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摘 要 世界各國都很重視精量播種技術(shù)，精密播種可以節(jié)約大量的種子，節(jié)省田間間苗定苗 用工，增加作物產(chǎn)量。本文在對國內(nèi)外現(xiàn)有的氣吸滾筒式精密排種器深入研究的基礎(chǔ)上， 對原有的設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)并制造了一種新型的氣吸滾筒式精密排種器。該排種器具有以下 的特點(diǎn):首先，對主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了一根主軸形成兩個(gè)壓腔的設(shè)計(jì)方法，既 保證了同軸度又減少了軸承的磨損，大大延長了軸承的使用壽命。其次，由于采用了彈簧 結(jié)構(gòu)，在隔氣板與滾筒內(nèi)壁接觸轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，減少了因摩擦而導(dǎo)致的磨損漏氣的問題。 第三，對種箱進(jìn)行了激振，使種子在種箱中形成“沸騰”狀態(tài)，更有利于滾筒的吸種。 結(jié)合該氣吸滾筒式精密排種器，本文主要開展了以下幾個(gè)方面的研究工作: 1.對氣吸滾筒式精密排種器的吸種及排種過程進(jìn)行了理論分析，得到了吸附力、吸種 高度、排種誤差、碰撞角和碰撞速度等數(shù)學(xué)模型，并對影響吸排種效果的因素進(jìn)行了分析。 2.運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對吸孔及正負(fù)壓腔的氣流場進(jìn)行了建模與仿真試驗(yàn)，結(jié)果 表明:直孔的吸種性能比錐形孔和沉孔好:孔徑越大，吸種能力越強(qiáng);吸孔導(dǎo)程對吸種性能無 顯著影響;滾筒壁上的吸孔靠近正負(fù)壓腔氣流大的地方，受到氣流的影響也較大。 3.對該排種器進(jìn)行了試驗(yàn)研究，著重對吸孔的形狀、吸孔的孔徑、吸孔的內(nèi)外壓差、 種箱振動(dòng)頻率、吸種滾筒轉(zhuǎn)速五個(gè)關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析。運(yùn)用DPS軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處 理。通過極差和方差分析，得出了影響試驗(yàn)因素的主次順序及最優(yōu)組合。 4.運(yùn)用二次多項(xiàng)式回歸模型，建立單粒率、空穴率與各個(gè)顯著因素的關(guān)系式。以油菜 種子為試驗(yàn)對象，經(jīng)過組合選優(yōu)及試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)吸孔孔徑為1mm，吸孔為錐形孔，吸孔壓差 為2kPa，振動(dòng)頻率為80Hz,滾筒轉(zhuǎn)速為14r/min時(shí)，單粒率達(dá)到92%,空穴率為4%。 通過對氣吸滾筒式精密排種器的理論分析、計(jì)算機(jī)仿真及試驗(yàn)研究，得到了一些規(guī)律， 為其實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ). 關(guān)鍵詞:精密播種;氣吸滾筒式精密排種器;有限元分析;理論分析;試驗(yàn) ABSTRACT Precision seeding is attached importance to by all over the world,for it can save a lot of seeds and much time to plant them and increase the output.Basing on researching domestic and foreign air-suction cylinder precision seeder,a new type of air-suction cylinder precision seeder was designed and manufactured.There are some merits of the seeder:First,the main shaft with two cavums was optimized which reduced the abrasion and prolonged the life of the bearings.Second,the spring structure was adopted,so the gas leakage between the plastic board and the seeder's wall was eliminated because of friction.Third,the seeds box was vibrated that availed picking up seeds. Basing on the air-suction cylinder precision seeder,the research was done as follows: 1. Seed pick up and seed ejection were theoretically analyzed and mathematical models of pick up force,pick up distance,release error,impact angle and impact velocity were deduced. 2. ANSYS finite element analysis software was used to develop the model and simulate the air flow distribution of the sucking holes,positive and negative cavums.The results showed that the performance of straight holes were better than conical holes and countersunk holes; the bigger of the diameter of the holes ,the better of their sucking effect, but the distance of air traveling had nearly no influence to sucking effect; the holes which were close to the air flow in the wall of the drum-seeder were influenced notably. 3.Experiments were done on the seeder,especially on the types and diameters of the sucking holes,the pressure of sucking holes,the vibrating frequency of seeds box and rotating speed of the roller. The experiment datum were dealt with by DPS software.Through analysis of extreme difference and variance,the primary and secondary sequence of the factors influencing the experiment were found,the best parameters were also found. 