油麥兼用型氣送式集排器勻種渦輪設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王 磊 席日晶 廖宜濤 張青松 林 翩 廖慶喜

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070)

0 引言

油菜和小麥?zhǔn)俏覈匾挠土虾图Z食作物[1-4]，在長江中下游稻油、稻麥輪作區(qū)[5]及新疆春油菜、春小麥等種植區(qū)[6-8]播種工序相似，播種機(jī)應(yīng)用油麥兼用排種器可以提高機(jī)具利用率、降低機(jī)械化成本。集中氣送式排種技術(shù)在國內(nèi)外寬幅播種機(jī)上得到廣泛研究和應(yīng)用[9-10]，且適用于油麥兼用排種[11-12]。當(dāng)作業(yè)幅寬較大時，受地表坡度影響播種機(jī)會側(cè)向、前后傾斜和擺動，導(dǎo)致氣送式集排器分配裝置內(nèi)的種子難以經(jīng)導(dǎo)種口均勻隨機(jī)地排出。根據(jù)地表坡度等級劃分，油菜和小麥播種地表坡度為0°～5°[13]，隨著播種機(jī)作業(yè)幅寬及作業(yè)速度的增大，排種速率逐漸增加，排種穩(wěn)定性、各行排量一致性等性能指標(biāo)對地表坡度變化更加敏感[14]。

為提高氣送式集排器各行排量一致性，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入研究，設(shè)計(jì)了具有波紋狀增壓管的碗式分配裝置、具有圓錐外蓋和褶皺波紋管結(jié)構(gòu)及具有倒錐形導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)的分配裝置[15-17]，應(yīng)用CFD仿真、DEM-CFD耦合仿真，并結(jié)合臺架試驗(yàn)分析了輸送氣流速度、種子質(zhì)量濃度、種子體積濃度、排種口堵塞、輸種管長度、排種量分布等對各行排量一致性的影響規(guī)律[18-19]，建立各結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)與各行排量一致性的數(shù)學(xué)模型[20]，確定了輸種管和分配裝置參數(shù)的較優(yōu)組合。綜上，現(xiàn)有研究主要針對靜態(tài)地表下分配裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，而地表坡度變化對氣送式集排器分配裝置各行排量一致性的影響研究相對較少。

針對油麥兼用型氣送式免耕播種機(jī)寬幅播種時各行排量一致性受地表坡度變化影響的問題，設(shè)計(jì)一種利用輸送氣流驅(qū)動轉(zhuǎn)動、安裝于分配裝置的勻種渦輪。應(yīng)用CFD仿真中的6自由度動網(wǎng)格模型仿真分析3種勻種渦輪的葉片結(jié)構(gòu)對分配裝置內(nèi)輸送氣流的壓力、速度分布及勻種渦輪轉(zhuǎn)速的影響，研究地表坡度變化時勻種渦輪葉片數(shù)量對各行排量一致性的影響，為播種機(jī)分配裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

氣送式排種系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、種箱、供種裝置、送料裝置、分配裝置、排種口、輸種管等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

分配裝置主要由送料管、導(dǎo)種口、下弧板、導(dǎo)流隔板、上弧板、勻種渦輪等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 工作過程及工作原理

播種作業(yè)時，油麥兼用型氣送式免耕播種機(jī)受地表坡度影響會側(cè)向及前后傾斜、擺動，傾斜及擺動角為θ，種箱中的種子經(jīng)供種裝置進(jìn)入送料裝置與輸送氣流混合，受氣送式集排器傾斜、擺動狀態(tài)影響，輸送氣流裹挾種子難以均勻分布于送料管中，當(dāng)種子與輸送氣流進(jìn)入分配裝置主體內(nèi)時，種子受自身重力作用，難以隨機(jī)均勻從各導(dǎo)種口排出。分配裝置安裝勻種渦輪時，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的輸送氣流驅(qū)動勻種渦輪轉(zhuǎn)動，進(jìn)入分配裝置主體內(nèi)的種子與輸送氣流兩相流在勻種渦輪攪拌作用下，均勻散布到分配裝置的各導(dǎo)種口中，提高了地表坡度變化時分配裝置各行排量一致性。地表坡度變化時分配裝置工作過程如圖3所示。

2 勻種渦輪設(shè)計(jì)

2.1 參數(shù)分析

葉片是勻種渦輪傳遞能量的主要部件，可將輸送氣流的能量轉(zhuǎn)化為勻種渦輪葉片的轉(zhuǎn)動。圓弧型葉片氣流流動性好，攪拌種子與輸送氣流兩相混合流時對葉片磨損小[21]。根據(jù)種子與輸送氣流在勻種渦輪中的運(yùn)動關(guān)系，輸送氣流速度如圖4所示。

