摘要：人工播種黃精種子的效率低、成本高，現(xiàn)有黃精播種機多采用機械式排種器，存在卡種現(xiàn)象明顯、種子損傷率高等問題。針對這些問題，設計一款對不同尺寸黃精種子通用性強，且滿足其密植農(nóng)藝要求的氣吸式精密排種器。對黃精種子的種植技術(shù)及物理特性進行分析，得到黃精種子是千粒重為35.60 g、球形度為89.95%、等效粒徑為3.57 mm的中小粒徑種子；對排種器整體結(jié)構(gòu)及工作原理進行闡述，并將排種器工作過程分為3個區(qū)域：充種區(qū)、攜種區(qū)、投種區(qū)；根據(jù)黃精種子農(nóng)藝要求，對排種器主要部件進行形狀結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)設計。利用離散元法（DEM）分析黃精種子充種過程，求解無負壓狀態(tài)下種子運動規(guī)律；利用計算流體力學法（CFD）分析排種器內(nèi)部流場，求解負壓室流場壓力及流速情況；利用EDEM-FLUENT耦合分析排種器排種性能，求解負壓狀態(tài)下種子運動規(guī)律并分析排種器充種性能、攜種性能以及投種性能。仿真結(jié)果表明：當排種盤轉(zhuǎn)速為30 r/min、氣壓管負壓為3.5 kPa時，設計的排種器排種合格率為90.5%，重播率為6%，漏播率為3.5%，排種性能良好。

關(guān)鍵詞：黃精；氣吸式排種器；離散元法；流體力學法；EDEM-FLUENT耦合

中圖分類號：S223.26

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 12-0001-08收稿日期：2023年6月22日

修回日期：2023年8月25日

*基金項目：國家自然科學基金（31260425）；云南省重大科技專項（202102AE090042—06—04）；云南省重大科技專項（202102AA310048）

第一作者：鄭嘉鑫，女，1988年生，吉林吉林人，副教授，碩導；研究方向為高原特色農(nóng)業(yè)全程機械化及仿生智能農(nóng)業(yè)裝備。E-mail：zhengjiaxin_0628@126.com

通訊作者：楊文彩，女，1973年生，昆明人，教授，博導；研究方向為智能精密播種技術(shù)、農(nóng)業(yè)機械化與智能裝備工程等。E-mail：yangwencai2005@126.com

Design and simulation of air-suction type precision seed metering device for Polygonatum seeds

Zheng Jiaxin^{1， 2}， Guo Haiyu¹， Hu Chi¹， Zhou Guodong¹， Fang Pengcheng¹， Yang Wencai¹

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Yunnan Agricultural University， Kunming， 650201， China; 2. Yunnan Provincial University Modern Agricultural Equipment Engineering Research Centre with Highland Characteristics， Kunming， 650201， China）

Abstract： The efficiency of manually sowing Polygonatum sibiricum seeds is low and the cost is high， besides the existing Polygonatum seeders mostly use mechanical seeders， resulting in obvious seed jamming and a high rate of seed damage. In response to the above issues， an air-suction precision seeding apparatus has been designed with strong universality for different sizes of Polygonatum seeds and meets the requirements of dense planting agronomy. Firstly， the planting technology and physical characteristics of Polygonatum seeds were analyzed， and it was found that Polygonatum seeds were small and medium-sized seeds with 1 000-grain weight of 35.60 g， sphericity of 89.95% and equivalent particle size of 3.57 mm. Secondly， the overall structure and working principle of the seeding apparatus were explained， and the working process of the seederwas divided into three areas： seed filling area， seed carrying area， and seed dropping area. Thirdly， according to the agronomic requirements of Polygonatum sibiricum seeds， the shape structure and size parameters of the main components of the seed metering device were designed. Finally， the Discrete Element Method （DEM） was used to analyze the seed filling process of Polygonatum sibiricum， and solved the motion law of the seed without negative pressure， the Computational Fluid Dynamics （CFD） method was used to analyze the internal flow field of the metering device， and solved the pressure and flow rate of flow field at the negative pressure chamber， the EDEM-FLUENT coupling was used to analyze the seeding performance of the seeding apparatus， solved the seed movement law under negative pressure， and analyzed the filling performance， carrying performance and throwing performance of the seed metering device. The simulation results indicate that when the speed of seed discharging disk is 30 r/min， the negative pressure of pneumatic tube is 3.5 kPa， the qualified rate is 90.5%， the reseeding rate is 6%， the leakage rate is 3.5%， the performance of seed discharging is good.

