吸種角度為20°，種箱氣室正壓值為2kPa、滾筒轉(zhuǎn)速為12r/min時(shí)，可獲得單粒率91.5%、多粒率5.4%、漏播率3.2%的結(jié)果。分析表明：影響排種器性能因素的主次順序?yàn)榉N箱氣室正壓力、滾筒轉(zhuǎn)速、吸種角度。