由圖4a可知，輸送氣流由送料管經(jīng)勻種渦輪擾動作用后壓強(qiáng)損失為

(1)

式中ph——輸送氣流壓強(qiáng)損失，Pa

p1——送料管內(nèi)輸送氣流壓強(qiáng)，Pa

p2——勻種渦輪內(nèi)輸送氣流壓強(qiáng)，Pa

va——送料管內(nèi)輸送氣流速度，m/s

vc——勻種渦輪內(nèi)輸送氣流速度，m/s

Z1——送料管末端中心距基準(zhǔn)面的高度，m

Z2——勻種渦輪中心距基準(zhǔn)面的高度，m

ρa(bǔ)——輸送氣流密度，kg/m3

g——重力加速度，m/s2

由式(1)可知，輸送氣流由送料管進(jìn)入勻種渦輪后，經(jīng)勻種渦輪流出的壓強(qiáng)損失與送料管內(nèi)輸送氣流壓強(qiáng)、勻種渦輪內(nèi)輸送氣流壓強(qiáng)、送料管內(nèi)輸送氣流速度、勻種渦輪內(nèi)輸送氣流速度相關(guān)。勻種渦輪由輸送氣流驅(qū)動轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)攪拌種子功能，輸送氣流壓強(qiáng)損失主要用于驅(qū)動勻種渦輪轉(zhuǎn)動，種子、輸送氣流與勻種渦輪間的摩擦作用也產(chǎn)生了部分壓強(qiáng)損失。

由圖4b可知，勻種渦輪內(nèi)輸送氣流速度可分解為驅(qū)動葉片轉(zhuǎn)動的切向速度分量uc及與輸送種子速度相關(guān)的徑向速度分量wc[22]。根據(jù)速度間的幾何關(guān)系可知

(2)

式中α——輸送氣流速度與切線速度分量間夾角，(°)

由式(2)可知，當(dāng)輸送氣流速度與切線速度分量間夾角α在0°～90°內(nèi)逐漸增大時，切向速度分量uc逐漸減小，徑向速度wc逐漸增大，當(dāng)輸送氣流速度與切線速度分量間夾角α在90°～180°內(nèi)逐漸增大時，切向速度分量uc逐漸增大，徑向速度wc逐漸減小。根據(jù)輸送氣流與勻種渦輪、種子間的作用關(guān)系，切向速度分量越大，則勻種渦輪轉(zhuǎn)速越高，葉片對種子的攪拌效果越好，可提高具有坡度地表作業(yè)時各行排量一致性，但切向速度分量越大，徑向速度分量越小，輸送氣流輸送種子能力降低，易造成導(dǎo)種口內(nèi)種子的滯留及堵塞，故輸送氣流速度與切線速度分量間夾角是決定勻種渦輪性能的關(guān)鍵。

2.2 葉片型線分析

勻種渦輪葉片型線影響輸送氣流的速度、壓力，以及驅(qū)動勻種渦輪轉(zhuǎn)動攪拌種子的效果，圓弧型葉片型線如圖5所示。

由圖5可知，葉片型線基圓方程為

(3)

式中rc——葉片型線基圓半徑，mm

x——葉片型線基圓上x軸坐標(biāo)，mm

y——葉片型線基圓上y軸坐標(biāo)，mm

葉片型線基圓與輪轂、葉輪直徑間的位置關(guān)系決定葉片進(jìn)口輸送氣流速度與切線速度分量間夾角αc的取值范圍。定義葉片進(jìn)口輸送氣流速度與切線速度分量間夾角αc為進(jìn)口工作角，葉片出口輸送氣流速度與切線速度分量間夾角αe為出口工作角。根據(jù)圖5幾何關(guān)系可得αc為銳角或直角時，葉輪型線與輪轂、葉輪之間的關(guān)系式為

(4)

式中l(wèi)——葉片型線基圓與輪轂在x軸方向距離，mm

h——葉片型線基圓與輪轂在y軸方向的距離，mm

r——輪轂半徑，mm

由式(2)～(4)可知，當(dāng)進(jìn)口工作角αc為銳角或直角時，葉片型線上除葉片進(jìn)出口處，任一點(diǎn)輸送氣流速度與切線速度分量間夾角均為銳角，則輸送氣流切向速度分量與轉(zhuǎn)動方向一致，有利于勻種渦輪的轉(zhuǎn)動。

當(dāng)進(jìn)口工作角αc為鈍角時，葉輪型線與輪轂、葉輪之間的關(guān)系式為

(5)

