负压驱动水稻精量直播排种器设计与试验研究

魏海明，杨发展，李建东，刘永武，罗 佳，杨 薇

(1.青岛理工大学 机械与汽车工程学院,山东 青岛 265200；2.中机美诺科技股份有限公司，北京 100083)

0 引言

随着我国城镇化速度的加快和农业作业人口的减少，传统的水稻钵苗、育秧并结合插秧的种植模式面临严重的劳动力短缺难题。直播是一种节省劳动力、节约水资源和大幅提高农民收入的紧凑型农艺种植模式，尤其引人关注的是精量穴直播方法。精量穴直播技术即按水稻种植农艺要求，将水稻芽种按所需的株距、行距和每穴种子粒数要求精准成穴地分布于田间，是目前较为先进的水稻直播技术。精量穴直播的关键装置在于排种器的设计和开发[1-5]。杂交稻的种植强调少本稀植，为获得适宜高产的田间生长环境，其直播种植要求每穴稻种粒数为(3±1)粒为宜，尤其是每穴不要超过4粒[6-10]。

气力式排种器因具有取种方便、对种子形状要求低及伤种率低等优点，在各种子播种领域得到广泛应用。上述气力式水稻排种器目前还仅限于每穴单粒或双粒的室内机械化育秧播种。张国忠[11]等研制了一种可同时吸附多粒稻种的、具有群布吸孔的吸种盘，并应用于垂直圆盘式直播排种器上。据报道，其排种性能和播种效率还有待进一步提高。

基于上述分析和研究，本文将探索利用负压吸附技术，设计开发了负压驱动的水稻精量直播排种器，研究其排种效果和播种的精准化程度。同时，为了满足杂交稻大田精量穴直播的实际生产需求，采用多吸孔吸种、机械清种及气力清堵等原理，设计了一种气力圆盘式水稻精量直播排种器，并对圆盘转速、吸种孔尺寸、气室的真空度等对排种性能的影响进行了系统研究和分析，探究了上述因素间的最佳参数组合，以期为气力式水稻精量穴直播排种器的设计提供技术参考和设计依据。

1 圆盘式排种器工作原理

设计开发的气力圆盘式水稻精量直播排种器主要由外壳、吸种盘、搅种盘及排种器后盖等组成，如图1所示。其中，负压气室的管接头通过软管与风机进风口连接，吸种盘紧贴排种器的后盖，在吸种盘与负压气室间形成负压区，吸种盘安装在传动轴上，在传动轴的末端设置有花键，发动机的动力可通过链条传递到传动轴上带动吸种盘旋转；水稻种子从播种机分种装置进入预存种装置内，进而落入充种区，种子在内外压差作用下会被吸附到吸种孔上并随吸种盘的转动而转动；在转动过程中，清种装置将刮掉吸种盘吸种孔上多余的种子，当吸种盘的吸种孔转到非负压区时，吸种孔的内外压差将消失，种子会在重力的作用下落入种沟内，完成播种过程；当上一个品种的种子播种完之后，清种装置工作，种子在风机负压的作用下通过吸种口吸入设定的存种装置内，完成清种工作，为后续的循环作业提供条件。

1.排种器壳体 2.吸种盘 3.搅种盘 4.排种器后盖

2 气力圆盘式排种器关键结构设计与仿真

2.1 仿真模型的建立及其分析步骤

目前，排种器吸种盘的直径在140～260mm范围内[12]，考虑到水稻直播的农艺要求，将开发的吸种盘的直径设定为210mm，吸种盘厚度为2mm,材质选择为不锈钢(0Cr18Ni9)。排种器后盖内负压气室内圆半径设置为70mm，外圆半径设置为105mm，壁厚为2mm，轴向深度为38mm,负压气室的管接头外圆直径为30mm，内圆直径为26mm。利用SolidWorks软件建立排种器后盖负压气室的三维结构模型，如图2所示。

图2 负压气室模型简图

将设计的模型导入至Fluent15.0软件中，采用ICEM CFD 15.0网格划分软件对模型划分六面体网格，物理模型设置参数为：三维稳态计算模型、分离求解器、流体域设为气体、定常密度，采用标准k-ε湍流模型。边界条件设置为：入口边界为压力入口，压力数值为0，出口边界条件设置为压力出口，压力数值为-3.5kPa，计算迭代步数设为500(已收敛)。

2.2 仿真结果及其分析

2.2.1吸种孔直径不同对气室内部压强、气流速度的影响仿真分析

吸种盘上吸种孔直径直接影响排种器的作业效果，对于相同质量的种子，当选择较小直径的吸种孔时，需更大的负压值才能够有效吸附种子；然而，过小的孔径会使风机的负载过大，吸孔直径过大则会使水稻种子卡在吸种孔内甚至吸入负压气室内造成漏播。通过对比和参考现有的排种器，吸种孔直径一般选择在1.2～2.0mm之间。本文设计直径分别为1.2、1.4、1.6、1.8mm等4种圆形吸种孔，设置吸孔的组数为10，进行仿真对比分析，探究不同孔径对气室内部压强、气流速度的影响，结果如图3和图4所示。

图3 不同吸孔直径下吸孔处压强云图

图4 不同吸孔直径下吸孔处气流速度云图

diameter of suction hole

吸种孔直径大小不同对气室内部压强、气流速度的影响仿真分析：①吸种孔处压强和气流速度明显低于气室内部，气室内部压强和气流速度分布较均匀，吸种孔在不同位置时的压强和气流速度变化不大。②随着吸种孔孔径的增大，吸孔处的压强逐渐增大，气室内部压强在孔径为1.4mm时达到最大，最大值为-3.432kPa，在孔径为1.8mm时气室内部压强最小，最小值为-3.398kPa，且孔径为1.8mm时气室内部压强变化较明显。③吸孔的气流速度随着孔径的增大逐渐增大，在孔径为1.6mm时达到最大值74.78m/s，然后逐渐减小，气室内部气流速度没有变化。综上所述，孔径为1.4mm和1.6mm吸种孔的吸种效果要好于其余两种孔径吸种孔的吸种效果。

