任永飛，林蜀云，湯 耿，李坦東，徐 良

(1.貴州省山地農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，貴陽 550002；2.貴州師范大學(xué)，貴陽 550002)

0 引言

隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)作物生產(chǎn)逐步走向規(guī)?；?、集約化經(jīng)營道路，對于山地的農(nóng)作物種植條件及機(jī)械化水平要求越來越高。精密播種機(jī)可以分為機(jī)械式播種機(jī)和氣吸式播種機(jī)。目前，西南山地主要使用的是機(jī)械式播種機(jī)。機(jī)械式播種機(jī)具有受土質(zhì)條件影響大、對種子外形尺寸要求高、播種密度不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。因此，發(fā)展山地小型氣吸式播種機(jī)能夠提高播種精度，具有更好的適應(yīng)性。

本文根據(jù)氣吸式播種器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)差異性吸種孔壁夾角的播種盤，通過數(shù)學(xué)模型分析氣吸式播種器中氣流速度與真空室負(fù)壓的影響因素；利用Gambit建立氣吸式全流道三維模型及網(wǎng)格劃分，通過Fluent軟件模擬排種器真空室內(nèi)部流場速度與負(fù)壓，分析出影響排種盤主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，有利于排種盤的設(shè)計(jì)制造。模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)為制造小型氣吸式播種機(jī)動力選型提供了理論依據(jù)。

1 排種器結(jié)構(gòu)和原理介紹

氣吸式排種器主要由外殼、儲種室、真空室、排種盤、刷種裝置及攪種輪等組成，如圖1所示。

1.種箱 2.刷種裝置 3.排種器殼體 4.吸氣管 5.排種盤 6.攪種輪 7.導(dǎo)種裝置

工作原理：排種器工作時(shí)，排種盤將儲種室與真空室隔開，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓使真空室達(dá)到一定的真空度，攪種輪將儲種室內(nèi)種子攪拌疏松；由于真空室與儲種室有氣壓差，儲種室內(nèi)種子被吸種孔的吸力吸住，并隨排種盤一起轉(zhuǎn)動；當(dāng)轉(zhuǎn)動到刷種裝置時(shí)，將多余的種子剔掉，留一顆種子轉(zhuǎn)動到卸壓區(qū)，負(fù)壓消失，種子在自重的作用下經(jīng)導(dǎo)管排入種溝內(nèi)，完成一粒種子的播種。排種盤上有多個(gè)孔，旋轉(zhuǎn)時(shí)就能完成連續(xù)的精量播種。

2 排種盤吸種氣流場理論因素分析

影響氣吸式排種氣流的因素很多，包括排種盤大小、孔數(shù)、孔的形狀，以及工作過程中動態(tài)參數(shù)、種子外形尺寸、吸附狀態(tài)等因素對氣流的影響。

2.1 流體力學(xué)分析

在排種盤靜止情況下，風(fēng)流動受力分析如圖2所示。假設(shè)風(fēng)是以柱狀流動的，取長度為Δh、直徑為d的風(fēng)柱，風(fēng)柱流動速度為v，空氣密度為ρ，柱狀氣流質(zhì)量m，計(jì)算風(fēng)吸附力F。

(1)

由式(1)可得到空氣流動時(shí)產(chǎn)生的吸附力與空氣密度、風(fēng)柱直徑大小、風(fēng)速的公式。

圖2 模擬風(fēng)柱圖

2.2 結(jié)構(gòu)的吸種受力分析

在播種機(jī)播種過程中，吸附種子過程的受力分析如圖3所示。

圖3 工作時(shí)種子受力分析圖

排種器工作時(shí)，若忽略摩擦力的作用，則種子主要受力為重力G，排種盤轉(zhuǎn)動慣性力J=mRw2。其中，m為種子質(zhì)量(kg)；R為種子重心到排種盤中心距離(mm)；w為排種盤角速度(rad/s)；J為吸孔對種子的支持力N的作用[1]。

假設(shè)排種盤的吸種孔壁與軸心夾角為θ，要使吸種孔吸住種子，必須滿足的條件為

(2)

其中，F(xiàn)為受到吸附力(N)；T為重力G與慣性力J的合力(N)；D為吸孔直徑(mm)；r為種子半徑(mm)。

(3)

其中，P0為大氣壓力(Pa)；P1為真空負(fù)壓力(Pa)。

(4)

