油麥兼用型氣送式集排器勻種渦輪設計與試驗

王 磊 席日晶 廖宜濤 張青松 林 翩 廖慶喜

(1.華中農業大學工學院， 武漢 430070； 2.農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室， 武漢 430070)

0 引言

油菜和小麥是我國重要的油料和糧食作物[1-4]，在長江中下游稻油、稻麥輪作區[5]及新疆春油菜、春小麥等種植區[6-8]播種工序相似，播種機應用油麥兼用排種器可以提高機具利用率、降低機械化成本。集中氣送式排種技術在國內外寬幅播種機上得到廣泛研究和應用[9-10]，且適用于油麥兼用排種[11-12]。當作業幅寬較大時，受地表坡度影響播種機會側向、前后傾斜和擺動，導致氣送式集排器分配裝置內的種子難以經導種口均勻隨機地排出。根據地表坡度等級劃分，油菜和小麥播種地表坡度為0°～5°[13]，隨著播種機作業幅寬及作業速度的增大，排種速率逐漸增加，排種穩定性、各行排量一致性等性能指標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，國內外學者進行了深入研究，設計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構及具有倒錐形導流板結構的分配裝置[15-17]，應用CFD仿真、DEM-CFD耦合仿真，并結合臺架試驗分析了輸送氣流速度、種子質量濃度、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律[18-19]，建立各結構和工作參數與各行排量一致性的數學模型[20]，確定了輸種管和分配裝置參數的較優組合。綜上，現有研究主要針對靜態地表下分配裝置結構進行改進優化，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，設計一種利用輸送氣流驅動轉動、安裝于分配裝置的勻種渦輪。應用CFD仿真中的6自由度動網格模型仿真分析3種勻種渦輪的葉片結構對分配裝置內輸送氣流的壓力、速度分布及勻種渦輪轉速的影響，研究地表坡度變化時勻種渦輪葉片數量對各行排量一致性的影響，為播種機分配裝置結構改進提供參考。

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構

氣送式排種系統主要由風機、種箱、供種裝置、送料裝置、分配裝置、排種口、輸種管等組成，結構如圖1所示。

分配裝置主要由送料管、導種口、下弧板、導流隔板、上弧板、勻種渦輪等組成，結構如圖2所示。

1.2 工作過程及工作原理

播種作業時，油麥兼用型氣送式免耕播種機受地表坡度影響會側向及前后傾斜、擺動，傾斜及擺動角為θ，種箱中的種子經供種裝置進入送料裝置與輸送氣流混合，受氣送式集排器傾斜、擺動狀態影響，輸送氣流裹挾種子難以均勻分布于送料管中，當種子與輸送氣流進入分配裝置主體內時，種子受自身重力作用，難以隨機均勻從各導種口排出。分配裝置安裝勻種渦輪時，風機產生的輸送氣流驅動勻種渦輪轉動，進入分配裝置主體內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 勻種渦輪設計

2.1 參數分析

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化為勻種渦輪葉片的轉動。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]。根據種子與輸送氣流在勻種渦輪中的運動關系，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勻種渦輪擾動作用后壓強損失為

(1)

式中ph——輸送氣流壓強損失，Pa

p1——送料管內輸送氣流壓強，Pa

p2——勻種渦輪內輸送氣流壓強，Pa

va——送料管內輸送氣流速度，m/s

vc——勻種渦輪內輸送氣流速度，m/s

Z1——送料管末端中心距基準面的高度，m

Z2——勻種渦輪中心距基準面的高度，m

ρa——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入勻種渦輪后，經勻種渦輪流出的壓強損失與送料管內輸送氣流壓強、勻種渦輪內輸送氣流壓強、送料管內輸送氣流速度、勻種渦輪內輸送氣流速度相關。勻種渦輪由輸送氣流驅動轉動實現攪拌種子功能，輸送氣流壓強損失主要用于驅動勻種渦輪轉動，種子、輸送氣流與勻種渦輪間的摩擦作用也產生了部分壓強損失。

