气吸式播种器排种盘结构参数分析及优化——基于Fluent软件

任永飞，林蜀云，汤 耿，李坦东，徐 良

(1.贵州省山地农业机械研究所，贵阳 550002；2.贵州师范大学，贵阳 550002)

0 引言

随着现代化农业的发展，农作物生产逐步走向规模化、集约化经营道路，对于山地的农作物种植条件及机械化水平要求越来越高。精密播种机可以分为机械式播种机和气吸式播种机。目前，西南山地主要使用的是机械式播种机。机械式播种机具有受土质条件影响大、对种子外形尺寸要求高、播种密度不稳定等缺点。因此，发展山地小型气吸式播种机能够提高播种精度，具有更好的适应性。

本文根据气吸式播种器的结构特点，设计差异性吸种孔壁夹角的播种盘，通过数学模型分析气吸式播种器中气流速度与真空室负压的影响因素；利用Gambit建立气吸式全流道三维模型及网格划分，通过Fluent软件模拟排种器真空室内部流场速度与负压，分析出影响排种盘主要的结构参数，有利于排种盘的设计制造。模拟试验数据为制造小型气吸式播种机动力选型提供了理论依据。

1 排种器结构和原理介绍

气吸式排种器主要由外壳、储种室、真空室、排种盘、刷种装置及搅种轮等组成，如图1所示。

1.种箱 2.刷种装置 3.排种器壳体 4.吸气管 5.排种盘 6.搅种轮 7.导种装置

工作原理：排种器工作时，排种盘将储种室与真空室隔开，风机产生的负压使真空室达到一定的真空度，搅种轮将储种室内种子搅拌疏松；由于真空室与储种室有气压差，储种室内种子被吸种孔的吸力吸住，并随排种盘一起转动；当转动到刷种装置时，将多余的种子剔掉，留一颗种子转动到卸压区，负压消失，种子在自重的作用下经导管排入种沟内，完成一粒种子的播种。排种盘上有多个孔，旋转时就能完成连续的精量播种。

2 排种盘吸种气流场理论因素分析

影响气吸式排种气流的因素很多，包括排种盘大小、孔数、孔的形状，以及工作过程中动态参数、种子外形尺寸、吸附状态等因素对气流的影响。

2.1 流体力学分析

在排种盘静止情况下，风流动受力分析如图2所示。假设风是以柱状流动的，取长度为Δh、直径为d的风柱，风柱流动速度为v，空气密度为ρ，柱状气流质量m，计算风吸附力F。

(1)

由式(1)可得到空气流动时产生的吸附力与空气密度、风柱直径大小、风速的公式。

图2 模拟风柱图

2.2 结构的吸种受力分析

在播种机播种过程中，吸附种子过程的受力分析如图3所示。

图3 工作时种子受力分析图

排种器工作时，若忽略摩擦力的作用，则种子主要受力为重力G，排种盘转动惯性力J=mRw2。其中，m为种子质量(kg)；R为种子重心到排种盘中心距离(mm)；w为排种盘角速度(rad/s)；J为吸孔对种子的支持力N的作用[1]。

假设排种盘的吸种孔壁与轴心夹角为θ，要使吸种孔吸住种子，必须满足的条件为

(2)

其中，F为受到吸附力(N)；T为重力G与惯性力J的合力(N)；D为吸孔直径(mm)；r为种子半径(mm)。

(3)

其中，P0为大气压力(Pa)；P1为真空负压力(Pa)。

(4)

整理式(1)～式(4)，取其中风柱d等于吸种孔直径D，得出风吸附力、气流速度与真空室压强的相关因素，即

(5)

2.3 相关因素的分析

根据上述公式，在排种盘静止情况下，空气流动时产生的吸附力与空气密度ρ、风柱直径d大小(即吸种孔大小)及吸种风速v有关。在排种盘工作过程中，吸种产生的风力与支持力N、吸种孔壁与轴心夹角θ有关；吸种的风速与种子质量m、吸种孔直径D、种子重心到排种盘中心距离R、排种盘角速度w、吸种孔壁与轴心夹角θ有关。其中，种子质量m是固有的属性，吸种孔直径由试验方法确定得到D=(0.64～0.66)r(r为种子平均宽度)[2-3]，种子重心到排种盘中心距离R与排种盘角速度w成反比关系。因此，在本文不讨论m、D、R、w的影响因素。

