稻麥輪作區(qū)氣動(dòng)式小麥精準(zhǔn)投種裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王 超 李洪文 何 進(jìn) 王慶杰 盧彩云 王景旭

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083;2.溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，溫州325035)

0 引言

稻麥輪作區(qū)集中分布于我國長江流域，是主要糧食生產(chǎn)基地［1］。該區(qū)域降雨充沛、土壤質(zhì)地黏重，播種階段土壤含水量大［2］，小麥生長受水資源限制小［3］，適宜采用淺播淺種的農(nóng)藝方式［4-5］，與北方相比差異較大。目前，稻麥區(qū)小麥播種以撒播或種帶淺旋條播技術(shù)為主，存在播種用量高、群體密度大和個(gè)體發(fā)育差等問題，限制了小麥單產(chǎn)。小麥精量播種技術(shù)能夠精確控制播種量和均勻性，使得單株作物獲得足夠的營養(yǎng)面積和空間［6-7］，降低播種量和減少成本，并獲得小麥穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，如湯永祿等［8］研究表明，采用稻茬麥精量露播、稻草覆蓋的種植方式，能夠?qū)崿F(xiàn)稻茬麥的高產(chǎn)栽培，且經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益較好。

近年來，為實(shí)現(xiàn)機(jī)械化小麥精量播種，國內(nèi)外在小麥精密排種技術(shù)方面取得了一些研究成果［9-10］，然而小麥屬密植作物，其播種密度遠(yuǎn)高于玉米、大豆等大籽粒作物，精密排種裝置排出的均勻種子流種粒間距小，小麥種粒觸土后易產(chǎn)生碰撞、彈跳和滾動(dòng)等現(xiàn)象［11-12］，無法實(shí)現(xiàn)等播深、等粒距的小麥精準(zhǔn)點(diǎn)播，因此小麥精準(zhǔn)投種問題亟待解決。現(xiàn)有精準(zhǔn)投種方面的研究大多針對(duì)玉米等作物［13-15］，而關(guān)于小麥精準(zhǔn)投種技術(shù)的研究較少，僅少數(shù)學(xué)者進(jìn)行了初步理論研究。劉俊孝等［16］基于氣力吸附、定點(diǎn)打穴投種理論，設(shè)計(jì)了一種針孔管式小麥精準(zhǔn)點(diǎn)播裝置，并確定了其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，但未進(jìn)行小麥精準(zhǔn)投種相關(guān)試驗(yàn)研究。刁培松等［17］提出一種氣動(dòng)播種理論方案，該方案通過單片機(jī)控制使種粒在氣力作用下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投播，但未開展實(shí)際裝置結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)研究。目前，仍然缺少配套的機(jī)械化小麥精準(zhǔn)投種技術(shù)與裝備。

本文針對(duì)稻麥輪作區(qū)黏濕土壤條件下的小麥種植，設(shè)計(jì)一種氣動(dòng)式小麥精準(zhǔn)投種裝置，該裝置通過氣動(dòng)加速將從精密排種器排出的小麥種粒高速精準(zhǔn)投置于耕整后的清潔種床，以期實(shí)現(xiàn)小麥的精準(zhǔn)穩(wěn)著床點(diǎn)播，提升小麥的播種質(zhì)量。

1 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

氣動(dòng)式小麥精準(zhǔn)投種裝置根據(jù)引射器引射原理［18］設(shè)計(jì)而得，利用高速氣流的氣動(dòng)推力實(shí)現(xiàn)對(duì)小麥種粒的加速投置，其主要由噴嘴、引射器和混合加速管組成，如圖1a 所示。作業(yè)時(shí)，外部高壓氣流作為工作流體從噴嘴的進(jìn)氣室流入后形成高速氣流經(jīng)出氣室噴出，噴嘴噴出的高速氣流在引射器內(nèi)部腔體形成負(fù)壓和在混合加速室內(nèi)形成穩(wěn)定的正壓加速氣流，小麥種粒在負(fù)壓的卷吸作用下從進(jìn)種口被快速吸入，并經(jīng)接收室隨高速氣流進(jìn)入混合加速室，小麥種粒在混合加速室內(nèi)與正壓加速氣流均勻混合后持續(xù)加速，最終小麥種粒從混合加速管下端飛出，高速?zèng)_擊進(jìn)入土壤，完成小麥種粒精準(zhǔn)定點(diǎn)投置。

