氣力輸送技術在農業機械中的應用*

李繼偉，袁文勝，翟歡樂，朱閃閃

(1. 江蘇航空職業技術學院航空工程學院，江蘇鎮江，212134； 2. 農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

為了適應農業生產中日益增長的對更高效、高質量作業方式的需求，農業機械不斷地發展，引入新的技術，并在實際應用中對其進行優化改進。其中氣力輸送技術以其結構簡單、適應性好、效率高等特點被用在許多相關農業裝備之中，用來代替傳統的機械結構。氣力輸送相比傳統機械結構，盡管需要有額外的能量供應，但對所輸送物料尺寸的大小具有很強的適應性，并且管道布置靈活，在空間利用上所受限制小，可以簡化傳統機械輸送的復雜結構。因此氣力輸送在播種、施肥、卸糧以及撿拾收獲等農業機械中大量應用。同時科研人員對農業機械中相關的氣力輸送裝備進行了大量的研發、試驗和測試。并且隨著計算能力提升，新的研究手段，如氣固耦合仿真，也被用來研究農業中的氣力輸送[1]。

氣力輸送是利用具有一定速度的氣流的動壓和靜壓，使被輸送物料顆粒在相應管道路線內，離散懸浮于氣流或成團狀沿氣流方向運動的輸送技術[2]，是流態化技術的一種實際應用[3]。氣力輸送根據所輸送物料在管道內的密集程度，可分為稀相流輸送和密相流輸送。稀相輸送固體的含量通常為1～10 kg/m3，氣流速度一般為10～30 m/s。稀相輸送過程中物料懸浮在氣流中，具有速度快、壓力低及料氣比低等特點，是一個連續的高速—低壓系統。密相輸送固體的含量通常為10～30 kg/m3或者固氣比(固體的質量流量和輸送氣體的質量的比值)大于25，輸送氣速較低，氣壓較高。密相輸送過程中依靠空氣脈沖推動物料位移，具有速度低、壓力高和料氣比高等特點，是一個間歇的低速—高壓系統。氣力輸送按照工作原理可分為正壓輸送、負壓輸送和正負壓混合輸送。負壓輸送是使管道內氣體壓力降到大氣壓強以下，當形成一定的真空度時，物料就會被吸進管道或者吸附在給定的位置，并在卸料端的分離器進行氣—料分離。負壓輸送可以同時在多個位置進行物料吸取，對作業地點的空間大小和位置限制有較好的適應性，但其因為真空度的限制，多用于短程輸送且需要裝置具有很高的密封性。正壓輸送管道內氣體壓強大于大氣壓強，通過風機產生的高速氣流在供料器攜帶物料向一處或多處輸送。正壓輸送便于卸料，輸送距離相對較長，可同時對多目標輸送物料，但需要特定的供料器。正負壓混合輸送結合了兩者的優點，可同時從多個位置吸取物料，經分離器氣—料分離，物料進入正壓部分可輸送到多個目標位置。根據不同形式的氣力輸送各自特點，農業機械中廣泛地應用了相應的氣力輸送技術。在播種、施肥以及撿拾收獲等作業場景中，相關的農業機械通過采用氣力輸送技術，改變傳統的作業形式，或在效率、精度和適應性上有所提高，或在結構上進行簡化[4-5]。

本文通過對國內外氣力輸送在農業機械中的應用和研究現狀進行總結分析，闡述了氣力輸送工作原理，以及在農業裝備上及其關鍵部件上的應用，指出其優勢和缺點，為氣力輸送技術在農業機械中的應用與研究提供參考。

1 農業物料的氣力輸送特性

農業中不同的物料在尺寸大小、顆粒形狀、密度大小以及摩擦系數上有很大的差異，這些關鍵的物理屬性不僅很大程度的影響了物料在輸送過程中的運動狀態，而且決定了物料懸浮速度(臨界速度)。物料顆粒在氣流中能夠按照要求進行輸送，需要對氣流速度、風量和氣力輸送裝備的結構尺寸等參數進行合理的設置，而物料懸浮速度是這些參數設計的重要參考依據，因此農業機械中氣力輸送裝備設計首先需要確定目標物料的懸浮速度。確定物料懸浮速度一般分為實驗測量、理論計算和仿真計算三種方法。表1為常見的農作物懸浮速度實驗測量、理論計算和仿真計算所得到的數值對比。

表1 常見農作物物料的臨界懸浮速度Tab. 1 Critical suspension velocity of common crop materials

1.1 物料懸浮速度的理論計算

物料在靜止空氣中自由下落達到臨界速度時，所受到的重力、浮力和空氣阻力達到平衡，可表示為

Fg=Fb+Fr

(1)

