高筱鈞 徐 楊 賀小偉 張東興 楊 麗 崔 濤

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部土壤-機(jī)器-植物系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083；3.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 阿拉爾 843300)

0 引言

高速精量播種技術(shù)是推動(dòng)玉米產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一[1-2]。排種器在高速排種過(guò)程中，由于排種機(jī)構(gòu)高速回轉(zhuǎn)，充種時(shí)間急劇下降，加上玉米種子形狀大小差異較大，導(dǎo)致漏播指數(shù)顯著上升。為解決上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在現(xiàn)有重力充種的原理基礎(chǔ)上開展了提高充種性能的研究[3-11]，這些研究均采用輔助手段改善充種性能，未從根本上解決因高速作業(yè)、種群堆積而造成的重力充種難問(wèn)題，為此，崔濤等[12]提出一種氣力送種、氣流擾種、離心清種的高速排種方法，并設(shè)計(jì)了一種氣送式高速玉米精量排種器。

由于排種器內(nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜且雜亂無(wú)章，探討不同結(jié)構(gòu)導(dǎo)流渦輪對(duì)排種器內(nèi)部流場(chǎng)分布以及工作性能的影響很有必要。通過(guò)流場(chǎng)分析以及對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)流渦輪可以將排種器中心空氣引導(dǎo)至外圈，增加外圈流速流量，產(chǎn)生壓覆作用力，有效提高了排種器工作性能。近年來(lái)，CFD 數(shù)值計(jì)算在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛。通過(guò) CFD 技術(shù)，可利用計(jì)算機(jī)分析并顯示氣流場(chǎng)中的現(xiàn)象，使分析結(jié)果可視化、直觀化，并能在較短時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)流場(chǎng)[13-18]。本文通過(guò)對(duì)比不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流渦輪，并采用Fluent 軟件數(shù)值模擬排種器內(nèi)流場(chǎng)變化，確定導(dǎo)流渦輪結(jié)構(gòu)，分析對(duì)排種過(guò)程各階段的影響，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證安裝導(dǎo)流渦輪的必要性。為獲得在高速作業(yè)下排種器最佳工作性能，以工作速度、種子喂入量和氣送風(fēng)壓為試驗(yàn)因素，開展二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，以期得到排種器最佳參數(shù)組合。

1 工作原理

1.1 排種器組成與工作原理

氣送式高速玉米精量排種器主要由后殼體、軸承、排種盤、型孔插件、軸、導(dǎo)流渦輪、護(hù)種板和前殼體組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1a所示。

圖1 氣送式高速玉米精量排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematic of high speed maize precision seed metering device with seed feeding in air-assisted1.后殼體 2.軸承 3.排種盤 4.型孔插件 5.軸 6.導(dǎo)流渦輪 7.護(hù)種板 8.前殼體 9.分隔板 Ⅰ.充種區(qū) Ⅱ.攜種區(qū) Ⅲ.清種區(qū) Ⅳ.投種區(qū) Ⅴ.過(guò)渡區(qū)

氣流從進(jìn)風(fēng)口吹入，將從喂入口進(jìn)入的種子吹入文丘里管，形成均勻有序的種子流進(jìn)入排種器[19]。排種器工作過(guò)程主要分為充種、攜種、清種、投種和過(guò)渡5個(gè)階段，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1b所示。軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)，排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)與之連接的4個(gè)型孔插件及導(dǎo)流渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，種子從前殼體進(jìn)種口隨氣流進(jìn)入排種器。在型孔插件以及護(hù)種板的夾持作用下，充入型孔插件的種子隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，途經(jīng)充種區(qū)和攜種區(qū)后轉(zhuǎn)動(dòng)到排種器正上方處，由于護(hù)種板在充種區(qū)和攜種區(qū)的前端傾斜部與型孔插件貼合起到囊種作用，在清種區(qū)由于其前端傾斜部分變窄，此時(shí)型孔插件內(nèi)僅能容納單粒種子，多余的種子失去了護(hù)種板的支持力，做離心運(yùn)動(dòng)脫離型孔插件，甩到前殼體內(nèi)壁面并順著分隔板滑落回排種器底部，在氣流作用下與剛進(jìn)入排種器的種子匯合，進(jìn)行再次的充種。型孔插件內(nèi)留下的單粒種子繼續(xù)隨著型孔插件轉(zhuǎn)動(dòng)，直到投種區(qū)失去了護(hù)種板的包裹，種子缺少了支持力，在自身重力和氣流作用下脫離型孔插件沿著落種口排出排種器，完成排種過(guò)程(圖2)。

