王浩屹，孫新平，陳曦，李驊，王永健

(1. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，南京市，210031；2. 江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室/南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，南京市，210031；3. 南京工業(yè)大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，南京市，211816)

0 引言

小青菜又名小白菜，屬于十字花科蕓薹屬植物，因其口感好、生長周期短，在我國南北方地區(qū)廣泛種植[1-5]。因其種子粒徑較小，種植戶通常采用拋撒的播種方式，既浪費種子增大經(jīng)濟成本，又因撒播不均致使菜苗雜堆生長，降低生長效率。市面上針對小青菜精量播種的機械類型較少，現(xiàn)存的小青菜播種機大都由其他播種機械改裝而來，缺乏針對性，難以真正提升小青菜的播種精度。

排種器是播種機的重要組成部分，按照工作原理可分為機械式排種器和氣吸式排種器兩大類[6]。機械式排種器主要依靠種子自身重力和推種器等強制方式進行排種，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、操作容易，缺點是播種效率不穩(wěn)定、播種精度偏低[7-9]。氣吸式排種器主要依靠調(diào)整風(fēng)機的風(fēng)壓實現(xiàn)精密穴播，其優(yōu)點是播種精度高、穩(wěn)定性好、種子損傷率小，缺點是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、技術(shù)難度高[10-11]。國內(nèi)蔬菜排種器多采用機械式排種器，已有較多學(xué)者對此進行研究。張宇文[12]設(shè)計一款機械式多功能精密排種器，通過在排種器底端安裝推種齒來解決種子堵塞問題，但種子破損率較大；王英博等[13]研究了機械式小麥射播排種器，探究轉(zhuǎn)速、葉片后傾部分曲率半徑、葉片安裝角度對排種性能的影響，但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。國外蔬菜排種器多采用氣吸式結(jié)構(gòu)，技術(shù)較為成熟。Sial[14]研究了園藝播種機的吸嘴，得出當(dāng)充種高度大于種子半徑時，充種所需的壓強隨充種高度變量的4次方的增加而增加。Maleki等[15]研究谷物條播機上的排種器，得到種子突然釋放對種子計量的均勻性有影響。Mandal等[16]設(shè)計一種適用于三排精密播種的氣動排種器，并對排種器的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進行了試驗臺試驗。

本文以江蘇省小青菜種植農(nóng)藝為參考，結(jié)合田間生產(chǎn)實際和市場需求，設(shè)計了一款結(jié)構(gòu)簡單的氣吸式小青菜精密排種器，并進行了仿真和臺架試驗，對提高小青菜等小粒徑種子的排種效率具有重要意義。

1 排種器整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 排種器整體結(jié)構(gòu)

參考其他氣吸式排種器的設(shè)計[17-20]，氣吸式小青菜精密排種器結(jié)構(gòu)主要由鏈輪、種箱、排種器底座、清種裝置、種箱擋板、排種盤、攪種輪、密封圈、排種器外殼、中心六棱柱等部件組成，如圖1所示。

圖1 氣吸式排種器整體結(jié)構(gòu)

1.2 排種器工作原理

本排種器設(shè)計充種區(qū)、清種區(qū)、攜種區(qū)、落種區(qū)4個工作區(qū)域，分別用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ對應(yīng)表示，如圖2所示。排種器工作時，播種機上的風(fēng)機通過負壓軟管將風(fēng)壓傳至排種器內(nèi)，在排種器外殼與排種盤之間形成碗狀密閉負壓空間。排種時種箱內(nèi)的種子最先落入充種區(qū)Ⅰ,經(jīng)旋轉(zhuǎn)的攪種輪攪拌均勻后，在負壓力作用下,種子被吸附在排種盤的表面和型孔內(nèi)，隨排種盤旋轉(zhuǎn)進入清種區(qū)Ⅱ；在負壓力持續(xù)作用下，型孔內(nèi)的種子隨排種盤經(jīng)攜種區(qū)Ⅲ向落種區(qū)Ⅳ旋轉(zhuǎn)，排種盤表面的種子與清種裝置刮碰，掉落至充種區(qū)再次參與充種；落種區(qū)Ⅳ內(nèi)負壓氣道被隔斷，吸附作用消失，種子在重力作用下從型孔內(nèi)脫落，沿導(dǎo)種裝置落入開溝器，經(jīng)開溝器將種子置于開好的種溝內(nèi)，完成排種作業(yè)。

