呂金慶 朱明芳 竹筱歆 李季成 蘇文海 劉中原

(東北農業(yè)大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

我國馬鈴薯種植面積大，但單產水平較低，多采用人工播種和機械播種的方式,存在作業(yè)速度低、播種質量差等問題，嚴重制約了馬鈴薯產業(yè)的發(fā)展[1-2]。與人工播種和機械播種相比，氣吸式播種具有傷薯率低、作業(yè)速度高、精密性好等特點，因此推廣氣吸式播種是馬鈴薯產業(yè)發(fā)展方向。馬鈴薯種薯個體質量差異性大、形狀不規(guī)則等物料特性決定了氣吸式馬鈴薯播種機在作業(yè)時對風機的性能要求較高?，F有的氣吸式馬鈴薯播種機多為雙風機結構，存在結構尺寸大、傳動系統復雜、所需配套動力大等問題。風機作為氣吸式馬鈴薯播種機的重要工作部件，其工作性能對播種作業(yè)的質量有重要影響，因此有學者對現有的氣吸式馬鈴薯播種機風機進行試驗研究與優(yōu)化設計進而提高風機作業(yè)性能，簡化播種機結構，提高播種機作業(yè)質量[3-5]。

目前，國內外學者對氣吸式馬鈴薯播種技術與機具進行了系列研究[6-7]。YATSKUL等[8]設計了一種帶有分配器的離心風機，通過分配器的分流作用，增大了風機出口風速、提高了種子的分配精度；KYOUNG-YONG等[9]通過 CFD數值模擬，探究了風機特性與葉輪型線參數之間的規(guī)律并確定最佳參數組合，使得風機氣動性能明顯提高；德國LEMKEN公司研制的氣吸式播種機能夠實現高速、精量播種的作業(yè)要求，利用液壓驅動為風機提供動力，解決了因機車速度變化而引起負壓波動造成播種質量下降的問題。彭曼曼[10]設計了一種氣吸式馬鈴薯播種機專用風機，通過雙風機結構，分別為排種器提供吸種負壓及投種正壓，提高了播種作業(yè)的作業(yè)速度和精度；王豐[11]通過Fluent數值模擬，獲得不同結構參數下風機性能曲線，對氣吸精量播種機風機結構進行了優(yōu)化設計，提高了風機的效率及風壓穩(wěn)定性；呂金慶[12]研究一種帶有吹、吸雙風機的氣力式馬鈴薯精量播種機，設計有多臂交錯分布的氣力式柔性排種機構，適用于馬鈴薯等非規(guī)則球形作物的精量播種。我國現有的氣吸式馬鈴薯播種機的風機為吸、吹雙風機結構，分別獨立為排種器提供取種負壓和投種正壓，存在風機數量多、結構尺寸大、傳動復雜等問題；國外研制的氣吸播種機風機雖氣動性能較好，但吸、吹氣風機獨立工作導致排種器排種過程產生脈動，影響播種作業(yè)的精密性。因此，亟需優(yōu)化并設計一體式風機，進而提高整機播種作業(yè)質量和機械整體性能。

針對上述問題，本文對2CMP2型氣吸式馬鈴薯播種機的雙風機進行優(yōu)化，設計一種一體式風機，通過排種過程力學分析確定所需風壓，對風機內部流場進行數值模擬及運動學分析，確定影響風機作業(yè)效果的因素，采用旋轉正交試驗的方法，獲得風機作業(yè)最優(yōu)參數組合。以期實現氣吸式馬鈴薯播種機的最佳作業(yè)效果。

1 結構與工作原理

1.1 整機結構及工作原理

氣吸式馬鈴薯播種機主要由施肥鏟、種箱、地輪、排種器、覆土器、離心風機、機架等組成，其結構如圖1所示。

圖1 氣吸式馬鈴薯播種機結構圖Fig.1 Structure diagram of air suction potato planter1.地輪 2.施肥鏟 3.一體式風機 4.傳動裝置 5.肥箱 6.管道 7.種箱 8.機架 9.排種器 10.覆土器

