气力式水稻芽种直播精量排种器关键部件的设计与仿真

张 顺， 夏俊芳， 翟建波， 张秀梅

（华中农业大学工学院，湖北 武汉 430070）

随着科学技术的不断进步，尤其是计算机技术的迅猛发展，以电子计算机为设计和分析平台的 CAD/CAE/CAM 技术被广泛应用于农业机械的设计和分析的领域中[1]。利用计算机辅助技术对农业机械的关键零部件进行参数化设计和数字化建模，极大的方便了研究人员的设计工作，并能缩短研发周期，降低制造成本。

精量排种器是水稻直播机的关键工作部件，而气吸滚筒式精量排种器的窝眼滚筒则直接关系到排种器排种性能的优劣，是排种器的关键部件之一，因此窝眼滚筒及其窝眼吸孔的结构参数是精量排种器研究的重点和难点。采用传统的农业机械研究与设计方法，难以精确的计算出窝眼及吸孔内部气流场的流动情况，在气力式排种器设计时只能凭借研发人员的工作经验完成样机设计和试制，不仅工作量繁重，而且研发周期长，制造成本高。本文采用Pro/E软件分别对窝眼滚筒及窝眼吸孔内部的气流场进行三维建模，并应用计算流体力学CFD软件对3种不同结构参数的窝眼进行内部的气流场仿真模拟，通过对仿真结果的分析和研究，为后续排种器窝眼形状的设计和优化提供参考。这种研究模式能方便快捷的实现农业机械中复杂零部件的设计和优化，减轻研究人员的负担，并能获得更为精确的结果。

1 排种器结构及工作原理

气力式水稻芽种直播精量排种器主要由振动种箱、窝眼滚筒、清种毛刷和随动护种装置等组成，其结构如图1所示，滚筒内部由中间隔断的进、出气空心轴与正、负压区相连通。排种器工作时，滚筒围绕空心轴逆时针转动，随动护种带紧贴滚筒表面并随滚筒一起转动，同时转动圆盘凸轮带动种箱筛板往复振动为吸种区提供稳定流畅的芽种，并依靠种箱筛板的振动筛除芽种中夹带的碎芽和杂质，启动风机后，滚筒内正、负压区产生一定的正、负压，形成吹力和吸力。当滚筒上的窝眼进入吸种区时，凭借负压吸力，芽种被吸附到滚筒窝眼内并随之转动，清种毛刷清除掉多余的芽种，剩余的芽种依靠吸力随滚筒继续旋转进入携种区，随动护种带配合滚筒窝眼将芽种护送到排种区，此时依靠正压吹力及芽种自重将窝眼内的芽种排入导种管，完成芽种精量排种。

图1 排种器结构示意图

1.1 滚筒直径及转速的确定

将设计的芽种直播精量排种器与湖北监利县奔牛机械有限公司生产的船式拖拉机挂接。由文献[2]可知，直播机工作时的前进速度为4.0～4.8 km/h。根据水稻种植农艺要求可知直播机生产效率存在如下关系式：

式中，η：直播机的生产效率(hm2/h)；v：直播机的前进速度(km/h)；l：播种幅宽(m)；n：滚筒转速(r/m)；z：滚筒周向窝眼数；m：滚筒轴向窝眼数；l1：水稻株距(cm)；l2：水稻行距(cm)。

借鉴市面上现有的水稻直播机型的生产效率，取播种幅宽l为1.8 m，芽种直播机的生产效率为0.72～0.86 hm2/h，满足水稻直播机的生产标准。为满足杂交稻的种植农艺要求，行株距l2×l1定为30 cm×25 cm[3]，则1.8 m的幅宽所对应的行数为7行，即滚筒轴向窝眼数m=7，故式(1)整理为：

