馮銳 王子騰 劉偉渭

摘要：針對蠶豆播種機械化程度低、精密播種效果差的問題，結合傾斜圓盤式排種器與氣吸式排種器的優(yōu)點，設計一種氣吸傾斜圓盤式蠶豆精密排種器。首先，闡述排種器結構及原理，根據蠶豆的種植農藝要求及種子物理特性，對排種圓盤直徑、型孔數(shù)量及形狀等關鍵部件進行設計；然后，利用Fluent軟件對不同形狀氣孔對氣室流速及壓力影響進行仿真分析，確定最佳的氣孔形狀；最后，以轉速、型孔直徑和氣孔負壓為試驗因素，合格率、漏播率和重播率為試驗指標，在JPS-12型視覺排種器性能試驗臺上進行正交試驗。試驗結果表明：當轉速為78r/min、氣孔負壓為2kPa、型孔直徑為23mm時，排種試驗合格率為93.67%，重播率為4.33%，漏播率為2%。

關鍵詞：蠶豆；氣吸傾斜圓盤式；精密排種器；Fluent

中圖分類號：S223.2

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2023） 12002508

Design and experiment of air-suction inclined disc precise seed separator for Vicia faba L.

Feng Rui1， 2， Wang Ziteng3， Liu Weiwei4

（1. Sichuan Vocational College of Chemical Industry， Luzhou， 646099， China; 2. College of Mechanical Engineering，

Xihua University， Chengdu， 610039， China; 3. Faculty of Mechanical and Electrical Engineering， Kunming

University of Science and Technology， Kunming， 650500， China; 4. College of Mechanical Engineering，

Southwest Jiaotong University， Chengdu， 610031， China）

Abstract：

Aiming at the problems of low degree of mechanization and poor precision sowing effect of Vicia faba L.， combined with the advantages of mechanical sowing and air suction sowing， an air-suction inclined disc precise seed separator for Vicia faba L. was designed. Firstly， the structure and principle of seed metering device were expounded. According to the agronomic requirements and seed physical characteristics of Vicia faba L.， the diameter of seed metering disc， the number and shape of hole and other key components were designed. Then， the Fluent software was used to simulate and analyze the influence of different shapes of pores on the flow velocity and pressure of the chamber， and the best shape of pores was determined. Finally， taking rotational speed， hole diameter and stomatal negative pressure as experimental factors， the qualified rate， missed sowing rate and replay rate as experimental indexes， the orthogonal test was carried out on the performance test bench of JPS-12 visual seed metering device. The test results showed that when the rotation speed was 78 r/min， the negative stomatal pressure was 2 kPa and the diameter of the mold hole was 23 mm， the qualified rate of the seeding test was 93.67%， the replay rate was 4.33% and the leakage rate was 2%.

Keywords：

Vicia faba L.; air-suction inclined disc precise seed separator; precision seed metering device; Fluent

0 引言

蠶豆（Vicia faba L.）又稱南豆等，屬豆科，由于其具有高營養(yǎng)價值及優(yōu)良的固氮作用被廣泛播種，是世界第三大冬季食用豆類，在我國主要分布于四川、云南、山東等地［12］。據統(tǒng)計，2022年我國蠶豆種植面積達966.8khm2，產量達2010kt，均占全國的36.24%以上，蠶豆的市場需求與經濟效益都在逐年升高，尤其西南地區(qū)蠶豆“干改鮮”政策的實施，使得蠶豆市場前景更加廣闊，因此對蠶豆精密播種技術提出了更高的要求［3］。

排種器作為精密播種機的核心，其類型選擇與結構設計至關重要，國外對于蠶豆排種器的研究較少，由于玉米種子與蠶豆種子類似，大都是通過改裝玉米排種器來進行蠶豆播種，主要分為機械式和氣吸式兩種［46］，其中機械式排種器結構簡單且造價低，但是高速作業(yè)穩(wěn)定性差，而氣吸式排種器雖然有種子適用性好、傷種率低等優(yōu)點，但田間作業(yè)壓力較難控制且播種成本較高，國外這些大型機械均用于大規(guī)模播種，對于丘陵山區(qū)的特殊地形并不適用。國內對于蠶豆排種器的相關研究較少，其中中國農業(yè)大學李玉環(huán)等［7］結合勺輪式與指夾式的排種器優(yōu)點，設計了一種勺夾式的蠶豆排種器，該排種器對扁平大粒蠶豆種子適用性好，在提高播種精度的前提下降低了種子損傷，為相關排種器設計提供了理論指導；昆明理工大學劉雄佩［8］根據蠶豆物料特性，設計了一種氣吸式蠶豆精密排種器，利用仿真與試驗的方法對其排種性能進行了驗證，為氣吸式蠶豆排種器的研制提供了理論參考。除此之外，國內的一些學者根據傾斜圓盤式排種器結構簡單、自重清種等優(yōu)點進行大粒徑種子的播種，可滿足玉米、花生、大蒜等種子的精密播種要求［912］，但是該排種器在高速狀態(tài)下充種性能不夠穩(wěn)定，嚴重時容易造成充種區(qū)種子堆積。

