苜蓿切根補播施肥機氣送式集排系統優化設計與試驗

馬文鵬 尤 泳 王德成 郇曉龍 祝 露

(中國農業大學工學院， 北京 100083)

0 引言

目前制約我國苜蓿產業發展的因素主要有土壤板結、主根老化以及肥力低下等[1-3]。研究表明，對多年生苜蓿地進行機械化松土、切根、施肥以及補播，可有效增加土壤含水率，增強土壤肥力，改善生物多樣性，進而提高牧草產量[4-6]。排種、排肥器作為苜蓿地改良裝備的核心部件，其工作性能直接影響改良效果。氣送式集排系統具有適用對象種類多、高速和高效等優點，可滿足高寬幅、精量高效的現代化農業作業需求，已成為國內外播種施肥機發展的主要趨勢[7-10]。

氣送式集排系統工作過程中氣流與顆粒之間、顆粒與顆粒之間以及顆粒與殼體之間相互作用關系復雜，很難通過可視化試驗直接觀察或通過理論模型進行計算。隨著計算機技術的不斷完善與發展，DEM-CFD(氣固耦合仿真計算)被廣泛應用于流場與顆粒間相互作用機理的研究以及農業機械的優化設計之中[11-16]，目前國內學者已針對油菜籽、小麥、水稻及玉米等作物的氣力式集排系統結構與工作參數進行了優化研究[17-20]。

本文基于多年生人工苜蓿地機械化改良需求，設計一種苜蓿切根補播施肥機。采用EDEM軟件和Fluent耦合的方式，對氣送式集排系統工作過程進行數值模擬，探究波紋管和分配頭結構參數對管道內部流場和種子運動特性的影響，進而對其進行優化；以輸種彎管彎徑比、波紋管長度和分配頭錐角為試驗因素，以各行排量一致性變異系數和總排量變異系數為試驗指標，進行Box-Behnken響應面分析試驗，獲取最優結構參數組合，最后進行整機的田間性能試驗。

1 整機結構與工作原理

基于多年生苜蓿地改良工藝要求設計的苜蓿切根補播施肥機，主要由氣送式集排系統、自激振式切根松土鏟以及智能電控系統組成，可一次性完成松土、切根、施肥以及補播牧草種子等作業，如圖1所示。

工作時，整機由拖拉機牽引向前運動，雙翼式切根松土鏟對苜蓿行間土壤進行擾動，在進行松土作業提高土壤透氣性的同時，可有效切斷苜蓿根莖，促進苜蓿地表莖葉的生長；兩套氣送式集排系統，可實現禾本科牧草種子的套種以及側深位施肥，合理提高地上空間利用率，使根系發育達到最佳狀態，進而提高牧草年總產量；由旋轉編碼器和PLC等組成的智能電控系統，對種子和肥料的排量進行實時調控，保證其精確性和均勻性。

2 氣送式集排系統設計

氣送式集排系統主要由文丘里噴射器、輸種彎管、波紋管、錐形分配頭以及導種管組成，如圖2所示。工作時，拖拉機動力輸出軸帶動風機轉動，使各管道內部產生穩定的氣流場，通過風閥可進行風壓調節；向種箱(肥箱)中加入適量的種子(肥料顆粒)，接通電機使螺旋輸送器和攪種輪轉動，輪上的攪種桿對種群進行擾動以提高其流動性，螺旋輸送器將種子連續、均勻且定量地排入文丘里噴射器中，種子與氣流混合形成氣固兩相流進入輸種彎管；種子流在輸種管中進一步混合后到達波紋管，在凹凸結構的擾動作用下，氣流速度呈交替升降的狀態，種子速度降低，種子與壁面碰撞幾率增加，種子在波紋管中的分布更加離散和均勻，錐形分配頭內均勻排列的氣道在內外壓差作用下將種子流均勻分配，分配后的種子流進入導種管，完成排種作業。

2.1 仿真試驗

利用EDEM軟件和Fluent軟件對氣送式集排器工作過程進行聯合仿真，以管道內部流場壓力與速度變化情況、種子顆粒速度與受力情況為指標，分析波紋管和分配頭結構參數對集排器工作性能的影響，進而對其進行優化。

2.1.1離散元模型建立

根據苜蓿種子的物理特性，在EDEM軟件中利用球形顆粒組合的方法建立苜蓿種子仿真模型，如圖3所示，設置顆粒間及顆粒與輸送機各部件間接觸模型為Hertz-Mindlin無滑動模型。為尋求最優苜蓿種子離散元模型接觸參數組合，以苜蓿種子休止角和堆積角的實測值與仿真值誤差為指標，對苜蓿種子模型參數進行標定[21]，標定后的模型參數見表1。

