氣力集排式水稻分種器設計與試驗

戴億政，羅錫文，王在滿，曾 山，臧 英，楊文武，張明華，王寶龍，邢 赫

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氣力集排式水稻分種器設計與試驗

戴億政1,2,3，羅錫文1,2※，王在滿1,2，曾 山1,2，臧 英1,2，楊文武1,2，張明華1,2，王寶龍1,2，邢 赫1,2

（1. 華南農業大學工程學院，廣州510642；2. 華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州510642； 3. 江西省農業機械研究所，南昌330044）

針對水稻直播高速作業和大播量的要求，設計了一種適用于氣力集排式水稻直播機的分種器。從直播機的適應性、作業速度、播量調節等方面研究了氣力集排式分種器的分種機理，分析了分種器的適應性、均勻性和穩定性；根據水稻種子的物理特性，采用Solidworks Flow軟件進行計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）仿真，對比不同結構分種器速度流場分布圖，得到了較優等種數流場，獲得了分種器設計參數；分種器劃分為等種數流場結構、輸送結構、下種結構，等種數流場結構又分為聚種、分種、派種3部分，通過理論分析與流體仿真計算，對比速度大小和離散度，模擬等種數速度場流線圖，優化分種蓋結構，選擇合適的氣源，設計了氣種混合均勻的分種器，提高了直播機分種的均勻性和穩定性。試制了分種器并進行了臺架試驗，試驗結果與CFD仿真分析基本一致，設計的10行分種器各行之間和行內播量變異系數分別為3.58%和4.55%，設計的20行分種器各行之間和行內播量變異系數分別為3.91%和5.04%，能滿足不同直播機的要求。試驗結果表明，直管輸送管增加波紋結構有助于水稻種子向管道中央集聚；排種管的長短影響分種效果，特別是行內的穩定性，排種管的長度應盡可能一致；分種器內部結構影響氣體速度場的分布，分種器內外蓋形成的等距圓弧結構和輸送管內波紋結構有利于分種器中氣種等種數混合流場的形成，使播種均勻性更好。

計算流體力學（CFD）；農業機械；氣力設備；直播機；分種器；水稻

0 引 言

水稻是我國的主要糧食作物，2014年種植面積約3033萬hm2，產量約2.07億t，分別占全國谷物種植面積的32％和總產的37％[1]，在保障糧食安全中占有極其重要的地位，但水稻生產機械化率較低，特別是水稻種植環節，2015年種植機械化水平約40%。近年來，我國水稻直播技術[2-3]發展很快，但大都采用人工撒播，人工撒播的稻種疏密不均、水稻通風透氣采光性差，容易感染病蟲害[4]。由于稻種直接撒播在田面上，根系入土淺，容易倒伏。機械精量直播克服了人工撒播存在的上述問題，是水稻直播生產的發展趨勢[5-6]。新疆、寧夏、黑龍江和山東等地區的水稻直播多采用旱直播，種植田塊大、面積廣、播量大，亟需研究適合高速作業、大播量的氣力集排式播種機。

氣力集排式水稻直播技術是一種根據水稻直播技術農藝[7]要求，采用配套的氣力集排式水稻直播機具進行播種的水稻機械化種植技術，采用集中定量供種，正壓均勻分種的整體設計方案，核心部件為分種器，分種器的效果直接影響播種質量。20世紀80年代氣力集排式播種機在美國、加拿大、澳大利亞、歐洲等國家已得到廣泛應用[8-11]，中國目前還處于試驗階段，尚未見田間大規模應用的報道[12-13]，適用于我國差異眾多的稻種和復雜田間作業環境的分種器研究顯得日益迫切。國內大多數氣力集排式播種機研究主要集中在排種器、分種器單體上，包括排種器形狀結構的設計與試驗[14-16]、分種器的動力學仿真[17-18]、一階集排式排種裝置[19-20]，適用作物范圍主要有小麥、大豆、玉米、牧草、油菜[21-22]，在水稻種植領域，面向整機分種器的研究較少，對水稻分種器的分種機理研究也較少。

