交叉式玉米精量排種器的設計與試驗研究

李 翠，郭呈成，郭金山，張克盛，李 俊

（甘肅畜牧工程職業技術學院，甘肅武威 733006）

0 引言

隨著科學技術的進步和農業政策的加強，農業發展有了很大的增長和進步。然而，糧食缺口仍然很大，特別是戰略作物，這影響了國家經濟，危及糧食安全。自給自足只能通過保護現有的自然資源和達到最高的生產效率[1]。玉米是最重要的糧食作物之一，在保障世界糧食生產安全和農業可持續發展方面發揮著重要作用[2-4]。在糧食產量需求不斷增加，但種植面積無法增加的背景下，只能通過提高單產率來提高整體產量。玉米精密播種的農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，根據一定的農藝要求，使單粒種子精確地落在土壤中預定位置的過程。結合甘肅河西走廊一帶玉米種植要求，高速精密播種指作業速度大于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。根據其工作原理，排種器分為機械式和氣力式[6]。氣力式排種裝置由于它的高速運轉速度高和機械損失率低被廣泛應用，這就是高速精密排種的發展趨勢，也是當今社會國內外學者關注的焦點和熱點。

目前，許多專家學者正在對氣力式精量排種器進行研究。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，并建立了預測最佳真空負壓值的模型。Nal等[8]通過流體力學闡述了氣動排種裝置的播種機理，建立了種間距回歸模型。Dizaji等[9]設計了氣動精密排種裝置的氣動撒種裝置，研究了排種板的轉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，排種效果不佳的問題，設計了輔助吸氣式精密排種裝置，以提高排種速度。然而，鋸齒式清種機構在高速運行時容易對種子造成機械損傷。Zhang等人[11]設計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現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]設計了一種具有組合孔的玉米氣動精密排種裝置。通過氣流與機械孔相結合，使種子更容易被氣流吸收到孔內，提高了充種概率。

目前，氣力式排種器主要采用單個排種盤工作，受排種盤直徑、種子尺寸等多因素的影響，單盤排種器型孔數量有限，高速作業時，要求排種盤轉速較高，導致其充種困難，漏播率變大，影響播種質量。針對此問題，研制一種結構簡單、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進行驗證，確定排種器關鍵部件參數，以提高高速作業情況下的播種質量。

1 交叉式玉米精量排種器

1.1 排種器總體方案設計

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。排種盤結構主要包括左排種盤和右排種盤，兩排種盤直徑和型孔數量相同，但型孔位置均勻交叉分布。每個排種盤與外側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構

1.2 工作原理

工作時，外部動力通過排種軸帶動左、右排種盤同時轉動，種子分別從左、右種箱通過殼體進入左、右排種盤的充種區Ⅰ，在后續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Ⅰ。當吸附在型孔上的種子運動至清種區Ⅱ時，在刮種器的連續擾動作用下，與排種盤吸孔接觸最緊密，占據吸孔面積最大的一粒種子在內、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Ⅰ。吸附在型孔上的種子在內外壓差作用下越過攜種區Ⅲ，運動至投種區Ⅳ。由于投種區Ⅳ在真空室外區域，型孔對種子的吸力消失，種子在重力的作用下完成投種，實現單粒排種（圖2）。

圖2 排種器工作區域劃分

2 關鍵部件設計

2.1 交叉排種盤結構設計

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，兩盤同軸轉動，如圖3所示。兩排種盤直徑尺寸一致，型孔數量及大小相同，但型孔位置均勻交錯分布。

圖3 交叉盤整體結構

交叉盤分布參數主要包括兩盤距離T及型孔交錯角度φ。

種子分別從左、右排種盤投種后進入導種管，雙盤距離T與導種管寬度相關，結合玉米種子尺寸與風機功耗，為保證玉米種子順利落入到種管，設計雙盤距離T。

查閱文獻發現，玉米種子在吸種孔上大致分為3種，即“平躺”“側臥”“直立”。其中種子被直立吸附時，雙盤結構橫向尺寸最大，即只要直立吸附兩粒種子能落入一個導種管內，那么被平躺、側臥吸附的玉米種子也一定可以。根據玉米種子被直立吸附時漏在型孔外側的尺寸和導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 排種盤設計

