气吸式水稻逐粒排列装置吸附试验分析*

徐云杰，胡飞，沈俞，贾良权，祁亨年

(1.湖州师范学院工学院，浙江湖州，311800；2.湖州市机械工程学会，浙江湖州，311800)

0 引言

种子是农业生产的基本生产资料，种子活力是衡量种子质量的重要指标之一[1-2]，种子活力的优劣直接影响种子品质、生长和产量，高活力种子具有更大的生长潜能和优势。据统计，每年我国因作物种子不适造成农产品减产在10%～20%之间[3]，研究种子活力的检测技术，对保障农业经济的稳定发展有着重要意义。种子活力检测技术国内外研究较多，但将检测装备应用于生产实际较少，发达国家的种子公司很多都有对其商品种子进行批量活力检测的装备，国内种子企业还做不到[4]。

以气吸式吸取种子并检测种子活力的吸附试验国内外均未检索到公开文献，国内外学者围绕播种的气吸式排种器的吸附试验有较多的研究[5]，有借鉴意义；主要集中在理论分析、建模仿真、试验研究几个方面。

理论分析方面主要是以某一类种子为对象构建排种数学模型，指导吸附参数的选择。Guarella等[6]以气吸形式的蔬菜排种器为研究对象，考察其对排种性能的影响并构建数学模型。Mohammed[7]针对小麦采用动力学与运动学的方法对吸排种进行理论分析，并指导吸排种性能的提高。张昆[5]以气吸滚筒内部气流流场的数学模型进行数值模拟，研究结果表明孔径和孔距对内部流场分布均匀性有显著性影响。廖宜涛等[8]针对油菜、青菜等类球形小粒径种子开展吸种环节研究，明确了用于计算吸种临界负压的可靠性系数模型，为气吸性能提供参考。

建模仿真方面常用离散元(DEM)、计算流体力学(CFD)等借助EDEM、FLUENT等软件对速度场、压力场进行分析与模拟。丁力等[9]采用DEM和CFD耦合的方法模拟了气吸式排种器工作过程，优化排种参数；孙舒畅[10]以玉米精密排种器为研究对象，采用EDEM、FLUENT进行仿真分析，通过台架试验，验证了仿真模拟的可行性；张凯等[11]借助两个分析软件完成了小粒径气吸式排种器DEM-CFD耦合仿真试验，获得了最佳排种性能值；刘月琴等[12]采用离散元的方法进行了仿真研究，获得了大豆的最优排种性能参数组合。

试验研究方面采用最多的一种方法是以某一类种子为对象通过试验获取最优参数。崔涛等[13]设计了一种内充气吹式玉米排种器,试验研究了压强和合格率的关系；Singh等[14]研究不同作物孔径和型孔类型气吸性能试验；李娜等[15]对气吸式谷子精量排种器性能进行正交试验研究获得了较优组合；李衣菲等对黑豆精量排种装置性能进行试验研究等等。

围绕播种的种子吸附装备以滚筒式、盘式为主，根据种子的大小、形状等通过试验调整型孔形状、转速、吸气压力来达到最好的吸种效果[5]。播种时为了防止欠株侧重保证全吸附率，允许吸附多粒种子[16-17]；但目前基于高光谱的种子活力检测技术仅能够单粒检测，故有必要研究单粒吸附率。

本研究前期基于TDLAS技术进行批量种子活力检测，每次检测一盒(1 kg以内)[18]，检测出的高活力种子整盒直接作为商品种子出售，检测出的中活力种子整盒进行逐粒活力检测，确保分选出每粒高活力种子，去除破损种子和杂质。为此研制了基于高光谱检测技术的气吸式单粒种子活力批量检测分选装备[19]，种子单粒排列装置和高光谱检测装备是核心部件，因高光谱检测装备单粒检测限制，要求种子单粒且有规律的进行排列，在充种、运种、投种中吸附参数是确保种子排列效率的关键因素，以三种不同类型的水稻种子为对象，试验研究影响吸附特性的各因素之间的相关关系，从而确定最优吸附参数。

