气力输送技术在农业机械中的应用*

李继伟，袁文胜，翟欢乐，朱闪闪

(1. 江苏航空职业技术学院航空工程学院，江苏镇江，212134； 2. 农业农村部南京农业机械化研究所，南京市，210014)

0 引言

为了适应农业生产中日益增长的对更高效、高质量作业方式的需求，农业机械不断地发展，引入新的技术，并在实际应用中对其进行优化改进。其中气力输送技术以其结构简单、适应性好、效率高等特点被用在许多相关农业装备之中，用来代替传统的机械结构。气力输送相比传统机械结构，尽管需要有额外的能量供应，但对所输送物料尺寸的大小具有很强的适应性，并且管道布置灵活，在空间利用上所受限制小，可以简化传统机械输送的复杂结构。因此气力输送在播种、施肥、卸粮以及捡拾收获等农业机械中大量应用。同时科研人员对农业机械中相关的气力输送装备进行了大量的研发、试验和测试。并且随着计算能力提升，新的研究手段，如气固耦合仿真，也被用来研究农业中的气力输送[1]。

气力输送是利用具有一定速度的气流的动压和静压，使被输送物料颗粒在相应管道路线内，离散悬浮于气流或成团状沿气流方向运动的输送技术[2]，是流态化技术的一种实际应用[3]。气力输送根据所输送物料在管道内的密集程度，可分为稀相流输送和密相流输送。稀相输送固体的含量通常为1～10 kg/m3，气流速度一般为10～30 m/s。稀相输送过程中物料悬浮在气流中，具有速度快、压力低及料气比低等特点，是一个连续的高速—低压系统。密相输送固体的含量通常为10～30 kg/m3或者固气比(固体的质量流量和输送气体的质量的比值)大于25，输送气速较低，气压较高。密相输送过程中依靠空气脉冲推动物料位移，具有速度低、压力高和料气比高等特点，是一个间歇的低速—高压系统。气力输送按照工作原理可分为正压输送、负压输送和正负压混合输送。负压输送是使管道内气体压力降到大气压强以下，当形成一定的真空度时，物料就会被吸进管道或者吸附在给定的位置，并在卸料端的分离器进行气—料分离。负压输送可以同时在多个位置进行物料吸取，对作业地点的空间大小和位置限制有较好的适应性，但其因为真空度的限制，多用于短程输送且需要装置具有很高的密封性。正压输送管道内气体压强大于大气压强，通过风机产生的高速气流在供料器携带物料向一处或多处输送。正压输送便于卸料，输送距离相对较长，可同时对多目标输送物料，但需要特定的供料器。正负压混合输送结合了两者的优点，可同时从多个位置吸取物料，经分离器气—料分离，物料进入正压部分可输送到多个目标位置。根据不同形式的气力输送各自特点，农业机械中广泛地应用了相应的气力输送技术。在播种、施肥以及捡拾收获等作业场景中，相关的农业机械通过采用气力输送技术，改变传统的作业形式，或在效率、精度和适应性上有所提高，或在结构上进行简化[4-5]。

本文通过对国内外气力输送在农业机械中的应用和研究现状进行总结分析，阐述了气力输送工作原理，以及在农业装备上及其关键部件上的应用，指出其优势和缺点，为气力输送技术在农业机械中的应用与研究提供参考。

1 农业物料的气力输送特性

农业中不同的物料在尺寸大小、颗粒形状、密度大小以及摩擦系数上有很大的差异，这些关键的物理属性不仅很大程度的影响了物料在输送过程中的运动状态，而且决定了物料悬浮速度(临界速度)。物料颗粒在气流中能够按照要求进行输送，需要对气流速度、风量和气力输送装备的结构尺寸等参数进行合理的设置，而物料悬浮速度是这些参数设计的重要参考依据，因此农业机械中气力输送装备设计首先需要确定目标物料的悬浮速度。确定物料悬浮速度一般分为实验测量、理论计算和仿真计算三种方法。表1为常见的农作物悬浮速度实验测量、理论计算和仿真计算所得到的数值对比。

表1 常见农作物物料的临界悬浮速度Tab. 1 Critical suspension velocity of common crop materials

1.1 物料悬浮速度的理论计算

物料在静止空气中自由下落达到临界速度时，所受到的重力、浮力和空气阻力达到平衡，可表示为

Fg=Fb+Fr

(1)

