油麦兼用型气送式集排器匀种涡轮设计与试验

王 磊 席日晶 廖宜涛 张青松 林 翩 廖庆喜

(1.华中农业大学工学院， 武汉 430070； 2.农业农村部长江中下游农业装备重点实验室， 武汉 430070)

0 引言

油菜和小麦是我国重要的油料和粮食作物[1-4]，在长江中下游稻油、稻麦轮作区[5]及新疆春油菜、春小麦等种植区[6-8]播种工序相似，播种机应用油麦兼用排种器可以提高机具利用率、降低机械化成本。集中气送式排种技术在国内外宽幅播种机上得到广泛研究和应用[9-10]，且适用于油麦兼用排种[11-12]。当作业幅宽较大时，受地表坡度影响播种机会侧向、前后倾斜和摆动，导致气送式集排器分配装置内的种子难以经导种口均匀随机地排出。根据地表坡度等级划分，油菜和小麦播种地表坡度为0°～5°[13]，随着播种机作业幅宽及作业速度的增大，排种速率逐渐增加，排种稳定性、各行排量一致性等性能指标对地表坡度变化更加敏感[14]。

为提高气送式集排器各行排量一致性，国内外学者进行了深入研究，设计了具有波纹状增压管的碗式分配装置、具有圆锥外盖和褶皱波纹管结构及具有倒锥形导流板结构的分配装置[15-17]，应用CFD仿真、DEM-CFD耦合仿真，并结合台架试验分析了输送气流速度、种子质量浓度、种子体积浓度、排种口堵塞、输种管长度、排种量分布等对各行排量一致性的影响规律[18-19]，建立各结构和工作参数与各行排量一致性的数学模型[20]，确定了输种管和分配装置参数的较优组合。综上，现有研究主要针对静态地表下分配装置结构进行改进优化，而地表坡度变化对气送式集排器分配装置各行排量一致性的影响研究相对较少。

针对油麦兼用型气送式免耕播种机宽幅播种时各行排量一致性受地表坡度变化影响的问题，设计一种利用输送气流驱动转动、安装于分配装置的匀种涡轮。应用CFD仿真中的6自由度动网格模型仿真分析3种匀种涡轮的叶片结构对分配装置内输送气流的压力、速度分布及匀种涡轮转速的影响，研究地表坡度变化时匀种涡轮叶片数量对各行排量一致性的影响，为播种机分配装置结构改进提供参考。

1 总体结构与工作原理

1.1 总体结构

气送式排种系统主要由风机、种箱、供种装置、送料装置、分配装置、排种口、输种管等组成，结构如图1所示。

分配装置主要由送料管、导种口、下弧板、导流隔板、上弧板、匀种涡轮等组成，结构如图2所示。

1.2 工作过程及工作原理

播种作业时，油麦兼用型气送式免耕播种机受地表坡度影响会侧向及前后倾斜、摆动，倾斜及摆动角为θ，种箱中的种子经供种装置进入送料装置与输送气流混合，受气送式集排器倾斜、摆动状态影响，输送气流裹挟种子难以均匀分布于送料管中，当种子与输送气流进入分配装置主体内时，种子受自身重力作用，难以随机均匀从各导种口排出。分配装置安装匀种涡轮时，风机产生的输送气流驱动匀种涡轮转动，进入分配装置主体内的种子与输送气流两相流在匀种涡轮搅拌作用下，均匀散布到分配装置的各导种口中，提高了地表坡度变化时分配装置各行排量一致性。地表坡度变化时分配装置工作过程如图3所示。

2 匀种涡轮设计

2.1 参数分析

叶片是匀种涡轮传递能量的主要部件，可将输送气流的能量转化为匀种涡轮叶片的转动。圆弧型叶片气流流动性好，搅拌种子与输送气流两相混合流时对叶片磨损小[21]。根据种子与输送气流在匀种涡轮中的运动关系，输送气流速度如图4所示。

由图4a可知，输送气流由送料管经匀种涡轮扰动作用后压强损失为

(1)