由式(2)、(3)、(5)可知，當(dāng)進(jìn)口工作角αc為鈍角時，葉片型線上輸送氣流速度與切線速度分量間夾角由鈍角至直角過渡到銳角，則輸送氣流切向速度分量及對勻種渦輪轉(zhuǎn)動方向的作用隨葉片型線上輸送氣流速度與切向速度分量間夾角變化而改變。

根據(jù)分配裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，送料管半徑為40.5 mm，為實(shí)現(xiàn)勻種渦輪有效攪拌種子，勻種渦輪直徑應(yīng)不小于送料管內(nèi)徑，綜合考慮勻種渦輪葉片對氣流和種子遷移軌跡的擾動，確定勻種渦輪半徑ra為40.5 mm。勻種渦輪為3D打印結(jié)構(gòu)，根據(jù)式(4)可知，輪轂半徑越大，則αc為銳角的范圍越大，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上應(yīng)降低輪轂直徑以提升葉片對種子的攪拌效果并減少種子與輪轂的碰撞，為避免采用ABS工程塑料3D打印的輪轂斷裂，確定輪轂直徑為8 mm。

基于式(3)～(5)對葉片型線基圓的分析，結(jié)合進(jìn)口工作角αc及出口工作角αe的范圍對輸送氣流速度的影響，為實(shí)現(xiàn)勻種渦輪對種子有效攪拌并滿足輸送氣流輸送種子要求，參照渦輪葉片設(shè)計(jì)中葉片型線基圓半徑應(yīng)大于渦輪直徑的原則[23]，確定葉片型線基圓半徑為50 mm。

根據(jù)輸送氣流與葉片作用關(guān)系，勻種渦輪轉(zhuǎn)動方向與葉片上輸送氣流切向速度之和的方向相反，根據(jù)式(2)及勻種渦輪結(jié)構(gòu)參數(shù)可得葉片上輸送氣流切向速度和計(jì)算式為

(6)

式中ua——葉片上輸送氣流切向速度和，m/s

ri——葉片上任一點(diǎn)的徑向半徑，mm

由式(6)可得勻種渦輪理論轉(zhuǎn)速為

(7)

式中nc——勻種渦輪理論轉(zhuǎn)速，r/min

由式(7)可知，勻種渦輪理論轉(zhuǎn)速與輸送氣流速度、輪轂半徑、勻種渦輪半徑、葉片上輸送氣流速度與切線速度分量間夾角相關(guān)。當(dāng)輸送氣流速度、輪轂半徑、勻種渦輪半徑確定時，勻種渦輪理論轉(zhuǎn)速由控制葉片上輸送氣流速度與切線速度分量間夾角的進(jìn)口工作角和出口工作角確定。

2.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

為探究不同結(jié)構(gòu)勻種渦輪對分配裝置內(nèi)流場及勻種渦輪轉(zhuǎn)速的影響，根據(jù)葉片進(jìn)口工作角αc、出口工作角αe差異設(shè)計(jì)了3種勻種渦輪，如圖6所示，Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型勻種渦輪進(jìn)口工作角αc分別為銳角、直角、鈍角。勻種渦輪主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 勻種渦輪主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)圖6并結(jié)合式(2)可知，Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型勻種渦輪均有利于葉片對種子的攪拌作用。根據(jù)勻種渦輪葉片類型與輸送氣流間作用特性，Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型葉片數(shù)量一般為偶數(shù)片[24]，葉片數(shù)量增加會提高勻種渦輪對種子的攪拌效果，也提高了種子與葉片碰撞導(dǎo)致的種子無序性，并增大了輸送氣流、種子與葉片摩擦引起的輸送氣流壓力損耗，考慮勻種渦輪葉片與流場的作用效果，確定葉片數(shù)量不低于4片，綜合考慮勻種渦輪對種子的攪拌作用并降低輸送氣流壓強(qiáng)損耗，確定葉片數(shù)量為4～10[25]。勻種渦輪葉片為3D打印加工制成，葉片厚度t應(yīng)在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時降低厚度以減少葉片與種子的碰撞及輸送氣流驅(qū)動葉片轉(zhuǎn)動的壓力損失，為避免葉片斷裂，確定葉片厚度為2 mm。

2.4 安裝勻種渦輪分配裝置的隨機(jī)過程分析

以分配裝置1 min各導(dǎo)種口排種質(zhì)量為排種速率Vp，得方程

Vp=Vp(tp) (tp∈Tp)

(8)

