氣吸式馬鈴薯播種機(jī)一體式風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

呂金慶 朱明芳 竹筱歆 李季成 蘇文海 劉中原

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

我國馬鈴薯種植面積大，但單產(chǎn)水平較低，多采用人工播種和機(jī)械播種的方式,存在作業(yè)速度低、播種質(zhì)量差等問題，嚴(yán)重制約了馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1-2]。與人工播種和機(jī)械播種相比，氣吸式播種具有傷薯率低、作業(yè)速度高、精密性好等特點(diǎn)，因此推廣氣吸式播種是馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。馬鈴薯種薯個(gè)體質(zhì)量差異性大、形狀不規(guī)則等物料特性決定了氣吸式馬鈴薯播種機(jī)在作業(yè)時(shí)對風(fēng)機(jī)的性能要求較高?，F(xiàn)有的氣吸式馬鈴薯播種機(jī)多為雙風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，存在結(jié)構(gòu)尺寸大、傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜、所需配套動(dòng)力大等問題。風(fēng)機(jī)作為氣吸式馬鈴薯播種機(jī)的重要工作部件，其工作性能對播種作業(yè)的質(zhì)量有重要影響，因此有學(xué)者對現(xiàn)有的氣吸式馬鈴薯播種機(jī)風(fēng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)而提高風(fēng)機(jī)作業(yè)性能，簡化播種機(jī)結(jié)構(gòu)，提高播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量[3-5]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對氣吸式馬鈴薯播種技術(shù)與機(jī)具進(jìn)行了系列研究[6-7]。YATSKUL等[8]設(shè)計(jì)了一種帶有分配器的離心風(fēng)機(jī)，通過分配器的分流作用，增大了風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速、提高了種子的分配精度；KYOUNG-YONG等[9]通過 CFD數(shù)值模擬，探究了風(fēng)機(jī)特性與葉輪型線參數(shù)之間的規(guī)律并確定最佳參數(shù)組合，使得風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能明顯提高；德國LEMKEN公司研制的氣吸式播種機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)高速、精量播種的作業(yè)要求，利用液壓驅(qū)動(dòng)為風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力，解決了因機(jī)車速度變化而引起負(fù)壓波動(dòng)造成播種質(zhì)量下降的問題。彭曼曼[10]設(shè)計(jì)了一種氣吸式馬鈴薯播種機(jī)專用風(fēng)機(jī)，通過雙風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，分別為排種器提供吸種負(fù)壓及投種正壓，提高了播種作業(yè)的作業(yè)速度和精度；王豐[11]通過Fluent數(shù)值模擬，獲得不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下風(fēng)機(jī)性能曲線，對氣吸精量播種機(jī)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了風(fēng)機(jī)的效率及風(fēng)壓穩(wěn)定性；呂金慶[12]研究一種帶有吹、吸雙風(fēng)機(jī)的氣力式馬鈴薯精量播種機(jī)，設(shè)計(jì)有多臂交錯(cuò)分布的氣力式柔性排種機(jī)構(gòu)，適用于馬鈴薯等非規(guī)則球形作物的精量播種。我國現(xiàn)有的氣吸式馬鈴薯播種機(jī)的風(fēng)機(jī)為吸、吹雙風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，分別獨(dú)立為排種器提供取種負(fù)壓和投種正壓，存在風(fēng)機(jī)數(shù)量多、結(jié)構(gòu)尺寸大、傳動(dòng)復(fù)雜等問題；國外研制的氣吸播種機(jī)風(fēng)機(jī)雖氣動(dòng)性能較好，但吸、吹氣風(fēng)機(jī)獨(dú)立工作導(dǎo)致排種器排種過程產(chǎn)生脈動(dòng)，影響播種作業(yè)的精密性。因此，亟需優(yōu)化并設(shè)計(jì)一體式風(fēng)機(jī)，進(jìn)而提高整機(jī)播種作業(yè)質(zhì)量和機(jī)械整體性能。

針對上述問題，本文對2CMP2型氣吸式馬鈴薯播種機(jī)的雙風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)一種一體式風(fēng)機(jī)，通過排種過程力學(xué)分析確定所需風(fēng)壓，對風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定影響風(fēng)機(jī)作業(yè)效果的因素，采用旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)的方法，獲得風(fēng)機(jī)作業(yè)最優(yōu)參數(shù)組合。以期實(shí)現(xiàn)氣吸式馬鈴薯播種機(jī)的最佳作業(yè)效果。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