再进一步详细讨论如下：在函数F(u)、v2(u)、P1(u)中，当θ在0°～45°范围内增大时，cosθ≥sinθ，tanθ≤1，则风力、风速、压强变化速率小。此时，吸种孔壁的夹角会产生一个对种子支持力，排种盘上吸种孔的凹槽能适应种子形状，对吸种过程是有利的；而当θ在45°～90°范围内增大时，cosθ≤sinθ，tanθ≥1，则风力、风速、压强变化速率大。虽然吸种孔壁与轴心夹角越大，排种盘上吸种孔的凹槽更能适应种子形状；但风力、风速、压强变化速率大，对于研究气吸式播种器的吸种过程是不利的。

3 排种盘吸种气流场有限元分析

通过数学模型分析，得出风力、风速、压强与排种盘上吸种孔的开孔角度有关，且开孔角度不同角度范围内增大时，风力、风速、压强的变化速率不同。因此，运用Gambit、Fluent软件进行验证分析。

由于排种盘的整个真空室流道较简单，为了减少实体模型在数据转化时的损失，能更准确模拟真空的实际情况，得到更加准确的结果，以流体力学知识为设计依据，运用Gambit软件绘制出排种盘中整个真空室流道的三维模型并进行划分网格及有关参数的定义。图4为真空室流道模型图，图5为真空室流到模型网格划分图。

图4 真空室流道模型图

图5 真空室流道模型网格划分图

真空室是气吸式排种装置形成负压的主要区域。吸风机产生负压进一步扩展到送风管与吸种孔，形成气流的流动，吸附种子。为方便研究，在排种盘上取8孔来进行模拟，其中排种盘中左下2孔没有负压吸附种子，在有限元分析时不考虑。

在Fluent边界条件中，入口速度设置为5m/s时，分析不同角度的真空室速度与负压。图6为吸种孔壁轴心夹角0°时的真空室速度与负压云图。

按照上述步骤，在Fluent边界条件中模拟得出速度与负压数据，列出排种盘上吸种孔壁与水平夹角成0°～65°时真空室的速度与负压变化图，如图7所示。

由图7(a)可知：当θ在0°～45°范围内逐渐增大时，真空室速度呈平缓的、趋于线性的增大趋势；当θ≥45°时，真空室速度呈较陡的、非线性的增大趋势；由图7(b)可知：当θ在0°～45°范围内逐渐增大时，真空室负压呈平缓的、趋于线性的增大趋势；当θ≥45°时，真空室速度呈陡峭的、非线性增大趋势。

因此，通过软件模拟验证可知：在0°～45°范围内增大吸种孔的角度，真空室速度与负压变化平缓，对吸种过程的影响较小，配套的风机与动力的稳定性好，也便于排种盘的加工制造，此时增加吸种孔的角度是有利的；反之，45°以上增大吸种孔的角度，真空室速度与负压变化速率较大，对吸种过程的影响较大，需要频繁更换大风机与其匹配动力，此时增加吸种孔的角度是不利的。

图6 吸种孔壁与轴心夹角0°时的真空室负压与速度云图

图7 不同角度时真空室负压与速度曲线图

4 排种盘性能试验分析

不讨论种子质量m、排种盘吸种孔直径D、种子重心到排种盘中心距离R及排种盘角速度w等影响因素，对排种盘的吸种孔壁与轴心夹角单因素在不同水平下进行单因子变量试验[4-5]，结果如表1和图8所示。

表1 不同角度下的实验安排表

图8 不同角度下的排种性能指标

试验结果表明: 在不讨论种子质量m、排种盘吸种孔直径D、种子重心到排种盘中心距离R及排种盘角速度w等影响因素的条件下，保证其他条件不变，吸种孔角度为0°～45°时，漏播率逐渐减小，种子的空穴较少，播种质量提高；当吸种孔角度为30°～45°时，漏播率与重播率相对平衡，排种效果最佳。

5 结论

利用Gambit软件对排种盘流体场进行建模和网格划分，采用Fluent对该模型进行前处理、后处理及分析，并对气吸式播种器的播种盘进行了真空室流场分析。结果表明：在忽略排种器气密性及种子形状的规则性等因素前提下，排种盘上吸种孔壁与轴心夹角在0°～45°范围内增大时有利于种子吸附，以及风机选型与动力匹配。

2)对排种盘在4kPa真空度下，进行0°～60°轴心夹角单因子变量试验，结果表明：吸种孔壁与轴心夹角在0°～45°增大过程中，漏播率逐渐减小，种子的空穴较少，播种质量提高；当角度在30°～45°时，排种效果最佳。

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