2BQM-2型播種機(jī)氣吸式排種器氣流場的分析與試驗(yàn)研究

高　雄，張　震

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特　010018)

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2BQM-2型播種機(jī)氣吸式排種器氣流場的分析與試驗(yàn)研究

高雄，張震

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特010018)

摘要：針對2BQM-2型播種機(jī)氣吸式排種器真空度、吸孔數(shù)和排種盤轉(zhuǎn)速3個因素不同水平下的氣流場進(jìn)行分析，并對排種器進(jìn)行性能試驗(yàn)。氣吸室及管道氣流場有限元分析顯示：不同真空度及負(fù)壓區(qū)孔數(shù)形成不同的氣流速度場。真空度越大，入口平均速度越大；負(fù)壓區(qū)孔數(shù)越多，入口平均速度越??；彎管接頭采用90°光滑圓形彎管對管道氣流場影響最小。單因素試驗(yàn)結(jié)果表明：排種器真空室適宜真空度范圍為-3～-5kPa。當(dāng)真空度為-3kPa時，排種盤轉(zhuǎn)速在30～45r/min范圍內(nèi)，排種質(zhì)量比較好；氣吸室負(fù)壓區(qū)孔數(shù)對排種器排種質(zhì)量影響不是很明顯。三因數(shù)三水平正交試驗(yàn)結(jié)果表明：影響排種性能的主要因素是真空度，其次是排種盤轉(zhuǎn)速，負(fù)壓區(qū)孔數(shù)對排種性能的影響最小。當(dāng)真空度為-4kPa、排種盤轉(zhuǎn)速為35m/s和負(fù)壓區(qū)孔數(shù)為15時，排種質(zhì)量最好，是排種器正常工作時的最優(yōu)組合。

關(guān)鍵詞：氣吸式排種器；真空度；有限元分析；排種性能；正交試驗(yàn)

0引言

隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展和技術(shù)的革新，農(nóng)作物的種植方法已由傳統(tǒng)播種發(fā)展到機(jī)械化播種，繼而發(fā)展到現(xiàn)在的精量播種，這些都已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然方向[1]。精量播種在現(xiàn)代播種中作業(yè)潛力巨大，已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的重要方向。精量播種技術(shù)是一種比較先進(jìn)的播種技術(shù)，其排種器性能是衡量播種質(zhì)量的關(guān)鍵。氣吸式免耕播種機(jī)是一種將免耕播種技術(shù)與精量播種技術(shù)結(jié)合起來的現(xiàn)代化的精量播種機(jī)[2]。使用氣力排種器是國內(nèi)外精密播種技術(shù)的發(fā)展趨勢，針對氣吸式排種裝置的排種特性，掌握和分析其工作性能影響因素，有利于進(jìn)一步提高免耕播種的生產(chǎn)效率和作業(yè)質(zhì)量。

為此，根據(jù)排種器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用SolidWorks建立氣吸室全流道三維模型，通過Fluent 軟件模擬排種器管道內(nèi)部氣流場分布，并進(jìn)行定常數(shù)值計(jì)算；分析排種器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣流場分布的影響，以及真空度、負(fù)壓區(qū)孔數(shù)和排種盤轉(zhuǎn)速3種因素在不同水平下對排種器排種質(zhì)量的影響，找出最優(yōu)組合，從而可為滾筒及管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供合理化建議、相關(guān)參數(shù)設(shè)定提供依據(jù)。

1氣吸式排種器氣流場的有限元分析

1.1真空室氣流場分析

為了準(zhǔn)確模擬真空室的實(shí)際情況，得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果，以流體動力學(xué)知識為設(shè)計(jì)依據(jù)，運(yùn)用SolidWorks軟件繪制出整個真空室全流道的三維模型運(yùn)用Solidworks軟件繪制出氣吸室全流道三維模和用Gambit劃分網(wǎng)格，如圖1和圖2所示。

圖1　流體分析模型圖

圖2　流體分析模型網(wǎng)格劃分

1.1.1負(fù)壓區(qū)不同分布孔數(shù)的氣流場分析

真空室是氣吸式排種裝置形成負(fù)壓的主要區(qū)域。負(fù)壓進(jìn)一步擴(kuò)展到配氣孔和吸種孔，形成氣流的流動，吸附種子。當(dāng)取種盤上分布18、16、14個孔數(shù)時，在真空室形成的環(huán)型負(fù)壓區(qū)域中，相對應(yīng)均勻地分布著15、13、11個吸孔。

