苜蓿切根补播施肥机气送式集排系统优化设计与试验

马文鹏 尤 泳 王德成 郇晓龙 祝 露

(中国农业大学工学院， 北京 100083)

0 引言

目前制约我国苜蓿产业发展的因素主要有土壤板结、主根老化以及肥力低下等[1-3]。研究表明，对多年生苜蓿地进行机械化松土、切根、施肥以及补播，可有效增加土壤含水率，增强土壤肥力，改善生物多样性，进而提高牧草产量[4-6]。排种、排肥器作为苜蓿地改良装备的核心部件，其工作性能直接影响改良效果。气送式集排系统具有适用对象种类多、高速和高效等优点，可满足高宽幅、精量高效的现代化农业作业需求，已成为国内外播种施肥机发展的主要趋势[7-10]。

气送式集排系统工作过程中气流与颗粒之间、颗粒与颗粒之间以及颗粒与壳体之间相互作用关系复杂，很难通过可视化试验直接观察或通过理论模型进行计算。随着计算机技术的不断完善与发展，DEM-CFD(气固耦合仿真计算)被广泛应用于流场与颗粒间相互作用机理的研究以及农业机械的优化设计之中[11-16]，目前国内学者已针对油菜籽、小麦、水稻及玉米等作物的气力式集排系统结构与工作参数进行了优化研究[17-20]。

本文基于多年生人工苜蓿地机械化改良需求，设计一种苜蓿切根补播施肥机。采用EDEM软件和Fluent耦合的方式，对气送式集排系统工作过程进行数值模拟，探究波纹管和分配头结构参数对管道内部流场和种子运动特性的影响，进而对其进行优化；以输种弯管弯径比、波纹管长度和分配头锥角为试验因素，以各行排量一致性变异系数和总排量变异系数为试验指标，进行Box-Behnken响应面分析试验，获取最优结构参数组合，最后进行整机的田间性能试验。

1 整机结构与工作原理

基于多年生苜蓿地改良工艺要求设计的苜蓿切根补播施肥机，主要由气送式集排系统、自激振式切根松土铲以及智能电控系统组成，可一次性完成松土、切根、施肥以及补播牧草种子等作业，如图1所示。

工作时，整机由拖拉机牵引向前运动，双翼式切根松土铲对苜蓿行间土壤进行扰动，在进行松土作业提高土壤透气性的同时，可有效切断苜蓿根茎，促进苜蓿地表茎叶的生长；两套气送式集排系统，可实现禾本科牧草种子的套种以及侧深位施肥，合理提高地上空间利用率，使根系发育达到最佳状态，进而提高牧草年总产量；由旋转编码器和PLC等组成的智能电控系统，对种子和肥料的排量进行实时调控，保证其精确性和均匀性。

2 气送式集排系统设计

气送式集排系统主要由文丘里喷射器、输种弯管、波纹管、锥形分配头以及导种管组成，如图2所示。工作时，拖拉机动力输出轴带动风机转动，使各管道内部产生稳定的气流场，通过风阀可进行风压调节；向种箱(肥箱)中加入适量的种子(肥料颗粒)，接通电机使螺旋输送器和搅种轮转动，轮上的搅种杆对种群进行扰动以提高其流动性，螺旋输送器将种子连续、均匀且定量地排入文丘里喷射器中，种子与气流混合形成气固两相流进入输种弯管；种子流在输种管中进一步混合后到达波纹管，在凹凸结构的扰动作用下，气流速度呈交替升降的状态，种子速度降低，种子与壁面碰撞几率增加，种子在波纹管中的分布更加离散和均匀，锥形分配头内均匀排列的气道在内外压差作用下将种子流均匀分配，分配后的种子流进入导种管，完成排种作业。

2.1 仿真试验

利用EDEM软件和Fluent软件对气送式集排器工作过程进行联合仿真，以管道内部流场压力与速度变化情况、种子颗粒速度与受力情况为指标，分析波纹管和分配头结构参数对集排器工作性能的影响，进而对其进行优化。

