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气吸式精量播种机风机气流场仿真试验研究

发表时间：2020/7/3 来源：《基层建设》2020年第6期作者：何金伟蔡登辉魏磊

[导读] 摘要：气吸式精量播种机是一种高效节能的多用途精量播种机，与目前使用的条播机相比—般节种50％。

        洛阳拖拉机研究所有限公司河南洛阳 471000
        摘要：气吸式精量播种机是一种高效节能的多用途精量播种机，与目前使用的条播机相比—般节种50％。对气吸式播种机排种负压输出不稳定的问题，对风机内部流场进行了仿真分析。采用UG10.0 软件对风机进行实体建模，应用 CFD 软件，对风机转速、进口直径、进口流速进行单因素仿真试验，并根据试验结果设计正交试验，对排种器正常工作时风机气流场进行仿真研究。
        关键词：精量播种机；风机；ANSYS ／CFD；仿真
        风机作为精密播种机核心部件，其工作性能直接影响着播种质量的好坏，负压风机作为其核心组成部件，承担着为排种器提供排种负压的作用。对现有气吸式播种机 FL 风机进行数值模拟与仿真，使用 UG10.0 软件对风机进行实体建模，并利用 ANSYS ／CFD 软件对风机内部气流场进行仿真分析。同时，以风机进口直径、风机转速、进口流速为因素，以风机负压为指标进行仿真试验研究，分析最佳工况下风机内部流场，并通过试验验证仿真的准确性。
        一、气吸式精量播种机的正确选择与应用
        1、选择精量、半精量播种机因动力机而异。精量、半精量播种机的规格是根据与共配套的拖拉机的功率大小、挂接方式不同而设计的。选择时要根据说明书或标牌，选择与自己现有的拖拉机功率相匹配和挂接方式相同的播种机。
        2、用好精量、半精量播种机
        (1)搞好各种调整。先按使用说明书的规定和农艺要求，将播种量调准；再将旋耕灭茬、开沟、覆土、镇压轮的深浅调整适当；后将开沟器的行距调准，将机架悬挂水平和传动链条的松紧度调整适中。
        (2)搞好进田作业前的保养。首先，对拖拉机及播种机的各传动、转动部位，按说明书的要求加注润滑油，尤其是每班前要注意传动链条润滑和张紧情况以及播种机上螺栓的紧固；其次，要清理播种箱内的杂物和开沟器上的缠草、泥土，确保状态良好。
        (3)搞好田间的试播。为保证播种质量，在进行大面积播种前，一定要坚持试播20m，请农技人员、农民等检测会诊，确认符合当地的农艺要求后，再进行大面积播种。
        (4)注意加好种子。加入种子箱的种子，达到无小、秕、杂，以保证种子的有效性；其次种子箱的加种量至少要加到能盖住排种盒入口，以保证排种流畅。
        二、模型的建立
        1、三维模型建立和网格划分应用 UG10．0 对风机进行三维模型的建立，如图所示。将创建完成的模型保存为*.x－t 格式文件导入到 CFD 软件中进行网格划分。在 CFD 中模拟实际状态下的风机的转动，需要将风机整体划分为转动区域和静止区域。风机按照进气段、蜗壳、叶轮 3 部分进行网格划分，全计算域采用四面体网格，节点数为 250 037，网格单元数为1 345 397，如图所示。

2、数学模型。在CFD 仿真中使用标准 k－ε模型，k－ε模型自从被 Launder 和 Spalding 提出后，被用作工程中计算流场的工具。标准k－ε模型是基于湍东动能 k 和耗散率ε两输运方程的半经验公式，控制方程为：