式中ph——输送气流压强损失，Pa

p1——送料管内输送气流压强，Pa

p2——匀种涡轮内输送气流压强，Pa

va——送料管内输送气流速度，m/s

vc——匀种涡轮内输送气流速度，m/s

Z1——送料管末端中心距基准面的高度，m

Z2——匀种涡轮中心距基准面的高度，m

ρa——输送气流密度，kg/m3

g——重力加速度，m/s2

由式(1)可知，输送气流由送料管进入匀种涡轮后，经匀种涡轮流出的压强损失与送料管内输送气流压强、匀种涡轮内输送气流压强、送料管内输送气流速度、匀种涡轮内输送气流速度相关。匀种涡轮由输送气流驱动转动实现搅拌种子功能，输送气流压强损失主要用于驱动匀种涡轮转动，种子、输送气流与匀种涡轮间的摩擦作用也产生了部分压强损失。

由图4b可知，匀种涡轮内输送气流速度可分解为驱动叶片转动的切向速度分量uc及与输送种子速度相关的径向速度分量wc[22]。根据速度间的几何关系可知

(2)

式中α——输送气流速度与切线速度分量间夹角，(°)

由式(2)可知，当输送气流速度与切线速度分量间夹角α在0°～90°内逐渐增大时，切向速度分量uc逐渐减小，径向速度wc逐渐增大，当输送气流速度与切线速度分量间夹角α在90°～180°内逐渐增大时，切向速度分量uc逐渐增大，径向速度wc逐渐减小。根据输送气流与匀种涡轮、种子间的作用关系，切向速度分量越大，则匀种涡轮转速越高，叶片对种子的搅拌效果越好，可提高具有坡度地表作业时各行排量一致性，但切向速度分量越大，径向速度分量越小，输送气流输送种子能力降低，易造成导种口内种子的滞留及堵塞，故输送气流速度与切线速度分量间夹角是决定匀种涡轮性能的关键。

2.2 叶片型线分析

匀种涡轮叶片型线影响输送气流的速度、压力，以及驱动匀种涡轮转动搅拌种子的效果，圆弧型叶片型线如图5所示。

由图5可知，叶片型线基圆方程为

(3)

式中rc——叶片型线基圆半径，mm

x——叶片型线基圆上x轴坐标，mm

y——叶片型线基圆上y轴坐标，mm

叶片型线基圆与轮毂、叶轮直径间的位置关系决定叶片进口输送气流速度与切线速度分量间夹角αc的取值范围。定义叶片进口输送气流速度与切线速度分量间夹角αc为进口工作角，叶片出口输送气流速度与切线速度分量间夹角αe为出口工作角。根据图5几何关系可得αc为锐角或直角时，叶轮型线与轮毂、叶轮之间的关系式为

(4)

式中l——叶片型线基圆与轮毂在x轴方向距离，mm

h——叶片型线基圆与轮毂在y轴方向的距离，mm

r——轮毂半径，mm

由式(2)～(4)可知，当进口工作角αc为锐角或直角时，叶片型线上除叶片进出口处，任一点输送气流速度与切线速度分量间夹角均为锐角，则输送气流切向速度分量与转动方向一致，有利于匀种涡轮的转动。

当进口工作角αc为钝角时，叶轮型线与轮毂、叶轮之间的关系式为

(5)

由式(2)、(3)、(5)可知，当进口工作角αc为钝角时，叶片型线上输送气流速度与切线速度分量间夹角由钝角至直角过渡到锐角，则输送气流切向速度分量及对匀种涡轮转动方向的作用随叶片型线上输送气流速度与切向速度分量间夹角变化而改变。

根据分配装置结构设计参数，送料管半径为40.5 mm，为实现匀种涡轮有效搅拌种子，匀种涡轮直径应不小于送料管内径，综合考虑匀种涡轮叶片对气流和种子迁移轨迹的扰动，确定匀种涡轮半径ra为40.5 mm。匀种涡轮为3D打印结构，根据式(4)可知，轮毂半径越大，则αc为锐角的范围越大，在满足结构强度的基础上应降低轮毂直径以提升叶片对种子的搅拌效果并减少种子与轮毂的碰撞，为避免采用ABS工程塑料3D打印的轮毂断裂，确定轮毂直径为8 mm。