氣吸式馬鈴薯播種機(jī)主要由施肥鏟、種箱、地輪、排種器、覆土器、離心風(fēng)機(jī)、機(jī)架等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氣吸式馬鈴薯播種機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of air suction potato planter1.地輪 2.施肥鏟 3.一體式風(fēng)機(jī) 4.傳動(dòng)裝置 5.肥箱 6.管道 7.種箱 8.機(jī)架 9.排種器 10.覆土器

播種機(jī)在機(jī)車的牽引作用下前進(jìn)，施肥鏟根據(jù)需要開出具有一定深度的種溝供播種和施肥所用。通過傳動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)車的動(dòng)力傳遞給一體式風(fēng)機(jī)，一體式風(fēng)機(jī)的葉輪隨傳動(dòng)軸做同步轉(zhuǎn)動(dòng)，為排種器提供取種吸力以及投種正壓力，協(xié)助排種器完成排種作業(yè)。隨后覆土器將壟溝兩側(cè)的土壤覆蓋在種薯表面，完成播種作業(yè)。

1.2 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

2CMP2型氣吸式馬鈴薯播種機(jī)雙風(fēng)機(jī)及其安裝位置如圖2所示，吸氣風(fēng)機(jī)為排種器提供取種負(fù)壓，吹氣風(fēng)機(jī)為排種器提供投種正壓。

圖2 2CMP2型氣吸式馬鈴薯播種機(jī)雙風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 2CMP2 type air suction potato planter double fan structure diagram

在2CMP2型氣吸式馬鈴薯播種機(jī)雙風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種一體式風(fēng)機(jī)，通過一體式風(fēng)機(jī)，同時(shí)為排種器提供取種負(fù)壓及投種正壓。該一體式風(fēng)機(jī)主要由端蓋、葉輪、蝸殼、吹管彎頭、軸承座、軸承、葉輪軸等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 一體式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Integrated fan structure diagram1.吹管出口 2.出氣口 3.進(jìn)氣口 4.端蓋 5.葉輪 6.吹管彎頭 7.蝸殼 8.軸承座墊板 9.軸承座 10.軸承 11.軸承內(nèi)環(huán)隔套 12.圓螺母 13.葉輪軸

播種機(jī)作業(yè)時(shí)，行走機(jī)具的動(dòng)力通過傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞給一體式風(fēng)機(jī)，帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)。其中傳統(tǒng)氣吸式播種機(jī)雙風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)由2個(gè)二級傳動(dòng)構(gòu)成，行走機(jī)具的動(dòng)力通過一級錐齒輪傳動(dòng)和二級帶輪傳動(dòng)分別傳遞給吸氣風(fēng)機(jī)和吹氣風(fēng)機(jī)；一體式風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)由一對直徑分別為140、380 mm的帶輪構(gòu)成，行走機(jī)具的動(dòng)力由動(dòng)力輸入軸通過帶傳動(dòng)傳遞給一體式風(fēng)機(jī)。在排種器的吸力作用下，空氣由排種器吸入，通過吸氣管道運(yùn)輸，由風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣口進(jìn)入葉片旋轉(zhuǎn)通道并隨葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，氣體的壓力和速度在蝸殼內(nèi)提高，經(jīng)離心作用被拋灑至葉輪邊緣，最后分為兩部分排出，一部分通過風(fēng)機(jī)出氣口排入大氣中，另一部分由吹管出口及吹氣管道輸送至排種器，為排種作業(yè)提供投種正壓。

1.3 排種器結(jié)構(gòu)及工作原理

排種器結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由吸種嘴、吸種臂、種箱、排種軸、吸管接口、吹管接口、配氣閥等結(jié)構(gòu)組成。風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣口通過吸氣管道與排種器的吸管接口相連，為排種器提供取種吸力；吹管出口通過吹氣管道與排種器的吹管接口相連，為排種器提供投種正壓力。帶有吸種嘴的排種臂均勻分布在配氣閥上，在排種軸的帶動(dòng)下做同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖4 排種器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Seeding device structure diagram1.吸種嘴 2.吸種臂 3.種箱 4.排種軸 5.吸管接口 6.吹管接口 7.配氣閥

