張凱 洪楊 徐祝欣

摘要

為提高大白菜等小粒徑精密播種機的機械化水平，設計了一種小粒徑氣吸式排種器.首先利用JPS-12排種器性能檢測試驗臺對排種器進行測試，得到不同參數組合下的性能指標與最優(yōu)參數組合.然后使用計算流體力學方法（CFD），借助FLUENT軟件分析了吸種器內部流場的分布，得到了吸種器內部壓力分布云圖和吸種孔截面云圖.最后基于離散元法（DEM）建立大白菜種子顆粒模型，對排種器仿真模型進行簡化和網格劃分，完成了小粒徑氣吸式排種器DEM-CFD耦合仿真實驗.對比臺架與仿真試驗結果，得出如下的結論：當排種盤轉速為20 r/min，真空度為2.2 kPa時，排種性能最佳.關鍵詞

氣吸式排種器;小粒徑種子;離散元法;流體力學

中圖分類號 S223.2

文獻標志碼 A

0 引言

為解決大白菜等小顆粒種子選育施肥中機械化程度低、稠度差、播種效率低、機械要求差異性大等問題，研制適合小粒徑播種的氣吸式精密播種機非常重要[1].作為播種機核心部分的氣吸式排種器，其工作性能直接影響播種質量.本文采用負壓吸種的工作原理，設計了一種氣吸式排種器，依靠氣吸室的真空度將種子吸附在吸種孔上，因此氣吸室的流場壓力分布需要均勻.

近年來，DEM（離散元法）-CFD（計算流體力學）耦合仿真在工業(yè)、農業(yè)方面得到了廣泛的運用，國內外主要應用在中大型顆粒種子的氣吸式排種器上[2]，很少應用于小粒徑氣吸式排種器.本文首先進行JPS-12臺架試驗，得到不同參數組合下的排種器性能指標與最優(yōu)參數組合，接著利用FLUENT 軟件分析氣吸式排種器內部流場分布，最后利用EDEM軟件建立大白菜種子顆粒模型，實現小粒徑氣吸式排種器DEM-CFD耦合仿真[3]，對比臺架與仿真試驗結果，驗證了仿真分析的可行性.

1 排種器的結構與工作原理

氣吸式排種器主要由排種盤、殼體、攪拌器、刮種器、泄種量調節(jié)插板、氣吸室等結構組成，如圖1所示.采用負壓吸種的原理，排種盤垂直放置在排種器中間，一側與充種室相連，另一側與氣吸室相接[4].排種器經由上方的管道與風機連接，工作時由高速風機產生負壓，再傳送至排種單體的真空室.排種盤在前進作業(yè)過程中，種子依靠負壓的作用附著在排種盤上并隨其一齊轉動[5]，當種子從真空室移出時，由于負壓的消失，僅靠重力或在刮種器作用下落入溝內，進而完成一次排種過程.

2 試驗臺試驗

2.1 不同轉速試驗結果分析

為了研究排種盤轉速對排種性能的影響，排種盤轉速從10 r/min到40 r/min，每5 r/min一個水平，共分為7個水平，真空度保持為3 kPa.在種床帶運行平穩(wěn)之后，每個參數試驗記錄種床帶連續(xù)分布的200粒種子，重復3次取平均值作為最終結果，試驗結果如圖2所示.

2.2 不同真空度試驗結果分析

在其他工作參數相同的情況下，真空度從1.5 kPa到5 kPa，平均分為8個水平，轉速保持為30 r/min，在種床帶運行平穩(wěn)之后，每個參數試驗記錄種床帶連續(xù)分布的200粒種子，重復3次取平均值作為最終結果，試驗結果如圖3所示.

2.3 正交試驗

在轉速單因素試驗中，發(fā)現轉速在20～30 r/min時，播種性能比較好.在真空度單因素試驗中，真空度在2～3.5 kPa時，播種性能比較好.為了研究轉速和真空度對排種性能影響的主次順序以及最優(yōu)參數組合，對每個參數取3個試驗水平，考慮到轉速與真空度之間存在相互作用，采用正交表L9（34）進行試驗臺試驗，正交試驗水平如表1所示.每個參數組合試驗統(tǒng)計種床帶連續(xù)分布的200粒種子，重復3次取平均值作為最終結果，正交實驗結果表2所示.

極差的大小代表著因素對試驗指標影響的大小，極差越大，影響越顯著.對表2的極差進行分析，對于合格指數和漏播指數，轉速的影響較顯著;對于重播指數，真空度影響較顯著.當轉速20 r/min、真空度2.2 kPa時，排種性能達到最佳，合格指數為93.02%，重播指數為4.41%，漏播指數僅有2.79%，各項性能均符合國家農作物單粒精量播種質量指標要求.

3 氣吸式排種器流場仿真分析

3.1 模型建立與前處理

采用SolidWorks軟件建立了氣吸式排種器的仿真模型，通過觀察測量發(fā)現實際結構尺寸較為復雜，有必要對模型進行一定程度的簡化去雜[6]，如圖4所示.對簡化的模型利用GAMBIT進行網格劃分，定義空氣出入口，定義吸種孔與氣吸室及充種室的交界面為interface，其他面默認為壁面wall，生成的網格文件如圖5所示.

3.2 仿真結果分析

3.2.1 不同真空度下流場的變化規(guī)律

為了得出真空度影響排種器內部流場分布的變化規(guī)律，選擇了3種不同真空度條件，設置合適的算法參數，經過多次迭代計算，當殘差曲線收斂時，得到的仿真結果如圖6所示.圖6a為氣吸室流場壓力云圖，圖6b為吸種孔內部速度云圖，圖6c為不同吸種孔截面速度云圖.

