柏文杰，李 穎，于華麗，趙達衛(wèi)，李新領，趙曉順

（1.河北農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，河北 保定 071001；2.張家口市農(nóng)機技術推廣站，河北 張家口 075000）

近年來，隨著綠色發(fā)展理念和消費觀念的轉(zhuǎn)變，藜麥和亞麻等高營養(yǎng)作物市場逐漸被打開，由于它們的高經(jīng)濟價值，它們逐漸成為干旱和半干旱地區(qū)發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)的支柱作物，但是我國目前對于玉米和大豆等種子的精量排種器研究較多，針對藜麥以及亞麻這一類較小種子排種器的研究較少。

精量排種器根據(jù)原理可分為機械式和氣吸式，機械式播種機大多數(shù)采用的是槽輪式，存在傷種率高、種子分布不均勻以及高速作業(yè)充種性能差等問題［1-2］。劉曉東等［3］設計了1 種沉孔輪式排種器。戴立勛等［4］設計了1 種漸變螺旋槽排種器，來完成牧草排種。翟萌萌等［5］采用斜槽輪、導種槽和導種管相配合設計了1 種小麥寬幅精量排種器。劉彩鈴等［6］設計了1 種利用剛性卡片強制投種的勾型窩眼輪式小麥精量排種器。以上研究均為機械式排種器，且大都采用槽輪式排種器，存在傷種率高，高速作業(yè)充種性能差以及對不同尺寸的種子適應性差等問題。

隨著精量播種技術的發(fā)展，氣吸式排種器逐漸代替機械式排種器，成為未來發(fā)展的主流［7-11］。目前，國外以機械式排種器為主，以氣送式排種器為輔［12-15］。國內(nèi)近幾年圍繞單粒精播氣力式排種器的研究較多，但仍處于實驗室階段。劉俊孝等［16］利用Fluent 對針管式小麥排種器進行了性能優(yōu)化。廖慶喜等［17-19］針對排種器堵塞漏播的問題，設計了1種油菜氣力式精量排種器。程修沛等［20］通過仿真與臺架試驗對氣吸型組合式小麥精量排種器進行了參數(shù)優(yōu)化設計?；谏鲜鲅芯浚噍^于機械式排種器，氣吸式排種器對于不同尺寸的種子適應性較強，且不易傷種；但是由于藜麥與亞麻等種子質(zhì)量較輕，尺寸較小，氣吸式排種器容易堵塞。

針對上述問題，選用與藜麥和亞麻等種子外形相近的小麥為對象，設計了1 種滾筒正負壓式排種器，并利用Fluent 仿真軟件與EDEM-Fluent 耦合方法分析了排種器轉(zhuǎn)速、排種孔直徑以及吸種負壓等因素對排種器性能的影響。

1 排種器總體結(jié)構與工作原理

1.1 排種器結(jié)構

滾筒正負壓式排種器結(jié)構如圖1 與圖2 所示。排種器中心管與風機通過軟管連接，提供正負氣壓。為了保證排種器同弧度，正負壓中心管軸采用單軸形式。正壓室占內(nèi)圓弧300°，位于滾筒內(nèi)部的正上方，中心為中間寬且向兩邊收窄的圓形。負壓室兩邊氣壓較高、中心氣壓稍低，保證了麥種的可靠吸附力。正壓室在滾筒內(nèi)部正下方，占滾筒內(nèi)圓弧60°，用于輔助排種和清雜。根據(jù)文獻資料［21-24］及實踐經(jīng)驗確定排種器模型的基本結(jié)構參數(shù)：滾筒外徑180 mm，中心管軸外徑25 mm；依據(jù)小麥種植農(nóng)藝要求確定滾筒上分布5 排種孔，相鄰孔排間距為20 mm。

圖1 排種器結(jié)構圖Fig.1 Structure diagram of seed-metering device

圖2 排種器剖視圖Fig.2 Sectional view of seed-metering device

1.2 排種器原理

如圖3 所示，根據(jù)小麥的分布狀態(tài)，排種器可以分為穩(wěn)定區(qū)、非穩(wěn)定區(qū)以及投種區(qū)。在非穩(wěn)定區(qū)，位于滾筒邊緣的種子在負壓吸力、種子重力、滾筒摩擦力以及小麥與小麥之間的摩擦力等因素的影響下，運動狀態(tài)不斷發(fā)生變化。被吸附的種子隨滾筒沿順時針方向運動，種子脫離種群之后，經(jīng)過穩(wěn)定區(qū)，進入投種區(qū)。在穩(wěn)定區(qū)，種子在重力以及負壓吸力作用下，處于穩(wěn)定狀態(tài)。在投種區(qū)，麥種在自身重力和正壓吹力的作用下脫離種孔，落入種溝，完成排種。正壓吹力還可實時清除種孔內(nèi)雜質(zhì)，防止種孔堵塞。在整個排種過程中麥種均在氣流作用下運動，傷種率大幅度降低。