本文結合傾斜圓盤式排種器與氣吸式排種器的優(yōu)點，創(chuàng)新設計出一種氣吸傾斜圓盤式蠶豆精密排種器，依靠氣孔吸力與型孔的支撐作用保證高速排種狀態(tài)下種子的充種合格率，提高蠶豆種子充種效率和充種穩(wěn)定性，根據蠶豆種子的株行距等農藝要求對其關鍵部件進行設計，通過仿真確定最佳氣孔形狀，通過臺架試驗驗證該排種器的可靠性。

1 氣吸傾斜圓盤式蠶豆排種器結構與工作原理

氣吸傾斜圓盤式蠶豆精密排種器主要由掛耳、排種器前蓋（含種箱）、刮種齒、排種圓盤、卡簧a、帶槽軸承a、密封氣墊、固定盤、排種器后蓋（含氣室）、帶槽軸承b、卡簧b、排種軸、錐齒輪等組成，具體結構如圖1所示。該排種器的工作過程主要分為充種、清種、落種和排種四個過程。

排種器通過掛耳固定在機器機架上，保證其傾斜角度，動力由鏈傳動帶動副排種軸轉動，副排種軸通過軸交線150°的錐齒輪帶動排種軸轉動，在排種器前蓋與排種器后蓋裝有帶槽軸承，排種圓盤在平鍵的帶動下隨著排種軸一起轉動，固定盤與排種器后蓋連接，密封氣墊放在固定盤與排種器后蓋的內槽中，防止與排種圓盤一起轉動。作業(yè)時，種子從排種器前端蓋的種箱喂入，種子在重力作用下落入排種圓盤充種區(qū)，合適位置的種子進入型孔，每個型孔底部中心處布置有氣孔，氣孔與排種器后蓋氣室相通，氣孔吸力與型孔的支撐作用可保證種子的充種合格率；刮種齒固定在排種器前蓋，高于型孔多余的種子在刮種齒與慣性共同作用下掉落，完成清種；在排種器前蓋上布置有引導槽，由于傾斜圓盤角度大于蠶豆種子最大摩擦角，多余種子隨著引導槽回落至充種區(qū)進行二次充種；氣墊將投種區(qū)的氣孔遮擋，使得種子到達投種區(qū)后，在重力作用下完成投種。

2 排種器關鍵部件設計

2.1 排種圓盤

排種圓盤是氣吸傾斜圓盤式蠶豆精密排種器的核心部件，排種圓盤結構的合理性決定作業(yè)質量的高低。通過前期對蠶豆外形參數(shù)測定的結果，結合經驗設計公式對排種盤進行設計，排種圓盤結構如圖2所示。

2.1.1 排種圓盤直徑

排種圓盤大小由種子播種農藝要求決定，同時又決定著排種器及播種機其他結構的尺寸和布置。對于氣吸傾斜圓盤式排種器，在充種區(qū)域，型孔轉動的有效距離越長，越有利于充種。

式中：

T——最大充種時間，s；

L——充種最大線位移，m；

V——圓盤型孔線速度，m/s；

θ——充種區(qū)最大弧度，rad；

d——型孔外徑，mm；

ω——排種圓盤角速度，rad/s。

綜合可得

根據式（4）可以看出，充種時間只受排種盤角速度和充種區(qū)弧度的影響，與排種盤直徑無關，但是排種圓盤直徑越大，型孔轉動的有效距離越長，越有利于充種。傳統(tǒng)的排種器圓盤直徑一般為140～260mm，結合蠶豆的株距要求8～12cm［8］，最終確定排種圓盤直徑D為240mm。

