气力式一器双行精量排种器气室流场的仿真与试验

颜秋艳



气力式一器双行精量排种器气室流场的仿真与试验

颜秋艳

(北京理工大学珠海学院工业自动化学院，广东珠海519088)

针对2BFQ系列精量联合直播机上的单个排种器单行排种、排种器利用率低、占用空间大的不足，设计了一种一器双行气力式油菜精量排种器。为确定一器双行气力式油菜精量排种器气室负压区进出气孔的结构参数，对排种器气室流场分布进行理论分析和数值仿真研究。利用三维建模软件Pro/E及有限元仿真分析软件CFX，分析了型孔结构特征、型孔数目及出气口直径对排种质量的影响，并采用台架试验进行了验证。结果表明：型孔端面负压和入口流速分布为其最重要的因素，当采用圆柱型直孔且直径为1.2 mm、孔数为40、出气口直径为25 mm，在排种盘转速15 r/min、负压1 400 Pa、正压400 Pa条件下，油菜籽排种单粒合格率达89.99%，漏播率低于5%，两行合格指数和漏播指数一致性变异系数均小于3%，能满足油菜精量播种技术要求。

油菜；排种器；一器双行；数值建模；仿真

针对2BFQ系列精量联合直播机上的单个排种器仅单行排种、排种器利用率低、占用空间大的不足，设计了一种一器双行气力式油菜精量排种器，该单个排种器能同时实现双行精量播种。双行排种器的排种效果与多种因素相关，包括排种器本身的结构参数以及工作时的试验因素组合。已有研究表明，负压区的压强对排种器各项性能指标有极显著影响[1–4]，而根据理论分析知，负压进出气孔的结构参数影响吸种负压和内部气流场的分布。笔者采用三维建模软件Pro/E及有限元仿真分析软件CFX，对不同型孔结构、型孔数目及出气口直径进行了仿真分析，探讨排种器在株距0.05~0.08 m范围内，其结构参数对排种器吸种气流场和排种效果的影响，并以油菜籽为试验对象，对仿真分析结果进行了台架性能检测试验，现将结果报道如下。

1　一器双行气力式油菜精量排种器的结构和工作原理

所设计的一器双行气力式油菜精量排种器的结构如图1所示。该排种器采用气力式主动单粒精量取种、投种，避免漏播且不会损伤种子[2]。气室4是一个通壳，左右两边放置排种盘进行双行排种，其单边工作原理与正负气压组合式排种器[3]工作原理相同。

双行排种器　 　　　　　　A–A剖视图

排种器工作过程主要包括吸种、携种、投种3个阶段，排种轴由链轮带动，风机从负压出气口抽气，使气室内产生一定的真空度，在气室两侧形成负压压差，充种区的种子在负压作用下被吸附在型孔上，随排种盘旋转通过携种区，到达投种区时受到自重和正压作用，落入落种口，从而实现精确投种(图2)｡

图2　排种器的工作原理

2　气室流场数值建模

2.1吸附种子的力学分析

油菜籽类似规则圆球形，吸种过程中种子与型孔均为线接触，力学分析时可将型孔简化为直孔，并假设所有外力作用于质心，每个型孔1次只吸附1粒种子。排种盘保持匀速转动，则种子与排种盘保持相对静止。不考虑气压波动，双行排种器充种区两侧的种子受力完全相同。以单边种子在吸附阶段型孔处受力为例，当充种区的种子受气流作用被吸起时，忽略空气阻力及气流场与种子之间的相互耦合作用，这时被吸附的种子还受到一些其他力的作用，主要包括重力、单个型孔负压吸力s、被吸附种子与排种盘的静摩擦力p、被吸附种子间的内摩擦力o、随盘转动受到的法向惯性力Ij、型孔对被吸附种子的支持力k、其他未被吸附种子对被吸附种子的切向挤压力i和法向挤压力j。

充种区种子空间受力　　　种子上受到的压力

以种子质心为原点，线速度方向为切向，质心指向排种轴轴心方向为主法向，排种盘平面垂直方向为副法向，建立平衡方程，求得种子可被型孔吸住的临界吸附力s。

式中：=1–，μ为种子与排种盘的摩擦系数；为单粒种子质量(kg)；为种子被吸附时法向与重力方向夹角(°)；为种子的内摩擦角(°)。

用型孔截面积和种子吸附处相对压强1表示该吸附力，有：

则

。

考虑种子间的相互碰撞，以及外界振动或冲击对种子吸附的影响，引入吸种可靠性系数1和外界条件影响系数2，得：

参照文献[4]，1取1.8~2.0，2取1.6~2.0。1除与种子的固有物料特性、外界振动影响这些不可控因素有关外，还与型孔的直径有关，但不是简单的线性关系。查阅相关参数[2]，并在前述型孔直径范围内可算出型孔处所需的最小吸力负压1min= –405.7 Pa。