圖3 排種器區(qū)域劃分圖Fig.3 Regional division diagram of seed metering device

2 基于Fluent 的流場仿真分析

2.1 網(wǎng)格劃分

利用SolidWorks 2017 對不同結(jié)構參數(shù)的排種器進行三維建模（圖4）。

圖4 排種器內(nèi)部流場模型Fig.4 Internal flow field model of the seed-metering device

如圖4 所示，將簡化后的模型導入到SpaceClaim 2019 R3 中，進行體積抽取、建立流場模型。根據(jù)流場分布特點，將仿真模型分為負壓區(qū)域、正壓區(qū)域和種孔區(qū)域。如圖5 和圖6 所示，運用Fluent2019 R3 軟件對模型進行四面體網(wǎng)格劃分，在種孔的近壁面生成5 層膨脹網(wǎng)格，隨后檢查網(wǎng)格質(zhì)量，整體最大偏斜度＜0.9。

圖5 排種器劃分后的網(wǎng)格Fig.5 Grid of the seed-metering device

圖6 流場網(wǎng)格剖面Fig.6 Flow field grid profile

2.2 邊界條件的設置

運用控制體積法建立離散方程，選擇壓力基求解器，進行穩(wěn)態(tài)求解。選擇雷諾應力模型和標準k?ε湍流模型，將標準壁面設置為近壁面。以空氣為材料，在溫度293 K，密度1.21 kg/m3、空氣黏度1.79×10?5Pa·s 以及大氣壓恒為101 325 Pa 且其他項默認的條件下進行求解計算。

將Pressure outlet 定義在與大氣相通的端面，壓強為0 kPa，Pressure inlet 定義為中心管軸的2 個端口，正壓端口為0.3 kPa，根據(jù)JPS-12 排種器試驗臺的性能參數(shù)，負壓端口分別設置為?2.0、?2.5、?3.0、?3.5、?4.0 kPa。模型中共有2 對交界面（Interface），其他項保持默認。

如圖7 所示，經(jīng)過多次迭代計算，迭代500 步時，3 個方向上的動量、k湍動能和ε湍動能耗散率都小于1×10?3，連續(xù)性小于3×10?2，由入口和出口的流體質(zhì)量差小于0.5%，可判斷收斂。

2.3 轉(zhuǎn)染pSIREN-hTERT對A2780細胞增殖的影響 MTT比色法描繪細胞生長曲線提示，空白對照及轉(zhuǎn)染pSIREN-Con對照質(zhì)粒的A2780細胞生長速率相近，而pSIREN-hTERT轉(zhuǎn)染的A2780細胞生長速率明顯降低，后者分別與前兩對照組比較差異有統(tǒng)計學意義(均P<0.05)，表明靶向hTERT的shRNA導入抑制了A2780細胞的增殖能力。見表1。

圖7 迭代500 步時殘差圖Fig.7 Residual plot at 500 iterations

2.3 仿真結(jié)果分析

種孔內(nèi)部流場的壓力與速度分布，如圖8、圖9所示。在吸種負壓為?2 kPa 的條件下，由各排截面的壓力云圖和速度矢量圖表示。負壓區(qū)及其接觸的種孔內(nèi)流場的壓力云圖如圖10 所示。

圖8 各排截面壓力云圖Fig.8 Pressure nephogram of each section

圖9 各排截面速度矢量圖Fig.9 Speed vectogram of each section

圖10 負壓區(qū)壓力云圖Fig.10 Pressure nephogram of negative pressure area

分析圖8、圖9 及圖10，由于第1 排和第2 排種孔與負壓吸氣口連接，在截面處的負壓區(qū)域有差異，后3 排由于沒有負壓吸氣口的影響，壓力分布較均勻，各排種孔內(nèi)流場狀況基本相同；單個截面中，與負壓區(qū)接觸的種孔內(nèi)流場狀態(tài)沒有明顯的區(qū)別。

由圖11 可以看出，當吸種負壓、種孔直徑和種孔數(shù)目改變時，應重點分析與負壓區(qū)接觸的種孔內(nèi)流場情況，從而判斷種孔吸附能力。因此下文對排種器流場分析時，只觀察分析滾筒中間1 排種孔徑向截面的流場變化情況［25］。以吸種負壓、種孔直徑和每排種孔數(shù)目為變量進行單因素試驗，分析流場速度和壓力的變化情況，研究排種器種孔的吸種性能。