針對這一現狀，本文擬分析氣力集排式水稻分種器分種原理，試制10行與20行水稻分種器，進行不同分種器的均勻性、穩定性等對比試驗，以期得到適應高速作業和大播量要求的氣力集排式水稻直播機分種器。

1 分種原理

以氣力集排式水稻分種器為研究重點，華南農業大學研制成功2BDQJ-20型氣力集排式水稻直播機，采用雙排種分種機構，通過機械傳動驅動氣源和排種器，保證分種器均勻分種，作業速度可達3.5 m/s，播種量在75～375 kg/hm2范圍內可調，大于中國水稻直播機普遍在1～1.5 m/s的作業速度。

氣力集排式直播機的排種過程可分為供種（1）、混種（2）、分種（3）和投種（4）4個階段，分別涉及中央排種器、導種器、分種器和排種管等關鍵零部件，如圖1所示。中央排種器將種箱中的種子定量排出，由于重力作用，種子落入導種器，這個過程定義為1；導種器通過噴射式給料原理[23]將定量供應的種子與空氣混合形成氣種混合流，這個過程定義為2；氣種混合流通過軟管和金屬彎管輸送到分種器，經過分種器的輸送管，進入分種器內外蓋形成的等距圓弧結構，氣種混合流形成等種數流場（equal amount flow field，EF），均勻排列的分種口在內外壓力差作用下將氣種混合流均分，這個過程定義為3；排種管連接分種口與開溝器，將等分的氣種混合流排入種溝，完成播種過程，這個過程定義為4。

分種器分種原理在3過程體現，分種器輸送管內一定質量的種子，在風力的作用下，由分種內蓋與輸送管的結合處進入等種數流場結構，在等種數流場中通過壓差均分到各分種口，實現分種功能，如圖2所示，箭頭的方向為氣流運動方向。等種數流場始于分種內蓋與輸送管的連接端，終于分種口，外在結構由分種外蓋、分種內蓋、分種盤組成，使種子在空間上等數地向分種口運動，同一時間每個分種口下落的種子粒數盡可能相等。流場指的是用歐拉法描述的流體質點運動，其流速、壓強等函數定義為在時間和空間點坐標場上的流速場、壓強場等的統稱[23]，等種數流場外在結構是中心對稱體，在平行于分種盤的平面上，等半徑圓周上各點速度、壓強等大小相等，氣流速度場從始端到終端變化一致，流線與跡線[23]重合，氣流帶動等分的種子進入各分種口。

2　分種器設計

2.1 設計依據

根據中國各地水稻種植田塊大小和種植方式，本設計中通過1來控制播量，在2中種子混合并向分種器運動，在4中要求每行種子播量相近、播種連續均勻，1、2、4共同形成了3的邊界條件，3過程的核心是分種器的結構設計，按照氣力集排式水稻直播機幅寬4 m，最大作業速度3.5 m/s和最大播種量375 kg/hm2的要求，確定分種器輸送氣流速度v、輸送空氣流量Q與輸送管徑，進而設計分種器等種數流場結構。

水稻種子自由懸浮速度是設計分種器的重要依據，根據水稻種子的物理特性，應用公式（1）可計算空氣中水稻種子自由懸浮速度0，m/s

式中，K為不規則形狀修正系數，取1.1[24]，d為水稻種子平均粒徑，m；ρ為水稻種子密度，kg/m3；取545 kg/m3；為空氣密度，kg/m3；為阻力系數，取0.44[24]；為重力加速度，取9.8 m/s2。經計算，水稻種子自由懸浮速度0為6.74 m/s，根據輸送氣流速度經驗系數[24]可知，管路布置有彎曲時，輸送氣流v應是0的2.6～6.0倍。

據公式（2）和（3）可算出輸送空氣流量Q，式中W、W分別為單位時間輸送空氣、水稻種子質量，kg/s；為料氣混合比，取=2.9[24]，又Q=v·π2/4，可得公式（4），由此可計算出輸送管直徑為58 mm，v=38.5 m/s，Q=366.2 m3/h。