基于式(3)～(5)对叶片型线基圆的分析，结合进口工作角αc及出口工作角αe的范围对输送气流速度的影响，为实现匀种涡轮对种子有效搅拌并满足输送气流输送种子要求，参照涡轮叶片设计中叶片型线基圆半径应大于涡轮直径的原则[23]，确定叶片型线基圆半径为50 mm。

根据输送气流与叶片作用关系，匀种涡轮转动方向与叶片上输送气流切向速度之和的方向相反，根据式(2)及匀种涡轮结构参数可得叶片上输送气流切向速度和计算式为

(6)

式中ua——叶片上输送气流切向速度和，m/s

ri——叶片上任一点的径向半径，mm

由式(6)可得匀种涡轮理论转速为

(7)

式中nc——匀种涡轮理论转速，r/min

由式(7)可知，匀种涡轮理论转速与输送气流速度、轮毂半径、匀种涡轮半径、叶片上输送气流速度与切线速度分量间夹角相关。当输送气流速度、轮毂半径、匀种涡轮半径确定时，匀种涡轮理论转速由控制叶片上输送气流速度与切线速度分量间夹角的进口工作角和出口工作角确定。

2.3 结构参数设计

为探究不同结构匀种涡轮对分配装置内流场及匀种涡轮转速的影响，根据叶片进口工作角αc、出口工作角αe差异设计了3种匀种涡轮，如图6所示，Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型匀种涡轮进口工作角αc分别为锐角、直角、钝角。匀种涡轮主要技术参数如表1所示。

表1 匀种涡轮主要技术参数

根据图6并结合式(2)可知，Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型匀种涡轮均有利于叶片对种子的搅拌作用。根据匀种涡轮叶片类型与输送气流间作用特性，Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型叶片数量一般为偶数片[24]，叶片数量增加会提高匀种涡轮对种子的搅拌效果，也提高了种子与叶片碰撞导致的种子无序性，并增大了输送气流、种子与叶片摩擦引起的输送气流压力损耗，考虑匀种涡轮叶片与流场的作用效果，确定叶片数量不低于4片，综合考虑匀种涡轮对种子的搅拌作用并降低输送气流压强损耗，确定叶片数量为4～10[25]。匀种涡轮叶片为3D打印加工制成，叶片厚度t应在满足结构强度的同时降低厚度以减少叶片与种子的碰撞及输送气流驱动叶片转动的压力损失，为避免叶片断裂，确定叶片厚度为2 mm。

2.4 安装匀种涡轮分配装置的随机过程分析

以分配装置1 min各导种口排种质量为排种速率Vp，得方程

Vp=Vp(tp) (tp∈Tp)

(8)

式中Vp——导种口排种速率，g/min

tp——排种速率周期，s

Tp——n段排种速率周期，s

根据式(8)，作业地表平整时，各导种口排种速率Vp不受排种周期tp影响，排种速率Vp均为随机过程中的平稳过程。作业地表具有坡度时，基于对排种过程的分析可知，排种速率Vp随排种速率周期tp变化，排种速率不再为随机平稳过程，破坏了分配装置排种随机平稳过程，降低了各行排量一致性。分配装置安装匀种涡轮时，通过匀种涡轮叶片搅拌种子与输送气流两相混合流，种子均匀散布至各导种口中，提高具有坡度地表的各行排量一致性，实现坡度地表作业时排种过程趋于随机平稳过程。

3 匀种涡轮结构对排种性能影响试验

3.1 流场仿真与分析

3.1.1仿真方法

为对比分析未安装匀种涡轮及安装3种结构匀种涡轮对分配装置内输送气流速度、压力及匀种涡轮转速的影响，应用计算流体力学(CFD)仿真中的6自由度动网格模型分析流场变化得出较优的匀种涡轮结构[26]。综合考虑3种匀种涡轮结构参数，确定匀种涡轮叶片数量为6。采用ANSYS Fluent 19.0软件开展CFD模拟仿真，利用Workbench 19.0的四面体非结构化方法自动划分分配装置和匀种涡轮网格，网格最小面尺寸为8 mm，网格畸形度小于0.67，设置送料管入口为输送气流入口，导种口为输送气流出口，参照油菜和小麦种子输送速度要求，设置送料管入口输送气流速度为24 m/s[27]，匀种涡轮转动惯量为3.38×10-3kg·m2，仿真时间为8 s，应用Fluent输出匀种涡轮叶片出口处切向速度，仿真模型如图7所示。

