正負(fù)壓式精量排種器設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化

柏文杰，李 穎，于華麗，趙達(dá)衛(wèi)，李新領(lǐng)，趙曉順

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001；2.張家口市農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣站，河北 張家口 075000）

近年來，隨著綠色發(fā)展理念和消費(fèi)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(jì)價(jià)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(jī)械式和氣吸式，機(jī)械式播種機(jī)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(shè)計(jì)了1 種沉孔輪式排種器。戴立勛等［4］設(shè)計(jì)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(dǎo)種槽和導(dǎo)種管相配合設(shè)計(jì)了1 種小麥寬幅精量排種器。劉彩鈴等［6］設(shè)計(jì)了1 種利用剛性卡片強(qiáng)制投種的勾型窩眼輪式小麥精量排種器。以上研究均為機(jī)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(yīng)性差等問題。

隨著精量播種技術(shù)的發(fā)展，氣吸式排種器逐漸代替機(jī)械式排種器，成為未來發(fā)展的主流［7-11］。目前，國外以機(jī)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(shí)驗(yàn)室階段。劉俊孝等［16］利用Fluent 對針管式小麥排種器進(jìn)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(shè)計(jì)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(yàn)對氣吸型組合式小麥精量排種器進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)?；谏鲜鲅芯浚噍^于機(jī)械式排種器，氣吸式排種器對于不同尺寸的種子適應(yīng)性較強(qiáng)，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(shè)計(jì)了1 種滾筒正負(fù)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(fù)壓等因素對排種器性能的影響。

1 排種器總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 排種器結(jié)構(gòu)

滾筒正負(fù)壓式排種器結(jié)構(gòu)如圖1 與圖2 所示。排種器中心管與風(fēng)機(jī)通過軟管連接，提供正負(fù)氣壓。為了保證排種器同弧度，正負(fù)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(fù)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(xiàn)資料［21-24］及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定排種器模型的基本結(jié)構(gòu)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(gòu)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(fù)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(yùn)動狀態(tài)不斷發(fā)生變化。被吸附的種子隨滾筒沿順時(shí)針方向運(yùn)動，種子脫離種群之后，經(jīng)過穩(wěn)定區(qū)，進(jìn)入投種區(qū)。在穩(wěn)定區(qū)，種子在重力以及負(fù)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(shí)時(shí)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(yùn)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(gòu)參數(shù)的排種器進(jìn)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(dǎo)入到SpaceClaim 2019 R3 中，進(jìn)行體積抽取、建立流場模型。根據(jù)流場分布特點(diǎn)，將仿真模型分為負(fù)壓區(qū)域、正壓區(qū)域和種孔區(qū)域。如圖5 和圖6 所示，運(yùn)用Fluent2019 R3 軟件對模型進(jìn)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(shè)置

運(yùn)用控制體積法建立離散方程，選擇壓力基求解器，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解。選擇雷諾應(yīng)力模型和標(biāo)準(zhǔn)k?ε湍流模型，將標(biāo)準(zhǔn)壁面設(shè)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(xiàng)默認(rèn)的條件下進(jìn)行求解計(jì)算。

將Pressure outlet 定義在與大氣相通的端面，壓強(qiáng)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(yàn)臺的性能參數(shù)，負(fù)壓端口分別設(shè)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(xiàng)保持默認(rèn)。

如圖7 所示，經(jīng)過多次迭代計(jì)算，迭代500 步時(shí)，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(xì)胞增殖的影響 MTT比色法描繪細(xì)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(xì)胞生長速率相近，而pSIREN-hTERT轉(zhuǎn)染的A2780細(xì)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(jì)學(xué)意義(均P<0.05)，表明靶向hTERT的shRNA導(dǎo)入抑制了A2780細(xì)胞的增殖能力。見表1。

