摘 要：针对气吸式小粒径种子排种器在实际工作中经常出现吸孔被种子脱皮、碎屑堵住的现象[1]，提出了3种结构的吸孔清理装置。同时，利用SolidWorks进行三维建模，FLUENT进行气流场仿真模拟，得出结论：T型结构不利于种子及残渣回落；Y型结构易形成回流，影响种子及残渣的收集；坡型结构导致残渣无法完全落入收集器。最终设计出了一种综合性能最好的吸孔清理装置的结构—半坡型结构，不仅增强了清理效果，而且残渣回落后不易回流进入吸气通道。该设计对避免气吸式小粒径种子排种器排种盘堵塞的问题，保证排种器排种效率，提供了一定的理论参考。
关键词：排种器；吸孔清理；气吸式；小粒径
0 引言
国外农业发达的国家普遍采用气吸式原理设计精密排种器[2]。气吸式排种器具有结构简单、效率高、相对机械式排种器不伤种等优点[3]。在我国，气吸式排种器近年发展十分迅速，然而对于播种小粒径种子，还不成熟[4]。小粒径种子的平均直径≤3mm[5]，在我国种植比较多的农作物主要包括油菜、苜蓿、谷子、芝麻以及部分蔬菜、花卉等。这类种子物理特性有几何尺寸小、千粒质量小及形状不规则等[6- 7]。在实际排种过程中，尤其是气吸式小粒径种子排种器，种子之间、种子与排种盘之间、种子与储种室壳之间都在摩擦，不断地有细小的脱皮和破碎的种子生成，在搅种轮带动下不可避免地进入到排种盘上的吸孔内，造成排种盘堵孔，出现漏播的情况，大大降低了排种效率[8]。因此，有必要对解决小粒径种子精密排种装置的吸孔问题进行研究。
1 排种孔清理方式及原理
1.1 常见排种孔清理方式及原理
目前，常见的排种孔清理装置原理主要有以下两种：机械式清理和气力式清理[9]。
图1所示为窝眼轮式排种器。种箱内的种子靠自重充填入旋转的窝眼轮的窝眼内，经过反向旋转的清种轮时，多余的种子被清除掉；窝眼内种子随窝眼轮旋转至下方卸种位置时，靠固定的推种片使种子离开窝眼，落人种沟[10]。在排种轮内配以小推卸轮、推种顶针和推种钢丝等辅助推种装置，将种子从窝眼中推出，以减少型孔的堵塞[11-13]。以上是几种典型的机械式清理排种孔的方式。
1.种箱 2.清种轮 3.窝眼 4.窝眼轮 5.推种片
图1 窝眼轮式排种器
Fig.1 Cell wheel feed
气力式清理目前主要为通过气吹的方式将残留物吹出，主要工作原理为：由压缩机产生的高压气流经进气阀改变方向，使气流与吸种孔中心线平行。高压气流通过气阀对吸种孔产生的较大的冲击力，将残留在种孔上的种子再次吹出，对吸种孔进行清理[7]。
以上两种清理方式：第1种主要适用于玉米、大豆、高粱、丸粒化甜菜等大粒径种子[14]，第2种主要适用于小粒径种子的气吸式排种器；但为了改变高压气流的方向，增添了气阀，这样一来增加了排种器的复杂性，同时使得成本也相应提高。为此，提出一种新的清理方式。
1.2 吸种孔清理方式及原理
本设计通过在卸种部位后方增加一个气吸式吸种孔清理装置来实现吸种孔内残留种子及残渣的清理。气吸式排种器如图2所示。
1.种箱 2.气流分管道 3.吸种孔清理装置 4.落种口
图2 气吸式排种器
Fig.2 Air-suction Seeder
其主要工作原理：由风机产生的高压气流，一部分经过气流主管道进入排种器内将种子吸附至排种盘上；另一部分经过气流分管道，通过吸种孔清理装置，将残留在吸种孔内的种子及残渣吸出，落入该装置下方的收集器中，实现对吸种孔的清理。
该设计的优点在于：①在吸孔刚被堵住时第一时间施加反向的真空吸力将孔内的碎屑吸出，避免了其在排种盘内不断旋转越吸越牢固的情况，提高了排种的合格率。②最大限度地利用现有装置结构，不附加其他动力装置，从一个主真空管道分出两条正反方向的吸气通道，因而仅需增加一个结构简单、成本低廉的吸种孔清理装置即可实现种子的清理。
2 吸种孔清理装置气流场仿真模拟
2.1 模型的建立
设想了以下3种结构的吸孔清理装置，在SolidWorks中建模如图3~图5所示。
1.清理口 2.收集器 3.吸气口
图3 T型结构 图4 Y型结构
Fig.3 T-type structure Fig.4 Y-type structure
1.清理口 2.收集器 3.吸气口
图5 坡型结构
Fig.5 Slope structure
2.2 气流场仿真模拟
1)对图4的T型结构进行FLUENT仿真模拟，在gambit中网格划分如图6所示。
图6 网格划分
Fig.6 Meshing