圖2 排種器工作原理圖Fig.2 Schematic of metering device1.進(jìn)風(fēng)口 2.喂入口 3.文丘里管 4.玉米種子 5.分隔板 6.型孔插件 7.排種器 8.護(hù)種板 9.導(dǎo)流渦輪 10.軸

1.2 導(dǎo)流渦輪工作原理

導(dǎo)流渦輪固定安裝在排種盤上，隨排種盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)。工作情況下，導(dǎo)流渦輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，在相同轉(zhuǎn)速情況下排種盤內(nèi)外圈角速度一致，但外圈線速度最大，公式為

vl=ωR

(1)

式中vl——線速度，m/s

ω——角速度，rad/s

R——半徑，m

因此導(dǎo)流渦輪外圈將會(huì)產(chǎn)生較大的線速度，帶動(dòng)外圈氣流流動(dòng)，由簡(jiǎn)化的伯努利方程可以定性地知道，外圈氣流流速快、壓強(qiáng)小，將會(huì)產(chǎn)生較大壓差，起到很好的壓覆種子作用，公式為

(2)

式中p——壓強(qiáng)，Pa

ρ——流體密度，kg/m3

g——重力加速度，取9.81 m/s2

h——高度，m

v——流速，m/sC——常數(shù)

導(dǎo)流渦輪可以提高排種器內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)性，增大排種器外圈壓差，從而增加對(duì)種子壓覆作用，使得種子流動(dòng)均勻有序，提高充種、攜種、清種和投種性能。

2 導(dǎo)流渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了探討不同導(dǎo)流渦輪結(jié)構(gòu)對(duì)排種器內(nèi)部流場(chǎng)以及工作性能的影響，設(shè)計(jì)了3種具有代表性的導(dǎo)流渦輪，如圖3所示，3種裝置均為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，采用未來(lái)800樹脂材料3D打印加工制成。

圖3 3種結(jié)構(gòu)導(dǎo)流渦輪示意圖Fig.3 Schematic of diversion turbine structure

對(duì)3種結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)角α分析，由圖4可知，A型結(jié)構(gòu)迎風(fēng)角為銳角，因此具有較好的導(dǎo)流作用，但其擾流作用不明顯。B型結(jié)構(gòu)迎風(fēng)角為直角，具有較好的擾流作用，但導(dǎo)流作用不顯著。C型結(jié)構(gòu)結(jié)合上述2種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，將攪拌葉片設(shè)計(jì)為曲線形式，增加導(dǎo)流作用，同時(shí)2種葉片迎風(fēng)角分別為銳角和直角，兼具導(dǎo)流性和擾流性。為了得出中心空氣導(dǎo)流至外圈的運(yùn)動(dòng)軌跡，假設(shè)空氣質(zhì)點(diǎn)最佳絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡方程為|y|=vt，其中t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間。設(shè)t=0時(shí)刻空氣質(zhì)點(diǎn)初始位置坐標(biāo)為(R′，0)，排種盤逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)一定時(shí)間，空氣質(zhì)點(diǎn)位置坐標(biāo)為

圖4 迎風(fēng)角分析Fig.4 Upwindangle analysis

(3)

式中x——漸開線橫坐標(biāo)值，mm

y——漸開線縱坐標(biāo)值，mm

將空氣質(zhì)點(diǎn)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡方程|y|=vt代入式(3)中，得