2.1.2 型孔數(shù)量

對于氣吸傾斜圓盤式排種器，型孔數(shù)量由蠶豆株距、機器作業(yè)速度、地輪直徑、鏈條和錐齒輪傳動比共同決定，通過計算排種圓盤的角速度及轉速即可確定排種圓盤各型孔的間隔夾角，從而確定型孔數(shù)量，計算公式如式（5）所示。

式中：

α——型孔間隔夾角，（°）；

n——排種圓盤轉速，r/min；

vc——機器作業(yè)速度，m/s；

S——蠶豆株距，m。

蠶豆種植株距約為8～12cm，播種機輪胎直徑一般取40cm，為保證機器結構合理性與適用性，動力總成與排種器采用鏈傳動，為保證排種器傾斜角度采用軸交線為150°的錐齒輪傳動，其中鏈傳動傳動比選擇i1=1.5∶1，齒輪傳動傳動比i2=1∶1，初步設定機器前進速度為1～2m/s。可確定排種器轉速為48～84r/min，由式（5）可確定型孔間隔夾角為17.3°～32.14°?？紤]到蠶豆屬扁平大粒種子且形狀不規(guī)則，型孔所占空間較大，因此取型孔間隔夾角為30°，型孔數(shù)量為12。

2.1.3 型孔形狀

型孔形狀由種子三軸尺寸確定，本文蠶豆品種選用云豆147，隨機選取100粒蠶豆種子利用精度為0.01mm的數(shù)顯游標卡尺進行三軸尺寸測量，結果如表1所示。

不同地區(qū)蠶豆種植的農藝要求存在差異，有些地方要求每穴2～3粒，可保證出苗率，通過農藝試驗可知，云豆147每穴單粒出苗效果最佳，因此選擇圓柱型孔，蠶豆屬于扁平種子，一般為“平躺”狀態(tài)，這種姿態(tài)充種最穩(wěn)定且成功率高，為減少種子損傷并更有利于充種，在型孔與種子接觸邊緣倒45°角，如圖3所示。

根據種子型孔設計規(guī)則，型孔尺寸應滿足式（6）［13］。

式中：

amax——蠶豆長度最大值，mm；

emin——蠶豆薄端厚最小值，mm；

cmax——蠶豆厚端厚最大值，mm；

d1——蠶豆型孔直徑，mm；

H——蠶豆型孔厚度，mm。

結合蠶豆種子三軸尺寸測量統(tǒng)計結果，確定型孔厚度為10mm，而蠶豆種子相差較大，測量蠶豆最大長度可達24.16mm，最小為17.56mm，因此計算得出型孔直徑為21～25mm，為確定最佳型孔直徑，通過后續(xù)臺架正交試驗獲得。

2.1.4 排種圓盤傾角

為保證蠶豆種子充種與清種的效率，本文設計排種圓盤與水平存在一定的角度，但是若傾角過大，會使得種子不能完全進入型孔，一定程度會造成漏播現(xiàn)象；若傾角過小，清種效果會降低［12］。因此通過對種子極限情況受力進行分析，從而確定傾角的大小，如圖4所示，則有

式中：

Fn——排種圓盤對種子支持力，N；

Ff——種子摩擦力，N；

Fa——種子離心力，N；

Fq——氣吸孔對種子的吸力，N；

β——排種圓盤傾角，（°）;

D2——型孔分布圓直徑，mm；

m——種子質量，kg；

g——重力系數(shù)，N/kg;

μ——摩擦系數(shù)。

排種盤在試驗過程中采用3D打印方式進行加工，通過試驗確定蠶豆種子與3D打印材料ABS之間的靜摩擦系數(shù)為0.45，通過機器前進作業(yè)速度，確定排種器角速度為5.03～8.77rad/s，將數(shù)據代入式（7）可得排種圓盤與水平方向的夾角為18.5°～35.4°，為方便錐齒輪的加工，本文選擇排種圓盤傾角為30°，測定靜摩擦系數(shù)時可知種子最大滑動摩擦角為22.5°，因此設定傾角30°可以保證排種器的清種效果。

2.1.5 氣孔設計

氣孔直徑決定著種子的充種效率，其尺寸由種子形狀參數(shù)決定。由于未經過分級的蠶豆種子形態(tài)差異，為保證每個型孔只吸一粒種子且要保證吸附效果，要求氣孔直徑與種子外形相適應［14］。根據農業(yè)機械設計手冊［13］可知

d2=（0.6～0.7）M? ? （8）

式中：

d2——氣孔直徑，mm；

M——種子平均直徑，mm。

由于蠶豆種子三軸尺寸相差較大，且種子進入型孔大都為“平躺”狀態(tài)，因此種子平均直徑由其長度a和寬度b的均值確定，最終確定吸孔直徑為11.55～13.46mm。不同形狀氣孔具有不同的吸附效果，本文氣孔形狀通過有限元仿真確定。

