張 順， 夏俊芳， 翟建波， 張秀梅

（華中農(nóng)業(yè)大學工學院，湖北 武漢 430070）

隨著科學技術(shù)的不斷進步，尤其是計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，以電子計算機為設(shè)計和分析平臺的 CAD/CAE/CAM 技術(shù)被廣泛應用于農(nóng)業(yè)機械的設(shè)計和分析的領(lǐng)域中[1]。利用計算機輔助技術(shù)對農(nóng)業(yè)機械的關(guān)鍵零部件進行參數(shù)化設(shè)計和數(shù)字化建模，極大的方便了研究人員的設(shè)計工作，并能縮短研發(fā)周期，降低制造成本。

精量排種器是水稻直播機的關(guān)鍵工作部件，而氣吸滾筒式精量排種器的窩眼滾筒則直接關(guān)系到排種器排種性能的優(yōu)劣，是排種器的關(guān)鍵部件之一，因此窩眼滾筒及其窩眼吸孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)是精量排種器研究的重點和難點。采用傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械研究與設(shè)計方法，難以精確的計算出窩眼及吸孔內(nèi)部氣流場的流動情況，在氣力式排種器設(shè)計時只能憑借研發(fā)人員的工作經(jīng)驗完成樣機設(shè)計和試制，不僅工作量繁重，而且研發(fā)周期長，制造成本高。本文采用Pro/E軟件分別對窩眼滾筒及窩眼吸孔內(nèi)部的氣流場進行三維建模，并應用計算流體力學CFD軟件對3種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的窩眼進行內(nèi)部的氣流場仿真模擬，通過對仿真結(jié)果的分析和研究，為后續(xù)排種器窩眼形狀的設(shè)計和優(yōu)化提供參考。這種研究模式能方便快捷的實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械中復雜零部件的設(shè)計和優(yōu)化，減輕研究人員的負擔，并能獲得更為精確的結(jié)果。

1 排種器結(jié)構(gòu)及工作原理

氣力式水稻芽種直播精量排種器主要由振動種箱、窩眼滾筒、清種毛刷和隨動護種裝置等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，滾筒內(nèi)部由中間隔斷的進、出氣空心軸與正、負壓區(qū)相連通。排種器工作時，滾筒圍繞空心軸逆時針轉(zhuǎn)動，隨動護種帶緊貼滾筒表面并隨滾筒一起轉(zhuǎn)動，同時轉(zhuǎn)動圓盤凸輪帶動種箱篩板往復振動為吸種區(qū)提供穩(wěn)定流暢的芽種，并依靠種箱篩板的振動篩除芽種中夾帶的碎芽和雜質(zhì)，啟動風機后，滾筒內(nèi)正、負壓區(qū)產(chǎn)生一定的正、負壓，形成吹力和吸力。當滾筒上的窩眼進入吸種區(qū)時，憑借負壓吸力，芽種被吸附到滾筒窩眼內(nèi)并隨之轉(zhuǎn)動，清種毛刷清除掉多余的芽種，剩余的芽種依靠吸力隨滾筒繼續(xù)旋轉(zhuǎn)進入攜種區(qū)，隨動護種帶配合滾筒窩眼將芽種護送到排種區(qū)，此時依靠正壓吹力及芽種自重將窩眼內(nèi)的芽種排入導種管，完成芽種精量排種。

圖1 排種器結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 滾筒直徑及轉(zhuǎn)速的確定

將設(shè)計的芽種直播精量排種器與湖北監(jiān)利縣奔牛機械有限公司生產(chǎn)的船式拖拉機掛接。由文獻[2]可知，直播機工作時的前進速度為4.0～4.8 km/h。根據(jù)水稻種植農(nóng)藝要求可知直播機生產(chǎn)效率存在如下關(guān)系式：

式中，η：直播機的生產(chǎn)效率(hm2/h)；v：直播機的前進速度(km/h)；l：播種幅寬(m)；n：滾筒轉(zhuǎn)速(r/m)；z：滾筒周向窩眼數(shù)；m：滾筒軸向窩眼數(shù)；l1：水稻株距(cm)；l2：水稻行距(cm)。

借鑒市面上現(xiàn)有的水稻直播機型的生產(chǎn)效率，取播種幅寬l為1.8 m，芽種直播機的生產(chǎn)效率為0.72～0.86 hm2/h，滿足水稻直播機的生產(chǎn)標準。為滿足雜交稻的種植農(nóng)藝要求，行株距l(xiāng)2×l1定為30 cm×25 cm[3]，則1.8 m的幅寬所對應的行數(shù)為7行，即滾筒軸向窩眼數(shù)m=7，故式(1)整理為：