从式(2)可知，当生产效率一定时，转速n和滚筒周向窝眼数z成反比。增加周向窝眼数固然能降低滚筒转速，但在保持一定滚筒周向窝眼间距的前提下，相应的滚筒直径会增大，负压区与工作时所需负压也会随之增大，风机功耗增加。但当滚筒直径过大时，在相同的风机功率下，负压区真空度会降低，窝眼吸种困难；而当滚筒直径过小时，周向窝眼数减少，为保证一定的生产效率，必然需要提高滚筒转速，相应充种区的吸种时间减少，吸种不充分，容易形成空穴，而排种区投种时种子因水平方向速度分量过大易在导种管中与管壁发生多次碰撞，延长落种时间，导致播后株距分布不均或漏播现象。因此，综合考虑各因素，同时借鉴当前国内外气吸滚筒式排种器的研究生产经验[4]，设计滚筒的直径为200 mm，滚筒周向等距分布16个窝眼，窝眼中心距为 39.25 mm，保证周向窝眼吸种时互不影响。由以上数据可知滚筒转速 n为16.67～19.86 r/min，符合气吸滚筒的设计要求[5-6]。

1.2 吸种窝眼的设计

按照杂交稻的种植农艺要求及生长特性可知，当采用芽种直播技术时，杂交稻每穴播种2～4粒为宜。少于2粒稻种，容易因虫兽或自身病害等因素导致空穴现象，影响整体产量；多于4粒稻种，则因每穴植株过密，影响杂交稻个体的生长，难以激发杂交稻的产量潜力，同时播种时产生不必要的浪费。因此保证每穴只播2～4粒稻种是本精量排种器设计的重要指标，参照我国多数杂交稻品种芽种长度不超过 9.5 mm的实际情况[7-9]，采用在窝眼内直径为9 mm的圆周上均布3个吸孔的结构，如图2所示，各个吸孔能够独立吸种且互不影响，以期获得理想效果。

1.3 Pro/E三维设计和建模

Pro/ENGINEER是当今世界非常流行的，集CAD/CAM/CAE功能于一体的三维特征设计、建模和仿真软件。应用 Pro/E 进行产品设计时，产品的装配建模一般有自底向上（down-top）和自顶向下（top-down）两种思路[10]。在产品的三维设计中应根据实际情况选择合适的建模思路。本设计采用自底向上的建模思路，图1(b)是水稻芽种直播精量排种器的部分装配模型图，图2(b)是排种器窝眼滚筒的三维模型图。

图2 窝眼滚筒结构示意图

2 窝眼及吸孔的气流场仿真分析

ANSYS Workbench中的DesignModeler模块（简称DM）能与Pro/E软件建立双向关联性，当其中一方的模型发生更改时，另一方只需通过刷新便可实现同步更新[11]，实现了二者之间的协同建模，解决了以往复杂模型必须通过保存第三方格式再导入 CFD分析软件时发生重要特征丢失或出错等问题，提高了产品模型的仿真分析效率。

2.1 物理模型与边界条件

如图2所示，窝眼形状为锥孔型、半球型和直孔型3种，在Pro/E中分别完成3种窝眼及吸孔内部气流场的三维建模，通过 Pro/E中的ANSYS嵌入模块，将仿真模型导入到 ANSYS Workbench的DM模块中，建立DM模块与Pro/E的双向关联性。在DM模块中查看仿真模型的完整性后，导入Workbench的Mesh模块进行网格划分，划分后的网格模型如图3所示。

在添加仿真边界条件之前先做如下假设：①计算气体为理想的不可压缩气体。②大气压恒定为101325 Pa。③温度恒定为25 ℃。在CFX-Pre中添加边界条件，in和out均定义为Opening边界，进气口in的压强为零，出气口out的压强为-4000 Pa（试验测定），所有壁面均设置为无滑移的光滑壁面条件。湍流模型选用适合大多数工程计算的k-ε模型。最大运算步长定义为150步，最长运算时间为 2 s，残差收敛条件选缺省值为10-4，完成仿真模型边界条件的添加及前处理后 导入CFX-Solver进行求解。

