气吸式小青菜精密排种器设计与试验*

王浩屹，孙新平，陈曦，李骅，王永健

(1. 南京农业大学工学院，南京市，210031；2. 江苏省智能化农业装备重点实验室/南京农业大学，南京市，210031；3. 南京工业大学机械与动力工程学院，南京市，211816)

0 引言

小青菜又名小白菜，属于十字花科芸薹属植物，因其口感好、生长周期短，在我国南北方地区广泛种植[1-5]。因其种子粒径较小，种植户通常采用抛撒的播种方式，既浪费种子增大经济成本，又因撒播不均致使菜苗杂堆生长，降低生长效率。市面上针对小青菜精量播种的机械类型较少，现存的小青菜播种机大都由其他播种机械改装而来，缺乏针对性，难以真正提升小青菜的播种精度。

排种器是播种机的重要组成部分，按照工作原理可分为机械式排种器和气吸式排种器两大类[6]。机械式排种器主要依靠种子自身重力和推种器等强制方式进行排种，其优点是结构简单、操作容易，缺点是播种效率不稳定、播种精度偏低[7-9]。气吸式排种器主要依靠调整风机的风压实现精密穴播，其优点是播种精度高、稳定性好、种子损伤率小，缺点是结构较为复杂、技术难度高[10-11]。国内蔬菜排种器多采用机械式排种器，已有较多学者对此进行研究。张宇文[12]设计一款机械式多功能精密排种器，通过在排种器底端安装推种齿来解决种子堵塞问题，但种子破损率较大；王英博等[13]研究了机械式小麦射播排种器，探究转速、叶片后倾部分曲率半径、叶片安装角度对排种性能的影响，但其结构较为复杂。国外蔬菜排种器多采用气吸式结构，技术较为成熟。Sial[14]研究了园艺播种机的吸嘴，得出当充种高度大于种子半径时，充种所需的压强随充种高度变量的4次方的增加而增加。Maleki等[15]研究谷物条播机上的排种器，得到种子突然释放对种子计量的均匀性有影响。Mandal等[16]设计一种适用于三排精密播种的气动排种器，并对排种器的关键技术参数进行了试验台试验。

本文以江苏省小青菜种植农艺为参考，结合田间生产实际和市场需求，设计了一款结构简单的气吸式小青菜精密排种器，并进行了仿真和台架试验，对提高小青菜等小粒径种子的排种效率具有重要意义。

1 排种器整体结构与工作原理

1.1 排种器整体结构

参考其他气吸式排种器的设计[17-20]，气吸式小青菜精密排种器结构主要由链轮、种箱、排种器底座、清种装置、种箱挡板、排种盘、搅种轮、密封圈、排种器外壳、中心六棱柱等部件组成，如图1所示。

图1 气吸式排种器整体结构

1.2 排种器工作原理

本排种器设计充种区、清种区、携种区、落种区4个工作区域，分别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ对应表示，如图2所示。排种器工作时，播种机上的风机通过负压软管将风压传至排种器内，在排种器外壳与排种盘之间形成碗状密闭负压空间。排种时种箱内的种子最先落入充种区Ⅰ,经旋转的搅种轮搅拌均匀后，在负压力作用下,种子被吸附在排种盘的表面和型孔内，随排种盘旋转进入清种区Ⅱ；在负压力持续作用下，型孔内的种子随排种盘经携种区Ⅲ向落种区Ⅳ旋转，排种盘表面的种子与清种装置刮碰，掉落至充种区再次参与充种；落种区Ⅳ内负压气道被隔断，吸附作用消失，种子在重力作用下从型孔内脱落，沿导种装置落入开沟器，经开沟器将种子置于开好的种沟内，完成排种作业。

图2 气吸式排种器工作区域划分

2 小青菜种子物理特性测定

排种器相关部件的尺寸与所播种子的物理特性相关，在设计时需先对种子物理特性进行研究。以“上海矮箕”型号的小青菜种子为试验材料，对其主要物理特性进行测定，为排种器设计与仿真试验奠定基础。

