氣吸式播種器排種盤結構參數分析及優化
——基于Fluent軟件

任永飛，林蜀云，湯 耿，李坦東，徐 良

(1.貴州省山地農業機械研究所，貴陽 550002；2.貴州師范大學，貴陽 550002)

0 引言

隨著現代化農業的發展，農作物生產逐步走向規模化、集約化經營道路，對于山地的農作物種植條件及機械化水平要求越來越高。精密播種機可以分為機械式播種機和氣吸式播種機。目前，西南山地主要使用的是機械式播種機。機械式播種機具有受土質條件影響大、對種子外形尺寸要求高、播種密度不穩定等缺點。因此，發展山地小型氣吸式播種機能夠提高播種精度，具有更好的適應性。

本文根據氣吸式播種器的結構特點，設計差異性吸種孔壁夾角的播種盤，通過數學模型分析氣吸式播種器中氣流速度與真空室負壓的影響因素；利用Gambit建立氣吸式全流道三維模型及網格劃分，通過Fluent軟件模擬排種器真空室內部流場速度與負壓，分析出影響排種盤主要的結構參數，有利于排種盤的設計制造。模擬試驗數據為制造小型氣吸式播種機動力選型提供了理論依據。

1 排種器結構和原理介紹

氣吸式排種器主要由外殼、儲種室、真空室、排種盤、刷種裝置及攪種輪等組成，如圖1所示。

1.種箱 2.刷種裝置 3.排種器殼體 4.吸氣管 5.排種盤 6.攪種輪 7.導種裝置

工作原理：排種器工作時，排種盤將儲種室與真空室隔開，風機產生的負壓使真空室達到一定的真空度，攪種輪將儲種室內種子攪拌疏松；由于真空室與儲種室有氣壓差，儲種室內種子被吸種孔的吸力吸住，并隨排種盤一起轉動；當轉動到刷種裝置時，將多余的種子剔掉，留一顆種子轉動到卸壓區，負壓消失，種子在自重的作用下經導管排入種溝內，完成一粒種子的播種。排種盤上有多個孔，旋轉時就能完成連續的精量播種。

2 排種盤吸種氣流場理論因素分析

影響氣吸式排種氣流的因素很多，包括排種盤大小、孔數、孔的形狀，以及工作過程中動態參數、種子外形尺寸、吸附狀態等因素對氣流的影響。

2.1 流體力學分析

在排種盤靜止情況下，風流動受力分析如圖2所示。假設風是以柱狀流動的，取長度為Δh、直徑為d的風柱，風柱流動速度為v，空氣密度為ρ，柱狀氣流質量m，計算風吸附力F。

(1)

由式(1)可得到空氣流動時產生的吸附力與空氣密度、風柱直徑大小、風速的公式。

圖2 模擬風柱圖

2.2 結構的吸種受力分析

在播種機播種過程中，吸附種子過程的受力分析如圖3所示。

圖3 工作時種子受力分析圖

排種器工作時，若忽略摩擦力的作用，則種子主要受力為重力G，排種盤轉動慣性力J=mRw2。其中，m為種子質量(kg)；R為種子重心到排種盤中心距離(mm)；w為排種盤角速度(rad/s)；J為吸孔對種子的支持力N的作用[1]。

假設排種盤的吸種孔壁與軸心夾角為θ，要使吸種孔吸住種子，必須滿足的條件為

(2)

其中，F為受到吸附力(N)；T為重力G與慣性力J的合力(N)；D為吸孔直徑(mm)；r為種子半徑(mm)。

(3)

其中，P0為大氣壓力(Pa)；P1為真空負壓力(Pa)。

(4)

整理式(1)～式(4)，取其中風柱d等于吸種孔直徑D，得出風吸附力、氣流速度與真空室壓強的相關因素，即

(5)

2.3 相關因素的分析

根據上述公式，在排種盤靜止情況下，空氣流動時產生的吸附力與空氣密度ρ、風柱直徑d大小(即吸種孔大小)及吸種風速v有關。在排種盤工作過程中，吸種產生的風力與支持力N、吸種孔壁與軸心夾角θ有關；吸種的風速與種子質量m、吸種孔直徑D、種子重心到排種盤中心距離R、排種盤角速度w、吸種孔壁與軸心夾角θ有關。其中，種子質量m是固有的屬性，吸種孔直徑由試驗方法確定得到D=(0.64～0.66)r(r為種子平均寬度)[2-3]，種子重心到排種盤中心距離R與排種盤角速度w成反比關系。因此，在本文不討論m、D、R、w的影響因素。