图3 物理仿真模型

2.2 仿真结果与分析

2.2.1 窝眼形状对气流场的影响

当3种窝眼的吸孔直径均为1.8 mm时，CFX仿真结果如图4所示。

从图4中可以看出3种窝眼内部气流场除了3个吸孔端面附近有较强的负压和气流流速外，其余内部气流场分布均匀，而且负压很小，气流流速几乎为零，表明3种窝眼内部除了要吸附水稻芽种的3个吸孔外气流场十分稳定。3个吸孔内部及吸孔端面附近压降及流速梯度层次分明，各吸孔间气流无干涉和窜动现场，表明排种器充种时窝眼内3个吸孔能独立完成吸种，无论3个吸孔是同时吸种，还是先后吸种，均无相互影响。该分析表明 3个吸孔的分布位置和方式设计合理，同时窝眼内部气流场均匀，均为吸种前后提供了一个稳定的吸种环境。

图4 压力、速度分布图

图5 中左三图为3种窝眼内部距离吸孔底面边界4.5 mm高度平面（以A面表示，该面处于窝眼内部的中部位置，是排种器充种时吸种的关键区域，其气流的强弱直接关系到吸种的好坏）的速度分布图。3种窝眼内部A面上吸孔中心的最大速度分别为4.91 m/s、13.24 m/s和4.6 m/s，平均速度分别为2.51 m/s、4.03 m/s和2.19 m/s。表明半球型窝眼在 A面上的气流速度明显比锥型孔和直孔型窝眼强，三吸孔的中心附近更加明显，说明随着窝眼横截面积和空间体积的增大，流体的能量耗散越快，气流强度下降越快。因此，在同等负压的前提下，半球型窝眼内部的负压强度及气流速度大于锥孔型和直孔型。

图5中右三图为3种窝眼及吸孔内部气流场的速度矢量分布图，图中箭头方向代表气流的流向，箭头的大小及颜色共同表示气流流速的大小，速度矢量分布图能清晰的显示气流场内的气流运动情况。对比3种窝眼的速度矢量分布图，半球型窝眼由于没有像锥孔型和直孔型底面与内壁面所形成的底角，更符合流体的运动属性，窝眼中的气体更容易流入吸孔。综上分析，在气力式排种器窝眼形状的设计中应优先选用半球型窝眼进行试验研究。

图5 速度、速度矢量分布图

2.2.2 吸孔直径对气流场的影响

分别选择吸孔直径为 1.5 mm、1.8 mm、2.0 mm和2.2 mm的半球型窝眼进行仿真试验，试验结果如表1和图6所示。

表1 不同吸孔直径的对比

表1为不同吸孔直径的半球型窝眼内部三吸孔端面（以B面表示）和距离吸孔底面边界4.5 mm高度平面（以A面表示）所测得的压强平均值。由表可知，随着吸孔直径的增大，窝眼内部三吸孔端面的负压和气流速度变化不明显，压强和速度的平均值基本相同，可见吸孔直径的大小对窝眼内部三吸孔端面的气流强度影响不大；图6为半球型窝眼内部A面的速度分布图，随着吸孔直径的增大，A面吸孔中心的最大速度分别为9.88 m/s、13.2 m/s、15.2 m/s和18.1 m/s，平均速度分别为 2.81 m/s、4.03 m/s、4.94 m/s和 5.95 m/s，平均压强也有所增大，说明在相同出口负压的前提下，吸孔直径越大，通过吸孔的气流量越大，在窝眼内部的气流强度越大。综上可知吸孔直径越大，排种器工作时吸种效果越好，所以在气力式排种器吸种孔的设计时应尽量增大吸孔直径，提高吸种能力，但不能同时大于水稻芽种宽和厚的两个较小尺寸。

图6 速度分布图

3 结 论

（1）通过对气力式水稻芽种直播精量排种器的理论分析，确定了排种器窝眼滚筒的直径和工作转速，以及窝眼在滚筒上分布方式，并利用Pro/E三维造型软件完成排种器的三维建模。

（2）利用Pro/E软件对3种窝眼及吸孔的内部气流场进行三维建模，并与ANSYS Workbench的DM模块建立双向关联性，实现协同建模、同步更新，并应用Workbench整合的CFD仿真分析软件 CFX对窝眼及吸孔内部气流场进行仿真计算，结果分析表明：①半球型窝眼的吸种性能优于锥孔型和直孔型；②当窝眼尺寸一定时，吸孔直径越大，窝眼内部的气流强度越大，吸种能力越强，吸种效果越好。

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