整理式(1)～式(4)，取其中風(fēng)柱d等于吸種孔直徑D，得出風(fēng)吸附力、氣流速度與真空室壓強(qiáng)的相關(guān)因素，即

(5)

2.3 相關(guān)因素的分析

根據(jù)上述公式，在排種盤靜止情況下，空氣流動時(shí)產(chǎn)生的吸附力與空氣密度ρ、風(fēng)柱直徑d大小(即吸種孔大小)及吸種風(fēng)速v有關(guān)。在排種盤工作過程中，吸種產(chǎn)生的風(fēng)力與支持力N、吸種孔壁與軸心夾角θ有關(guān)；吸種的風(fēng)速與種子質(zhì)量m、吸種孔直徑D、種子重心到排種盤中心距離R、排種盤角速度w、吸種孔壁與軸心夾角θ有關(guān)。其中，種子質(zhì)量m是固有的屬性，吸種孔直徑由試驗(yàn)方法確定得到D=(0.64～0.66)r(r為種子平均寬度)[2-3]，種子重心到排種盤中心距離R與排種盤角速度w成反比關(guān)系。因此，在本文不討論m、D、R、w的影響因素。

再進(jìn)一步詳細(xì)討論如下：在函數(shù)F(u)、v2(u)、P1(u)中，當(dāng)θ在0°～45°范圍內(nèi)增大時(shí)，cosθ≥sinθ，tanθ≤1，則風(fēng)力、風(fēng)速、壓強(qiáng)變化速率小。此時(shí)，吸種孔壁的夾角會產(chǎn)生一個(gè)對種子支持力，排種盤上吸種孔的凹槽能適應(yīng)種子形狀，對吸種過程是有利的；而當(dāng)θ在45°～90°范圍內(nèi)增大時(shí)，cosθ≤sinθ，tanθ≥1，則風(fēng)力、風(fēng)速、壓強(qiáng)變化速率大。雖然吸種孔壁與軸心夾角越大，排種盤上吸種孔的凹槽更能適應(yīng)種子形狀；但風(fēng)力、風(fēng)速、壓強(qiáng)變化速率大，對于研究氣吸式播種器的吸種過程是不利的。

3 排種盤吸種氣流場有限元分析

通過數(shù)學(xué)模型分析，得出風(fēng)力、風(fēng)速、壓強(qiáng)與排種盤上吸種孔的開孔角度有關(guān)，且開孔角度不同角度范圍內(nèi)增大時(shí)，風(fēng)力、風(fēng)速、壓強(qiáng)的變化速率不同。因此，運(yùn)用Gambit、Fluent軟件進(jìn)行驗(yàn)證分析。

由于排種盤的整個(gè)真空室流道較簡單，為了減少實(shí)體模型在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化時(shí)的損失，能更準(zhǔn)確模擬真空的實(shí)際情況，得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果，以流體力學(xué)知識為設(shè)計(jì)依據(jù)，運(yùn)用Gambit軟件繪制出排種盤中整個(gè)真空室流道的三維模型并進(jìn)行劃分網(wǎng)格及有關(guān)參數(shù)的定義。圖4為真空室流道模型圖，圖5為真空室流到模型網(wǎng)格劃分圖。

圖4 真空室流道模型圖

圖5 真空室流道模型網(wǎng)格劃分圖

真空室是氣吸式排種裝置形成負(fù)壓的主要區(qū)域。吸風(fēng)機(jī)產(chǎn)生負(fù)壓進(jìn)一步擴(kuò)展到送風(fēng)管與吸種孔，形成氣流的流動，吸附種子。為方便研究，在排種盤上取8孔來進(jìn)行模擬，其中排種盤中左下2孔沒有負(fù)壓吸附種子，在有限元分析時(shí)不考慮。

在Fluent邊界條件中，入口速度設(shè)置為5m/s時(shí)，分析不同角度的真空室速度與負(fù)壓。圖6為吸種孔壁軸心夾角0°時(shí)的真空室速度與負(fù)壓云圖。

按照上述步驟，在Fluent邊界條件中模擬得出速度與負(fù)壓數(shù)據(jù)，列出排種盤上吸種孔壁與水平夾角成0°～65°時(shí)真空室的速度與負(fù)壓變化圖，如圖7所示。