（3）

（4）

2.2 總體設計

為滿足分種過程要求，根據氣力輸送原理和已確定的參數，設計的分種器結構示意圖如圖3所示，關鍵部件為分種外蓋、分種內蓋、分種盤和輸送管。分種盤通過法蘭與輸送軸連接，輸送管上端與分種蓋通過螺紋連接，分種外蓋與分種盤通過螺栓連接，中間墊圈密封。由于配合關系，分種外蓋的形狀尺寸決定了內蓋與分種盤的形狀尺寸，所以設計的主要內容為分種外蓋與輸送管。

2.3 分種蓋和等種數流場的設計

分種蓋包括分種內蓋和分種外蓋2部分，外蓋由外表面1II和內表面1I組成，內蓋由外表面2I和內表面2II組成，表面1I、表面2I與分種盤上表面形成等種數流場，如圖4所示，帶箭頭紅線為速度場流線分布，黃色橢圓結構代表水稻種子，表面1I上各點曲率半徑1i與表面2I上各點曲率半徑2i應滿足公式（5），以保證氣流速度變化一致。

式中為分種外蓋內表面1I與分種內蓋外表面2I之間的距離，mm；為1I與2I上點數；為自然數。在2過程中，由于導種器的噴射作用，種子呈不規則分布，在由輸送管進入等種數流場前，要對不規則分布的種子聚攏。等種數流場中的EF1、EF2、EF33部分分別是中間區域、周邊區域、下種區域，分別起聚種、分種、派種的作用，如圖4所示。為了保證“EF”場中種子等種數地分配至各排種管，種子先在EF1中聚攏，使大部分種子聚攏到中央，在EF2中進行流場導向分布，然后在EF3中等分到各分種口。

注：為水稻種子，↑為速度場流線，EF1為分種蓋水平部分流場，EF2為分種蓋圓弧部分流場，EF3為分種蓋垂直部分流場，1I為分種外蓋內表面，1II為分種外蓋外表面，2I為分種內蓋外表面，2II為分種內蓋內表面。

Note:is rice seeds, ↑is velocity field flow line, EF1is the horizontal part cover flow field, EF2is the circular part cover flow field, EF3is the vertical part cover flow field, 1Iis inner surface of outer cover, 1IIis outer surface of outer cover, 2Iis outer surface of inner cover, 2IIis inner surface of inner cover.

圖4 等種數場水稻種子分布示意圖

Fig.4 Schematic diagram of rice distribution in equal amount flow field

2.4 分種外蓋的設計

分種器外蓋尺寸和值決定了內蓋尺寸，現已知的值（據式（4），=58 mm），根據水稻種子物理尺寸，值取22 mm，下種口個數取10，下種口位于內，內徑為20 mm，下種口下端與排種管連接。根據設計計算，分種外蓋的結構參數如圖5所示。如果外蓋頂端設計凸型或凹型，公式（5）不能保證，所以外蓋頂端設計為水平，與輸送管輸出端平面保持水平，大小等于輸送管內徑；分種蓋中間設計為圓弧形狀，上端壓力大，壓力向下逐漸減少，引導種子向下運動；圓弧兩端連接處均為圓角過渡，圓弧連接處下端為垂直圓環結構，連接圓弧結構與底面圓形密封板。

2.5 輸送管的設計

為使水稻種子高速集中輸入等種數流場中，設計的輸送管為直圓管內壁帶圓弧凸起物的波紋輸送管，軸向斷面局部剖視圖如圖6所示，每段波紋長度為12 mm，波紋中間直管長度為18 mm，其余尺寸如圖6標注所示，1個輸送管有15個波紋，輸送管總長為445 mm。

3　分種器CFD仿真分析

3.1 函數模型的選用

據分種器水稻分種過程3，在常溫（25 ℃）標準大氣壓下，通過公式（6）計算得到的雷諾數大于臨界雷諾數Re，所以選用湍流模型。采用Solidworks 2016軟件中的Flow Simulation[25]模塊進行計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）[26]計算，選用自帶湍流模型對不同結構的分種器進行速度流場分布對比分析，選擇湍流函數模型是因理論分析需要而假想的一種理想化模型，目的是使理論分析簡化。