3.1.2结果分析

根据Fluent输出的叶片出口处切向速度计算得匀种涡轮转速如图8所示；CFD仿真得出未安装匀种涡轮及安装3种结构匀种涡轮的分配装置内输送气流速度、压力分布、匀种涡轮截面输送气流速度分布如图9所示。

由图8可知，3种结构匀种涡轮转速随仿真时间的增加先逐渐增大后趋于稳定，是由于输送气流驱动匀种涡轮转动应先克服匀种涡轮的转动惯量。Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型匀种涡轮的稳定转速分别为142、135、124 r/min，Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型匀种涡轮对种子的搅拌效果逐渐降低；根据3种匀种涡轮转速趋于稳定的时间可知，Ⅰ型匀种涡轮转速稳定的时间为仿真时间的第5秒，Ⅱ型、Ⅲ型匀种涡轮转速稳定的时间分别为仿真时间的第5.5、6秒，综合匀种涡轮的稳定转速及转速稳定时间可知，Ⅰ型匀种涡轮更有利于搅拌种子。

导种口内输送气流速度的增加，可避免导种口内种子滞留及阻塞，根据图9a可知，安装Ⅰ型匀种涡轮的供种装置内输送速度高于安装Ⅱ型、Ⅲ型及未安装匀种涡轮的供种装置，且Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型及未安装匀种涡轮对导种口内输送气流速度分布影响规律一致，则Ⅰ型匀种涡轮更有利于导种口内种子的输送。由图9b可知，3种匀种涡轮叶片进口处输送气流速度较低，产生涡流区域，根据气送式排种特性，涡流区域会阻碍种子的有效输送，增加输送气流速度损耗并降低输送气流驱动匀种涡轮转动的效率，图9b中，Ⅰ型、Ⅱ型匀种涡轮涡流区域较小，Ⅲ型匀种涡轮涡流区域较大。由图9c可知，安装不同结构匀种涡轮的分配装置内输送气流压力分布规律与未安装匀种涡轮的分配装置内输送气流压力分布规律基本相同，且输送气流压力变化范围基本相同。

结合图8、9可知，Ⅰ型匀种涡轮稳定转速高于Ⅱ型、Ⅲ型匀种涡轮，安装Ⅰ型匀种涡轮的供种装置导种口内输送气流速度大于安装Ⅱ型、Ⅲ型匀种涡轮的供种装置，且Ⅰ型匀种涡轮进口处涡流区域较小。综上，安装Ⅰ型匀种涡轮的供种装置更利于种子的输送及搅拌。

3.2 验证试验

3.2.1试验设备

为验证不同结构匀种涡轮对地表坡度工况的适应性，采用上弧板为3D打印透明材质的分配装置，以便于观测匀种涡轮的转动，利用智能种植机械测试平台开展未安装匀种涡轮分配装置及安装不同结构匀种涡轮分配装置对气送式集排器各行排量一致性影响对比试验，试验装置如图10所示。该平台通过液压系统控制实现沿播种机作业方向侧向、前后相对平整地表-5°～5°范围任意组合倾斜、摆动，并可驱动风机及供种装置转动，以满足油菜及小麦排种过程中对输送气流速度、压力及种量要求。

3.2.2试验方案

根据油麦兼用型气送式免耕播种机实际田间作业工况，导致气送式集排器分配装置各行排量差异的原因是地表坡度引起的供种装置供种速率变化及分配装置内种子受自身重力影响难以均匀随机分配。播种机在不同地表坡度下的作业工况复杂，播种机主要为以下倾斜、摆动工况状态：①播种机沿地表上坡或下坡、侧向的摆动组合，随机变换角度(状态1)。②播种机沿地表上坡、下坡、侧向的往复组合摆动(状态2)。为更好地模拟实际田间播种动态作业工况下，匀种涡轮对提高各行排量一致性的效果，选取状态2开展试验，状态2简化为沿作业方向前后与侧向往复组合摆动。