再進一步詳細討論如下：在函數F(u)、v2(u)、P1(u)中，當θ在0°～45°范圍內增大時，cosθ≥sinθ，tanθ≤1，則風力、風速、壓強變化速率小。此時，吸種孔壁的夾角會產生一個對種子支持力，排種盤上吸種孔的凹槽能適應種子形狀，對吸種過程是有利的；而當θ在45°～90°范圍內增大時，cosθ≤sinθ，tanθ≥1，則風力、風速、壓強變化速率大。雖然吸種孔壁與軸心夾角越大，排種盤上吸種孔的凹槽更能適應種子形狀；但風力、風速、壓強變化速率大，對于研究氣吸式播種器的吸種過程是不利的。

3 排種盤吸種氣流場有限元分析

通過數學模型分析，得出風力、風速、壓強與排種盤上吸種孔的開孔角度有關，且開孔角度不同角度范圍內增大時，風力、風速、壓強的變化速率不同。因此，運用Gambit、Fluent軟件進行驗證分析。

由于排種盤的整個真空室流道較簡單，為了減少實體模型在數據轉化時的損失，能更準確模擬真空的實際情況，得到更加準確的結果，以流體力學知識為設計依據，運用Gambit軟件繪制出排種盤中整個真空室流道的三維模型并進行劃分網格及有關參數的定義。圖4為真空室流道模型圖，圖5為真空室流到模型網格劃分圖。

圖4 真空室流道模型圖

圖5 真空室流道模型網格劃分圖

真空室是氣吸式排種裝置形成負壓的主要區域。吸風機產生負壓進一步擴展到送風管與吸種孔，形成氣流的流動，吸附種子。為方便研究，在排種盤上取8孔來進行模擬，其中排種盤中左下2孔沒有負壓吸附種子，在有限元分析時不考慮。

在Fluent邊界條件中，入口速度設置為5m/s時，分析不同角度的真空室速度與負壓。圖6為吸種孔壁軸心夾角0°時的真空室速度與負壓云圖。

按照上述步驟，在Fluent邊界條件中模擬得出速度與負壓數據，列出排種盤上吸種孔壁與水平夾角成0°～65°時真空室的速度與負壓變化圖，如圖7所示。

由圖7(a)可知：當θ在0°～45°范圍內逐漸增大時，真空室速度呈平緩的、趨于線性的增大趨勢；當θ≥45°時，真空室速度呈較陡的、非線性的增大趨勢；由圖7(b)可知：當θ在0°～45°范圍內逐漸增大時，真空室負壓呈平緩的、趨于線性的增大趨勢；當θ≥45°時，真空室速度呈陡峭的、非線性增大趨勢。

因此，通過軟件模擬驗證可知：在0°～45°范圍內增大吸種孔的角度，真空室速度與負壓變化平緩，對吸種過程的影響較小，配套的風機與動力的穩定性好，也便于排種盤的加工制造，此時增加吸種孔的角度是有利的；反之，45°以上增大吸種孔的角度，真空室速度與負壓變化速率較大，對吸種過程的影響較大，需要頻繁更換大風機與其匹配動力，此時增加吸種孔的角度是不利的。

圖6 吸種孔壁與軸心夾角0°時的真空室負壓與速度云圖

圖7 不同角度時真空室負壓與速度曲線圖

4 排種盤性能試驗分析

不討論種子質量m、排種盤吸種孔直徑D、種子重心到排種盤中心距離R及排種盤角速度w等影響因素，對排種盤的吸種孔壁與軸心夾角單因素在不同水平下進行單因子變量試驗[4-5]，結果如表1和圖8所示。

表1 不同角度下的實驗安排表

圖8 不同角度下的排種性能指標

試驗結果表明: 在不討論種子質量m、排種盤吸種孔直徑D、種子重心到排種盤中心距離R及排種盤角速度w等影響因素的條件下，保證其他條件不變，吸種孔角度為0°～45°時，漏播率逐漸減小，種子的空穴較少，播種質量提高；當吸種孔角度為30°～45°時，漏播率與重播率相對平衡，排種效果最佳。

5 結論

利用Gambit軟件對排種盤流體場進行建模和網格劃分，采用Fluent對該模型進行前處理、后處理及分析，并對氣吸式播種器的播種盤進行了真空室流場分析。結果表明：在忽略排種器氣密性及種子形狀的規則性等因素前提下，排種盤上吸種孔壁與軸心夾角在0°～45°范圍內增大時有利于種子吸附，以及風機選型與動力匹配。

2)對排種盤在4kPa真空度下，進行0°～60°軸心夾角單因子變量試驗，結果表明：吸種孔壁與軸心夾角在0°～45°增大過程中，漏播率逐漸減小，種子的空穴較少，播種質量提高；當角度在30°～45°時，排種效果最佳。

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