表1 苜蓿種子離散元模型參數Tab.1 Parameters of discrete element model for alfalfa seeds

2.1.2波紋管波紋類型優化設計

2.1.2.1氣固耦合仿真試驗

首先針對氣固耦合分析區域即輸種彎管和波紋管內部進行網格劃分。采用ANSYS軟件中的Meshing模塊對流道進行網格劃分，劃分所得網格總數為1 133 519，最大網格邊長為6.85×10-3m，最小網格邊長為6.85×10-5m。選取輸種彎管端口為壓力入口邊界條件，波紋管端部為壓力出口邊界條件，如圖4所示。

種子由壓力入口處顆粒工廠生成，設置動態生成種子數量為1 000顆/s。設置氣流入口速度為16 m/s。種子受到高速氣流作用經輸種彎管進入波紋管，與氣流充分混合并減速后經壓力出口排出，實現供種。在此過程中EDEM軟件獲取實時顆粒體的位置與接觸信息，將獲取的信息傳遞至Fluent軟件中，Fluent根據獲取的信息模擬計算顆粒體對流場的影響情況，再將所獲得的流場信息反饋到EDEM中，模擬流場對顆粒體的影響，依次循環，達到雙向流固耦合的效果。仿真過程中設置EDEM時間步長為1×10-6s，Fluent時間步長為5×10-5s，為EDEM的50倍；設置Fluent步數為60 000步，即仿真時間為3 s；設置每個時間步最多迭代50次；為盡可能詳細提取顆粒運動信息，在EDEM和Fluent內，每0.01 s保存一次數據。為探究波紋類型對種子顆粒運動特性的影響，揭示波紋管的工作機理，分別對長直圓管(簡稱N型)、U型波紋管和V型波紋管進行數值模擬，如圖5所示。

2.1.2.2管道內部流場與顆粒運動狀態分析

仿真結果顯示，該氣固耦合模型的氣流結構具有良好的收斂性，在0.2 s時流場達到穩定狀態。圖6為不同類型管道內部流場壓力云圖，由圖可知，N型管道內部氣流在經過彎管后產生較大的壓力損失，在局部出現真空區，豎直管道內部軸向氣流平均壓力減小，徑向壓力分布不均；U型管道內部氣流平均壓力呈逐漸降低趨勢，軸向壓力分布相對均勻，在波紋管階段，垂直面壓力由中心區域沿徑向逐漸降低，在U型波紋狀壁面處的壓力極低；V型管道內部氣流壓力整體呈顯著降低趨勢，波紋管階段氣流壓力在管道軸線兩側對稱分布，垂直面壓力中心區域沿徑向顯著降低，在V型波紋狀壁面處的壓力極低。

圖7為不同類型管道內部氣流速度云圖，由圖可知，N型管內部氣流速度呈現先增大后減小的趨勢，管道入口與出口的流速差值較小，整體分布相對均勻；U型管內部流場速度沿軸線逐漸增大，沿管道徑向逐漸減小，波紋狀壁面附近區域速度為0，無局部擾流產生；V型管道內部流場速度在波紋管階段顯著增大，垂直面由中心區域向四周壁面擴散的氣流速度逐漸降低，由于波紋管為迭代的波峰、波谷結構，氣壓損失致使氣流速度呈現交替變化趨勢，氣流場形成擾動較大的湍流，進而實現對種子的減速功能。

圖8為不同類型管道內部流場顆粒分布及運動特性情況，由圖可知，N型管道入口區域種子顆粒在氣流作用下經輸送彎管到達縱向管道，在重力和氣流曳力作用下不斷加速經上方出口排出，顆粒速度在輸送末端達到最大值，顆粒在軸向、徑向分布不均，未與氣流充分混合，影響集排器最終的排種效率；U型管道內部顆粒在輸送彎管階段分布及運動狀態與N型管相似，種子顆粒在進入波紋管道后，軸線附近的顆粒仍處于加速狀態，但處于波紋管壁附近的種子顆粒速度有所減小，顆粒的徑向分布相對均勻；V型波紋管內部種子顆粒在進入波紋管后，顆粒整體速度顯著降低，顆粒軸向、徑向分布均勻性明顯優于N型、U型管，究其原因，V波紋狀結構使氣流速度以及種子顆粒所受曳力呈交替升降的狀態，從而整體上降低種子顆粒速度，增加種子顆粒與壁面碰撞幾率，促使種子顆粒在波紋管中的分布更加離散和均勻。綜上所述，將波紋管壁面波紋形狀設置為V型。