(4)

v=R′ω，φ=ωt，將其代入式(4)中，得出空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡方程

(5)

式中φ——轉(zhuǎn)動(dòng)角度，rad

可見，空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡方程即導(dǎo)流渦輪葉片曲線方程是基圓半徑為R′的漸開線，根據(jù)排種器整體結(jié)構(gòu)尺寸要求，本設(shè)計(jì)取R′為38 mm。為了增大型孔處流速流量以及與型孔相對(duì)位置，銳角迎風(fēng)角α取40°，導(dǎo)流渦輪外圈與型孔插件上邊緣相切，直角迎風(fēng)角葉片頂端與型孔插件頂端相連接，相鄰2種葉片包圍一個(gè)型孔，由于種盤上有4個(gè)型孔，因此一共需要8個(gè)葉片，內(nèi)圓半徑r為75 mm，導(dǎo)流渦輪半徑R為150 mm，這種結(jié)構(gòu)增大了型孔處空氣流速流量，起到了增大壓覆力的作用。

2.1 充種過(guò)程

由于排種器工作原理的改變，將原本堆積于排種器腔體內(nèi)的種子群依靠自身重力進(jìn)行充種的方式改變?yōu)殡S氣流均勻有序進(jìn)入排種器內(nèi)的種子流，避免了種子堆積帶來(lái)的種間摩擦力大，出現(xiàn)結(jié)拱和架空等不利于充種現(xiàn)象。在充種過(guò)程中，種子之間相互碰撞，不止一顆種子被囊入型孔插件中，由于導(dǎo)流渦輪的加入，種子除了受到來(lái)自種群間的擠壓力以及與護(hù)種板、型孔插件之間的接觸力，還受到流場(chǎng)的壓覆作用力，其中在型孔底端的種子受力如圖5所示。圖中F0為種群擠壓力，N；F1為種子受到護(hù)種板的支持力，N;F2為種子受到型孔底部支持力，N;F3為流場(chǎng)壓覆力所產(chǎn)生的擠壓力，N;f為種子與幾何體之間的靜摩擦力，N。

圖5 型孔底部種子受力圖Fig.5 Force analysis of seed at bottom

高速工作狀態(tài)下，種子所需向心力較大，同時(shí)護(hù)種板給予型孔底部種子的支持力以及種群對(duì)型孔底部種子的擠壓力均較大，再加之導(dǎo)流渦輪高速旋轉(zhuǎn)在外圈形成較高的空氣流速，產(chǎn)生較大壓覆力，使得型孔底部的種子被牢牢壓覆于型孔內(nèi)，因此在高工作速度下不會(huì)出現(xiàn)漏充的現(xiàn)象。導(dǎo)流渦輪使得排種器在原工作條件的基礎(chǔ)上增加了對(duì)種子的壓覆作用，因此避免了傳統(tǒng)排種器因種群堆積，排種盤在高速轉(zhuǎn)動(dòng)下漏充嚴(yán)重的問(wèn)題。

2.2 清種過(guò)程

隨著高速旋轉(zhuǎn)的排種盤，型孔內(nèi)的種子到達(dá)排種盤頂端清種區(qū)，由于排種盤高速旋轉(zhuǎn)，種子所需向心力較大，且多來(lái)自護(hù)種板的支持力，當(dāng)種子到達(dá)清種區(qū)由于護(hù)種板寬度驟減，型孔上部多余的種子瞬間失去了來(lái)自護(hù)種板的支持力，加之導(dǎo)流渦輪作用產(chǎn)生的壓覆力，壓覆力作用效果為推出多余種子做離心運(yùn)動(dòng)，更好地起到了清種效果，使得多余的種子做離心運(yùn)動(dòng)，脫離型孔，其受力情況如圖6所示。

圖6 清出種子受力圖Fig.6 Force analysis of redundant seed

在水平方向上，多余的種子受到型孔插件的支持力以及種子之間的擠壓力，處于平衡狀態(tài)，在向心方向上，由于缺少護(hù)種板的支持再加上導(dǎo)流渦輪所產(chǎn)出的壓覆力，使得種子做離心運(yùn)動(dòng)，受力為

