小麦气力集排器排种分配系统设计与试验

张晓辉　王永振　仉　利　彭传杰　樊桂菊

(1.山东农业大学机械与电子工程学院， 泰安 271018； 2.山东省园艺机械与装备重点实验室， 泰安 271018)

0　引言

目前谷物条播机大多使用“一器一行”式排种器，在提高作业速度与增加作业幅宽的同时会造成播种质量下降，机构庞大、臃肿，道路运输困难等问题[1-2]。河南、山东、河北和安徽等地区的小麦播种田块大、面积广，亟需研究高速作业、大播量的气力集排式播种机。

气力集排式播种机是以气流为载体，通过气流分配系统完成分配排种的播种系统[3-4]。20世纪80年代气力集排式播种机在美国、澳大利亚、欧洲等国家已得到广泛应用[5-8]，法国库恩Maxima气吸式精量播种机、德国索力特Solitair气力式精量播种机和美国约翰迪尔气吹式播种机等，具有通用性好、作业速度快等特点，但是机型庞大，价格昂贵，不适合国内市场。我国，杜辉[9]、赵晓顺等[10-11]研制的气吸式小麦精量播种机采用吸孔式排种器，该形式的排种器容易导致堵塞、排种不均匀等问题；刘立晶等[12-13]、常金丽等[14]研制的气流输送式小麦排种系统采用气流输送种子到各播种行的播种单体导种管，但对排种分配系统缺乏理论研究和仿真分析；祁兵等[15-16]研制了一种中央集排气送式玉米精量排种器，廖庆喜等[17-18]研制了气力集排式油菜精量排种器，罗锡文等[19-21]研究了一种气力集排式水稻分种器。以上学者在玉米、油菜和水稻的播种机理上做了大量研究，为小麦播种分配系统提供了参考。

本文根据农艺播种要求分析气力集排式小麦排种系统和分种系统机理，通过排种分配系统试验台，进行集中定量排种稳定性和分配均匀性等试验，以期得到适应作业幅宽大和播种均匀要求的气力集排式播种机。

1　整机工作原理

以气力集排式小麦排种分配系统为研究重点，山东农业大学成功研制了2BQ-12型气力一阶集排式播种机[22]，如图1所示，在气力一阶分配系统下，集中定量排种系统将定量种子在输种管内转换成均匀的细种子流输送到排种管完成定量播种。其整机主要技术参数如表1所示。

图1　2BQ-12型气力一阶集排式播种机结构图Fig.1　Schematic diagram of 2BQ-12 airflow first-order centralized metering seeder1.播深调节装置　2.镇压轮　3.双圆盘开沟器　4.仿形机构　5.集中定量排种系统　6.机架　7.气力一阶分配系统　8.风机 9.动力传递系统　10.分种器　11.种箱　12.排种管

参数数值外形尺寸(长×宽×高)/(mm×mm×mm)1500×2600×1520整机质量/kg420配套动力/kW40作业速度/(km·h-1)8～12作业幅宽/mm2600播种行数12播种深度/mm30～100作业效率/(hm2·h-1)1.28～3.12

气力一阶集排式播种机播种过程可分为排种、混种、分种和投种4个阶段，本文针对排种分配系统进行理论分析、气流仿真和试验验证。排种过程[23-25]是利用集中定量排种系统将种箱的种子定量排出，在重力作用下，种子落入输种管，集中定量排种系统如图2所示，控制系统按播量要求控制步进电动机1和步进电动机2进而控制排种轴不同的转速和外槽轮的工作长度，实现定量排种的要求；分种过程是利用分种系统将集中定量排种系统提供的种子转换为均匀的种子流到各个排种管内，实现均匀播种的要求。

图2　集中定量排种系统结构图Fig.2　Structure diagram of concentrated quantitative seeding system1.齿轮　2.壳体　3.搅种器　4.电动机支架　5.步进电动机1　6.步进电动机2　7.滚珠丝杠副　8.阻塞套　9.外槽轮

2　分种器设计

2.1　分种器参数确定

在气流的作用下，分种器将集中定量排种系统输送的种子，经由输种管内褶皱壁的碰撞和分种外盖的分流作用，分配到各个排种管，实现均匀分种的功能，其分种原理如图3所示，箭头的方向为气流运动方向。

图3　分种器分种原理图Fig.3　Distribution principle diagram of distributor1.输种管　2.分种内盖　3.排种管　4.分种外盖

分种器是气力集排式播种机的核心部件之一，排种管各行排量一致性及行内播种均匀性在很大程度上取决于分种器的形状和结构参数[26-27]。为保证混种过程中种子混合并向分种器运动，要求每行种子播量相近、播种连续均匀，按照播种要求，确定分种器输送气流速度va、小麦种子悬浮速度v0与输种管径D。