式中為雷諾數（無量綱）；為空氣密度，kg/m3；為流體平均流速，m/s；為圓管直徑，m；為空氣黏度，Pa·s。在壓強為101.325 kPa、溫度為25 ℃的條件下，空氣的運動黏度取1.79×10-5Pa·s，高于Re（2300）時一般是湍流態[27]。

3.2 模型結構與邊界設定

在Solidworks模型空間中建立分種器的三維模型，導入至Flow Simulation模塊中，將輸送管下端進風口和所有排種管末端出風口封閉，創建蓋，邊界條件為入口速度與出口靜壓，選擇空氣作為輸入流體，加載選好的湍流函數模型，輸送管入口速度大小為38.5 m/s，分種口出口靜壓為101.325 kPa，疊加收斂，得到分種器仿真模型。

3.3 不同結構分種器速度流場分布

在同樣的仿真模型條件下，設置相同的邊界條件，改變分種器的局部結構，設置3組對比分析，因素1為輸送管的內部結構，包括帶波紋的直管和不帶波紋的直管，排種管長度和分種口數一致；因素2為排種管的長度，包括2種不同長度，分別為1.5和2.8 m，輸送管內部結構和分種口數一致；因素3為分種口個數，一種為10個分種口，一種為20個分種口，輸送管內部結構和排種管長度一致，都為波紋管。通過CFD仿真得3組速度流場分布如圖7所示，輸送管中流場速度按黃色、橙色和紅色劃分為3個主要梯度，分別為41.807～45.608、45.609～49.408、49.409～53.209 m/s。

在圖7a中，輸送管為內徑58 mm和外徑64 mm的不銹鋼直管，內部光滑，圖7b為內表面帶有圓弧凸起物的不銹鋼波紋管，等同于在直管上增加半徑為8 mm圓弧凸起物。直管CFD仿真計算得到直管中流場最大速度和最小速度分別為41.148、2.417 m/s，在EF1底部速度最大，在EF1中速度場呈水平形，輸送管中流場速度主要集中在34.206～41.807 m/s之間，梯度不明顯；波紋管中流場最大速度和最小速度分別為50.55、2.426 m/s，在EF1中速度場呈凸形，3個梯度明顯。

在圖7c中，排種管長度為1.5和2.8 m，交錯排列，各5根；在圖7d中，10行排種管長度都為1.5 m，圖7c和圖7d中排種管內徑為20 mm，外徑為25 mm。圖7c中流場最大速度和最小速度分別為49.518、2.818 m/s，EF2中0～11.402的速度場面積大于圖7d，3個梯度左右不對稱，45.609～49.408 m/s梯度下端有缺口，速度變化不均，1.5 m管中流場速度大于2.8 m管，49.409～53.209 m/s梯度面積小于圖7d。

圖7e為20個分種口，即播種行為20，圖7f為10個分種口，即播種行為10。20行中的流場最大速度和最小速度分別為50.399、2.409 m/s，排種管中流場速度小于圖7f，即排種管中風量更小。

3.4 仿真結果分析

從圖7中的3組對比仿真分析可知，速度流場可以分為2部分，一部分為輸送管速度流場分布，為種子的分配提供輸送準備；一部分為EF速度流場分布，包括EF1、EF2和EF33段分配種子。通過圖示和速度數值統計對比可得，排種管長度相等且帶波紋輸送的分種器EF速度流場分布中，41.807～45.608、45.609～49.408、49.409～53.209 m/s速度梯度明顯，梯度之間變化均勻，與圖4中流線一致，且速度最大值最大，有利于種子的分配；由于速度差的原因，產生壓強差，使種子向中間速度最大的流場運動，例如在圖7b中1點的種子，左邊速度場大于右邊速度場，種子將由1向2移動，所以輸送管中心最大速度梯度（深紅色區域）面積越大越有利于聚攏。

4 試驗與結果

通過理論計算分析、CFD仿真分析，設計了10行和20行水稻分種器，通過臺架試驗驗證其總體結構的適用性和理論分析的合理性；通過分種的行間均勻性和行內穩定性判定分種器的分種效果。