式中Vp——導(dǎo)種口排種速率，g/min

tp——排種速率周期，s

Tp——n段排種速率周期，s

根據(jù)式(8)，作業(yè)地表平整時，各導(dǎo)種口排種速率Vp不受排種周期tp影響，排種速率Vp均為隨機(jī)過程中的平穩(wěn)過程。作業(yè)地表具有坡度時，基于對排種過程的分析可知，排種速率Vp隨排種速率周期tp變化，排種速率不再為隨機(jī)平穩(wěn)過程，破壞了分配裝置排種隨機(jī)平穩(wěn)過程，降低了各行排量一致性。分配裝置安裝勻種渦輪時，通過勻種渦輪葉片攪拌種子與輸送氣流兩相混合流，種子均勻散布至各導(dǎo)種口中，提高具有坡度地表的各行排量一致性，實(shí)現(xiàn)坡度地表作業(yè)時排種過程趨于隨機(jī)平穩(wěn)過程。

3 勻種渦輪結(jié)構(gòu)對排種性能影響試驗(yàn)

3.1 流場仿真與分析

3.1.1仿真方法

為對比分析未安裝勻種渦輪及安裝3種結(jié)構(gòu)勻種渦輪對分配裝置內(nèi)輸送氣流速度、壓力及勻種渦輪轉(zhuǎn)速的影響，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)仿真中的6自由度動網(wǎng)格模型分析流場變化得出較優(yōu)的勻種渦輪結(jié)構(gòu)[26]。綜合考慮3種勻種渦輪結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定勻種渦輪葉片數(shù)量為6。采用ANSYS Fluent 19.0軟件開展CFD模擬仿真，利用Workbench 19.0的四面體非結(jié)構(gòu)化方法自動劃分分配裝置和勻種渦輪網(wǎng)格，網(wǎng)格最小面尺寸為8 mm，網(wǎng)格畸形度小于0.67，設(shè)置送料管入口為輸送氣流入口，導(dǎo)種口為輸送氣流出口，參照油菜和小麥種子輸送速度要求，設(shè)置送料管入口輸送氣流速度為24 m/s[27]，勻種渦輪轉(zhuǎn)動慣量為3.38×10-3kg·m2，仿真時間為8 s，應(yīng)用Fluent輸出勻種渦輪葉片出口處切向速度，仿真模型如圖7所示。

3.1.2結(jié)果分析

根據(jù)Fluent輸出的葉片出口處切向速度計(jì)算得勻種渦輪轉(zhuǎn)速如圖8所示；CFD仿真得出未安裝勻種渦輪及安裝3種結(jié)構(gòu)勻種渦輪的分配裝置內(nèi)輸送氣流速度、壓力分布、勻種渦輪截面輸送氣流速度分布如圖9所示。

由圖8可知，3種結(jié)構(gòu)勻種渦輪轉(zhuǎn)速隨仿真時間的增加先逐漸增大后趨于穩(wěn)定，是由于輸送氣流驅(qū)動勻種渦輪轉(zhuǎn)動應(yīng)先克服勻種渦輪的轉(zhuǎn)動慣量。Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型勻種渦輪的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速分別為142、135、124 r/min，Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型勻種渦輪對種子的攪拌效果逐漸降低；根據(jù)3種勻種渦輪轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定的時間可知，Ⅰ型勻種渦輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的時間為仿真時間的第5秒，Ⅱ型、Ⅲ型勻種渦輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的時間分別為仿真時間的第5.5、6秒，綜合勻種渦輪的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時間可知，Ⅰ型勻種渦輪更有利于攪拌種子。

導(dǎo)種口內(nèi)輸送氣流速度的增加，可避免導(dǎo)種口內(nèi)種子滯留及阻塞，根據(jù)圖9a可知，安裝Ⅰ型勻種渦輪的供種裝置內(nèi)輸送速度高于安裝Ⅱ型、Ⅲ型及未安裝勻種渦輪的供種裝置，且Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型及未安裝勻種渦輪對導(dǎo)種口內(nèi)輸送氣流速度分布影響規(guī)律一致，則Ⅰ型勻種渦輪更有利于導(dǎo)種口內(nèi)種子的輸送。由圖9b可知，3種勻種渦輪葉片進(jìn)口處輸送氣流速度較低，產(chǎn)生渦流區(qū)域，根據(jù)氣送式排種特性，渦流區(qū)域會阻礙種子的有效輸送，增加輸送氣流速度損耗并降低輸送氣流驅(qū)動勻種渦輪轉(zhuǎn)動的效率，圖9b中，Ⅰ型、Ⅱ型勻種渦輪渦流區(qū)域較小，Ⅲ型勻種渦輪渦流區(qū)域較大。由圖9c可知，安裝不同結(jié)構(gòu)勻種渦輪的分配裝置內(nèi)輸送氣流壓力分布規(guī)律與未安裝勻種渦輪的分配裝置內(nèi)輸送氣流壓力分布規(guī)律基本相同，且輸送氣流壓力變化范圍基本相同。