由圖6可知，在不同真空度下，壓力大小呈軸對稱分布，管道處壓力值達到最高（圖6a）.隨著真空度的變化，氣吸室的壓力分布沒有明顯變化，說明真空度對氣吸室壓力分布沒有影響，只是改變了壓力大小.吸種孔內速度大小受真空度的影響而改變，其區(qū)域的速度分布相對一致（圖6b）;而吸種孔端面的速度大小以管道處為峰值，呈軸對稱狀分布并向圓環(huán)兩側遞減（圖6c）.

3.2.2 改變轉速后的流場變化

選擇了10 r/min、20 r/min和30 r/min這三種轉速條件，真空度保持3 kPa不變.設置適當的算法參數，經過多次計算迭代，當殘差曲線收斂時，得到的仿真結果如圖7所示.在本研究中，24個錐形吸種孔均勻分布在排種盤上，每兩個吸種孔之間間隔15°，為此區(qū)間選擇了4個轉動度數：0°、4°、8°、12°，如圖7所示.

從圖7可以看出，同一時間，在不同轉速下，氣吸室壓力分布變化不大，說明氣吸室流場壓力分布受轉速的影響不明顯.而在相同轉速下，隨著排種盤的轉動，氣吸室的壓力分布變化較為明顯，說明排種盤的轉動對氣吸室壓力分布有很大影響.

4 氣吸式排種器工作過程耦合仿真分析

4.1 建立仿真模型

為構建大白菜種子顆粒模型，需要測量種子的物理特性，測得種子的三徑為：長1.98 mm，寬1.95 mm，高1.92 mm.為了便于進行仿真，本文特意簡化了大白菜種子顆粒模型，采用等效直徑為1.95 mm的單球模型[7]，如圖8所示.

4.2 耦合仿真結果分析

在耦合的模擬仿真試驗過程中，可直接觀察到排種盤每個吸種孔上的大白菜種子數并手動記錄.每次模擬試驗統(tǒng)計80個樣本，再對數據進行計算得出排種器的性能指標，如表3所示.

通過對表3中數據的分析，發(fā)現重播指數較其他兩個指數差距較大，進而推測在現實試驗中，因為電機工作振動的影響，吸種孔內的若干種子可能會被抖落掉出.而耦合仿真環(huán)境理想，沒有干擾因素，所以造成了仿真試驗的重播指數略大于臺架試驗的重播指數.

為了驗證真空度和轉速在耦合仿真條件下均會對排種器的排種性能造成影響，通過改變轉速并觀察統(tǒng)計各個吸種孔上的種子數，其中轉速參數的設置與之前的臺架試驗保持一致，實驗結果如表4所示.

經過對上述數據的觀察和分析，可以發(fā)現兩次檢測的合格、重播和漏播指數這三者的變化趨勢是相同的;通過對模擬試驗中轉速對排種性能影響的顯著性分析，發(fā)現轉速對漏播和合格指數的影響較為顯著，對重播指數的影響很小.

5 結論

針對目前小粒徑種子精密播種機機械化程度較低的問題，基于負壓吸種的原理設計出一款小粒徑氣吸式排種器，滿足小粒徑種子精密播種的需要.對氣吸式排種器內部流場進行仿真分析，得到了真空度和轉速對流場的作用規(guī)律.吸種孔內的速度大小只受真空度的影響，且隨著真空度的增大減小成正比關系;轉速對氣吸室整體的壓力分布影響不顯著，起主導作用的是吸種孔的轉速.

不論是耦合仿真試驗還是臺架試驗，當轉速為20 r/min、真空度為2.2 kPa時，排種器的性能最佳.臺架試驗的合格指數為93.02%，重播指數為4.41%，漏播指數2.79%，耦合仿真試驗的合格指數為91%，重播指數為7%，漏播指數為2%.通過對比分析，仿真試驗與臺架試驗的規(guī)律是一致的，試驗結果較為接近，表明了基于EDEM-FLUENT耦合仿真試驗來分析排種器的排種性能是可行而有效的.

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Simulation of an air suction seed drainer based on DEM-CFD coupling

ZHANG Kai1 HONG Yang2 XU Zhuxin3

1 School of Automation，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044

2 Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology，

Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044

3 Qingdao Plantec Machinery Technology Company Limited，Qingdao 266109

Abstract An air suction seed drainer was designed and simulated in order to improve the mechanization level of precision seeders applicable for small size grains such as Chinese cabbage seeds.Firstly，the performance of the seed metering device was acquired through tests using performance test-bench of JPS-12，based on which the optimal parameter combination was obtained.Then，the flow field distribution inside the air suction chamber under different vacuum degrees or rotating speeds was analyzed using computational fluid dynamics （CFD） and FLUENT software，and a seed shape model of Chinese cabbage was established based on discrete element method （DEM）.Finally，the seed metering device simulation was carried out by a simplified model and grid meshing.The comparison between bench test and simulation result showed that the air suction seed drainer performed best when the rotating speed of seed metering tray is 20 r/min and the vacuum degree of air suction chamber is 2.2 kPa.

Key words air suction seed metering device;small seeds;discrete element method （DEM）;fluid mechanics

收稿日期 2020-07-03

資助項目 國家重點研發(fā)計劃（2017YFD0701201-02）

作者簡介

張凱，男，博士，教授，研究方向為智能裝備研究.zkark@163.com