氣力式水稻芽種直播精量排種器關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與仿真

張 順， 夏俊芳， 翟建波， 張秀梅

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖北 武漢 430070）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以電子計(jì)算機(jī)為設(shè)計(jì)和分析平臺(tái)的 CAD/CAE/CAM 技術(shù)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)和分析的領(lǐng)域中[1]。利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的關(guān)鍵零部件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)和數(shù)字化建模，極大的方便了研究人員的設(shè)計(jì)工作，并能縮短研發(fā)周期，降低制造成本。

精量排種器是水稻直播機(jī)的關(guān)鍵工作部件，而氣吸滾筒式精量排種器的窩眼滾筒則直接關(guān)系到排種器排種性能的優(yōu)劣，是排種器的關(guān)鍵部件之一，因此窩眼滾筒及其窩眼吸孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)是精量排種器研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。采用傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械研究與設(shè)計(jì)方法，難以精確的計(jì)算出窩眼及吸孔內(nèi)部氣流場(chǎng)的流動(dòng)情況，在氣力式排種器設(shè)計(jì)時(shí)只能憑借研發(fā)人員的工作經(jīng)驗(yàn)完成樣機(jī)設(shè)計(jì)和試制，不僅工作量繁重，而且研發(fā)周期長(zhǎng)，制造成本高。本文采用Pro/E軟件分別對(duì)窩眼滾筒及窩眼吸孔內(nèi)部的氣流場(chǎng)進(jìn)行三維建模，并應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)CFD軟件對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的窩眼進(jìn)行內(nèi)部的氣流場(chǎng)仿真模擬，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析和研究，為后續(xù)排種器窩眼形狀的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。這種研究模式能方便快捷的實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械中復(fù)雜零部件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，減輕研究人員的負(fù)擔(dān)，并能獲得更為精確的結(jié)果。

1 排種器結(jié)構(gòu)及工作原理

氣力式水稻芽種直播精量排種器主要由振動(dòng)種箱、窩眼滾筒、清種毛刷和隨動(dòng)護(hù)種裝置等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，滾筒內(nèi)部由中間隔斷的進(jìn)、出氣空心軸與正、負(fù)壓區(qū)相連通。排種器工作時(shí)，滾筒圍繞空心軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，隨動(dòng)護(hù)種帶緊貼滾筒表面并隨滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤凸輪帶動(dòng)種箱篩板往復(fù)振動(dòng)為吸種區(qū)提供穩(wěn)定流暢的芽種，并依靠種箱篩板的振動(dòng)篩除芽種中夾帶的碎芽和雜質(zhì)，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)后，滾筒內(nèi)正、負(fù)壓區(qū)產(chǎn)生一定的正、負(fù)壓，形成吹力和吸力。當(dāng)滾筒上的窩眼進(jìn)入吸種區(qū)時(shí)，憑借負(fù)壓吸力，芽種被吸附到滾筒窩眼內(nèi)并隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，清種毛刷清除掉多余的芽種，剩余的芽種依靠吸力隨滾筒繼續(xù)旋轉(zhuǎn)進(jìn)入攜種區(qū)，隨動(dòng)護(hù)種帶配合滾筒窩眼將芽種護(hù)送到排種區(qū)，此時(shí)依靠正壓吹力及芽種自重將窩眼內(nèi)的芽種排入導(dǎo)種管，完成芽種精量排種。

圖1 排種器結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 滾筒直徑及轉(zhuǎn)速的確定

將設(shè)計(jì)的芽種直播精量排種器與湖北監(jiān)利縣奔牛機(jī)械有限公司生產(chǎn)的船式拖拉機(jī)掛接。由文獻(xiàn)[2]可知，直播機(jī)工作時(shí)的前進(jìn)速度為4.0～4.8 km/h。根據(jù)水稻種植農(nóng)藝要求可知直播機(jī)生產(chǎn)效率存在如下關(guān)系式：

式中，η：直播機(jī)的生產(chǎn)效率(hm2/h)；v：直播機(jī)的前進(jìn)速度(km/h)；l：播種幅寬(m)；n：滾筒轉(zhuǎn)速(r/m)；z：滾筒周向窩眼數(shù)；m：滾筒軸向窩眼數(shù)；l1：水稻株距(cm)；l2：水稻行距(cm)。