播種機在機車的牽引作用下前進，施肥鏟根據需要開出具有一定深度的種溝供播種和施肥所用。通過傳動系統，機車的動力傳遞給一體式風機，一體式風機的葉輪隨傳動軸做同步轉動，為排種器提供取種吸力以及投種正壓力，協助排種器完成排種作業(yè)。隨后覆土器將壟溝兩側的土壤覆蓋在種薯表面，完成播種作業(yè)。

1.2 風機結構及工作原理

2CMP2型氣吸式馬鈴薯播種機雙風機及其安裝位置如圖2所示，吸氣風機為排種器提供取種負壓，吹氣風機為排種器提供投種正壓。

圖2 2CMP2型氣吸式馬鈴薯播種機雙風機結構圖Fig.2 2CMP2 type air suction potato planter double fan structure diagram

在2CMP2型氣吸式馬鈴薯播種機雙風機的基礎上，優(yōu)化設計了一種一體式風機，通過一體式風機，同時為排種器提供取種負壓及投種正壓。該一體式風機主要由端蓋、葉輪、蝸殼、吹管彎頭、軸承座、軸承、葉輪軸等構成，其結構如圖3所示。

圖3 一體式風機結構圖Fig.3 Integrated fan structure diagram1.吹管出口 2.出氣口 3.進氣口 4.端蓋 5.葉輪 6.吹管彎頭 7.蝸殼 8.軸承座墊板 9.軸承座 10.軸承 11.軸承內環(huán)隔套 12.圓螺母 13.葉輪軸

播種機作業(yè)時，行走機具的動力通過傳動系統傳遞給一體式風機，帶動葉輪旋轉。其中傳統氣吸式播種機雙風機傳動系統由2個二級傳動構成，行走機具的動力通過一級錐齒輪傳動和二級帶輪傳動分別傳遞給吸氣風機和吹氣風機；一體式風機傳動系統由一對直徑分別為140、380 mm的帶輪構成，行走機具的動力由動力輸入軸通過帶傳動傳遞給一體式風機。在排種器的吸力作用下，空氣由排種器吸入，通過吸氣管道運輸，由風機的進氣口進入葉片旋轉通道并隨葉片轉動，氣體的壓力和速度在蝸殼內提高，經離心作用被拋灑至葉輪邊緣，最后分為兩部分排出，一部分通過風機出氣口排入大氣中，另一部分由吹管出口及吹氣管道輸送至排種器，為排種作業(yè)提供投種正壓。

1.3 排種器結構及工作原理

排種器結構如圖4所示，主要由吸種嘴、吸種臂、種箱、排種軸、吸管接口、吹管接口、配氣閥等結構組成。風機的進氣口通過吸氣管道與排種器的吸管接口相連，為排種器提供取種吸力；吹管出口通過吹氣管道與排種器的吹管接口相連，為排種器提供投種正壓力。帶有吸種嘴的排種臂均勻分布在配氣閥上，在排種軸的帶動下做同步轉動。

圖4 排種器結構圖Fig.4 Seeding device structure diagram1.吸種嘴 2.吸種臂 3.種箱 4.排種軸 5.吸管接口 6.吹管接口 7.配氣閥

排種過程分為取種、攜種、投種3個階段。其中種薯在吸種階段的受力情況影響風機所需進口負壓，種薯在投種階段受力情況影響風機所需吹管出口正壓。在吸種階段，吸種嘴處負壓隨吸種嘴進入種箱的深度增加而逐漸增大，達到種薯被吸附的最小負壓時，吸種嘴吸附單顆種薯做同步轉動；隨著吸附種薯的吸種嘴數量增多，已吸附種薯的吸種嘴處負壓逐漸增大并攜帶種薯至投種區(qū)；到達投種區(qū)時，排種臂與配氣閥的負壓氣室斷開，與正壓氣室聯通，吸種嘴處壓力瞬間轉變?yōu)橥斗N正壓，將種薯吹落并抵消機具前進的水平速度，種薯在投種正壓力及重力的作用下落入種溝內，完成排種作業(yè)。

