氣力式水稻芽種直播精量排種器關鍵部件的設計與仿真

張 順， 夏俊芳， 翟建波， 張秀梅

（華中農業大學工學院，湖北 武漢 430070）

隨著科學技術的不斷進步，尤其是計算機技術的迅猛發展，以電子計算機為設計和分析平臺的 CAD/CAE/CAM 技術被廣泛應用于農業機械的設計和分析的領域中[1]。利用計算機輔助技術對農業機械的關鍵零部件進行參數化設計和數字化建模，極大的方便了研究人員的設計工作，并能縮短研發周期，降低制造成本。

精量排種器是水稻直播機的關鍵工作部件，而氣吸滾筒式精量排種器的窩眼滾筒則直接關系到排種器排種性能的優劣，是排種器的關鍵部件之一，因此窩眼滾筒及其窩眼吸孔的結構參數是精量排種器研究的重點和難點。采用傳統的農業機械研究與設計方法，難以精確的計算出窩眼及吸孔內部氣流場的流動情況，在氣力式排種器設計時只能憑借研發人員的工作經驗完成樣機設計和試制，不僅工作量繁重，而且研發周期長，制造成本高。本文采用Pro/E軟件分別對窩眼滾筒及窩眼吸孔內部的氣流場進行三維建模，并應用計算流體力學CFD軟件對3種不同結構參數的窩眼進行內部的氣流場仿真模擬，通過對仿真結果的分析和研究，為后續排種器窩眼形狀的設計和優化提供參考。這種研究模式能方便快捷的實現農業機械中復雜零部件的設計和優化，減輕研究人員的負擔，并能獲得更為精確的結果。

1 排種器結構及工作原理

氣力式水稻芽種直播精量排種器主要由振動種箱、窩眼滾筒、清種毛刷和隨動護種裝置等組成，其結構如圖1所示，滾筒內部由中間隔斷的進、出氣空心軸與正、負壓區相連通。排種器工作時，滾筒圍繞空心軸逆時針轉動，隨動護種帶緊貼滾筒表面并隨滾筒一起轉動，同時轉動圓盤凸輪帶動種箱篩板往復振動為吸種區提供穩定流暢的芽種，并依靠種箱篩板的振動篩除芽種中夾帶的碎芽和雜質，啟動風機后，滾筒內正、負壓區產生一定的正、負壓，形成吹力和吸力。當滾筒上的窩眼進入吸種區時，憑借負壓吸力，芽種被吸附到滾筒窩眼內并隨之轉動，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旋轉進入攜種區，隨動護種帶配合滾筒窩眼將芽種護送到排種區，此時依靠正壓吹力及芽種自重將窩眼內的芽種排入導種管，完成芽種精量排種。

圖1 排種器結構示意圖

1.1 滾筒直徑及轉速的確定

將設計的芽種直播精量排種器與湖北監利縣奔牛機械有限公司生產的船式拖拉機掛接。由文獻[2]可知，直播機工作時的前進速度為4.0～4.8 km/h。根據水稻種植農藝要求可知直播機生產效率存在如下關系式：

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

借鑒市面上現有的水稻直播機型的生產效率，取播種幅寬l為1.8 m，芽種直播機的生產效率為0.72～0.86 hm2/h，滿足水稻直播機的生產標準。為滿足雜交稻的種植農藝要求，行株距l2×l1定為30 cm×25 cm[3]，則1.8 m的幅寬所對應的行數為7行，即滾筒軸向窩眼數m=7，故式(1)整理為：

從式(2)可知，當生產效率一定時，轉速n和滾筒周向窩眼數z成反比。增加周向窩眼數固然能降低滾筒轉速，但在保持一定滾筒周向窩眼間距的前提下，相應的滾筒直徑會增大，負壓區與工作時所需負壓也會隨之增大，風機功耗增加。但當滾筒直徑過大時，在相同的風機功率下，負壓區真空度會降低，窩眼吸種困難；而當滾筒直徑過小時，周向窩眼數減少，為保證一定的生產效率，必然需要提高滾筒轉速，相應充種區的吸種時間減少，吸種不充分，容易形成空穴，而排種區投種時種子因水平方向速度分量過大易在導種管中與管壁發生多次碰撞，延長落種時間，導致播后株距分布不均或漏播現象。因此，綜合考慮各因素，同時借鑒當前國內外氣吸滾筒式排種器的研究生產經驗[4]，設計滾筒的直徑為200 mm，滾筒周向等距分布16個窩眼，窩眼中心距為 39.25 mm，保證周向窩眼吸種時互不影響。由以上數據可知滾筒轉速 n為16.67～19.86 r/min，符合氣吸滾筒的設計要求[5-6]。

1.2 吸種窩眼的設計

按照雜交稻的種植農藝要求及生長特性可知，當采用芽種直播技術時，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致空穴現象，影響整體產量；多于4粒稻種，則因每穴植株過密，影響雜交稻個體的生長，難以激發雜交稻的產量潛力，同時播種時產生不必要的浪費。因此保證每穴只播2～4粒稻種是本精量排種器設計的重要指標，參照我國多數雜交稻品種芽種長度不超過 9.5 mm的實際情況[7-9]，采用在窩眼內直徑為9 mm的圓周上均布3個吸孔的結構，如圖2所示，各個吸孔能夠獨立吸種且互不影響，以期獲得理想效果。