圖1 氣動(dòng)式小麥精準(zhǔn)投種裝置Fig.1 Structure of pneumatic wheat precision seed casting device

1.2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

小麥種粒的尺寸是氣動(dòng)式小麥精準(zhǔn)投種裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，以稻麥區(qū)普遍種植的鄭麥9023為研究對(duì)象，測量得鄭麥9023 的種粒長度小于8 mm。為保證小麥能夠被順利吸入，該設(shè)計(jì)中選取進(jìn)種口直徑為10 mm。小麥種粒在混合加速室內(nèi)加速，為減少小麥種粒與混合加速室管壁的摩擦、碰撞，混合加速室直徑D1應(yīng)大于8 mm，但混合加速室直徑增大會(huì)導(dǎo)致氣體進(jìn)一步膨脹［19］，進(jìn)而降低加速氣流流速［20］，不利于小麥種粒的加速，因此結(jié)合單粒種子流的投種工況，混合加速室直徑應(yīng)盡可能取較小值，該設(shè)計(jì)取混合加速室直徑為10 mm;根據(jù)文獻(xiàn)［21］可知，混合加速室的長度應(yīng)當(dāng)滿足小麥種粒與加速流場充分混合并實(shí)現(xiàn)小麥種粒穩(wěn)定加速，該設(shè)計(jì)中混合加速室長度H1取300 mm。此外，由于噴嘴入口與標(biāo)準(zhǔn)耐壓氣動(dòng)軟管相互連接，因此進(jìn)氣室直徑選取與耐壓氣動(dòng)軟管的內(nèi)徑尺寸一致，為12 mm。

氣動(dòng)式小麥精準(zhǔn)投種裝置采用無擴(kuò)壓噴射結(jié)構(gòu)［22］，根據(jù)已有研究表明，截面比A、喉嘴距H 和接收室直徑D 是影響小麥氣動(dòng)射播的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)［23］，如圖1b 所示。

1.2.1 截面比

截面比A 定義為混合加速室截面積與出氣室截面積之比，即

式中 A1、AC——混合加速室截面積和出氣室截面積，mm2

D1、DC——混合加速室直徑和出氣室直徑，mm

為實(shí)現(xiàn)投種裝置的引射功能，出氣室直徑應(yīng)小于進(jìn)氣室直徑和混合加速室直徑，同時(shí)考慮到若出氣室直徑過小，高壓氣流經(jīng)進(jìn)氣室進(jìn)入出氣室時(shí)的氣動(dòng)阻力及損失會(huì)急劇增大［20，22］，因此取出氣室直徑DC為4 ～9 mm。此外，由于混合加速室直徑D1=10 mm 已知，故在下文中以出氣室直徑DC作為試驗(yàn)的影響因子。

1.2.2 喉嘴距

喉嘴距H 為噴嘴的出氣室出口與混合加速管的混合加速室入口之間的距離。目前，研究發(fā)現(xiàn)喉嘴距存在一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)最佳引射效果的數(shù)值，此時(shí)出氣室噴出的高速氣流終截面與混合加速室入口截面相等［24］。但對(duì)該值的計(jì)算還沒有公認(rèn)準(zhǔn)確的方法［22，25］，因此本文借鑒通用噴射器結(jié)構(gòu)參數(shù)選取喉嘴距H 為5、10、15、20、25、30 mm 進(jìn)行數(shù)值分析研究。