式中：Fg——重力；

Fb——浮力；

Fr——空氣阻力。

三種力可以分別表示為

Fg=mg

(2)

(3)

(4)

式中：m——物料質量；

g——重力加速度；

C——阻力系數；

A——垂直于流體運動方向的物料投影面積；

ρa——空氣的密度；

ρs——物料的密度；

vt——物料臨界速度。

當物體處于臨界狀態時，三種力達到平衡，所以把式(2)、式(3)和式(4)代入式(1)可以得到臨界速度。

(5)

1.2 物料懸浮速度的仿真計算

基于數學模型，利用Matlab軟件中的SIMULINK模塊建立仿真模型，用來模擬物料在輸送過程中的受力狀態和運動過程。模型中物料受到重力和阻力，兩者合力決定物料的加速度大小和方向，從而改變物料和氣流的相對速度，根據相對速度的變化動態的調節阻力的大小，讓合力趨近于0，阻力不變時即達到平衡狀態，此時物料速度達到臨界速度。

1.3 物料懸浮速度的試驗測量

物料懸浮速度測試試驗臺如圖1所示。

圖1 物料懸浮速度測試試驗臺

該裝置利用風機調節錐形管中風速大小，使物料在錐形管內保持懸浮狀態，用風速測量儀在物料懸浮處測量出氣流速度，即為該物料懸浮速度。用風速測量儀測量風速需要頻繁啟停風機，自動測速方法基于質量守恒定律，出風口流出風量和物料懸浮處通過流量一致，當傳感器觀測到物料懸浮在錐形管的高度值時，即可得到此高度處橫截面面積，流量和面積比值即為懸浮速度。

2 氣力輸送技術在農業機械中的應用

2.1 氣力輸送在播種機械中的應用

自20世紀50年代起，國外研究人員就開始致力于氣力式播種機的研究[6-7]。由于氣力式播種對種子損傷較小，對種子形狀尺寸適應性強，播種精度高、效率高，適合快速高效作業，因此得到廣泛的研究使用。經過幾十年的發展，氣力播種范圍已經涵蓋了水稻、小麥、油菜、玉米、蔬菜等多種作物[8-10]。

根據所用不同的氣力輸送類型，氣力式播種機可以分為負壓吸種、正壓送種和正負壓混合播種。負壓輸送播種多用于氣吸式精量播種(圖2)，排種器的氣吸室和負壓風機相連，負壓風機高速轉動，氣吸室內外產生壓差，種子在壓差作用下被吸附在種盤上小孔中送入剝離器，最終種子經過導種裝置進入田間[9, 11]。

圖2 氣吸式玉米排種器

正壓輸送多用于氣力集排式播種裝置(圖3)，種子由種箱集中供種，風機產生的高速氣流在混種室和種子混合，并攜帶種子進入分配器分配到各行輸送管道，實現一器多行作業。氣力集排式播種需要較大的氣體流量和氣流速度，適用于水稻、小麥和油菜等條播作物[12-13]，機具單次播種行數越多，所需氣體流量越大，能耗越高。正負壓混合播種是在氣吸式排種器負壓吸種基礎上，當種子脫離吸種區進入投種區后，加以正向風力輔助投種使種子更順暢進入種溝[14-16]。

圖3 氣力集排式排種系統

氣吸式負壓播種裝置中氣流壓力很大程度影響了作業質量，吸種負壓絕對值低，會導致漏播率增加，負壓絕對值過大，則會重吸率增加[17-19]；投種時流場壓力波動大，則影響投種軌跡，影響播種均勻性[20-21]。法國某農機企業開發的NGPLUS型號氣吸式精密播種機，在氣吸式排種器上，設置了風壓調節裝置和刮種刀，并用偏心聯動調節機構進行連接，實現了調節氣吸室內壓力同時又改變刮種刀相對種孔間隙的目的。Karayel等[22]試驗測量了在不同真空壓力下播種玉米、棉花、大豆和西瓜等多種作物種子的均勻性，得到了種子千粒質量、投影面積、球形度和密度與所需真空壓力之間的關系，構建了播種機真空壓力的數學模型。丁楊[23]提出了一種由螺旋輸送與氣送聯合供種、負壓吸種的新型精密排種器方案，對供種和吸種過程機理進行系統性研究，并設計了一種適合辣椒直播工藝的氣送定量供種的氣吸式辣椒排種器。