2.1.1离散元模型建立

根据苜蓿种子的物理特性，在EDEM软件中利用球形颗粒组合的方法建立苜蓿种子仿真模型，如图3所示，设置颗粒间及颗粒与输送机各部件间接触模型为Hertz-Mindlin无滑动模型。为寻求最优苜蓿种子离散元模型接触参数组合，以苜蓿种子休止角和堆积角的实测值与仿真值误差为指标，对苜蓿种子模型参数进行标定[21]，标定后的模型参数见表1。

表1 苜蓿种子离散元模型参数Tab.1 Parameters of discrete element model for alfalfa seeds

2.1.2波纹管波纹类型优化设计

2.1.2.1气固耦合仿真试验

首先针对气固耦合分析区域即输种弯管和波纹管内部进行网格划分。采用ANSYS软件中的Meshing模块对流道进行网格划分，划分所得网格总数为1 133 519，最大网格边长为6.85×10-3m，最小网格边长为6.85×10-5m。选取输种弯管端口为压力入口边界条件，波纹管端部为压力出口边界条件，如图4所示。

种子由压力入口处颗粒工厂生成，设置动态生成种子数量为1 000颗/s。设置气流入口速度为16 m/s。种子受到高速气流作用经输种弯管进入波纹管，与气流充分混合并减速后经压力出口排出，实现供种。在此过程中EDEM软件获取实时颗粒体的位置与接触信息，将获取的信息传递至Fluent软件中，Fluent根据获取的信息模拟计算颗粒体对流场的影响情况，再将所获得的流场信息反馈到EDEM中，模拟流场对颗粒体的影响，依次循环，达到双向流固耦合的效果。仿真过程中设置EDEM时间步长为1×10-6s，Fluent时间步长为5×10-5s，为EDEM的50倍；设置Fluent步数为60 000步，即仿真时间为3 s；设置每个时间步最多迭代50次；为尽可能详细提取颗粒运动信息，在EDEM和Fluent内，每0.01 s保存一次数据。为探究波纹类型对种子颗粒运动特性的影响，揭示波纹管的工作机理，分别对长直圆管(简称N型)、U型波纹管和V型波纹管进行数值模拟，如图5所示。

2.1.2.2管道内部流场与颗粒运动状态分析

仿真结果显示，该气固耦合模型的气流结构具有良好的收敛性，在0.2 s时流场达到稳定状态。图6为不同类型管道内部流场压力云图，由图可知，N型管道内部气流在经过弯管后产生较大的压力损失，在局部出现真空区，竖直管道内部轴向气流平均压力减小，径向压力分布不均；U型管道内部气流平均压力呈逐渐降低趋势，轴向压力分布相对均匀，在波纹管阶段，垂直面压力由中心区域沿径向逐渐降低，在U型波纹状壁面处的压力极低；V型管道内部气流压力整体呈显著降低趋势，波纹管阶段气流压力在管道轴线两侧对称分布，垂直面压力中心区域沿径向显著降低，在V型波纹状壁面处的压力极低。

图7为不同类型管道内部气流速度云图，由图可知，N型管内部气流速度呈现先增大后减小的趋势，管道入口与出口的流速差值较小，整体分布相对均匀；U型管内部流场速度沿轴线逐渐增大，沿管道径向逐渐减小，波纹状壁面附近区域速度为0，无局部扰流产生；V型管道内部流场速度在波纹管阶段显著增大，垂直面由中心区域向四周壁面扩散的气流速度逐渐降低，由于波纹管为迭代的波峰、波谷结构，气压损失致使气流速度呈现交替变化趋势，气流场形成扰动较大的湍流，进而实现对种子的减速功能。

图8为不同类型管道内部流场颗粒分布及运动特性情况，由图可知，N型管道入口区域种子颗粒在气流作用下经输送弯管到达纵向管道，在重力和气流曳力作用下不断加速经上方出口排出，颗粒速度在输送末端达到最大值，颗粒在轴向、径向分布不均，未与气流充分混合，影响集排器最终的排种效率；U型管道内部颗粒在输送弯管阶段分布及运动状态与N型管相似，种子颗粒在进入波纹管道后，轴线附近的颗粒仍处于加速状态，但处于波纹管壁附近的种子颗粒速度有所减小，颗粒的径向分布相对均匀；V型波纹管内部种子颗粒在进入波纹管后，颗粒整体速度显著降低，颗粒轴向、径向分布均匀性明显优于N型、U型管，究其原因，V波纹状结构使气流速度以及种子颗粒所受曳力呈交替升降的状态，从而整体上降低种子颗粒速度，增加种子颗粒与壁面碰撞几率，促使种子颗粒在波纹管中的分布更加离散和均匀。综上所述，将波纹管壁面波纹形状设置为V型。