排種過程分為取種、攜種、投種3個(gè)階段。其中種薯在吸種階段的受力情況影響風(fēng)機(jī)所需進(jìn)口負(fù)壓，種薯在投種階段受力情況影響風(fēng)機(jī)所需吹管出口正壓。在吸種階段，吸種嘴處負(fù)壓隨吸種嘴進(jìn)入種箱的深度增加而逐漸增大，達(dá)到種薯被吸附的最小負(fù)壓時(shí)，吸種嘴吸附單顆種薯做同步轉(zhuǎn)動(dòng)；隨著吸附種薯的吸種嘴數(shù)量增多，已吸附種薯的吸種嘴處負(fù)壓逐漸增大并攜帶種薯至投種區(qū)；到達(dá)投種區(qū)時(shí)，排種臂與配氣閥的負(fù)壓氣室斷開，與正壓氣室聯(lián)通，吸種嘴處壓力瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)橥斗N正壓，將種薯吹落并抵消機(jī)具前進(jìn)的水平速度，種薯在投種正壓力及重力的作用下落入種溝內(nèi)，完成排種作業(yè)。

2 排種過程力學(xué)分析

2.1 種薯形態(tài)對排種過程的影響

馬鈴薯播種前需要將種薯切塊，種薯的形態(tài)會(huì)影響其與吸種嘴接觸的有效吸附面積，從而影響排種器的取種吸力以及投種正壓力。根據(jù)馬鈴薯農(nóng)藝要求，質(zhì)量在70 g以下的種薯整薯播種；70～140 g的種薯縱切一刀，如圖5a所示；40～210 g的種薯采用橫縱切法，如圖5b所示；210 g以上的種薯在橫縱切法的基礎(chǔ)上橫向再切一刀，如圖5c所示[13]。由上述農(nóng)藝要求，得到4種不同形態(tài)的種薯，如圖5d所示。

圖5 馬鈴薯切種農(nóng)藝要求及種薯形態(tài)Fig.5 Agronomic requirements of potato seed cutting and seed potato morphology

不同形態(tài)的種薯與吸種嘴吸附方式以及同一種形態(tài)的種薯不同切面與吸種嘴的吸附方式如圖6所示。根據(jù)氣吸式馬鈴薯播種機(jī)的排種作業(yè)過程及種薯與吸種嘴的吸附形態(tài)[14]，上述8種吸附方式中，有效吸附面積最大的為方式1，吸附面積為19.63 cm2，此時(shí)種薯最易被取種并穩(wěn)定攜種；有效吸附面積最小的為方式7，吸附面積為10.24 cm2，此時(shí)種薯最難被吸附且攜種過程中易脫落。

圖6 不同形態(tài)種薯的吸附方式Fig.6 Adsorption methods of different forms of seed potatoes

2.2 吸種階段受力分析

吸種階段，種薯被吸種嘴吸附并隨排種臂做同步轉(zhuǎn)動(dòng)。按照達(dá)朗貝爾原理，在種薯運(yùn)動(dòng)的法線方向施加慣性力FI，其受力情況如圖7a所示，被吸附種薯放大圖如圖7b所示，建立直角坐標(biāo)系，被吸附的種薯受力平衡方程為

圖7 吸種階段種薯受力圖Fig.7 Seed potato force diagrams at stage of sucking seeds1.種箱 2.種薯

(1)

其中

(2)

式中FNgx——吸種嘴對被吸附種薯的支持力在X軸上的分量，N

FNgy——吸種嘴對被吸附種薯的支持力在Y軸上的分量，N

Ffg——吸種嘴對被吸附種薯的摩擦力，N

G——被吸附種薯所受重力，N

F1——吸種階段吸種嘴對種薯的吸附力，N

δ——重力與Y軸夾角，(°)

m——被吸附種薯質(zhì)量，kg

R——被吸附種薯的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，m

ω1——排種器角速度，rad/s

φg——吸種嘴與被吸附種薯間摩擦角，(°)