1 种子单粒排列装置设计

1.1 种子单粒排列装置结构与工作原理

种子单粒排列装置是单粒种子活力批量检测分选线的重要组成部分；单条分选线可组合成多条分选线，每条分选线结构一样，都由排列装置、传送装置、检测装置、分选装置等组成，如图1所示为单条分选线，分选线的工作流程：待检测的种子放到排列装置的料箱内，排列装置单粒吸取种子，种子落至传送装置并传送至高光谱检测装置处进行检测，检测装置将检测结果转换成数字信号控制分选装置高压气体的通断，不同活力程度的种子被高压气体吹入对应的种子回收袋内，高活力种子直接作为商品出售，中等或低活力根据具体情况进行处理。

图1 单条分选线总装图Fig.1 Assembly drawing of sort device1.控制装置 2.排列装置 3.检测装置 4.分选装置 5.传送装置 6.回收袋 7.低活力区 8.中等活力区 9.高活力区

单粒种子活力检测的目的是检测每一粒种子活力，确保分拣出高活力的种子，检测中采用高光谱分析，要求种子单粒且有规律的进行排列，因此有必要研究单粒排列装置。

种子单粒排列装置逐粒吸附种子且单个排列，装置的结构如图2所示，由滑环定子、滑环转子、料箱、吸管、吸嘴等组成。整个过程分四个区，Ⅰ区为吸种区、Ⅱ区、Ⅲ区为运种区、Ⅳ区为放种区，包含吸种、运种、放种三个步骤。

图2 种子单粒排列装置Fig.2 Seeds arranging device1.吸管 2.吸嘴 3.料箱 4.滑环转子 5.滑环定子

工作原理：在吸种区Ⅰ区竖直方向0°位置吸管置为真空状态，吸嘴吸附料箱内的水稻种子，滑环转子带动吸管、吸嘴和被吸附的水稻种子逆时针匀速转动，经Ⅱ、Ⅲ区运送，在Ⅳ区270°吸管释放真空度，放种，种子自由落体落至分选线传送带上，以此类推重复动作。图2吸管数量为4个，每1转投种间距为πd/4。根据检测速度可通过增加吸管数量调整种子排列间距，如吸管数量为n个则投种间距为πd/n，还可以配合传送带进一步调整间距。

1.2 吸嘴类型及吸附参数确定

1.2.1 吸嘴类型

伊藤道秋等[20]研究了A型、B型、C型、D型四种类型吸嘴形状(图3)与气穴直径、真空负压以及水稻种子的接触速度等的关系，研究结果显示同等参数条件下A型2粒及以上吸附率最低。以固定参数吸嘴直径1.5 mm，吸附压力9 kPa，转速22.5 r/min，在同一台排列装置上的四个吸管上分别安装四种吸嘴进行吸附试验，结果显示A型单粒吸附率达91.7%，B、D次之均可达到70%，C型多粒吸附率最高达50%。本研究以最优单粒吸附率为目标，故选择A型吸嘴进行试验。吸嘴为可拆卸部件，更换吸嘴即可满足不同规格、不同类型种子的单粒吸取需求。

(a)A型吸嘴 (b)B型吸嘴 (c)C型吸嘴 (d)D型吸嘴图3 吸嘴结构Fig.3 Suction nozzles structure

1.2.2 吸附参数

种子有圆形如萝卜、菠菜等，扁平形如西瓜、黄瓜等，特殊形状如水稻、小麦、荞麦等[20]。不同类别的种子需要的吸附力不同，要吸附单粒种子且不掉落，吸嘴处的吸附压力至关重要，过小易吸空，过大易吸附多粒且破坏种子的活力，水稻种子形状为类似椭圆，为特殊形状，因此有必要单独针对水稻种子进行吸附压力研究。