由圖7(a)可知：當(dāng)θ在0°～45°范圍內(nèi)逐漸增大時(shí)，真空室速度呈平緩的、趨于線性的增大趨勢；當(dāng)θ≥45°時(shí)，真空室速度呈較陡的、非線性的增大趨勢；由圖7(b)可知：當(dāng)θ在0°～45°范圍內(nèi)逐漸增大時(shí)，真空室負(fù)壓呈平緩的、趨于線性的增大趨勢；當(dāng)θ≥45°時(shí)，真空室速度呈陡峭的、非線性增大趨勢。

因此，通過軟件模擬驗(yàn)證可知：在0°～45°范圍內(nèi)增大吸種孔的角度，真空室速度與負(fù)壓變化平緩，對吸種過程的影響較小，配套的風(fēng)機(jī)與動力的穩(wěn)定性好，也便于排種盤的加工制造，此時(shí)增加吸種孔的角度是有利的；反之，45°以上增大吸種孔的角度，真空室速度與負(fù)壓變化速率較大，對吸種過程的影響較大，需要頻繁更換大風(fēng)機(jī)與其匹配動力，此時(shí)增加吸種孔的角度是不利的。

圖6 吸種孔壁與軸心夾角0°時(shí)的真空室負(fù)壓與速度云圖

圖7 不同角度時(shí)真空室負(fù)壓與速度曲線圖

4 排種盤性能試驗(yàn)分析

不討論種子質(zhì)量m、排種盤吸種孔直徑D、種子重心到排種盤中心距離R及排種盤角速度w等影響因素，對排種盤的吸種孔壁與軸心夾角單因素在不同水平下進(jìn)行單因子變量試驗(yàn)[4-5]，結(jié)果如表1和圖8所示。

表1 不同角度下的實(shí)驗(yàn)安排表

圖8 不同角度下的排種性能指標(biāo)

試驗(yàn)結(jié)果表明: 在不討論種子質(zhì)量m、排種盤吸種孔直徑D、種子重心到排種盤中心距離R及排種盤角速度w等影響因素的條件下，保證其他條件不變，吸種孔角度為0°～45°時(shí)，漏播率逐漸減小，種子的空穴較少，播種質(zhì)量提高；當(dāng)吸種孔角度為30°～45°時(shí)，漏播率與重播率相對平衡，排種效果最佳。

5 結(jié)論

利用Gambit軟件對排種盤流體場進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，采用Fluent對該模型進(jìn)行前處理、后處理及分析，并對氣吸式播種器的播種盤進(jìn)行了真空室流場分析。結(jié)果表明：在忽略排種器氣密性及種子形狀的規(guī)則性等因素前提下，排種盤上吸種孔壁與軸心夾角在0°～45°范圍內(nèi)增大時(shí)有利于種子吸附，以及風(fēng)機(jī)選型與動力匹配。

2)對排種盤在4kPa真空度下，進(jìn)行0°～60°軸心夾角單因子變量試驗(yàn)，結(jié)果表明：吸種孔壁與軸心夾角在0°～45°增大過程中，漏播率逐漸減小，種子的空穴較少，播種質(zhì)量提高；當(dāng)角度在30°～45°時(shí)，排種效果最佳。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉文忠，趙滿全，王文明，等.氣吸式排種裝置排種性能理論分析與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(9):133-138.

[2] 張波屏.現(xiàn)代種植機(jī)械工程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[3] 中國農(nóng)機(jī)研究所.實(shí)用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(下)[K].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[4] 鄭選民.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[5] 高富強(qiáng)，齊鵬，邱立春.氣吸式排種器排種性能影響因素的分析與試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2016，38(9)：191-196.

[6] 趙云.農(nóng)業(yè)機(jī)械分析與綜合[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[7] 張?zhí)鹛?，何曉寧，王延耀，?氣吸式花生精密播種機(jī)的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2017，39(5)：68-74.

[8] 劉文忠，趙滿全，王文明.氣吸式排種裝置排種性能的分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2008(5)：45-47.

[9] 胡永文，趙滿全，劉月琴.氣吸式排種裝置試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)與研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2011，33(6)：111-114.

[10] 劉文忠，趙滿全，王文明，等.氣吸式排種裝置排種性能的分析與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010，26(9)：133-138.

[11] 高雄，張震.2BQM-2型播種機(jī)氣吸式排種器氣流場的分析與試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2016，38(5)：60-64.

[12] 陳立東.氣吸式排種器性能參數(shù)設(shè)計(jì)及其對排種質(zhì)量影響的試驗(yàn)研究[D].大慶：黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，2006.