γ——種薯與吸種嘴接觸面切向夾角，(°)

FNg——吸種嘴對種薯的支持力，N

k——比例系數(shù)

S——吸種嘴與種薯的有效吸附面積，m2

p1——風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口負(fù)壓(吸種嘴處負(fù)壓)，kPa

則種薯能被吸附的條件為

F1≥FNgx+Ffg-Gsinδ

(3)

將式(2)代入(3)中得

(4)

根據(jù)2CMP2型氣吸式馬鈴薯播種機(jī)[14]，k取0.26，ω1取4.7 rad/s、m取切塊薯平均質(zhì)量50 g、γ取90°、R取20 cm、φg取37°、δ的取值范圍為0°～45°，為保證種薯在吸種階段能被吸附并穩(wěn)定攜種，S按最小有效吸附面積10.24 cm2計(jì)算，代入式(4)計(jì)算得到，所需風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口負(fù)壓p1最小為11.6 kPa。

2.3 投種階段受力分析

投種階段，吸種嘴處內(nèi)外壓差高于大氣壓，為種薯提供了投種正壓力，此時(shí)FNg和Ffg為零，種薯僅受自身重力和投種正壓力作用，建立直角坐標(biāo)系如圖8所示，其受力方程為

圖8 投種階段種薯受力圖Fig.8 Seed potato force map at planting stage

∑FX=F2sinθ-FIcosθ

(5)

式中F2——投種正壓力，N

θ——投種正壓力F2與Y軸夾角，(°)

為達(dá)到零速投種的目的，種薯水平速度應(yīng)滿足

(6)

式中v——播種機(jī)前進(jìn)速度，m/s

vg——種薯排出瞬間線速度，m/s

t——投種正壓力對排出種薯的作用時(shí)間，s

其中

(7)

式中l(wèi)——排種器正壓氣室所占的弧度，rad

s——理論排種粒距，m

n1——排種器轉(zhuǎn)速，r/min

Z——吸種臂數(shù)量

p2——風(fēng)機(jī)吹管出口正壓(吸種嘴處正壓)，kPa

將式(6)、(7)代入式(5)得投種階段種薯能被排出并達(dá)到零速投種的條件為

(8)

3 風(fēng)機(jī)流場數(shù)值模擬與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

3.1 數(shù)值模擬

為提高仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對一體式風(fēng)機(jī)進(jìn)行簡化，簡化后三維模型如圖9a所示。將簡化后的一體式風(fēng)機(jī)三維模型導(dǎo)入ICEM-CFD中進(jìn)行網(wǎng)格劃分[15]，得到一體式風(fēng)機(jī)網(wǎng)格如圖9b所示，參考2CMP2型氣吸式馬鈴薯播種機(jī)吸氣風(fēng)機(jī)[14]，一體式風(fēng)機(jī)其余結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖9 一體式風(fēng)機(jī)三維模型Fig.9 Three-dimensional model of integrated fan1.吹管出口 2.出氣口 3.靜域 4.動(dòng)域 5.進(jìn)氣口

根據(jù)表1的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行計(jì)算，壓力求解器選擇pressure based[16]，模型選擇RNGk-ε湍流模型[17]，壓力與速度耦合方式選擇SIMILE算法[18]，動(dòng)靜域之間的耦合采用MRF模型，并設(shè)置動(dòng)域轉(zhuǎn)速為2 400 r/min[14]。

表1 離心風(fēng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Main structural parameters of centrifugal fan

利用CFD-Post對風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，得到風(fēng)機(jī)壓力云圖如圖10所示。由圖10可知，氣體在蝸殼內(nèi)流動(dòng)較為平穩(wěn)，但靠近葉輪處壓力分布不均且湍流明顯增加。

圖10 壓力云圖Fig.10 Pressure clouds

風(fēng)機(jī)速度矢量圖如圖11所示，由圖11可知，氣體在蝸殼內(nèi)速度分布較為均勻，但在葉輪葉片流道內(nèi)流動(dòng)紊亂，葉片吸力面形成了多個(gè)渦流，在葉片流道內(nèi)產(chǎn)生了局部分離，在葉輪出口處產(chǎn)生了大面積的分離[19]。

