气吸针式播种机吸嘴部件设计

陈志强，高 锐，沈嵘枫，纪 敏，谢诗妍

(1.福建省林业科学研究院，福建 福州 350012； 2.福建农林大学，福建 福州 350002 )

针式播种机是一款对不同形状、不同尺寸的种子通过配置不同型号的针嘴来进行播种的全自动播种机，负压吸嘴吸种、正压吸嘴排种；应用PLC自动控制系统，控制传动皮带的传动速度、播量及播速，种子的吸/排动作利用气缸的往复运动转动排种器。在某些发达国家，由于针式播种机将原离散的人工生产管理模式提升为集信息数据化、管理可视化、制造智能化于一体的生产模式，效率大大提高，因此被广泛用于工厂化育苗。散粒状林木种子介于流体和固体之间，有非常复杂的机械特性；在林木种子自然堆积的情况下，种群中有着复杂的挤压力和摩擦力，种子本身的特性决定了这种力的大小。吸种时，负压由真空泵提供，吸种器被气缸转动到集种槽上方，而后种子被吸种针吸起；投种时，正压由空气压缩机提供，吸种器被气缸转动到播种位置，正压和自重促使种子掉入到容器内，结束播种动作。吸种器，又叫排种器，是种子拾取和播种的关键工作部件。前人也对各种类型的吸种器进行了研究：袁月明等[1]为了分析影响水稻种子姿态的原因以及排种均匀性和种子的姿态之间的关系，使用高速摄影机记录气吸式排种器的工作过程；何东健等[2]建立了种子在组合吸孔气吸式排种器中的运动方程，分析了种子在排种器中的受力及运动参数，讨论了影响排种性能的主要因素；陈立东等[3]对影响气吸式排种器排种性能的因素进行了实验，建立了漏播率、重播率与粒距合格率等因素之间的数学模型，得到回归方程和最优结构计算参数；龚志强[4]利用超级稻气吸振动盘式精密排种装置测量和分析芽种的基本物理性质，进行设计和离散元仿真。气吸式播种为此次研究的播种方式，实现整个育苗容器的播种仅在一次吸排种过程中完成，达到一容器一种的播种功能。

1 吸种受力分析

播种性能与种子能否被有效吸附密切相关，在不同类型的播种机中，种子的运动状态不同，其所受的力也不同。例如，在吸种与携种阶段，吸滚筒式播种机中的种子是与滚筒一起做匀速圆周运动，而气吸针式播种机中的种子与吸嘴沿仿形块做运动；而在排种阶段，2种播种机上的种子都做抛物线运动。所以，有必要分析不同时期种子的受力情况，种子在振动过程中的状态和位置变化，其主轴方向不确定，为了简化分析过程，设定种子沿着种子长轴线方向吸附。针式吸嘴在种盘上方运动，吸嘴对种子的作用力如图1所示。种子形状不规则，难以确定吸附过程中其受到的绕流阻力(F)和升力(H)的大小和方向，这是由于振动后种子主轴线的方向不确定导致的。

图1 吸种受力图

假设种子形状为椭球体，种子的升力H=0，受到重力(G)、吸附力(F)和支持力(N)的作用[5]：

(1)

式中：ρs为种子容重；g为重力加速度；Cu为阻尼系数；v为气流速度；d为种子的平均直径；A为截面积；ρ为气体密度。

2 吸嘴结构设计与流体分析

对于播种机来说，完成种子拾取和播种动作的部件是吸种器，其工艺为：种子由吸种器从自然堆积的群体中吸取出来，成为可进行播种的连续单粒种子或种子流。吸种器是评价播种机播种质量和各项性能指标的关键部件，其性能直接关系到播种机能否满足播种质量要求。

2.1 结构设计

吸种器有机械式吸种器和气力式吸种器。机械式吸种器成本低、结构简单，但适用的种子形状单一、效率低。其原理是根据不同种子的形状和大小，通过吸种器的孔将种子从群体中抽离，再靠装置的压力和种子的自重完成种子拾取和播种。气力式吸种器有气吸式、气压式、气送式3种类型，可以进行单粒种子精量播种，是以气流为载体靠气体的正/负压完成种子的拾取和播种，气力式的优势是高效低耗，避免重播和损伤种子，且适用于各种形状和大小的种子，通用性较强。

影响气吸式吸种器工作性能的主要因素[5]：①真空度：真空度过大时，气孔对种子的吸附力会很大，出现不止一粒种子被气孔吸附，导致重播，且极易破坏种子，使林木种子的发芽率降低；真空度过小时，气孔对种子的吸附力变小，易使种子振落，变成漏播。②吸种时间：如果吸种时间太短，气孔不能有效的吸附种子，出现漏播；如果吸种时间太长，则降低播种效率。③吸种孔内径：若吸种器内部压强恒定，吸种孔内径过大，对种子的吸附力就会变大，吸口与种子的接触面积增大，则吸收过多种子，变成重播，且增加流体的泄漏率；吸种孔内径过小，吸附力就会减小，吸种成功率降低，变成漏播。因此，对气力式吸种器的结构进行优化设计，并且设计与其他运动机构的配合连接。吸种器部件主要包括：固定座、真空接口、吸种针连接头、吸种针等。图2为吸种器的结构示意图。

1为真空接口；2为固定座；3为吸种针连接头；4为吸种针 图2 气吸式吸种器结构示意图

2.2 流道流体分析

观察空间几何点是描述流体的有效方法，某点(x，y，z)流体的速度表达式在空间直角坐标系中为：

(2)

图3 流道流体设置

吸嘴的流体分析采用SOLIDWORKS FloXpress作为分析工具。在此忽略流体介质和外界的热交换，因其工作环境为常温并且流体介质为空气。在吸种过程中，吸种器内部与外界需要存在一定的压力差(吸种器内部<大气压)，为了能够进行有效的吸种，其差值产生的吸附力要大于种子的重力。通过真空泵抽气来实现排种器内部的负压。设置初始条件，出气口的流量为0.005 m3·s-1(图3a、表1)；吸种口的外界气压为标准大气压(图3b、表2)。

设定好参数后运行仿真，图4、图5分别为吸种器内部流线图和内部压力分布图。从吸种器内部流线的分布情况可知，在抽真空过程中，流体介质能从吸种口平稳地流向出口，且无明显涡流现象；从吸种器的内部压力分布图可清晰地看到，内部压力分布均匀，最大压力在吸种口位置，并且每个吸种口的压力基本相同，达到工作要求。吸种器在吸种过程的仿真可以直观地反映流体的流动情况，证明了装置工作的可靠性。

表1 入口主要参数

表2 出口主要参数

图4 入口、出口管道图

图5 入口、出口滚珠图

3 结论

育苗要走产业化、规模化、机械化的发展道路，工厂化育苗是必然的选择。播种机的播种性能是影响优质种苗培育的关键。本文分析了气吸针式播种机排种器吸种过程中种子的受力与运动，得出影响针式播种机播种性能的相关参数的关系式。利用SOLIDWORKS FloXpress，通过计算机数值分析技术进行了流体仿真，得到了吸种器内部的流线分布图，结果表明，真空泵抽真空过程中无明显涡流现象，流体介质平稳运动。吸种器在吸种和投种过程中吸种器内部的压力分布均匀，最大压强值处于吸种口位置。采用优化吸嘴部件的针式播种机运行平稳、工作可靠、播种性能良好，符合设计要求。