從式(2)可知，當生產(chǎn)效率一定時，轉(zhuǎn)速n和滾筒周向窩眼數(shù)z成反比。增加周向窩眼數(shù)固然能降低滾筒轉(zhuǎn)速，但在保持一定滾筒周向窩眼間距的前提下，相應的滾筒直徑會增大，負壓區(qū)與工作時所需負壓也會隨之增大，風機功耗增加。但當滾筒直徑過大時，在相同的風機功率下，負壓區(qū)真空度會降低，窩眼吸種困難；而當滾筒直徑過小時，周向窩眼數(shù)減少，為保證一定的生產(chǎn)效率，必然需要提高滾筒轉(zhuǎn)速，相應充種區(qū)的吸種時間減少，吸種不充分，容易形成空穴，而排種區(qū)投種時種子因水平方向速度分量過大易在導種管中與管壁發(fā)生多次碰撞，延長落種時間，導致播后株距分布不均或漏播現(xiàn)象。因此，綜合考慮各因素，同時借鑒當前國內(nèi)外氣吸滾筒式排種器的研究生產(chǎn)經(jīng)驗[4]，設(shè)計滾筒的直徑為200 mm，滾筒周向等距分布16個窩眼，窩眼中心距為 39.25 mm，保證周向窩眼吸種時互不影響。由以上數(shù)據(jù)可知滾筒轉(zhuǎn)速 n為16.67～19.86 r/min，符合氣吸滾筒的設(shè)計要求[5-6]。

1.2 吸種窩眼的設(shè)計

按照雜交稻的種植農(nóng)藝要求及生長特性可知，當采用芽種直播技術(shù)時，雜交稻每穴播種2～4粒為宜。少于2粒稻種，容易因蟲獸或自身病害等因素導致空穴現(xiàn)象，影響整體產(chǎn)量；多于4粒稻種，則因每穴植株過密，影響雜交稻個體的生長，難以激發(fā)雜交稻的產(chǎn)量潛力，同時播種時產(chǎn)生不必要的浪費。因此保證每穴只播2～4粒稻種是本精量排種器設(shè)計的重要指標，參照我國多數(shù)雜交稻品種芽種長度不超過 9.5 mm的實際情況[7-9]，采用在窩眼內(nèi)直徑為9 mm的圓周上均布3個吸孔的結(jié)構(gòu)，如圖2所示，各個吸孔能夠獨立吸種且互不影響，以期獲得理想效果。

1.3 Pro/E三維設(shè)計和建模

Pro/ENGINEER是當今世界非常流行的，集CAD/CAM/CAE功能于一體的三維特征設(shè)計、建模和仿真軟件。應用 Pro/E 進行產(chǎn)品設(shè)計時，產(chǎn)品的裝配建模一般有自底向上（down-top）和自頂向下（top-down）兩種思路[10]。在產(chǎn)品的三維設(shè)計中應根據(jù)實際情況選擇合適的建模思路。本設(shè)計采用自底向上的建模思路，圖1(b)是水稻芽種直播精量排種器的部分裝配模型圖，圖2(b)是排種器窩眼滾筒的三維模型圖。

圖2 窩眼滾筒結(jié)構(gòu)示意圖

2 窩眼及吸孔的氣流場仿真分析

ANSYS Workbench中的DesignModeler模塊（簡稱DM）能與Pro/E軟件建立雙向關(guān)聯(lián)性，當其中一方的模型發(fā)生更改時，另一方只需通過刷新便可實現(xiàn)同步更新[11]，實現(xiàn)了二者之間的協(xié)同建模，解決了以往復雜模型必須通過保存第三方格式再導入 CFD分析軟件時發(fā)生重要特征丟失或出錯等問題，提高了產(chǎn)品模型的仿真分析效率。

2.1 物理模型與邊界條件

如圖2所示，窩眼形狀為錐孔型、半球型和直孔型3種，在Pro/E中分別完成3種窩眼及吸孔內(nèi)部氣流場的三維建模，通過 Pro/E中的ANSYS嵌入模塊，將仿真模型導入到 ANSYS Workbench的DM模塊中，建立DM模塊與Pro/E的雙向關(guān)聯(lián)性。在DM模塊中查看仿真模型的完整性后，導入Workbench的Mesh模塊進行網(wǎng)格劃分，劃分后的網(wǎng)格模型如圖3所示。

在添加仿真邊界條件之前先做如下假設(shè)：①計算氣體為理想的不可壓縮氣體。②大氣壓恒定為101325 Pa。③溫度恒定為25 ℃。在CFX-Pre中添加邊界條件，in和out均定義為Opening邊界，進氣口in的壓強為零，出氣口out的壓強為-4000 Pa（試驗測定），所有壁面均設(shè)置為無滑移的光滑壁面條件。湍流模型選用適合大多數(shù)工程計算的k-ε模型。最大運算步長定義為150步，最長運算時間為 2 s，殘差收斂條件選缺省值為10-4，完成仿真模型邊界條件的添加及前處理后 導入CFX-Solver進行求解。