圖11 速度矢量圖Fig.11 Speed vector

風(fēng)機(jī)速度流線圖如圖12所示。由圖12可知，氣體在風(fēng)機(jī)出口處的流動(dòng)較為平穩(wěn)，但在葉輪出口處回流現(xiàn)象明顯，嚴(yán)重影響整機(jī)的流動(dòng)性能。

圖12 速度流線圖Fig.12 Velocity streamline diagram

由上述風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場分析可知，風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)尺寸還需進(jìn)一步優(yōu)化，以提高風(fēng)機(jī)的作業(yè)質(zhì)量。

3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

3.2.1理論風(fēng)壓計(jì)算

流體在葉輪中的運(yùn)動(dòng)是復(fù)合運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)情況如圖13所示。其中流體在葉道內(nèi)隨葉輪一起旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)為圓周運(yùn)動(dòng)，即牽連運(yùn)動(dòng)，牽連速度為μ，如圖13a所示；流體相對于葉片表面的運(yùn)動(dòng)為相對運(yùn)動(dòng)，相對速度為ω，如圖13b所示；牽連運(yùn)動(dòng)與相對運(yùn)動(dòng)復(fù)合形成流體的絕對運(yùn)動(dòng)，絕對速度v，如圖13c所示；3種速度合成的矢量圖如圖13d 所示，其中α為進(jìn)流角，即絕對速度v和牽連速度μ的夾角，β為流動(dòng)角，即相對速度為ω和牽連速度μ反方向的夾角。

圖13 流體在葉輪內(nèi)的運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.13 Movement of fluid in impeller

風(fēng)機(jī)傳動(dòng)軸所獲得的功率N1、葉輪傳遞給氣體的功率N2表達(dá)式分別為

(9)

式中M——輸入的扭矩，N·m

PT——風(fēng)機(jī)理論風(fēng)壓，Pa

QT——風(fēng)機(jī)的氣體體積流量，m3/s

ω2——葉輪旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s

假設(shè)風(fēng)機(jī)傳動(dòng)軸上沒有能量損耗，動(dòng)力輸入值即為氣體所獲得的能量，則風(fēng)機(jī)理論風(fēng)壓為

(10)

根據(jù)流體連續(xù)方程式，通過每個(gè)截面的氣體質(zhì)量相等，則葉輪進(jìn)、出口動(dòng)量矩分別為

(11)

式中M1——葉輪進(jìn)口動(dòng)量矩，kg·m/s

M2——葉輪出口動(dòng)量矩，kg·m/s

ρ——空氣密度，取1.24 kg/m3

v1——葉輪進(jìn)口絕對速度，m/s

v2——葉輪出口絕對速度，m/s

D1——葉片進(jìn)口直徑，mm

D2——葉輪外徑，mm

α1——葉輪進(jìn)口處進(jìn)流角，(°)

α2——葉輪出口處進(jìn)流角，(°)

則輸入扭矩M為

(12)

由速度三角形及幾何關(guān)系可得

(13)

式中n——葉輪轉(zhuǎn)速，r/min

D′——葉輪上任意點(diǎn)處直徑，mm

將式(12)、(13)代入式(10)中得

(14)

式中β1——葉輪進(jìn)口處流動(dòng)角，(°)

β2——葉輪出口處流動(dòng)角，(°)

由式(14)可知，影響風(fēng)機(jī)理論風(fēng)壓的因素有n、D1、D2、α1、α2、β1、β2等，當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片形狀確定后，D1、α1、α2、β1、β2為定值，不隨其他因素改變而改變，因此，影響風(fēng)機(jī)理論風(fēng)壓的因素為n、D2。

3.2.2能頭計(jì)算

按照流體力學(xué)中葉柵理論，當(dāng)葉輪葉片數(shù)由無限個(gè)變?yōu)橛邢迋€(gè)時(shí)，由于軸向渦流的作用，葉輪的理論能頭有所降低。由斯托道拉公式[20]知，能頭降低值ΔHT為

(15)

式中g(shù)——重力加速度，m/s2

Da——葉片數(shù)有限時(shí)葉輪的有效直徑，mm

Da受軸向渦流的影響，其表達(dá)式為

(16)

式中z——葉片數(shù)

將式(16)代入式(15)中得

(17)