4.1 試驗裝置與材料

試驗裝置采用自制的水稻分種器試驗臺，如圖8所示，該裝置主要由分種器、排種管、導種器、排種器、種箱、金屬彎管、安裝架、閘閥、風機、軟管、測量孔、減速電機等組成。試驗時，選用的風機為380 V、5.5 kW漩渦式電動風機，最大流量530 m3/h，大于Q，滿足設計要求，通過調節零件6控制分種器中的輸入風量；試驗使用的水稻種子為黃華占品種，千粒質量為20.78 g，含水率13.6%。

為測定分種器性能，按照GB/T 9478-2005“谷物條播機試驗方法”，通過各行之間播量變異系數測定分種的均勻性，行內播量的變異系數大小測定分種的穩定性。試驗分為5組，分別標記為1、2、3、4、5，1為波紋管分種器，10行排種管長度都為1.5 m；2為直管分種器，10行排種管長度都為1.5 m；3為直管分種器，5行排種管長度為1.5 m，5行為2.8 m，交錯排列；4為波紋管分種器，5行排種管長度為1.5 m，5行為2.8 m，交錯排列；5為波紋管分種器，20行排種管長度都為1.5 m。排種管標記為（=1,···,），種箱中加入300 g種子；調整減速電機，保證排種器播量恒定；調節閘閥測定風速大小，使分種器中輸入風量為366.2 m3/h；播后對每行播量進行測定，每次試驗重復5次。對第行排出的種子稱質量，取5次質量的平均值，記為x，單位為g；按變異系數公式計算出變異系數值，如表1所示，為單個分種器整體各行的平均值。

4.3 試驗結果與分析

表2中cv表示序號為的排種管5次重復試驗的變異系數，可說明同一行內播種質量穩定性，由表2可知，平均變異系數1<5<2<4<3，2比3平均變異系數小11.15百分點，說明排種管長度不一致對行內播種的穩定性影響很大，1與4相差10.37百分點也能證明這一點；3比4平均變異系數小5.36百分點，波紋輸送管對行內播種的穩定性影響大，能提高分種的穩定性，1與2相差4.58百分點也能證明這一點；1與5變異系數相差不大，說明在風量足夠的前提下，增加播種行數對行內播種的穩定性影響不明顯。

表1 分種器各行播量

注：=1,···, 20;1為波紋管分種器，10行排種管長度都為1.5 m；2為直管分種器，10行排種管長度都為1.5 m；3為直管分種器，5行排種管長度為1.5 m，5行為2.8 m，交錯排列；4為波紋管分種器，5行排種管長度為1.5 m，5行為2.8 m，交錯排列；5為波紋管分種器，20行排種管長度都為1.5 m。

Note:=1,···, 20;1is corrugated conveying pipe distributor with 10 rows spreader tube length of 1.5 m;2is straight conveying pipe distributor with 10 rows spreader tube length of 1.5 m;3is straight conveying pipe distributor with 5 rows spreader tube length of 1.5 m and 5 rows spreader tube length of 2.8 m, staggered arranged;4is corrugated conveying pipe distributor with 5 rows spreader tube length of 1.5 m and 5 rows spreader tube length of 2.8 m, staggered arranged;5is corrugated conveying pipe distributor with 20 rows spreader tube length of 1.5 m.

表2 分種器行內播量變異系數

5 結論與討論

CFD仿真及試驗結果表明：

1）在75～375 kg/hm2大播量的情況下，采用排種管長度相等和帶波紋輸送的10行分種器可以實現均勻分種，行間播量變異系數為3.58%。

2）直管輸送管增加波紋結構有助于水稻種子向管道中央集聚；排種管的長短影響分種效果，特別是行內的穩定性，排種管的長度應盡可能一致。

防治方法：在蟲害初期，選用1.8%阿維菌素乳油(15毫升/畝)4 000倍液，或5.7%氟氯氰菊酯乳油(30～60毫升/畝)1 000～2 000倍液，或抑食肼可濕性粉劑(60克/畝)1 000倍液等交替噴霧防治。

3）CFD仿真表明，輸送管內部結構影響氣體速度場的分布，等種數流場和波紋結構有利于分種器氣種混合均勻，使播種均勻性更好；在增加播種行數的情況下，分種性能無明顯降低。

本文的CFD仿真分析只是空氣流的單相仿真，假想種子按照速度流場的分布規律進行運動，沒有考慮種子與種子之間、種子與分種器內壁之間的碰撞等因素，這是將來的一個研究重點。

[1] 國家統計局. 年度數據: 農業主要農作物指標[Z]. http://data.stats.gov.cn/easyquery.htm?cn=C01, 2016-10-18.