1.2.3 接收室直徑

為確保小麥種粒能夠順利進(jìn)入接收室，避免小麥種粒在引射器腔體內(nèi)產(chǎn)生擁堵，接收室直徑D 應(yīng)當(dāng)滿足

式中 l——小麥種粒長度，mm

δ——噴嘴壁厚，mm

該設(shè)計(jì)中噴嘴壁厚δ 為1.5 mm，結(jié)合前文分析將小麥種粒長度l =8 mm 和出氣室直徑DC最大值9 mm代入式(2)，求解可得接收室直徑D≥28 mm。此外，接收室直徑增大會(huì)降低氣體流線流暢性和增加氣流動(dòng)能損耗，進(jìn)而不利于降低小麥種粒的吸入與混合，因此接收室直徑應(yīng)取較小值，因此該次設(shè)計(jì)選取接收室直徑D 為28、30、32、34、36、38 mm 進(jìn)行數(shù)值分析研究。

1.3 小麥種粒氣動(dòng)加速特性分析

在氣動(dòng)式小麥精準(zhǔn)投種裝置內(nèi)，小麥種粒受正壓加速氣流作用不斷加速，根據(jù)前期研究小麥種粒受自身重力加速影響很小，故本次分析忽略重力影響，則小麥種粒的氣動(dòng)加速特征分析如圖2所示。

小麥種粒在正壓加速氣流的氣動(dòng)推力作用下做加速運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過時(shí)間t 后位移為lm，其加速方程為

式中 Rm——?dú)鈩?dòng)推力，N

圖2 小麥種粒氣動(dòng)加速特征分析Fig.2 Analysis of pneumatic acceleration characteristics of wheat seeds

dm——小麥種粒當(dāng)量直徑，取4.5 ×10-3m

ρm——小麥種粒密度，取1 450 kg/m3

vm——小麥種粒速度，m/s

氣動(dòng)推力計(jì)算式為

式中 C——小麥種粒阻力系數(shù)，由粒徑法［26］可得，小麥種粒阻力系數(shù)分區(qū)為Newton 區(qū)，阻力系數(shù)為常數(shù)，取0.44

ρg——空氣密度，按20℃大氣壓，取1.2 kg/m3

vg——正壓加速氣流速度，m/s

由式(3)、(4)求解可得，小麥種粒在正壓加速氣流中的氣動(dòng)加速特征運(yùn)動(dòng)微分方程為

由式(5)可知，小麥種粒加速度與正壓加速氣流速度呈正相關(guān)關(guān)系，即正壓加速氣流速度越大，越有利于小麥種粒的氣動(dòng)加速。由前述分析可知，出氣室直徑DC、喉嘴距H 和接收室直徑D 是影響氣動(dòng)式小麥精準(zhǔn)投種裝置內(nèi)部流場的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理匹配，可在混合加速室內(nèi)獲得均勻穩(wěn)定的正壓加速流場和較高正壓加速氣流流速，進(jìn)而利于小麥種粒的加速投種。

2 數(shù)值模型構(gòu)建

計(jì)算流體力學(xué)(CFD)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域，能夠精確分析流場特性［27-28］。氣動(dòng)式小麥精準(zhǔn)投種裝置的內(nèi)部氣體流動(dòng)復(fù)雜，難以通過實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行特性描述，因此本文采用Fluent 18.4 軟件對(duì)氣動(dòng)式小麥精準(zhǔn)投種裝置的內(nèi)部氣體流場進(jìn)行模擬分析，以獲得均勻穩(wěn)定的氣體加速流場，完成小麥種粒的負(fù)壓吸入、正壓加速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小麥精準(zhǔn)穩(wěn)著床點(diǎn)播。

2.1 計(jì)算域及網(wǎng)格化

采用SolidWorks 2016 軟件構(gòu)建不同尺寸的氣動(dòng)式小麥精準(zhǔn)投種裝置模型，并導(dǎo)入Spaceclaim 2018 軟件建立計(jì)算流體域模型，如圖3a 所示。隨后在Fluent 18.4 軟件中對(duì)計(jì)算流體域進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，并在近壁面生成邊界層網(wǎng)格，劃分所得網(wǎng)格總數(shù)為12 000 ～14 000。為提高計(jì)算精度，對(duì)噴嘴進(jìn)行網(wǎng)格局部加密，同時(shí)檢查并調(diào)整網(wǎng)格質(zhì)量，使網(wǎng)格最小正交質(zhì)量大于0.6、最大縱橫比小于100，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3b 所示。