按斯托道拉方法計(jì)算，葉片數(shù)為無限時(shí)葉輪理論能頭HT∞為

(18)

式中u2——葉輪出口處圓周速度，m/s

v2u——葉輪出口處絕對速度在切線方向上的投影，m/s

v2u∞——葉片數(shù)為無限時(shí)葉輪出口處絕對速度在切線方向上的投影，m/s

由幾何關(guān)系可得

(19)

葉輪有限葉片數(shù)理論能頭HT為

HT=HT∞-ΔHT

(20)

將式(17)～(19)代入式(20)中得

(21)

由式(21)可知，影響葉輪能頭的主要因素為D2、n、z、α2、β2，根據(jù)2CMP2型氣吸式馬鈴薯播種機(jī)吸氣風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)[14]，α2取16°、β2取106°，因此影響葉輪能頭的因素為D2、n、z。

根據(jù)馬鈴薯播種的農(nóng)藝要求[21]，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于1 800 r/min時(shí)漏播現(xiàn)象比較嚴(yán)重，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于2 800 r/min時(shí)重播現(xiàn)象比較嚴(yán)重，為提高播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量，取風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為1 800～2 800 r/min。

根據(jù)風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)理論，葉輪外徑表達(dá)式為

(22)

p——風(fēng)機(jī)最大風(fēng)壓，kPa

由埃克定律[23]知，葉片數(shù)表達(dá)式為

(23)

D1取160 mm、D2取924～1 438 mm，代入式(23)得葉片數(shù)z的取值范圍為8～12。

4 仿真試驗(yàn)

4.1 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

通過數(shù)值模擬進(jìn)行流場分析及風(fēng)機(jī)能頭計(jì)算，對現(xiàn)有風(fēng)機(jī)的主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。本文采用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)方法，選取葉輪外徑D2、葉片數(shù)z、葉輪轉(zhuǎn)速n為試驗(yàn)因素，以風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口處負(fù)壓Y1、吹管出口處正壓Y2為目標(biāo)函數(shù)，試驗(yàn)因素編碼如表2所示，試驗(yàn)方案如表3所示，X1、X2、X3為因素編碼值。采用Design-Expert軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Coding of test factors

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Test scheme and results

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.2.1試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

4.2.2結(jié)果分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析，并對各試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行多元回歸擬合[24-25]，得到進(jìn)氣口負(fù)壓Y1和吹管出口正壓Y2的回歸方程，并檢驗(yàn)各試驗(yàn)因素的顯著性。

(1)進(jìn)氣口負(fù)壓Y1顯著性分析

(24)

對式(24)進(jìn)行失擬檢驗(yàn)，結(jié)果如表4所示，失擬項(xiàng)P=0.858 9，不顯著(P>0.1)，證明方程模擬較好，不存在其他影響試驗(yàn)指標(biāo)的主要因素。通過失擬檢驗(yàn)表明試驗(yàn)因素和試驗(yàn)指標(biāo)存在顯著的二次關(guān)系，上述分析結(jié)果較合理。

表4 進(jìn)氣口負(fù)壓Y1方差分析Tab.4 Variance analysis of inlet negative pressure

(2)吹管出口正壓Y2顯著性分析

表5 吹管出口正壓Y2方差分析Tab.5 Variance analysis of blow pipe outlet positive pressure

(25)

對式(25)進(jìn)行失擬檢驗(yàn)，結(jié)果如表5所示，其中P=0.620 2，不顯著(P>0.1)，證明方程模擬較好，不存在其他影響指標(biāo)的主要因素，試驗(yàn)因素和試驗(yàn)指標(biāo)存在顯著的二次關(guān)系，上述分析結(jié)果合理。

4.2.3響應(yīng)曲面分析

運(yùn)用軟件分析各因素對性能指標(biāo)影響效應(yīng)，采用降維法繪制每組顯著的交互作用分別對進(jìn)氣口負(fù)壓、吹管出口正壓影響的響應(yīng)曲面，如圖14所示。

圖14 試驗(yàn)因素對指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面Fig.14 Response surfaces of influence of test factors on index