借鑒市面上現(xiàn)有的水稻直播機(jī)型的生產(chǎn)效率，取播種幅寬l為1.8 m，芽種直播機(jī)的生產(chǎn)效率為0.72～0.86 hm2/h，滿足水稻直播機(jī)的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。為滿足雜交稻的種植農(nóng)藝要求，行株距l(xiāng)2×l1定為30 cm×25 cm[3]，則1.8 m的幅寬所對(duì)應(yīng)的行數(shù)為7行，即滾筒軸向窩眼數(shù)m=7，故式(1)整理為：

從式(2)可知，當(dāng)生產(chǎn)效率一定時(shí)，轉(zhuǎn)速n和滾筒周向窩眼數(shù)z成反比。增加周向窩眼數(shù)固然能降低滾筒轉(zhuǎn)速，但在保持一定滾筒周向窩眼間距的前提下，相應(yīng)的滾筒直徑會(huì)增大，負(fù)壓區(qū)與工作時(shí)所需負(fù)壓也會(huì)隨之增大，風(fēng)機(jī)功耗增加。但當(dāng)滾筒直徑過(guò)大時(shí)，在相同的風(fēng)機(jī)功率下，負(fù)壓區(qū)真空度會(huì)降低，窩眼吸種困難；而當(dāng)滾筒直徑過(guò)小時(shí)，周向窩眼數(shù)減少，為保證一定的生產(chǎn)效率，必然需要提高滾筒轉(zhuǎn)速，相應(yīng)充種區(qū)的吸種時(shí)間減少，吸種不充分，容易形成空穴，而排種區(qū)投種時(shí)種子因水平方向速度分量過(guò)大易在導(dǎo)種管中與管壁發(fā)生多次碰撞，延長(zhǎng)落種時(shí)間，導(dǎo)致播后株距分布不均或漏播現(xiàn)象。因此，綜合考慮各因素，同時(shí)借鑒當(dāng)前國(guó)內(nèi)外氣吸滾筒式排種器的研究生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)[4]，設(shè)計(jì)滾筒的直徑為200 mm，滾筒周向等距分布16個(gè)窩眼，窩眼中心距為 39.25 mm，保證周向窩眼吸種時(shí)互不影響。由以上數(shù)據(jù)可知滾筒轉(zhuǎn)速 n為16.67～19.86 r/min，符合氣吸滾筒的設(shè)計(jì)要求[5-6]。

1.2 吸種窩眼的設(shè)計(jì)

按照雜交稻的種植農(nóng)藝要求及生長(zhǎng)特性可知，當(dāng)采用芽種直播技術(shù)時(shí)，雜交稻每穴播種2～4粒為宜。少于2粒稻種，容易因蟲獸或自身病害等因素導(dǎo)致空穴現(xiàn)象，影響整體產(chǎn)量；多于4粒稻種，則因每穴植株過(guò)密，影響雜交稻個(gè)體的生長(zhǎng)，難以激發(fā)雜交稻的產(chǎn)量潛力，同時(shí)播種時(shí)產(chǎn)生不必要的浪費(fèi)。因此保證每穴只播2～4粒稻種是本精量排種器設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，參照我國(guó)多數(shù)雜交稻品種芽種長(zhǎng)度不超過(guò) 9.5 mm的實(shí)際情況[7-9]，采用在窩眼內(nèi)直徑為9 mm的圓周上均布3個(gè)吸孔的結(jié)構(gòu)，如圖2所示，各個(gè)吸孔能夠獨(dú)立吸種且互不影響，以期獲得理想效果。

1.3 Pro/E三維設(shè)計(jì)和建模

Pro/ENGINEER是當(dāng)今世界非常流行的，集CAD/CAM/CAE功能于一體的三維特征設(shè)計(jì)、建模和仿真軟件。應(yīng)用 Pro/E 進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，產(chǎn)品的裝配建模一般有自底向上（down-top）和自頂向下（top-down）兩種思路[10]。在產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的建模思路。本設(shè)計(jì)采用自底向上的建模思路，圖1(b)是水稻芽種直播精量排種器的部分裝配模型圖，圖2(b)是排種器窩眼滾筒的三維模型圖。