圖3 計(jì)算流體域及網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.3 Computational fluid domain and meshing results

2.2 邊界條件與模擬參數(shù)

對(duì)于不同尺寸的氣動(dòng)式小麥精準(zhǔn)投種裝置模型，結(jié)合前期研究，在計(jì)算流體域中設(shè)置進(jìn)氣室處為壓力入口(入口表壓為500 000 Pa)邊界條件，設(shè)置進(jìn)種口和混合加速室出口均為壓力出口(出口表壓均為0 Pa)邊界條件。模擬整體采用有限體積法離散方程，采用壓力基求解器SIMPLE，采用二階逆風(fēng)離散化求解動(dòng)量、湍流動(dòng)能、湍流動(dòng)能耗散，以殘差10-4為收斂依據(jù)并對(duì)進(jìn)氣室氣體流速進(jìn)行監(jiān)測。湍流模型選用RNG k-ε 控制方程［29-30］，近壁面選用標(biāo)準(zhǔn)壁面方程。

3 數(shù)值模擬與分析

3.1 單因素試驗(yàn)

以出氣室直徑DC、喉嘴距H 和接收室直徑D為影響因子，以混合加速室穩(wěn)態(tài)區(qū)的穩(wěn)態(tài)氣體流速、進(jìn)種口的入口負(fù)壓為指標(biāo)，開展單因素試驗(yàn)研究。單因素試驗(yàn)因素及水平如表1 所示。

3.1.1 出氣室直徑

設(shè)置喉嘴距H 為15 mm、接收室直徑D 為32 mm，開展出氣室直徑DC的單因素試驗(yàn)，所得不同截面比下氣動(dòng)式小麥精準(zhǔn)投種裝置對(duì)稱截面上的速度場如圖4 所示。

表1 單因素試驗(yàn)因素水平Tab.1 Factors and levels of single-factor test

由圖4a 可得，高壓氣流經(jīng)噴嘴的出氣室實(shí)現(xiàn)超聲速(約924 m/s)流動(dòng)，超聲速氣流從噴嘴噴出后在混合加速室內(nèi)形成激波，經(jīng)過不斷的壓縮膨脹過程［31］，激波逐漸消失并在混合加速室內(nèi)形成具有均勻穩(wěn)定正壓加速氣流流場的穩(wěn)態(tài)區(qū)。不同出氣室直徑下的激波區(qū)范圍不同，由于降低激波區(qū)范圍有利于降低流場的湍流程度［16］，使得小麥種粒在混合加速室內(nèi)的加速過程更加平穩(wěn)，出氣室直徑為4、7、8 mm時(shí)穩(wěn)態(tài)區(qū)范圍較大，可獲得較好正壓加速氣流流場。由圖4b 可得，當(dāng)出氣室直徑DC≤7 mm 時(shí)，進(jìn)種口下部未產(chǎn)生局部渦流區(qū)，氣體的吸入流線通順，利于小麥種粒的穩(wěn)定吸入;當(dāng)出氣室直徑DC為8、9 mm 時(shí)，超聲速氣流撞擊接收室壁面而在進(jìn)種口下部產(chǎn)生局部渦流區(qū)，由于渦流不僅會(huì)顯著降低入口負(fù)壓［32］，進(jìn)而不利于小麥種粒的均勻吸入，且會(huì)增加小麥種粒吸入后的碰撞幾率，因此出氣室直徑DC≤7 mm 時(shí)較好。

通過Fluent 數(shù)值提取功能，得到出氣室直徑對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響如圖5 所示。由圖5 可得，隨著出氣室直徑的不斷增大，穩(wěn)態(tài)氣體流速呈不斷上升趨勢，其取值區(qū)間為336 ～724 m/s。入口負(fù)壓隨出氣室直徑的增大而呈現(xiàn)波動(dòng)變化趨勢，當(dāng)出氣室直徑為4 ～5 mm 時(shí)，入口負(fù)壓隨出氣室直徑的增加而略有增加;當(dāng)出氣室直徑為5 ～9 mm 時(shí)，入口負(fù)壓隨出氣室直徑的增大而不斷降低。入口負(fù)壓在出氣室直徑DC=5 mm 時(shí)取得最大值18.864 kPa;入口負(fù)壓在出氣室直徑DC≥7 mm 時(shí)，由于渦流的產(chǎn)生而導(dǎo)致入口負(fù)壓急劇降低，且當(dāng)出氣室直徑DC=9 mm時(shí)渦流作用下的部分氣流從進(jìn)種口處溢出(圖4b)，使得入口負(fù)壓達(dá)到最小值1.560 kPa。

