高　雄，张　震

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特　010018)



2BQM-2型播种机气吸式排种器气流场的分析与试验研究

高雄，张震

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特010018)

摘要：针对2BQM-2型播种机气吸式排种器真空度、吸孔数和排种盘转速3个因素不同水平下的气流场进行分析，并对排种器进行性能试验。气吸室及管道气流场有限元分析显示：不同真空度及负压区孔数形成不同的气流速度场。真空度越大，入口平均速度越大；负压区孔数越多，入口平均速度越小；弯管接头采用90°光滑圆形弯管对管道气流场影响最小。单因素试验结果表明：排种器真空室适宜真空度范围为-3～-5kPa。当真空度为-3kPa时，排种盘转速在30～45r/min范围内，排种质量比较好；气吸室负压区孔数对排种器排种质量影响不是很明显。三因数三水平正交试验结果表明：影响排种性能的主要因素是真空度，其次是排种盘转速，负压区孔数对排种性能的影响最小。当真空度为-4kPa、排种盘转速为35m/s和负压区孔数为15时，排种质量最好，是排种器正常工作时的最优组合。

关键词：气吸式排种器；真空度；有限元分析；排种性能；正交试验

0引言

随着农业的发展和技术的革新，农作物的种植方法已由传统播种发展到机械化播种，继而发展到现在的精量播种，这些都已成为现代农业发展的必然方向[1]。精量播种在现代播种中作业潜力巨大，已经成为国内外学者研究的重要方向。精量播种技术是一种比较先进的播种技术，其排种器性能是衡量播种质量的关键。气吸式免耕播种机是一种将免耕播种技术与精量播种技术结合起来的现代化的精量播种机[2]。使用气力排种器是国内外精密播种技术的发展趋势，针对气吸式排种装置的排种特性，掌握和分析其工作性能影响因素，有利于进一步提高免耕播种的生产效率和作业质量。

为此，根据排种器结构特点，利用SolidWorks建立气吸室全流道三维模型，通过Fluent 软件模拟排种器管道内部气流场分布，并进行定常数值计算；分析排种器内部结构参数对气流场分布的影响，以及真空度、负压区孔数和排种盘转速3种因素在不同水平下对排种器排种质量的影响，找出最优组合，从而可为滚筒及管道结构设计提供合理化建议、相关参数设定提供依据。

1气吸式排种器气流场的有限元分析

1.1真空室气流场分析

为了准确模拟真空室的实际情况，得到更加准确的结果，以流体动力学知识为设计依据，运用SolidWorks软件绘制出整个真空室全流道的三维模型运用Solidworks软件绘制出气吸室全流道三维模和用Gambit划分网格，如图1和图2所示。

图1　流体分析模型图

图2　流体分析模型网格划分

1.1.1负压区不同分布孔数的气流场分析

真空室是气吸式排种装置形成负压的主要区域。负压进一步扩展到配气孔和吸种孔，形成气流的流动，吸附种子。当取种盘上分布18、16、14个孔数时，在真空室形成的环型负压区域中，相对应均匀地分布着15、13、11个吸孔。

1)在FLUENT边界条件中，入口速度设置为5m/s时，分析不同孔数条件下，弯管处出口平均速度(见图3)。

图3　入口速度5m/s的负压区孔数为15、11时真空室的气流速度场

由图3可以看出：入口速度为5 m/s时，出口平均气流速度分别为15.210m/s和8.435m/s；很明显负压区分布15个吸孔数时出口平均气流速度较大，负压区分布11个吸孔数时出口平均气流速度较小。故取种盘分布孔数越多，负压区分布孔数越多，相应的出口平均速度也就越大，所需风机转速越大。

2)真空度设置为-2kPa时，分析不同孔数条件下，吸种孔入口处平均速度，如图4所示。

由图4可以看出：当真空度为-2kPa时，不同的孔数对应不同的气流速度，负压区孔数分别为15和11时，入口平均气流速度分别为9.293m/s和12.148m/s；很明显负压区分布15个吸孔数时入口平均气流速度较小，负压区分布11个吸孔数时入口平均气流速度较大。所以，在气吸室真空度为-2kPa时，随着负压区分布孔数的增加，入口平均速度减小。

图4　真空度-2kPa的负压区孔数为15和11时真空室的气流速度场

1.1.2真空度不同时真空室的气流场分析

种孔在吸种盘上是圆周均匀分布的，真空室内负压腔产生的负压气流均匀地分配给吸种盘上的分布孔，以便使吸种孔的吸附力均等。但是，当真空室的真空度不同时，种孔的气流速度会发生相应的变化。真空度跟风机的转速有关，风机转速越大，通过软管在真空室内产生的真空度越大，负压腔内负压也就越大。