        三、仿真试验
        1、仿真条件和边界条件设定。仿真条件求解时，大气参数设置为标准大气压条件下的数值，密度为 1.225kg /m3，动力粘度系数为 1.789 4×10－5 kg /ms［1］。假设流场气体为不可压缩气体，室内温度为 25℃ ，旋转区域设置为绕风机 Z 轴方向轴线旋转。边界条件风机由进口域、叶轮和蜗壳组成，进口域和蜗壳是静止域，叶轮是旋转域。对于不可压缩的液体来说，进口采用速度边界条件比质量边界条件具有更好的收敛性，因此进口边界采用给定均匀速度场，设置成 Inlet，出口边界定义为自由出口，设置成 Outlet;旋转域与静止域边界类型为 interior。转动域与静止域交界面设置为无滑移网格面，计算残差设置为 1 ×10－6。为了准确地给出进出口边界条件，将进出口长度分别延长 50mm 和 300mm 进行仿真计算。
        2、试验因素和方案。风机负压主要应用于排种器排种过程中携种负压过大造成重播率的上升及吸种负压过低造成漏播率的上升。仿真分析以风机平均负压值为指标，以进口直径 120mm、流速 22．11m /s、风机转速 550r /min 为因素进行单因素试验，考察因素对风机内部气流场的影响，并对试验结果进行整理，随着仿真次数的增加，对风机内部负压影响有显著不同。其中，风机转速对负压波动影响小于进口流速、进口直径。以单因素为依据进行多因素仿真试验，试验方案如表所示。