圖11 流場模型局部截面圖Fig.11 Partial cross section of fluid model

2.3.1 種孔直徑的影響 通過試驗發(fā)現(xiàn)小麥種子被滾筒吸附時，麥種的厚面和寬面都有被吸附在種孔處的概率，因此選取小麥種子的平均厚度和寬度的平均值，即3.25 mm，代入經(jīng)驗公式中（1）［26］中計算得到吸種孔徑在2.0 mm 至2.1 mm 之間，考慮到小麥種子的三維尺寸差異較大，將種孔直徑分別設置為1.6、1.8、2.0、2.2、2.4 mm，以種孔直徑為變量，對排種器內(nèi)部的流場進行仿真分析，在種孔數(shù)目28 個，負壓值?3.0 kPa 的條件下模擬5 個不同孔徑，得到如圖12、圖13 的速度矢量圖以及徑向截面壓力云圖。

圖12 不同種孔直徑下的壓力云圖Fig.12 Pressure nephogram under different seed-suction hole diameters

圖13 不同種孔直徑下的速度矢量圖Fig.13 Velocity vectogram under different seed-suction holes diameter

式中：d為吸種縫隙寬度，mm；

b為種子的平均寬度，mm。

根據(jù)種孔內(nèi)流場參數(shù)值繪制點線圖，如圖14 所示。種孔內(nèi)流場的速度以及壓力絕對值隨著種孔增加先增大后減小，且變化幅度較大；種孔為1.6 mm時，吸附能力弱，流場速度低，漏播率增加；種孔為1.8 mm 時，吸附能力強，流場速度高，重播率增加；種孔為2.0 mm 時速度與壓力不會出現(xiàn)過大或者過小的問題，此時的合格率相較于其他尺寸種孔條件下較高；當種孔為2.2 mm 以及2.4 mm 時，吸附能力較弱，流場速度低，漏播率增加。根據(jù)以上分析，在吸附壓力、流場速度滿足要求的條件下，為了提高種孔與種子的接觸面積及吸附穩(wěn)定性，確定較優(yōu)的種孔直徑為2.0 mm。

圖14 種孔直徑對種孔內(nèi)流場的影響Fig.14 Effect of seed-suction hole diameter on the flow field in seed-suction holes

圖15 不同種孔數(shù)目下的壓力云圖Fig.15 Pressure nephogram under different number of holes

圖16 不同種孔數(shù)目下的速度矢量圖Fig.16 Velocity vectogram under different number of holes

依據(jù)種孔內(nèi)流場參數(shù)值繪制點線圖（如圖17），由圖可知，隨著種孔數(shù)目的增加，種孔內(nèi)流場的壓力絕對值和速度變化明顯且迅速降低。在吸種負壓恒定時，種孔內(nèi)的流場速度以及吸附能力隨著種孔數(shù)目的增加逐漸減小，漏播率逐漸增加。最終確定較優(yōu)的種孔數(shù)目為28 個。

圖17 種孔數(shù)目對種孔內(nèi)流場的影響Fig.17 Effect of the number of seed-suction holes on the flow field in the seed-suction holes

2.3.3 吸種負壓值的影響 以吸種負壓值為變量進行仿真分析，吸種負壓值根據(jù)上文所述分別為?2.0、?2.5、?3.0、?3.5、?4.0 kPa。選取種孔直徑為2.0 mm，種孔數(shù)目為28 個，不同壓力下的流場狀態(tài)如圖18、圖19 所示。

圖18 不同吸種負壓下的壓力云圖Fig.18 Pressure nephogram under different negative pressure

圖19 不同吸種負壓下的速度矢量圖Fig.19 Velocity vectogram under different negative pressure

根據(jù)種孔內(nèi)流場的參數(shù)值繪制如圖20 的點線圖，隨著吸種負壓絕對值的增大，種孔內(nèi)流場的速度與壓力逐漸增大，且變化明顯；當負壓絕對值過大時，流場速度越高，吸附力越強，重播率增加；反之則速度越低，吸附力越弱，漏播率增加，且同一水平負壓下各個種孔內(nèi)的速度以及壓力相對穩(wěn)定，保證了種子隨滾筒轉(zhuǎn)動的穩(wěn)定性，提高了排種合格率。最終得到的吸種負壓在?4.0～ ?2.5 kPa 范圍內(nèi)。

圖20 吸種負壓對種孔內(nèi)流場的影響Fig.20 Effect of negative pressure on the flow field in the seed-suction holes