式中：Fg——重力；

Fb——浮力；

Fr——空气阻力。

三种力可以分别表示为

Fg=mg

(2)

(3)

(4)

式中：m——物料质量；

g——重力加速度；

C——阻力系数；

A——垂直于流体运动方向的物料投影面积；

ρa——空气的密度；

ρs——物料的密度；

vt——物料临界速度。

当物体处于临界状态时，三种力达到平衡，所以把式(2)、式(3)和式(4)代入式(1)可以得到临界速度。

(5)

1.2 物料悬浮速度的仿真计算

基于数学模型，利用Matlab软件中的SIMULINK模块建立仿真模型，用来模拟物料在输送过程中的受力状态和运动过程。模型中物料受到重力和阻力，两者合力决定物料的加速度大小和方向，从而改变物料和气流的相对速度，根据相对速度的变化动态的调节阻力的大小，让合力趋近于0，阻力不变时即达到平衡状态，此时物料速度达到临界速度。

1.3 物料悬浮速度的试验测量

物料悬浮速度测试试验台如图1所示。

图1 物料悬浮速度测试试验台

该装置利用风机调节锥形管中风速大小，使物料在锥形管内保持悬浮状态，用风速测量仪在物料悬浮处测量出气流速度，即为该物料悬浮速度。用风速测量仪测量风速需要频繁启停风机，自动测速方法基于质量守恒定律，出风口流出风量和物料悬浮处通过流量一致，当传感器观测到物料悬浮在锥形管的高度值时，即可得到此高度处横截面面积，流量和面积比值即为悬浮速度。

2 气力输送技术在农业机械中的应用

2.1 气力输送在播种机械中的应用

自20世纪50年代起，国外研究人员就开始致力于气力式播种机的研究[6-7]。由于气力式播种对种子损伤较小，对种子形状尺寸适应性强，播种精度高、效率高，适合快速高效作业，因此得到广泛的研究使用。经过几十年的发展，气力播种范围已经涵盖了水稻、小麦、油菜、玉米、蔬菜等多种作物[8-10]。

根据所用不同的气力输送类型，气力式播种机可以分为负压吸种、正压送种和正负压混合播种。负压输送播种多用于气吸式精量播种(图2)，排种器的气吸室和负压风机相连，负压风机高速转动，气吸室内外产生压差，种子在压差作用下被吸附在种盘上小孔中送入剥离器，最终种子经过导种装置进入田间[9, 11]。

图2 气吸式玉米排种器

正压输送多用于气力集排式播种装置(图3)，种子由种箱集中供种，风机产生的高速气流在混种室和种子混合，并携带种子进入分配器分配到各行输送管道，实现一器多行作业。气力集排式播种需要较大的气体流量和气流速度，适用于水稻、小麦和油菜等条播作物[12-13]，机具单次播种行数越多，所需气体流量越大，能耗越高。正负压混合播种是在气吸式排种器负压吸种基础上，当种子脱离吸种区进入投种区后，加以正向风力辅助投种使种子更顺畅进入种沟[14-16]。

图3 气力集排式排种系统

气吸式负压播种装置中气流压力很大程度影响了作业质量，吸种负压绝对值低，会导致漏播率增加，负压绝对值过大，则会重吸率增加[17-19]；投种时流场压力波动大，则影响投种轨迹，影响播种均匀性[20-21]。法国某农机企业开发的NGPLUS型号气吸式精密播种机，在气吸式排种器上，设置了风压调节装置和刮种刀，并用偏心联动调节机构进行连接，实现了调节气吸室内压力同时又改变刮种刀相对种孔间隙的目的。Karayel等[22]试验测量了在不同真空压力下播种玉米、棉花、大豆和西瓜等多种作物种子的均匀性，得到了种子千粒质量、投影面积、球形度和密度与所需真空压力之间的关系，构建了播种机真空压力的数学模型。丁杨[23]提出了一种由螺旋输送与气送联合供种、负压吸种的新型精密排种器方案，对供种和吸种过程机理进行系统性研究，并设计了一种适合辣椒直播工艺的气送定量供种的气吸式辣椒排种器。