(6)

式中Fy——排種盤向心方向的合力，N

Fx——排種盤切線方向的合力，N

Fn——種子受到的支持力，N

Fr——種子所需向心力，N

清除了多余種子，在型孔底部?jī)H且只有一顆種子被牢牢壓覆在型孔內(nèi)，由于清種區(qū)護(hù)種板寬度蓋過(guò)型孔底部種子的重心位置，因此可以提供其足夠的向心力，不會(huì)脫離型孔，實(shí)現(xiàn)清除多余種子保證單粒率。

2.3 投種過(guò)程

在投種區(qū)，型孔內(nèi)種子失去護(hù)種板的支持力，以及受到導(dǎo)流渦輪所產(chǎn)生的壓覆力，種子做離心運(yùn)動(dòng)。在離心運(yùn)動(dòng)過(guò)程中種子第1階段先脫離型孔，其受力運(yùn)動(dòng)情況如圖7所示。

圖7 種子脫離受力分析圖Fig.7 Force and motion analysis of seed departure

第2階段中，種子脫離型孔的束縛，在慣性的作用下繼續(xù)保持沿著排種盤切線方向運(yùn)動(dòng)。因?yàn)閷?dǎo)流渦輪在排種器內(nèi)外圈產(chǎn)生較大空氣流速，且在投種區(qū)種子與氣流均從落種口排出，所以種子除了受到自身重力、流場(chǎng)壓覆力，還受到流場(chǎng)中曳力的作用，曳力表達(dá)式為

(7)

式中FD——曳力，N

CD——繞流阻力系數(shù)

Q——物體在流動(dòng)方向上的投影面積，m2

導(dǎo)流渦輪的加入使得種子在投種階段減小了水平方向的速度，并且在豎直方向做加速下落運(yùn)動(dòng)，增加了投種的流暢性，降低漏播風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)單粒播種，如圖8所示。

圖8 種子下落受力圖Fig.8 Force analysis of seed dropping

在整個(gè)投種過(guò)程中，種子除了受到自身重力以及與幾何體之間的摩擦力之外，主要受到導(dǎo)流渦輪所產(chǎn)生的壓覆力和排種器內(nèi)投種區(qū)流場(chǎng)中曳力的作用，壓覆力作用效果為推出型孔內(nèi)種子，做離心運(yùn)動(dòng)。其中壓覆力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于摩擦力，起到了較好的推種作用。種子自身的重力以及流場(chǎng)中的曳力有效起到快速投種的作用。

3 流場(chǎng)仿真與分析

為了探討不同結(jié)構(gòu)導(dǎo)流渦輪對(duì)排種器內(nèi)流場(chǎng)影響情況，采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的方法進(jìn)行模擬仿真，通過(guò)流場(chǎng)變化分析得出較好導(dǎo)流渦輪結(jié)構(gòu)。

3.1 流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

氣體密度隨著壓強(qiáng)或溫度的變化而變化的性質(zhì)，叫做氣體的壓縮性，它是氣體的重要屬性，通常用馬赫數(shù)來(lái)判別流動(dòng)氣體是否可壓縮[20-22]。馬赫數(shù)是流場(chǎng)中任意一點(diǎn)的速度v與該點(diǎn)處聲速U的比值，用Ma表示，表達(dá)式為

(8)

式中γ——比熱容

M——?dú)怏w常數(shù)，J/(kg·K)

T——熱力學(xué)溫度，K

當(dāng)Ma≤0.3時(shí)，認(rèn)為流體為低速流動(dòng)，密度變化忽略不計(jì)，流體為不可壓縮流體；當(dāng)Ma>0.3時(shí)，認(rèn)為流體為高速流動(dòng)，密度變化不可忽略，考慮流體可壓縮性的影響。高速流動(dòng)也可分為3種情況：當(dāng)0.35時(shí)，為超高聲速流動(dòng)。