1)在FLUENT邊界條件中，入口速度設(shè)置為5m/s時，分析不同孔數(shù)條件下，彎管處出口平均速度(見圖3)。

圖3　入口速度5m/s的負(fù)壓區(qū)孔數(shù)為15、11時真空室的氣流速度場

由圖3可以看出：入口速度為5 m/s時，出口平均氣流速度分別為15.210m/s和8.435m/s；很明顯負(fù)壓區(qū)分布15個吸孔數(shù)時出口平均氣流速度較大，負(fù)壓區(qū)分布11個吸孔數(shù)時出口平均氣流速度較小。故取種盤分布孔數(shù)越多，負(fù)壓區(qū)分布孔數(shù)越多，相應(yīng)的出口平均速度也就越大，所需風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越大。

2)真空度設(shè)置為-2kPa時，分析不同孔數(shù)條件下，吸種孔入口處平均速度，如圖4所示。

由圖4可以看出：當(dāng)真空度為-2kPa時，不同的孔數(shù)對應(yīng)不同的氣流速度，負(fù)壓區(qū)孔數(shù)分別為15和11時，入口平均氣流速度分別為9.293m/s和12.148m/s；很明顯負(fù)壓區(qū)分布15個吸孔數(shù)時入口平均氣流速度較小，負(fù)壓區(qū)分布11個吸孔數(shù)時入口平均氣流速度較大。所以，在氣吸室真空度為-2kPa時，隨著負(fù)壓區(qū)分布孔數(shù)的增加，入口平均速度減小。

圖4　真空度-2kPa的負(fù)壓區(qū)孔數(shù)為15和11時真空室的氣流速度場

1.1.2真空度不同時真空室的氣流場分析

種孔在吸種盤上是圓周均勻分布的，真空室內(nèi)負(fù)壓腔產(chǎn)生的負(fù)壓氣流均勻地分配給吸種盤上的分布孔，以便使吸種孔的吸附力均等。但是，當(dāng)真空室的真空度不同時，種孔的氣流速度會發(fā)生相應(yīng)的變化。真空度跟風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越大，通過軟管在真空室內(nèi)產(chǎn)生的真空度越大，負(fù)壓腔內(nèi)負(fù)壓也就越大。

負(fù)壓區(qū)孔數(shù)為15時，在不同的真空度條件下，氣吸室內(nèi)壓強(qiáng)以及入口氣流速度的變化規(guī)律，如圖5所示。

由圖5可以看出：當(dāng)負(fù)壓區(qū)孔數(shù)為15時，真空室的真空度分別為-2kPa和-4kPa時，入口平均氣流速度分別為9.295m/s和13.156m/s。很明顯真空度為-2kPa時，吸種孔的平均氣流速度較小；真空度為-4kPa時，吸種孔的平均流速較大；隨著真空度的增大，入口平均速度增大。

圖5　負(fù)壓為-2kPa和-4kPa時真空室的壓強(qiáng)云圖

1.2氣吸室接頭圓形彎管的有限元分析

彎管結(jié)構(gòu)是影響氣吸室真空度的因素之一，在FLUENT中進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時采用k-ε湍流模型，能夠很好地模擬二次流流動。結(jié)果表明：數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合較好，并且能準(zhǔn)確反映彎管內(nèi)部氣流流態(tài)，對氣吸室彎管接頭的設(shè)計(jì)優(yōu)化具有很好的指導(dǎo)作用[3]。

由于離心力作用，彎管內(nèi)的流動氣流在管道彎管處外側(cè)壓力增加、內(nèi)側(cè)壓力減小，所以流體在斷面內(nèi)受力不平衡，形成了二次流，并會持續(xù)流動到下游比較遠(yuǎn)的地方，直到粘性消耗完全部擾動為止[4]，如圖6所示。為了減小直角彎管流動損失，需要用導(dǎo)流葉片抑制二次流的形成。

擴(kuò)散流動比收縮流動的能量損失大，能量損失主要包括管內(nèi)粘性摩擦損失和湍流漩渦損失。因?yàn)閿U(kuò)大流動中流體的流動具有不穩(wěn)定性，在發(fā)散流動中及通道壁面處的流動分離容易導(dǎo)致流動中產(chǎn)生漩渦。收縮流動對漩渦的形成起到了抑制作用[5]，壓力能更為有效地轉(zhuǎn)換成動能；但在收縮位置壓力風(fēng)速的急聚變化，會影響整個管道流速的穩(wěn)定性，如圖7所示。