Keywords： Polygonatum; air-suction metering device; discrete element method; CFD; EDEM-FLUENT coupling

0 引言

黃精是我國傳統(tǒng)中藥材，作為經(jīng)典的食藥兩用植物，具有延緩衰老、健脾、滋陰潤肺等功效，主治脾胃虛弱、消渴、肺虛咳嗽等癥狀^［1］。近年來，因其卓越的藥用價值及國民保健意識的增強，黃精的市場需求大幅增長^［2］。人工栽培主要采用育苗移栽的形式，育苗播種的株距和行距多為5～10 cm。目前針對黃精種子精量播種的機器類型較少，并且由于黃精種子的品種較多，同一品種之間存在尺寸及農(nóng)藝要求的差異，一般機械式排種器易出現(xiàn)卡種、播種質(zhì)量差、損傷率高等問題。

排種器作為播種機的關(guān)鍵元件，其排種性能直接決定著播種的效率及質(zhì)量^［3］。氣吸式排種器主要依靠調(diào)整風機的氣壓實現(xiàn)精密點播，具有不損傷種子、適應性強、對種子外形尺寸要求較低等優(yōu)點，現(xiàn)已被廣泛用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。顏丙新等^［4］設計了一種排種盤和負壓腔室同步旋轉(zhuǎn)的氣吸式排種器，通過固定連接排種盤與負壓腔室，使其在作業(yè)時同步旋轉(zhuǎn)達到高排種精度和低氣壓損失的效果。張開興等^［5］設計了一種變粒徑雙圓盤氣吸式精量排種器，可在無需更換圓盤情況下，實現(xiàn)不同粒徑種子的精量播種。賈洪雷等^［6］設計了一種在排種盤上同時設有導種槽、取種槽和吸孔3種種子拾取裝置的氣吸機械復合式大豆精密排種器，解決了現(xiàn)氣吸式精密排種器遇負壓驟降時易發(fā)生大量漏播的問題。Zhang等^［7］設計了一種基于小粒徑蔬菜種子物理特性的氣吸式精密排種器， 解決了目前小粒徑蔬菜種子氣吸式精密排種器合格率低，結(jié)構(gòu)復雜等問題。

上述研究雖在排種器結(jié)構(gòu)和排種方式上有所創(chuàng)新，但缺少針對黃精種子特性及密植農(nóng)藝需求的氣吸式排種器。本文參考黃精播種的農(nóng)藝要求，結(jié)合田間實際生產(chǎn)，設計一款針對黃精種子形狀尺寸特點及滿足其農(nóng)藝要求的小型氣吸式精密排種器，并通過仿真驗證所設計排種器的合理性。

1 黃精種子農(nóng)藝要求及物理特性

1.1 黃精種子農(nóng)藝要求

針對云南地區(qū)，黃精種植多采用育苗移栽形式，其黃精播種的農(nóng)藝要求如下。（1）選地整地：黃精適合種植在比較濕潤肥沃的地方。通常，畦面的寬度為1.2 m（圖1），

長度取決整個土地的面積。畦面高出地平面10～15 cm^［8］，在畦內(nèi)要施足一定的底肥。（2）株距：云南地區(qū)土地大多為高原紅壤，株距5～8 cm，行距5～8 cm。（3）播深：根據(jù)云南地域特點和土壤性質(zhì)，為使種子得到充分的水分，種子播種深度在3～5 cm。

1.2 黃精種子物理特性

黃精種子的物理特性決定排種器相關(guān)部件的設計要求，如圖2所示，在黃精種子中以“黃皮種子”為試驗材料，黃皮種子來自成熟的種球，大多呈不規(guī)則橢球型。

1.2.1 千粒重的測定

千粒重表示1 000粒種子的重量，以克為單位，是反映種子大小和飽滿程度的重要指標，也是檢查種子品質(zhì)和生產(chǎn)設計的主要內(nèi)容。在對黃精種球進行處理后，隨機取3份黃精種子，每份1 000粒，分別進行稱重，取平均值，求出黃精種子的千粒重為35.60 g。