输送气流速度为

(1)

式中KL——物料粒度系数，小麦为16

Kd——物料特性系数，小麦为2×10-5～5×10-5

ρs——物料密度，小麦为1.37×103kg/m3

L——输种管道长度，m

由于L很小，KdL很小，可以忽略不计，同时考虑到排种系统的密封性，空气速度va=(1+10%)×18.7=20.6 m/s，可取va=21 m/s。

小麦种子悬浮速度为

(2)

式中Ks——不规则形状修正系数，取11.5

ds——小麦种子平均粒径，为5 mm

C——阻力系数，取0.44

ρ——空气密度，kg/m3

g——重力加速度，取9.8 m/s2

计算可得，小麦种子自由悬浮速度v0为13.2 m/s。

输送空气流量

(3)

其中

(4)

式中Wa、Ws——单位时间内输送空气和小麦种子质量，kg/s

φ——料气混合比，取1.3

输种管径为

(5)

则输种管道直径圆整后可取D=50 mm。

2.2　分种器总体设计

根据分种器设计依据和已知参数，确定分种器整体结构，包括分种外盖、分种内盖、输种管和排种管，整体结构如图4所示，为保证分种外盖和分种内盖同轴度，防止机械设计缺陷导致种子流不能均匀分配到排种管内，减少气种混合流在分配器内产生的涡流、滞流等现象，设计分种外盖和分种内盖螺纹连接，设计分种外盖为圆锥斜面，利用分种外盖占据分配器内腔的排种盲区空间，有利于引导种子进入排种管。因此，分种外盖的形状尺寸决定了分种性能的优劣，设计的主要内容为分种外盖与输种管。

图4　气力集排式分种器结构图Fig.4　Structure diagram of pneumatic centralized distributor1.输种管　2.排种管　3.分种内盖　4.分种外盖

2.2.1分种外盖

分种外盖的形状应尽量减少涡流、滞流和急剧收缩现象，以免引起混合流的离析、沉淀现象而破坏种子流的分布均匀度。在混种过程中，在气力集排式分种器的喷射作用下，种子呈不规则分布，在由输种管进入分种器后，形成气种混合流等种数流场(Equal amount flow field，EF)，在等种数流场和内外压力差作用下，使分布不均的种子向中间聚拢[23]。在等种数流场的作用下对种子进行聚种、分种、派种，其种子分布如图5所示。在EF1输种区域将种子聚拢到中央，在EF2分种区域将种子进行流场导向分布，在EF3排种区域将种子均匀分布到各分种口，完成排种。

图5　等种数流场小麦种子分布示意图Fig.5　Schematic diagram of wheat distribution in equal amount flow field1.EF1输种区域　2.EF2分种区域　3.EF3排种区域

根据小麦种子等种数流场的分布图，得出分种外盖对小麦种子运动规律影响较大，影响因素主要有圆锥角θ和圆锥直径d，其圆锥角θ和圆锥直径d影响小麦种子的分配均匀度。所以，圆锥外盖的尺寸应满足

(6)

图6　分种外盖结构图Fig.6　Structure diagram of distributor outer cover

根据圆锥外盖尺寸和小麦种子等种数流场分布规律，设计分种外盖形状如图6所示。根据输种管径D(据式(5)，D=50 mm)和分种器总体设计要求确定圆锥直径d为70 mm，圆锥角θ根据仿真结果确定具体值，依据田间播种行数确定下种口个数为12个，根据外盖参数即可确定整个分种器的参数和结构。

2.2.2输种管

为使小麦种子高速集中输入到输种管中，设计的输种管为带波纹的褶皱输种管，当种子与高速气流在输种管内混合后，气种混合流在波纹褶皱输种管断面直径内不断的扩张和缩小，形成对混合流的挤压和拉伸效应，从而有利于打破气种混合流原有的运动状态，促使种子与气流的均匀混合；同时，种子流碰触到波纹管内壁后反向运动，容易形成单个颗粒，有利于提高种子颗粒在管道截面上的均匀性，其轴向断面局部剖视图如图7所示，每段波纹长度为16 mm，波纹角度为90°，其余尺寸如图7所示，1个输种管有30个波纹，输种管总长为480 mm。

图7　输种管局部剖视图Fig.7　Sectional view of conveying tube

3　排种分配系统CFD仿真分析

3.1　仿真模型设定

图8　分配系统CFD仿真模型Fig.8　CFD simulation model of distributor

在Solidworks三维空间中建立分配系统的三维模型，导入Flow Simulation中，按照CFD求解过程建立控制方程，设定初始条件及边界条件，划分网格生成计算节点，最终输出仿真结果[28]。分配系统仿真模型如图8所示。选用自带的湍流模型对不同的分种器进行内部流体分析，同时确保整个模型是封闭的，因此对输种管下端和各分种口创建端盖，设置输种管下端输入速度为21 m/s的空气，分种口设置出口静压为大气压强101 325 Pa。