2 排種過程力學分析

2.1 種薯形態(tài)對排種過程的影響

馬鈴薯播種前需要將種薯切塊，種薯的形態(tài)會影響其與吸種嘴接觸的有效吸附面積，從而影響排種器的取種吸力以及投種正壓力。根據馬鈴薯農藝要求，質量在70 g以下的種薯整薯播種；70～140 g的種薯縱切一刀，如圖5a所示；40～210 g的種薯采用橫縱切法，如圖5b所示；210 g以上的種薯在橫縱切法的基礎上橫向再切一刀，如圖5c所示[13]。由上述農藝要求，得到4種不同形態(tài)的種薯，如圖5d所示。

圖5 馬鈴薯切種農藝要求及種薯形態(tài)Fig.5 Agronomic requirements of potato seed cutting and seed potato morphology

不同形態(tài)的種薯與吸種嘴吸附方式以及同一種形態(tài)的種薯不同切面與吸種嘴的吸附方式如圖6所示。根據氣吸式馬鈴薯播種機的排種作業(yè)過程及種薯與吸種嘴的吸附形態(tài)[14]，上述8種吸附方式中，有效吸附面積最大的為方式1，吸附面積為19.63 cm2，此時種薯最易被取種并穩(wěn)定攜種；有效吸附面積最小的為方式7，吸附面積為10.24 cm2，此時種薯最難被吸附且攜種過程中易脫落。

圖6 不同形態(tài)種薯的吸附方式Fig.6 Adsorption methods of different forms of seed potatoes

2.2 吸種階段受力分析

吸種階段，種薯被吸種嘴吸附并隨排種臂做同步轉動。按照達朗貝爾原理，在種薯運動的法線方向施加慣性力FI，其受力情況如圖7a所示，被吸附種薯放大圖如圖7b所示，建立直角坐標系，被吸附的種薯受力平衡方程為

圖7 吸種階段種薯受力圖Fig.7 Seed potato force diagrams at stage of sucking seeds1.種箱 2.種薯

(1)

其中

(2)

式中FNgx——吸種嘴對被吸附種薯的支持力在X軸上的分量，N

FNgy——吸種嘴對被吸附種薯的支持力在Y軸上的分量，N

Ffg——吸種嘴對被吸附種薯的摩擦力，N

G——被吸附種薯所受重力，N

F1——吸種階段吸種嘴對種薯的吸附力，N

δ——重力與Y軸夾角，(°)

m——被吸附種薯質量，kg

R——被吸附種薯的轉動半徑，m

ω1——排種器角速度，rad/s

φg——吸種嘴與被吸附種薯間摩擦角，(°)

γ——種薯與吸種嘴接觸面切向夾角，(°)

FNg——吸種嘴對種薯的支持力，N

k——比例系數

S——吸種嘴與種薯的有效吸附面積，m2

p1——風機進氣口負壓(吸種嘴處負壓)，kPa

則種薯能被吸附的條件為

F1≥FNgx+Ffg-Gsinδ

(3)

將式(2)代入(3)中得

(4)

根據2CMP2型氣吸式馬鈴薯播種機[14]，k取0.26，ω1取4.7 rad/s、m取切塊薯平均質量50 g、γ取90°、R取20 cm、φg取37°、δ的取值范圍為0°～45°，為保證種薯在吸種階段能被吸附并穩(wěn)定攜種，S按最小有效吸附面積10.24 cm2計算，代入式(4)計算得到，所需風機進氣口負壓p1最小為11.6 kPa。

2.3 投種階段受力分析

投種階段，吸種嘴處內外壓差高于大氣壓，為種薯提供了投種正壓力，此時FNg和Ffg為零，種薯僅受自身重力和投種正壓力作用，建立直角坐標系如圖8所示，其受力方程為

圖8 投種階段種薯受力圖Fig.8 Seed potato force map at planting stage

∑FX=F2sinθ-FIcosθ

(5)