1.2.2 三軸尺寸及等效粒徑的測定

因黃精種子尺寸較小，采用軸向尺寸法。試驗選取黃精種子1 000粒，使用精度為0.01 mm的數(shù)顯游標卡尺，對每粒種子的三軸尺寸進行測量與記錄。表1為所測種子三軸尺寸的統(tǒng)計表。

上述已獲得黃精種子三軸尺寸的平均值，可采用調(diào)和平均粒徑公式（1）求得其等效直徑。

d=3（1/a+1/b+1/c）^-1 （1）

將黃精種子的三軸平均尺寸代入式（1）可得種子的等效粒徑d=3.57 mm。

1.2.3 球形度的測定

球形度表示種子實際形狀與球體之間差異程度的指標^［9］，計算如式（2）所示。

S_p=（abc）^1/3/a （2）

將黃精種子的三軸平均數(shù)據(jù)代入式（2）可得S_p=89.95%。結(jié)果表明，黃精種子粒徑較小，種子形狀近似為球形，因此為降低對種子形狀尺寸的要求，應采用氣吸式排種器。

2 排種器整體結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)云南的地形地貌和耕地類型，在播種時需使用中小型播種機。設計的播種機一次能完成15行播種，一個排種器單體可以播一行，共有15個排種器。排種器在播種機上均勻平行分布，左端為種箱，播種機風機通過氣管連接排種器右端的氣壓管，實現(xiàn)負壓進行吸種。

設計的氣吸式黃精種子精密排種器，整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由種箱、排種器蓋、推種輪、連接盤、攪種盤、排種盤、軸承、負壓室、排種器殼和氣壓管等組成。

2.2 工作原理

如圖4所示，排種器從功能上可分為3個工作區(qū)域，分別為充種區(qū)域Ⅰ，攜種區(qū)域Ⅱ，投種區(qū)域Ⅲ。排種器工作時，種子由種箱口連續(xù)進入到排種盤的充種區(qū)域，傳動軸帶動排種盤及攪種盤順時針方向旋轉(zhuǎn)，同時播種機上的風機通過氣管連接氣壓管，并將風壓傳至負壓室，使種子吸附在吸孔上。

當排種盤轉(zhuǎn)動到Ⅰ區(qū)域時，種子在自身重力、種間作用力和攪種盤的作用下進入導種槽，導種槽對種子存在引導推動作用，形成規(guī)則運動的種子流（一般有2～3粒種子進入導種槽），

使種子有序地沿著導種槽進入型孔槽。當?shù)?顆種子進入型孔槽（只能容納1粒黃精種子）后，種子與底部的吸孔接觸，并在負壓室所提供的負壓氣流作用下，種子被逐一吸附，并隨排種盤轉(zhuǎn)動攜帶至投種區(qū)域。

當排種盤轉(zhuǎn)動到Ⅱ區(qū)域時，導種槽中的種子隨排種盤的轉(zhuǎn)動及其自身的重力作用從導種槽掉落，并重新進入充種區(qū)域。而在型孔槽中的種子全程采用氣吸進行攜種，則不受影響。該區(qū)域內(nèi)排種器自動清除“重播”的種子，實現(xiàn)清種及攜種功能。

當排種盤轉(zhuǎn)動到Ⅲ區(qū)域時，負壓吸附不起作用，種子就會在離心力及自身重力的共同作用下掉落。為保證種子掉落的連貫性和穩(wěn)定性，并減小投種時對種子造成的損傷，該排種器增添了推種輪裝置。推種輪從動轉(zhuǎn)動，利用其與型孔槽的嚙合，進而將種子推出，進行輔助排種，實現(xiàn)投種功能。

排種環(huán)如此往復循環(huán)通過Ⅰ—Ⅲ區(qū)域，實現(xiàn)排種器的充種、清種、攜種、投種四個功能。

3 排種器重要部件設計

3.1 排種器安裝的設計

如圖5所示，為滿足黃精種子農(nóng)藝要求，單個排種器總寬應小于50 mm，本文選取排種器殼寬度為18 mm，其直徑能夠密封排種盤；排種器蓋和種箱寬度均為10 mm；氣壓管長度為8 mm；單個排種器總寬度為46 mm，能夠?qū)崿F(xiàn)多排同時播種。