2.2.2吸种盘厚度对气室气流速度、表面压力的影响仿真分析

本文选择板厚分别为2mm和4mm两种吸种盘，吸种孔的孔径为1.4mm进行仿真分析，结果如图5、图6所示。

图5 不同吸种盘厚度下吸孔处气流速度云图

图6 不同吸种盘厚度下吸孔处压强云图

在相同工作条件下：①速度云图显示，板厚为2mm时，吸种孔处气流速度为69.83m/s；板厚为4mm时，吸种孔处气流速度为69.33m/s。②压强云图显示，板厚为2mm时，吸室内部压强为3.136kPa；板厚为4mm时，吸室内部压强为2.664kPa。③上述分析表明：吸种盘厚度会对吸种效果产生一定影响，厚度为2mm的吸种盘吸种效果要优于厚度为4mm的吸种盘吸种效果。

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3 排种器性能试验及测定

3.1 试验准备

试验用水稻品种为滇瑞408，统计结果为：长度平均值10.71mm，宽度平均值2.39mm，厚度平均值2.17mm，千粒质量26.3g。采用不锈钢加工各类孔径的吸种盘。试验台采用黑龙江省农业机械工程科学研究院研制的JPS计算机视觉排种器性能试验台(自行进行了初步的改造)，试验吸种效果如图7所示。

图7 吸种效果图

3.2 试验方法

试验结果评定依据《GB/T6973-2005单粒(精密)播种机试验方法》，试验材料为水稻种子，通过测量落在种床带上种子的粒距来反映排种器性能，根据农艺要求选择标准粒距Xr为200mm。评定标准主要有粒距合格指数、重播指数、漏播指数。实测粒距在(0.5Xr，1.5Xr)视为合格，小于或等于0.5Xr视为重播，大于0.5Xr视为漏播。试验过程中，取排种器稳定运行的时间段作为统计样本，每单次试验重复3次取平均值。

3.3 试验测试

3.3.1 吸种孔布置类型对排种质量的影响

根据水稻旱地直播的农艺要求，穴粒数为(3±1)粒。本次试验采用的吸种孔孔径为1.6mm，排种轴转速为30r/min，风机的负压值1.5kPa，设计了两种吸种孔布置方式，如图8所示。在保证其他条件相同的情况下进行试验，每次试验重复3次取平均值，试验结果如表1所示。

图8 吸孔布置类型图

吸种孔布置类型 合格率/%漏播率/%重播率/%A型75.622.0121.37B型63.291.5234.19

试验结果表明：在其他条件不变的情况下，A型吸种孔布置方式排种效果要优于B型。因此，在后续的正交试验中，选取A型吸种孔的布局方式。

3.3.2吸种孔直径、气室真空度和吸种盘转速对排种质量的影响

考虑到吸种孔直径、气室真空度和吸种盘转速等参数对排种质量均造成影响，采用正交试验进行分析，研究影响播种效果因素的主次关系和最优的组合类型。试验的影响因素及水平变化如表2所示。本文采用L16(45)正交表进行台架试验，结果如表3所示，方差分析如表4所示。

表2 正交试验因素水平表

表3 正交试验结果分析

续表3

表4 正交试验方差分析

3.3.3 试验结果及其分析

由表3可知：吸种盘转速A、气室真空度B及吸种孔直径C对排种合格率X的影响主次顺序为C>A>B，最优组合为A4B1C2，即吸种盘转速为35r/min、气室真空度为1.0kPa、吸种孔直径为1.4mm；对于重播率Y，影响的主次顺序为C>A>B，最优组合为A4B1C1，即吸种盘转速为35r/min、气室真空度为1.0kPa、吸种孔直径为1.2mm；对于漏播率Z,影响的主次顺序为C>A>B，最优组合为A4B4C2，即吸种盘转速为35r/min、气室真空度为1.6kPa、吸种孔直径为1.4mm。由于气室真空度对排种效果影响较小，故确定最优组合为A4B3C2，即吸种盘转速为35r/min、气室真空度为1.4kPa、吸种孔直径为1.4mm时，合格率为84.22%，重播率为8.81%，漏播率为5.97%，满足JB/T 10293-2013《单粒(精密)播种机技术条件》中的参数指标。

由表4方差分析的结果可知，对于合格指数、重播指数、漏播指数与极差分析的因素主次一致。

4 结论

1)设计开发了一种适用于水稻旱地直播的气吸式排种器，采用负压吸种、高压气力清种，满足水稻的精量播种要求。

2)利用有限元分析软件Fluent对负压气室进行了仿真分析，研究了吸种孔的孔径、吸种盘厚度等参数对吸种孔及气室内部压强和气流速度的影响，并对排种器的参数进行了优化，确定了吸种孔的直径范围为1.4～1.6mm、吸种盘的厚度为2mm时最适宜进行精量排种。

3)对开发的排种器进行了排种正交试验，分析了吸种盘转速、气室真空度、吸种孔直径对排种器性能的影响，确定了3种因素对排种性能影响的主次顺序。其中，吸种孔直径的大小对排种性能影响最大，其次为吸种盘转速，最小的是气室真空度的大小。确定了最优的参数组合：吸种盘转速为35r/min、气室真空度为1.4kpa、当吸种孔直径为1.4mm时，排种合格率为84.22%、重播率为8.81%、漏播率为5.97%，符合JB/T 10293-2013《单粒(精密)播种机技术条件》中的参数指标要求，满足后续播种的需要。