張曉輝　王永振　仉　利　彭傳杰　樊桂菊

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機械與電子工程學(xué)院， 泰安 271018； 2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室， 泰安 271018)

0　引言

目前谷物條播機大多使用“一器一行”式排種器，在提高作業(yè)速度與增加作業(yè)幅寬的同時會造成播種質(zhì)量下降，機構(gòu)龐大、臃腫，道路運輸困難等問題[1-2]。河南、山東、河北和安徽等地區(qū)的小麥播種田塊大、面積廣，亟需研究高速作業(yè)、大播量的氣力集排式播種機。

氣力集排式播種機是以氣流為載體，通過氣流分配系統(tǒng)完成分配排種的播種系統(tǒng)[3-4]。20世紀80年代氣力集排式播種機在美國、澳大利亞、歐洲等國家已得到廣泛應(yīng)用[5-8]，法國庫恩Maxima氣吸式精量播種機、德國索力特Solitair氣力式精量播種機和美國約翰迪爾氣吹式播種機等，具有通用性好、作業(yè)速度快等特點，但是機型龐大，價格昂貴，不適合國內(nèi)市場。我國，杜輝[9]、趙曉順等[10-11]研制的氣吸式小麥精量播種機采用吸孔式排種器，該形式的排種器容易導(dǎo)致堵塞、排種不均勻等問題；劉立晶等[12-13]、常金麗等[14]研制的氣流輸送式小麥排種系統(tǒng)采用氣流輸送種子到各播種行的播種單體導(dǎo)種管，但對排種分配系統(tǒng)缺乏理論研究和仿真分析；祁兵等[15-16]研制了一種中央集排氣送式玉米精量排種器，廖慶喜等[17-18]研制了氣力集排式油菜精量排種器，羅錫文等[19-21]研究了一種氣力集排式水稻分種器。以上學(xué)者在玉米、油菜和水稻的播種機理上做了大量研究，為小麥播種分配系統(tǒng)提供了參考。

本文根據(jù)農(nóng)藝播種要求分析氣力集排式小麥排種系統(tǒng)和分種系統(tǒng)機理，通過排種分配系統(tǒng)試驗臺，進行集中定量排種穩(wěn)定性和分配均勻性等試驗，以期得到適應(yīng)作業(yè)幅寬大和播種均勻要求的氣力集排式播種機。

1　整機工作原理

以氣力集排式小麥排種分配系統(tǒng)為研究重點，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)成功研制了2BQ-12型氣力一階集排式播種機[22]，如圖1所示，在氣力一階分配系統(tǒng)下，集中定量排種系統(tǒng)將定量種子在輸種管內(nèi)轉(zhuǎn)換成均勻的細種子流輸送到排種管完成定量播種。其整機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1　2BQ-12型氣力一階集排式播種機結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Schematic diagram of 2BQ-12 airflow first-order centralized metering seeder1.播深調(diào)節(jié)裝置　2.鎮(zhèn)壓輪　3.雙圓盤開溝器　4.仿形機構(gòu)　5.集中定量排種系統(tǒng)　6.機架　7.氣力一階分配系統(tǒng)　8.風(fēng)機 9.動力傳遞系統(tǒng)　10.分種器　11.種箱　12.排種管

參數(shù)數(shù)值外形尺寸(長×寬×高)/(mm×mm×mm)1500×2600×1520整機質(zhì)量/kg420配套動力/kW40作業(yè)速度/(km·h-1)8～12作業(yè)幅寬/mm2600播種行數(shù)12播種深度/mm30～100作業(yè)效率/(hm2·h-1)1.28～3.12

氣力一階集排式播種機播種過程可分為排種、混種、分種和投種4個階段，本文針對排種分配系統(tǒng)進行理論分析、氣流仿真和試驗驗證。排種過程[23-25]是利用集中定量排種系統(tǒng)將種箱的種子定量排出，在重力作用下，種子落入輸種管，集中定量排種系統(tǒng)如圖2所示，控制系統(tǒng)按播量要求控制步進電動機1和步進電動機2進而控制排種軸不同的轉(zhuǎn)速和外槽輪的工作長度，實現(xiàn)定量排種的要求；分種過程是利用分種系統(tǒng)將集中定量排種系統(tǒng)提供的種子轉(zhuǎn)換為均勻的種子流到各個排種管內(nèi)，實現(xiàn)均勻播種的要求。

圖2　集中定量排種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Structure diagram of concentrated quantitative seeding system1.齒輪　2.殼體　3.攪種器　4.電動機支架　5.步進電動機1　6.步進電動機2　7.滾珠絲杠副　8.阻塞套　9.外槽輪