由圖4b可知，勻種渦輪內輸送氣流速度可分解為驅動葉片轉動的切向速度分量uc及與輸送種子速度相關的徑向速度分量wc[22]。根據速度間的幾何關系可知

(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，當輸送氣流速度與切線速度分量間夾角α在0°～90°內逐漸增大時，切向速度分量uc逐漸減小，徑向速度wc逐漸增大，當輸送氣流速度與切線速度分量間夾角α在90°～180°內逐漸增大時，切向速度分量uc逐漸增大，徑向速度wc逐漸減小。根據輸送氣流與勻種渦輪、種子間的作用關系，切向速度分量越大，則勻種渦輪轉速越高，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，易造成導種口內種子的滯留及堵塞，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，以及驅動勻種渦輪轉動攪拌種子的效果，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，mm

y——葉片型線基圓上y軸坐標，mm

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

(4)

式中l——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，當進口工作角αc為銳角或直角時，葉片型線上除葉片進出口處，任一點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動方向一致，有利于勻種渦輪的轉動。

當進口工作角αc為鈍角時，葉輪型線與輪轂、葉輪之間的關系式為

(5)

由式(2)、(3)、(5)可知，當進口工作角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。

根據分配裝置結構設計參數，送料管半徑為40.5 mm，為實現勻種渦輪有效攪拌種子，勻種渦輪直徑應不小于送料管內徑，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打印結構，根據式(4)可知，輪轂半徑越大，則αc為銳角的范圍越大，在滿足結構強度的基礎上應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，結合進口工作角αc及出口工作角αe的范圍對輸送氣流速度的影響，為實現勻種渦輪對種子有效攪拌并滿足輸送氣流輸送種子要求，參照渦輪葉片設計中葉片型線基圓半徑應大于渦輪直徑的原則[23]，確定葉片型線基圓半徑為50 mm。

根據輸送氣流與葉片作用關系，勻種渦輪轉動方向與葉片上輸送氣流切向速度之和的方向相反，根據式(2)及勻種渦輪結構參數可得葉片上輸送氣流切向速度和計算式為

(6)

式中ua——葉片上輸送氣流切向速度和，m/s

ri——葉片上任一點的徑向半徑，mm

由式(6)可得勻種渦輪理論轉速為

(7)

式中nc——勻種渦輪理論轉速，r/min

由式(7)可知，勻種渦輪理論轉速與輸送氣流速度、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。當輸送氣流速度、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口工作角和出口工作角確定。

2.3 結構參數設計

為探究不同結構勻種渦輪對分配裝置內流場及勻種渦輪轉速的影響，根據葉片進口工作角αc、出口工作角αe差異設計了3種勻種渦輪，如圖6所示，Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型勻種渦輪進口工作角αc分別為銳角、直角、鈍角。勻種渦輪主要技術參數如表1所示。

表1 勻種渦輪主要技術參數

根據圖6并結合式(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型葉片數量一般為偶數片[24]，葉片數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損耗，確定葉片數量為4～10[25]。勻種渦輪葉片為3D打印加工制成，葉片厚度t應在滿足結構強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動葉片轉動的壓力損失，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過程分析

以分配裝置1 min各導種口排種質量為排種速率Vp，得方程

Vp=Vp(tp) (tp∈Tp)

(8)

式中Vp——導種口排種速率，g/min

tp——排種速率周期，s

Tp——n段排種速率周期，s

根據式(8)，作業地表平整時，各導種口排種速率Vp不受排種周期tp影響，排種速率Vp均為隨機過程中的平穩過程。作業地表具有坡度時，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平穩過程，破壞了分配裝置排種隨機平穩過程，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種口中，提高具有坡度地表的各行排量一致性，實現坡度地表作業時排種過程趨于隨機平穩過程。

3 勻種渦輪結構對排種性能影響試驗

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種結構勻種渦輪對分配裝置內輸送氣流速度、壓力及勻種渦輪轉速的影響，應用計算流體力學(CFD)仿真中的6自由度動網格模型分析流場變化得出較優的勻種渦輪結構[26]。綜合考慮3種勻種渦輪結構參數，確定勻種渦輪葉片數量為6。采用ANSYS Fluent 19.0軟件開展CFD模擬仿真，利用Workbench 19.0的四面體非結構化方法自動劃分分配裝置和勻種渦輪網格，網格最小面尺寸為8 mm，網格畸形度小于0.67，設置送料管入口為輸送氣流入口，導種口為輸送氣流出口，參照油菜和小麥種子輸送速度要求，設置送料管入口輸送氣流速度為24 m/s[27]，勻種渦輪轉動慣量為3.38×10-3kg·m2，仿真時間為8 s，應用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結果分析