2.1 千粒重的测定

千粒重是指一千粒种子的重量，是农业物料学中用来检测种子标准质量的重要指标。按照中华人民共和国国家标准(GB 5519-85)，随机选取去除杂质的该小青菜种子3份，每份1 000粒，通过ME204E分析天平(精度0.001 g)分别进行称重，取其平均值，最终求得该小青菜种子千粒重为2.41 g，如图3所示。

图3 “上海矮箕”型号小青菜种子

2.2 三轴尺寸的测定

农业物料学手册中对较小物料物理特性测定通常采用轴向尺寸法。本试验随机选取千粒重为2.41 g的小青菜种子50粒，用精度为0.01 mm的数显游标卡尺分别对每粒种子的三轴尺寸进行测定。图4为种子三轴尺寸示意图，表1为所测种子三轴尺寸统计分析表。

图4 “上海矮箕”种子三轴尺寸示意图

表1 种子三轴尺寸Tab. 1 Three-dimensional sizes of seeds

2.3 球形度的测定

球形度是表示种子实际形状与球体之间差异程度的指标，球形度数值越高，表明种子实际形状越接近于球体。仿真建模需要对种子球形度进行测定，查阅农业物料学手册，物料的球形度

(1)

式中：a——物料的长度，mm；

b——物料的宽度，mm；

c——物料的高度，mm。

将小青菜种子三轴尺寸的平均值代入式(1)，计算出种子的球形度SP=95.59%，此数据表明小青菜种子粒径较小，球形度极高，近似于球形，为后续仿真建模提供数据支撑。

3 排种器重要部件设计

3.1 排种盘相关参数

排种盘是排种器内的重要部件，其主要参数包括：排种盘直径dp、型孔直径dx、型孔处转动半径r、型孔个数Z，现分别对这4个参数进行计算设计，图5为排种盘关键结构尺寸示意图。

图5 排种盘关键结构尺寸示意图

3.1.1 排种盘直径

排种盘直径dp越大，可开的型孔数就越多，其线速度降低、排种效率提高，但dp过大会增加研发成本，故以适度尺寸为宜。查阅农业机械设计手册，现有排种盘直径dp一般为140～260 mm，结合气吸式排种器的整体尺寸，确定此排种盘直径dp取220 mm。

3.1.2 型孔锥度及直径

型孔是外大内小的锥形结构，其锥度α及直径dx与吸、排种灵活度密切相关，农业机械设计中锥度通常取46°～61°性能较优，α取55°为宜。型孔直径

dx=(0.64～0.66)d

(2)

式中：d——种子的平均宽度，mm。

将小青菜种子的平均宽度d=1.65 mm带入式(2)，计算得出型孔直径dx的范围为1.056～1.089 mm，结合加工实际，经过圆整后的型孔直径dx约为1.1 mm。

3.1.3 吸附孔数量

吸附孔数量Z影响着排种效率和播种精度，孔数过少排种效率降低，孔数太多播种精度下降。徐苏阳等通过研究，总结得出吸附孔数量与播种机速度、播种株距、种盘转速的密切关系，表达公式如式(3)所示。

(3)

式中：vb——播种机的行进速度，m/s；

l——播种株距，m；

n——种盘转速，r/min。

按照农艺要求，小青菜的株距l为8～15 cm，行距为13 cm。查阅农业机械设计手册，种盘转速n应满足n≤50 r/min，播种机的前进速度vb应满足vb≤18 km/h，将相关数据代入式(3)计算得出Z≥40，按照农艺要求，结合实际加工精度及排种稳定性等问题，该排种器型孔数量Z取90，相邻孔的角度取4°。

3.1.4 型孔转动半径

按照农业机械设计手册的要求，排种盘型孔中心线速度v≤0.35 m/s，排种盘的旋转角速度w≈2 rad/s，根据角速度与线速度的换算公式

v=wr

(4)

式中：r——型孔转动半径，mm。

将上述数据代入式(4)，计算得出型孔转动半径r≤175 mm，结合排种盘直径dp=220 mm,为使排种盘边缘与型孔处留有一定的间隙，便于种子更好地被吸附，最终选取型孔转动半径r为95 mm。