2.1.3錐形分配頭優化設計

2.1.3.1仿真模型與方法

為探究不同分配頭端蓋類型對其內部流場特性的影響，將端蓋形狀設置為平形、凸圓弧形和凹錐形，其對應分配頭分別為P型分配頭、H型分配頭以及Z型分配頭，分別進行內部流場仿真試驗。3種分配頭網格結構如圖9所示，選取分配頭底部端口為壓力入口邊界條件，4個導種管端口為壓力出口邊界條件，設置壓力入口氣流速度為16 m/s。

2.1.3.2仿真結果分析

各類型分配頭0.2 s時內部流場速度云圖如圖10所示，此時流場處于穩定狀態。由圖10a、10b可知，P型分配頭和H型分配頭內部流場速度呈先減小后增大的趨勢，流速變化梯度較大，端蓋附近存在較大面積的低速區域，不利于顆粒與氣流的充分混合；流場流速分布不均，導種口之間流速差值極大，存在較多渦流區，易造成氣固兩相流分配不均的現象，進而影響集排器的排種性能。由圖10c可知，Z型分配頭內部流場流速整體呈中線對稱式分布，流速由入口至出口呈逐漸降低趨勢，變化梯度較小，未出現滯流區和渦流區，利于氣固兩項流的均勻分配。因此，最終確定分配頭的端蓋形狀為凹錐形。

2.1.4氣流集排器結構參數優化設計

2.1.4.1氣固耦合仿真試驗

首先建立氣流集排器內部管道氣固耦合模型，選取風機接口為壓力進口邊界條件，分配頭的4個導種口為壓力出口邊界條件，在進種口處設置顆粒工廠，動態生成種子數量為1 000顆/s，氣流入口速度為16 m/s。待集排器內部流場運行穩定后獲取其速度分布情況，如圖11所示，可知氣流速度在輸種彎管、波紋管以及錐形分配頭中具有明顯的變化，為探究彎管、波紋管以及分配頭結構參數對集排器工作性能的影響，優化結構參數，根據單因素試驗結果及相關文獻，選取彎徑比ω、波紋管長度Lb以及錐角θz作為試驗因素，各行排量一致性變異系數和總排量穩定性變異系數作為響應值，進行仿真排種試驗，每個因素包括3個水平，在水平的選取上包含了單因素試驗中每個因素的最佳水平，根據BBD設計原理，三因素三水平響應面設計由12個析因點和5個中心點組成，共17組試驗方案，5個重復的試驗是為了減少試驗誤差而采取的中心試驗。取得試驗結果后，采用三因素三水平的響應面分析法，得到二次回歸方程，并獲得最佳結構參數組合。因素編碼見表2，試驗方案與結果見表3，A、B、C為因素編碼值。

表2 Box-Behnken設計因素編碼Tab.2 Box-Behnken design factor coding level

表3 試驗方案及結果Tab.3 Test plan and results

為比較經過不同導種口種子顆粒數量，仿真中在每個導種口端部設置統計框，如圖12所示，每隔5 s記錄統計框內通過的種子顆粒質量，連續記錄5次，最終計算各行排量一致性變異系數η1和總排量穩定性變異系數η2。其計算式為

(1)

(2)

式中mi——導種口i的排種總質量，i=1,2,3,4

mj——4個導種口第j次統計總質量，j=1,2,3,4,5

2.1.4.2試驗結果分析

通過對試驗數據進行多元回歸擬合，得到各試驗因素對各行排量一致性變異系數η1影響的數學回歸模型為

η1=3.182-0.613A-0.735B-1.400C+2.130AB+
2.425AC+2.465BC+3.477A2+3.832B2+3.757C2

(3)

表4 回歸方程方差分析Tab.4 Variance analysis of regression equation

通過對試驗數據進行多元回歸擬合，得到各試驗因素對總排量變異系數η2影響的數學回歸模型

η2=3.260-0.661A-1.006B-0.720C+2.230AB+
2.058AC+1.998BC+2.588A2+3.443B2+3.220C2

(4)

對建立的模型以各行排量標準離差率和總排量標準離差率均最小進行求解，得出最優工作參數組合，即彎徑比為0.96，波紋管長度為183 mm，錐角為123.4°，此時各行排量一致性變異系數為3.06%，總排量穩定性變異系數為3.17%。