在本次模擬仿真中，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量風(fēng)速最大不超過(guò)80 m/s，常溫下氣體比熱容為1.4，氣體常數(shù)為287 J/(kg·K)，絕對(duì)溫度為293 K，通過(guò)計(jì)算馬赫數(shù)小于0.3，因此氣體看作不可壓縮流體。

根據(jù)雷諾數(shù)Re來(lái)判斷流場(chǎng)類型，通常情況下：當(dāng)Re<2 300時(shí)，一般為層流；當(dāng)Re>4 000時(shí)， 一般為湍流；當(dāng)2 300≤Re≤4 000可能是層流，也可能是湍流，與流動(dòng)環(huán)境有關(guān)。對(duì)于內(nèi)流問(wèn)題，當(dāng)Re>2 300時(shí)，應(yīng)用湍流模型進(jìn)行分析。雷諾數(shù)為

(9)

式中a——粘性系數(shù)，Pa·s

D——水力直徑，m

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，空氣密度為1.2 kg/m3，粘性系數(shù)為1.8×10-5Pa·s，通過(guò)計(jì)算排種器內(nèi)流場(chǎng)的雷諾數(shù)遠(yuǎn)大于2 300，因此確定流場(chǎng)為湍流。

流體流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒以及能量守恒，分別對(duì)應(yīng)計(jì)算流體力學(xué)中的連續(xù)性方程、N-S方程和能量守恒方程，湍流流動(dòng)還需滿足湍流輸運(yùn)方程。

連續(xù)性方程

(10)

N-S方程

(11)

湍流輸運(yùn)方程

(12)

(13)

式中k——湍動(dòng)能

ε——湍動(dòng)耗散率

μ——湍流粘度

Gk——平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)

Gb——浮力影響產(chǎn)生的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)

YM——可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率系數(shù)

C1ε、C2ε、C3ε——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)

σk、σε——湍動(dòng)能和湍動(dòng)耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)

Si、Sk、Sε——源項(xiàng)

由于本文不涉及傳質(zhì)傳熱相關(guān)內(nèi)容，因此無(wú)需考慮能量守恒方程。

3.2 仿真方法

對(duì)排種器內(nèi)部流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用ANASYS軟件下的MESHING模塊對(duì)排種器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分得網(wǎng)格總數(shù)為129 797，最大網(wǎng)格體積為9.49×10-8mm3，最小體積為9.75×10-13mm3。根據(jù)排種器工作原理，選擇排種器進(jìn)種口為壓力入口，落種口為壓力出口，如圖9所示。

圖9 邊界條件Fig.9 Boundary conditions

數(shù)值模擬選擇非耦合隱式求解器進(jìn)行求解，采用k-ε模型，工作參考?jí)毫c(diǎn)選擇在進(jìn)種口中心位置，絕對(duì)壓力為101 325 Pa。設(shè)置導(dǎo)流渦輪為Moving wall邊界條件，轉(zhuǎn)速設(shè)為300 r/min，其他壁面采用無(wú)滑移邊界條件，流場(chǎng)壓力入口邊界條件為6 kPa壓力入口。為了減少數(shù)值擴(kuò)散，計(jì)算中選取二階迎風(fēng)格式，并采用SIMPLEC算法進(jìn)行求解計(jì)算。

3.3 結(jié)果分析

為了研究不同結(jié)構(gòu)導(dǎo)流渦輪對(duì)排種器內(nèi)部流場(chǎng)的影響情況，對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流渦輪以及不加導(dǎo)流渦輪的排種器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，探尋影響機(jī)理以及最佳結(jié)構(gòu)。