結(jié)合圖8、9可知，Ⅰ型勻種渦輪穩(wěn)定轉(zhuǎn)速高于Ⅱ型、Ⅲ型勻種渦輪，安裝Ⅰ型勻種渦輪的供種裝置導(dǎo)種口內(nèi)輸送氣流速度大于安裝Ⅱ型、Ⅲ型勻種渦輪的供種裝置，且Ⅰ型勻種渦輪進(jìn)口處渦流區(qū)域較小。綜上，安裝Ⅰ型勻種渦輪的供種裝置更利于種子的輸送及攪拌。

3.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

3.2.1試驗(yàn)設(shè)備

為驗(yàn)證不同結(jié)構(gòu)勻種渦輪對地表坡度工況的適應(yīng)性，采用上弧板為3D打印透明材質(zhì)的分配裝置，以便于觀測勻種渦輪的轉(zhuǎn)動，利用智能種植機(jī)械測試平臺開展未安裝勻種渦輪分配裝置及安裝不同結(jié)構(gòu)勻種渦輪分配裝置對氣送式集排器各行排量一致性影響對比試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖10所示。該平臺通過液壓系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)沿播種機(jī)作業(yè)方向側(cè)向、前后相對平整地表-5°～5°范圍任意組合傾斜、擺動，并可驅(qū)動風(fēng)機(jī)及供種裝置轉(zhuǎn)動，以滿足油菜及小麥排種過程中對輸送氣流速度、壓力及種量要求。

3.2.2試驗(yàn)方案

根據(jù)油麥兼用型氣送式免耕播種機(jī)實(shí)際田間作業(yè)工況，導(dǎo)致氣送式集排器分配裝置各行排量差異的原因是地表坡度引起的供種裝置供種速率變化及分配裝置內(nèi)種子受自身重力影響難以均勻隨機(jī)分配。播種機(jī)在不同地表坡度下的作業(yè)工況復(fù)雜，播種機(jī)主要為以下傾斜、擺動工況狀態(tài)：①播種機(jī)沿地表上坡或下坡、側(cè)向的擺動組合，隨機(jī)變換角度(狀態(tài)1)。②播種機(jī)沿地表上坡、下坡、側(cè)向的往復(fù)組合擺動(狀態(tài)2)。為更好地模擬實(shí)際田間播種動態(tài)作業(yè)工況下，勻種渦輪對提高各行排量一致性的效果，選取狀態(tài)2開展試驗(yàn)，狀態(tài)2簡化為沿作業(yè)方向前后與側(cè)向往復(fù)組合擺動。

試驗(yàn)選取油菜品種為華油雜62，千粒質(zhì)量為4.67 g；小麥品種為鄭麥9023，千粒質(zhì)量為44.87 g。應(yīng)用非接觸式轉(zhuǎn)速儀測定未排種的分配裝置內(nèi)勻種渦輪轉(zhuǎn)速；試驗(yàn)中供種裝置傳動軸分別安裝4個和6個交錯排布型孔輪開展試驗(yàn)，用尼龍網(wǎng)袋收集分配裝置30 s內(nèi)各導(dǎo)種口的排種質(zhì)量，計(jì)算供種裝置安裝4個和6個交錯排布型孔輪的各行排量一致性變異系數(shù)平均值。

設(shè)置供種裝置轉(zhuǎn)速為30 r/min[28]，前后與側(cè)向往復(fù)組合擺動試驗(yàn)水平為-5°～5°、-4°～4°、-3°～3°、-2°～2°、-1°～1°，試驗(yàn)重復(fù)5次。

3.2.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)觀測結(jié)果表明勻種渦輪均穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，未排種時分配裝置內(nèi)Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型勻種渦輪轉(zhuǎn)速分別為137、129、117 r/min，表明采用輸送氣流驅(qū)動勻種渦輪轉(zhuǎn)動仿真試驗(yàn)結(jié)果合理可信。