2.2气室负压区流体分析

由双行排种器的气室结构(图4)特征可算出负压区容积的大小。

式中：为气压区对应的圆心角(°)；1为气室外筒内半径(mm)；2为气室内筒外半径(mm)；为气室厚度(mm)。

图4气室结构

Fig.4Structure diagram of the air chamber

环形负压区的圆心角设计为315°[3]，可算得负压区容积1=3.13×10–4m3。在一定气流量下，气体入口流速与入口截面积成反比，则型孔孔径及数目将直接影响排种器负压区的气流场分布。

根据双行排种器负压区吸携种过程中的气流流向，忽略气室与充种罩壳安装处的漏气量，根据质量守恒原理，从负压区各型孔处进入的气体流量in总和与出气口流量out应相等。

式中：为负压区所占的型孔个数，设排种盘上总型孔数为，那么有=7/8，设单个型孔横截面积为1，直径为，入口流速为1；出气口面积为2，直径为，出口流速为2，假设每个入口气流流速均匀且相同，由不可压缩的定常流动流体的连续性方程[5]，可以获得出口和入口流速比。

。

气室垂直方向上高度差很小，可以忽略不计。由理想气体的伯努利方程，可得：

联合以上2个公式可求得：

。

型孔进气口处的平均流速与负压区进出气孔压差D、进出气孔直径、以及型孔数有关，代入相关参考数据，可以得到满足吸种条件的最小入口气流速度1=24.9 m/s。

3　气室气流场的仿真

3.1仿真试验因素

3.1.1型孔形状

排种盘上以圆周方式等间距阵列吸种孔。依次选取底部直径为1 mm、槽深0.5 mm的球形孔、圆柱型直孔、沉孔、锥孔、一边内倒角45°孔、两边内倒角45°孔共6种型孔进行仿真试验。各型孔结构如图5所示，仿真结果如图6所示。

1　球形孔；2　直孔；3　沉孔；4　锥孔；5　一边倒角45°孔；6　两边倒角45°孔。

从图6中可以看出，在同等模拟条件下，圆柱形直孔的气流速度变化最平稳，型孔内速度基本一致，在种子吸附端速度出现了最大值，越靠近壁面，速度值越小。其他5种型孔的速度场均有显著突变，且最大速度都没有出现在吸种端，球形孔、沉孔以及倒角型孔最大速度出现在型孔中部，吸种端速度较低且不均匀；锥形孔的最大速度远离吸种端，型孔内速度变化梯度大。为使气流在型孔内通过时无气流场突变，保证气流场的均匀稳定性，应采用吸种性能最好且易于加工的圆柱型直孔。

3.1.2型孔直径

油菜籽球形度良好，假设平均直径为，则型孔孔径可采用经验公式[6]来计算。以测定的华杂4号油菜籽为例，平均粒径1.5~2.2 mm，可得出排种盘型孔的直径范围为0.96~1.45 mm。为确定合适的型孔直径，仿真模拟时选取1.0、1.2、1.4 mm。

3.1.3型孔数

根据油菜农艺种植要求，其精量播种的合理株距应为0.05~0.08 m，据经验公式[7]，油菜排种盘型孔数，式中：0为播种机地轮直径，取0=0.60 m；为地轮滑移系数，取= 0.12；传动比取1。计算得为25~42，仿真模拟时选取30、35、40。

3.1.4出气口直径

负压出气口位于气室负压区外圆周上，与水平方向成30°[8]，其直径受限于气室的厚度。根据气室所能容纳的最大气体流量，式中：为常温下空气密度，取1.29 kg/m3；为出气口直径；2为出气口处气流速度；为气体充满负压区所需时间。