负压区孔数为15时，在不同的真空度条件下，气吸室内压强以及入口气流速度的变化规律，如图5所示。

由图5可以看出：当负压区孔数为15时，真空室的真空度分别为-2kPa和-4kPa时，入口平均气流速度分别为9.295m/s和13.156m/s。很明显真空度为-2kPa时，吸种孔的平均气流速度较小；真空度为-4kPa时，吸种孔的平均流速较大；随着真空度的增大，入口平均速度增大。

图5　负压为-2kPa和-4kPa时真空室的压强云图

1.2气吸室接头圆形弯管的有限元分析

弯管结构是影响气吸室真空度的因素之一，在FLUENT中进行数值计算时采用k-ε湍流模型，能够很好地模拟二次流流动。结果表明：数值计算结果与实验结果拟合较好，并且能准确反映弯管内部气流流态，对气吸室弯管接头的设计优化具有很好的指导作用[3]。

由于离心力作用，弯管内的流动气流在管道弯管处外侧压力增加、内侧压力减小，所以流体在断面内受力不平衡，形成了二次流，并会持续流动到下游比较远的地方，直到粘性消耗完全部扰动为止[4]，如图6所示。为了减小直角弯管流动损失，需要用导流叶片抑制二次流的形成。

扩散流动比收缩流动的能量损失大，能量损失主要包括管内粘性摩擦损失和湍流漩涡损失。因为扩大流动中流体的流动具有不稳定性，在发散流动中及通道壁面处的流动分离容易导致流动中产生漩涡。收缩流动对漩涡的形成起到了抑制作用[5]，压力能更为有效地转换成动能；但在收缩位置压力风速的急聚变化，会影响整个管道流速的稳定性，如图7所示。

经过以上分析，得出结论：在工作过程中，使用两端直径相等的90°光滑弯管接头对整个管道气流影响最小。

图6　90°光滑和直角圆形弯管的气流速度场

图7　90°突缩和突扩圆形弯管的气流速度场

2排种性能试验及分析

在其它因素不变的情况下,对气吸室真空度、排种盘转速和负压区孔数3个因素在不同水平下进行正交试验， 确定其对气吸式排种器排种性能的影响， 找出最优组合[6]。

本试验中，根据最佳真空度范围进行选择气吸室真空度压力值，分别在-2、-3、-4、-5、-6kPa 5个水平下对排种器进行试验研究，并作负压区真空度的变化对排种器排种性能的影响分析。试验安排如表1所示。试验结果如图8所示。

表1　不同真空度下的试验安排

图8　不同真空度下的排种性能指数曲线

由图8可知：在负压区孔数和排种盘转速一定的情况下，气吸室真空度压力值越大，播种合格指数越高，漏播指数越低；但是随着真空度增大，重播指数相应的也会越高，说明真空度对排种质量影响显著，且并不是真空度越大越好。由曲线图可看出：真空度为-2kPa时，负压区压力较低，不能给吸种孔提供足够吸力，导致排种质量很差，漏播严重；随着真空度升高，排种质量开始变好；当达到-4kPa时，排种质量最好，合格指数高，漏播指数和重播指数低。但是，真空度继续升高时，由于负压区压强过大，吸种孔吸力过大，一个孔上可能吸有多粒种子，导致重播率随之增大。由试验结果可以看出：排种器气吸室的适宜真空度范围为-5～-3kPa。

该试验采用2BMQ-2气吸式排种器吸种盘，吸种盘转速对排种器排种质量有明显的影响。所以，在真空度压力-4kPa和气吸室负压区孔数为15时，研究排种盘在30、35、40、45、50r/min 5种不同转速下的排种性能。试验安排如表2所示。试验结果如图9所示。

图9表明：随着排种盘转速的提高，种子的合格指数和重播指数下降。其主要原因是随着排种盘转速的提高，吸种孔的相对线速度增大，种子因滞后于吸孔运动，吸附力不足，造成种子吸附不可靠而易掉落；排种盘转速过大，吸孔还来不及吸附种子就转出充种区，导致漏播指数增高；当排种盘转速超过45r/min时，合格指数明显下降，漏播指数升高也比较明显。由实验结果看出：真空度为-4kPa时，排种盘转速在30～40r/min范围内，排种质量比较好。所以一定的真空度和一定排种盘的转速是相对应的。