2　分種器設(shè)計

2.1　分種器參數(shù)確定

在氣流的作用下，分種器將集中定量排種系統(tǒng)輸送的種子，經(jīng)由輸種管內(nèi)褶皺壁的碰撞和分種外蓋的分流作用，分配到各個排種管，實現(xiàn)均勻分種的功能，其分種原理如圖3所示，箭頭的方向為氣流運動方向。

圖3　分種器分種原理圖Fig.3　Distribution principle diagram of distributor1.輸種管　2.分種內(nèi)蓋　3.排種管　4.分種外蓋

分種器是氣力集排式播種機的核心部件之一，排種管各行排量一致性及行內(nèi)播種均勻性在很大程度上取決于分種器的形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)[26-27]。為保證混種過程中種子混合并向分種器運動，要求每行種子播量相近、播種連續(xù)均勻，按照播種要求，確定分種器輸送氣流速度va、小麥種子懸浮速度v0與輸種管徑D。

輸送氣流速度為

(1)

式中KL——物料粒度系數(shù)，小麥為16

Kd——物料特性系數(shù)，小麥為2×10-5～5×10-5

ρs——物料密度，小麥為1.37×103kg/m3

L——輸種管道長度，m

由于L很小，KdL很小，可以忽略不計，同時考慮到排種系統(tǒng)的密封性，空氣速度va=(1+10%)×18.7=20.6 m/s，可取va=21 m/s。

小麥種子懸浮速度為

(2)

式中Ks——不規(guī)則形狀修正系數(shù)，取11.5

ds——小麥種子平均粒徑，為5 mm

C——阻力系數(shù)，取0.44

ρ——空氣密度，kg/m3

g——重力加速度，取9.8 m/s2

計算可得，小麥種子自由懸浮速度v0為13.2 m/s。

輸送空氣流量

(3)

其中

(4)

式中Wa、Ws——單位時間內(nèi)輸送空氣和小麥種子質(zhì)量，kg/s

φ——料氣混合比，取1.3

輸種管徑為

(5)

則輸種管道直徑圓整后可取D=50 mm。

2.2　分種器總體設(shè)計

根據(jù)分種器設(shè)計依據(jù)和已知參數(shù)，確定分種器整體結(jié)構(gòu)，包括分種外蓋、分種內(nèi)蓋、輸種管和排種管，整體結(jié)構(gòu)如圖4所示，為保證分種外蓋和分種內(nèi)蓋同軸度，防止機械設(shè)計缺陷導(dǎo)致種子流不能均勻分配到排種管內(nèi)，減少氣種混合流在分配器內(nèi)產(chǎn)生的渦流、滯流等現(xiàn)象，設(shè)計分種外蓋和分種內(nèi)蓋螺紋連接，設(shè)計分種外蓋為圓錐斜面，利用分種外蓋占據(jù)分配器內(nèi)腔的排種盲區(qū)空間，有利于引導(dǎo)種子進入排種管。因此，分種外蓋的形狀尺寸決定了分種性能的優(yōu)劣，設(shè)計的主要內(nèi)容為分種外蓋與輸種管。

圖4　氣力集排式分種器結(jié)構(gòu)圖Fig.4　Structure diagram of pneumatic centralized distributor1.輸種管　2.排種管　3.分種內(nèi)蓋　4.分種外蓋

2.2.1分種外蓋

分種外蓋的形狀應(yīng)盡量減少渦流、滯流和急劇收縮現(xiàn)象，以免引起混合流的離析、沉淀現(xiàn)象而破壞種子流的分布均勻度。在混種過程中，在氣力集排式分種器的噴射作用下，種子呈不規(guī)則分布，在由輸種管進入分種器后，形成氣種混合流等種數(shù)流場(Equal amount flow field，EF)，在等種數(shù)流場和內(nèi)外壓力差作用下，使分布不均的種子向中間聚攏[23]。在等種數(shù)流場的作用下對種子進行聚種、分種、派種，其種子分布如圖5所示。在EF1輸種區(qū)域?qū)⒎N子聚攏到中央，在EF2分種區(qū)域?qū)⒎N子進行流場導(dǎo)向分布，在EF3排種區(qū)域?qū)⒎N子均勻分布到各分種口，完成排種。

圖5　等種數(shù)流場小麥種子分布示意圖Fig.5　Schematic diagram of wheat distribution in equal amount flow field1.EF1輸種區(qū)域　2.EF2分種區(qū)域　3.EF3排種區(qū)域