氣力集排式正壓輸送播種需要足夠的風量和穩定高速的氣流，國外的氣力播種機大多采用液壓驅動風機來保證流場的穩定性[24]。德國某農機企業開發的Solitair多功能播種機采用液壓驅動風機，實現無級調速，使風機的轉速不受拖拉機發動機轉速影響，可以為氣力播種提供良好的動力環境。美國某農機企業生產的1820型氣力式免耕變量播種機，通過選擇控制閥控制風機的驅動液壓馬達，從而改變風機轉速提供穩定的氣流輸送[25]。氣送式導種管內氣流速度是影響整個氣力系統的關鍵因素，氣流速度過大時，種子易破損，影響種子抗病能力和成活率；氣流速度過低則容易引起堵塞[3, 26]，因此氣力輸送種子需要一個合適的氣流速度范圍，圖4為segler得出的氣力輸送小麥和大麥時不同氣流速度范圍及其對應作業效果[27]。導種管位于分配系統后段，氣流速度經過不斷降低，在此處速度大小有可能小于種子懸浮速度，而且導種管管徑一般介于20～30 mm[26]，因此播種機在導種管內最容易發生堵塞。Yatskul[26]建立了氣送式播種系統的計算壓力損失的方法，以小麥種子和肥料為試驗對象，以20、25、30 mm三種直徑大小管徑進行對照，建立了氣流速度、種子流量濃度和導種管徑之間的關系。氣送式播種機的分配器形狀和參數很大程度地影響了播種的均勻性，王國松研究種子在分配器內部的受力狀況，并以排種器轉速、圓錐角度和風速為試驗因素，通過臺架試驗確定了各行排量一致性變異系數為2.78%時的較優參數組合。Lei等[28]設計了一種油麥兼用型氣送式排種器，采用碗式分支結構的分配器以提高排種均勻性。Yatskul等[29]通過對法國某農機公司生產的一種氣送式播種機進行實際測試，研究了垂直分配器傾斜角度、輸種管長度、導種口堵塞情況以及氣流進入分配器方向對排種均勻性影響。Kumar等[30]通過對三種不同形式的分配器進行種子類型、氣流速度、排種量對排種性能影響試驗，確定了流線型結構排種效果較好。王磊等[31]設計了24行穹頂狀分配裝置，進行了上弧板球體半徑、導流板長度、導種口高度對各行排量一致性影響試驗，結果表明在上弧板球體半徑為245 mm、導流板長度為20 mm、導種口高度為20.5 mm時，油菜和小麥排種均勻性較優。

圖4 小麥和大麥氣力輸送導種管內適宜的氣流速度范圍

綜上所述，氣力輸送技術在播種機械中得到了廣泛應用。與傳統機械式排種器相比，播種機采用氣力輸送技術排種技術，排種器布置更方便，拓展了作業幅寬，提高了作業速度，極大地提高了工作效率。對于正負壓氣吸式排種器和氣吹集排式排種器，不同的排種方式還存在一些不同的問題。氣吸式排種器存在對不同種子形狀適應性不高、易堵塞等問題，氣吹集排式排種器存在排種均勻性差、能耗高等問題。這些問題存在的根本原因是基礎理論研究不夠充分，特別是對于內部氣流場以及氣固兩相流的特性等缺乏系統性的數據，造成結構設計不夠合理，結構參數沒有達到最優。未來，這方面的基礎研究工作還需要進一步加強。

2.2 氣力輸送在施肥機械中的應用

顆粒化肥在農業中應用廣泛，然而其易吸濕粘連，流動性較差[32]，很容易影響機械式排肥的暢通性和均勻性。傳統機械式排肥往往依靠肥料自身重力從管道下落到田間，這種施肥方式效率較低而且容易堵塞，但加以高速氣流輔助輸送，可以增加肥料入土效率和減少肥料堵塞現象。日本某農機企業生產的水稻插秧施肥機，通過風機在輸送管道內對排肥器排出的肥料顆粒加以正壓氣流輸送，有效增加排肥效率，減少堵塞。齊興源等針對離心圓盤式撒肥機作業均勻性不穩定，設計了外槽輪式排肥、以空氣流輸送肥料的稻田氣力式變量施肥機，提高了排肥均勻性[33-34]。