葉輪外徑與葉片數(shù)對進(jìn)氣口負(fù)壓影響的響應(yīng)曲面如圖14a所示，當(dāng)葉輪外徑一定時(shí)，進(jìn)氣口負(fù)壓隨著葉片數(shù)增加呈上升趨勢，最優(yōu)的葉片數(shù)范圍為9～12個(gè)；當(dāng)葉片數(shù)一定時(shí)，進(jìn)氣口負(fù)壓隨著葉輪外徑的增加呈上升趨勢，最優(yōu)的葉輪外徑范圍為988.25～1 116.75 mm，其中葉片數(shù)是影響進(jìn)氣口負(fù)壓的主要試驗(yàn)因素；葉輪外徑與葉輪轉(zhuǎn)速對進(jìn)氣口負(fù)壓影響的響應(yīng)曲面如圖14b所示，當(dāng)葉輪外徑一定時(shí)，進(jìn)氣口負(fù)壓隨著葉輪轉(zhuǎn)速增加呈上升趨勢，最優(yōu)的葉輪轉(zhuǎn)速范圍為2 300～2 600 r/min；當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速一定時(shí)，進(jìn)氣口負(fù)壓隨著葉輪外徑的增加呈上升趨勢，最優(yōu)葉輪外徑范圍為1 026.80～1 232.40 mm，其中葉輪轉(zhuǎn)速是影響進(jìn)氣口負(fù)壓的主要試驗(yàn)因素。

葉輪轉(zhuǎn)速與葉輪外徑對吹管出口正壓影響的響應(yīng)曲面如圖14c所示，當(dāng)葉輪外徑一定時(shí)，吹管出口正壓隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增加呈上升趨勢，最優(yōu)的葉輪轉(zhuǎn)速范圍為2 400～2 600 r/min；當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速一定時(shí)，吹管出口正壓隨著葉輪外徑的增加呈上升趨勢，最優(yōu)的葉輪外徑范圍為988.25～1 116.75 mm，其中葉輪外徑是影響吹管出口正壓的主要試驗(yàn)因素；葉輪轉(zhuǎn)速與葉片數(shù)對吹管出口正壓影響的響應(yīng)曲面如圖14d所示，當(dāng)葉片數(shù)一定時(shí)，吹管出口正壓隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增加呈上升趨勢，最優(yōu)的葉輪轉(zhuǎn)速范圍為2 300～2 600 r/min；當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速一定時(shí)，吹管出口正壓隨著葉片數(shù)的增加呈先上升后下降趨勢， 最優(yōu)的葉片數(shù)范圍為8～11個(gè)，其中葉輪轉(zhuǎn)速是影響吹管出口正壓的主要試驗(yàn)因素。

4.2.4參數(shù)優(yōu)化

通過對試驗(yàn)結(jié)果以及圖14中4個(gè)響應(yīng)曲面的分析，得到最佳的試驗(yàn)因素水平組合，并利用Design-Expert 8.0.6軟件中的優(yōu)化模塊對3個(gè)回歸模型進(jìn)行求解。根據(jù)實(shí)際工作條件，作業(yè)性能要求及上述相關(guān)模型分析結(jié)果，選擇優(yōu)化約束條件為

(26)

對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，結(jié)果為：當(dāng)葉輪外徑為1 099 mm、葉片數(shù)為10個(gè)、葉輪轉(zhuǎn)速為2 532 r/min時(shí)，進(jìn)氣口負(fù)壓為11.6 kPa，吹管出口正壓為3.7 kPa。

5 田間試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于2021年5月在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)北方馬鈴薯全程機(jī)械化試驗(yàn)基地進(jìn)行，采用裝有優(yōu)化后一體式風(fēng)機(jī)、雙風(fēng)機(jī)的2CMP2型播種機(jī)進(jìn)行對比試驗(yàn)。試驗(yàn)田土地平整，長度為1 000 m，土壤含水率為18.2%，土壤堅(jiān)實(shí)度為60.7 kPa，配套動(dòng)力選擇161.7 kW的約翰迪爾2204型輪式拖拉機(jī)，試驗(yàn)種薯選擇中薯5號(hào)，平均質(zhì)量為45.2 g。試驗(yàn)設(shè)備主要包括鋼板尺、JZC-30A3型電子秤、TYD-2型土壤堅(jiān)實(shí)度儀、數(shù)顯游標(biāo)卡尺、TZS-1型土壤水分速測儀等。其中優(yōu)化后一體式風(fēng)機(jī)如圖15a所示，作業(yè)過程如圖15b所示，播種效果如圖15c所示。