圖2 氣吸式排種器工作區(qū)域劃分

2 小青菜種子物理特性測定

排種器相關(guān)部件的尺寸與所播種子的物理特性相關(guān)，在設(shè)計時需先對種子物理特性進行研究。以“上海矮箕”型號的小青菜種子為試驗材料，對其主要物理特性進行測定，為排種器設(shè)計與仿真試驗奠定基礎(chǔ)。

2.1 千粒重的測定

千粒重是指一千粒種子的重量，是農(nóng)業(yè)物料學(xué)中用來檢測種子標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的重要指標(biāo)。按照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)(GB 5519-85)，隨機選取去除雜質(zhì)的該小青菜種子3份，每份1 000粒，通過ME204E分析天平(精度0.001 g)分別進行稱重，取其平均值，最終求得該小青菜種子千粒重為2.41 g，如圖3所示。

圖3 “上海矮箕”型號小青菜種子

2.2 三軸尺寸的測定

農(nóng)業(yè)物料學(xué)手冊中對較小物料物理特性測定通常采用軸向尺寸法。本試驗隨機選取千粒重為2.41 g的小青菜種子50粒，用精度為0.01 mm的數(shù)顯游標(biāo)卡尺分別對每粒種子的三軸尺寸進行測定。圖4為種子三軸尺寸示意圖，表1為所測種子三軸尺寸統(tǒng)計分析表。

圖4 “上海矮箕”種子三軸尺寸示意圖

表1 種子三軸尺寸Tab. 1 Three-dimensional sizes of seeds

2.3 球形度的測定

球形度是表示種子實際形狀與球體之間差異程度的指標(biāo)，球形度數(shù)值越高，表明種子實際形狀越接近于球體。仿真建模需要對種子球形度進行測定，查閱農(nóng)業(yè)物料學(xué)手冊，物料的球形度

(1)

式中：a——物料的長度，mm；

b——物料的寬度，mm；

c——物料的高度，mm。

將小青菜種子三軸尺寸的平均值代入式(1)，計算出種子的球形度SP=95.59%，此數(shù)據(jù)表明小青菜種子粒徑較小，球形度極高，近似于球形，為后續(xù)仿真建模提供數(shù)據(jù)支撐。

3 排種器重要部件設(shè)計

3.1 排種盤相關(guān)參數(shù)

排種盤是排種器內(nèi)的重要部件，其主要參數(shù)包括：排種盤直徑dp、型孔直徑dx、型孔處轉(zhuǎn)動半徑r、型孔個數(shù)Z，現(xiàn)分別對這4個參數(shù)進行計算設(shè)計，圖5為排種盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸示意圖。

圖5 排種盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

3.1.1 排種盤直徑

排種盤直徑dp越大，可開的型孔數(shù)就越多，其線速度降低、排種效率提高，但dp過大會增加研發(fā)成本，故以適度尺寸為宜。查閱農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊，現(xiàn)有排種盤直徑dp一般為140～260 mm，結(jié)合氣吸式排種器的整體尺寸，確定此排種盤直徑dp取220 mm。

3.1.2 型孔錐度及直徑

型孔是外大內(nèi)小的錐形結(jié)構(gòu)，其錐度α及直徑dx與吸、排種靈活度密切相關(guān)，農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中錐度通常取46°～61°性能較優(yōu)，α取55°為宜。型孔直徑

dx=(0.64～0.66)d

(2)

式中：d——種子的平均寬度，mm。

將小青菜種子的平均寬度d=1.65 mm帶入式(2)，計算得出型孔直徑dx的范圍為1.056～1.089 mm，結(jié)合加工實際，經(jīng)過圓整后的型孔直徑dx約為1.1 mm。