根據(jù)小麥種子等種數(shù)流場的分布圖，得出分種外蓋對小麥種子運動規(guī)律影響較大，影響因素主要有圓錐角θ和圓錐直徑d，其圓錐角θ和圓錐直徑d影響小麥種子的分配均勻度。所以，圓錐外蓋的尺寸應(yīng)滿足

(6)

圖6　分種外蓋結(jié)構(gòu)圖Fig.6　Structure diagram of distributor outer cover

根據(jù)圓錐外蓋尺寸和小麥種子等種數(shù)流場分布規(guī)律，設(shè)計分種外蓋形狀如圖6所示。根據(jù)輸種管徑D(據(jù)式(5)，D=50 mm)和分種器總體設(shè)計要求確定圓錐直徑d為70 mm，圓錐角θ根據(jù)仿真結(jié)果確定具體值，依據(jù)田間播種行數(shù)確定下種口個數(shù)為12個，根據(jù)外蓋參數(shù)即可確定整個分種器的參數(shù)和結(jié)構(gòu)。

2.2.2輸種管

為使小麥種子高速集中輸入到輸種管中，設(shè)計的輸種管為帶波紋的褶皺輸種管，當(dāng)種子與高速氣流在輸種管內(nèi)混合后，氣種混合流在波紋褶皺輸種管斷面直徑內(nèi)不斷的擴張和縮小，形成對混合流的擠壓和拉伸效應(yīng)，從而有利于打破氣種混合流原有的運動狀態(tài)，促使種子與氣流的均勻混合；同時，種子流碰觸到波紋管內(nèi)壁后反向運動，容易形成單個顆粒，有利于提高種子顆粒在管道截面上的均勻性，其軸向斷面局部剖視圖如圖7所示，每段波紋長度為16 mm，波紋角度為90°，其余尺寸如圖7所示，1個輸種管有30個波紋，輸種管總長為480 mm。

圖7　輸種管局部剖視圖Fig.7　Sectional view of conveying tube

3　排種分配系統(tǒng)CFD仿真分析

3.1　仿真模型設(shè)定

圖8　分配系統(tǒng)CFD仿真模型Fig.8　CFD simulation model of distributor

在Solidworks三維空間中建立分配系統(tǒng)的三維模型，導(dǎo)入Flow Simulation中，按照CFD求解過程建立控制方程，設(shè)定初始條件及邊界條件，劃分網(wǎng)格生成計算節(jié)點，最終輸出仿真結(jié)果[28]。分配系統(tǒng)仿真模型如圖8所示。選用自帶的湍流模型對不同的分種器進行內(nèi)部流體分析，同時確保整個模型是封閉的，因此對輸種管下端和各分種口創(chuàng)建端蓋，設(shè)置輸種管下端輸入速度為21 m/s的空氣，分種口設(shè)置出口靜壓為大氣壓強101 325 Pa。

3.2　不同分配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對比仿真與結(jié)果分析

根據(jù)分種器設(shè)計原則，輸種管和分種外蓋是分種性能優(yōu)劣的關(guān)鍵，因此，對輸種管和分種外蓋建立仿真模型，以氣流場內(nèi)速度分布均勻性作為評價指標，減少分配器內(nèi)產(chǎn)生的渦流、滯流等現(xiàn)象。設(shè)置相同的邊界條件和仿真環(huán)境，建立2組因素對比分析，因素1為輸種管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括褶皺管和光滑直管，分種外蓋一致，因素2為分種外蓋錐角的變化，包括錐角為180°、160°、140°、120°、100°、80°，輸種管一致。2組速度流場分布仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9　不同分種器結(jié)構(gòu)速度流場分布Fig.9　Velocity flow field distributions of different distributors

從速度流場分布(圖9a)可以看出，在直管結(jié)構(gòu)中，流體速度處于15～16 m/s之間，速度變化較小，流場穩(wěn)定，不利于種子均勻分配。在褶皺管結(jié)構(gòu)中，由于管道內(nèi)徑周期性的擴張和收縮，導(dǎo)致氣流受到不斷拉伸和壓縮作用，在靠近管壁處，氣流速度相對較低，約為3 m/s，在褶皺管的中心位置，氣流速度達到最大，約為15 m/s，管道內(nèi)徑的交替變化，引起氣流速度在徑向上的持續(xù)變化。因此，褶皺管結(jié)構(gòu)相對于直管結(jié)構(gòu)對分配系統(tǒng)內(nèi)部流場的分布影響更大，分配均勻性更好，有利于打破流體原有的運動狀態(tài)。