式中F2——投種正壓力，N

θ——投種正壓力F2與Y軸夾角，(°)

為達到零速投種的目的，種薯水平速度應滿足

(6)

式中v——播種機前進速度，m/s

vg——種薯排出瞬間線速度，m/s

t——投種正壓力對排出種薯的作用時間，s

其中

(7)

式中l(wèi)——排種器正壓氣室所占的弧度，rad

s——理論排種粒距，m

n1——排種器轉速，r/min

Z——吸種臂數量

p2——風機吹管出口正壓(吸種嘴處正壓)，kPa

將式(6)、(7)代入式(5)得投種階段種薯能被排出并達到零速投種的條件為

(8)

3 風機流場數值模擬與運動學分析

3.1 數值模擬

為提高仿真計算結果的準確性，對一體式風機進行簡化，簡化后三維模型如圖9a所示。將簡化后的一體式風機三維模型導入ICEM-CFD中進行網格劃分[15]，得到一體式風機網格如圖9b所示，參考2CMP2型氣吸式馬鈴薯播種機吸氣風機[14]，一體式風機其余結構參數設置如表1所示。

圖9 一體式風機三維模型Fig.9 Three-dimensional model of integrated fan1.吹管出口 2.出氣口 3.靜域 4.動域 5.進氣口

根據表1的結構參數，將網格導入Fluent中進行計算，壓力求解器選擇pressure based[16]，模型選擇RNGk-ε湍流模型[17]，壓力與速度耦合方式選擇SIMILE算法[18]，動靜域之間的耦合采用MRF模型，并設置動域轉速為2 400 r/min[14]。

表1 離心風機主要結構參數Tab.1 Main structural parameters of centrifugal fan

利用CFD-Post對風機內部氣體流動狀態(tài)進行分析，得到風機壓力云圖如圖10所示。由圖10可知，氣體在蝸殼內流動較為平穩(wěn)，但靠近葉輪處壓力分布不均且湍流明顯增加。

圖10 壓力云圖Fig.10 Pressure clouds

風機速度矢量圖如圖11所示，由圖11可知，氣體在蝸殼內速度分布較為均勻，但在葉輪葉片流道內流動紊亂，葉片吸力面形成了多個渦流，在葉片流道內產生了局部分離，在葉輪出口處產生了大面積的分離[19]。

圖11 速度矢量圖Fig.11 Speed vector

風機速度流線圖如圖12所示。由圖12可知，氣體在風機出口處的流動較為平穩(wěn)，但在葉輪出口處回流現象明顯，嚴重影響整機的流動性能。

圖12 速度流線圖Fig.12 Velocity streamline diagram

由上述風機內部流場分析可知，風機葉輪結構尺寸還需進一步優(yōu)化，以提高風機的作業(yè)質量。

3.2 運動學分析

3.2.1理論風壓計算

流體在葉輪中的運動是復合運動，其運動情況如圖13所示。其中流體在葉道內隨葉輪一起旋轉的運動為圓周運動，即牽連運動，牽連速度為μ，如圖13a所示；流體相對于葉片表面的運動為相對運動，相對速度為ω，如圖13b所示；牽連運動與相對運動復合形成流體的絕對運動，絕對速度v，如圖13c所示；3種速度合成的矢量圖如圖13d 所示，其中α為進流角，即絕對速度v和牽連速度μ的夾角，β為流動角，即相對速度為ω和牽連速度μ反方向的夾角。

圖13 流體在葉輪內的運動示意圖Fig.13 Movement of fluid in impeller

風機傳動軸所獲得的功率N1、葉輪傳遞給氣體的功率N2表達式分別為

(9)

式中M——輸入的扭矩，N·m

PT——風機理論風壓，Pa

QT——風機的氣體體積流量，m3/s

ω2——葉輪旋轉角速度，rad/s

假設風機傳動軸上沒有能量損耗，動力輸入值即為氣體所獲得的能量，則風機理論風壓為

(10)