圖10中，D型為不增加導(dǎo)流渦輪的排種器，從圖中可以看出，空氣流速較小，總壓強(qiáng)較低，與添加導(dǎo)流渦輪的相比，更加明顯?？梢?，導(dǎo)流渦輪可以有效增加排種器內(nèi)部空氣的流動(dòng)，大幅增加外圈型孔處空氣流速流量以及落種口空氣的流速，增大壓覆作用力，在排種過(guò)程中有助于壓覆充種、高效清種、加速投種。A型有效提高了排種器內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)性，具有較好的導(dǎo)流性，將中心空氣導(dǎo)向外圈，增大了外圈型種孔處空氣流速流量，增大壓覆力，與B型和C型相比，由于迎風(fēng)角度較小，擾流性不強(qiáng)，外圈空氣流速增大有限。B型有效提高了排種器內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)性，具有較好的擾流性，增大了外圈型種孔處空氣流速，增大壓覆力，與A型和C型相比，由于不具備曲線結(jié)構(gòu)，導(dǎo)流性不強(qiáng)，流場(chǎng)中心空氣向外圍流動(dòng)效果不明顯。C型有效提高了排種器內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)性，由于結(jié)構(gòu)兼具較大迎風(fēng)角以及曲線結(jié)構(gòu)，因此具有較好的擾流性和導(dǎo)流性，增大了外圈型種孔處空氣流量與流速，增大了壓覆力。3種結(jié)構(gòu)中，C型具有較好的適用性。模擬仿真結(jié)果與上述理論分析一致。

圖10 腔體內(nèi)部流場(chǎng)速度矢量圖Fig.10 Velocity vector diagrams of flow field inside cavity

為了定量地分析不同導(dǎo)流渦輪結(jié)構(gòu)對(duì)排種器內(nèi)部流場(chǎng)產(chǎn)生的影響，分別選取充種區(qū)、攜種區(qū)、清種區(qū)以及投種區(qū)型孔處動(dòng)壓為評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖11所示。

圖11 動(dòng)壓變化曲線Fig.11 Changing curves of dynamic pressure

從圖11可以看出，3種導(dǎo)流渦輪在排種過(guò)程的各個(gè)階段均產(chǎn)生動(dòng)壓變化，即產(chǎn)生壓覆作用力，并且變化趨勢(shì)一致。相同工作條件下，其中導(dǎo)流渦輪C在充種、攜種、清種和投種環(huán)節(jié)所產(chǎn)出的壓覆作用力均大于其他2個(gè)。由此可見，導(dǎo)流渦輪C結(jié)構(gòu)最佳。

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)所用排種器為自主研發(fā)的氣送式高速玉米精量排種器，所用檢測(cè)裝置為中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的排種器性能檢測(cè)儀，如圖12所示。試驗(yàn)時(shí)，檢測(cè)儀風(fēng)機(jī)為排種器提供風(fēng)壓，將定量排種裝置排出的種子經(jīng)由供料管吹入氣送式高速玉米精量排種器，導(dǎo)種管安裝于排種器投種口下方，用于檢測(cè)排種器性能的傳感器安裝在導(dǎo)種管中間。作業(yè)時(shí)，當(dāng)種子經(jīng)過(guò)導(dǎo)種管時(shí)，觸發(fā)傳感器，檢測(cè)儀通過(guò)記錄相鄰種子間的時(shí)間間隔并同時(shí)將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際株距的方法，計(jì)算和判斷排種情況，并將計(jì)算的重播指數(shù)、漏播指數(shù)和合格指數(shù)直接輸出到顯示器上。該檢測(cè)儀的檢測(cè)結(jié)果與美國(guó) Precision Planting研發(fā)的MeterMax檢測(cè)儀相比合格指數(shù)誤差不超過(guò) 0.7%[23-24]。

圖12 試驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.12 Experiment equipment1.排種器性能檢測(cè)儀 2.定量排種裝置 3.供料管 4.排種器 5.導(dǎo)種管

