徐國杰，倪向東，康施為，郭世龍，王由之

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引言

2016年，新疆棉花種植面積1 805.2×103hm2，總產(chǎn)量達(dá)359.4萬t，分別占全國的53.4%和67.2 %[1]，已成為全國不可替代的最大產(chǎn)棉區(qū)和商品棉基地。播種是棉花生產(chǎn)過程中具有決定性作用的一個(gè)環(huán)節(jié)，在短暫的播種農(nóng)時(shí)內(nèi)，根據(jù)農(nóng)藝要求，將種子播入土壤，使種子獲得良好的生長發(fā)育條件。精密排種器作為精密播種機(jī)的核心部件，其性能的好壞直接影響著精密播種的質(zhì)量。氣吸式排種器對(duì)種子形狀要求不高，適應(yīng)性較好，不傷種，播種精度穩(wěn)定，播種作業(yè)速度高，在播種領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2-4]。氣吸式精密排種器利用氣流實(shí)現(xiàn)充種、清種、攜種過程，排種器氣流場(chǎng)特性對(duì)排種器工作性能的影響極為關(guān)鍵,直接影響著其播種性能[5]。

本文根據(jù)氣吸滾筒式排種器的結(jié)構(gòu)與工作原理，建立充種過程中種子在氣流場(chǎng)中的力學(xué)模型；利用Gambit建立排種器仿真簡化模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并運(yùn)用Fluent軟件數(shù)值模擬影響充種性能的吸孔形狀、吸孔直徑及滾筒負(fù)壓腔流場(chǎng)特性。同時(shí)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法及方案，研究滾筒轉(zhuǎn)速、吸孔直徑、氣室負(fù)壓對(duì)排種性能指標(biāo)的影響，確定影響排種性能指標(biāo)的主要因素，從而為氣吸滾筒式精密排種器設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

氣吸滾筒陣列式棉花精密排種器主要由滾筒、氣吹裝置、陣列吸孔、空心軸、鏈輪、種箱、隔壓板及投種器等組成，如圖1所示。

1.滾筒 2.氣吹風(fēng)嘴 3.陣列吸孔 4.空心軸 5.鏈輪 6.角度調(diào)節(jié)板 7.風(fēng)嘴傾角調(diào)節(jié)裝置 8.負(fù)壓室 9.種箱 10.第1隔壓板 11.隔壓室 12.第2隔壓板 13.投種器Ⅰ.充種區(qū) Ⅱ. 清種區(qū) Ⅲ.攜種區(qū) Ⅳ.投種區(qū)

工作原理：排種器工作時(shí)，風(fēng)機(jī)通過空心軸上的通孔，吸走滾筒內(nèi)的空氣，形成負(fù)壓氣室，使?jié)L筒吸孔兩端產(chǎn)生負(fù)壓差。滾筒在鏈輪帶動(dòng)下繞空心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)入充種區(qū)時(shí)，種子在吸孔負(fù)壓氣流的作用下被吸附在吸孔上，并隨滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在清種區(qū)多余的種子被清除；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)到隔壓室時(shí)，隔壓板隔絕了滾筒內(nèi)的負(fù)壓，負(fù)壓被切斷消失，種子失去了負(fù)壓氣流對(duì)其的吸附作用，在重力、離心力和投種器的作用下，完成排種。

2 種子在氣流場(chǎng)中的受力研究

假設(shè)充種過程中排種器吸孔附近的氣流場(chǎng)是穩(wěn)定的，由于氣吸滾筒式排種器吸孔之間的距離遠(yuǎn)大于吸孔直徑，忽略各吸孔間的相互影響，研究單個(gè)吸孔對(duì)單粒種子的作用情況。

假設(shè)種子是剛性球體，根據(jù)流體力學(xué)球體繞流理論可知：種子在流場(chǎng)中受到流體的阻力推動(dòng)(即繞流阻力)，繞流阻力產(chǎn)生對(duì)種子的吸附作用。設(shè)氣流密度是ρ，繞流阻力為Fd，根據(jù)球體繞流阻力理論，吸附力為

(1)

式中Cd—阻尼力系數(shù)，與種子的形狀、表面狀態(tài)和雷諾數(shù)有關(guān)，如果種子形狀近似球體，則其值約為0.44；

A—種子垂直于運(yùn)動(dòng)方向上投影面積(m2)；

v0—吸孔周圍的氣流平均速度(m/s)；

d—種子直徑(m)。

由式(1)可知：種子所受的吸附力與氣流速度成二次方關(guān)系，與吸孔面積成正比，提高氣流速度和增大吸孔直徑可以大大提高吸種效果。

3 氣吸滾筒流場(chǎng)數(shù)值模擬

3.1 流體的基本控制方程

流體流動(dòng)必須遵守流體力學(xué)基本控制方程，即連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量守恒方程。滾筒內(nèi)部氣流系統(tǒng)處于湍流狀態(tài)，系統(tǒng)還要遵守附加的湍流輸運(yùn)方程。k-ε湍流模型被廣泛應(yīng)用在CFD模擬中，其綜合考慮了湍流中的湍流動(dòng)速度及長度輸運(yùn)。大量應(yīng)用案例證明,該模型能真實(shí)模擬復(fù)雜的三維湍流現(xiàn)象[6-7]。