3.1.3 吸附孔數(shù)量

吸附孔數(shù)量Z影響著排種效率和播種精度，孔數(shù)過少排種效率降低，孔數(shù)太多播種精度下降。徐蘇陽等通過研究，總結(jié)得出吸附孔數(shù)量與播種機速度、播種株距、種盤轉(zhuǎn)速的密切關(guān)系，表達公式如式(3)所示。

(3)

式中：vb——播種機的行進速度，m/s；

l——播種株距，m；

n——種盤轉(zhuǎn)速，r/min。

按照農(nóng)藝要求，小青菜的株距l(xiāng)為8～15 cm，行距為13 cm。查閱農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊，種盤轉(zhuǎn)速n應(yīng)滿足n≤50 r/min，播種機的前進速度vb應(yīng)滿足vb≤18 km/h，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(3)計算得出Z≥40，按照農(nóng)藝要求，結(jié)合實際加工精度及排種穩(wěn)定性等問題，該排種器型孔數(shù)量Z取90，相鄰孔的角度取4°。

3.1.4 型孔轉(zhuǎn)動半徑

按照農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊的要求，排種盤型孔中心線速度v≤0.35 m/s，排種盤的旋轉(zhuǎn)角速度w≈2 rad/s，根據(jù)角速度與線速度的換算公式

v=wr

(4)

式中：r——型孔轉(zhuǎn)動半徑，mm。

將上述數(shù)據(jù)代入式(4)，計算得出型孔轉(zhuǎn)動半徑r≤175 mm，結(jié)合排種盤直徑dp=220 mm,為使排種盤邊緣與型孔處留有一定的間隙，便于種子更好地被吸附，最終選取型孔轉(zhuǎn)動半徑r為95 mm。

3.2 排種器吸室相關(guān)參數(shù)

吸室設(shè)計是排種器設(shè)計中的重要部分，良好的吸室設(shè)計能夠保障種子被穩(wěn)定吸附在型孔內(nèi)，有效提高播種合格率。根據(jù)型孔處種子的受力特點，以排種盤上某一個型孔內(nèi)的種子為研究對象,研究其在型孔內(nèi)所受合力及運動狀態(tài)，計算出維持種子吸附狀態(tài)所需的吸附力大小。型孔吸附種子受力分析圖，如圖6所示。

圖6 型孔吸附種子的受力分析

為使一粒種子能夠被穩(wěn)定吸附在排種盤上，應(yīng)當(dāng)滿足式(5)的條件

(5)

式中：HCmax——形成氣室所需的最大真空度，Pa；

m——一粒種子的重量，kg；

vp——型孔中心處的線速度，m/s；

r——吸孔處轉(zhuǎn)動半徑，m；

d——種子平均寬度，mm

g——重力加速度，m/s2；

λ——種子的摩擦阻力綜合系數(shù)，λ=(6～10)tanε；

ε——種子的休止角，(°)；

k1——吸種可靠性系數(shù)，k1= 1.8～2.0；

k2——工作穩(wěn)定可靠性系數(shù)，k2= 1.6～2.0。

按照前文測定，dx取1.1 mm，小青菜種子的千粒重為2.41 g，C取0.65 mm；k1與種子的千粒重和球度有關(guān)，k1取1.8；k2與種子的千粒重有關(guān)，k2取1.6；按照農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊要求vp≤0.35 m/s，vp取0.35 m/s，r取95 mm；λ與種子的休止角有關(guān)，λ取3.83。將上述數(shù)據(jù)全部代入式(5)，計算得出P0≥ 0.028 4 N，HCmax=328.25 Pa，即只要單個型孔處產(chǎn)生的負壓吸力大于等于0.028 4 N，型孔處的負壓值就能達到328.25 Pa，理論上單粒小青菜種子就能完全被吸附在排種盤上的型孔內(nèi)。