2.1.3锥形分配头优化设计

2.1.3.1仿真模型与方法

为探究不同分配头端盖类型对其内部流场特性的影响，将端盖形状设置为平形、凸圆弧形和凹锥形，其对应分配头分别为P型分配头、H型分配头以及Z型分配头，分别进行内部流场仿真试验。3种分配头网格结构如图9所示，选取分配头底部端口为压力入口边界条件，4个导种管端口为压力出口边界条件，设置压力入口气流速度为16 m/s。

2.1.3.2仿真结果分析

各类型分配头0.2 s时内部流场速度云图如图10所示，此时流场处于稳定状态。由图10a、10b可知，P型分配头和H型分配头内部流场速度呈先减小后增大的趋势，流速变化梯度较大，端盖附近存在较大面积的低速区域，不利于颗粒与气流的充分混合；流场流速分布不均，导种口之间流速差值极大，存在较多涡流区，易造成气固两相流分配不均的现象，进而影响集排器的排种性能。由图10c可知，Z型分配头内部流场流速整体呈中线对称式分布，流速由入口至出口呈逐渐降低趋势，变化梯度较小，未出现滞流区和涡流区，利于气固两项流的均匀分配。因此，最终确定分配头的端盖形状为凹锥形。

2.1.4气流集排器结构参数优化设计

2.1.4.1气固耦合仿真试验

首先建立气流集排器内部管道气固耦合模型，选取风机接口为压力进口边界条件，分配头的4个导种口为压力出口边界条件，在进种口处设置颗粒工厂，动态生成种子数量为1 000颗/s，气流入口速度为16 m/s。待集排器内部流场运行稳定后获取其速度分布情况，如图11所示，可知气流速度在输种弯管、波纹管以及锥形分配头中具有明显的变化，为探究弯管、波纹管以及分配头结构参数对集排器工作性能的影响，优化结构参数，根据单因素试验结果及相关文献，选取弯径比ω、波纹管长度Lb以及锥角θz作为试验因素，各行排量一致性变异系数和总排量稳定性变异系数作为响应值，进行仿真排种试验，每个因素包括3个水平，在水平的选取上包含了单因素试验中每个因素的最佳水平，根据BBD设计原理，三因素三水平响应面设计由12个析因点和5个中心点组成，共17组试验方案，5个重复的试验是为了减少试验误差而采取的中心试验。取得试验结果后，采用三因素三水平的响应面分析法，得到二次回归方程，并获得最佳结构参数组合。因素编码见表2，试验方案与结果见表3，A、B、C为因素编码值。

表2 Box-Behnken设计因素编码Tab.2 Box-Behnken design factor coding level

表3 试验方案及结果Tab.3 Test plan and results

为比较经过不同导种口种子颗粒数量，仿真中在每个导种口端部设置统计框，如图12所示，每隔5 s记录统计框内通过的种子颗粒质量，连续记录5次，最终计算各行排量一致性变异系数η1和总排量稳定性变异系数η2。其计算式为

(1)

(2)

式中mi——导种口i的排种总质量，i=1,2,3,4

mj——4个导种口第j次统计总质量，j=1,2,3,4,5

2.1.4.2试验结果分析

通过对试验数据进行多元回归拟合，得到各试验因素对各行排量一致性变异系数η1影响的数学回归模型为

η1=3.182-0.613A-0.735B-1.400C+2.130AB+
2.425AC+2.465BC+3.477A2+3.832B2+3.757C2

(3)

表4 回归方程方差分析Tab.4 Variance analysis of regression equation

通过对试验数据进行多元回归拟合，得到各试验因素对总排量变异系数η2影响的数学回归模型

η2=3.260-0.661A-1.006B-0.720C+2.230AB+
2.058AC+1.998BC+2.588A2+3.443B2+3.220C2

(4)

对建立的模型以各行排量标准离差率和总排量标准离差率均最小进行求解，得出最优工作参数组合，即弯径比为0.96，波纹管长度为183 mm，锥角为123.4°，此时各行排量一致性变异系数为3.06%，总排量稳定性变异系数为3.17%。