根据相关参考数据，可求得出气口直径为17.4~32.1 mm，考虑气室厚度及衔接处的壁厚，仿真时出口直径取20、25、30 mm。

3.2模拟仿真正交试验

试验中通过测量负压出气口的压强2来推算1值，1=2，为负压出气口处相对压强与种子被吸附处相对压强的比例系数。值越大，说明负压损失越小，越有利于提高风机工作效率，因此，以值及气室两侧型孔端面的气流平均压强和平均流速为评价指标，考察型孔直径、数目以及出气口直径3个因素对负压区气流场的影响，采用无空列的L9(34)正交试验表[9]，如表1所示。

表1负压区仿真因素及水平

Table 1Simulation factors and levels of negative pressing area

3.3有限元模型

基于假设：1) 气室密封不漏气；2) 气流体为定常连续、不可压缩的理想气体；3) 进出口气流速度均匀，在内壁面上无滑移边界条件；4) 室温恒定为25 °C，流体的密度和黏度为常温值，大气压为1.01×105Pa，以整个负压流体区域的空气为实体模型，按照组合的9种方案在Pro/E中建立三维模型，再将模型导入ANSYS Workbench中进行网格划分。选择了四面体非结构化网格(Tetrahedrons/Patch Independent)划分，将所有边界面添加为inflation层，并对型孔处进行网格加密。将型孔端面和负压出气口端面分别定义为in和out面，施加边界条件：入口in面定义为inlet边界，出口out面定义为opening边界，其余定义为无滑移壁面wall边界。端面in的压强设为0 Pa，out的压强设为–1 400 Pa(满足吸种最小负压值)[10–11]，求解时，根据气力式排种器中气体的流动性质选用湍流模型中的标准k–ε模型。定义最大运算步数为100，收敛值RMS为10–4，物理运算时间为2 s[12]。前处理完成后，将结果导入CFX–Slover进行求解。

3.4仿真结果

仿真结果列于表2。在保证油菜籽吸附过程中不因负压过大而破损的前提下，型孔吸种端负压值和气流速度越大，吸附能力就越强；整个气流场越均匀，其排种性能就越稳定。

表2正交试验方案及仿真结果

Table 2Orthogonal program and simulation result

通过仿真，获得型孔端面压强分布云图，如图7所示。压强云图中不同的色块表示不同压力的大小，每个等值线图标代表压力的一定范围，以区分压力变化趋势。从各云图中可以看出，不同方案型孔处压强变化较大。试验号6红颜色最深，且除型孔边缘处整个端面内颜色分布较均匀，型孔端面平均压强最大(1=–1 339.79 Pa)。

1~9与正交试验号相对应。

经方差分析，各试验因素对型孔端面压强影响显著，气室两侧型孔平面处的负压均值随出气口直径增大而增大，随型孔直径先上升后下降，随型孔数的增加有所减小，但变化不明显。以出入口负压比例系数为评价指标，组合232最好，此时出入口负压损失最小，=1/2= 0.96。

对表2中的入口流速进行极差分析，极差R=0.93，R=0.62，R=1.15，因此，三因素对入口流速影响的因素主次为、、。因素是影响气流速度的最主要因素。当出气口直径变大时，型孔入口可获得较大的气流速度，有利于油菜籽的快速吸附。最大流速与最小流速的差值为2.57 m/s，可见3因素对入口气流速度的影响差异不明显。根据流体连续性方程可知，气流量相同时，孔口直径越小，流速越大，因此，最大气流速度出现在型孔处，通过对整个模型气流速度的仿真得到的结果与此推论一致。

将负压区模型简化为一种有2个对称气流入口和1个出口的变截面管路(图8所示)，以单侧型孔端面为初始位置，主要考察两侧入口平面(和)、型孔与气室接触面(和)、气室左右1/4平面处(和)以及气室中平面()的平均负压值，作出9种方案下各平面的平均负压随其位置的关系曲线，如图9所示。

图8　负压区气流流向的位置

图9　各平面平均负压的径向分布

曲线以气室中平面为基准面近似成对称布置，可见气室两侧负压分布情况相似，这有利于排种器的左右两行吸排种一致性。同时从图9中可以看出，气室中间位置处气压较稳定，但随平面位置不同气压变化较大。气体从入口流向出口的整个过程因管路中存在沿程损失与局部损失，在、两处负压出现了最低值；另一方面型孔与气室接触处存在截面突变，气体沿突然扩大的变截面管路流动时，流体呈射流状进入，周围的气体会被裹卷形成涡而产生损失，根据伯努利方程[13]可知，突扩管后压强会增大，所以在、处负压出现激增，远超过了给定的负压值，因而在设计型孔结构时应尽量避免使用变截面结构，这也验证了排种盘型孔采用圆柱型直孔的正确性。进一步研究发现上述3个试验因素对整个负压区的压强分布影响不显著。

