气吹悬浮供种的气吸滚筒式排种器设计与实验

　　摘要:为解决辣椒等小颗粒、不规整种子机械化精量排种问题，设计了一种气吹悬浮供种的气吸滚筒式排种器。为此，阐述了气吹悬浮供种的气吸滚筒式排种器的工作原理，确定了各部件主要结构参数，并对种子吸附过程进行了力学分析。以新疆新选8819辣椒种子为试验对象，通过正交试验方法对影响排种器性能因素进行分析，得出影响排种器性能因素的主次顺序为气室压力、滚筒转速、吸种角度。当吸种角度为20°、种箱气室正压值为2kPa、滚筒转速为12r/min时，可获得单粒率为91.5%、多粒率为5.4%、漏播率为3.2%。经试验验证，样机满足辣椒育苗精量播种的种植要求。

　　关键词:排种器,精量播种,气吸滚筒式,气吹悬浮供种

　　辣椒是新疆的特色经济作物，市场前景好，近几年种植面积不断增加[1]。穴盘育苗过程是移栽种植模式的关键环节之一，穴盘育苗排种器是育苗过程的关键部件，但辣椒种子存在外形不规整、流动性差、尺寸小及分离效果不佳等问题[1]。

　　新疆育苗播种主要靠人工点播，劳动强度大，效率低，成本高，目前还没有满足“一穴一粒”辣椒穴盘育苗精量排种器。因此，迫切需要设计一种实现“一穴一粒”精量播种要求的排种器。目前，气力式排种器因具有种子适应性强、生产效率高、不易伤种等优点，在农作物精量播种中广泛应用[2]。国内，李耀明、陈进等[3]以油菜、水稻等作物种子为研究对象，确定了振动气吸式排种器的核心部件结构和工作参数，研究分析了振动种盘内种子的运动机理，以及吸孔形状、孔径、导程对吸种效果的影响。

　　王朝晖、袁月明、马旭等[4]以超级稻为播种对象，通过三维建模与仿真、高速摄像观察等方法对气吸滚筒式排种器气室流场、投种过程及种层振动规律等排种性能影响规律进行了研究。上述气力式排种器大都采用振动供种，不能满足小颗粒、不规整的番茄(非丸粒化种子)种子“一穴一粒”的育苗播种要求。

　　由于辣椒种子破损将影响出苗率，且种子尺寸小、外形不规整、流动性差，种植要求又属于精量播种，针对现有气吸滚筒式排种器存在的取种难、吸种孔容易堵塞、投种精度差等主要技术问题，提出了由负压取种、正压气吹供种和投种的新方案，并设计了一种适合辣椒育苗播种的气吹悬浮供种的气吸滚筒式排种器。同时，以种箱气室正压力、滚筒转速、吸种角度为影响因素，对排种器排种性能进行试验分析，寻找上述因素最优参参数组合，为辣椒等小粒种子育苗排种器的设计提供参考。

　　1排种器的结构与工作原理

　　气吹悬浮供种的气吸滚筒式精量排种器由气吹式种箱、排种滚筒、正负压空心轴、旋涡气泵、正压供气管、负压供气管及传动链轮等组成。滚筒内部有空心轴和绝压分隔装置，绝压分隔装置将滚筒内部空间分成正压区域和负压区域。

　　排种器工作时，电机通过变频器调节带动滚筒顺时针转动;旋涡气泵的正压供气管与滚筒正压空心轴和种箱气室链接，负压供气管与滚筒负压空心轴连接;正压供气管往绝压分隔装置和种箱气室中输入正压气体，种箱供种板两疏种墙之间开有小于种子的吹孔，供种板上的种子在正压气流吹动作用下悬浮跳动至滚筒附近;滚筒表面上开有锥形通孔，负压供气管通过负压空心轴往滚筒内部通入负压气体。

　　正压供气管通过正压空心轴往绝压分隔装置内部通入正压气体，当滚筒转动到种箱出料口附近时，滚筒吸孔附近的种子在滚筒负压腔内部负压的吸力作用下吸附在滚筒吸孔上，并随着滚筒一起转动;当转动经过种箱上方的毛刷时，将吸孔附近不稳定的种子以清理种箱;当吸孔转动到绝压分隔装置下方时，种子失去滚筒内部负压吸附力的作用，种子在自身重力和绝压分隔装置内部正压气流的作用下掉落，完成整个投种过程。