連續(xù)性方程為

(2)

動(dòng)量方程(Navier-Stokes方程)為

(3)

湍流輸運(yùn)方程為

(4)

(5)

式中ρ—流體密度；

μ—?jiǎng)恿φ扯龋?/p>

k—湍動(dòng)能；

μt—湍流粘度；

u—流體速度；

p—靜態(tài)壓力；

ε—湍動(dòng)耗散率；

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

Gb—浮力引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；

YM—可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；

C1ε、C2ε、C3ε—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，默認(rèn)值分別為1.44、1.92、0.09；

σk、σε—湍動(dòng)能和耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，默認(rèn)分別為1.0、1.3；

Sk、Sε—源項(xiàng)。

3.2 建模與網(wǎng)格劃分

采用自底向上的拓?fù)鋭?chuàng)建方式，利用Gambit軟件建立吸孔形狀、吸孔直徑及滾筒負(fù)壓腔簡化仿真模型。滾筒內(nèi)部氣流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不規(guī)則，進(jìn)行局部加密，劃分為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，運(yùn)用Fluent軟件數(shù)值模擬氣吸滾筒式排種器內(nèi)部負(fù)壓區(qū)流場(chǎng)特性。

3.3 邊界條件設(shè)置

滾筒內(nèi)腔氣流場(chǎng)為湍流。湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，滾筒內(nèi)壁采用無滑移壁面邊界條件(u=0)，計(jì)算時(shí)近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。確定流體材料為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的空氣。設(shè)定入口條件為壓力入口，入口壓力為0 kPa，出口條件為壓力出口，出口壓力為-5 kPa；設(shè)置計(jì)算控制參數(shù)，采用SIMPLE二階迎風(fēng)算法[8-11]。

3.4 仿真結(jié)果與分析

3.4.1 吸孔形狀對(duì)吸種性能的影響

選擇吸孔直徑為3.5 mm的直孔、錐孔和沉孔作為研究象，仿真結(jié)果如圖2所示。

由流體力學(xué)理論可知：在氣流量相等的條件下，過流截面面積越大，氣流場(chǎng)速度越小。通過仿真分析發(fā)現(xiàn)：直孔的氣流速度場(chǎng)分布很穩(wěn)定，變化很小，平均氣流速度為80～85m/s，近壁面處氣流速度略有減小。錐孔主要由收縮管和喉管兩部分組成，錐孔孔徑突變處氣流速度最大，“喉管”局部氣流速度達(dá)到100 m/s；但是，錐孔入口處平均氣流速度較小，入口中心處速度為50～60 m/s，從入口中心處到邊緣處速度銳減，入口邊緣處速度僅為10～25 m/s。沉孔孔徑突變處氣流速度場(chǎng)呈現(xiàn)C形，沿著軸向移動(dòng)C形速度區(qū)開口變大，氣流速度越來越大，最終達(dá)到80m/s；入口中心處速度為55～65 m/s，從入口中心處到邊緣處速度減小，入口邊緣處速度僅為25～35 m/s。雖然錐孔入口處的氣流平均速度較小，但在氣流速度相差不大的情況下，由于其過流橫截面積大，吸附力大，且錐形吸孔與種子形狀相容性好，所以吸種性能較好。

圖2 3種吸孔形狀速度場(chǎng)分布

3.4.2 吸孔直徑對(duì)吸種性能的影響

選擇吸孔形狀為直孔，直徑分別為3.0、3.5、4.0mm的直孔作為研究對(duì)象，進(jìn)行仿真分析。由仿真分析發(fā)現(xiàn)：隨著吸孔直徑的增大，吸孔入口處的速度變化很小，最大氣流速度為85m/s，如圖3所示。由式(1)可知：氣流場(chǎng)速度大小相等的情況下，過流橫截面積越大，氣流吸附力越大，越有利于吸種。由此表明：吸孔直徑越大，氣流吸附力越大，充種性能越好。但是，根據(jù)實(shí)際情況，吸孔直徑過大會(huì)導(dǎo)致重播現(xiàn)象嚴(yán)重，所以選擇合適的吸孔直徑需要進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

圖3 不同吸孔直徑速度場(chǎng)分布

3.4.3 不同負(fù)壓下滾筒內(nèi)部流場(chǎng)特性分析

設(shè)定滾筒吸孔為氣流進(jìn)口，空心軸氣流通孔為氣流出口，選取負(fù)壓腔內(nèi)外壓差Δp為3、4、5kPa進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同負(fù)壓滾筒負(fù)壓腔流場(chǎng)速度場(chǎng)分布