综合以上对3个试验因素不同水平组合的负压区压强及入口流速的分析可知：出气口直径对型孔端面负压和入口流速影响显著，型孔处获得最大负压时的因素组合为232，此时入口流速=47.12 m/s，完全满足油菜吸种时所需的气流速度[14]。兼顾吸种负压、气流速度以及排种效率，应选用多型孔数，因此232组合最佳，确定排种器型孔直径为1.2 mm，孔数40，出气口直径为25 mm。

4　性能检测试验

排种器性能检测试验在华中农业大学工科基地JPS–12型计算机视觉排种性能检测试验台上进行，检测最优结构参数组合条件下排种器的排种效果。该试验台主要由自制双行排种器、油路传输带、气力系统、U型管测压计及试验台电控柜组成。

按照仿真分析确定的相关结构加工试验用排种器，试验用油菜籽为华杂4号，千粒重4.21 g，平均粒径1.5~2.2 mm。以排种合格指数、漏播指数、重播指数及各指数的一致性变异系数为试验指标，工作参数设定为：负压1 400 Pa、转速15 r/min、正压400 Pa、种床带前进速度2.0 km/h。重复5次，结果取平均值。结果(表3)表明：通过试验得到排种器的两行合格指数、漏播指数、重播指数的平均值分别为89.99%、4.44%、5.57%，各指数的一致性变异系数分别为0.30%、2.39%、2.79%，排种效果良好，符合油菜精量播种技术要求[15]。

表3排种试验结果

Table 3Results of the seed metering tests %

5　结论

分析得出了排种器负压区进出气孔直径、型孔数目与型孔端面压强及入口气流速度的影响关系，并利用CFX 软件对排种器负压区的气流场模型进行了模拟正交试验，得出气流出入口直径对吸种负压影响最大。

仿真分析得出最佳组合为排种器圆柱型直孔且直径为1.2 mm、孔数为40、出气口直径为25 mm，通过试验验证加工后的一器双行排种器吸排种效果良好，排种单粒合格率能达89.99%，漏播率低于5%，两行合格指数和漏播指数一致性变异系数均小于3%，可满足油菜精量播种技术要求。

分析还发现气室内流场的压强和速度因截面突变会产生能量损失，应尽量缩短气体流程，减少涡流的产生。

参考文献：

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[15] JB/T 10293—2001 单粒(精密)播种机技术条件[S]．

Simulation and experiment of flow field in the chamber of pneumatic double-row precision metering device

Yan Qiuyan

(School of Industrial Automation, Beijing Institute of Technology, Zhuhai, Zhuhai, Guangdong 519088, China)

In order to solve the problem of the single metering device in the series of 2BFQ precision planter is single row seeding, low efficiency and high space usage, a precision pneumatic metering device for rapeseed was designed. To determine the inlet and outlet hole’s structural parameters of pneumatic rapeseed precision metering device, the distribution of internal flow field in the metering device has been studied analytically and numerically. The influence of diameter of hole, number of hole and diameter of flow outlet on the performance has been studied by using the 3D modeling software of CFX and Pro/E . The simulation results were verified by experiments. The results showed that the three factors are all important to influence the negative pressure and inlet flow velocity distribution of holes’ end face. When the diameter of hole is 1.2 mm, the number of hole is 40, the diameter of flow outlet is 25 mm and the rotating speed is 15 r/min, a negative pressure is achieved to be 1 400 Pa with positive pressure of 400 Pa. And then, the quality index of single seeding can reach 89.99%, low sowing index is below 5%, the consistency variable coefficient of double-row qualified index and miss index is below 3%, which meeting the requirements of rape meter sowing technology.

rapeseed; metering device; double-row metering device; numerical modeling; simulation

S223.2

A

1007-1032(2016)05-0567-06

2016–01–04

2016–03–27

广东省自然科学基金项目(2015A030313797)

颜秋艳(1988—)，女，湖南邵阳人，硕士，主要从事机械装备设计与仿真分析研究，yanqiuyan825@163.com

投稿网址：http://xb.ijournal.cn

责任编辑：罗慧敏

英文编辑：吴志立