风送式水稻撒播机关键部件设计及试验

孙妮娜，许令峰，王金星，张晓辉，戚佳鑫，于新攀

(山东农业大学 机械与电子工程学院，山东 泰安 271018)



风送式水稻撒播机关键部件设计及试验

孙妮娜，许令峰，王金星，张晓辉，戚佳鑫，于新攀

(山东农业大学 机械与电子工程学院，山东 泰安 271018)

设计一种新型风送式水稻撒播机以满足机械撒播需要。采用Fluent中的Mixture多相流模型，对风送管内气、固两相流进行数值模拟，对比平嘴、圆弧嘴、扁喇叭嘴3种喷嘴结构对出口气流速度及种子浓度分布的影响，并制作样机，进行试验验证。试验表明：数值仿真模拟符合试验规律，平嘴风送管能满足水稻撒播均匀性的要求；公顷播量为120kg时，在(0.2×0.2)m2的区域内播种17粒左右，标准偏差为1.49，波动量较小，能满足撒播均匀性的要求。

撒播机；风送管；计算流体力学；平嘴

0 引言

随着水稻栽培技术的发展及劳动力成本的提高，水稻撒播越来越受到重视。水稻撒播一般采用催芽稻谷，而水稻种子经过浸种催芽后，含水率高、流动性差、强度降低，给机械撒播带来困难[1]。为此，研制了一种风送式水稻撒播机，对种子形状适应性好、损伤率低。撒播机首先通过排种槽轮形成粗大种子流，在风送管内利用高速气流将粗大种子流均匀排出、进入大田。分析气流在风送管内的流动特性、改善喷嘴出口处气流速度及种子浓度分布均匀性，对提高撒播质量、降低能耗具有重要意义。

近年来，国内外学者对气力输送装置进行了研究，从不同种子的物料特性、装置的几何形状及尺寸等不同方面进行了相关研究[2-5]。目前主要采用计算流体力学(Computational fluid dynamics ，CFD)对气-固两相流进行三维数值模拟，分析装置内部流场分布和物料运动特性。

本文主要采用Fluent软件提供的Mixture多相流模型对风送管内部气流流场进行模拟，对比分析不同结构风送管内部流场分布特征，获得喷嘴出口气流速度及种子浓度变化规律，并在此基础上，对风送管结构进行优化，并进行试验验证。

1 结构及工作原理

设计风送式水稻撒播机主要由排种装置、风送装置、动力传递系统、支撑机构及种箱组成，如图1所示。排种装置主要包括排种槽轮、套筒、槽轮轴、集种器及排种管等；风送装置由离心式风机和风送管组成，离心式风机采用拖拉机后输出轴驱动。

1.种箱盖 2.种箱 3.种箱支架 4.三点悬挂装置 5.带传动装置 6.风机 7.风机底座 8.排种系统 9.地轮 10.地轮架 11.链传动装置 12.风送管

设备运行时，地轮通过链传动装置将动力传递给排种装置，驱动排种槽轮，按照播量要求排出种子；种子在重力及负压的作用下进入风送管进料口，与高速气流交汇形成混合气流；种子在气流作用下进入风送管扇形喷嘴，在喷嘴的作用下，形成扇形种子气流喷出。

2 风送管相关参数的确定

风送管结构应使得管内气流速度损失小，降低涡流、滞流的产生，满足气流携带种子进入大田的要求，同时使种子与气流混合均匀。

2.1 气流输送速度

设空气速度为V，根据文献[6]得

式中Kl—物料粒度系数，查得Kl=19；

Kd—物料特性系数，一般取Kd=(2～5)×10-5；

ρs—物料的密度，水稻ρs=572.8kg/m3；

L—输送管道的长度(m)。

当输送管道长度不超过100m时，KdL可忽略不计。风送管设计尺寸小于1m，计算时忽略KdL，则

考虑系统的密封性，计算出空气速度需要增加10%的裕量，即

V=15.82m/s

取V=16m/s。稻谷输送气流速度16～25m/s时，符合要求。

2.2 料气输送比

料气输送比为

式中G—空气流量；

Gs—物料流量或输送量，Gs=34.32g/r。

一般地，稀相输送适用于物料质量和粒径较小、干燥、易流动，以及短距离输送的场合，且稀相输送的气流速度较高[7]。通常稀相气力输送料气输送比在1～5之间，取μ=1.2。