        3、仿真结果及分析应用 SPSS 软件试验结果进行极差分析，以确定各因素对指标的影响大小及最优水平，通过因素的极差分别为ＲA = －10 102、ＲB = －10 282、ＲC = －4 353，因此各因素对风机负压影响的主次顺序为 B、A、C，与单因素试验结果分析吻合。因素 A、B 是影响风机内部负压的主要因素，根据播种过程中气吸式排种器对风机产生负压的需要，当进口直径为 120mm、进口流速为11．05 m /s 时，风机产生的负压值能够满足实际播种需求; 因素 C 对风机负压影响不明显。进口直径120mm 工况下的速度可以看出: 空气从风机进口处开始沿逆时针方向沿蜗壳的横截面积逐渐增大，在叶轮边缘处气体经过加速达到最大值; 在临近风机出口的位置由于横截面积变小［2］，蜗壳形状从环形通道变为沿切线方向的直通道，气体不再受蜗壳壁沿径向所施加的阻力，直接从直管道流出，使得靠近离心风机出口处的气体流速要大于其他部分的气体流速。可知: 叶片流道中，在叶片的作用下，气流从径向转周向旋转。由于气体在叶片中间流动时，叶片旋转对其做功，使得气体沿风机叶轮径向向外速度大幅度提高，且在叶片外边缘处速度达到最大值; 在叶片流道的出口处，叶轮压力面的气流速度明显高于叶轮吸力面的流速。在满足实际压力需要的前提下，对进口流速为 11.05m /s 不同进口直径工况下计算风机全压功耗及效率得出: 在工况进口直径为 120mm 时，风机的功耗为 5．6kW，效率为 0.75; 对比工况为 150mm 和 180mm 时风机效率分别为 0．57 和 0.17。通过对不同运行时间步长的分析得出: 风机在各种工况下的运行内部流场逐渐趋于稳定，因仿真条件及误差的原因，效率及功耗在稳定时近乎达到预期试验的效果，产生压力能够满足实际需求。
        四、排种量不稳定的影响因素
        造成排种馈不稳定的原因主要有以下：一是吸气管路出现问题。吸气管路有漏气的地方，如漏洞、接头松动、裂纹等，导致气压下降，吸力减小，一部分或全部漏播，主要表现为个别垄行播量减少或漏播。二是胶管质量出现问题。吸气胶管质量差、老化、破损，漏洞或产生脱离层析使气流阻力加大，气压降低，难以吸附种子，出现排种量减少或漏播现象。三是风机两侧轴承出现问题。磨损严重、年久失修或长期缺油，导致阻力增大、转速下降、气压不足，表现为整机播量不足或完全漏播。四是风机转速出现问题。风机转速不足，吸力不够。主机转速降低、动力输出轴出现故障或三角传动带陈旧、磨损严重、拉长、松弦等，都会导致风机转速下降。五是排种盘出现问题。排种盘因保管、安装不当而产生变形、锈蚀或种室变形等使排种盘与种室密封不好，产生漏气，导致种子吸力不足；种子里混有杂物，将排种盘孔眼堵死，造成漏播种；排种盘型号不当，孔眼过小，吸力不足，导致无法吸附种子或吸量虫进而产生漏播或播量不足现象。
        五、提高排种器精确性的措施
        发现漏播现象，应立即停车熄火，将播种机落地检查原因。若接头连接不牢，可重新接牢；有较小孔眼或裂纹的可用胶带贴补，孔眼过大或裂纹过长应更换新管；输气管内壁脱层阻力大应更换新管。排种盘或排种室变形可试校，校平后仍然漏气应更换新品；发动机转速正常而风机风量不足，要检查风机轴承，如有旷动、异声等应更换轴承。
        如果播种机完全术播种，主要是磨损严重或运输、保管不当造成传动件变形，如方轴、轴套、伞齿轮、排种器等严重磨损、变形，导致风速和风量不足而完全不播种。此时，要全面检修播种机，如方轴要校直，配合松旷的可加垫片消除间隙，磨损严重的要焊补后磨平。伞齿轮磨损过大的要成对更换，磨损不太严重的可在内孔加垫片消除间隙。方向节可用推焊法填补磨痕，然后车平表面。装复后应转动灵活。排种器要更换。维护时要注意方轴套和轴、伞齿轮的润滑，以减缓磨损。运输中要防止碰撞。为了提高排种器精确性，还需要做到以下几点：一是选择适当的排种吸附孔。排种吸附孔的大小影响种子能否准确而稳定地被吸附在排种盘表面。试验证明，较佳的吸附孔直径为种子直径的0．5～O．7倍。二是选择适宜的作业速度。作业速度可改变种子的线速度，增大种子的惯陛，从而对种子吸附力产生影响。作业速度越大，种子的吸附力越大。三是适宜的气吸室真空度。气吸室真空腔是由气吸室和排种盘构成，真卒度直接关系到种子能否吸附在排种盘表面，它与重力、种子盼瞬陀力、摩擦力共同构成—个动态平衡，确保气吸排种器正常工作。为了保持气吸工作腔有稳定的真空度，排种盘周边的泄漏面积和排种盘吸附孔面税总和与气流管路截面之间有一定的比例关系，当吸附孔面巩总和超过一定数值时，气吸室将不能形成足够的真空度，导致机具无法正常工作。当吸附孔吸附到种子后真空度会上升，而吸附孔上没有吸满种子，会使气吸室的真度空大大下释，使吸种更困难。通过密封气吸管接头、精密排种和气吸室结合面、选择适当的吸附孔等措施可以大大提高种子的吸附能力。四是使用刮种装置。刮种片的作用是将吸附上来的多余种子碰擅，从而使吸附的种子加稳定，进而提高气吸排种器的单粒分离率。五是排种器腔体设计要合理。当种子处于松散的状态时，种子间的摩擦力会减少，架空现象很少发生，有利于种子吸附。为了使种子处于松散状态并能够不断补充排种器腔体的设计很重要。首先，将吸附腔和种子储存腔分离，在吸附腔设计隔板，使种子能顺利补充不会影响种子的吸附效果。其次，在吸附腔中设计搅拌机构，尽量减少因架空而无法吸附到种子。
        基于UG10．0对风机进行实体建模，应用 AN- SYS /CFD 软件对风机内部流场进行仿真分析，确定风机进口直径、流速、风机转速为仿真试验因素。当风机进口直径为 120mm /进口流速为11．05 m /s 时风机功耗分别为5．3、5．1kW，效率分别为 0．71、0．68，风机产生压力能够满足实际播种需求。气吸播种的关键技术就是能够将种子可靠地单粒分离并准确地投种，提高排种精确性的方法。
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