經(jīng)過以上分析，得出結(jié)論：在工作過程中，使用兩端直徑相等的90°光滑彎管接頭對整個管道氣流影響最小。

圖6　90°光滑和直角圓形彎管的氣流速度場

圖7　90°突縮和突擴(kuò)圓形彎管的氣流速度場

2排種性能試驗(yàn)及分析

在其它因素不變的情況下,對氣吸室真空度、排種盤轉(zhuǎn)速和負(fù)壓區(qū)孔數(shù)3個因素在不同水平下進(jìn)行正交試驗(yàn)， 確定其對氣吸式排種器排種性能的影響， 找出最優(yōu)組合[6]。

本試驗(yàn)中，根據(jù)最佳真空度范圍進(jìn)行選擇氣吸室真空度壓力值，分別在-2、-3、-4、-5、-6kPa 5個水平下對排種器進(jìn)行試驗(yàn)研究，并作負(fù)壓區(qū)真空度的變化對排種器排種性能的影響分析。試驗(yàn)安排如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

表1　不同真空度下的試驗(yàn)安排

圖8　不同真空度下的排種性能指數(shù)曲線

由圖8可知：在負(fù)壓區(qū)孔數(shù)和排種盤轉(zhuǎn)速一定的情況下，氣吸室真空度壓力值越大，播種合格指數(shù)越高，漏播指數(shù)越低；但是隨著真空度增大，重播指數(shù)相應(yīng)的也會越高，說明真空度對排種質(zhì)量影響顯著，且并不是真空度越大越好。由曲線圖可看出：真空度為-2kPa時，負(fù)壓區(qū)壓力較低，不能給吸種孔提供足夠吸力，導(dǎo)致排種質(zhì)量很差，漏播嚴(yán)重；隨著真空度升高，排種質(zhì)量開始變好；當(dāng)達(dá)到-4kPa時，排種質(zhì)量最好，合格指數(shù)高，漏播指數(shù)和重播指數(shù)低。但是，真空度繼續(xù)升高時，由于負(fù)壓區(qū)壓強(qiáng)過大，吸種孔吸力過大，一個孔上可能吸有多粒種子，導(dǎo)致重播率隨之增大。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：排種器氣吸室的適宜真空度范圍為-5～-3kPa。

該試驗(yàn)采用2BMQ-2氣吸式排種器吸種盤，吸種盤轉(zhuǎn)速對排種器排種質(zhì)量有明顯的影響。所以，在真空度壓力-4kPa和氣吸室負(fù)壓區(qū)孔數(shù)為15時，研究排種盤在30、35、40、45、50r/min 5種不同轉(zhuǎn)速下的排種性能。試驗(yàn)安排如表2所示。試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9表明：隨著排種盤轉(zhuǎn)速的提高，種子的合格指數(shù)和重播指數(shù)下降。其主要原因是隨著排種盤轉(zhuǎn)速的提高，吸種孔的相對線速度增大，種子因滯后于吸孔運(yùn)動，吸附力不足，造成種子吸附不可靠而易掉落；排種盤轉(zhuǎn)速過大，吸孔還來不及吸附種子就轉(zhuǎn)出充種區(qū)，導(dǎo)致漏播指數(shù)增高；當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)速超過45r/min時，合格指數(shù)明顯下降，漏播指數(shù)升高也比較明顯。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出：真空度為-4kPa時，排種盤轉(zhuǎn)速在30～40r/min范圍內(nèi)，排種質(zhì)量比較好。所以一定的真空度和一定排種盤的轉(zhuǎn)速是相對應(yīng)的。

表2　排種盤不同轉(zhuǎn)速下的試驗(yàn)安排

圖9　排種盤不同轉(zhuǎn)速下的排種性能指數(shù)曲線

吸種孔在排種盤上軸向均勻分布，排種盤上的孔數(shù)決定了負(fù)壓區(qū)的孔數(shù)，種盤上孔數(shù)越多，氣吸室負(fù)壓區(qū)孔數(shù)也就越多。在真空度-4kPa和排種盤轉(zhuǎn)速35r/min時，研究分析氣吸室負(fù)壓區(qū)孔數(shù)分別為11、13、15這3種排種盤的排種性能，試驗(yàn)安排表3所示。試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10表明：合格指數(shù)曲線保持平穩(wěn)，表明氣吸室負(fù)壓區(qū)孔數(shù)對排種器排種質(zhì)量影響不是很明顯；但是隨著孔數(shù)的增加，漏播指數(shù)也緩慢上升。主要原因是真空度壓力一定，隨著孔數(shù)增加，分配到每個孔的壓力變小，孔對種子的吸附不可靠，導(dǎo)致漏播。所以一定的真空度和負(fù)壓區(qū)孔數(shù)是相對應(yīng)的。