[2] 王在滿，戴億政，王寶龍，等. 水稻機械化穴播和條播的對比研究[J]. 中國稻米，2016，22(4)：19－20.

Wang Zaiman, Dai Yizheng, Wang Baolong, et al. Research on hill-drop drilling and row drilling of rice[J]. China Rice, 2016, 22(4): 19－20. (in Chinese with English abstract)

[3] 張明華，曾山，羅錫文. 水稻機械旱直播技術研究現狀及發展[C]//中國農業工程學會2011年學術年會論文集，重慶：中國農業工程學會，2011.

Zhang Minghua, Zeng Shan, Luo Xiwen. The current status and research progresses of the rice mechanical direct seeding on dry land[C]//Proceeding of Academic Annual Meeting of Chinese Society of Agricultural Engineering, Chongqing: Chinese Society of Agricultural Engineering, 2011. (in Chinese with English abstract)

[4] 羅錫文，蔣恩臣，王在滿，等. 開溝起壟式水稻精量穴直播機的研制[J]. 農業工程學報，2008，24(12)：52－56.

Luo Xiwen, Jiang Enchen, Wang Zaiman, et al. Precision rice hill-drop drilling machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(12): 52－56. (in Chinese with English abstract)

[5] 曾山，湯海濤，羅錫文，等. 同步開溝起壟施肥水稻精量旱穴直播機設計與試驗[J]. 農業工程學報，2012，28(20)：12－19.

Zeng Shan, Tang Haitao, Luo Xiwen, et al. Design and experiment of precision rice hill-drop drilling machine for dry land with synchronous fertilizing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(20): 12－19. (in Chinese with English abstract)

[6] 張國忠，羅錫文，臧英，等. 水稻芽種氣力播種技術研究概況[C]//中國農業工程學會2011年學術年會論文集，重慶：中國農業工程學會，2011.

Zhang Guozhong, Luo Xiwen, Zang Ying, et al. The pneumatic feed mechanism research overview of pre-sprouted rice seeds[C]//Proceeding of Academic Annual Meeting of Chinese Society of Agricultural Engineering, Chongqing: Chinese Society of Agricultural Engineering, 2011. (in Chinese with English abstract)

[7] 王在滿，羅錫文，唐湘如，等. 基于農機與農藝相結合的水稻精量穴直播技術及機具[J]. 華南農業大學學報，2010，31(1)：91－95.

Wang Zaiman, Luo Xiwen, Tang Xiangru, et al. Precision rice hill-direct-seeding technology and machine based on the combination of agricultural machinery and agronomic technology[J]. Journal of South China Agricultural University, 2010, 31(1): 91－95. (in Chinese with English abstract)

[8] Bourges G, Medina M. Air-seeds flow analysis in a distributor head of an “air drill” Seeder[J]. Acta Horticulturae, 2013(1008): 259－264.

[9] Furuhata Masami, Chosa Tadashi, Shioya Yukiharu, et al. Developing direct seeding cultivation using an air-assisted strip seeder[J]. Jarq-Japan Agricultutal Research Quarterly, 2015, 49(3): 227－233.

[10] Manzone Marco, Paolo Marucco, Mario Tamagnone, et al. Performance evaluation of a cyclone to clean the air exiting from pneumatic seed drills during maize sowing[J]. Crop Protection, 2015, 76: 33－38.

[11] Maleki M R, Jafari J F, Raufat M H, et al. Evaluation of seed distribution uniformity of a multi-flight auger as a grain drill metering device[J]. Biosystems Engineering, 2006, 94(4): 535－543.