綜合考慮，在避免渦流且保證較大入口負(fù)壓的同時(shí)，穩(wěn)態(tài)氣體流速越大越有利于小麥種粒在混合加速室內(nèi)的加速，因此出氣室直徑DC=7 mm 較合適，此時(shí)進(jìn)種口下部無局部渦流、激波區(qū)較小，入口負(fù)壓為10.081 kPa，穩(wěn)態(tài)氣體流速為611 m/s。

圖4 出氣室直徑單因素試驗(yàn)速度場Fig.4 Velocity fields of single factor test for diameter of outlet chamber

圖5 出氣室直徑對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響Fig.5 Effect of diameter of outlet chamber on test indexes

3.1.2 喉嘴距

設(shè)置出氣室直徑DC為7 mm、接收室直徑D 為32 mm，開展喉嘴距H 的單因素模擬試驗(yàn)，所得試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

由圖6a 可得，隨著喉嘴距的增加，超聲速氣流從噴嘴噴出后在接收室內(nèi)的膨脹程度得到提高，有利于減小混合加速室內(nèi)的激波強(qiáng)度和增加穩(wěn)態(tài)區(qū)范圍。當(dāng)喉嘴距H≥25 mm 時(shí)，混合加速室內(nèi)無明顯激波區(qū)且正壓加速氣流流場穩(wěn)定;喉嘴距H 為15、20 mm 時(shí)的穩(wěn)態(tài)區(qū)范圍大于喉嘴距H 為5、10 mm，更有利于小麥種粒在混合加速室內(nèi)的加速。由圖6b 可得，當(dāng)喉嘴距H≤20 mm 時(shí)，進(jìn)種口下部未產(chǎn)生局部渦流區(qū)，吸入流線通順，利于小麥種粒的穩(wěn)定吸入;當(dāng)喉嘴距H 為25 mm 和30 mm，超聲速氣流撞擊接收室壁面而產(chǎn)生局部渦流區(qū)，不利于小麥種粒的均勻吸入。因此，喉嘴距H 取15 mm 或20 mm較好。

喉嘴距對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響如圖7 所示。由圖7可得，隨著喉嘴距的逐漸增加，入口負(fù)壓呈現(xiàn)不斷降低趨勢，其變化區(qū)間為4.317 ～11.1 kPa，同時(shí)由于渦流的產(chǎn)生，當(dāng)喉嘴距H ＞20 mm 時(shí)導(dǎo)致入口負(fù)壓大幅降低。穩(wěn)態(tài)氣體流速隨喉嘴距的增加呈現(xiàn)波動(dòng)變化趨勢，當(dāng)喉嘴距為5 ～15 mm 時(shí)，受接收室和混合加速室內(nèi)產(chǎn)生的局部氣體節(jié)流效應(yīng)影響，穩(wěn)態(tài)氣體流速呈現(xiàn)先下降后上升趨勢，并在H =10 mm 處取得穩(wěn)態(tài)氣體流速極小值598 m/s;當(dāng)喉嘴距為15 ～30 mm 時(shí)，穩(wěn)態(tài)氣體流速隨喉嘴距的增加而降低。

綜上所述，喉嘴距H=15 mm 較合適，此時(shí)進(jìn)種口下部無局部渦流、激波區(qū)較小，且入口負(fù)壓(10.081 kPa)和穩(wěn)態(tài)氣體流速(611 m/s)的數(shù)值均較大。

圖6 喉嘴距單因素試驗(yàn)速度場Fig.6 Velocity fields of single factor test for nozzle position