表3　負(fù)壓區(qū)不同孔數(shù)下的試驗(yàn)安排

圖10　負(fù)壓區(qū)不同孔數(shù)下的排種性能指數(shù)曲線

表4　真空度、排種盤轉(zhuǎn)速和負(fù)壓區(qū)孔數(shù)的正交試驗(yàn)

從表4可以看出：真空度對排種器排種合格指數(shù)影響最大，其次是排種盤轉(zhuǎn)速，負(fù)壓區(qū)孔數(shù)影響最小。當(dāng)真空度為-4kPa、排種盤轉(zhuǎn)速為35r/min、負(fù)壓區(qū)孔數(shù)為15個時，排種器排種合格指數(shù)最高，排種質(zhì)量最好。

3結(jié)論

1)入口速度為5m/s時，氣吸室負(fù)壓區(qū)分布孔數(shù)越大，相應(yīng)的出口平均速度也就越大，所需風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速也就越大；當(dāng)真空度為-2kPa時，不同的孔數(shù)對應(yīng)不同的氣流速度，隨著負(fù)壓區(qū)分布孔數(shù)的增加，入口平均速度減??；當(dāng)負(fù)壓區(qū)孔數(shù)為15時，隨著真空度的增大，入口平均速度增大；在負(fù)壓區(qū)孔數(shù)和排種盤轉(zhuǎn)速一定的情況下，排種器氣吸室的適宜真空度范圍為 -3～-5kPa。

2)真空度為-3kPa時，排種盤轉(zhuǎn)速在30～45r/min范圍內(nèi)，排種質(zhì)量比較好。排種盤轉(zhuǎn)速與理論上真空度壓力相適應(yīng)，要使漏播率降低需降低排種盤轉(zhuǎn)速，排種盤轉(zhuǎn)速提高時需要相應(yīng)提高真空壓力。

3)氣吸室負(fù)壓區(qū)孔數(shù)對排種器排種質(zhì)量影響不是很明顯,但隨著孔數(shù)的增加，漏播指數(shù)也緩慢上升。隨著孔數(shù)增加，分配到每個孔的壓力變小，孔對種子的吸附不可靠，導(dǎo)致漏播，一定的真空度和負(fù)壓區(qū)孔數(shù)是相對應(yīng)的。

4)正交試驗(yàn)結(jié)果為：真空度對排種質(zhì)量影響最大，負(fù)壓區(qū)孔數(shù)對排種質(zhì)量影響最小，最優(yōu)組合為A2 B2 C3。

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Abstract ID:1003-188X(2016)05-0060-EA

The Analysis and Study on Air Flow Field of Air Suction Metering Device for 2BQM-2 Seeder

Gao Xiong， Zhang Zhen

(College of Mechanical and Electrical Engineering， Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018,China)

Abstract：This paper focuses on the different degree of vacuum suction holes and row number of different kinds of disk rotational speed under different flow field distribution is analyzed, and the row seeding performance tests. Pipeline flow of gas chambers finite element analysis showed that: different degree of vacuum suction holes formed in different areas of the airflow velocity field; the greater the vacuum, the greater the average speed of the entrance; the more holes negative pressure zone, the average speed of more entry small; elbow joints using 90° elbows with minimal impact on the smooth circular pipe flow field. Seedmeter vacuum chamber pressure to optimize the range of -3～5kPa, vacuum degree-3Kpa when the seed disk speed in the range of 30～45r/min, better seed quality, a certain vacuum degree and a certain seed tray is the corresponding rotational speed; holes exhaust gas suction chamber negative pressure zone Seeding impact on quality is not very obvious.Orthogonal test results: when the vacuum degree -4KPa,seed disk speed of 35 m/s and the number of holes negative pressure zone is 15,the optimal seeding the best quality,but also the type seeder work properly.

Key words：air suction metering device; vacuum degree; finite element analysis; seeding performance; orthogonal experiment

文章編號：1003-188X(2016)05-0060-05

中圖分類號：S223.2+5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：高雄(1957-)，男，呼和浩特人，副教授，碩士生導(dǎo)師,(E-mail)gao0927cn@aliyun.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41161045)

收稿日期：2015-03-31