3.2 排种器吸室相关参数

吸室设计是排种器设计中的重要部分，良好的吸室设计能够保障种子被稳定吸附在型孔内，有效提高播种合格率。根据型孔处种子的受力特点，以排种盘上某一个型孔内的种子为研究对象,研究其在型孔内所受合力及运动状态，计算出维持种子吸附状态所需的吸附力大小。型孔吸附种子受力分析图，如图6所示。

图6 型孔吸附种子的受力分析

为使一粒种子能够被稳定吸附在排种盘上，应当满足式(5)的条件

(5)

式中：HCmax——形成气室所需的最大真空度，Pa；

m——一粒种子的重量，kg；

vp——型孔中心处的线速度，m/s；

r——吸孔处转动半径，m；

d——种子平均宽度，mm

g——重力加速度，m/s2；

λ——种子的摩擦阻力综合系数，λ=(6～10)tanε；

ε——种子的休止角，(°)；

k1——吸种可靠性系数，k1= 1.8～2.0；

k2——工作稳定可靠性系数，k2= 1.6～2.0。

按照前文测定，dx取1.1 mm，小青菜种子的千粒重为2.41 g，C取0.65 mm；k1与种子的千粒重和球度有关，k1取1.8；k2与种子的千粒重有关，k2取1.6；按照农业机械设计手册要求vp≤0.35 m/s，vp取0.35 m/s，r取95 mm；λ与种子的休止角有关，λ取3.83。将上述数据全部代入式(5)，计算得出P0≥ 0.028 4 N，HCmax=328.25 Pa，即只要单个型孔处产生的负压吸力大于等于0.028 4 N，型孔处的负压值就能达到328.25 Pa，理论上单粒小青菜种子就能完全被吸附在排种盘上的型孔内。

4 排种器内部气流场仿真验证

为试验种子在负压气室内的受力和吸附状态，本文应用CFD软件对排种器内部气流场进行仿真验证。

4.1 仿真验证方法

首先利用SolidWorks 2018建模软件对排种器内部的气流场进行简化建模，并将建模完成后的气流场模型导入Ansys Workbench 17.0中，用Mesh将该气流场划分成网格面为0.7～1 mm、网格质量为0.817的网格单元，如图7所示。

图7 排种器内部流场网格划分

其次设置气流场出入口边界压力，入口与外界空气相通，其压力值设为0 Pa。出口与风机相连，其负压值设置为3.5 kPa；最后设定求解算法为SIMPLE，压力差值方式为Standard，设定迭代次数为200 000次，每隔5 000步保存一次计算结果，进行迭代计算。

4.2 仿真结果分析

按照上述仿真验证方法，重点对排种器内部气流场的压力分布、气流速度和气流扰动情况进行仿真分析。

4.2.1 压力分布分析

将计算数据导入CFD-Post 软件进行仿真试验，经后处理分析得到负压值为-4 405.898～-3 849.706 Pa，负压气室压力分布云图如图8所示。由图8可知负压出口附近负压绝对值最大，吸附作用最强，标为蓝色区域；以负压出口为起点，负压绝对值向两侧逐渐减小，云图上呈现出由蓝色向绿色、橙色和红色减弱的趋势；排种器入种口和落种口位于负压接口最远处，负压吸附作用最弱。前文已计算出单粒种子能被牢牢吸附在型孔内所需要的最大负压值为-328.25 Pa，说明在气室内负压吸附作用最弱的地方，仍能满足单粒种子的吸附要求，理论上每个型孔均能正常完成对种子的吸附。

图8 负压气室的压力分布云图

4.2.2 气流速度分析

通过CFD-Post软件导出排种器内部气流场的速度矢量云图，如图9所示。

因型孔外大内小呈锥状，气流通过型孔时速度由外向内迅速增大，最高可达79.165 m/s，高速气流将种子牢牢吸压在型孔内；型孔旋转至落种区时负压气道被隔断，负压吸附作用完全消失，气流速度瞬间为0 m/s，种子在重力作用下完成落种。由此可见 气流场速度矢量的分布规律与排种器排种规律相吻合，气流速度达到充种要求。