從速度流場分布(圖9b)可以看出，氣流到達分配器后與分種外蓋發(fā)生碰撞。當(dāng)錐角為180°時，速度變化大，從21 m/s降到1 m/s，種子在分種外蓋附近產(chǎn)生渦流、滯流等現(xiàn)象。錐角160°和140°均存在此現(xiàn)象，當(dāng)錐角為120°時，速度變化均勻，在10～20 m/s之間，有利于引導(dǎo)氣流進入各個輸種管道。當(dāng)錐角在100°和80°時，種子以較高速度(約16 m/s)沖向分種外蓋，造成種子與分配外蓋激烈碰撞，種子破碎率增高。

綜上分析，當(dāng)高速氣流進入褶皺管后，由于褶皺管斷面直徑周期性的持續(xù)擴張和收縮，進而形成對流場的擠壓和拉伸作用，從而打破氣體原有的運動狀態(tài)，促使種子與氣流的均勻混合；同時，選用錐角為120°的分種外蓋，有利于保證分配器內(nèi)部流場的均勻，降低種子破碎率，因此，選用分種外蓋錐角為120°，褶皺輸種管。

4　臺架試驗

通過理論計算、CFD仿真分析，設(shè)計了氣力集排式排種分配系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，下面通過臺架試驗驗證其總體結(jié)構(gòu)的適用性和理論分析的合理性；通過排種均勻性、各行之間播種均勻性和行內(nèi)穩(wěn)定性等試驗判定排種分配系統(tǒng)的排種分配效果。

4.1　材料與設(shè)備

試驗材料選用在山東省種植廣泛且產(chǎn)量穩(wěn)定的山農(nóng)28號小麥，長度平均值6.43 mm，寬度平均值3.36 mm，厚度平均值2.51 mm，千粒質(zhì)量為48.6 g，容重794.8 g/L。

試驗設(shè)備為自制的小麥排種分配裝置試驗臺，如圖10所示，該裝置主要由風(fēng)送系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、排種系統(tǒng)和分配系統(tǒng)等組成。其他試驗設(shè)備包括騰越通風(fēng)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的2.2 kW離心風(fēng)機，最大流量2 496 m3/h，最大風(fēng)壓1 200 Pa；霍爾轉(zhuǎn)速記錄儀(量程0～200 r/min，分辨率0.1 r/min)、電子天平(量程0～1 000 g，精度0.01 g)、秒表、接種杯(2 L)，篩板(500 mm×500 mm)等。

圖10　排種分配裝置試驗臺Fig.10　Experiment platform of seeding distribution device1.控制系統(tǒng)　2.排種系統(tǒng)　3.分配系統(tǒng)　4.風(fēng)送系統(tǒng)

4.2　試驗設(shè)計與方法

為測得集中定量排種系統(tǒng)總排量穩(wěn)定性，測量集中定量排種器的轉(zhuǎn)速與總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)的關(guān)系。排種器轉(zhuǎn)速20～40 r/min，取6個水平，用接種杯收集排種器內(nèi)的種子，每次收集時間為30 s，重復(fù)5次取平均值。

排種分配系統(tǒng)分種性能通過各行之間播量變異系數(shù)測定分種均勻性，通過行內(nèi)播量變異系數(shù)測定分種穩(wěn)定性。試驗分為8組，分別標記為t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8。t1為直管分種器；t2為褶皺管分種器，t1、t2分種外蓋均為120°圓錐蓋；t3為分種外蓋為180°平蓋；t4為分種外蓋為160°圓錐蓋；t5為分種外蓋為140°圓錐蓋；t6為分種外蓋為120°圓錐蓋；t7為分種外蓋為100°圓錐蓋；t8為分種外蓋為80°圓錐蓋。t3～t8分種器均為褶皺管。排種管標記為i(i=1,2，…,12)，種箱中加入提前去除雜質(zhì)及破碎籽粒的種子600 g，每次試驗重復(fù)5次取平均值。對第i行排出的種子稱量，取5次質(zhì)量的平均值，記為xi，單位為g。每組試驗結(jié)束后，統(tǒng)計12行排種管內(nèi)的種子總粒數(shù)，選出破碎損傷的種粒數(shù)。

種子破碎率為

(7)

式中P——種子破碎率，%

Wp——樣本破碎種粒個數(shù)

Wy——樣本種?？倲?shù)

排種分配系統(tǒng)小麥種子整體排盡率為

(8)

式中n——總行數(shù)

Wz——種箱中加入種子的質(zhì)量，g

變異系數(shù)計算式為

(9)

其中

(10)

式中CV——變異系數(shù)

4.3　試驗結(jié)果與分析

集中定量排種系統(tǒng)試驗結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，在排種軸外槽輪長度一定時，排種器轉(zhuǎn)速在20～40 r/min時，總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)為1.01%～1.19%，轉(zhuǎn)速為28 r/min時，總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)最小，為1.01%。在高速時變異系數(shù)較大是因為外槽輪轉(zhuǎn)速過快，存在填充不及時現(xiàn)象，導(dǎo)致排種量不穩(wěn)定。

