交叉式玉米精量排種器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

李 翠，郭呈成，郭金山，張克盛，李 俊

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅武威 733006）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和農(nóng)業(yè)政策的加強(qiáng)，農(nóng)業(yè)發(fā)展有了很大的增長和進(jìn)步。然而，糧食缺口仍然很大，特別是戰(zhàn)略作物，這影響了國家經(jīng)濟(jì)，危及糧食安全。自給自足只能通過保護(hù)現(xiàn)有的自然資源和達(dá)到最高的生產(chǎn)效率[1]。玉米是最重要的糧食作物之一，在保障世界糧食生產(chǎn)安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用[2-4]。在糧食產(chǎn)量需求不斷增加，但種植面積無法增加的背景下，只能通過提高單產(chǎn)率來提高整體產(chǎn)量。玉米精密播種的農(nóng)藝要求是保證株距和播深一致。精密播種是指利用精密播種機(jī)，根據(jù)一定的農(nóng)藝要求，使單粒種子精確地落在土壤中預(yù)定位置的過程。結(jié)合甘肅河西走廊一帶玉米種植要求，高速精密播種指作業(yè)速度大于10 km/h[5]。排種器是影響高速精密播種性能的最重要因素之一。根據(jù)其工作原理，排種器分為機(jī)械式和氣力式[6]。氣力式排種裝置由于它的高速運(yùn)轉(zhuǎn)速度高和機(jī)械損失率低被廣泛應(yīng)用，這就是高速精密排種的發(fā)展趨勢，也是當(dāng)今社會國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)。

目前，許多專家學(xué)者正在對氣力式精量排種器進(jìn)行研究。針對三種不同的作物，D.Karayel等[7]研究了三種不同直徑型孔的排種盤的氣吸式精量排種器，并建立了預(yù)測最佳真空負(fù)壓值的模型。Nal等[8]通過流體力學(xué)闡述了氣動排種裝置的播種機(jī)理，建立了種間距回歸模型。Dizaji等[9]設(shè)計(jì)了氣動精密排種裝置的氣動撒種裝置，研究了排種板的轉(zhuǎn)速和撒種裝置的氣流速度對種子破碎率、種子充種率和出苗率的影響。Yang等[10]針對吸氣式精密排種裝置FS增大時(shí)，排種效果不佳的問題，設(shè)計(jì)了輔助吸氣式精密排種裝置，以提高排種速度。然而，鋸齒式清種機(jī)構(gòu)在高速運(yùn)行時(shí)容易對種子造成機(jī)械損傷。Zhang等人[11]設(shè)計(jì)了一種變粒徑雙板氣吸式精密排種裝置，無需更換排種板即可實(shí)現(xiàn)不同粒徑的精密排種板，提高了排種裝置的通用性。Shi等人[12]設(shè)計(jì)了一種具有組合孔的玉米氣動精密排種裝置。通過氣流與機(jī)械孔相結(jié)合，使種子更容易被氣流吸收到孔內(nèi)，提高了充種概率。

目前，氣力式排種器主要采用單個(gè)排種盤工作，受排種盤直徑、種子尺寸等多因素的影響，單盤排種器型孔數(shù)量有限，高速作業(yè)時(shí)，要求排種盤轉(zhuǎn)速較高，導(dǎo)致其充種困難，漏播率變大，影響播種質(zhì)量。針對此問題，研制一種結(jié)構(gòu)簡單、充種效果好的交叉式玉米精量排種器，通過仿真和臺架試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，確定排種器關(guān)鍵部件參數(shù)，以提高高速作業(yè)情況下的播種質(zhì)量。

1 交叉式玉米精量排種器

1.1 排種器總體方案設(shè)計(jì)

交叉式玉米精量排種器主要由刮種器、壓盤和排種盤組成，如圖1所示。排種盤結(jié)構(gòu)主要包括左排種盤和右排種盤，兩排種盤直徑和型孔數(shù)量相同，但型孔位置均勻交叉分布。每個(gè)排種盤與外側(cè)安裝的殼體形成種子室。種箱安裝在殼體上，為排種器提供種子，左種箱為左排種盤供種，右種箱為右排種盤供種。

圖1 交叉式玉米精量排種器整體結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

工作時(shí)，外部動力通過排種軸帶動左、右排種盤同時(shí)轉(zhuǎn)動，種子分別從左、右種箱通過殼體進(jìn)入左、右排種盤的充種區(qū)Ⅰ，在后續(xù)種子推動和氣體吸力作用下，種子被吸附在排種盤型孔上，并隨之轉(zhuǎn)動；隨著型孔上吸附的種子增多，外層種子所受吸力逐漸減小，在重力和離心力作用下，落回充種區(qū)Ⅰ。當(dāng)吸附在型孔上的種子運(yùn)動至清種區(qū)Ⅱ時(shí)，在刮種器的連續(xù)擾動作用下，與排種盤吸孔接觸最緊密，占據(jù)吸孔面積最大的一粒種子在內(nèi)、外壓差作用下被牢牢吸附在排種盤上，其余種子在刮種器的作用，重新落回充種區(qū)Ⅰ。吸附在型孔上的種子在內(nèi)外壓差作用下越過攜種區(qū)Ⅲ，運(yùn)動至投種區(qū)Ⅳ。由于投種區(qū)Ⅳ在真空室外區(qū)域，型孔對種子的吸力消失，種子在重力的作用下完成投種，實(shí)現(xiàn)單粒排種（圖2）。