2.3 输送管道直径

由物料流量、输送量及料气输送比，确定空气流量，并最终确定风送管直径DG=77mm，计算式为

3 风送管的数值模拟

对于气固两相流模拟，通常采用CFD软件中的Mixture模型。它适用于流体中存在物料和气流的混合、分离，且物料体积分数超过10%的情况，在物料分布宽广、物料与气流间曳力规律不明确的情况下模拟效果良好[8]。水稻种子物料参数如表1所示[9]。

表1 水稻种子的物料参数

仿真时，工作压力参考点选在进口中心，操作压力为101 325Pa，考虑重力影响。入口边界为Velocity-inlet，种子入口处气流和种子速度为2m/s，种子体积分数为0.1；气流入口只有气体进入，气流速度为20m/s，种子的体积分数为0[10]。计算选取二阶迎风离散格式，并采用SIMPLEC算法进行速度、压力耦合计算。

3.1 模型构建及网格划分

根据试验获得的水稻物料参数及计算确定图2所示风送管结构[11-12]，竖直管采用中间直径小、两头直径大的结构。试验测得稻种的滑动摩擦角为24.5°，设计种子入口与竖管角度为45°。设计3种喷嘴结构，即平嘴、圆弧嘴和扁喇叭嘴，平嘴和圆弧嘴满足等截面原理；3种喷嘴采用相同的竖管结构、尺寸。

平嘴 圆弧嘴 扁喇叭嘴

风送管的关键部位采取精细网格划分，对进料口和气流入口进行面网格划分。对整体模型进行四面体单元的体网格划分，网格划分类型为TGrid，划分步长为6[13]，如图2所示。

3.2 模拟结果及分析

对风送管及喷嘴内部的速度分布进行了仿真分析，计算结果如图3所示。气流入口附近，速度较高，在种子入口的影响下，气流与种子汇合处产生涡流，将种子卷入气流；随后气流携带种子进入风送管中部，由于管径减小，速度有所提高；但随着气流继续沿管道的上升，速度逐渐降低；在风送管上部，气流与种子流混合均匀，管内同一截面处速度也趋于均匀；气流到达弯管处时，方向发生改变、速度明显减小；在喷嘴出口处，速度大约为4m/s。3个风送管结构采用相同的竖管结构，竖管内速度分布差别不大，但风送管喷嘴形状不同，导致出口处气流速度有差异。

平嘴 圆弧嘴 扁喇叭嘴

喷嘴为水平面内的扁平对称结构，种子沿竖管YOZ截面内的分布对撒播均匀性影响最显著，分析竖管内不同高度处的种子浓度分布，结果如图4所示。种子由种子入口进入管道，与高速气流交汇；进气口中心处气流速度高，种子增速快、浓度低，低于5kg/m3；靠近管道壁面处，气流速度低，种子浓度高；随着高度增加，壁面处种子浓度逐渐降低，沿管道径向种子浓度分布逐渐均匀；在管道中部，由于管径减小，气流速度增加；气流与种子之间相互作用而产生脉动，种子向管道的中心运动，降低了管道中心与壁面处的浓度差异；在管道上部，管道直径增加，气流速度降低，种子流产生横向运动，种子与气流进一步混合均匀。另外，由于实际稻种的外形不规则，易产生侧向运动与壁面碰撞，实际种子与气流更容易混合均匀；到达Z=343mm截面处，沿管径方向气流速度分布均匀，种子浓度趋于稳定。

3个模型的竖管结构相同，竖管内气流速度及种子浓度变化趋势基本相同。喷嘴形状对竖管内气流流场分布、种子浓度分布影响较低。

平嘴 圆弧嘴 扁喇叭嘴

图5为喷嘴出口中心线所在水平截面(即Z=743mm)上的速度等高线，平嘴和圆弧嘴采取等截面设计，从喷嘴中心到出口处气流速度下降小，速度分布均匀。但是，喷嘴出口两侧靠近边缘处速度较高，与圆弧嘴相比，平嘴出口两侧边缘处的气流速度与中间速度差别更小。扁喇叭嘴从中心到出口处，由于截面积逐渐增加，速度下降较快。扁喇叭嘴出口处速度分布不均匀，中间速度高，两边速度低。