根據Fluent輸出的葉片出口處切向速度計算得勻種渦輪轉速如圖8所示；CFD仿真得出未安裝勻種渦輪及安裝3種結構勻種渦輪的分配裝置內輸送氣流速度、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種結構勻種渦輪轉速隨仿真時間的增加先逐漸增大后趨于穩定，是由于輸送氣流驅動勻種渦輪轉動應先克服勻種渦輪的轉動慣量。Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型勻種渦輪的穩定轉速分別為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3種勻種渦輪轉速趨于穩定的時間可知，Ⅰ型勻種渦輪轉速穩定的時間為仿真時間的第5秒，Ⅱ型、Ⅲ型勻種渦輪轉速穩定的時間分別為仿真時間的第5.5、6秒，綜合勻種渦輪的穩定轉速及轉速穩定時間可知，Ⅰ型勻種渦輪更有利于攪拌種子。

導種口內輸送氣流速度的增加，可避免導種口內種子滯留及阻塞，根據圖9a可知，安裝Ⅰ型勻種渦輪的供種裝置內輸送速度高于安裝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種口內輸送氣流速度分布影響規律一致，則Ⅰ型勻種渦輪更有利于導種口內種子的輸送。由圖9b可知，3種勻種渦輪葉片進口處輸送氣流速度較低，產生渦流區域，根據氣送式排種特性，渦流區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動勻種渦輪轉動的效率，圖9b中，Ⅰ型、Ⅱ型勻種渦輪渦流區域較小，Ⅲ型勻種渦輪渦流區域較大。由圖9c可知，安裝不同結構勻種渦輪的分配裝置內輸送氣流壓力分布規律與未安裝勻種渦輪的分配裝置內輸送氣流壓力分布規律基本相同，且輸送氣流壓力變化范圍基本相同。

結合圖8、9可知，Ⅰ型勻種渦輪穩定轉速高于Ⅱ型、Ⅲ型勻種渦輪，安裝Ⅰ型勻種渦輪的供種裝置導種口內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型勻種渦輪進口處渦流區域較小。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 驗證試驗

3.2.1試驗設備

為驗證不同結構勻種渦輪對地表坡度工況的適應性，采用上弧板為3D打印透明材質的分配裝置，以便于觀測勻種渦輪的轉動，利用智能種植機械測試平臺開展未安裝勻種渦輪分配裝置及安裝不同結構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，試驗裝置如圖10所示。該平臺通過液壓系統控制實現沿播種機作業方向側向、前后相對平整地表-5°～5°范圍任意組合傾斜、擺動，并可驅動風機及供種裝置轉動，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試驗方案

根據油麥兼用型氣送式免耕播種機實際田間作業工況，導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種子受自身重力影響難以均勻隨機分配。播種機在不同地表坡度下的作業工況復雜，播種機主要為以下傾斜、擺動工況狀態：①播種機沿地表上坡或下坡、側向的擺動組合，隨機變換角度(狀態1)。②播種機沿地表上坡、下坡、側向的往復組合擺動(狀態2)。為更好地模擬實際田間播種動態作業工況下，勻種渦輪對提高各行排量一致性的效果，選取狀態2開展試驗，狀態2簡化為沿作業方向前后與側向往復組合擺動。

試驗選取油菜品種為華油雜62，千粒質量為4.67 g；小麥品種為鄭麥9023，千粒質量為44.87 g。應用非接觸式轉速儀測定未排種的分配裝置內勻種渦輪轉速；試驗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，用尼龍網袋收集分配裝置30 s內各導種口的排種質量，計算供種裝置安裝4個和6個交錯排布型孔輪的各行排量一致性變異系數平均值。