试验选取油菜品种为华油杂62，千粒质量为4.67 g；小麦品种为郑麦9023，千粒质量为44.87 g。应用非接触式转速仪测定未排种的分配装置内匀种涡轮转速；试验中供种装置传动轴分别安装4个和6个交错排布型孔轮开展试验，用尼龙网袋收集分配装置30 s内各导种口的排种质量，计算供种装置安装4个和6个交错排布型孔轮的各行排量一致性变异系数平均值。

设置供种装置转速为30 r/min[28]，前后与侧向往复组合摆动试验水平为-5°～5°、-4°～4°、-3°～3°、-2°～2°、-1°～1°，试验重复5次。

3.2.3试验结果与分析

试验观测结果表明匀种涡轮均稳定转动，未排种时分配装置内Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型匀种涡轮转速分别为137、129、117 r/min，表明采用输送气流驱动匀种涡轮转动仿真试验结果合理可信。

图11为不同匀种涡轮结构的各行排量一致性变异系数。由图11可知，作业方向前后与侧向往复组合摆动角为0°～10°时，安装Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型匀种涡轮分配装置油菜各行排量一致性变异系数分别为5.38%～6.37%、5.38%～6.92%、5.89%～7.51%，小麦各行排量一致性变异系数分别为4.51%～5.21%、4.85%～6.25%、4.97%～6.98%，安装匀种涡轮分配装置各行排量一致性优于未安装匀种涡轮分配装置；沿作业方向前后与侧向往复组合摆动角相同时，安装Ⅰ型匀种涡轮分配装置的各行排量一致性优于安装Ⅱ型、Ⅲ型匀种涡轮的分配装置，表明开展安装涡轮分配装置内气流场分布规律仿真研究可行。

4 叶片数量对排种性能的影响试验

4.1 流场仿真与分析

4.1.1仿真方法

为确定较优结构的Ⅰ型匀种涡轮叶片数量对匀种涡轮截面气流速度及气流场的影响，并减少叶片数量增加使匀种涡轮与种子碰撞、摩擦概率增加导致的种子无序性，选择叶片数量为4、6、8、10的匀种涡轮开展模拟仿真，设置送料管入口输送气流速度为24 m/s，根据匀种涡轮不同的叶片数量设置转动惯量，仿真时间为8 s，试验结果如图12所示。

4.1.2结果分析

由图12a可知，随匀种涡轮叶片数量的增加，输送气流越集中由匀种涡轮出口处进入导种口，输送气流输送种子时，种子主要在匀种涡轮出口处搅拌，匀种涡轮出口处叶片切向速度最大，易于种子被搅拌均匀；由图12b、12c可知，随匀种涡轮叶片数量的增加，分配装置内匀种涡轮截面出口处输送气流速度和压力分布更加均匀，匀种涡轮对气流的扰动效果更明显，匀种涡轮对种子连续搅拌作用更稳定，利于种子由导种口均匀排出；图12c中，分配装置内匀种涡轮截面处输送气流压力分布随匀种涡轮叶片数量的增加更趋于稳定，有利于输气流有效输送种子。由图12可知，匀种涡轮涡流生成区域主要在匀种涡轮进口处，对输送气流输送种子作用影响较小；匀种涡轮叶片数量的增加，可提高匀种涡轮出口处输送气流分布的均匀性，有利于种子搅拌后稳定输送，但叶片数量越多，输送气流、种子与叶片摩擦增大，且种子由送料管进入分配装置主体时与叶片碰撞概率增加，增大了种子的无序性，降低了各行排量一致性，需开展台架验证试验确定叶片数量对输送气流和种子的影响。

4.2 验证试验

4.2.1试验设备

为验证不同叶片数量的Ⅰ型匀种涡轮对不同地表坡度工况、不同种子排量的适应性，利用智能种植机械测试平台开展未安装匀种涡轮分配装置及安装不同叶片数量匀种涡轮的分配装置对气送式集排器各行排量一致性影响对比试验。