4.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)種子為河南省農(nóng)科院種業(yè)有限公司生產(chǎn)的秋樂(lè)牌鄭單958玉米雜交種，籽粒黃色，半馬齒型，千粒質(zhì)量351 g，含水率12.5%，未分級(jí)[25]。根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》的規(guī)定，試驗(yàn)指標(biāo)包括合格指數(shù)Y1=n1/N′×100%；重播指數(shù)Y2=n2/N′×100%；漏播指數(shù)Y3=n3/N′×100%。其中n1為單粒排種數(shù)，n2是2粒以上排種數(shù)，n3為漏排種數(shù)，N′是理論排種數(shù)。根據(jù)前期試驗(yàn)研究，結(jié)合相關(guān)學(xué)者的研究成果[26-29]，以影響排種性能的主要參數(shù)工作速度X1、種子喂入量X2以及氣送風(fēng)壓X3為主要試驗(yàn)因素。其中種子喂入量為試驗(yàn)開始階段前5 s的種子喂入速度，隨后喂入量與當(dāng)前工作速度下排種量保持一致，排種量與工作速度關(guān)系式為

(14)

式中Q——排種量，g/sS——理論株距，m

Z——排種器工作速度，m/s

連續(xù)記錄200粒種子的試驗(yàn)結(jié)果，每次試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值。

4.3 二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)

通過(guò)上述理論分析以及仿真分析可以看出，在高速作業(yè)下導(dǎo)流渦輪將會(huì)產(chǎn)生壓覆作用力，結(jié)合前期單因素試驗(yàn)選取工作速度取值范圍在8.3～15.8 km/h，種子喂入量取值范圍在1～2 kg/min，氣送風(fēng)壓范圍在6.5～8.5 kPa。為了找到這3個(gè)因素的最佳參數(shù)，使得此排種器排種性能最佳，選擇試驗(yàn)次數(shù)少，計(jì)算方便，可以避免回歸系數(shù)間相關(guān)性的二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)方法[30]，試驗(yàn)因素和水平如表1所示。再根據(jù)三因素二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)表進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值。試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果見表2，x1、x2、x3為因素編碼值。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Factors and codes of test

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果Tab.2 Experiment design and response values

采用回歸方程方差分析法進(jìn)一步分析， 結(jié)果如表3所示。

表3 回歸方程方差分析Tab.3 Variance analysis of regression equation

注：*表示差異顯著(P<0.05)，** 表示差異極顯著(P<0.01)。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果回歸分析

采用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，可以得到合格指數(shù)Y1、重播指數(shù)Y2和漏播指數(shù)Y3的回歸方程。

4.4.1合格指數(shù)

通過(guò)試驗(yàn)以及對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到各因素對(duì)排種合格指數(shù)Y1影響的回歸模型

(15)

Y1=35.52+5.10X1+42.81X2-4.02X1X2

(16)

通過(guò)對(duì)式(16)回歸系數(shù)的檢驗(yàn)得出，影響排種合格指數(shù)的因素主次順序?yàn)榉N子喂入量、工作速度和氣送風(fēng)壓。

4.4.2重播指數(shù)

通過(guò)試驗(yàn)以及對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到各因素對(duì)重播指數(shù)Y2影響的回歸模型

(17)

(18)

通過(guò)對(duì)式(18)回歸系數(shù)的檢驗(yàn)得出，影響重播指數(shù)的因素主次順序?yàn)榉N子喂入量、工作速度和氣送風(fēng)壓。

4.4.3漏播指數(shù)

通過(guò)試驗(yàn)以及對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到各因素對(duì)漏播指數(shù)Y3影響的回歸模型

(19)

通過(guò)對(duì)式(20)回歸系數(shù)的檢驗(yàn)得出，影響漏播指數(shù)的因素主次順序?yàn)榉N子喂入量、氣送風(fēng)壓和工作速度。

4.5 各因素對(duì)排種合格指數(shù)的影響

由圖13可知：排種合格指數(shù)隨著工作速度的提高先上升后下降并保持穩(wěn)定，在10.8～13.7 km/h有最大值；隨著種子喂入量的增大先增后降，在1.2～1.5 kg/min有最大值；隨著氣送風(fēng)壓的增大先增后降，在7.5～8 kPa有最大值。