圖11為不同勻種渦輪結(jié)構(gòu)的各行排量一致性變異系數(shù)。由圖11可知，作業(yè)方向前后與側(cè)向往復(fù)組合擺動角為0°～10°時，安裝Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型勻種渦輪分配裝置油菜各行排量一致性變異系數(shù)分別為5.38%～6.37%、5.38%～6.92%、5.89%～7.51%，小麥各行排量一致性變異系數(shù)分別為4.51%～5.21%、4.85%～6.25%、4.97%～6.98%，安裝勻種渦輪分配裝置各行排量一致性優(yōu)于未安裝勻種渦輪分配裝置；沿作業(yè)方向前后與側(cè)向往復(fù)組合擺動角相同時，安裝Ⅰ型勻種渦輪分配裝置的各行排量一致性優(yōu)于安裝Ⅱ型、Ⅲ型勻種渦輪的分配裝置，表明開展安裝渦輪分配裝置內(nèi)氣流場分布規(guī)律仿真研究可行。

4 葉片數(shù)量對排種性能的影響試驗(yàn)

4.1 流場仿真與分析

4.1.1仿真方法

為確定較優(yōu)結(jié)構(gòu)的Ⅰ型勻種渦輪葉片數(shù)量對勻種渦輪截面氣流速度及氣流場的影響，并減少葉片數(shù)量增加使勻種渦輪與種子碰撞、摩擦概率增加導(dǎo)致的種子無序性，選擇葉片數(shù)量為4、6、8、10的勻種渦輪開展模擬仿真，設(shè)置送料管入口輸送氣流速度為24 m/s，根據(jù)勻種渦輪不同的葉片數(shù)量設(shè)置轉(zhuǎn)動慣量，仿真時間為8 s，試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

4.1.2結(jié)果分析

由圖12a可知，隨勻種渦輪葉片數(shù)量的增加，輸送氣流越集中由勻種渦輪出口處進(jìn)入導(dǎo)種口，輸送氣流輸送種子時，種子主要在勻種渦輪出口處攪拌，勻種渦輪出口處葉片切向速度最大，易于種子被攪拌均勻；由圖12b、12c可知，隨勻種渦輪葉片數(shù)量的增加，分配裝置內(nèi)勻種渦輪截面出口處輸送氣流速度和壓力分布更加均勻，勻種渦輪對氣流的擾動效果更明顯，勻種渦輪對種子連續(xù)攪拌作用更穩(wěn)定，利于種子由導(dǎo)種口均勻排出；圖12c中，分配裝置內(nèi)勻種渦輪截面處輸送氣流壓力分布隨勻種渦輪葉片數(shù)量的增加更趨于穩(wěn)定，有利于輸氣流有效輸送種子。由圖12可知，勻種渦輪渦流生成區(qū)域主要在勻種渦輪進(jìn)口處，對輸送氣流輸送種子作用影響較小；勻種渦輪葉片數(shù)量的增加，可提高勻種渦輪出口處輸送氣流分布的均勻性，有利于種子攪拌后穩(wěn)定輸送，但葉片數(shù)量越多，輸送氣流、種子與葉片摩擦增大，且種子由送料管進(jìn)入分配裝置主體時與葉片碰撞概率增加，增大了種子的無序性，降低了各行排量一致性，需開展臺架驗(yàn)證試驗(yàn)確定葉片數(shù)量對輸送氣流和種子的影響。

4.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

4.2.1試驗(yàn)設(shè)備

為驗(yàn)證不同葉片數(shù)量的Ⅰ型勻種渦輪對不同地表坡度工況、不同種子排量的適應(yīng)性，利用智能種植機(jī)械測試平臺開展未安裝勻種渦輪分配裝置及安裝不同葉片數(shù)量勻種渦輪的分配裝置對氣送式集排器各行排量一致性影響對比試驗(yàn)。

4.2.2試驗(yàn)方案

選取狀態(tài)1簡化為沿作業(yè)方向前后與側(cè)向單向組合擺動；狀態(tài)2簡化為沿作業(yè)方向前后與側(cè)向往復(fù)組合擺動。

試驗(yàn)種子品種、勻種渦輪轉(zhuǎn)速測定方式、供種裝置型孔輪排布數(shù)量與勻種渦輪結(jié)構(gòu)對排種性能影響驗(yàn)證試驗(yàn)相同。統(tǒng)計(jì)分配裝置30 s內(nèi)各導(dǎo)種口的排種質(zhì)量及種子破損率。

沿作業(yè)方向前后與側(cè)向單向組合擺動，與供種裝置轉(zhuǎn)速雙因素試驗(yàn)中，供種裝置轉(zhuǎn)速為20～50 r/min，每間隔10 r/min為一個水平，前后與側(cè)向單向組合擺動試驗(yàn)水平為-5°～0°、-4°～0°、-3°～0°、-2°～0°、-1°～0°、0°～1°、0°～2°、0°～3°、0°～4°、0°～5°，試驗(yàn)重復(fù)5次。