設置供種裝置轉速為30 r/min[28]，前后與側向往復組合擺動試驗水平為-5°～5°、-4°～4°、-3°～3°、-2°～2°、-1°～1°，試驗重復5次。

3.2.3試驗結果與分析

試驗觀測結果表明勻種渦輪均穩定轉動，未排種時分配裝置內Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型勻種渦輪轉速分別為137、129、117 r/min，表明采用輸送氣流驅動勻種渦輪轉動仿真試驗結果合理可信。

圖11為不同勻種渦輪結構的各行排量一致性變異系數。由圖11可知，作業方向前后與側向往復組合擺動角為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于未安裝勻種渦輪分配裝置；沿作業方向前后與側向往復組合擺動角相同時，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氣流場分布規律仿真研究可行。

4 葉片數量對排種性能的影響試驗

4.1 流場仿真與分析

4.1.1仿真方法

為確定較優結構的Ⅰ型勻種渦輪葉片數量對勻種渦輪截面氣流速度及氣流場的影響，并減少葉片數量增加使勻種渦輪與種子碰撞、摩擦概率增加導致的種子無序性，選擇葉片數量為4、6、8、10的勻種渦輪開展模擬仿真，設置送料管入口輸送氣流速度為24 m/s，根據勻種渦輪不同的葉片數量設置轉動慣量，仿真時間為8 s，試驗結果如圖12所示。

4.1.2結果分析

由圖12a可知，隨勻種渦輪葉片數量的增加，輸送氣流越集中由勻種渦輪出口處進入導種口，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，隨勻種渦輪葉片數量的增加，分配裝置內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攪拌作用更穩定，利于種子由導種口均勻排出；圖12c中，分配裝置內勻種渦輪截面處輸送氣流壓力分布隨勻種渦輪葉片數量的增加更趨于穩定，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域主要在勻種渦輪進口處，對輸送氣流輸送種子作用影響較小；勻種渦輪葉片數量的增加，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定輸送，但葉片數量越多，輸送氣流、種子與葉片摩擦增大，且種子由送料管進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，需開展臺架驗證試驗確定葉片數量對輸送氣流和種子的影響。

4.2 驗證試驗

4.2.1試驗設備

為驗證不同葉片數量的Ⅰ型勻種渦輪對不同地表坡度工況、不同種子排量的適應性，利用智能種植機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。

4.2.2試驗方案

選取狀態1簡化為沿作業方向前后與側向單向組合擺動；狀態2簡化為沿作業方向前后與側向往復組合擺動。

試驗種子品種、勻種渦輪轉速測定方式、供種裝置型孔輪排布數量與勻種渦輪結構對排種性能影響驗證試驗相同。統計分配裝置30 s內各導種口的排種質量及種子破損率。

沿作業方向前后與側向單向組合擺動，與供種裝置轉速雙因素試驗中，供種裝置轉速為20～50 r/min，每間隔10 r/min為一個水平，前后與側向單向組合擺動試驗水平為-5°～0°、-4°～0°、-3°～0°、-2°～0°、-1°～0°、0°～1°、0°～2°、0°～3°、0°～4°、0°～5°，試驗重復5次。

沿作業方向前后與側向往復組合擺動，與供種裝置轉速雙因素試驗中，供種裝置轉速為20～50 r/min，每間隔10 r/min為一個水平，前后、側向往復組合擺動試驗水平為-5°～5°、-4°～4°、-3°～3°、-2°～2°、-1°～1°，試驗重復5次。

4.2.3試驗結果與分析

試驗觀測結果表明勻種渦輪均穩定轉動，未排種時分配裝置內勻種渦輪轉速為125～155 r/min，表明采用輸送氣流驅動勻種渦輪轉動仿真試驗結果合理可信。

圖13為沿播種機作業方向前后與側向單向組合擺動的各行排量一致性變異系數。由圖13可知，未安裝勻種渦輪時，隨前后與側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在4.72%～13.14%內逐漸增大，小麥各行排量一致性變異系數在3.74%～16.82%內逐漸增大，表明前后與側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隨供種裝置轉速在20～50 r/min內增加而逐漸增大，表明排種速率越大，前后與側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，前后與側向單向組合擺動角、供種裝置轉速相同時，隨勻種渦輪葉片數量增加，油菜和小麥各行排量一致性變異系數先逐漸減小后增大，勻種渦輪葉片數量為8時，油菜和小麥各行排量一致性變異系數最小，分別為5.04%～5.82%和3.85%～4.92%；前后與側向單向組合擺動角絕對值為5°時，安裝葉片數量為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分別降低7.53、11.98個百分點，表明安裝勻種渦輪可有效提高沿作業方向前后與側向單向組合擺動的各行排量一致性。