圖7 迭代500 步時(shí)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)壓吸氣口連接，在截面處的負(fù)壓區(qū)域有差異，后3 排由于沒有負(fù)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(fù)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(dāng)吸種負(fù)壓、種孔直徑和種孔數(shù)目改變時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)分析與負(fù)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(shí)，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(fù)壓、種孔直徑和每排種孔數(shù)目為變量進(jìn)行單因素試驗(yàn)，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(yàn)發(fā)現(xiàn)小麥種子被滾筒吸附時(shí)，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(yàn)公式中（1）［26］中計(jì)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(shè)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(jìn)行仿真分析，在種孔數(shù)目28 個，負(fù)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(diǎn)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(shí)，吸附能力弱，流場速度低，漏播率增加；種孔為1.8 mm 時(shí)，吸附能力強(qiáng)，流場速度高，重播率增加；種孔為2.0 mm 時(shí)速度與壓力不會出現(xiàn)過大或者過小的問題，此時(shí)的合格率相較于其他尺寸種孔條件下較高；當(dāng)種孔為2.2 mm 以及2.4 mm 時(shí)，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(diǎn)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(fù)壓恒定時(shí)，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(fù)壓值的影響 以吸種負(fù)壓值為變量進(jìn)行仿真分析，吸種負(fù)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(fù)壓下的壓力云圖Fig.18 Pressure nephogram under different negative pressure

圖19 不同吸種負(fù)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(diǎn)線圖，隨著吸種負(fù)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(dāng)負(fù)壓絕對值過大時(shí)，流場速度越高，吸附力越強(qiáng)，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(fù)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(fù)壓在?4.0～ ?2.5 kPa 范圍內(nèi)。

圖20 吸種負(fù)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(shè)定

EDEM 仿真模型如圖21 所示，材料設(shè)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(shè)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(shí)間步長設(shè)置為5×10?5s。EDEM 的仿真分為2 次，仿真總時(shí)長為10 s，第1 次仿真時(shí)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(shí)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(jìn)行仿真。同時(shí)開始進(jìn)行耦合設(shè)置，F(xiàn)luent 設(shè)置為瞬態(tài)求解，進(jìn)氣口壓力為0.3 kPa，時(shí)間步長設(shè)置為EDEM 的整數(shù)倍［27］，即1×10?3s，步數(shù)為5 000 步，其他設(shè)置保持默認(rèn)。

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(xué)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(fù)壓作用，逐漸被吸附在種孔上隨著滾筒轉(zhuǎn)動。當(dāng)種子隨滾筒轉(zhuǎn)到最高處時(shí)對種子狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(jì)100 個種孔的種子吸附狀況。在轉(zhuǎn)速為15 r/min 時(shí)，種子的速度和角速度變化以及運(yùn)動軌跡如圖24 所示。與實(shí)際趨勢的一致性表明了仿真的可靠性。

圖24 小麥種子的運(yùn)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(shí)間長短的影響，速度過大時(shí)，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(shí)還會增大傷種率。根據(jù)JPS-12 排種器試驗(yàn)臺的初步試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)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(jì)結(jié)果如表4 所示，并將結(jié)果繪制成散點(diǎn)圖，如圖25 所示。根據(jù)散點(diǎn)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(shí)驗(yàn)中，15～27 r/min 時(shí)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(jī)械式排種器易傷種，排種不均勻以及滾筒正負(fù)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(fù)壓等影響的問題，設(shè)計(jì)了1 種滾筒正負(fù)壓式排種器，并對其進(jìn)行了仿真分析。

（2）以種孔直徑、每排種孔數(shù)目和吸種負(fù)壓為變量，以種孔內(nèi)流場的速度與壓力為指標(biāo)，應(yīng)用Fluent軟件對排種器內(nèi)部流場進(jìn)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(fù)壓的范圍為?4.0～?2.5 kPa。

（3）應(yīng)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(yùn)動軌跡圖、速度折線圖以及角速度折線圖，進(jìn)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。