[12] 楊慧，劉立晶，周軍平，等. 氣流輸送式條播機現狀及我國應用情況分析[J]. 農機化研究，2013，35(12)：216－220.

Yang Hui, Liu Lijing, Zhou Junping, et al. Analysis of air seed drill current situations and using situation in China[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2013, 35(12): 216－220. (in Chinese with English abstract)

[13] 張敏，吳崇友. 氣力輸送式播種機概況及我國的應用前景分析[J]. 中國農機化，2008(2)：70－72.

Zhang Min, Wu Chongyou. The survey and the prospect in china of the pneumatic drills[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2008(2): 70－72. (in Chinese with English abstract)

[14] 廖慶喜，張猛，余佳佳，等. 氣力集排式油菜精量排種器[J]. 農業機械學報，2011，42(8)：30－34.

Liao Qingxi, Zhang Meng, Yu Jiajia, et al. Pneumatic centralized metering device for rape seed[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(8): 30－34. (in Chinese with English abstract)

[15] 祁兵，張東興，崔濤. 中央集排氣送式玉米精量排種設計與試驗[J]. 農業工程學報，2013，29(18)：8－15.

Qi Bing, Zhang Dongxing, Cui Tao. Design and experiment of centralized pneumatic seed metering device for maize[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(18): 8－15. (in Chinese with English abstract)

[16] 史嵩. 氣壓組合孔式玉米精量排種器設計與試驗研[D]. 北京：中國農業大學，2015.

Shi Song. Design and Experimental Research of Pneumatic Maize Precision Seed-metering Device with Combined Holes[D]. Beijing: China Agricultural University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[17] 李中華，王德成，劉貴林，等. 氣流分配式排種器CFD模擬與改進[J]. 農業機械學報，2009，40(3)：64－68.

Li Zhonghua, Wang Decheng, Liu Guilin, et al. CFD simulation and improvement of air-stream distributive metering device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2009, 40(3): 64－68. (in Chinese with English abstract)

[18] 王福林，尚家杰，劉宏新，等. EDEM顆粒體仿真技術在排種機構研究上的應用[J]. 東北農業大學學報，2013，44(2)：110－114.

Wang Fulin, Shang Jiajie, Liu Hongxin, et al. Application of EDEM particles simulation technology on seed-metering device research[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2013, 44(2): 110－114. (in Chinese with English abstract)

[19] 常金麗，張曉輝. 2BQ-10型氣流一階集排式排種系統設計與試驗[J]. 農業工程學報，2011，27(1)：136－141.

Chang Jinli, Zhang Xiaohui. Design and test of one-step centralized type pneumatic seeding system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(1): 136－141. (in Chinese with English abstract)

[20] 曹成茂，王安民，秦寬，等. 一器多行環槽推送式排種器設計與試驗[J]. 農業機械學報，2014，45(4)：128－134.

Cao Chengmao, Wang Anmin, Qin Kuan, et al. Multi-line metering device with ring groove push movement[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(4): 128－134. (in Chinese with English abstract)

[21] 劉立晶，劉忠軍，楊學軍，等. 氣流輸送式小麥免耕播種機設計和試驗[J]. 農業機械學報，2011，42(2)：54－57.

Liu Lijing, Liu Zhongjun, Yang Xuejun, et al. Design and test on pneumatic no-till wheat planter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(2): 54－57. (in Chinese with English abstract)

[22] Koller A, Wan Y, Miller E, et al. Test method for precision seed simulation systems[J]. Transactions of the ASABE, 2014, 57(5): 1283－1290.

[23] 丁祖榮. 工程流體力學[M]. 北京：機械工業出版社，2013.

[24] 楊倫，謝一華. 氣力輸送工程[M]. 北京：機械工業出版社，2006.

[25] 陳超祥，胡其登. Solidworks Flow simulation教程[M]. 北京：機械工業出版社，2015.

[26] 王福軍. 計算流體動力學分析: CFD軟件原理與應[M]. 北京：清華大學出版社，2004.

[27] 劉鶴年. 流體力學[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2004.