4.2.3 气流扰动分析

型孔气流对周围气流场的扰动会影响到整个气流场的稳定性，从而影响其他型孔吸附种子的稳定性。本文以负压区型孔气流为研究对象，如图10所示。当负压气流穿向外宽内窄的锥形孔时，大量气流突然从大空间向小锥孔聚集，受挤压的负压气流高速穿过型孔，随着空间变大，气流由束状向散发状运动，速度慢慢减小，最后在负压腔内作近似顺时针旋转，对整个流场影响较小，达到设计要求。

图10 型孔气流扰动情况

5 排种器台架验证试验

本试验采用自制的台架试验设备，于2021年10月在南京农业大学农机实验室进行，试验采用3D打印加工除排种盘外的所有排种器部件，排种盘采用机加工的方式定制。将排种器安装在台架上，其正负压接口用软管与HG1500型高压漩涡风机相连，通过功率为1.5 kW的110-180-Z系列伺服电机带动排种盘旋转，下方设有传送皮带，用来模拟种子落入田地的工作状况，皮带上涂有糯米胶，防止小青菜种子与传送带接触时发生弹跳。在进行具体试验时，风机负压值定为3.9 kPa，排种盘转速为1.6 rad/s，排种器台架试验如图11所示。

参考播种国家标准GB/T6973—2005《单粒(精密)播种机试验方法》[21]，以排种合格率Q、漏播率M、重播率C作排种器排种性能的评价指标。按照相关农艺要求，小青菜播种株距为4～5 mm，取中间值4.5 mm作为试验理论合格株距L，按照要求合格排种的株距应在(0.5L=2.25 mm，1.5L=6.75 mm)范围内，若台架试验中排种器排出的种子间株距大于6.75 mm，则记为漏播株距；若种子间株距小于2.25 mm，则记为重播株距，试验共进行3次，式(6)为排种合格率Q、漏播率M、重播率C具体计算公式。

(6)

式中：n1——出现合格播种株距次数；

n2——出现漏播株距次数；

n3——出现重播株距次数；

N——试验粒距测试总次数。

图11 排种器台架试验图

经台架试验测试，排种器排种性能结果如表2所示，经试验后，求出排种器的平均合格率Q、平均漏播率M、平均重播率C分别为93.18%、2.34%、4.48%，查阅播种国家标准JB/T10293—2001《单粒(精密)播种机技术条件》[22]，当种子间距≤10 mm时，排种合格的标准为粒距合格指数≥60%、重播指数≤30%、漏播指数≤15%，故测得的试验结果符合此标准。试验中种子基本能够被牢牢吸附在排种盘的型孔内，整个排种作业过程也较为稳定。与其余气吸式排种器排种效果数据对比，如表3所示。综上所述，所设计的气吸式排种器，其排种性能良好，播种稳定性较高。

表2 排种器排种性能结果Tab. 2 Seed metering performance results of seed metering device

表3 排种器排种性能对比结果Tab. 3 Seed discharge performance comparison results

6 结论

1) 通过对“上海矮箕”型号的小青菜种子物理特性进行测定，得出单粒小青菜种子的千粒重为2.41 g，平均长度、宽度、厚度分别为1.76 mm、1.65 mm、1.64 mm，种子的球形度SP为95.59%。

2) 设计一款气吸式小青菜精密排种器，对其排种过程进行阐释，计算得出排种器的几个关键设计参数，包括排种盘直径dp=220 mm、排种盘上型孔直径dx=1.1 mm、排种盘上吸附孔数量Z=90、型孔转动半径r=95 mm以及形成气室所需最大真空度HCmax=-328.25 Pa。

3) 利用fluent软件对排种器的排种过程进行仿真，得出排种器内气流场的相关仿真图像及数据，仿真结果验证了本文所设计的排种器具有良好的排种能力。

4) 通过对排种器进行台架试验，测得排种器的平均合格率Q、平均漏播率M以及平均重播率C分别为93.18%、2.34%、4.48%，并与已有排种器排种性能进行对比，实验结果表明排种器排种性能良好，符合相关技术标准。