圖7 喉嘴距對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響Fig.7 Effect of nozzle position on test indexes

3.1.3 接收室直徑

設(shè)置出氣室直徑DC為7 mm、喉嘴距H 為15 mm，開展接收室直徑D 的單因素模擬試驗(yàn)，所得試驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。

由圖8 可得，不同接收室直徑下的激波區(qū)范圍差異不大，以接收室直徑D 為32、34、38 mm 時(shí)的激波區(qū)范圍最小。在接收室直徑28 ～38 mm 范圍內(nèi)均無渦流出現(xiàn)，且當(dāng)接收室直徑為28、30、32 mm時(shí)，氣體進(jìn)入接收室時(shí)的吸入流線更加流暢。

接收室直徑對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響如圖9 所示。由圖9 可得，隨著接收室直徑的不斷增加，穩(wěn)態(tài)氣體流速和入口負(fù)壓均呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，其變化范圍分別為592 ～611 m/s、8.471 ～10.081 kPa。當(dāng)接收室直徑D=32 mm 時(shí)，穩(wěn)態(tài)氣體流速和入口負(fù)壓均取得最大值。

綜上所述，接收室直徑D =32 mm 較合適，此時(shí)進(jìn)種口下部無局部渦流、激波區(qū)最小，穩(wěn)態(tài)氣體流速(611 m/s)和入口負(fù)壓(10.081 kPa)均取得最大值。

3.2 正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)分析結(jié)果，采用三因素三水平正交試驗(yàn)方案，正交試驗(yàn)因素及水平如表2 所示。

正交試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3 所示，A、B、C 為因素水平值。

為確定穩(wěn)態(tài)氣體流速、入口負(fù)壓對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，對(duì)該兩項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行極差分析和方差分析，分析結(jié)果如表4 和表5 所示。

圖8 接收室直徑單因素試驗(yàn)速度場Fig.8 Velocity fields of single factor test for diameter of recipient chamber

圖9 接收室直徑對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響Fig.9 Effect of diameter of recipient chamber on test indexes

表2 正交試驗(yàn)水平Tab.2 Factors and levels of orthogonal experiment

由方差分析的結(jié)果可得，該試驗(yàn)中兩模型顯著性水平分別為0.004、0.005，說明該方差分析模型顯著性水平較高［33］，結(jié)果可靠。出氣室直徑DC對(duì)于穩(wěn)態(tài)氣體流速和入口負(fù)壓均具有顯著的影響;喉嘴距H 對(duì)于入口負(fù)壓具有顯著的影響，而對(duì)穩(wěn)態(tài)氣體流速影響不顯著;接收室直徑D 對(duì)于兩個(gè)指標(biāo)均無顯著的影響。

表3 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Orthogonal experiment design and results

表4 極差分析結(jié)果Tab.4 Results of range analysis

表5 方差分析結(jié)果Tab.5 Variance analysis result

穩(wěn)態(tài)氣體流速的較優(yōu)組合為A3B1C3，入口負(fù)壓的較優(yōu)組合為A1B1C2。由于組合為A3B1C3時(shí)進(jìn)種口下部出現(xiàn)局部渦流(表3)，不利于小麥的氣動(dòng)射播，因此，氣動(dòng)式小麥精準(zhǔn)投種裝置的較優(yōu)組合為A1B1C2，即出氣室直徑DC為6 mm、喉嘴距H 為10 mm 和接收室直徑D 為32 mm，經(jīng)Fluent 分析可得穩(wěn)態(tài)氣體流速為524 m/s，入口負(fù)壓為15.966 kPa，且進(jìn)種口下部無局部渦流、激波區(qū)較小。結(jié)合前述小麥種粒氣動(dòng)加速特征分析，將數(shù)值分析的較優(yōu)組合結(jié)果代入式(5)并積分求解可得小麥種粒速度vm約為46.2 m/s。