4 排種器內(nèi)部氣流場仿真驗證

為試驗種子在負壓氣室內(nèi)的受力和吸附狀態(tài)，本文應(yīng)用CFD軟件對排種器內(nèi)部氣流場進行仿真驗證。

4.1 仿真驗證方法

首先利用SolidWorks 2018建模軟件對排種器內(nèi)部的氣流場進行簡化建模，并將建模完成后的氣流場模型導(dǎo)入Ansys Workbench 17.0中，用Mesh將該氣流場劃分成網(wǎng)格面為0.7～1 mm、網(wǎng)格質(zhì)量為0.817的網(wǎng)格單元，如圖7所示。

圖7 排種器內(nèi)部流場網(wǎng)格劃分

其次設(shè)置氣流場出入口邊界壓力，入口與外界空氣相通，其壓力值設(shè)為0 Pa。出口與風(fēng)機相連，其負壓值設(shè)置為3.5 kPa；最后設(shè)定求解算法為SIMPLE，壓力差值方式為Standard，設(shè)定迭代次數(shù)為200 000次，每隔5 000步保存一次計算結(jié)果，進行迭代計算。

4.2 仿真結(jié)果分析

按照上述仿真驗證方法，重點對排種器內(nèi)部氣流場的壓力分布、氣流速度和氣流擾動情況進行仿真分析。

4.2.1 壓力分布分析

將計算數(shù)據(jù)導(dǎo)入CFD-Post 軟件進行仿真試驗，經(jīng)后處理分析得到負壓值為-4 405.898～-3 849.706 Pa，負壓氣室壓力分布云圖如圖8所示。由圖8可知負壓出口附近負壓絕對值最大，吸附作用最強，標(biāo)為藍色區(qū)域；以負壓出口為起點，負壓絕對值向兩側(cè)逐漸減小，云圖上呈現(xiàn)出由藍色向綠色、橙色和紅色減弱的趨勢；排種器入種口和落種口位于負壓接口最遠處，負壓吸附作用最弱。前文已計算出單粒種子能被牢牢吸附在型孔內(nèi)所需要的最大負壓值為-328.25 Pa，說明在氣室內(nèi)負壓吸附作用最弱的地方，仍能滿足單粒種子的吸附要求，理論上每個型孔均能正常完成對種子的吸附。

圖8 負壓氣室的壓力分布云圖

4.2.2 氣流速度分析

通過CFD-Post軟件導(dǎo)出排種器內(nèi)部氣流場的速度矢量云圖，如圖9所示。

因型孔外大內(nèi)小呈錐狀，氣流通過型孔時速度由外向內(nèi)迅速增大，最高可達79.165 m/s，高速氣流將種子牢牢吸壓在型孔內(nèi)；型孔旋轉(zhuǎn)至落種區(qū)時負壓氣道被隔斷，負壓吸附作用完全消失，氣流速度瞬間為0 m/s，種子在重力作用下完成落種。由此可見 氣流場速度矢量的分布規(guī)律與排種器排種規(guī)律相吻合，氣流速度達到充種要求。

4.2.3 氣流擾動分析

型孔氣流對周圍氣流場的擾動會影響到整個氣流場的穩(wěn)定性，從而影響其他型孔吸附種子的穩(wěn)定性。本文以負壓區(qū)型孔氣流為研究對象，如圖10所示。當(dāng)負壓氣流穿向外寬內(nèi)窄的錐形孔時，大量氣流突然從大空間向小錐孔聚集，受擠壓的負壓氣流高速穿過型孔，隨著空間變大，氣流由束狀向散發(fā)狀運動，速度慢慢減小，最后在負壓腔內(nèi)作近似順時針旋轉(zhuǎn)，對整個流場影響較小，達到設(shè)計要求。