吸嘴内径为圆柱形，吸嘴与水稻种子完全吸附接触面为圆形，吸力远大于种子自重、种子间的振动力、碰撞力，因此研究过程中将水稻种子等效为球形，水稻种子的直径简化为等效直径[21]。吸附过程中水稻种子受力分析如图4所示，建立水稻种子受力方程。

(a)种子吸附状态

(b)种子受力情况图4 水稻种子受力分析图Fig.4 Stress analysis diagram of rice seed

(1)

式中：ω——吸嘴的角速度，rad/s；

R——吸嘴旋转半径，mm；

α——吸管与竖直方向的夹角，(°)；

G——水稻种子重力，N；

Ff——水稻种子间的摩擦力，N；

J——水稻种子惯性离心力，N；

F0——水稻种子的吸附力，N；

FR——Ff方向上G与Ff的合外力，N；

NR——孔壁对水稻种子的支持力，N；

FN——NR方向上G、J、NR的合外力；

d——吸嘴直径，mm；

B——水稻种子到吸嘴的中心距离，mm。

由式(1)可得，当水稻种子被吸附在吸嘴上时所需的吸附压力如式(2)所示。

(mω2R+NR+Gcosα)

(2)

由于重力G、中心距B、种子间摩擦力Ff等不变，由式(2)可知，决定水稻种子吸附压力最重要的因素是吸嘴直径和吸嘴转速。通过试验分析吸嘴直径、吸嘴转速与吸附压力之间的相关性可以确定每个类型水稻种子所适合的吸附参数。

2 材料与方法

2.1 试验材料

本文选择三种代表不同形状的水稻种子作为试验对象，中嘉早17、甬优538、中浙优10，种子形状如图5所示。

图5 三种水稻种子实物图Fig.5 Physical diagram of three rice seeds

各取1 000粒用电子秤及游标卡尺分别测量种子的重量、长度与粒径，测得中嘉早17平均粒重26.0 mg/粒、平均长度8.19 mm，平均粒径3.17 mm，长径比L/D=2.58；甬优538平均粒重24.8 mg/粒、平均长度7.16 mm，平均粒径3.21 mm，长径比L/D=2.22；中浙优10平均粒重23.5 mg/粒、平均长度9.67 mm，平均粒径2.48 mm，长径比L/D=3.89。

2.2 试验设备

主要的试验设备有：种子单粒排列装置，57HS22步进电机及TB6600驱动器，奥突斯双缸无油空压机，三菱控制器，机架试验台，游标卡尺等，试验装置如图6所示。

图6 水稻种子吸附性能检测试验台Fig.6 Test bench for detecting the adsorption property of rice seeds

2.3 试验方法

种子高光谱检测速度为4～6个/s，取转子转速为15～22.5 r/min，PLC控制步进电机，取脉冲频率分别是800、900、1 000、1 100、1 200 Hz可获得5种转速；取平均粒重24.9 mg/粒，取d=1.0和d=2.0，由式(2)初步预算吸附压力区间为1～13 kPa。以这14个影响因素为试验参数，因素水平如表1所示，每组试验连续记录120粒种子的吸附情况。由式(2)可知，吸附压力p0对吸附率影响较大，故首先以单因素试验研究吸附压力与吸附率的关系，参数取值分别为：中嘉早17和甬优538取中间直径d=1.5；中浙优10取d=1.25；转速取转子最大转速ω=22.5 r/min；吸附压力p0=1、2、5、9、13 kPa。在单因素试验的基础上，获得各个种子最优吸附压力，在此压力下再分别取不同的吸嘴直径和转速做组合试验，中嘉早17和甬优538取吸嘴直径d=1.0、1.5、2.0；中浙优10取d=1.0、1.25、1.5；ω=15.0、16.875、18.75、20.625、22.5 r/min。最后，在直径与转速的组合试验中得到各个种子的最优吸嘴直径，在最优吸嘴直径的情况下，取吸附压力p0=1、2、5、9、13 kPa，ω=15.0、16.875、18.75、20.625、22.5 r/min，进行吸附压力和转速组合试验。依据组合试验结果分析p0、d、ω变化规律，确定最优吸附参数。