根據流體連續(xù)方程式，通過每個截面的氣體質量相等，則葉輪進、出口動量矩分別為

(11)

式中M1——葉輪進口動量矩，kg·m/s

M2——葉輪出口動量矩，kg·m/s

ρ——空氣密度，取1.24 kg/m3

v1——葉輪進口絕對速度，m/s

v2——葉輪出口絕對速度，m/s

D1——葉片進口直徑，mm

D2——葉輪外徑，mm

α1——葉輪進口處進流角，(°)

α2——葉輪出口處進流角，(°)

則輸入扭矩M為

(12)

由速度三角形及幾何關系可得

(13)

式中n——葉輪轉速，r/min

D′——葉輪上任意點處直徑，mm

將式(12)、(13)代入式(10)中得

(14)

式中β1——葉輪進口處流動角，(°)

β2——葉輪出口處流動角，(°)

由式(14)可知，影響風機理論風壓的因素有n、D1、D2、α1、α2、β1、β2等，當風機葉片形狀確定后，D1、α1、α2、β1、β2為定值，不隨其他因素改變而改變，因此，影響風機理論風壓的因素為n、D2。

3.2.2能頭計算

按照流體力學中葉柵理論，當葉輪葉片數由無限個變?yōu)橛邢迋€時，由于軸向渦流的作用，葉輪的理論能頭有所降低。由斯托道拉公式[20]知，能頭降低值ΔHT為

(15)

式中g——重力加速度，m/s2

Da——葉片數有限時葉輪的有效直徑，mm

Da受軸向渦流的影響，其表達式為

(16)

式中z——葉片數

將式(16)代入式(15)中得

(17)

按斯托道拉方法計算，葉片數為無限時葉輪理論能頭HT∞為

(18)

式中u2——葉輪出口處圓周速度，m/s

v2u——葉輪出口處絕對速度在切線方向上的投影，m/s

v2u∞——葉片數為無限時葉輪出口處絕對速度在切線方向上的投影，m/s

由幾何關系可得

(19)

葉輪有限葉片數理論能頭HT為

HT=HT∞-ΔHT

(20)

將式(17)～(19)代入式(20)中得

(21)

由式(21)可知，影響葉輪能頭的主要因素為D2、n、z、α2、β2，根據2CMP2型氣吸式馬鈴薯播種機吸氣風機的結構[14]，α2取16°、β2取106°，因此影響葉輪能頭的因素為D2、n、z。

根據馬鈴薯播種的農藝要求[21]，當風機轉速低于1 800 r/min時漏播現象比較嚴重，當風機轉速高于2 800 r/min時重播現象比較嚴重，為提高播種機作業(yè)質量，取風機轉速范圍為1 800～2 800 r/min。

根據風機的設計理論，葉輪外徑表達式為

(22)

p——風機最大風壓，kPa

由?？硕蒣23]知，葉片數表達式為

(23)

D1取160 mm、D2取924～1 438 mm，代入式(23)得葉片數z的取值范圍為8～12。

4 仿真試驗

4.1 仿真試驗設計與方法

通過數值模擬進行流場分析及風機能頭計算，對現有風機的主要參數進行優(yōu)化。本文采用三因素五水平二次正交旋轉中心組合試驗方法，選取葉輪外徑D2、葉片數z、葉輪轉速n為試驗因素，以風機進氣口處負壓Y1、吹管出口處正壓Y2為目標函數，試驗因素編碼如表2所示，試驗方案如表3所示，X1、X2、X3為因素編碼值。采用Design-Expert軟件進行數據處理分析。

表2 試驗因素編碼Tab.2 Coding of test factors

表3 試驗方案與結果Tab.3 Test scheme and results

4.2 試驗結果與分析

4.2.1試驗結果

試驗結果如表3所示。

4.2.2結果分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結果進行二次回歸分析，并對各試驗指標進行多元回歸擬合[24-25]，得到進氣口負壓Y1和吹管出口正壓Y2的回歸方程，并檢驗各試驗因素的顯著性。