20世紀80年代，美國、加拿大等發達國家開始廣泛采用氣力集中排肥，逐漸取代傳統機械式施肥方式[32, 35]。氣力集排式排肥系統采用一個肥箱定量向多行管道供肥的形式，相比于傳統機械排肥一器一行的結構形式，很大程度簡化了機器結構的復雜程度，而且排肥管道在空間位置排布具有很強的可塑性。同時在高速作業施肥方面，氣力集排式施肥方式具有明顯的優勢，因此國內對氣力集排式排肥裝置的研究也越來越多。楊慶璐等[36]通過離散元法與計算流體動力學耦合仿真的方法進行分肥裝置顆粒運動數值分析，并加以臺架測試，結果表明分配器旋蓋錐角為120°、波紋管直徑為80 mm時分肥裝置效果較優，同時也進行了不同風速下不同排量的排肥均勻性測試。劉正道等[1]基于CFD-DEM耦合方法，用來研究不同投肥路徑下投肥機構內流場分布及其對肥團運動的影響，結果表明肥腔與進氣端面接觸面積會對腔內氣流流速造成擾動，從而影響投肥穩定性。為了解決分層施肥作業時排出口處氣流速度過大導致肥料彈跳的問題，楊慶璐等[37]設計了一種氣流—肥料分離的裝置，將部分氣流提前排出從而減少肥料入土時的速度，并對排出口面積、入口氣流速度和施肥速率進行了優化。

在肥料輸送及排肥技術方面，隨著肥料生產工藝的不斷優化，粉末狀肥料或其他異性顆粒肥料逐漸變成規格化較高的顆粒肥料，為氣力式排肥技術的應用提供了基礎，施肥機械采用氣力式輸送的主要優點是高效，均勻性較高。由于目前肥料施用方式主要為條施，與傳統外槽輪式排肥器相比，氣吹排肥方式通過肥料顆粒與氣流混合，肥料的連續性和均勻性得到提高。目前存在的主要問題是肥料容易在機構內壁附著，長時間堆積，造成堵塞，需要通過采用改變肥料生產制造工藝、進一步優化結構參數和內表面物理狀態等技術措施解決。

2.3 氣力輸送在撿拾收獲裝備中的應用

氣力撿拾裝備具有適應性強、通過性好和體積緊湊等特點，多用于紅棗、油茶果、紅花和棉花等作物的撿拾收獲，在大部分撿拾裝備中多采用氣吸式負壓輸送機構。塔里木大學研制的YE3600型氣吸式紅棗收獲機，原理為運用負壓風機產生的負壓，對地面紅棗進行氣吸撿拾收獲。紅棗機械化收獲裝備以氣吸式紅棗撿拾機械的研究為主，魯兵等針對棗園地面紅棗分布比較分散，風機負壓口有效作業距離有限的問題，把清掃方式和氣吸方式相結合，設計了一種適用于落地紅棗進行撿拾收獲的新型落地紅棗收獲機械。有效解決了撿拾機器在撿拾分布較散紅棗時作業距離小的難題。為明確氣吸式紅棗撿拾機氣力輸送裝置的運動特性，張鳳奎等[38-39]進行了紅棗氣力撿拾輸送裝置(圖5)的氣固兩相流的仿真研究，對紅棗從入口到出口的運動狀態、顆粒分布和氣流場狀態進行分析，探究其主要作業參數與關鍵部件結構參數對其撿拾效率和破損率的影響規律，并優化清選裝備的設計。

圖5 氣吸式紅棗撿拾裝備

針對用于氣力收獲的油茶果的負壓吸附系統作業時有阻塞發生及能耗高等問題，王曉晨[40]對氣力輸送系統的管道直徑、彎徑比和氣流速度3個因素對收集性能影響的研究。利用CFD-DEM耦合仿真模擬管道內氣固兩相流運動狀況，結果表明三因素對收集性能影響排序為管徑>氣流速度>彎徑比。梁丹丹等[41]為了解決紅花采摘缺少采摘機械的問題，設計了一種可移動式紅花收獲裝置。裝置采用負壓輸送形式把花絲輸送至儲花室，機器結構具有較強的適應性和靈活性。王晨等將負壓風機應用到大型采棉機上，并且以吸口負壓作為主要參數來進行風機性能的評價，以采棉效率為目標，分析結構參數對風機流場質量和風機性能的影響，并通過試驗得到了最優的管道彎度組合，縮短了新型采棉機的研發周期[42]。

氣力輸送技術在各種物料的撿拾輸送方面應用比較廣泛，但相關技術研究整體上處于較低水平，主要原因是不同物料特性千差萬別，需要針對具體的物料深入開展包括氣流場、物料、結構等在內的基礎研究，掌握流場中物料特性及動力學特性，以便能更好地設計出高效可靠的機構或裝備。