圖2 窩眼滾筒結(jié)構(gòu)示意圖

2 窩眼及吸孔的氣流場(chǎng)仿真分析

ANSYS Workbench中的DesignModeler模塊（簡(jiǎn)稱DM）能與Pro/E軟件建立雙向關(guān)聯(lián)性，當(dāng)其中一方的模型發(fā)生更改時(shí)，另一方只需通過(guò)刷新便可實(shí)現(xiàn)同步更新[11]，實(shí)現(xiàn)了二者之間的協(xié)同建模，解決了以往復(fù)雜模型必須通過(guò)保存第三方格式再導(dǎo)入 CFD分析軟件時(shí)發(fā)生重要特征丟失或出錯(cuò)等問(wèn)題，提高了產(chǎn)品模型的仿真分析效率。

2.1 物理模型與邊界條件

如圖2所示，窩眼形狀為錐孔型、半球型和直孔型3種，在Pro/E中分別完成3種窩眼及吸孔內(nèi)部氣流場(chǎng)的三維建模，通過(guò) Pro/E中的ANSYS嵌入模塊，將仿真模型導(dǎo)入到 ANSYS Workbench的DM模塊中，建立DM模塊與Pro/E的雙向關(guān)聯(lián)性。在DM模塊中查看仿真模型的完整性后，導(dǎo)入Workbench的Mesh模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后的網(wǎng)格模型如圖3所示。

在添加仿真邊界條件之前先做如下假設(shè)：①計(jì)算氣體為理想的不可壓縮氣體。②大氣壓恒定為101325 Pa。③溫度恒定為25 ℃。在CFX-Pre中添加邊界條件，in和out均定義為Opening邊界，進(jìn)氣口in的壓強(qiáng)為零，出氣口out的壓強(qiáng)為-4000 Pa（試驗(yàn)測(cè)定），所有壁面均設(shè)置為無(wú)滑移的光滑壁面條件。湍流模型選用適合大多數(shù)工程計(jì)算的k-ε模型。最大運(yùn)算步長(zhǎng)定義為150步，最長(zhǎng)運(yùn)算時(shí)間為 2 s，殘差收斂條件選缺省值為10-4，完成仿真模型邊界條件的添加及前處理后 導(dǎo)入CFX-Solver進(jìn)行求解。

圖3 物理仿真模型

2.2 仿真結(jié)果與分析

2.2.1 窩眼形狀對(duì)氣流場(chǎng)的影響

當(dāng)3種窩眼的吸孔直徑均為1.8 mm時(shí)，CFX仿真結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出3種窩眼內(nèi)部氣流場(chǎng)除了3個(gè)吸孔端面附近有較強(qiáng)的負(fù)壓和氣流流速外，其余內(nèi)部氣流場(chǎng)分布均勻，而且負(fù)壓很小，氣流流速幾乎為零，表明3種窩眼內(nèi)部除了要吸附水稻芽種的3個(gè)吸孔外氣流場(chǎng)十分穩(wěn)定。3個(gè)吸孔內(nèi)部及吸孔端面附近壓降及流速梯度層次分明，各吸孔間氣流無(wú)干涉和竄動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)，表明排種器充種時(shí)窩眼內(nèi)3個(gè)吸孔能獨(dú)立完成吸種，無(wú)論3個(gè)吸孔是同時(shí)吸種，還是先后吸種，均無(wú)相互影響。該分析表明 3個(gè)吸孔的分布位置和方式設(shè)計(jì)合理，同時(shí)窩眼內(nèi)部氣流場(chǎng)均勻，均為吸種前后提供了一個(gè)穩(wěn)定的吸種環(huán)境。