3.2 排種盤尺寸

排種盤直徑是排種器的基礎參數(shù)，其對排種輪的運行性能、吸孔數(shù)量及排種器總體尺寸都有重要意義。參考《農(nóng)業(yè)機械設計手冊》，一般排種盤直徑范圍為140～260 mm。根據(jù)黃精種子為中等尺寸的圓粒種子，并結(jié)合氣吸式排種器的整體尺寸，選取排種盤直徑d₁為160 mm，由3 mm不銹鋼板沖壓而成。為保證排種器的氣密性，排種盤在安裝時需部分內(nèi)嵌入排種器殼。

3.3 排種盤型孔

以成熟黃精種球的黃皮種子為對象，將其平均寬度d=3.696±0.312 mm代入吸孔直徑公式（3），計算得出吸孔直徑范圍為2.165 76～2.645 28 mm。結(jié)合加工實際，經(jīng)過圓整后的吸孔直徑為2.5 mm。

d_sh=（0.64～0.66）d （3）

查閱文獻［7］，選取吸孔類型為60°錐角的倒角型吸孔，倒角高度為0.5 mm，如圖6所示。當同類籽粒的不同品種在尺寸差異不大的情況下，依然可采用該排種盤。若差距大，可更換排種盤，然后再進行播種^［10］。

排種盤型孔個數(shù)是排種盤最重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，在吸孔直徑和播種速度一定的情況下，型孔數(shù)越多，排種盤轉(zhuǎn)速越低，排種器工作過程中充種時間就越長，更利于提高充種率、降低種子破損率，但型孔個數(shù)過多也會增大對吸種負壓的要求。排種圓盤的型孔數(shù)量計算如式（4）所示。

M=πD_wv_c（1+δ）/v_lk （4）

式中：D_w——圓盤直徑，D_w=d₁=160 mm；

v_c——播種機作業(yè)速度，m/s；

δ——地輪滑移率，一般為0.05～0.12；

v_l——種子脫落時的線速度，m/s；

k ——株距，m。

通常排種器的線速度應小于0.35 m/s^{［5， 11］}，取0.25 m/s；考慮黃精的特性，黃精常生長在潮濕的環(huán)境，因此地輪滑移率取0.1；播種機作業(yè)速度在4～8 km/h時，其株距合格率可以達到80%以上，當播種機作業(yè)速度達到11～12 km/h時，其株距合格率就會降低到60%以下^［12］。以黃精種子為例，播種機作業(yè)速度取6 km/h，即1.67 m/s。一般黃精種植的株距為0.05～0.08 m，則46.15≤M≤73.87。為使型孔分布緊湊、均勻，并考慮充種的有效性，故排種器型孔的周向數(shù)量M設為60個。

設置導種槽是為了擾動充種區(qū)域的種子，并在負壓吸力的雙重作用下引導種子進入型孔槽，縮短充種時間，提高取種性能。如圖7所示，設計的導種槽為平行四邊形槽，上平面相切于直徑為d₃的圓，隨著排種盤的轉(zhuǎn)動，種子更易進入導種槽；底面存在一個斜坡，引導種子從排種盤表面進入型孔槽中；查閱參考文獻［6］，選取導種槽沿著型孔槽的對稱平面偏移45°。

種子進入型孔槽后，其內(nèi)壁對種子具有一定的扶持功能，并在負壓吸附作用下，隨排種盤轉(zhuǎn)動攜帶至投種區(qū)域。如圖7所示，型孔槽為梯形槽，底部存在吸孔，槽的上底為5 mm，下底略長于上底，種子更易在投種區(qū)域投種，提高排種率，并根據(jù)黃精種子的三維尺寸，在設計時使型孔槽只能容納1粒種子。

綜上所述，由于型孔槽及吸孔的限制，設計的排種器可容納平均粒徑為2.5～5 mm的黃精種子。因此可在不替換排種盤的情況下，實現(xiàn)三種不同類型的黃精種子排種要求。