(1)進氣口負壓Y1顯著性分析

(24)

對式(24)進行失擬檢驗，結果如表4所示，失擬項P=0.858 9，不顯著(P>0.1)，證明方程模擬較好，不存在其他影響試驗指標的主要因素。通過失擬檢驗表明試驗因素和試驗指標存在顯著的二次關系，上述分析結果較合理。

表4 進氣口負壓Y1方差分析Tab.4 Variance analysis of inlet negative pressure

(2)吹管出口正壓Y2顯著性分析

表5 吹管出口正壓Y2方差分析Tab.5 Variance analysis of blow pipe outlet positive pressure

(25)

對式(25)進行失擬檢驗，結果如表5所示，其中P=0.620 2，不顯著(P>0.1)，證明方程模擬較好，不存在其他影響指標的主要因素，試驗因素和試驗指標存在顯著的二次關系，上述分析結果合理。

4.2.3響應曲面分析

運用軟件分析各因素對性能指標影響效應，采用降維法繪制每組顯著的交互作用分別對進氣口負壓、吹管出口正壓影響的響應曲面，如圖14所示。

圖14 試驗因素對指標影響的響應曲面Fig.14 Response surfaces of influence of test factors on index

葉輪外徑與葉片數對進氣口負壓影響的響應曲面如圖14a所示，當葉輪外徑一定時，進氣口負壓隨著葉片數增加呈上升趨勢，最優(yōu)的葉片數范圍為9～12個；當葉片數一定時，進氣口負壓隨著葉輪外徑的增加呈上升趨勢，最優(yōu)的葉輪外徑范圍為988.25～1 116.75 mm，其中葉片數是影響進氣口負壓的主要試驗因素；葉輪外徑與葉輪轉速對進氣口負壓影響的響應曲面如圖14b所示，當葉輪外徑一定時，進氣口負壓隨著葉輪轉速增加呈上升趨勢，最優(yōu)的葉輪轉速范圍為2 300～2 600 r/min；當葉輪轉速一定時，進氣口負壓隨著葉輪外徑的增加呈上升趨勢，最優(yōu)葉輪外徑范圍為1 026.80～1 232.40 mm，其中葉輪轉速是影響進氣口負壓的主要試驗因素。

葉輪轉速與葉輪外徑對吹管出口正壓影響的響應曲面如圖14c所示，當葉輪外徑一定時，吹管出口正壓隨著葉輪轉速的增加呈上升趨勢，最優(yōu)的葉輪轉速范圍為2 400～2 600 r/min；當葉輪轉速一定時，吹管出口正壓隨著葉輪外徑的增加呈上升趨勢，最優(yōu)的葉輪外徑范圍為988.25～1 116.75 mm，其中葉輪外徑是影響吹管出口正壓的主要試驗因素；葉輪轉速與葉片數對吹管出口正壓影響的響應曲面如圖14d所示，當葉片數一定時，吹管出口正壓隨著葉輪轉速的增加呈上升趨勢，最優(yōu)的葉輪轉速范圍為2 300～2 600 r/min；當葉輪轉速一定時，吹管出口正壓隨著葉片數的增加呈先上升后下降趨勢， 最優(yōu)的葉片數范圍為8～11個，其中葉輪轉速是影響吹管出口正壓的主要試驗因素。

4.2.4參數優(yōu)化

通過對試驗結果以及圖14中4個響應曲面的分析，得到最佳的試驗因素水平組合，并利用Design-Expert 8.0.6軟件中的優(yōu)化模塊對3個回歸模型進行求解。根據實際工作條件，作業(yè)性能要求及上述相關模型分析結果，選擇優(yōu)化約束條件為

(26)

對目標函數進行優(yōu)化求解，結果為：當葉輪外徑為1 099 mm、葉片數為10個、葉輪轉速為2 532 r/min時，進氣口負壓為11.6 kPa，吹管出口正壓為3.7 kPa。