3.2　不同分配系统结构对比仿真与结果分析

根据分种器设计原则，输种管和分种外盖是分种性能优劣的关键，因此，对输种管和分种外盖建立仿真模型，以气流场内速度分布均匀性作为评价指标，减少分配器内产生的涡流、滞流等现象。设置相同的边界条件和仿真环境，建立2组因素对比分析，因素1为输种管的内部结构，包括褶皱管和光滑直管，分种外盖一致，因素2为分种外盖锥角的变化，包括锥角为180°、160°、140°、120°、100°、80°，输种管一致。2组速度流场分布仿真结果如图9所示。

图9　不同分种器结构速度流场分布Fig.9　Velocity flow field distributions of different distributors

从速度流场分布(图9a)可以看出，在直管结构中，流体速度处于15～16 m/s之间，速度变化较小，流场稳定，不利于种子均匀分配。在褶皱管结构中，由于管道内径周期性的扩张和收缩，导致气流受到不断拉伸和压缩作用，在靠近管壁处，气流速度相对较低，约为3 m/s，在褶皱管的中心位置，气流速度达到最大，约为15 m/s，管道内径的交替变化，引起气流速度在径向上的持续变化。因此，褶皱管结构相对于直管结构对分配系统内部流场的分布影响更大，分配均匀性更好，有利于打破流体原有的运动状态。

从速度流场分布(图9b)可以看出，气流到达分配器后与分种外盖发生碰撞。当锥角为180°时，速度变化大，从21 m/s降到1 m/s，种子在分种外盖附近产生涡流、滞流等现象。锥角160°和140°均存在此现象，当锥角为120°时，速度变化均匀，在10～20 m/s之间，有利于引导气流进入各个输种管道。当锥角在100°和80°时，种子以较高速度(约16 m/s)冲向分种外盖，造成种子与分配外盖激烈碰撞，种子破碎率增高。

综上分析，当高速气流进入褶皱管后，由于褶皱管断面直径周期性的持续扩张和收缩，进而形成对流场的挤压和拉伸作用，从而打破气体原有的运动状态，促使种子与气流的均匀混合；同时，选用锥角为120°的分种外盖，有利于保证分配器内部流场的均匀，降低种子破碎率，因此，选用分种外盖锥角为120°，褶皱输种管。

4　台架试验

通过理论计算、CFD仿真分析，设计了气力集排式排种分配系统的总体结构，下面通过台架试验验证其总体结构的适用性和理论分析的合理性；通过排种均匀性、各行之间播种均匀性和行内稳定性等试验判定排种分配系统的排种分配效果。

4.1　材料与设备

试验材料选用在山东省种植广泛且产量稳定的山农28号小麦，长度平均值6.43 mm，宽度平均值3.36 mm，厚度平均值2.51 mm，千粒质量为48.6 g，容重794.8 g/L。

试验设备为自制的小麦排种分配装置试验台，如图10所示，该装置主要由风送系统、控制系统、排种系统和分配系统等组成。其他试验设备包括腾越通风设备有限公司生产的2.2 kW离心风机，最大流量2 496 m3/h，最大风压1 200 Pa；霍尔转速记录仪(量程0～200 r/min，分辨率0.1 r/min)、电子天平(量程0～1 000 g，精度0.01 g)、秒表、接种杯(2 L)，筛板(500 mm×500 mm)等。

图10　排种分配装置试验台Fig.10　Experiment platform of seeding distribution device1.控制系统　2.排种系统　3.分配系统　4.风送系统

4.2　试验设计与方法

为测得集中定量排种系统总排量稳定性，测量集中定量排种器的转速与总排量稳定性变异系数的关系。排种器转速20～40 r/min，取6个水平，用接种杯收集排种器内的种子，每次收集时间为30 s，重复5次取平均值。

排种分配系统分种性能通过各行之间播量变异系数测定分种均匀性，通过行内播量变异系数测定分种稳定性。试验分为8组，分别标记为t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8。t1为直管分种器；t2为褶皱管分种器，t1、t2分种外盖均为120°圆锥盖；t3为分种外盖为180°平盖；t4为分种外盖为160°圆锥盖；t5为分种外盖为140°圆锥盖；t6为分种外盖为120°圆锥盖；t7为分种外盖为100°圆锥盖；t8为分种外盖为80°圆锥盖。t3～t8分种器均为褶皱管。排种管标记为i(i=1,2，…,12)，种箱中加入提前去除杂质及破碎籽粒的种子600 g，每次试验重复5次取平均值。对第i行排出的种子称量，取5次质量的平均值，记为xi，单位为g。每组试验结束后，统计12行排种管内的种子总粒数，选出破碎损伤的种粒数。