在网格划分的时候要求以下几点：首先，为了保证网格质量，采用混合网格进行网格划分。将矩形区域设置为平铺的四边形结构，将不规则部位和疏密不同区域之间的连接区域设置为平铺的三角形结构。其次，在保证计算精度的前提下，尽量提高求解速度。方法为在越靠近吸孔区域，网格划分的越密，越远的区域网格越疏。图6中从亮的部分(吸孔)开始到远端(出口和回收室)网格尺寸分别为0.1、0.2、0.4、0.8。
网格质量的控制,网格最好为0,最差为1。本结构的网格质量如图7所示。
由图7可知：最大为0.37,小于0.4,网格质量很好。将网格输出为mesh文件导入到fluent中进行设置。设置左端孔的墙面为压力入口(pressure-inlet)，值为默认，设置右端的壁面为压力出口(pressure-outlet)值为-3000Pa。采用标准k-e模型，迭代步设定为200，然后进行计算(calculate)。
最终得到的速度图及压力图如图8、图9所示。
图7 网格质量图
Fig.7 Mesh quality map
图8 T型结构速度图
Fig.8 T-type structure velocity map
图9 T型结构压强图
Fig.9 T-type structure pressure map
由图8、图9可知：在T型结构内部，吸气口与收集器部位的气流场速度与压强分布基本一致，但通过清理口之后气流场结构产生变化，速度陡然下降，而且方向改变较大；3个清理口的3条气流场速度线会形成干扰，且吸气口区域的压强大于收集器内压强，大于种子及残渣悬浮速度，不利于种子及残渣回落，对清理效果产生一定影响。
2)对图4的Y型结构进行FLUENT仿真模拟，得到速度图与压强图如图10、图11所示。
图10 Y型结构速度图
Fig.10 Y-type structure velocity map
图11 Y型结构压强图
Fig.11 Y-type structure pressure map
由图10、图11可知：Y型结构内部，清理口出气流场速度分布较为均匀，但上孔压强最大，下孔次之，中孔最小；通过清理口之后气流场速度逐渐降低，但方向不稳定，造成3个清理口的气流场互相干扰，压强也发生变化，互相形成干扰，容易产生回流，导致回落的种子及残渣再次被吸出，影响收集效果。
3)对图5的Y型结构进行FLUENT仿真模拟，得到速度图与压强图，如图12、图13所示。
图12 坡型结构速度图
Fig.12 Slope structure velocity map
图13 坡型结构压强图
Fig.13 Slope structure pressure map
由图12、图13可知：在坡型结构内部，清理口中的气流场速度与压强分布较为均匀，通过清理口之后，气流场速度有所降低，3条速度线之间的互相干扰较小；但清理口以及吸气口压力梯度远大于其到收集器的压力梯度，导致种子及残渣不能完全落入收集器，降低回收效率。
2.3 新的模型的建立以及气流场仿真模拟
通过对上述3种模型的气流场速度及压强的分析，重新设计出一种新的模型，并对其进行FLUENT仿真模拟。在SolidWorks中建模如下，半坡型结构如图14所示。
1.清理口 2.收集器 3.吸气口
图14 半坡型结构
Fig.14 Half slope structure
通过FLUENT仿真模拟，得到速度图与压强图，如图15、图16所示。
由图15、图16可知：对于半坡型结构，与其他3种结构相比，首先可以看出清理口到吸气口采取了水平结构，有利于形成较大压力梯度，增强吸种效果；其次收集器采用倾斜结构，不仅增强残渣回落而且不易导致回流使悬浮的残渣进入吸气通道。
图15 半坡型结构速度图
Fig.15 Half slope structure velocity map
图16 半坡型结构压强图
Fig.16 Half slope structure pressure map
3 结论
对于气吸式排种器来说，当排种器在工作时，平稳的吸种负压可以保证吸种[15]。同样，对于吸种孔清理装置来说，其内部平稳的负压同样可以满足清理堵孔的种子及残渣的要求。因此，通过对上面4种设计的气流场的速度及压强的分析，半坡型结构的吸种孔清理装置相对于其它3种结构来说能够更好地清理堵孔。本文提出的堵孔清理方式及对清理装置的气流场的分析，为后续气吸式小粒径种子排种器的优化设计提供了条件和理论依据。