圖15 田間試驗(yàn)Fig.15 Field experiment charts

5.2 評價(jià)指標(biāo)

根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況，并參考NY/T 503—2015《單粒(精密)播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量》規(guī)定的試驗(yàn)方法，選擇150 mm為理論排種株距，將重播指數(shù)、漏播指數(shù)、合格指數(shù)作為本對比試驗(yàn)研究的評價(jià)指標(biāo)，隨機(jī)選取5行進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每行測量100個(gè)種薯的間距，共選取500個(gè)種薯進(jìn)行株距測量，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值，分別計(jì)算出裝有優(yōu)化后一體式風(fēng)機(jī)、2CMP2型雙風(fēng)機(jī)的播種機(jī)作業(yè)后的重播指數(shù)、漏播指數(shù)和合格指數(shù)。

5.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化的一體式風(fēng)機(jī)性能指標(biāo)與2CMP2型播種機(jī)雙風(fēng)機(jī)性能指標(biāo)對比結(jié)果如表6所示。一體式風(fēng)機(jī)的參數(shù)選擇為：葉輪外徑為1 099 mm，葉片數(shù)為10個(gè)，葉輪轉(zhuǎn)速為2 532 r/min。試驗(yàn)結(jié)果表明，裝有經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化的一體式風(fēng)機(jī)的播種機(jī)重播指數(shù)為2.34%、漏播指數(shù)為2.35%、合格指數(shù)為95.31%，均優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)；相較于裝有雙風(fēng)機(jī)的2CMP2型播種機(jī)，參數(shù)優(yōu)化后的一體式風(fēng)機(jī)重播指數(shù)降低了14.0%、漏播指數(shù)降低了17.0%、合格指數(shù)提高了0.92%。這是由于參數(shù)優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)集吸、吹雙作用于一體，增大了氣體在風(fēng)機(jī)中的流動(dòng)穩(wěn)定性，從而減少了排種器在排種過程產(chǎn)生的脈動(dòng)，降低了重播指數(shù)與漏播指數(shù)。一體式風(fēng)機(jī)簡化了整機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)，降低了所需配套機(jī)具的速度與動(dòng)力，且風(fēng)機(jī)在投種過程產(chǎn)生的投種正壓力抵消了部分機(jī)具的前進(jìn)速度，使種薯接近“零速投種”，提高了合格指數(shù)。對比試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化參數(shù)的合理性，按參數(shù)優(yōu)化調(diào)節(jié)后的一體式風(fēng)機(jī)提高了馬鈴薯播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量。

表6 田間試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Field test results

6 結(jié)論

(1)優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種氣吸式馬鈴薯播種機(jī)一體式風(fēng)機(jī)裝置，通過對風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定影響風(fēng)機(jī)的3個(gè)主要因素為葉輪外徑、葉片數(shù)和葉輪轉(zhuǎn)速。

(2)對所設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)裝置進(jìn)行了二次正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗(yàn)，建立了各個(gè)因素與指標(biāo)間的回歸模型，得出：當(dāng)葉輪外徑為1 099 mm，葉片數(shù)為10個(gè)，葉輪轉(zhuǎn)速為2 532 r/min時(shí)，風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)，此時(shí)風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口負(fù)壓為11.6 kPa，吹管出口正壓為3.7 kPa，滿足排種器作業(yè)的要求。

(3)對所設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)裝置進(jìn)行了田間對比試驗(yàn)，當(dāng)風(fēng)機(jī)葉輪外徑為1 099 mm、葉片數(shù)為10個(gè)、葉輪轉(zhuǎn)速為2 532 r/min時(shí)，播種機(jī)的重播指數(shù)為2.34%、漏播指數(shù)為2.35%、合格指數(shù)為95.31%，與2CMP2型雙風(fēng)機(jī)播種機(jī)相比，重播指數(shù)降低了14.0%、漏播指數(shù)降低了17.0%、合格指數(shù)提高了0.92%，提高了馬鈴薯播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量。