表1 因素水平Tab.1 Level of factor

3 结果与分析

3.1 吸附压力试验结果分析

中嘉早17和甬优538取中间直径d=1.5；中浙优10取d=1.25；转速取转子最大转速为22.5 r/min；p0=1、2、5、9、13 kPa，进行吸附压力单因素分析，试验结果如图7所示。

(a)中嘉早17

由图7可知，当p0≤5 kPa时γ空∝1/p0，当p0>5 kPa 时γ空<10%；γ单随着p0的增加先增后降，中嘉早17当p0=9 kPa时达到最大，γ单max=91.7%，甬优538当p0=9 kPa时达到最大，γ单max=86.7%；中浙优10当p0=5 kPa时达到最大，γ单max=85.84%。γ复∝p0，p0≥9 kPa时增加明显。由表2吸附压力方差分析结果可知，吸附压力对三种种子的吸空率、单粒吸附率、复粒吸附率均具有显著影响。

表2 吸附压力方差显著性分析Tab.2 Variance analysis of adsorption pressure

3.2 吸嘴直径与转速试验结果与分析

中嘉早17和甬优538取d=1.0、1.5、2.0，p0=9 kPa；中浙优10取d=1.0、1.25、1.5，p0=5 kPa；ω=15.0、16.875、18.75、20.625、22.5 r/min，分别进行吸嘴直径与转速的组合试验，试验结果如图8所示。图8显示，三种种子的γ空∝1/d，且随ω的增加呈微上升趋势；γ单随d的增加先增加而后降低；γ复∝d，且随ω的增加总体呈微下降趋势。

图8(a)中嘉早17，当d=1.5、ω=22.5 r/min时γ空=5.8%，γ单max=91.7%明显优于其他，γ复min=2.5%，此组参数较优。当d=1.0时γ空>60%，γ复≈0%；当d=2.0时γ复>40%，γ空≈0%；γ单均<60%。

(a)中嘉早17

图8(b)甬优538，当d=1.5、ω=18.75 r/min时γ空=1.6%，γ单max=88.3%明显优于其他，γ复=10%，此组参数较优。当d=1.0时γ空>40%，γ复≈0%；当d=2.0时γ复≈50%，γ空≈0%；γ单均<60%，非最优参数范围。

图8(c)中浙优10，当d=1.25、ω=22.5 r/min时γ空=15.5%，γ单max=88.3%明显优于其他，γ复min=0.8%，此组参数较优。当d=1.0时γ空>20%，γ复<5%；当d=1.5时γ复>30%，γ空<5%；γ单均<70%，非最优参数范围。

由表3可知，三种种子吸嘴直径试验结果对应的各项P值均小于0.05，因此吸嘴直径对吸空率、单粒吸附率和复粒吸附率有显著影响；由表4可知，转速的各项P值均大于0.05，因此转速对三种种子的吸空率、复粒吸附率及单粒吸附率影响效果不显著。与试验结果吻合。

表3 吸嘴直径方差显著性分析Tab.3 Variance analysis of suction nozzles diameter

表4 转速方差显著性分析Tab.4 Variance analysis of suction nozzles rotation speed

3.3 吸附压力和转速试验结果与分析

中嘉早17和甬优538种子取d=1.5，中浙优10取d=1.25，分别取p0=5、9、13 kPa，取ω=16.875、18.75、20.625、22.5 r/min进行组合吸附试验，同时吸附3粒种子的情况基本为0，同时吸附0粒、1粒和2粒的试验结果如表5所示。

表5 吸附压力、转速和吸附数量关系Tab.5 Relationship between adsorption pressure,rotation speed and adsorption quantity