單個圓盤的型孔數量受排種盤直徑限制，排種盤直徑越大，允許的最大型孔數量越多，在轉速和株距一定條件下，能達到的作業速度越高。因此，排種盤的直徑應盡可能大。根據排種器整體結構，現有排種圓盤的直徑范圍為140～260 mm，本文設計交叉盤直徑D為233 mm。

2.3 刮種器設計

刮種器是排種器的關鍵部件之一[13]，排種器工作時，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。本研究所設計的刮種刀不進給時，刮不到種子，調節刮種刀進給距離，刮種刀可以刮掉多余種子。通過調節刮種刀進給距離，可以適應不同排種盤的播種要求，具有較好的通用性。

工作時，刮種刀可通過自身的圓柱凸起進行調控，決定向前進給的距離。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，本文設計的刮種器工作示意圖如圖5所示。刮種刀不進給時，刮不到種子，調節刮種刀進給距離，刮種刀可以刮掉多余種子。通過調節刮種刀進給距離，可以適應不同排種盤的播種要求，具有較好的通用性。

圖5 刮種器結構示意圖

3 仿真試驗

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行仿真分析，通過仿真試驗對相同型孔數量的單盤、交叉盤排種器在氣室壓力的差異進行仿真分析。

3.1 仿真過程

基于SolidWorks軟件建立交叉式排種器模型，針對排種器實際結構復雜，在建模時將模型進行簡化。對簡化后的模型利用GAMBIT進行網格劃分，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，其他面默認為壁面wall。

3.2 仿真結果分析

3.2.1 44型孔交叉盤與單盤對比。在Fluent軟件中進行仿真試驗，44型孔仿真結果如圖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，氣室表面壓強分布規律為與風機相連部分壓強最高并向兩側遞減。型孔數為44時，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普遍偏低，通過壓強分布圖，可以看到壓強分布普遍在3 000 Pa以下。型孔數目為44的交叉盤氣吸排種器，氣室壓強表面壓力分布均勻；而型孔數目為44的單盤排種器，氣室表面壓強分布不均。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分布。

3.2.2 54型孔雙盤單盤對比。在 Fluent 軟件中進行仿真試驗，54型孔仿真結果如圖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，氣室表面壓強分布規律為：與風機相連部分壓強最高并向兩側遞減。型孔數為54時，交叉盤型孔表面壓強整體大于單盤型孔表面壓強。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 軟件中進行仿真試驗，64型孔仿真結果如圖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，氣室端面壓強分布規律為與風機相連部分壓強最高并向兩側遞減。型孔數量為64時，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普遍偏低，通過壓強分布圖，可以看到壓強分布普遍在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分布。

4 單盤、交叉盤排種器臺架對比試驗

本試驗采用自制的臺架試驗設備（圖9），試驗采用3D打印加工除排種盤外的所有排種器部件，排種盤采用機加工的方式定制。在進行臺架試驗時，設置氣室壓強為4 kPa，作業速度為10 km/h，型孔數量為54的單盤和交叉盤排種器。試驗共進行3次。

圖9 臺架試驗

單盤和交叉盤排種器排種性能試驗結果如表1所示。試驗中種子基本能夠被牢牢吸附在排種盤的型孔內，整個排種作業過程也較為穩定。與單盤54型孔排種器排種效果數據對比，交叉盤54型孔排種器合格指數大于單盤排種器合格指數，漏播指數和重播指數小于單盤4型孔排種器。綜上所述，所設計的交叉盤氣吸式排種器，其排種性能良好，播種穩定性較高。

表1 排種器排種性能對比結果

5 結論

1）針對在高速排種中，單排種盤型孔數目增多而引起的氣室表面壓強分布不均，排種盤型孔處壓強與軸向風速減小，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排列，可以有效增加型孔數量的精量排種方法，設計了交叉盤氣吸式高速精量玉米排種器，能夠實現在保證氣室壓強分布穩定的前提下，擁有比單盤更多的型孔數量，進而降低排種盤轉速，在高速作業時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鍵部件及參數進行了設計，確定排種盤直徑、交叉盤之間的距離等主要參數。

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

4）對設計的54型孔排種器進行臺架試驗研究，試驗結果表明，所設計的交叉盤氣吸式排種器，其排種性能良好，播種穩定性較高。