气力集排式正压输送播种需要足够的风量和稳定高速的气流，国外的气力播种机大多采用液压驱动风机来保证流场的稳定性[24]。德国某农机企业开发的Solitair多功能播种机采用液压驱动风机，实现无级调速，使风机的转速不受拖拉机发动机转速影响，可以为气力播种提供良好的动力环境。美国某农机企业生产的1820型气力式免耕变量播种机，通过选择控制阀控制风机的驱动液压马达，从而改变风机转速提供稳定的气流输送[25]。气送式导种管内气流速度是影响整个气力系统的关键因素，气流速度过大时，种子易破损，影响种子抗病能力和成活率；气流速度过低则容易引起堵塞[3, 26]，因此气力输送种子需要一个合适的气流速度范围，图4为segler得出的气力输送小麦和大麦时不同气流速度范围及其对应作业效果[27]。导种管位于分配系统后段，气流速度经过不断降低，在此处速度大小有可能小于种子悬浮速度，而且导种管管径一般介于20～30 mm[26]，因此播种机在导种管内最容易发生堵塞。Yatskul[26]建立了气送式播种系统的计算压力损失的方法，以小麦种子和肥料为试验对象，以20、25、30 mm三种直径大小管径进行对照，建立了气流速度、种子流量浓度和导种管径之间的关系。气送式播种机的分配器形状和参数很大程度地影响了播种的均匀性，王国松研究种子在分配器内部的受力状况，并以排种器转速、圆锥角度和风速为试验因素，通过台架试验确定了各行排量一致性变异系数为2.78%时的较优参数组合。Lei等[28]设计了一种油麦兼用型气送式排种器，采用碗式分支结构的分配器以提高排种均匀性。Yatskul等[29]通过对法国某农机公司生产的一种气送式播种机进行实际测试，研究了垂直分配器倾斜角度、输种管长度、导种口堵塞情况以及气流进入分配器方向对排种均匀性影响。Kumar等[30]通过对三种不同形式的分配器进行种子类型、气流速度、排种量对排种性能影响试验，确定了流线型结构排种效果较好。王磊等[31]设计了24行穹顶状分配装置，进行了上弧板球体半径、导流板长度、导种口高度对各行排量一致性影响试验，结果表明在上弧板球体半径为245 mm、导流板长度为20 mm、导种口高度为20.5 mm时，油菜和小麦排种均匀性较优。

图4 小麦和大麦气力输送导种管内适宜的气流速度范围

综上所述，气力输送技术在播种机械中得到了广泛应用。与传统机械式排种器相比，播种机采用气力输送技术排种技术，排种器布置更方便，拓展了作业幅宽，提高了作业速度，极大地提高了工作效率。对于正负压气吸式排种器和气吹集排式排种器，不同的排种方式还存在一些不同的问题。气吸式排种器存在对不同种子形状适应性不高、易堵塞等问题，气吹集排式排种器存在排种均匀性差、能耗高等问题。这些问题存在的根本原因是基础理论研究不够充分，特别是对于内部气流场以及气固两相流的特性等缺乏系统性的数据，造成结构设计不够合理，结构参数没有达到最优。未来，这方面的基础研究工作还需要进一步加强。

2.2 气力输送在施肥机械中的应用

颗粒化肥在农业中应用广泛，然而其易吸湿粘连，流动性较差[32]，很容易影响机械式排肥的畅通性和均匀性。传统机械式排肥往往依靠肥料自身重力从管道下落到田间，这种施肥方式效率较低而且容易堵塞，但加以高速气流辅助输送，可以增加肥料入土效率和减少肥料堵塞现象。日本某农机企业生产的水稻插秧施肥机，通过风机在输送管道内对排肥器排出的肥料颗粒加以正压气流输送，有效增加排肥效率，减少堵塞。齐兴源等针对离心圆盘式撒肥机作业均匀性不稳定，设计了外槽轮式排肥、以空气流输送肥料的稻田气力式变量施肥机，提高了排肥均匀性[33-34]。