綜合分析圖4可知：滾筒吸孔氣流分布基本均勻，相鄰吸孔沒有出現(xiàn)氣流干涉現(xiàn)象，孔距取值比較合適。分析對(duì)比圖4(a)～4(c)可知：滾筒吸孔處氣流速度最大，當(dāng)負(fù)壓腔壓差從3 kPa變化到5 kPa的過程中，吸孔處的最大氣流速度從70 m/s 增大到90m/s。由式(1)可知：負(fù)壓氣流吸附力與氣流速度成二次關(guān)系，吸孔處氣流速度對(duì)吸種過程影響較大。從圖4(c)可以明顯看出：當(dāng)負(fù)壓腔壓差為5 kPa時(shí)，吸孔處氣流速度約等于90 m/s，基本符合分析單個(gè)吸孔氣流速度場(chǎng)特性。

4 排種性能試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)材料為新陸早48號(hào)棉花種子，經(jīng)過脫絨、包衣處理，人工精選，無破碎，含雜率小于0.1 %，均干燥，含水率均小于5.6 %。試驗(yàn)地點(diǎn)為石河子大學(xué)排種器性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，借助JPS-12排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)。

4.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)依據(jù)《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》(GB/T6973-2005)[12]，選取合格指數(shù)、漏播指數(shù)及重播指數(shù)為排種性能指標(biāo)。根據(jù)理論分析和預(yù)試驗(yàn)，確定影響排種性能的主要因素為滾筒轉(zhuǎn)速、吸孔直徑和負(fù)壓。根據(jù)因素水平表，制定正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，采用L9(34)正交表安排試驗(yàn)，各因素之間無交互作用。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，各因素選取3 種水平( A:12、16、20 r/min；B：3.0、3.5、4.0mm；C：3.2、4.0、4.5kPa)，試驗(yàn)因素水平如表1所示。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示。

表1 試驗(yàn)因素水平表

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

極差分析結(jié)果如表2所示。由表2可以看出：影響合格指數(shù)的因素的主次順序?yàn)镃>A>B，即氣室負(fù)壓、滾筒轉(zhuǎn)速、 吸孔直徑。這說明，氣室負(fù)壓對(duì)排種性能影響最大，其次是滾筒轉(zhuǎn)速，再次是吸孔直徑，最優(yōu)水平組合為C3A1B3。影響漏播率指數(shù)的主次因素的順序?yàn)锳>C>B，即滾筒轉(zhuǎn)速、氣室負(fù)壓、 吸孔直徑。滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)漏播指數(shù)影響最大，其次是氣室負(fù)壓，再次是吸孔直徑, 最優(yōu)水平組合為A1C3B2。影響重播指數(shù)因素的主次順序?yàn)镃>B>A，即滾筒轉(zhuǎn)速、氣室負(fù)壓、吸孔直徑。滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)漏播指數(shù)影響最大，其次是氣室負(fù)壓，再次是吸孔直徑，最優(yōu)水平組合為C3B2A1。

根據(jù)極差分析結(jié)果得到了影響因素對(duì)合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)的主次因素和較優(yōu)組合。排種性能的響應(yīng)指標(biāo)中，排種合格指數(shù)與漏播指數(shù)是影響精密播種技術(shù)應(yīng)用的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。為了進(jìn)一步分析影響因素對(duì)排種器排種合格指數(shù)與漏播指數(shù)的顯著性，對(duì)試驗(yàn)因素進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。由表3可知：氣室負(fù)壓和滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)合格指數(shù)的影響顯著，滾筒轉(zhuǎn)速和氣室負(fù)壓對(duì)漏播指數(shù)的影響顯著。

表3 方差分析結(jié)果

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知：當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為12r/min、氣室負(fù)壓為-4.8kPa、吸孔直徑為3.5mm時(shí)，排種效果最佳?，F(xiàn)進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果為合格率平均值93 %、漏播率平均值2 %、重播率為5 %，滿足棉花播種農(nóng)藝要求。

5 結(jié)論

1) 根據(jù)氣吸滾筒陣列式精密排種器結(jié)構(gòu)與工作原理，研究了充種過程種子在氣流場(chǎng)中的受力情況，確定了影響排種器充種過程的關(guān)鍵因素。

2)對(duì)影響吸種性能的吸孔形狀、吸孔直徑及滾筒負(fù)壓腔流場(chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明：錐形吸孔吸種性能較好，吸孔直徑對(duì)氣流速度影響很小；負(fù)壓腔壓差越大，氣流速度越大。

3) 采用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，確定影響性能指標(biāo)的主次因素和較優(yōu)水平。排種器的較優(yōu)水平組合為：滾筒轉(zhuǎn)速12r/min，氣室負(fù)壓-4.8kPa，吸孔直徑3.5mm。此時(shí)，排種器性能指標(biāo)為：合格指數(shù)93 %，漏播指數(shù)2.0%，重播指數(shù)5%。