沿作業(yè)方向前后與側(cè)向往復(fù)組合擺動，與供種裝置轉(zhuǎn)速雙因素試驗(yàn)中，供種裝置轉(zhuǎn)速為20～50 r/min，每間隔10 r/min為一個水平，前后、側(cè)向往復(fù)組合擺動試驗(yàn)水平為-5°～5°、-4°～4°、-3°～3°、-2°～2°、-1°～1°，試驗(yàn)重復(fù)5次。

4.2.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)觀測結(jié)果表明勻種渦輪均穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，未排種時分配裝置內(nèi)勻種渦輪轉(zhuǎn)速為125～155 r/min，表明采用輸送氣流驅(qū)動勻種渦輪轉(zhuǎn)動仿真試驗(yàn)結(jié)果合理可信。

圖13為沿播種機(jī)作業(yè)方向前后與側(cè)向單向組合擺動的各行排量一致性變異系數(shù)。由圖13可知，未安裝勻種渦輪時，隨前后與側(cè)向單向組合擺動角絕對值的增加，油菜各行排量一致性變異系數(shù)在4.72%～13.14%內(nèi)逐漸增大，小麥各行排量一致性變異系數(shù)在3.74%～16.82%內(nèi)逐漸增大，表明前后與側(cè)向單向組合擺動對油菜和小麥各行排量一致性影響明顯；前后與側(cè)向單向組合擺動角相同時，油菜和小麥各行排量一致性變異系數(shù)隨供種裝置轉(zhuǎn)速在20～50 r/min內(nèi)增加而逐漸增大，表明排種速率越大，前后與側(cè)向單向組合擺動對油菜和小麥各行排量一致性影響越明顯；安裝勻種渦輪時，前后與側(cè)向單向組合擺動角、供種裝置轉(zhuǎn)速相同時，隨勻種渦輪葉片數(shù)量增加，油菜和小麥各行排量一致性變異系數(shù)先逐漸減小后增大，勻種渦輪葉片數(shù)量為8時，油菜和小麥各行排量一致性變異系數(shù)最小，分別為5.04%～5.82%和3.85%～4.92%；前后與側(cè)向單向組合擺動角絕對值為5°時，安裝葉片數(shù)量為8的勻種渦輪比無勻種渦輪分配裝置排種油菜和小麥時各行排量一致性變異系數(shù)分別降低7.53、11.98個百分點(diǎn)，表明安裝勻種渦輪可有效提高沿作業(yè)方向前后與側(cè)向單向組合擺動的各行排量一致性。

圖14為沿播種機(jī)作業(yè)方向前后與側(cè)向往復(fù)組合擺動的各行排量一致性變異系數(shù)。由圖14可知，未安裝勻種渦輪時，隨前后與側(cè)向往復(fù)組合擺動角的增加，油菜各行排量一致性變異系數(shù)在4.72%～10.82%內(nèi)逐漸增大，小麥各行排量一致性變異系數(shù)在3.74%～15.48%內(nèi)逐漸增大，表明前后與側(cè)向往復(fù)組合擺動對油菜和小麥各行排量一致性影響明顯；前后與側(cè)向往復(fù)組合擺動角相同時，油菜和小麥各行排量一致性變異系數(shù)隨供種裝置轉(zhuǎn)速在20～50 r/min內(nèi)增加而逐漸增大，表明排種速率越大，前后與側(cè)向往復(fù)組合擺動對油菜和小麥各行排量一致性影響越明顯；安裝勻種渦輪時，前后與側(cè)向往復(fù)組合擺動角、供種裝置轉(zhuǎn)速相同時，隨勻種渦輪葉片數(shù)量增加，油菜和小麥各行排量一致性變異系數(shù)先逐漸減小后增大，勻種渦輪葉片數(shù)量為8時，油菜和小麥各行排量一致性變異系數(shù)最小，分別為4.99%～5.42%和3.98%～4.91%；前后與側(cè)向往復(fù)組合擺動角為10°時，安裝葉片數(shù)量為8的勻種渦輪比無勻種渦輪分配裝置排種油菜和小麥時各行排量一致性變異系數(shù)分別降低6.06、10.67個百分點(diǎn)，表明安裝勻種渦輪可有效提高沿作業(yè)方向前后與側(cè)向往復(fù)組合擺動的各行排量一致性。