20世纪80年代，美国、加拿大等发达国家开始广泛采用气力集中排肥，逐渐取代传统机械式施肥方式[32, 35]。气力集排式排肥系统采用一个肥箱定量向多行管道供肥的形式，相比于传统机械排肥一器一行的结构形式，很大程度简化了机器结构的复杂程度，而且排肥管道在空间位置排布具有很强的可塑性。同时在高速作业施肥方面，气力集排式施肥方式具有明显的优势，因此国内对气力集排式排肥装置的研究也越来越多。杨庆璐等[36]通过离散元法与计算流体动力学耦合仿真的方法进行分肥装置颗粒运动数值分析，并加以台架测试，结果表明分配器旋盖锥角为120°、波纹管直径为80 mm时分肥装置效果较优，同时也进行了不同风速下不同排量的排肥均匀性测试。刘正道等[1]基于CFD-DEM耦合方法，用来研究不同投肥路径下投肥机构内流场分布及其对肥团运动的影响，结果表明肥腔与进气端面接触面积会对腔内气流流速造成扰动，从而影响投肥稳定性。为了解决分层施肥作业时排出口处气流速度过大导致肥料弹跳的问题，杨庆璐等[37]设计了一种气流—肥料分离的装置，将部分气流提前排出从而减少肥料入土时的速度，并对排出口面积、入口气流速度和施肥速率进行了优化。

在肥料输送及排肥技术方面，随着肥料生产工艺的不断优化，粉末状肥料或其他异性颗粒肥料逐渐变成规格化较高的颗粒肥料，为气力式排肥技术的应用提供了基础，施肥机械采用气力式输送的主要优点是高效，均匀性较高。由于目前肥料施用方式主要为条施，与传统外槽轮式排肥器相比，气吹排肥方式通过肥料颗粒与气流混合，肥料的连续性和均匀性得到提高。目前存在的主要问题是肥料容易在机构内壁附着，长时间堆积，造成堵塞，需要通过采用改变肥料生产制造工艺、进一步优化结构参数和内表面物理状态等技术措施解决。

2.3 气力输送在捡拾收获装备中的应用

气力捡拾装备具有适应性强、通过性好和体积紧凑等特点，多用于红枣、油茶果、红花和棉花等作物的捡拾收获，在大部分捡拾装备中多采用气吸式负压输送机构。塔里木大学研制的YE3600型气吸式红枣收获机，原理为运用负压风机产生的负压，对地面红枣进行气吸捡拾收获。红枣机械化收获装备以气吸式红枣捡拾机械的研究为主，鲁兵等针对枣园地面红枣分布比较分散，风机负压口有效作业距离有限的问题，把清扫方式和气吸方式相结合，设计了一种适用于落地红枣进行捡拾收获的新型落地红枣收获机械。有效解决了捡拾机器在捡拾分布较散红枣时作业距离小的难题。为明确气吸式红枣捡拾机气力输送装置的运动特性，张凤奎等[38-39]进行了红枣气力捡拾输送装置(图5)的气固两相流的仿真研究，对红枣从入口到出口的运动状态、颗粒分布和气流场状态进行分析，探究其主要作业参数与关键部件结构参数对其捡拾效率和破损率的影响规律，并优化清选装备的设计。

图5 气吸式红枣捡拾装备

针对用于气力收获的油茶果的负压吸附系统作业时有阻塞发生及能耗高等问题，王晓晨[40]对气力输送系统的管道直径、弯径比和气流速度3个因素对收集性能影响的研究。利用CFD-DEM耦合仿真模拟管道内气固两相流运动状况，结果表明三因素对收集性能影响排序为管径>气流速度>弯径比。梁丹丹等[41]为了解决红花采摘缺少采摘机械的问题，设计了一种可移动式红花收获装置。装置采用负压输送形式把花丝输送至储花室，机器结构具有较强的适应性和灵活性。王晨等将负压风机应用到大型采棉机上，并且以吸口负压作为主要参数来进行风机性能的评价，以采棉效率为目标，分析结构参数对风机流场质量和风机性能的影响，并通过试验得到了最优的管道弯度组合，缩短了新型采棉机的研发周期[42]。

气力输送技术在各种物料的捡拾输送方面应用比较广泛，但相关技术研究整体上处于较低水平，主要原因是不同物料特性千差万别，需要针对具体的物料深入开展包括气流场、物料、结构等在内的基础研究，掌握流场中物料特性及动力学特性，以便能更好地设计出高效可靠的机构或装备。