3 基于EDEM-Fluent 耦合的仿真分析

3.1 仿真參數(shù)及條件設定

EDEM 仿真模型如圖21 所示，材料設置為不銹鋼304，圖22 為簡化后的小麥顆粒模型，顆粒數(shù)量設置為4 000 粒，且尺寸大小為正態(tài)分布。材料參數(shù)接觸參數(shù)以及種子尺寸大小如表1、表2 以及表3所示，接觸模型采用Hertz-Mindlin (No slip)模型，顆粒的下落初始速度為2 m/s，仿真時間步長設置為5×10?5s。EDEM 的仿真分為2 次，仿真總時長為10 s，第1 次仿真時長為5 s，小麥先落至種箱內(nèi)，在種箱中保持相對穩(wěn)定。第2 次仿真時長為5 s，分別以15、19、23、27、31 r/min 5 種不同的滾筒轉(zhuǎn)速進行仿真。同時開始進行耦合設置，F(xiàn)luent 設置為瞬態(tài)求解，進氣口壓力為0.3 kPa，時間步長設置為EDEM 的整數(shù)倍［27］，即1×10?3s，步數(shù)為5 000 步，其他設置保持默認。

圖21 EDEM 分析模型Fig.21 Picture of the seed-metering device

圖22 小麥種子模型Fig.22 Test device of the seed-metering device

表1 材料力學特性Table 1 Characteristics of material mechanics

表2 材料相互作用參數(shù)Table 2 Material interaction parameters

表3 尺寸分析表Table 3 Size analysis table

3.2 結(jié)果分析

EDEM 中第一次仿真的落種階段，如圖23 所示。

圖23 落種階段Fig.23 Seed fall stage

種子受到負壓作用，逐漸被吸附在種孔上隨著滾筒轉(zhuǎn)動。當種子隨滾筒轉(zhuǎn)到最高處時對種子狀態(tài)進行統(tǒng)計，將吸附2 粒及以上和未吸附狀態(tài)定義為重播和漏播。改變仿真參數(shù)后，統(tǒng)計100 個種孔的種子吸附狀況。在轉(zhuǎn)速為15 r/min 時，種子的速度和角速度變化以及運動軌跡如圖24 所示。與實際趨勢的一致性表明了仿真的可靠性。

圖24 小麥種子的運動軌跡、速度變化情況Fig.24 Trajectory and speed changes of wheat seeds

排種器轉(zhuǎn)速受種孔與種子接觸時間長短的影響，速度過大時，種箱內(nèi)的種子與滾筒接觸概率降低；種子受到的離心力增加，種子下落的軌跡更接近滾筒的切線方向，會影響排種均勻性；同時還會增大傷種率。根據(jù)JPS-12 排種器試驗臺的初步試驗，統(tǒng)計15、19、23、27、31 r/min 等5 個轉(zhuǎn)速水平下的合格率、重播率和漏播率，統(tǒng)計結(jié)果如表4 所示，并將結(jié)果繪制成散點圖，如圖25 所示。根據(jù)散點圖，合格率隨著轉(zhuǎn)速的增加先增大后減小，而重播率以及漏播率則相反。5 次實驗中，15～27 r/min 時的合格率較穩(wěn)定，均大于80%，而23～31 r/min 的漏播率變化較為明顯，且整體比重播率低。最終確定排種器較優(yōu)的轉(zhuǎn)速在19 r/min 到27 r/min 之間。

表4 不同排種器轉(zhuǎn)速下的仿真結(jié)果Table 4 Simulation results of different speeds of the seedmetering device

圖25 不同排種器轉(zhuǎn)速下的仿真結(jié)果Fig.25 Simulation results of different speeds of the seedmetering device

4 結(jié)論

（1）針對機械式排種器易傷種，排種不均勻以及滾筒正負壓式排種器由于種子較小而容易受到排種器轉(zhuǎn)速、排種孔直徑以及吸種負壓等影響的問題，設計了1 種滾筒正負壓式排種器，并對其進行了仿真分析。

（2）以種孔直徑、每排種孔數(shù)目和吸種負壓為變量，以種孔內(nèi)流場的速度與壓力為指標，應用Fluent軟件對排種器內(nèi)部流場進行單因素仿真分析，確定了種孔直徑為2.0 mm，每排種孔數(shù)目為28 個以及吸種負壓的范圍為?4.0～?2.5 kPa。

（3）應用EDEM-Fluent 耦合分析了排種器轉(zhuǎn)速對吸種性能的影響，得到了單粒種子的運動軌跡圖、速度折線圖以及角速度折線圖，進而分析了排種器轉(zhuǎn)速對種孔吸附效果的影響，最終確定排種器較優(yōu)的轉(zhuǎn)速在19 r/min 到27 r/min 之間。