2.2 台架验证试验

为验证获取的最佳参数组合正确性，搭建气送式集排器排种性能试验台，如图13所示。试验对象分别为苜蓿种子、苇状羊茅种子、固体颗粒肥。其中，苜蓿种子含水率为14.79%，苇状羊茅种子含水率为7.36%，颗粒肥料含水率为4.21%。试验时，设置入口风速为16 m/s，根据不同作物、肥料的施放量农艺要求以及机器的前进速度，设置相应的螺旋输送机输送效率，当风压和进种速度稳定时，每隔5 s记录收集袋内的颗粒质量，连续记录5次，每次试验重复3次取平均值，最终计算各行排量一致性变异系数、总排量稳定性变异系数以及破损率，试验结果见表5。由表可知，在相同的结构参数、入口风速条件下，气送式集排器针对不同研究对象的各行排量一致性变异系数以及总排量稳定性变异系数均小于5%，苜蓿种子和苇状羊茅种子破损率均小于4%。

表5 气送式集排器性能试验结果Tab.5 Pneumatic collector performance test results

3 整机排种排肥性能试验

基于优化试验确定的关键部件结构参数，完成2BFQ-4型多年生苜蓿切根松土补播施肥机的加工试制，并进行排种排肥性能试验。

2BFQ-4型多年生苜蓿切根松土补播施肥机样机如图14所示，其配套动力源为东方红MG654型拖拉机，动力输出轴转速为720 r/min，高压离心风机功率为1.1 kW。选择河北省石家庄市北苏村农田作为试验基地，试验田以含水率为12.3%，坚实度为45.9 kg/cm2的沙壤土为主。为便于记录机具排出牧草种子、颗粒肥的质量，避免受到拖拉机振动、地面起伏等因素的影响，在机具静止状态下进行连续排种作业，如图15所示。工作时，拖拉机动力输出轴带动风机转动，通过风阀调节管道风压，通过控制水平螺旋输送机转速调节种肥输送效率。测定2 min内各导种口、导肥口排出的种子和肥料，计算各行排量一致性变异系数以及总排量稳定性变异系数，试验结果如表6所示。

表6 整机排种排肥试验结果Tab.6 Test results of whole machine for seeding and fertilizing

试验结果表明，在不同的螺旋输送机输送效率条件下，苇状羊毛种子、固体颗粒肥各行排量一致性变异系数和总排量变异系数均小于5%。与台架试验排种性能差异较小，表明采用拖拉机动力输出轴带动风机转动可提供较稳定的气流压强，整机排种、排肥性能可满足农艺要求。

4 结论

(1)利用EDEM软件和Fluent软件对气送式集排器工作过程进行联合仿真，以管道内部流场压力与速度变化情况、种子颗粒速度与受力情况为指标，分析波纹管和分配头结构参数对集排器工作性能的影响，进而对其进行优化。结果表明，V型波纹管内部种子颗粒在进入波纹管后，颗粒整体速度显著降低，颗粒轴向、径向分布均匀性明显优于N型、U型管；凹锥形分配头内部流场流速整体呈中线对称式分布，变化梯度较小，未出现滞流区和涡流区，利于气固两项流的均匀分配。

(2)以输种弯管弯径比、波纹管长度和分配头锥角为试验因素，以各行排量一致性变异系数和总排量稳定性变异系数为试验指标，进行Box-Behnken响应面分析仿真集排试验，获取集排系统最优结构参数组合。结果表明，当弯径比为0.96、波纹管长度为183 mm、锥角为123.4°时，各行排量一致性变异系数为3.06%，总排量变异系数为3.17%。在相同条件下进行实际台架验证试验，气送式集排器针对不同研究对象的各行排量一致性变异系数以及总排量稳定性变异系数均小于5%，苜蓿种子和苇状羊茅种子破损率均小于4%。

(3)试制多年生苜蓿切根补播施肥机，并进行大田排种排肥性能试验。试验结果表明，在不同的螺旋输送机输送效率条件下，苇状羊毛种子、固体颗粒肥各行排量一致性变异系数和总排量稳定性变异系数均小于5%, 多年生苜蓿切根补播施肥机达到了人工苜蓿地改良的技术要求。