2.2 氣室

對于氣吸傾斜圓盤式排種器來說，良好的氣密性不僅能降低功耗，更能保證充種效果。本文的排種器氣室設計了雙層鎖封結構，如圖5所示。一層鎖封為后蓋、固定盤和氣墊共同完成，后蓋的一層鎖封與固定盤將氣墊固定在排種圓盤的氣墊槽內，即使在排種圓盤轉動過程中，也能保證氣墊與排種盤的貼合；二層鎖封由后蓋與前蓋共同完成，排種盤包裹在前蓋與后蓋之間，前蓋與排種圓盤留有一定的空隙保證排種盤的轉動。與傳統(tǒng)氣吸式排種器相比，雙層鎖封設計可有效改善排種圓盤轉動過程中氣密性差的缺點。

3 有限元仿真分析

不同的型孔形狀具有不同的吸附效果，為選擇最佳的型孔形狀，結合氣吸傾斜圓盤式蠶豆精密排種器工作過程中的運動學分析，利用有限元軟件對不同型孔形狀的壓強、氣室氣壓分布進行仿真分析。

3.1 有限元模型建立

型孔的尺寸對氣室內流場分布、氣流穩(wěn)定性等有重要影響，本文在結構設計中，通過經驗分析及理論計算確定吸孔直徑為11.55～13.46mm，利用NX軟件進行建模，如圖6所示。本文主要對比柱形孔、錐形孔、倒角孔和沉頭孔出口處壓強、流速的區(qū)別［1516］。將模型導入Fluent軟件中，網格劃分為三次四面體單元，網格大小設置為2mm，最大網格設置為6mm，網格數(shù)量約為141896個。

仿真過程中流體湍流模型選用k-epsilon模型，腔體中流體選擇空氣air，空氣密度為1.225kg/cm3，空氣黏度為1.78×10-5Pa·s，邊界條件設置時，設定腔體內壁表面粗糙度0.05mm，進口選擇壓力輸入2kPa，選用Coupld方法求解，設置完成后進行求解。

3.2 仿真結果分析

3.2.1 不同型孔氣室壓力對比

圖7為不同氣孔氣室靜壓云圖和動壓云圖，總體上可以看出，氣流進入氣室后迅速向左右兩邊擴散，在氣室中央形成一個環(huán)形高壓帶，并且靠近進氣口一端的氣室負壓要大。從靜壓分布云圖可以看出，不同氣孔壓力擴散程度不同，柱形孔擴散效果最優(yōu)，倒角孔次之，錐形孔最差；從動壓分布云圖可以看出，倒角孔壓力分布最均勻，此種氣孔的高壓帶集中分布在型孔位置，更有利于充種；在總壓分布云圖中，四種不同氣孔的云圖負壓最大值相差不大，通過測定各氣室氣孔處壓力，可知沉頭孔壓力最小且氣孔處壓力不集中，此種氣孔可能造成漏播現(xiàn)象。

3.2.2 不同型孔氣室流速對比

圖8為不同型孔流速分布云圖，整體上看，不同型孔的氣室內流速最高都集中在型孔區(qū)域，觀察型孔的局部云圖可知沉頭孔的出口流速最大為1.5m/s，其次為倒角孔為1.48m/s，柱形孔出口流速最差。綜上所述，本文氣孔形狀選擇倒角孔。

4 排種器性能試驗

4.1 試驗條件

為確定各因素對氣吸傾斜圓盤式蠶豆精密排種器排種效果的影響，利用JPS-12型視覺排種器性能試驗臺進行了臺架試驗，試驗品種為“云豆147”，通過參考相關排種器研究，確定選擇排種圓盤轉速、型孔直徑和氣孔負壓作為試驗因素。

4.2 試驗方案

本次試驗選擇二次回歸正交旋轉組合試驗設計，通過預試驗，確定排種圓盤轉速范圍為66～90r/min、型孔直徑為21～25mm、氣孔負壓為1.6～2.4kPa。根據國家標準GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機試驗方法》確定以合格率、重播率以及漏播率為試驗指標，定義單粒為合格，多粒為重播，沒有則為漏播，計算公式如式（9）～式（11）所示。