圖2 排種器工作區(qū)域劃分

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 交叉排種盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

交叉排種盤主要包括左排種盤、右排種盤和傳動軸，左、右排種盤通過六邊形孔與傳動軸連接，兩盤同軸轉(zhuǎn)動，如圖3所示。兩排種盤直徑尺寸一致，型孔數(shù)量及大小相同，但型孔位置均勻交錯(cuò)分布。

圖3 交叉盤整體結(jié)構(gòu)

交叉盤分布參數(shù)主要包括兩盤距離T及型孔交錯(cuò)角度φ。

種子分別從左、右排種盤投種后進(jìn)入導(dǎo)種管，雙盤距離T與導(dǎo)種管寬度相關(guān)，結(jié)合玉米種子尺寸與風(fēng)機(jī)功耗，為保證玉米種子順利落入到種管，設(shè)計(jì)雙盤距離T。

查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，玉米種子在吸種孔上大致分為3種，即“平躺”“側(cè)臥”“直立”。其中種子被直立吸附時(shí)，雙盤結(jié)構(gòu)橫向尺寸最大，即只要直立吸附兩粒種子能落入一個(gè)導(dǎo)種管內(nèi)，那么被平躺、側(cè)臥吸附的玉米種子也一定可以。根據(jù)玉米種子被直立吸附時(shí)漏在型孔外側(cè)的尺寸和導(dǎo)種管寬度確定交叉盤之間的距離為40 mm。交叉盤示意圖如圖4所示。

圖4 交叉盤示意圖

2.2 排種盤設(shè)計(jì)

單個(gè)圓盤的型孔數(shù)量受排種盤直徑限制，排種盤直徑越大，允許的最大型孔數(shù)量越多，在轉(zhuǎn)速和株距一定條件下，能達(dá)到的作業(yè)速度越高。因此，排種盤的直徑應(yīng)盡可能大。根據(jù)排種器整體結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有排種圓盤的直徑范圍為140～260 mm，本文設(shè)計(jì)交叉盤直徑D為233 mm。

2.3 刮種器設(shè)計(jì)

刮種器是排種器的關(guān)鍵部件之一[13]，排種器工作時(shí)，刮種器刮掉排種盤上吸附的多余種子，是保證排種器單粒排種的關(guān)鍵。刮種器由上墊片，下墊片與刮種刀組成。上墊片與下墊片通過自身的通孔與種子室相連，刮種刀被壓在上墊片與排種盤之間，且留有一定的空隙。本研究所設(shè)計(jì)的刮種刀不進(jìn)給時(shí)，刮不到種子，調(diào)節(jié)刮種刀進(jìn)給距離，刮種刀可以刮掉多余種子。通過調(diào)節(jié)刮種刀進(jìn)給距離，可以適應(yīng)不同排種盤的播種要求，具有較好的通用性。

工作時(shí)，刮種刀可通過自身的圓柱凸起進(jìn)行調(diào)控，決定向前進(jìn)給的距離。刮種器一般覆蓋過排種盤型孔的三分之一就可以正常工作，本文設(shè)計(jì)的刮種器工作示意圖如圖5所示。刮種刀不進(jìn)給時(shí)，刮不到種子，調(diào)節(jié)刮種刀進(jìn)給距離，刮種刀可以刮掉多余種子。通過調(diào)節(jié)刮種刀進(jìn)給距離，可以適應(yīng)不同排種盤的播種要求，具有較好的通用性。

圖5 刮種器結(jié)構(gòu)示意圖

3 仿真試驗(yàn)

利用 FLUENT仿真軟件對交叉式玉米精量排種器排種過程中的氣流場變化進(jìn)行仿真分析，通過仿真試驗(yàn)對相同型孔數(shù)量的單盤、交叉盤排種器在氣室壓力的差異進(jìn)行仿真分析。

3.1 仿真過程

基于SolidWorks軟件建立交叉式排種器模型，針對排種器實(shí)際結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在建模時(shí)將模型進(jìn)行簡化。對簡化后的模型利用GAMBIT進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義空氣出入口，定義吸種孔與氣吸室及充種室的交界面為interface，其他面默認(rèn)為壁面wall。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 44型孔交叉盤與單盤對比。在Fluent軟件中進(jìn)行仿真試驗(yàn)，44型孔仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 44型孔單盤、交叉盤氣室壓力分布云圖