3.4 排種盤轉(zhuǎn)速

排種盤轉(zhuǎn)速對排種器工作性能影響較大，因此在排種器工作時，需根據(jù)田間實際情況，選擇合適的播種機前進速度，進而確定排種盤工作轉(zhuǎn)速。排種盤轉(zhuǎn)速n與播種機前進速度v關(guān)系如式（5）所示。

n=v×10³/60×l×p （5）

式中：n——排種盤轉(zhuǎn)速，r/min；

v——前進速度，km/h；

l——株距，m；

p——排種盤吸孔數(shù)。

為保證株距具有較高的合格率，選擇播種機前進速度為4～8 km/h，株距為0.05～0.08 m，則排種盤理想轉(zhuǎn)速n為13.88～44.44 r/min。

3.5 攪種盤的設計

在傳統(tǒng)的充種室中，種子不易被吸附到吸孔上^［13］。因此在排種盤上安裝一個直徑為120 mm的攪種盤，其內(nèi)嵌排種盤并通過連接盤固接。該裝置在旋轉(zhuǎn)時會對種群產(chǎn)生擾動力，使種子呈現(xiàn)浮動狀態(tài)，提高種子的流動性和充種效率。

3.6 推種輪的設計

推種輪置于排種器的投種區(qū)域內(nèi)，在投種過程中，推種輪是隨排種盤從動轉(zhuǎn)動，推種輪的輪齒與排種盤型孔依次連續(xù)內(nèi)嚙合，因此兩輪的運動關(guān)系為純滾動。如圖8所示，為確保兩輪能夠有效嚙合，在圓弧方向上，推種輪和排種輪的型孔間距應相同^［14］。

2πR/M=2πr/m （6）

r=mR/M （7）

式中：R——排種盤型孔內(nèi)半徑， R=d₂/2=75 mm；

M——型孔數(shù)，60個；

r——推種輪基圓半徑，mm；

m——推種輪齒數(shù)。

本文取 m=8 ，則r=10 mm。

4 模擬仿真與結(jié)果分析

4.1 排種器充種過程仿真試驗

在充種過程中，種子之間以及排種器與種群之間存在相互作用力，因此有必要對黃精種子充種過程中種子的運動狀態(tài)進行仿真分析。利用離散元法（DEM）^［15］，使用EDEM仿真種子在零負壓條件下的充種過程，得到黃精種子的運動狀態(tài)，并分析種子的運動規(guī)律。為簡化顆粒模型，選取種子等效粒徑d=3.57 mm的球狀模型來進行仿真分析^［16］。

4.1.1 EDEM參數(shù)設置

利用SolidWorks對氣吸式黃精種子精密排種器進行三維建模。在EDEM中，導入排種器模型，調(diào)整種子和排種器的屬性參數(shù)，包括種子之間以及種子與排種器之間的接觸模式，使用等效直徑為3.57 mm，尺寸分布為正態(tài)分布的種子顆粒；將排種盤繞其圓心順時針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至25 r/min；創(chuàng)建一個虛擬平面，并添加一個顆粒工廠，以產(chǎn)生種子；將時間步長設為1×10^-5 s，仿真時間調(diào)節(jié)至10 s，以便獲得更準確的結(jié)果。將網(wǎng)格尺寸調(diào)整至3R_min，最終形成33 120個獨立的網(wǎng)格單元。運行EDEM求解器，對排種器進行充種仿真，充種過程如圖9所示。

4.1.2 充種仿真試驗結(jié)果分析

1）

排種器充種階段。如圖10黃精種子充種仿真矢量圖所示，充種過程可分為3個階段，Ⅰ階段：種子生產(chǎn)，做自由落體運動，速度快速增加；Ⅱ階段：種子與種子、種箱底、排種器殼發(fā)生接觸，產(chǎn)生堆積，速度快速下降到幾乎為零；Ⅲ階段：在排種盤及攪種盤的轉(zhuǎn)動下，種子進入型孔，速度緩慢上升到與排種器轉(zhuǎn)速同速。

2） 無負壓狀態(tài)充種性能。型孔槽內(nèi)有種子即為充種成功，反之，沒有種子則為漏充，會導致排種器出現(xiàn)漏播現(xiàn)象^［17］。因此，排種器的充種情況，會嚴重影響其排種性能。如圖11所示，在無負壓作用和排種盤離開種群時，設計的排種器仍能夠在多個型孔處保留1～2粒種子，保證排種器具有優(yōu)良的充種性能。