5 田間試驗

5.1 試驗條件

試驗于2021年5月在東北農業(yè)大學北方馬鈴薯全程機械化試驗基地進行，采用裝有優(yōu)化后一體式風機、雙風機的2CMP2型播種機進行對比試驗。試驗田土地平整，長度為1 000 m，土壤含水率為18.2%，土壤堅實度為60.7 kPa，配套動力選擇161.7 kW的約翰迪爾2204型輪式拖拉機，試驗種薯選擇中薯5號，平均質量為45.2 g。試驗設備主要包括鋼板尺、JZC-30A3型電子秤、TYD-2型土壤堅實度儀、數顯游標卡尺、TZS-1型土壤水分速測儀等。其中優(yōu)化后一體式風機如圖15a所示，作業(yè)過程如圖15b所示，播種效果如圖15c所示。

圖15 田間試驗Fig.15 Field experiment charts

5.2 評價指標

根據實際作業(yè)情況，并參考NY/T 503—2015《單粒(精密)播種機作業(yè)質量》規(guī)定的試驗方法，選擇150 mm為理論排種株距，將重播指數、漏播指數、合格指數作為本對比試驗研究的評價指標，隨機選取5行進行數據采集，每行測量100個種薯的間距，共選取500個種薯進行株距測量，每組試驗重復3次，取平均值，分別計算出裝有優(yōu)化后一體式風機、2CMP2型雙風機的播種機作業(yè)后的重播指數、漏播指數和合格指數。

5.3 試驗結果及分析

經過參數優(yōu)化的一體式風機性能指標與2CMP2型播種機雙風機性能指標對比結果如表6所示。一體式風機的參數選擇為：葉輪外徑為1 099 mm，葉片數為10個，葉輪轉速為2 532 r/min。試驗結果表明，裝有經過參數優(yōu)化的一體式風機的播種機重播指數為2.34%、漏播指數為2.35%、合格指數為95.31%，均優(yōu)于國家標準；相較于裝有雙風機的2CMP2型播種機，參數優(yōu)化后的一體式風機重播指數降低了14.0%、漏播指數降低了17.0%、合格指數提高了0.92%。這是由于參數優(yōu)化后的風機集吸、吹雙作用于一體，增大了氣體在風機中的流動穩(wěn)定性，從而減少了排種器在排種過程產生的脈動，降低了重播指數與漏播指數。一體式風機簡化了整機的傳動系統，降低了所需配套機具的速度與動力，且風機在投種過程產生的投種正壓力抵消了部分機具的前進速度，使種薯接近“零速投種”，提高了合格指數。對比試驗驗證了優(yōu)化參數的合理性，按參數優(yōu)化調節(jié)后的一體式風機提高了馬鈴薯播種機作業(yè)質量。

表6 田間試驗結果Tab.6 Field test results

6 結論

(1)優(yōu)化設計了一種氣吸式馬鈴薯播種機一體式風機裝置，通過對風機內部流場進行數值模擬及運動學分析，確定影響風機的3個主要因素為葉輪外徑、葉片數和葉輪轉速。

(2)對所設計的風機裝置進行了二次正交旋轉組合仿真試驗，建立了各個因素與指標間的回歸模型，得出：當葉輪外徑為1 099 mm，葉片數為10個，葉輪轉速為2 532 r/min時，風機結構參數最優(yōu)，此時風機進氣口負壓為11.6 kPa，吹管出口正壓為3.7 kPa，滿足排種器作業(yè)的要求。

(3)對所設計的風機裝置進行了田間對比試驗，當風機葉輪外徑為1 099 mm、葉片數為10個、葉輪轉速為2 532 r/min時，播種機的重播指數為2.34%、漏播指數為2.35%、合格指數為95.31%，與2CMP2型雙風機播種機相比，重播指數降低了14.0%、漏播指數降低了17.0%、合格指數提高了0.92%，提高了馬鈴薯播種機作業(yè)質量。