4 小麥氣動(dòng)投種臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

為研究較優(yōu)組合下氣動(dòng)式小麥精準(zhǔn)投種裝置的投種性能，在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院保護(hù)性耕作研究中心的多功能排種試驗(yàn)臺(tái)上開展小麥氣動(dòng)投種試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置如圖10 所示，設(shè)置傳送帶的作業(yè)速度為1.2 m/s，投種高度為0.1 m，進(jìn)氣室壓力為0.5 MPa。試驗(yàn)中，利用空氣壓縮機(jī)為氣動(dòng)投種試驗(yàn)提供持續(xù)穩(wěn)定高壓氣流，利用5F01C-16G 型高速攝像機(jī)對(duì)小麥氣動(dòng)投種過程進(jìn)行高速拍攝，并設(shè)置高速攝像機(jī)的拍攝模式為按幀采集、并行曝光，采集長度為8 000 幀，采集周期為200 μs，曝光時(shí)間為100 μs。

試驗(yàn)材料為湖北省大面積種植的鄭麥9023，試驗(yàn)土壤樣品取自湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所試驗(yàn)田，該試驗(yàn)田常年稻麥輪作，將土壤樣品去除秸稈殘茬、表層土壤硬殼后鋪放于傳送帶以形成清潔種床，土壤類型為壤質(zhì)粘土，土壤pH 值為6.1，土壤含水率為35%，土壤緊實(shí)度約為93.4 kPa。

4.2 試驗(yàn)方法

小麥氣動(dòng)投種試驗(yàn)共重復(fù)進(jìn)行50 組，每組進(jìn)行3 次單粒小麥的投種試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，從每次投種試驗(yàn)拍攝得到的所有圖像中提取投種過程的圖像。選取試驗(yàn)指標(biāo)為投種速度、投種深度和種子破損率。

圖10 試驗(yàn)臺(tái)Fig.10 Test-bed

4.2.1 投種速度

單次小麥氣動(dòng)投種時(shí)間極短，故視小麥氣動(dòng)投種過程為勻速投種過程。投種速度計(jì)算公式為

其中

式中 HS——投種高度，m

TSij——第i 組第j 次投種的投種時(shí)間，s

NSij——第i 組第j 次投種過程的圖像數(shù)

FPS——實(shí)際拍攝幀頻率，f/s

4.2.2 投種深度

投種試驗(yàn)結(jié)束后，測量每次投種后小麥入土深度(即投種深度)并求解，則投種深度計(jì)算公式為

式中 HBij——第i 組第j 次投種深度，mm

4.2.3 種子破損率

參照GB/T 9478—2005《谷物條播機(jī)試驗(yàn)方法》和GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》射播試驗(yàn)結(jié)束后，挑選和計(jì)算試驗(yàn)中破碎損傷的種粒并計(jì)算小麥種子破損率。小麥種子破損率計(jì)算公式為

式中 PS——試驗(yàn)中破損的小麥種子總數(shù)

PZ——試驗(yàn)用小麥種子總數(shù)

PY——小麥種子的原始破碎率，%

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

小麥氣動(dòng)投種過程如圖11 所示。小麥自混合加速管最下端飛出，經(jīng)過2 286 μs 后高速?zèng)_擊進(jìn)入土壤且小麥種粒入土?xí)r未產(chǎn)生彈跳、滑移現(xiàn)象，著床穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)小麥的高速精準(zhǔn)定點(diǎn)投種。同時(shí)，試驗(yàn)中小麥種粒均未出現(xiàn)破損狀況。小麥氣動(dòng)投種結(jié)果如圖12 所示。

圖11 小麥精準(zhǔn)氣動(dòng)投種過程Fig.11 Procedure of pneumatic wheat precision seed casting

圖12 小麥精準(zhǔn)氣動(dòng)投種試驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Result of pneumatic wheat precision seed casting

試驗(yàn)結(jié)果表明，小麥種粒的投種速度為38 ～50 m/s，投種深度為6 ～7.6 mm，且投種速度、投種深度變異系數(shù)分別為8.3%、5.8%，氣動(dòng)式小麥精準(zhǔn)投種裝置的投種性能穩(wěn)定。即通過氣動(dòng)投種方式，小麥種粒能夠以平均43.8 m/s 的投種速度(比較優(yōu)組合下小麥種粒速度46.2 m/s 低約5.1%)，穩(wěn)定投置于清潔種床且平均投種深度為6.78 mm。因此，數(shù)值分析較優(yōu)參數(shù)組合設(shè)置較為合理，能夠?qū)崿F(xiàn)小麥種粒的精準(zhǔn)投置。