圖4 壓力、速度分布圖

圖5 中左三圖為3種窩眼內(nèi)部距離吸孔底面邊界4.5 mm高度平面（以A面表示，該面處于窩眼內(nèi)部的中部位置，是排種器充種時(shí)吸種的關(guān)鍵區(qū)域，其氣流的強(qiáng)弱直接關(guān)系到吸種的好壞）的速度分布圖。3種窩眼內(nèi)部A面上吸孔中心的最大速度分別為4.91 m/s、13.24 m/s和4.6 m/s，平均速度分別為2.51 m/s、4.03 m/s和2.19 m/s。表明半球型窩眼在 A面上的氣流速度明顯比錐型孔和直孔型窩眼強(qiáng)，三吸孔的中心附近更加明顯，說(shuō)明隨著窩眼橫截面積和空間體積的增大，流體的能量耗散越快，氣流強(qiáng)度下降越快。因此，在同等負(fù)壓的前提下，半球型窩眼內(nèi)部的負(fù)壓強(qiáng)度及氣流速度大于錐孔型和直孔型。

圖5中右三圖為3種窩眼及吸孔內(nèi)部氣流場(chǎng)的速度矢量分布圖，圖中箭頭方向代表氣流的流向，箭頭的大小及顏色共同表示氣流流速的大小，速度矢量分布圖能清晰的顯示氣流場(chǎng)內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)情況。對(duì)比3種窩眼的速度矢量分布圖，半球型窩眼由于沒有像錐孔型和直孔型底面與內(nèi)壁面所形成的底角，更符合流體的運(yùn)動(dòng)屬性，窩眼中的氣體更容易流入吸孔。綜上分析，在氣力式排種器窩眼形狀的設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先選用半球型窩眼進(jìn)行試驗(yàn)研究。

圖5 速度、速度矢量分布圖

2.2.2 吸孔直徑對(duì)氣流場(chǎng)的影響

分別選擇吸孔直徑為 1.5 mm、1.8 mm、2.0 mm和2.2 mm的半球型窩眼進(jìn)行仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1和圖6所示。

表1 不同吸孔直徑的對(duì)比

表1為不同吸孔直徑的半球型窩眼內(nèi)部三吸孔端面（以B面表示）和距離吸孔底面邊界4.5 mm高度平面（以A面表示）所測(cè)得的壓強(qiáng)平均值。由表可知，隨著吸孔直徑的增大，窩眼內(nèi)部三吸孔端面的負(fù)壓和氣流速度變化不明顯，壓強(qiáng)和速度的平均值基本相同，可見吸孔直徑的大小對(duì)窩眼內(nèi)部三吸孔端面的氣流強(qiáng)度影響不大；圖6為半球型窩眼內(nèi)部A面的速度分布圖，隨著吸孔直徑的增大，A面吸孔中心的最大速度分別為9.88 m/s、13.2 m/s、15.2 m/s和18.1 m/s，平均速度分別為 2.81 m/s、4.03 m/s、4.94 m/s和 5.95 m/s，平均壓強(qiáng)也有所增大，說(shuō)明在相同出口負(fù)壓的前提下，吸孔直徑越大，通過(guò)吸孔的氣流量越大，在窩眼內(nèi)部的氣流強(qiáng)度越大。綜上可知吸孔直徑越大，排種器工作時(shí)吸種效果越好，所以在氣力式排種器吸種孔的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量增大吸孔直徑，提高吸種能力，但不能同時(shí)大于水稻芽種寬和厚的兩個(gè)較小尺寸。

圖6 速度分布圖

3 結(jié) 論

（1）通過(guò)對(duì)氣力式水稻芽種直播精量排種器的理論分析，確定了排種器窩眼滾筒的直徑和工作轉(zhuǎn)速，以及窩眼在滾筒上分布方式，并利用Pro/E三維造型軟件完成排種器的三維建模。

（2）利用Pro/E軟件對(duì)3種窩眼及吸孔的內(nèi)部氣流場(chǎng)進(jìn)行三維建模，并與ANSYS Workbench的DM模塊建立雙向關(guān)聯(lián)性，實(shí)現(xiàn)協(xié)同建模、同步更新，并應(yīng)用Workbench整合的CFD仿真分析軟件 CFX對(duì)窩眼及吸孔內(nèi)部氣流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果分析表明：①半球型窩眼的吸種性能優(yōu)于錐孔型和直孔型；②當(dāng)窩眼尺寸一定時(shí)，吸孔直徑越大，窩眼內(nèi)部的氣流強(qiáng)度越大，吸種能力越強(qiáng)，吸種效果越好。

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