平嘴 圆弧嘴 扁喇叭嘴

3个喷嘴的出口处的速度及浓度情况如图6所示。由于种子与气流在竖管内混合较为均匀，出口处的种子浓度变化趋势与速度变化趋势相似。平嘴的种子浓度及速度分布最均匀，扁喇叭嘴由于出口截面形状导致中间速度及种子浓度高，两边速度、种子浓度低。综合比较，平嘴的浓度及速度分布情况更好，满足撒播均匀性的要求。

平嘴 圆弧嘴 扁喇叭嘴

4 撒播试验

4.1 试验装备

按照设计计算结果制作样机进行试验。撒播机由雷沃欧豹—TD950轮式拖拉机带动，前进速度为Ⅱ挡，拖拉机后输出轴转速为760r/min，具体的试验装置如图7所示。

4.2 试验方法

以圣稻301为试验材料，先将稻种浸泡48h，然后取出沥干。试验中调整气流速度，保证气流入口处风速不低于20m/s。

对撒播的种子进行取样，在幅宽2m、行进方向2m的播种范围内，平均分割成100个(0.2×0.2)m2的小区域，统计每个区域内水稻种子数量。重复播种试验5次，取平均值；采用Origin进行处理，得到如图8所示公顷播量为120kg时的试验统计结果。

4.3 试验结果与分析

在公顷播量为120kg的情况下，计算(0.2×0.2)m2面积内的种子数量理论计算值为16.67粒。试验中种子数目在15～20粒之间波动示。

对实际试验的数据进行分析，得到其平均值及标准方差如下：

试验数据的平均值为

试验数据的标准偏差为

试验排种均匀性的变异系数为

试验测试结果与理论计算平均值相当，且标准偏差较小，能够满足播种均匀性的要求。

图7 试验样机图

图8 试验结果及分析

5 结论

1)设计了风送式水稻撒播机。运用Fluent模拟仿真的方法，观察竖管内的速度及浓度变化过程，对比分析平嘴、圆弧嘴、扁喇叭嘴的形状对种子运动速度及浓度的影响。仿真结果表明：平嘴模型的种子速度及浓度更均匀，更能满足撒播均匀性的要求。

2)依据仿真结果制成试验模型，进行试验验证。在公顷播量为120kg的情况下，在面积为(0.2×0.2)m2的区域上，种子数量在17粒左右波动，标准偏差为1.49，能满足撒播均匀性的要求。

3)这种基于Fluent仿真的风送管设计方法，克服了传统设计方法中风送管结构设计的盲目性，完善了风送管的结构参数设计，减轻了单一实际试验的繁琐性。

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Abstract： This paper designed an air-assisted rice broadcast sower to satisfy the requirement of mechanized seeding.The numerical simulation was performed using the Mixture model of Fluent software.The influence of flat, circular arc and flat horn nozzle on flow rate and seed concentrate at the outlet of air pipe was also analyzed.The prototype testing device was made to verify the results of numerical simulation.The test show that the results of numerical simulation conform to experimental rule and the flat nozzle can satisfy the uniformity requirement of broadcast.When the seed quantity is 8kg/mu, the number of seed at the area of 0.2×0.2m2is about 17 and the standard deviation is 1.49.The air-assisted rice broadcast sower can meet the requirement of sowing uniformity.

ID:1003-188X(2017)01-0137-EA

Design and Test of Key Parts on Air-assisted Rice Broadcast Sower

Sun Nina, Xu Lingfeng, Wang Jinxing, Zhang Xiaohui, Qi Jiaxin, Yu Xinpan

(Mechanical and Electronic Engineering College, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China)

broadcast sower; air pipe; computational fluid dynamics; flat nozzle

2015-12-08

山东省现代农业产业技术体系水稻产业创新团队建设项目(2014-2017)；泰安市科技发展计划项目(2015-2018)

孙妮娜(1992-)，女，山东青岛人，硕士研究生，(E-mail)sunnina92@163.com。

许令峰(1970-)，男，山东泰安人，副教授，硕士生导师，(E-mail)lingfengxu@126.com。

S223.2

A

1003-188X(2017)01-0137-05