EDEM后處理器（Analyst）具有強大的后處理能力，通過后處理器生成黃精種子平均速度變化曲線，如圖12所示?？梢钥闯?，其結(jié)論與上述一致。因此，在充種區(qū)域內(nèi)，黃精種子能夠順利進入型孔，并跟隨排種盤轉(zhuǎn)動。

4.2 排種器內(nèi)部流場仿真試驗

氣吸式排種器是通過風機將排種器內(nèi)部的空氣吸走，整個負壓室就會處于一個負壓環(huán)境，種子則隨著排種盤轉(zhuǎn)動，經(jīng)過負壓室區(qū)域，被吸附在型孔上；當種子到達投種區(qū)，在自身重力及推種輪的作用下，完成投種。在整個排種過程，排種器內(nèi)部存在流場變化，因此需對排種器內(nèi)部流場進行分析，得到排種器內(nèi)部流場變化的規(guī)律。

利用計算流體力學法（CFD）^［18］，使用FLUENT軟件仿真排種器在負壓氣室內(nèi)部的流場分布情況，求解不同排種盤轉(zhuǎn)速下（15 r/min、25 r/min、35 r/min作為對比試驗）的整個負壓室與排種盤型孔內(nèi)的流場情況。

4.2.1 FLUENT參數(shù)設置

利用ANSYS中FLUENT分析系統(tǒng)模塊，在Spaceclaim中導入并簡化模型；填充流體仿真區(qū)域，選擇并重命名wall、inlet、outlet。用MESH將該氣流場劃分成網(wǎng)格面，并檢查網(wǎng)格情況，避免出現(xiàn)負體積網(wǎng)格。

在SETUP中，選擇湍流模型，并設置排種盤轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)中心及轉(zhuǎn)向；接著設置負壓室出入口壓力，入口壓力值設為0 Pa，出口負壓設為3.5 kPa；最后選擇求解算法為簡單，壓力差值方式為標準，設定迭代次數(shù)為5 000次進行迭代計算。流場氣流的矢量圖如圖13所示。

4.2.2 流場仿真試驗結(jié)果分析

1）

流場壓力分析。由圖14～圖16可知，氣流從氣壓管（環(huán)狀負壓室上部中心位置）進入負壓室后，在此處附近出現(xiàn)較高負壓，然后向四周緩慢遞減，并蔓延至剩余位置；由于右邊負壓區(qū)大于左邊負壓區(qū)，氣流進入到右邊底部區(qū)域時間更長，因此該區(qū)域呈現(xiàn)出吸孔外的區(qū)域壓力稍低，但所有吸孔處的壓力值幾乎一致；由于吸孔靠近排種盤邊緣，其壓力相比于內(nèi)側(cè)部分稍小，但由于型孔槽的扶持，及倒角型吸孔的支撐作用，排種盤在轉(zhuǎn)動時不需要過大的負壓力。因此，在同一轉(zhuǎn)速下，隨著排種盤的轉(zhuǎn)動，負壓室壓力分布變化較大，由此可說明排種器的轉(zhuǎn)動對流場壓力分布影響較大。

當排種盤在正常作業(yè)的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，同一時刻不同轉(zhuǎn)速情況下的流場壓力分布變化不大，由此可說明排種盤轉(zhuǎn)速對氣負壓室流場壓力分布變化影響較小。

2） 流場速度分析。流場速度分析如圖17、圖18所示，流速最大部位均處于型孔處，并且靠近氣壓管處的流速較大，呈現(xiàn)出向兩側(cè)逐漸減小的現(xiàn)象。在吸孔局部云圖中，因吸孔類型為60°錐形的倒角型吸孔，氣流流道（外大內(nèi)小）發(fā)生了改變，最大流速發(fā)生在吸孔最小直徑處，倒角處流速相對較小，高速氣流能將種子牢牢吸附在型孔內(nèi)。因此，該排種器利于吸種。

4.3 排種器排種性能仿真試驗

氣吸式排種器工作時，其內(nèi)部既存在單粒種子及種群間運動，又存在流場壓力和流速變化，且種子的運動會受到氣流的曳力作用。因此，為探究種子在流場作用下所設計排種器的排種性能（包括充種性能、攜種性能及投種性能），在排種盤轉(zhuǎn)速為30 r/min，氣壓管負壓為3.5 kPa情況下，采用EDEM-FLUENT耦合的方式分析排種器的整個排種過程。