圖3 物理仿真模型

2.2 仿真結(jié)果與分析

2.2.1 窩眼形狀對氣流場的影響

當3種窩眼的吸孔直徑均為1.8 mm時，CFX仿真結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出3種窩眼內(nèi)部氣流場除了3個吸孔端面附近有較強的負壓和氣流流速外，其余內(nèi)部氣流場分布均勻，而且負壓很小，氣流流速幾乎為零，表明3種窩眼內(nèi)部除了要吸附水稻芽種的3個吸孔外氣流場十分穩(wěn)定。3個吸孔內(nèi)部及吸孔端面附近壓降及流速梯度層次分明，各吸孔間氣流無干涉和竄動現(xiàn)場，表明排種器充種時窩眼內(nèi)3個吸孔能獨立完成吸種，無論3個吸孔是同時吸種，還是先后吸種，均無相互影響。該分析表明 3個吸孔的分布位置和方式設(shè)計合理，同時窩眼內(nèi)部氣流場均勻，均為吸種前后提供了一個穩(wěn)定的吸種環(huán)境。

圖4 壓力、速度分布圖

圖5 中左三圖為3種窩眼內(nèi)部距離吸孔底面邊界4.5 mm高度平面（以A面表示，該面處于窩眼內(nèi)部的中部位置，是排種器充種時吸種的關(guān)鍵區(qū)域，其氣流的強弱直接關(guān)系到吸種的好壞）的速度分布圖。3種窩眼內(nèi)部A面上吸孔中心的最大速度分別為4.91 m/s、13.24 m/s和4.6 m/s，平均速度分別為2.51 m/s、4.03 m/s和2.19 m/s。表明半球型窩眼在 A面上的氣流速度明顯比錐型孔和直孔型窩眼強，三吸孔的中心附近更加明顯，說明隨著窩眼橫截面積和空間體積的增大，流體的能量耗散越快，氣流強度下降越快。因此，在同等負壓的前提下，半球型窩眼內(nèi)部的負壓強度及氣流速度大于錐孔型和直孔型。

圖5中右三圖為3種窩眼及吸孔內(nèi)部氣流場的速度矢量分布圖，圖中箭頭方向代表氣流的流向，箭頭的大小及顏色共同表示氣流流速的大小，速度矢量分布圖能清晰的顯示氣流場內(nèi)的氣流運動情況。對比3種窩眼的速度矢量分布圖，半球型窩眼由于沒有像錐孔型和直孔型底面與內(nèi)壁面所形成的底角，更符合流體的運動屬性，窩眼中的氣體更容易流入吸孔。綜上分析，在氣力式排種器窩眼形狀的設(shè)計中應優(yōu)先選用半球型窩眼進行試驗研究。

圖5 速度、速度矢量分布圖

2.2.2 吸孔直徑對氣流場的影響

分別選擇吸孔直徑為 1.5 mm、1.8 mm、2.0 mm和2.2 mm的半球型窩眼進行仿真試驗，試驗結(jié)果如表1和圖6所示。

表1 不同吸孔直徑的對比

表1為不同吸孔直徑的半球型窩眼內(nèi)部三吸孔端面（以B面表示）和距離吸孔底面邊界4.5 mm高度平面（以A面表示）所測得的壓強平均值。由表可知，隨著吸孔直徑的增大，窩眼內(nèi)部三吸孔端面的負壓和氣流速度變化不明顯，壓強和速度的平均值基本相同，可見吸孔直徑的大小對窩眼內(nèi)部三吸孔端面的氣流強度影響不大；圖6為半球型窩眼內(nèi)部A面的速度分布圖，隨著吸孔直徑的增大，A面吸孔中心的最大速度分別為9.88 m/s、13.2 m/s、15.2 m/s和18.1 m/s，平均速度分別為 2.81 m/s、4.03 m/s、4.94 m/s和 5.95 m/s，平均壓強也有所增大，說明在相同出口負壓的前提下，吸孔直徑越大，通過吸孔的氣流量越大，在窩眼內(nèi)部的氣流強度越大。綜上可知吸孔直徑越大，排種器工作時吸種效果越好，所以在氣力式排種器吸種孔的設(shè)計時應盡量增大吸孔直徑，提高吸種能力，但不能同時大于水稻芽種寬和厚的兩個較小尺寸。

圖6 速度分布圖

3 結(jié) 論

（1）通過對氣力式水稻芽種直播精量排種器的理論分析，確定了排種器窩眼滾筒的直徑和工作轉(zhuǎn)速，以及窩眼在滾筒上分布方式，并利用Pro/E三維造型軟件完成排種器的三維建模。

（2）利用Pro/E軟件對3種窩眼及吸孔的內(nèi)部氣流場進行三維建模，并與ANSYS Workbench的DM模塊建立雙向關(guān)聯(lián)性，實現(xiàn)協(xié)同建模、同步更新，并應用Workbench整合的CFD仿真分析軟件 CFX對窩眼及吸孔內(nèi)部氣流場進行仿真計算，結(jié)果分析表明：①半球型窩眼的吸種性能優(yōu)于錐孔型和直孔型；②當窩眼尺寸一定時，吸孔直徑越大，窩眼內(nèi)部的氣流強度越大，吸種能力越強，吸種效果越好。

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