　　2排种器关键部件的设计

　　2.1滚筒正负压腔的设计

　　正负压腔是排种滚筒实现精量取种和精准投种的关键部件[5]，其结构设计直接影响滚筒吸种性能和投种精度。此内腔是两段空心轴，通过挂件与绝压分隔装置焊接成为一体结构。挂件与绝压分隔装置和空心轴垂直连接，且两段空心轴的中心线和绝压分隔装置的横向中心线在同一平面内。连接正压气体空心轴的滚筒内端密封并开有连接快速接头的小孔，绝压分隔装置上部中心位置开有连接快速接头小孔，通过快速接头和塑料管往绝压分隔装置中输送正压气体，绝压分隔装置下部连接橡胶条与滚筒内表面密封链接。此设计使得滚筒内部负压流场更加均匀，并保证了滚筒运转的稳定性。

　　目前，国内外气吸滚筒式排种器的滚筒直径多为140～260mm[6]，经过前期的试验研究确定滚筒直径为180mm。在此内腔结构下采用CFD模拟滚筒内部流场情况，模拟过程采用k-ε模型，设定边界为恒压力条件，选取滚筒上吸孔为压力进口，负压空心轴截面为压力出口，壁面采用无滑移壁面条件(ui=0)。

　　2.2吸种孔的设计

　　2.2.1辣椒种子几何特性

　　选取新疆种植最为广泛的辣椒品种新选8819线辣椒种子为研究对象[7]，应用精度为0.01mm的SF-2000型电子显示游标卡尺，对在辣椒种子样品中随意抽取的100粒种子进行三轴方向的大小测量。

　　2.2.2滚筒吸孔与吸孔位置的设计

　　吸种孔直径大小对排种器充种性能影响较大[8]。参考吸种孔d经验公式，即d=(0.6～0.7)B(1)其中，d为吸孔直径;B为种子平均短径。由上述可知:辣椒种子的平均短径为3.08mm，从式(1)中可以得出吸孔直径的数值范围为1.85～2.16mm。所以，本吸孔直径设计为2.0mm。

　　由于本设计为穴盘育苗排种器，目前最常使用的穴盘为PS材料的128孔16×8标准穴盘，其穴盘尺寸为532mm×278mm×44mm，穴盘两锥孔中心距为32mm。由于滚筒长度、轴向吸孔数、周向吸孔排数会影响排种器性能和稳定性，综合考虑，滚筒长度设计为310mm，轴向吸孔的数量为8个，滚筒周向排数设计16排。

　　2.3种箱的设计

　　种箱由供种箱和种箱气室组成，种箱的出料口上部设有与滚筒表面弧形相对应的弧凹槽，弧凹槽套在滚筒的圆周上，与滚筒通过种箱支架成一定角度安装在机架上。考虑到与滚筒设计相对应，滚筒长310mm，滚筒两侧吸种孔中心距离为224mm，所以种箱宽度设计为280mm。供种板出料口处设计有疏种墙，疏种墙之间的供种板上开有整齐排列的吹孔，其直径为2.0mm。

　　种箱设计有8个出料口，每个出料口之间的中心距为32mm，与滚筒吸孔之间的中心距相同。工作时，种箱气室通入正压气体，在供种板吹孔气流的作用下使种子悬浮出料口附近。滚筒吸孔转动至种箱出料口处，滚筒吸孔在压差作用下将种子吸附在滚筒吸孔中，实现吸种过程。

　　3结论

　　1)设计了一种气吹悬浮供种的气吸式排种器，确定了气吹供种和滚筒排种的工作原理、主要结构与性能参数。

　　2)采用三因素四水平正交试验得出最佳参数范围如下:在吸种角度为20°，种箱气室正压值为2kPa、滚筒转速为12r/min时，可获得单粒率91.5%、多粒率5.4%、漏播率3.2%的结果。分析表明:影响排种器性能因素的主次顺序为种箱气室正压力、滚筒转速、吸种角度。

　　参考文献:

　　[1]缑海啸.基于气吹供种的盘吸式辣椒排种器排种机理研究[D].石河子:石河子大学，2014.

　　[2]杨文伟.气吹供种的滚筒式番茄育苗播种器的研究[D].石河子:石河子大学，2014.

　　[3]陈进，李耀明.气吸振动式播种试验台内种子运动规律的研究[J].农业机械学报，2002，33(1):47-50.

　　[4]王朝辉，袁月明，董润坚，等.超级稻育秧精密播种器内部流场的数值模拟[J].吉林农业大学学报2009，31(6):78-784.

　　[5]赖庆辉，高筱钧，张智泓.三七气吸滚筒式排种器充种性能模拟与试验[J].农业机械学报，2016(5):27-37.

　　[6]高筱钧，周金华，赖庆辉.中草药三七气吸滚筒式精密排种器的设计与试验[J].农业工程学报，2016，32(2):20-28.

　　[8]马亚鹏，高捷，胡斌，等.气吹供种的滚筒式排种器的设计研究[J].农机化研究，2016，38(4):80-83，89.

　　[9]张静，李志伟，刘皞春，等.气力滚筒式排种器种子吸附边界模型及验证[J].农业工程学报，2016(23):12-20.

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