种子破碎率为

(7)

式中P——种子破碎率，%

Wp——样本破碎种粒个数

Wy——样本种粒总数

排种分配系统小麦种子整体排尽率为

(8)

式中n——总行数

Wz——种箱中加入种子的质量，g

变异系数计算式为

(9)

其中

(10)

式中CV——变异系数

4.3　试验结果与分析

集中定量排种系统试验结果如表2所示。从表2中可以看出，在排种轴外槽轮长度一定时，排种器转速在20～40 r/min时，总排量稳定性变异系数为1.01%～1.19%，转速为28 r/min时，总排量稳定性变异系数最小，为1.01%。在高速时变异系数较大是因为外槽轮转速过快，存在填充不及时现象，导致排种量不稳定。

排种分配系统试验结果如表3、4所示。根据集中定量排种系统试验数据，选择总排量稳定性变异系数最小时的排种轴转速28 r/min进行排种分配系统试验。由表3可知，小麦种子整体排尽率大于等于99%。t1试验各行之间播量变异系数为8.50%，t2变异系数为3.27%，试验数据表明褶皱管分种器比直管分种效果好；t6变异系数为3.20%，均小于t3、t4、t5、t7、t8，t6种子破碎率为0.29%，小于t7、t8，通过对比t6与其他对比组的试验数据可知分种外盖为锥角120°时，变异系数最小，种子破碎率最低，试验结果与仿真结果一致。

表2　集中定量排种器各转速下试验结果Tab.2　Test results of concentrated quantitative seeding system with different rotational speeds of seed shaft

表3　分种器各行播量Tab.3　Seeding rate of distributor rows　g

表4　分种器行内播量变异系数Tab.4　Seeding rate coefficient of variation of distributor intra-row　%

由表4可知，t2比t1平均变异系数小5.35%，褶皱输种管对行内播种的稳定性影响显著，能提高分种的稳定性；在分种外盖试验中，平均变异系数t6最小为3.96%，说明锥角为120°分种外盖有利于行内播种的稳定性。

5　田间试验

经过理论分析、流体仿真和试验台试验，对2BQ-12型气力一阶集排式播种机进行改进并于2016年9月在山东农业大学农学试验站进行播种试验，如图11所示，以山东小麦300 kg/hm2播量作为要求播种量，播种前统计播种量，进行总排量稳定性试验、各行排量一致性试验和排种均匀性试验等。总排量稳定性试验、各行排量一致性试验和种子破碎率试验在室内进行；排种均匀性和出苗率在田间试验。排种均匀性选择在大田试验结束，待出苗整齐后，按照棋盘式布点法[29]，选取田间10个采样点，每个采样点测定30 cm内小麦的总苗数，测定该区域内发芽小麦之间的距离作为播种均匀性试验的数据；待出苗整齐后，按照棋盘式布点法，选取田间10个采样点，每个采样点测定100 cm内小麦的总苗数，求其均值，换算成该田地面积下的出苗数作为出苗率的试验数据。

图11　2BQ-12型气力一阶集排式播种机试验Fig.11　2BQ-12 airflow first-order centralized metering seeder

对播种机进行综合性能测试，每个指标均取10次重复测量的平均值。具体试验数据如表5所示。

由于田间作业时，同时进行开沟、施肥等多项作业，使播种机阻力增大，产生较强的振动，因此导致田间试验合格指数低于排种性能试验。进行播种作业时可根据实际田间状态和作业要求改用大功率拖拉机，以改善播种性能。

表5　样机试验结果Tab.5　Prototype test results

6　结论

(1)设计了一种气力集排式小麦排种分配系统，通过对集中定量排种分配系统的理论研究和CFD仿真分析，得到排种分配系统结构参数：输种管直径为50 mm，褶皱管波纹长度为16 mm，波纹角度为90°，分种外盖圆锥角为120°。

(2)台架试验结果表明：褶皱输种管与锥角120°的分种外盖组合，排种器转速在20～40 r/min时，总排量稳定性变异系数为1.01%～1.19%，行内播量变异系数为3.96%，种子破碎率为0.23%，试验结果与CFD仿真分析基本一致。

(3)田间试验结果表明：总排量稳定性变异系数为1.06%，各行排量一致性变异系数为3.34%，排种均匀性变异系数为27.35%，种子破碎率为0.28%，出苗率为89.63%。

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