圖13 因素交互作用對(duì)合格指數(shù)的影響Fig.13 Impact of interaction on qualified index

由上述內(nèi)容可知，各因素以及各因素之間的交互作用對(duì)排種器工作性能影響較大，為了獲得最佳排種作業(yè)參數(shù)，優(yōu)化工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)因素間參數(shù)的合理匹配是提高合格指數(shù)的關(guān)鍵[31-33]。

以合格指數(shù)為最終優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)JB/T 10293—2001《單粒(精密)播種機(jī)技術(shù)條件》中的要求，播種合格指數(shù)大于等于80.0%， 重播指數(shù)小于等于15.0%，漏播指數(shù)小于等于8.0%。結(jié)合各因素邊界條件， 建立參數(shù)化數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行優(yōu)化求解，其目標(biāo)函數(shù)和約束條件為

Fmax=Y1-Y2-Y3

(21)

(22)

Fmax為最終優(yōu)化的目標(biāo)，即合格指數(shù)；運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件的優(yōu)化模塊，對(duì)約束目標(biāo)優(yōu)化求解，得到工作速度為9.8 km/h，種子喂入量為1.8 kg/min，氣送風(fēng)壓為8 kPa時(shí)，排種合格指數(shù)最高。

根據(jù)優(yōu)化得到的最優(yōu)參數(shù)，進(jìn)行5次重復(fù)對(duì)比臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)比結(jié)果如表4所示。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)安裝導(dǎo)流渦輪可以大幅度提高合格指數(shù)，降低漏播指數(shù)和重播指數(shù)。試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)前工作條件下，裝有導(dǎo)流渦輪一組在充種、攜種過(guò)程中種子壓覆效果明顯，清種效果明顯優(yōu)于未安裝導(dǎo)流渦輪一組，投種過(guò)程中種子掉落速度明顯增加。因此通過(guò)安裝導(dǎo)流渦輪可以提高排種器的排種性能。

表4 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Result of contrast test %

5 結(jié)論

(1)為了使氣送式高速玉米精量排種器內(nèi)流場(chǎng)分布有序，從而提高排種器工作性能，設(shè)計(jì)了3種結(jié)構(gòu)類型的導(dǎo)流渦輪，通過(guò)理論分析得出，具有較大迎風(fēng)角、且具備曲線結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流渦輪具有較好的擾動(dòng)性和導(dǎo)流性。

(2)采用CFD方法模擬分析不同結(jié)構(gòu)導(dǎo)流渦輪對(duì)排種器內(nèi)部流場(chǎng)的影響情況，得出3種結(jié)構(gòu)均可有效提高排種器內(nèi)部空氣的流動(dòng)性，增大外圈型孔處空氣流速，增大壓覆作用力。通過(guò)對(duì)比分析排種過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)動(dòng)壓的變化，得出C型結(jié)構(gòu)效果最佳。

(3)在排種器內(nèi)添加C型導(dǎo)流渦輪，并采用三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，建立排種性能指標(biāo)(合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù))與工作速度、種子喂入量、氣送風(fēng)壓 3 個(gè)試驗(yàn)因素間的回歸數(shù)學(xué)模型，得出了影響各指標(biāo)的因素主次順序， 并運(yùn)用響應(yīng)面法分析了試驗(yàn)因素對(duì)響應(yīng)指標(biāo)的影響。采用多目標(biāo)優(yōu)化方法，確定了排種器最佳工作參數(shù)組合為工作速度為9.8 km/h、種子喂入量為1.8 kg/min、氣送風(fēng)壓為8 kPa，此時(shí)排種合格指數(shù)最高，其性能指標(biāo)為：合格指數(shù) 91.32%、漏播指數(shù) 2.83%、重播指數(shù)5.85%。對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)，在相同條件下與未安裝導(dǎo)流渦輪排種器進(jìn)行對(duì)比表明，安裝導(dǎo)流渦輪可以有效提高排種器工作性能。