式中：

N1——合格率，%；

N2——重播率，%；

N3——漏播率，%；

n1——合格穴數(shù)，個；

n2——重播穴數(shù)，個；

n3——漏播穴數(shù)，個；

N——總穴數(shù)，個。

根據試驗方案設計，需要進行23組試驗，每組試驗進行3次，3次試驗取均值作為該組試驗最終結果，試驗因素編碼如表2所示。

4.3 試驗結果及分析

正交試驗結果如表3所示，其中X1、X2、X3為因素編碼值。將結果導入Design Expert 軟件中進行多元回歸擬合與方差分析，結果如表4所示。

鑒于本文主要對排種器的充種效果進行研究，因此主要對合格率和重播率進行分析。根據表4可以看出，合格率與重播率的回歸模型均極其顯著且擬合方差不顯著，表明回歸方程擬合有意義。去除不顯著影響因素，可得合格率N1與重播率N2的回歸方程，如式（12）、式（13）所示。

N1=90.97－3.53X1+2.59X2+2.09X3－2.59X2X3－11.22X12－3.15X22－2.20X32（12）

N2=5.55+5.69X1－2.42X2－5.67X3+1.46X2X3+6.44X12+1.57X32（13）

從表4可知，對合格率影響的因素順序為型孔直徑、轉速、負壓，其中型孔直徑與氣孔負壓的交互作用影響顯著。圖9為型孔直徑與氣孔負壓的交互作用對合格率影響的響應曲面，可以看出充種合格率隨著型孔直徑增大而升高，而后趨于平緩，氣孔負壓的影響規(guī)律一致。型孔越大蠶豆種子在型孔中的姿態(tài)就越好，當型孔大小能夠適合大部分種子完美落入型孔，充種性能就達到最佳；吸力越大蠶豆種子在型孔中的黏附效果就越好，當吸力產生的分力足夠抵消轉動過程中種子的離心力的時候，充種效果最優(yōu)。

三個因素對重播率影響主次順序為氣孔負壓、轉速、型孔直徑，其中氣孔負壓與型孔直徑交互作用不容忽視。圖10為型孔直徑與氣孔負壓的交互作用對重播率影響的響應曲面。

從圖10可以看出，重播率隨著氣孔負壓和型孔直徑的增大呈快速上升趨勢，主要因為隨著型孔直徑的增大，種子在型孔中的姿態(tài)就會產生多種變化，當型孔遇到相對較小的種子后，在負壓作用下就容易吸附多粒種子，在高負壓狀態(tài)下，清種就變得很困難，因此造成重播現(xiàn)象。

4.4 試驗結果優(yōu)化

設定合格率大于90%，重播率小于5%，漏播率小于5%，對正交試驗結果進行優(yōu)化，結果如圖11所示，當氣孔負壓處于零水平時，黃色區(qū)域為優(yōu)化結果，即當氣孔負壓為2kPa，型孔直徑為22.69～23.92mm，轉速為75.84～79.8r/min時，滿足條件設定。

在同等試驗條件下，對優(yōu)化后的參數(shù)結果進行驗證，選取氣孔負壓2kPa，型孔直徑23mm，轉速78r/min，進行3次試驗并將結果取平均值，驗證試驗合格率為93.67%，重播率為4.33%，漏播率為2%，試驗結果與優(yōu)化結果一致。

5 結論

1） 結合傾斜圓盤式排種器與氣吸式排種器的優(yōu)點，創(chuàng)新設計出一種氣吸傾斜圓盤式蠶豆精密排種器，根據播種農藝等要求對排種器關鍵部件進行設計，確定排種圓盤直徑為240mm，選用圓形型孔且型孔數(shù)量為12個。

2） 利用Fluent軟件對比柱形孔、錐形孔、倒角孔和沉頭孔對氣室內壓強、流速的影響，最終選用倒角孔作為該排種器的氣孔形狀。

3） 以轉速、型孔直徑和氣孔負壓為試驗因素，合格率、漏播率和重播率為試驗指標，在JPS-12型視覺排種器性能試驗臺上進行正交試驗，驗證試驗結果表明：當轉速為78r/min、氣孔負壓為2kPa，型孔直徑為23mm時，排種試驗合格率為93.67%，重播率為4.33%，漏播率為2%，滿足蠶豆播種要求。

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