中嘉早17的γ空∝1/p0；不同压力下，γ单∝p0，在相同压力下，在p0=5 kPa时随ω增大先增后减，在p0=9、13 kPa时随ω增大先增后减再增，在p0=9 kPa，ω=22.5 r/min达到最大γ单max=91.7%；同一压力下，γ复∝1/ω，不同压力下，γ复∝p0。

甬优538的γ空随p0增大先增后减；在p0=5 kPa时γ单∝1/ω，在p0=9 kPa时随ω增大先升后降再升，在p0=13 kPa时随ω增大先升后降，在p0=5 kPa，ω=16.875 r/min达到最大γ单max=92.5%。在p0=5 kPa 时随ω的增加γ复先增后减，在p0=9、13 kPa时，随ω的增加γ复先减后增，不同压力下，γ复∝p0。

中浙优10，不同压力下γ空∝1/p0，同一压力下γ空随ω变化不明显；不同压力下γ单变化规律不明显，在p0=9 kPa，ω=22.5 r/min达到最大γ单max=91.7%。同一压力下，γ复∝1/ω不同压力下，γ复∝p0。

4 结论

本文以水稻种子为对象，试验装备为自主研发的基于高光谱检测技术的气吸式单粒种子活力批量检测分选装备，采用单因素和组合因素分析法，以吸空率γ空、单粒吸附率γ单、复粒吸附率γ复为考核指标，对其核心部件种子逐粒排列装置在充种、运种、投种中的关键吸附参数p0、d、ω进行了试验研究，最终确定了三种不同类型的水稻种子研究影响吸附特性的各因素之间的相关关系，以及最优吸附参数。

1)吸附压力对三种种子的吸空率、单粒吸附率、复粒吸附率均具有显著影响。γ空∝1/p0；长径比小的中嘉早17和甬优538的γ单随着p0的增加先增后降，长径比大的中浙优10的γ单随着p0的增加先降后增；γ复∝p0。

2)吸嘴直径对三种种子的吸空率、单粒吸附率、复粒吸附率均有显著影响；γ空∝1/d；γ单随d的增加先增后降；γ复∝d。

3)吸嘴转速对三种种子的吸空率、单粒吸附率、复粒吸附率影响效果不显著。γ空随ω的增加呈微上升趋势；γ单随ω的增加有增有减，总变化范围平均13.9%；γ复∝d，且随ω的增加总体呈微下降趋势。

4)长径比L/D中浙优10>中嘉早17>甬优538；最优单粒吸附率γ单甬优538>中嘉早17>中浙优10；吸空率γ空中浙优10>中嘉早17>甬优538；L/D越大p0和d的影响越显著，说明种子的形状对种子的吸附性能有很大影响，γ单∝1/(L/D),γ空∝L/D,γ复∝1/(L/D)。

5)通过试验最终确定中嘉早17最优吸附参数为p0=9 kPa，d=1.5 mm，ω=22.5 r/min；在此参数下γ空=5.8%，γ单max=91.7%，γ复=2.5%；甬优538最优吸附参数为p0=5 kPa，d=1.5 mm，ω=16.875 r/min；在此参数下γ空=5%；γ单max=92.5%，γ复=2.5%；中浙优10最优吸附参数为p0=5 kPa，d=1.25 mm，ω=22.5 r/min；在此参数下γ空=13.33%，γ单max=85.84%，γ复=0.83%。

6)在最优吸附参数条件下，三类种子的复粒吸附基本是2粒，2粒落到传送带后自动分开，可以分别按两个单粒检测，满足检测的有效吸附率最低86.7%，最高95%。此三组最优参数均能够满足水稻种子批量单粒活力4～6个/s的检测要求，无论是使用效率还是检测质量都可以得到保障。在实际应用过程中针对具体的种子，可依据此试验的规律，更换吸嘴，有针对性的进行试验便可确定最优吸附参数。