此外，由于稻麥輪作區(qū)黏濕多雨的作業(yè)環(huán)境，農(nóng)藝要求稻茬麥淺層播種［4-5，8］以避免小麥播后爛種現(xiàn)象發(fā)生，實(shí)際生產(chǎn)中多采用小麥表層撒播或條帶淺旋條播后水稻秸稈覆蓋的種植方式。因此，采用氣動(dòng)投種方式在稻麥輪作田進(jìn)行播種作業(yè)，小麥種粒被投置于種床表層并形成單粒小麥種穴，播種深度較淺，在投種后配合前茬水稻秸稈覆蓋于種床(圖13)，能夠滿足稻茬麥小麥播種要求。

圖13 小麥精準(zhǔn)氣動(dòng)投種作業(yè)效果示意圖Fig.13 Diagram of soil-incident effect of pneumatic wheat precision seed casting

4.4 發(fā)芽情況

為進(jìn)一步觀察氣動(dòng)投種方式對(duì)小麥種粒的影響，試驗(yàn)結(jié)束后根據(jù)GB/T 5520—1985《糧食、油料檢驗(yàn) 種子發(fā)芽試驗(yàn)》，將氣動(dòng)投置的小麥種粒(氣動(dòng)投置組)和未經(jīng)氣動(dòng)投置的等量小麥種粒(對(duì)照組)放置于培養(yǎng)皿中，在20℃室溫下培養(yǎng)7 d 后觀察小麥的發(fā)芽情況。小麥發(fā)芽結(jié)果表明，氣動(dòng)投置組和對(duì)照組的小麥種粒發(fā)芽率分別為94.0%和95.3%，出芽情況較好。經(jīng)氣動(dòng)投置的小麥種粒未出現(xiàn)發(fā)芽率明顯降低現(xiàn)象，結(jié)合前述試驗(yàn)中未觀察到小麥種粒明顯損壞情況，說明在采用氣動(dòng)投種方式將小麥種粒投置于土壤的播種方式可行，但后續(xù)仍需大量田間試驗(yàn)以進(jìn)一步觀察和統(tǒng)計(jì)小麥的出苗效果。

5 結(jié)論

(1)為實(shí)現(xiàn)稻麥區(qū)黏濕土壤條件下的小麥精量播種，設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)式小麥精準(zhǔn)投種裝置，該裝置通過氣動(dòng)加速，將從精密排種器排出的小麥種粒精準(zhǔn)投置于耕整后的清潔種床，實(shí)現(xiàn)了小麥的高速精準(zhǔn)著床點(diǎn)播。

(2)利用Fluent 分析開展單因素試驗(yàn)、正交試驗(yàn)，確定了氣動(dòng)式小麥精準(zhǔn)投種裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律:出氣室直徑對(duì)穩(wěn)態(tài)氣體流速和入口負(fù)壓均影響顯著，喉嘴距對(duì)入口負(fù)壓具有顯著影響。氣動(dòng)式小麥精準(zhǔn)投種裝置的較優(yōu)組合為:出氣室直徑6 mm、喉嘴距10 mm、接收室直徑32 mm，此時(shí)穩(wěn)態(tài)氣體流速為524 m/s，入口負(fù)壓為15.966 kPa。

(3)較優(yōu)參數(shù)組合下的投種性能臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，小麥種粒可穩(wěn)定沖擊土壤，實(shí)現(xiàn)高速精準(zhǔn)定點(diǎn)投種，且無破損，小麥種粒以43.8 m/s 的平均投種速度，可在清潔種床內(nèi)實(shí)現(xiàn)6.78 mm 的平均投種深度，投種速度、投種深度變異系數(shù)分別為8.3%、5.8%，投種性能穩(wěn)定。