4.3.1 耦合參數(shù)設置

耦合連接：在EDEM中，打開耦合服務；在FLUENT中，加載耦合UDF文件，并在Models-EDEM Coupling中，點擊Connect創(chuàng)建與EDEM的連接。

參數(shù)修改：在進行仿真耦合時，EDEM和FLUENT各自的參數(shù)設置可參考前兩節(jié)進行調(diào)整。在FLUENT中，改用瞬態(tài)計算，選用湍流模型并點擊Dispersed，并在Discrete Phase中選擇Gidaspow曳力模型^［19］，接著，選擇所有區(qū)域進行標準初始化，最后，將時間步長改為2×10^-4 s，進行仿真計算。

4.3.2 排種器排種性能仿真試驗結(jié)果分析

1）

負壓作用下單粒種子運動分析。在流場負壓作用時，單粒種子的運動軌跡如圖19所示。種子首先從種箱口掉落，然后在種群間相互作用力及攪種盤擾動力作用下到達充種區(qū)域，接著在導種槽引流及流場負壓作用下進入型孔，并跟隨排種盤到達投種區(qū)域，最后由于轉(zhuǎn)速較快，種子在離心力及自身重力下就完成投種。

2） 排種盤排種性能分析。對處于排種盤最高處的種子進行統(tǒng)計，定義型孔處單粒為合格，多粒為重播，未吸附為漏播。統(tǒng)計結(jié)果顯示，該排種器在總顆粒數(shù)為200顆、排種盤轉(zhuǎn)速為30 r/min、氣壓管負壓為3.5 kPa時，合格率為90.5%，重播率為6%，漏播率為3.5%。

查閱單粒（精密）播種機技術(shù)條件^［11］，確定播種作業(yè)合格條件為：粒距合格率≥60%，重播率≤30%，漏播率≤15%，具有良好的充種與攜種性能。

由于推種輪輪齒與排種盤型孔槽連續(xù)緊密內(nèi)嚙合，因此只要該排種盤成功充種并攜種到投種區(qū)域，種子就能在自身重力和推種輪強制推種作用下實現(xiàn)投種，因此該排種盤具有良好的投種性能。

綜上所述，該排種器能在攪種盤擾動作用、導種槽引流作用下順利進入型孔實現(xiàn)充種功能；在吸孔處的高速氣流以及型孔的輔助挾持下實現(xiàn)負壓攜種功能；在種子自身重力、離心力和推種輪的輔助投種作用下實現(xiàn)投種功能。因此，該排種器具有良好的充種性能、攜種性能以及投種性能，并能夠滿足黃精種植的農(nóng)藝要求。

5 結(jié)論

1） 通過對黃精種子種植技術(shù)及物理特性的分析，得到云南地區(qū)黃精種子種植的農(nóng)藝要求為：株距、行距為5～8 cm，播深為3～5 cm，以及黃精種子是千粒重為35.60 g、球形度為89.95%、等效粒徑為3.57 mm的中小粒徑種子。

2） 設計一種氣吸式黃精種子精密排種器，闡釋排種器的整體結(jié)構(gòu)及工作原理，將排種器的整個工作區(qū)域分為了充種區(qū)、清種及攜種區(qū)、投種區(qū)。然后，對排種器主要部件進行形狀結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)設計，使其可容納平均粒徑為2.5～5 mm的黃精種子。

3） 利用離散元法（DEM）分析黃精種子充種過程，求解黃精種子在排種器內(nèi)部的運動規(guī)律，驗證所設計排種器具有優(yōu)良的充種性能；利用計算流體力學法（CFD）分析排種器內(nèi)部流場情況，得到在不同轉(zhuǎn)速下，排種器內(nèi)部流場壓力及流速分布規(guī)律。

4） 通過使用EDEM-FLUENT耦合分析排種器的排種性能，得到負壓作用下單粒種子運動規(guī)律，并統(tǒng)計排種器在特定條件下的合格率、重播率及漏播率分別為90.5%、6%、3.5%。仿真試驗驗證所設計氣吸式黃精種子精密排種器具有良好的排種性能，滿足黃精種子精密播種的農(nóng)藝要求。

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