4.2.2试验方案

选取状态1简化为沿作业方向前后与侧向单向组合摆动；状态2简化为沿作业方向前后与侧向往复组合摆动。

试验种子品种、匀种涡轮转速测定方式、供种装置型孔轮排布数量与匀种涡轮结构对排种性能影响验证试验相同。统计分配装置30 s内各导种口的排种质量及种子破损率。

沿作业方向前后与侧向单向组合摆动，与供种装置转速双因素试验中，供种装置转速为20～50 r/min，每间隔10 r/min为一个水平，前后与侧向单向组合摆动试验水平为-5°～0°、-4°～0°、-3°～0°、-2°～0°、-1°～0°、0°～1°、0°～2°、0°～3°、0°～4°、0°～5°，试验重复5次。

沿作业方向前后与侧向往复组合摆动，与供种装置转速双因素试验中，供种装置转速为20～50 r/min，每间隔10 r/min为一个水平，前后、侧向往复组合摆动试验水平为-5°～5°、-4°～4°、-3°～3°、-2°～2°、-1°～1°，试验重复5次。

4.2.3试验结果与分析

试验观测结果表明匀种涡轮均稳定转动，未排种时分配装置内匀种涡轮转速为125～155 r/min，表明采用输送气流驱动匀种涡轮转动仿真试验结果合理可信。

图13为沿播种机作业方向前后与侧向单向组合摆动的各行排量一致性变异系数。由图13可知，未安装匀种涡轮时，随前后与侧向单向组合摆动角绝对值的增加，油菜各行排量一致性变异系数在4.72%～13.14%内逐渐增大，小麦各行排量一致性变异系数在3.74%～16.82%内逐渐增大，表明前后与侧向单向组合摆动对油菜和小麦各行排量一致性影响明显；前后与侧向单向组合摆动角相同时，油菜和小麦各行排量一致性变异系数随供种装置转速在20～50 r/min内增加而逐渐增大，表明排种速率越大，前后与侧向单向组合摆动对油菜和小麦各行排量一致性影响越明显；安装匀种涡轮时，前后与侧向单向组合摆动角、供种装置转速相同时，随匀种涡轮叶片数量增加，油菜和小麦各行排量一致性变异系数先逐渐减小后增大，匀种涡轮叶片数量为8时，油菜和小麦各行排量一致性变异系数最小，分别为5.04%～5.82%和3.85%～4.92%；前后与侧向单向组合摆动角绝对值为5°时，安装叶片数量为8的匀种涡轮比无匀种涡轮分配装置排种油菜和小麦时各行排量一致性变异系数分别降低7.53、11.98个百分点，表明安装匀种涡轮可有效提高沿作业方向前后与侧向单向组合摆动的各行排量一致性。

图14为沿播种机作业方向前后与侧向往复组合摆动的各行排量一致性变异系数。由图14可知，未安装匀种涡轮时，随前后与侧向往复组合摆动角的增加，油菜各行排量一致性变异系数在4.72%～10.82%内逐渐增大，小麦各行排量一致性变异系数在3.74%～15.48%内逐渐增大，表明前后与侧向往复组合摆动对油菜和小麦各行排量一致性影响明显；前后与侧向往复组合摆动角相同时，油菜和小麦各行排量一致性变异系数随供种装置转速在20～50 r/min内增加而逐渐增大，表明排种速率越大，前后与侧向往复组合摆动对油菜和小麦各行排量一致性影响越明显；安装匀种涡轮时，前后与侧向往复组合摆动角、供种装置转速相同时，随匀种涡轮叶片数量增加，油菜和小麦各行排量一致性变异系数先逐渐减小后增大，匀种涡轮叶片数量为8时，油菜和小麦各行排量一致性变异系数最小，分别为4.99%～5.42%和3.98%～4.91%；前后与侧向往复组合摆动角为10°时，安装叶片数量为8的匀种涡轮比无匀种涡轮分配装置排种油菜和小麦时各行排量一致性变异系数分别降低6.06、10.67个百分点，表明安装匀种涡轮可有效提高沿作业方向前后与侧向往复组合摆动的各行排量一致性。