排種分配系統(tǒng)試驗結(jié)果如表3、4所示。根據(jù)集中定量排種系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)，選擇總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)最小時的排種軸轉(zhuǎn)速28 r/min進行排種分配系統(tǒng)試驗。由表3可知，小麥種子整體排盡率大于等于99%。t1試驗各行之間播量變異系數(shù)為8.50%，t2變異系數(shù)為3.27%，試驗數(shù)據(jù)表明褶皺管分種器比直管分種效果好；t6變異系數(shù)為3.20%，均小于t3、t4、t5、t7、t8，t6種子破碎率為0.29%，小于t7、t8，通過對比t6與其他對比組的試驗數(shù)據(jù)可知分種外蓋為錐角120°時，變異系數(shù)最小，種子破碎率最低，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

表2　集中定量排種器各轉(zhuǎn)速下試驗結(jié)果Tab.2　Test results of concentrated quantitative seeding system with different rotational speeds of seed shaft

表3　分種器各行播量Tab.3　Seeding rate of distributor rows　g

表4　分種器行內(nèi)播量變異系數(shù)Tab.4　Seeding rate coefficient of variation of distributor intra-row　%

由表4可知，t2比t1平均變異系數(shù)小5.35%，褶皺輸種管對行內(nèi)播種的穩(wěn)定性影響顯著，能提高分種的穩(wěn)定性；在分種外蓋試驗中，平均變異系數(shù)t6最小為3.96%，說明錐角為120°分種外蓋有利于行內(nèi)播種的穩(wěn)定性。

5　田間試驗

經(jīng)過理論分析、流體仿真和試驗臺試驗，對2BQ-12型氣力一階集排式播種機進行改進并于2016年9月在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗站進行播種試驗，如圖11所示，以山東小麥300 kg/hm2播量作為要求播種量，播種前統(tǒng)計播種量，進行總排量穩(wěn)定性試驗、各行排量一致性試驗和排種均勻性試驗等?？偱帕糠€(wěn)定性試驗、各行排量一致性試驗和種子破碎率試驗在室內(nèi)進行；排種均勻性和出苗率在田間試驗。排種均勻性選擇在大田試驗結(jié)束，待出苗整齊后，按照棋盤式布點法[29]，選取田間10個采樣點，每個采樣點測定30 cm內(nèi)小麥的總苗數(shù)，測定該區(qū)域內(nèi)發(fā)芽小麥之間的距離作為播種均勻性試驗的數(shù)據(jù)；待出苗整齊后，按照棋盤式布點法，選取田間10個采樣點，每個采樣點測定100 cm內(nèi)小麥的總苗數(shù)，求其均值，換算成該田地面積下的出苗數(shù)作為出苗率的試驗數(shù)據(jù)。

圖11　2BQ-12型氣力一階集排式播種機試驗Fig.11　2BQ-12 airflow first-order centralized metering seeder

對播種機進行綜合性能測試，每個指標均取10次重復(fù)測量的平均值。具體試驗數(shù)據(jù)如表5所示。

由于田間作業(yè)時，同時進行開溝、施肥等多項作業(yè)，使播種機阻力增大，產(chǎn)生較強的振動，因此導(dǎo)致田間試驗合格指數(shù)低于排種性能試驗。進行播種作業(yè)時可根據(jù)實際田間狀態(tài)和作業(yè)要求改用大功率拖拉機，以改善播種性能。

表5　樣機試驗結(jié)果Tab.5　Prototype test results

6　結(jié)論

(1)設(shè)計了一種氣力集排式小麥排種分配系統(tǒng)，通過對集中定量排種分配系統(tǒng)的理論研究和CFD仿真分析，得到排種分配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)：輸種管直徑為50 mm，褶皺管波紋長度為16 mm，波紋角度為90°，分種外蓋圓錐角為120°。

(2)臺架試驗結(jié)果表明：褶皺輸種管與錐角120°的分種外蓋組合，排種器轉(zhuǎn)速在20～40 r/min時，總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)為1.01%～1.19%，行內(nèi)播量變異系數(shù)為3.96%，種子破碎率為0.23%，試驗結(jié)果與CFD仿真分析基本一致。

(3)田間試驗結(jié)果表明：總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)為1.06%，各行排量一致性變異系數(shù)為3.34%，排種均勻性變異系數(shù)為27.35%，種子破碎率為0.28%，出苗率為89.63%。

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