圖10 型孔氣流擾動情況

5 排種器臺架驗證試驗

本試驗采用自制的臺架試驗設(shè)備，于2021年10月在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)機實驗室進行，試驗采用3D打印加工除排種盤外的所有排種器部件，排種盤采用機加工的方式定制。將排種器安裝在臺架上，其正負壓接口用軟管與HG1500型高壓漩渦風(fēng)機相連，通過功率為1.5 kW的110-180-Z系列伺服電機帶動排種盤旋轉(zhuǎn)，下方設(shè)有傳送皮帶，用來模擬種子落入田地的工作狀況，皮帶上涂有糯米膠，防止小青菜種子與傳送帶接觸時發(fā)生彈跳。在進行具體試驗時，風(fēng)機負壓值定為3.9 kPa，排種盤轉(zhuǎn)速為1.6 rad/s，排種器臺架試驗如圖11所示。

參考播種國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》[21]，以排種合格率Q、漏播率M、重播率C作排種器排種性能的評價指標(biāo)。按照相關(guān)農(nóng)藝要求，小青菜播種株距為4～5 mm，取中間值4.5 mm作為試驗理論合格株距L，按照要求合格排種的株距應(yīng)在(0.5L=2.25 mm，1.5L=6.75 mm)范圍內(nèi)，若臺架試驗中排種器排出的種子間株距大于6.75 mm，則記為漏播株距；若種子間株距小于2.25 mm，則記為重播株距，試驗共進行3次，式(6)為排種合格率Q、漏播率M、重播率C具體計算公式。

(6)

式中：n1——出現(xiàn)合格播種株距次數(shù)；

n2——出現(xiàn)漏播株距次數(shù)；

n3——出現(xiàn)重播株距次數(shù)；

N——試驗粒距測試總次數(shù)。

圖11 排種器臺架試驗圖

經(jīng)臺架試驗測試，排種器排種性能結(jié)果如表2所示，經(jīng)試驗后，求出排種器的平均合格率Q、平均漏播率M、平均重播率C分別為93.18%、2.34%、4.48%，查閱播種國家標(biāo)準(zhǔn)JB/T10293—2001《單粒(精密)播種機技術(shù)條件》[22]，當(dāng)種子間距≤10 mm時，排種合格的標(biāo)準(zhǔn)為粒距合格指數(shù)≥60%、重播指數(shù)≤30%、漏播指數(shù)≤15%，故測得的試驗結(jié)果符合此標(biāo)準(zhǔn)。試驗中種子基本能夠被牢牢吸附在排種盤的型孔內(nèi)，整個排種作業(yè)過程也較為穩(wěn)定。與其余氣吸式排種器排種效果數(shù)據(jù)對比，如表3所示。綜上所述，所設(shè)計的氣吸式排種器，其排種性能良好，播種穩(wěn)定性較高。

表2 排種器排種性能結(jié)果Tab. 2 Seed metering performance results of seed metering device

表3 排種器排種性能對比結(jié)果Tab. 3 Seed discharge performance comparison results

6 結(jié)論

1) 通過對“上海矮箕”型號的小青菜種子物理特性進行測定，得出單粒小青菜種子的千粒重為2.41 g，平均長度、寬度、厚度分別為1.76 mm、1.65 mm、1.64 mm，種子的球形度SP為95.59%。

2) 設(shè)計一款氣吸式小青菜精密排種器，對其排種過程進行闡釋，計算得出排種器的幾個關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，包括排種盤直徑dp=220 mm、排種盤上型孔直徑dx=1.1 mm、排種盤上吸附孔數(shù)量Z=90、型孔轉(zhuǎn)動半徑r=95 mm以及形成氣室所需最大真空度HCmax=-328.25 Pa。

3) 利用fluent軟件對排種器的排種過程進行仿真，得出排種器內(nèi)氣流場的相關(guān)仿真圖像及數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果驗證了本文所設(shè)計的排種器具有良好的排種能力。

4) 通過對排種器進行臺架試驗，測得排種器的平均合格率Q、平均漏播率M以及平均重播率C分別為93.18%、2.34%、4.48%，并與已有排種器排種性能進行對比，實驗結(jié)果表明排種器排種性能良好，符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。