Design and experiment of rice pneumatic centralized seed distributor

Dai Yizheng1,2,3, Luo Xiwen1,2※, Wang Zaiman1,2, Zeng Shan1,2, Zang Ying1,2, Yang Wenwu1,2, Zhang Minghua1,2, Wang Baolong1,2, Xing He1,2

(1.,,510642,; 2.,,,510642,; 3.,330044,)

Aiming at the requirements of high speed and large sowing quantity for rice direct seeding, a kind of rice pneumatic centralized seed distributor, including outer cover, inner cover, metering disc, gasket, mounting holes, distribution port, conveying pipe, was designed based on rice pneumatic centralized drilling machine. The distribution mechanism of pneumatic centralized seed distributor was studied according to the adaptability, working speed and seeding quantity adjustment of the drilling machine; the adaptability, uniformity and stability of pneumatic centralized seed distributor were analyzed; the computational fluid dynamics (CFD) simulation with Solidworks Flow software was carried out according to the physical characteristics of rice seeds; the distribution of velocity flow field of the seed distributors with different structure was compared, which contained 3 groups of comparative analysis: Factor 1 was for the internal structure of the conveying pipe, including the corrugated straight pipe and straight pipe without ripple, in which the spreader tube length and distribution port number were the same; Factor 2 was for the length of spreader tube, with 2 lengths of 1.5 and 2.8 m, in which the internal structure of conveying pipe and distribution port number were the same; Factor 3 was for the distribution port number, and one was 10 and the other was 20, in which the internal structure of conveying pipe and spreader tube length were the same. The optimal equal amount flow field (EF) was obtained, whose structure was the central symmetric body, with the velocity and pressure magnitude being equal for each point on the circumference with equal radius; the changes of air velocity flow field were consistent from the beginning to the end, the flow line and the track were coincident, and the seed distributor design parameters were obtained; the seed distributor contained the EF structure, the transportation structure and the spreading structure. And the EF structure was divided into 3 parts: EF1(the horizontal part of flow field of the cover), EF2(the circular part of flow field of the cover), and EF3(the vertical part of flow field of the cover), which were for gathering seeds, dividing seeds and sending seeds, respectively. The structure of the outer cover was optimized through the theoretical analysis and fluid simulation, the velocity magnitude and the dispersion of equal amount flow field were compared, the flow line of EF velocity field was simulated, the proper air source was selected, a seed distributor with homogeneous mixture for air and seeds was designed, and the distribution uniformity and stability of drilling machine were improved. Platform experiment of seed distributor was carried out, and the experimental results were in accord with the CFD simulation analysis. The coefficients of variation of the seeding quantity between rows and intra-row for the 10-row seed distributor, which had the same spreader tubes and corrugated pipe for each row, were 3.58% and 4.55% respectively, and that for the 20-row seed distributor, which had the same spreader tubes and corrugated pipe for each row, were 3.91% and 5.04% respectively, which could meet the requirements of different drilling machines. The CFD and experiment results show that the adding of corrugated structure in the straight pipe can help the rice seeds gathering in the center of the pipe; the length of spreader tubes will influence the seed distribution effect, and therefore especially the intra-row stability, and the length of the seeding pipe should be as uniform as possible; the internal structure of the pipe affects the distribution of the velocity flow; the equidistant circular arc structure formed by the inner and outer covers and the corrugated structure in the conveying pipe are beneficial to the formation of the air and seeds mixed equal amount flow field, which makes the seeding uniformity better.

computational fluid dynamics (CFD); agricultural machinery; pneumatic equipment; drilling machine; distributor; rice

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.005

S223.25

A

1002-6819(2016)-24-0036-07

2016-11-20

2016-12-12

公益性行業（農業）科研專項（201203059）；948計劃項目（2011-G18(2)）； 863計劃項目（2012AA10A501-2）

戴億政，男，江西南昌人，工程師，博士生，主要從事農業生產機械化研究，廣州華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，510642。Email：nc_vip@163.com

羅錫文，男，湖南株洲人，中國工程院院士，教授，博士生導師，主要從事農業機械化研究，廣州華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，510642。Email：xwluo@scau.edu.cn