基于沿作业方向前后与侧向单向组合摆动、前后与侧向往复组合摆动和供种装置转速对排种性能影响双因素试验分析可知，无匀种涡轮分配装置油菜种子破损率为0.02%～0.04%，小麦种子破损率为0.01%～0.05%；安装匀种涡轮分配装置油菜种子破损率为0.05%～0.09%，小麦种子破损率为0.03%～0.07%，表明因匀种涡轮搅拌种子且与种子碰撞摩擦，增加了种子破损率。根据图13、14并结合叶片数量对分配装置流场影响分析，因沿作业方向前后与侧向往复组合摆动为前后与侧向单向组合摆动叠加而成，故沿作业方向前后与侧向往复组合摆动总体比前后与侧向单向组合摆动的各行排量一致性变异系数小；根据叶片数量对分配装置流场影响分析可知，匀种涡轮叶片数量的增加，可提高匀种涡轮出口处输送气流分布的均匀性，有利于种子搅拌后稳定输送，但匀种涡轮叶片数量的增加会增大种子由送料口至叶片进口处与叶片的碰撞，导致种子运动的无序性增加，且叶片数量越多，输送气流、种子与叶片摩擦增大，降低了匀种涡轮搅拌种子的效率，故前后与侧向单向组合摆动、前后与侧向往复组合摆动模拟试验中，随匀种涡轮叶片数量的增加，相同摆动状态下，油菜和小麦各行一致性变异系数先逐渐减小后增大，叶片数量为4～8时，叶片对气流场的影响为主导作用，叶片数量为10时，叶片与种子间的碰撞、摩擦为主动作用，综上，地表坡度为0°～5°，叶片数量为8时，供种装置转速为20～50 r/min，供种装置传动轴分别安装2、6个交错排布型孔轮，可满足播种机作业速度为6～12 km/h的油菜和小麦排种量要求，表明安装匀种涡轮可有效实现地表坡度变化时油麦兼用型气送式免耕播种机不同排量的各行排量一致性的提高。

5 结论

(1)设计了一种利用输送气流驱动转动的匀种涡轮，应用计算流体力学(CFD)仿真中的6自由度动网格模型分析了3种不同进口工作角和出口工作角的匀种涡轮对分配装置内输送气流流场分布及匀种涡轮转速的影响，并利用台架试验验证匀种涡轮结构对排种性能的影响。仿真与台架试验表明，进口工作角和出口工作角均为锐角的Ⅰ型匀种涡轮有利于种子的输送及搅拌，安装Ⅰ型匀种涡轮分配装置的油菜及小麦各行排量一致性变异系数分别为5.38%～6.37%和4.51%～5.21%。

(2)应用计算流体力学中的6自由度动网格模型分析了进口工作角和出口工作角均为锐角，叶片数量分别为4、6、8、10的分配装置内流场分布。输送气流速度及压力分布特性表明，增加匀种涡轮叶片数量可提高匀种涡轮出口处输送气流分布的稳定及均匀性，有利于种子搅拌后的稳定输送。

(3)利用智能种植机械测试平台进行了未安装匀种涡轮分配装置及安装不同数量叶片匀种涡轮的分配装置对各行排量一致性影响的对比试验，试验表明，相对平整地表，地表坡度为0°～5°、叶片数量为8时，油菜及小麦各行排量一致性变异系数最小，分别为4.99%～5.82%和3.85%～4.92%；前后与侧向单向组合摆动角绝对值为5°时，安装叶片数量为8的匀种涡轮比无匀种涡轮分配装置排种油菜和小麦时各行排量一致性变异系数分别降低7.53、11.98个百分点；前后与侧向往复组合摆动角度为10°时，安装叶片数量为8的匀种涡轮比无匀种涡轮分配装置排种油菜和小麦时各行排量一致性变异系数分别降低6.06、10.67个百分点，其各行排量一致性变异系数明显比未安装匀种涡轮分配装置低。