由圖6可知，氣室表面壓強(qiáng)分布規(guī)律為與風(fēng)機(jī)相連部分壓強(qiáng)最高并向兩側(cè)遞減。型孔數(shù)為44時(shí)，交叉盤排種器氣室表面壓力最大，處于3 000 Pa以上。單盤排種器氣室端面壓強(qiáng)普遍偏低，通過壓強(qiáng)分布圖，可以看到壓強(qiáng)分布普遍在3 000 Pa以下。型孔數(shù)目為44的交叉盤氣吸排種器，氣室壓強(qiáng)表面壓力分布均勻；而型孔數(shù)目為44的單盤排種器，氣室表面壓強(qiáng)分布不均。由此可見，44型孔交叉盤排種器比單盤排種器有更好的壓強(qiáng)分布。

3.2.2 54型孔雙盤單盤對比。在 Fluent 軟件中進(jìn)行仿真試驗(yàn)，54型孔仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 54型孔單盤、交叉盤氣室壓力分布云圖

由圖7可知，氣室表面壓強(qiáng)分布規(guī)律為：與風(fēng)機(jī)相連部分壓強(qiáng)最高并向兩側(cè)遞減。型孔數(shù)為54時(shí)，交叉盤型孔表面壓強(qiáng)整體大于單盤型孔表面壓強(qiáng)。由此可見，54型孔交叉盤相比于單盤，擁有更大的氣室壓力。

3.2.3 64型孔雙盤單盤對比。在 Fluent 軟件中進(jìn)行仿真試驗(yàn)，64型孔仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 64型孔單盤、交叉盤氣室壓力分布云圖

由圖8可知，氣室端面壓強(qiáng)分布規(guī)律為與風(fēng)機(jī)相連部分壓強(qiáng)最高并向兩側(cè)遞減。型孔數(shù)量為64時(shí)，交叉盤排種器氣室表面壓力最大，處于2 000 Pa以上。單盤排種器氣室端面壓強(qiáng)普遍偏低，通過壓強(qiáng)分布圖，可以看到壓強(qiáng)分布普遍在2 000 Pa以下。由此可見，64型孔交叉盤排種器比單盤排種器有更好的壓強(qiáng)分布。

4 單盤、交叉盤排種器臺架對比試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用自制的臺架試驗(yàn)設(shè)備（圖9），試驗(yàn)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(jī)加工的方式定制。在進(jìn)行臺架試驗(yàn)時(shí)，設(shè)置氣室壓強(qiáng)為4 kPa，作業(yè)速度為10 km/h，型孔數(shù)量為54的單盤和交叉盤排種器。試驗(yàn)共進(jìn)行3次。

圖9 臺架試驗(yàn)

單盤和交叉盤排種器排種性能試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)中種子基本能夠被牢牢吸附在排種盤的型孔內(nèi)，整個(gè)排種作業(yè)過程也較為穩(wěn)定。與單盤54型孔排種器排種效果數(shù)據(jù)對比，交叉盤54型孔排種器合格指數(shù)大于單盤排種器合格指數(shù)，漏播指數(shù)和重播指數(shù)小于單盤4型孔排種器。綜上所述，所設(shè)計(jì)的交叉盤氣吸式排種器，其排種性能良好，播種穩(wěn)定性較高。

表1 排種器排種性能對比結(jié)果

5 結(jié)論

1）針對在高速排種中，單排種盤型孔數(shù)目增多而引起的氣室表面壓強(qiáng)分布不均，排種盤型孔處壓強(qiáng)與軸向風(fēng)速減小，造成重播漏播增大的問題，提出了一種氣吸式雙排種盤對稱交錯(cuò)排列，可以有效增加型孔數(shù)量的精量排種方法，設(shè)計(jì)了交叉盤氣吸式高速精量玉米排種器，能夠?qū)崿F(xiàn)在保證氣室壓強(qiáng)分布穩(wěn)定的前提下，擁有比單盤更多的型孔數(shù)量，進(jìn)而降低排種盤轉(zhuǎn)速，在高速作業(yè)時(shí)保持良好的排種性能。

2）對交叉盤氣吸式高速精量玉米排種器關(guān)鍵部件及參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確定排種盤直徑、交叉盤之間的距離等主要參數(shù)。

3）利用FLUENT仿真軟件對相同型孔數(shù)量的單盤、交叉盤排種器在氣室壓力的差異進(jìn)行仿真分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：交叉盤排種器比單盤排種器有更好的壓強(qiáng)分布。

4）對設(shè)計(jì)的54型孔排種器進(jìn)行臺架試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的交叉盤氣吸式排種器，其排種性能良好，播種穩(wěn)定性較高。