基于沿作業(yè)方向前后與側(cè)向單向組合擺動、前后與側(cè)向往復(fù)組合擺動和供種裝置轉(zhuǎn)速對排種性能影響雙因素試驗(yàn)分析可知，無勻種渦輪分配裝置油菜種子破損率為0.02%～0.04%，小麥種子破損率為0.01%～0.05%；安裝勻種渦輪分配裝置油菜種子破損率為0.05%～0.09%，小麥種子破損率為0.03%～0.07%，表明因勻種渦輪攪拌種子且與種子碰撞摩擦，增加了種子破損率。根據(jù)圖13、14并結(jié)合葉片數(shù)量對分配裝置流場影響分析，因沿作業(yè)方向前后與側(cè)向往復(fù)組合擺動為前后與側(cè)向單向組合擺動疊加而成，故沿作業(yè)方向前后與側(cè)向往復(fù)組合擺動總體比前后與側(cè)向單向組合擺動的各行排量一致性變異系數(shù)??；根據(jù)葉片數(shù)量對分配裝置流場影響分析可知，勻種渦輪葉片數(shù)量的增加，可提高勻種渦輪出口處輸送氣流分布的均勻性，有利于種子攪拌后穩(wěn)定輸送，但勻種渦輪葉片數(shù)量的增加會增大種子由送料口至葉片進(jìn)口處與葉片的碰撞，導(dǎo)致種子運(yùn)動的無序性增加，且葉片數(shù)量越多，輸送氣流、種子與葉片摩擦增大，降低了勻種渦輪攪拌種子的效率，故前后與側(cè)向單向組合擺動、前后與側(cè)向往復(fù)組合擺動模擬試驗(yàn)中，隨勻種渦輪葉片數(shù)量的增加，相同擺動狀態(tài)下，油菜和小麥各行一致性變異系數(shù)先逐漸減小后增大，葉片數(shù)量為4～8時，葉片對氣流場的影響為主導(dǎo)作用，葉片數(shù)量為10時，葉片與種子間的碰撞、摩擦為主動作用，綜上，地表坡度為0°～5°，葉片數(shù)量為8時，供種裝置轉(zhuǎn)速為20～50 r/min，供種裝置傳動軸分別安裝2、6個交錯排布型孔輪，可滿足播種機(jī)作業(yè)速度為6～12 km/h的油菜和小麥排種量要求，表明安裝勻種渦輪可有效實(shí)現(xiàn)地表坡度變化時油麥兼用型氣送式免耕播種機(jī)不同排量的各行排量一致性的提高。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種利用輸送氣流驅(qū)動轉(zhuǎn)動的勻種渦輪，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)仿真中的6自由度動網(wǎng)格模型分析了3種不同進(jìn)口工作角和出口工作角的勻種渦輪對分配裝置內(nèi)輸送氣流流場分布及勻種渦輪轉(zhuǎn)速的影響，并利用臺架試驗(yàn)驗(yàn)證勻種渦輪結(jié)構(gòu)對排種性能的影響。仿真與臺架試驗(yàn)表明，進(jìn)口工作角和出口工作角均為銳角的Ⅰ型勻種渦輪有利于種子的輸送及攪拌，安裝Ⅰ型勻種渦輪分配裝置的油菜及小麥各行排量一致性變異系數(shù)分別為5.38%～6.37%和4.51%～5.21%。

(2)應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)中的6自由度動網(wǎng)格模型分析了進(jìn)口工作角和出口工作角均為銳角，葉片數(shù)量分別為4、6、8、10的分配裝置內(nèi)流場分布。輸送氣流速度及壓力分布特性表明，增加勻種渦輪葉片數(shù)量可提高勻種渦輪出口處輸送氣流分布的穩(wěn)定及均勻性，有利于種子攪拌后的穩(wěn)定輸送。

(3)利用智能種植機(jī)械測試平臺進(jìn)行了未安裝勻種渦輪分配裝置及安裝不同數(shù)量葉片勻種渦輪的分配裝置對各行排量一致性影響的對比試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，相對平整地表，地表坡度為0°～5°、葉片數(shù)量為8時，油菜及小麥各行排量一致性變異系數(shù)最小，分別為4.99%～5.82%和3.85%～4.92%；前后與側(cè)向單向組合擺動角絕對值為5°時，安裝葉片數(shù)量為8的勻種渦輪比無勻種渦輪分配裝置排種油菜和小麥時各行排量一致性變異系數(shù)分別降低7.53、11.98個百分點(diǎn)；前后與側(cè)向往復(fù)組合擺動角度為10°時，安裝葉片數(shù)量為8的勻種渦輪比無勻種渦輪分配裝置排種油菜和小麥時各行排量一致性變異系數(shù)分別降低6.06、10.67個百分點(diǎn)，其各行排量一致性變異系數(shù)明顯比未安裝勻種渦輪分配裝置低。