表2　排种盘不同转速下的试验安排

图9　排种盘不同转速下的排种性能指数曲线

吸种孔在排种盘上轴向均匀分布，排种盘上的孔数决定了负压区的孔数，种盘上孔数越多，气吸室负压区孔数也就越多。在真空度-4kPa和排种盘转速35r/min时，研究分析气吸室负压区孔数分别为11、13、15这3种排种盘的排种性能，试验安排表3所示。试验结果如图10所示。

图10表明：合格指数曲线保持平稳，表明气吸室负压区孔数对排种器排种质量影响不是很明显；但是随着孔数的增加，漏播指数也缓慢上升。主要原因是真空度压力一定，随着孔数增加，分配到每个孔的压力变小，孔对种子的吸附不可靠，导致漏播。所以一定的真空度和负压区孔数是相对应的。

表3　负压区不同孔数下的试验安排

图10　负压区不同孔数下的排种性能指数曲线

表4　真空度、排种盘转速和负压区孔数的正交试验

从表4可以看出：真空度对排种器排种合格指数影响最大，其次是排种盘转速，负压区孔数影响最小。当真空度为-4kPa、排种盘转速为35r/min、负压区孔数为15个时，排种器排种合格指数最高，排种质量最好。

3结论

1)入口速度为5m/s时，气吸室负压区分布孔数越大，相应的出口平均速度也就越大，所需风机转速也就越大；当真空度为-2kPa时，不同的孔数对应不同的气流速度，随着负压区分布孔数的增加，入口平均速度减小；当负压区孔数为15时，随着真空度的增大，入口平均速度增大；在负压区孔数和排种盘转速一定的情况下，排种器气吸室的适宜真空度范围为 -3～-5kPa。

2)真空度为-3kPa时，排种盘转速在30～45r/min范围内，排种质量比较好。排种盘转速与理论上真空度压力相适应，要使漏播率降低需降低排种盘转速，排种盘转速提高时需要相应提高真空压力。

3)气吸室负压区孔数对排种器排种质量影响不是很明显,但随着孔数的增加，漏播指数也缓慢上升。随着孔数增加，分配到每个孔的压力变小，孔对种子的吸附不可靠，导致漏播，一定的真空度和负压区孔数是相对应的。

4)正交试验结果为：真空度对排种质量影响最大，负压区孔数对排种质量影响最小，最优组合为A2 B2 C3。

参考文献：

[1]刘文忠.气吸式排种装置排种性能试验研究[D].呼和浩特:内蒙古农业大学,2008.

[2]胡永文.气吸式排种装置在振动条件下的排种性能研究[D].呼和浩特:内蒙古农业大学,2011.

[3]赵孝保,周欣.工程流体力学[M].南京：东南大学出版社,2008.

[4]温正,石良辰,任毅如.FLUENT流体计算应用教程[M].北京:清华大学出版社，2009.

[5]许洋，党沙沙，胡仁喜. ANSYS11.0/FLOTRAN流场分析实例指导教程[M].北京:机械工业出版社,2009.

[6]郑选民.试验设计方法[M].北京：科学出版社,2006.

Abstract ID:1003-188X(2016)05-0060-EA

The Analysis and Study on Air Flow Field of Air Suction Metering Device for 2BQM-2 Seeder

Gao Xiong， Zhang Zhen

(College of Mechanical and Electrical Engineering， Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018,China)

Abstract：This paper focuses on the different degree of vacuum suction holes and row number of different kinds of disk rotational speed under different flow field distribution is analyzed, and the row seeding performance tests. Pipeline flow of gas chambers finite element analysis showed that: different degree of vacuum suction holes formed in different areas of the airflow velocity field; the greater the vacuum, the greater the average speed of the entrance; the more holes negative pressure zone, the average speed of more entry small; elbow joints using 90° elbows with minimal impact on the smooth circular pipe flow field. Seedmeter vacuum chamber pressure to optimize the range of -3～5kPa, vacuum degree-3Kpa when the seed disk speed in the range of 30～45r/min, better seed quality, a certain vacuum degree and a certain seed tray is the corresponding rotational speed; holes exhaust gas suction chamber negative pressure zone Seeding impact on quality is not very obvious.Orthogonal test results: when the vacuum degree -4KPa,seed disk speed of 35 m/s and the number of holes negative pressure zone is 15,the optimal seeding the best quality,but also the type seeder work properly.

Key words：air suction metering device; vacuum degree; finite element analysis; seeding performance; orthogonal experiment

文章编号：1003-188X(2016)05-0060-05

中图分类号：S223.2+5

文献标识码：A

作者简介：高雄(1957-)，男，呼和浩特人，副教授，硕士生导师,(E-mail)gao0927cn@aliyun.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(41161045)

收稿日期：2015-03-31