圖14為沿播種機作業方向前后與側向往復組合擺動的各行排量一致性變異系數。由圖14可知，未安裝勻種渦輪時，隨前后與側向往復組合擺動角的增加，油菜各行排量一致性變異系數在4.72%～10.82%內逐漸增大，小麥各行排量一致性變異系數在3.74%～15.48%內逐漸增大，表明前后與側向往復組合擺動對油菜和小麥各行排量一致性影響明顯；前后與側向往復組合擺動角相同時，油菜和小麥各行排量一致性變異系數隨供種裝置轉速在20～50 r/min內增加而逐漸增大，表明排種速率越大，前后與側向往復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，前后與側向往復組合擺動角、供種裝置轉速相同時，隨勻種渦輪葉片數量增加，油菜和小麥各行排量一致性變異系數先逐漸減小后增大，勻種渦輪葉片數量為8時，油菜和小麥各行排量一致性變異系數最小，分別為4.99%～5.42%和3.98%～4.91%；前后與側向往復組合擺動角為10°時，安裝葉片數量為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分別降低6.06、10.67個百分點，表明安裝勻種渦輪可有效提高沿作業方向前后與側向往復組合擺動的各行排量一致性。

基于沿作業方向前后與側向單向組合擺動、前后與側向往復組合擺動和供種裝置轉速對排種性能影響雙因素試驗分析可知，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。根據圖13、14并結合葉片數量對分配裝置流場影響分析，因沿作業方向前后與側向往復組合擺動為前后與側向單向組合擺動疊加而成，故沿作業方向前后與側向往復組合擺動總體比前后與側向單向組合擺動的各行排量一致性變異系數小；根據葉片數量對分配裝置流場影響分析可知，勻種渦輪葉片數量的增加，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定輸送，但勻種渦輪葉片數量的增加會增大種子由送料口至葉片進口處與葉片的碰撞，導致種子運動的無序性增加，且葉片數量越多，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，故前后與側向單向組合擺動、前后與側向往復組合擺動模擬試驗中，隨勻種渦輪葉片數量的增加，相同擺動狀態下，油菜和小麥各行一致性變異系數先逐漸減小后增大，葉片數量為4～8時，葉片對氣流場的影響為主導作用，葉片數量為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°，葉片數量為8時，供種裝置轉速為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，可滿足播種機作業速度為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現地表坡度變化時油麥兼用型氣送式免耕播種機不同排量的各行排量一致性的提高。

5 結論

(1)設計了一種利用輸送氣流驅動轉動的勻種渦輪，應用計算流體力學(CFD)仿真中的6自由度動網格模型分析了3種不同進口工作角和出口工作角的勻種渦輪對分配裝置內輸送氣流流場分布及勻種渦輪轉速的影響，并利用臺架試驗驗證勻種渦輪結構對排種性能的影響。仿真與臺架試驗表明，進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分別為5.38%～6.37%和4.51%～5.21%。

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

(3)利用智能種植機械測試平臺進行了未安裝勻種渦輪分配裝置及安裝不同數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，試驗表明，相對平整地表，地表坡度為0°～5°、葉片數量為8時，油菜及小麥各行排量一致性變異系數最小，分別為4.99%～5.82%和3.85%～4.92%；前后與側向單向組合擺動角絕對值為5°時，安裝葉片數量為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分別降低7.53、11.98個百分點；前后與側向往復組合擺動角度為10°時，安裝葉片數量為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分別降低6.06、10.67個百分點，其各行排量一致性變異系數明顯比未安裝勻種渦輪分配裝置低。