2.2 臺架驗證試驗

為驗證獲取的最佳參數組合正確性，搭建氣送式集排器排種性能試驗臺，如圖13所示。試驗對象分別為苜蓿種子、葦狀羊茅種子、固體顆粒肥。其中，苜蓿種子含水率為14.79%，葦狀羊茅種子含水率為7.36%，顆粒肥料含水率為4.21%。試驗時，設置入口風速為16 m/s，根據不同作物、肥料的施放量農藝要求以及機器的前進速度，設置相應的螺旋輸送機輸送效率，當風壓和進種速度穩定時，每隔5 s記錄收集袋內的顆粒質量，連續記錄5次，每次試驗重復3次取平均值，最終計算各行排量一致性變異系數、總排量穩定性變異系數以及破損率，試驗結果見表5。由表可知，在相同的結構參數、入口風速條件下，氣送式集排器針對不同研究對象的各行排量一致性變異系數以及總排量穩定性變異系數均小于5%，苜蓿種子和葦狀羊茅種子破損率均小于4%。

表5 氣送式集排器性能試驗結果Tab.5 Pneumatic collector performance test results

3 整機排種排肥性能試驗

基于優化試驗確定的關鍵部件結構參數，完成2BFQ-4型多年生苜蓿切根松土補播施肥機的加工試制，并進行排種排肥性能試驗。

2BFQ-4型多年生苜蓿切根松土補播施肥機樣機如圖14所示，其配套動力源為東方紅MG654型拖拉機，動力輸出軸轉速為720 r/min，高壓離心風機功率為1.1 kW。選擇河北省石家莊市北蘇村農田作為試驗基地，試驗田以含水率為12.3%，堅實度為45.9 kg/cm2的沙壤土為主。為便于記錄機具排出牧草種子、顆粒肥的質量，避免受到拖拉機振動、地面起伏等因素的影響，在機具靜止狀態下進行連續排種作業，如圖15所示。工作時，拖拉機動力輸出軸帶動風機轉動，通過風閥調節管道風壓，通過控制水平螺旋輸送機轉速調節種肥輸送效率。測定2 min內各導種口、導肥口排出的種子和肥料，計算各行排量一致性變異系數以及總排量穩定性變異系數，試驗結果如表6所示。

表6 整機排種排肥試驗結果Tab.6 Test results of whole machine for seeding and fertilizing

試驗結果表明，在不同的螺旋輸送機輸送效率條件下，葦狀羊毛種子、固體顆粒肥各行排量一致性變異系數和總排量變異系數均小于5%。與臺架試驗排種性能差異較小，表明采用拖拉機動力輸出軸帶動風機轉動可提供較穩定的氣流壓強，整機排種、排肥性能可滿足農藝要求。

4 結論

(1)利用EDEM軟件和Fluent軟件對氣送式集排器工作過程進行聯合仿真，以管道內部流場壓力與速度變化情況、種子顆粒速度與受力情況為指標，分析波紋管和分配頭結構參數對集排器工作性能的影響，進而對其進行優化。結果表明，V型波紋管內部種子顆粒在進入波紋管后，顆粒整體速度顯著降低，顆粒軸向、徑向分布均勻性明顯優于N型、U型管；凹錐形分配頭內部流場流速整體呈中線對稱式分布，變化梯度較小，未出現滯流區和渦流區，利于氣固兩項流的均勻分配。

(2)以輸種彎管彎徑比、波紋管長度和分配頭錐角為試驗因素，以各行排量一致性變異系數和總排量穩定性變異系數為試驗指標，進行Box-Behnken響應面分析仿真集排試驗，獲取集排系統最優結構參數組合。結果表明，當彎徑比為0.96、波紋管長度為183 mm、錐角為123.4°時，各行排量一致性變異系數為3.06%，總排量變異系數為3.17%。在相同條件下進行實際臺架驗證試驗，氣送式集排器針對不同研究對象的各行排量一致性變異系數以及總排量穩定性變異系數均小于5%，苜蓿種子和葦狀羊茅種子破損率均小于4%。

(3)試制多年生苜蓿切根補播施肥機，并進行大田排種排肥性能試驗。試驗結果表明，在不同的螺旋輸送機輸送效率條件下，葦狀羊毛種子、固體顆粒肥各行排量一致性變異系數和總排量穩定性變異系數均小于5%, 多年生苜蓿切根補播施肥機達到了人工苜蓿地改良的技術要求。