3 存在问题

3.1 气力输送播种施肥容易堵塞，排量精准度有待提高

气力输送系统各个部分气流速度差异大，在气流速度较低或者弯折处容易引起堆积堵塞。在各行排量一致性上，ISO标准农业技术要求，种子各行排量变异系数小于5%，肥料各行排量变异系数要小于10%，然而气力集排式施肥机具实际表现中达不到常规机械标准，需要把阈值提高到15%[43]。

3.2 气力输送动力需求和能量损耗较大

稀相流气力输送需要较高的气流速度，气料比较大，输送越多物料提供动力的风机功率就越大，需要额外的动力供应。在气力输送系统中各个阶段的气流速度往往有较大差别，当风机提供动力不足时，在一些管道内容易发生噎塞或是排料不畅，当风机提供动力过大时，在气流速度高的部分，容易产生种子或者果实等农作物的损伤以及过多的能源浪费。

3.3 气力输送耦合模拟仿真基础研究不足，缺少精确模型

农业机械中气力输送的研究大量基于计算机仿真，通过CFD单方面对内部流场进行仿真模拟，或者通过流固耦合方法进行两相流耦合仿真，来进行一些关键参数的优化。然而，农业物料不同于工业中的均匀物料，特殊性和多样性特征明显，对物料在管道内实际运动状态基础研究较少。在耦合仿真中，适用于相关农业物料输送的精确碰撞模型和曳力模型的研究比较欠缺。

4 发展建议

农业物料种类很多，不同物料的物理特性差异较大，物料与气流的相互作用比工业上的均匀物料复杂得多，制约了气力输送技术在农业机械中的发展。由于缺乏成熟的理论支撑，设计过程中主要以经验为主，对于气流场的设计也主要依靠试验不断优化，难有完整的系统设计方法。气力式输送系统涉及气固两相流体力学和随机过程理论等相关内容，农业机械不同物料的流场和颗粒动力学计算复杂，计算难度大，是一个较复杂的系统。近年来，随着计算机技术的发展，计算方便性和效率大大提高，为这一复杂系统的理论研究提供了方便。另外，一些计算机仿真软件逐渐被开发出来，为气固两相流的计算和仿真试验提供了条件。气固两相流流场特性是一个极具挑战性点研究领域，相关研究应该集中更多的精力在复杂流场的基础理论研究方面，同时充分利用计算机技术，进一步提高仿真模型的精度和可靠性，通过大量的试验掌握流场基础特性，同时将基础研究结论充分应用到设计过程，提高装备性能。

在具体的研究和应用中，可以借助其他的仪器设备促进研究进度，提高研究质量。(1)建立在线监测系统、优化主要装置结构尺寸。在气力式排种装置设计中，在导种管区域安装流量检测传感器，用于监控种子化肥流量，播量发生变化时进行预警，给驾驶员发出信号，对堵塞现象进行警报，提高作业质量。对用于不同作物的供料装置、输送管道、分配器等主要装置的结构尺寸进行试验优化，降低各行排量一致性变异系数。(2)智能调节风机风量输送和管道气流速度。可以通过探究气力输送不同的排量的农业物料情况下，不同气料输送比、气流速度、管道直径和管道长度等参数对能量损耗和作业质量的影响，进行所需的风量、气流速度和排量组合下最优匹配。根据实际排量，实时调节风量输送和管道内气流速度，使输送系统运行在最佳状态，减少能量消耗提高输送质量。(3)增加基础理论研究，提高仿真精准度。可以通过高速摄影技术来研究物料在管道内不同参数条件下的物料—物料和物料—管壁碰撞特征，物料在流场内的悬浮状态和运动轨迹，建立更为精确的仿真所需的碰撞模型和曳力模型，提高仿真精度，丰富相关的理论研究。

5 结语

气力输送系统装置简单，结构紧凑，适应性强，成本低,效率高易于实现自动化。气力输送技术应用于农业机械之中，有效地促进了农业机械的作业效率和作业质量，在一些方向上能够简化传统机械复杂的结构和改善较为固定的空间布局，可以降低成本和便于实现作业目的。尽管气力输送技术已经有了大量的应用和研究，但其在农业机械装备上理论研究仍处于探索阶段，实际应用未形成统一可靠的标准，未来可通过加大基础研究，增加自动化、智能化控制水平，有望很大程度提高气力输送农业机械作业质量。