3 存在問題

3.1 氣力輸送播種施肥容易堵塞，排量精準度有待提高

氣力輸送系統各個部分氣流速度差異大，在氣流速度較低或者彎折處容易引起堆積堵塞。在各行排量一致性上，ISO標準農業技術要求，種子各行排量變異系數小于5%，肥料各行排量變異系數要小于10%，然而氣力集排式施肥機具實際表現中達不到常規機械標準，需要把閾值提高到15%[43]。

3.2 氣力輸送動力需求和能量損耗較大

稀相流氣力輸送需要較高的氣流速度，氣料比較大，輸送越多物料提供動力的風機功率就越大，需要額外的動力供應。在氣力輸送系統中各個階段的氣流速度往往有較大差別，當風機提供動力不足時，在一些管道內容易發生噎塞或是排料不暢，當風機提供動力過大時，在氣流速度高的部分，容易產生種子或者果實等農作物的損傷以及過多的能源浪費。

3.3 氣力輸送耦合模擬仿真基礎研究不足，缺少精確模型

農業機械中氣力輸送的研究大量基于計算機仿真，通過CFD單方面對內部流場進行仿真模擬，或者通過流固耦合方法進行兩相流耦合仿真，來進行一些關鍵參數的優化。然而，農業物料不同于工業中的均勻物料，特殊性和多樣性特征明顯，對物料在管道內實際運動狀態基礎研究較少。在耦合仿真中，適用于相關農業物料輸送的精確碰撞模型和曳力模型的研究比較欠缺。

4 發展建議

農業物料種類很多，不同物料的物理特性差異較大，物料與氣流的相互作用比工業上的均勻物料復雜得多，制約了氣力輸送技術在農業機械中的發展。由于缺乏成熟的理論支撐，設計過程中主要以經驗為主，對于氣流場的設計也主要依靠試驗不斷優化，難有完整的系統設計方法。氣力式輸送系統涉及氣固兩相流體力學和隨機過程理論等相關內容，農業機械不同物料的流場和顆粒動力學計算復雜，計算難度大，是一個較復雜的系統。近年來，隨著計算機技術的發展，計算方便性和效率大大提高，為這一復雜系統的理論研究提供了方便。另外，一些計算機仿真軟件逐漸被開發出來，為氣固兩相流的計算和仿真試驗提供了條件。氣固兩相流流場特性是一個極具挑戰性點研究領域，相關研究應該集中更多的精力在復雜流場的基礎理論研究方面，同時充分利用計算機技術，進一步提高仿真模型的精度和可靠性，通過大量的試驗掌握流場基礎特性，同時將基礎研究結論充分應用到設計過程，提高裝備性能。

在具體的研究和應用中，可以借助其他的儀器設備促進研究進度，提高研究質量。(1)建立在線監測系統、優化主要裝置結構尺寸。在氣力式排種裝置設計中，在導種管區域安裝流量檢測傳感器，用于監控種子化肥流量，播量發生變化時進行預警，給駕駛員發出信號，對堵塞現象進行警報，提高作業質量。對用于不同作物的供料裝置、輸送管道、分配器等主要裝置的結構尺寸進行試驗優化，降低各行排量一致性變異系數。(2)智能調節風機風量輸送和管道氣流速度。可以通過探究氣力輸送不同的排量的農業物料情況下，不同氣料輸送比、氣流速度、管道直徑和管道長度等參數對能量損耗和作業質量的影響，進行所需的風量、氣流速度和排量組合下最優匹配。根據實際排量，實時調節風量輸送和管道內氣流速度，使輸送系統運行在最佳狀態，減少能量消耗提高輸送質量。(3)增加基礎理論研究，提高仿真精準度。可以通過高速攝影技術來研究物料在管道內不同參數條件下的物料—物料和物料—管壁碰撞特征，物料在流場內的懸浮狀態和運動軌跡，建立更為精確的仿真所需的碰撞模型和曳力模型，提高仿真精度，豐富相關的理論研究。

5 結語

氣力輸送系統裝置簡單，結構緊湊，適應性強，成本低,效率高易于實現自動化。氣力輸送技術應用于農業機械之中，有效地促進了農業機械的作業效率和作業質量，在一些方向上能夠簡化傳統機械復雜的結構和改善較為固定的空間布局，可以降低成本和便于實現作業目的。盡管氣力輸送技術已經有了大量的應用和研究，但其在農業機械裝備上理論研究仍處于探索階段，實際應用未形成統一可靠的標準，未來可通過加大基礎研究，增加自動化、智能化控制水平，有望很大程度提高氣力輸送農業機械作業質量。