1.3 Pro/E三維設計和建模

Pro/ENGINEER是當今世界非常流行的，集CAD/CAM/CAE功能于一體的三維特征設計、建模和仿真軟件。應用 Pro/E 進行產品設計時，產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]。在產品的三維設計中應根據實際情況選擇合適的建模思路。本設計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 窩眼滾筒結構示意圖

2 窩眼及吸孔的氣流場仿真分析

ANSYS Workbench中的DesignModeler模塊（簡稱DM）能與Pro/E軟件建立雙向關聯性，當其中一方的模型發生更改時，另一方只需通過刷新便可實現同步更新[11]，實現了二者之間的協同建模，解決了以往復雜模型必須通過保存第三方格式再導入 CFD分析軟件時發生重要特征丟失或出錯等問題，提高了產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種窩眼及吸孔內部氣流場的三維建模，通過 Pro/E中的ANSYS嵌入模塊，將仿真模型導入到 ANSYS Workbench的DM模塊中，建立DM模塊與Pro/E的雙向關聯性。在DM模塊中查看仿真模型的完整性后，導入Workbench的Mesh模塊進行網格劃分，劃分后的網格模型如圖3所示。

在添加仿真邊界條件之前先做如下假設：①計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，進氣口in的壓強為零，出氣口out的壓強為-4000 Pa（試驗測定），所有壁面均設置為無滑移的光滑壁面條件。湍流模型選用適合大多數工程計算的k-ε模型。最大運算步長定義為150步，最長運算時間為 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 導入CFX-Solver進行求解。

圖3 物理仿真模型

2.2 仿真結果與分析

2.2.1 窩眼形狀對氣流場的影響

當3種窩眼的吸孔直徑均為1.8 mm時，CFX仿真結果如圖4所示。

從圖4中可以看出3種窩眼內部氣流場除了3個吸孔端面附近有較強的負壓和氣流流速外，其余內部氣流場分布均勻，而且負壓很小，氣流流速幾乎為零，表明3種窩眼內部除了要吸附水稻芽種的3個吸孔外氣流場十分穩定。3個吸孔內部及吸孔端面附近壓降及流速梯度層次分明，各吸孔間氣流無干涉和竄動現場，表明排種器充種時窩眼內3個吸孔能獨立完成吸種，無論3個吸孔是同時吸種，還是先后吸種，均無相互影響。該分析表明 3個吸孔的分布位置和方式設計合理，同時窩眼內部氣流場均勻，均為吸種前后提供了一個穩定的吸種環境。

圖4 壓力、速度分布圖

圖5 中左三圖為3種窩眼內部距離吸孔底面邊界4.5 mm高度平面（以A面表示，該面處于窩眼內部的中部位置，是排種器充種時吸種的關鍵區域，其氣流的強弱直接關系到吸種的好壞）的速度分布圖。3種窩眼內部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，三吸孔的中心附近更加明顯，說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，氣流強度下降越快。因此，在同等負壓的前提下，半球型窩眼內部的負壓強度及氣流速度大于錐孔型和直孔型。

圖5中右三圖為3種窩眼及吸孔內部氣流場的速度矢量分布圖，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內的氣流運動情況。對比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壁面所形成的底角，更符合流體的運動屬性，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計中應優先選用半球型窩眼進行試驗研究。

圖5 速度、速度矢量分布圖

2.2.2 吸孔直徑對氣流場的影響

分別選擇吸孔直徑為 1.5 mm、1.8 mm、2.0 mm和2.2 mm的半球型窩眼進行仿真試驗，試驗結果如表1和圖6所示。

表1 不同吸孔直徑的對比

表1為不同吸孔直徑的半球型窩眼內部三吸孔端面（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）所測得的壓強平均值。由表可知，隨著吸孔直徑的增大，窩眼內部三吸孔端面的負壓和氣流速度變化不明顯，壓強和速度的平均值基本相同，可見吸孔直徑的大小對窩眼內部三吸孔端面的氣流強度影響不大；圖6為半球型窩眼內部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，平均壓強也有所增大，說明在相同出口負壓的前提下，吸孔直徑越大，通過吸孔的氣流量越大，在窩眼內部的氣流強度越大。綜上可知吸孔直徑越大，排種器工作時吸種效果越好，所以在氣力式排種器吸種孔的設計時應盡量增大吸孔直徑，提高吸種能力，但不能同時大于水稻芽種寬和厚的兩個較小尺寸。

圖6 速度分布圖

3 結 論

（1）通過對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3種窩眼及吸孔的內部氣流場進行三維建模，并與ANSYS Workbench的DM模塊建立雙向關聯性，實現協同建模、同步更新，并應用Workbench整合的CFD仿真分析軟件 CFX對窩眼及吸孔內部氣流場進行仿真計算，結果分析表明：①半球型窩眼的吸種性能優于錐孔型和直孔型；②當窩眼尺寸一定時，吸孔直徑越大，窩眼內部的氣流強度越大，吸種能力越強，吸種效果越好。

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