4.Quadratic polynomial regression analysis was used to analyze the relationship between the single seed rate, vacancy rate and the influence factors. Take the rape seeds for example,the experiment showed that the single seed rate could reach 92%,vacancy rate could reach 4% with conical holes with diameter 1mm,the pressure of sucking holes 2kPa,the vibrating frequency of seeds box 80Hz and the rotating speed of the roller 14 r/min. Through computer simulation,theoretical analysis and experiment research,some laws useful for practical application were found. KEY WORDS:precision seeding; air-suction cylinder precision seeder; finite element analysis; theoretical analysis; experiment 目錄 摘 要 ..............................................................................................................................1 ABSTRACT...................................................................................................................2 目錄 ................................................................................................................................3 第 1 章 緒論 .................................................................................................................5 1.1 研究小顆粒種子精播技術(shù)的目的和意義 ..........................................................5 1.2 國內(nèi)外氣力式精密排種器的發(fā)展概況 ..............................................................5 1.2.1 國外氣力式排種器的發(fā)展概況 .................................................................5 1.2.2 國內(nèi)氣力式排種器的發(fā)展概況 .................................................................6 1.3 國內(nèi)幾種典型的氣吸滾筒式精密排種器 ..........................................................7 1.4 本文研究的內(nèi)容 ..................................................................................................8 第 2 章 氣吸滾筒式精密排種器的優(yōu)化設(shè)計(jì) ..............................................................8 2.1 排種器結(jié)構(gòu)及工作原理 ......................................................................................8 2.1.1 總體結(jié)構(gòu) .......................................................................................................8 2.1.2 工作原理 .......................................................................................................9 2.2 排種器的設(shè)計(jì) ......................................................................................................9 2.2.1 排種滾筒上吸孔的設(shè)計(jì) ...............................................................................9 2.2.2 排種滾簡內(nèi)部正負(fù)壓腔的設(shè)計(jì) ...................................................................9 2.2.3 電磁振動(dòng)系統(tǒng)的原理及選用 .....................................................................10 2.3 排種裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì) ........................................................................................11 2.4 本章小結(jié) ............................................................................................................12 第 3 章 氣吸滾筒式精密排種器的理論分析 ............................................................12 3.1 種子所受吸附力及吸種高度的確定 ................................................................12 3.1.1 吸附力及其影響因素 .................................................................................13 3.1.2 吸種高度及影響因素 .................................................................................14 3.2 氣吸滾筒式精密排種器吸種過程及其影響因素的分析 ................................17 3.2.1 種子從種箱到被吸孔吸附過程分析 .........................................................17 3.2.2 種子被吸附到滾筒上并隨之運(yùn)動(dòng)的條件 .................................................19 3.3 氣吸滾筒式精密排種器的排種過程分析 ........................................................20 3.3.1 排種誤差 .....................................................................................................21 3.3.2 種子落地碰撞角和碰撞速度 .....................................................................22 3.3.3 排種過程影響因素分析 .............................................................................23 3.4 本章小結(jié) ............................................................................................................23 第 4 章 氣吸滾筒式精密排種器氣流場的計(jì)算機(jī)仿真 ............................................24 4.1 ANSYS 簡介 ....................................................................................................24 4.2 ANSYS 仿真初始邊界條件的設(shè)定 ................................................................25 4.2.1 吸孔的結(jié)構(gòu)形狀及初始化條件 .................................................................25 4.2.2 流態(tài)的判別一雷諾數(shù) .................................................................................25 4.2.3 流體可壓縮性的判別—— 馬赫數(shù) .............................................................26 4.3 仿真結(jié)果 ............................................................................................................27 4.3.1 吸孔形狀對吸種性能的影響 .....................................................................27 4.3.2 吸孔導(dǎo)程對吸種性能的影響 .....................................................................27 4.3.3 吸孔孔徑大小對吸種性能的影響 .............................................................28 4.3.4 吸種滾筒內(nèi)部負(fù)壓區(qū)氣流場仿真 .............................................................28 4.3.5 吸種滾筒內(nèi)部正壓區(qū)氣流場仿真 .............................................................28 4.4 本章小結(jié) ............................................................................................................29 第 5 章 氣吸滾筒式精密排種器的試驗(yàn)研究 ............................................................30 5.1 排種器的性能指標(biāo) ............................................................................................30 5.2 試驗(yàn)中影響排種效果的因素分析 ....................................................................30 5.3 試驗(yàn)總體設(shè)計(jì) ....................................................................................................31 5.4 空穴率的試驗(yàn)結(jié)果分析 ....................................................................................32 5.5 組合選優(yōu)及結(jié)果驗(yàn)證 ........................................................................................33 5.6 本章小結(jié) ............................................................................................................33 總結(jié)與展望 ..................................................................................................................34 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................35 致 謝 ............................................................................................................................37 第 1 章 緒論 1.1 研究小顆粒種子精播技術(shù)的目的和意義 世界各國 都很重視精量播種技術(shù)，發(fā)達(dá)國家已基本實(shí)現(xiàn)大、中粒作物的精量播種，節(jié) 本增效顯著，但對油菜、谷子等小顆粒作物的精播技術(shù)有待進(jìn)一步的研究【1】 。本文以油 菜種子為例，探討了小顆粒種子的精播問題。 油菜是世界上重要的油料作物之一，成熟的油菜籽多為球形或近似球形的小顆粒，其 直徑為1.27-2.05 【2，3】 。油菜在我國常年種植面積約為800萬公頃，其種子含油量為 30%-50%，是我國重要的油料作物。長期以來，我國油菜種植面積和總產(chǎn)量均居世界第一， 占世界油菜種植面積和總產(chǎn)量的30%左右。根據(jù)資料顯示，1996年以來，菜籽油占我國食用 植物油消費(fèi)量的近35%。當(dāng)前我國油菜產(chǎn)業(yè)的種植面積大、總產(chǎn)量高，市場需求量和發(fā)展?jié)?力都很大。2000年全國油菜種植面積擴(kuò)大到800萬公頃，產(chǎn)量達(dá)到1013萬噸。隨著人們生活 水平的提高，對植物油的消費(fèi)也日益增長，加工能力膨脹對油料需求加大，我國從1999年 開始進(jìn)口油菜籽，1999年以來每年進(jìn)口油菜籽250萬噸左右，特別是近幾年來，進(jìn)口油菜籽 產(chǎn)品的數(shù)量有呈現(xiàn)大幅度上升的趨勢【4】 。 自20世紀(jì)80年代以來，我國雙低油菜發(fā)展迅速，但油菜播種基本為開溝人工溜種，播 量較大，不但浪費(fèi)種子，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且播種質(zhì)量難以保證，遇干早缺苗嚴(yán)重，遇雨澇 出苗過稠，間苗、定苗費(fèi)工，并易形成高腳弱苗，影響產(chǎn)量。因此對優(yōu)質(zhì)油菜種子進(jìn)行精 密播種迫在眉睫。精密播種優(yōu)越性有如下幾點(diǎn): 1.精密播種可以節(jié)約大量種子。 2.節(jié)省田間間苗定苗用工。精密播種苗齊苗壯，不擁擠，可提高田間間苗定苗工效， 甚至可以取消間苗定苗工作。 3.可增加作物產(chǎn)量。精密播種的苗分布均勻，透風(fēng)透光性好，能充分利用土壤中的水 分營養(yǎng)。苗期發(fā)育好，苗齊苗壯，可增產(chǎn)10%-30%。 本課題根據(jù)油菜種子的特性，對其精密播種部件一滾筒氣吸式精密排種器開展研究工 作，為推進(jìn)精播小顆粒種子的機(jī)械化進(jìn)程開創(chuàng)一條新路。 1.2 國內(nèi)外氣力式精密排種器的發(fā)展概況 精密排種器按其工作原理可分為機(jī)械式和氣力式。氣力式排種器包括氣吸式、氣吹式、 氣壓式三種;機(jī)械式主要有窩眼輪式、圓盤式、指夾式等。氣力式排種器具有對種子適應(yīng)性 強(qiáng)，損傷輕等優(yōu)點(diǎn)。 1.2.1 國外氣力式排種器的發(fā)展概況 在國外的產(chǎn)品中，精密排種器主要以針式和滾筒式為主，滾筒式排種器較針式播種機(jī) 效率更高【5】 。 國外從20世紀(jì)50年代末開始出現(xiàn)氣力式精密排種器。20世紀(jì)60年代以來，前蘇聯(lián)、英、 德等國都相繼提出了麥類作物精播理論，并對小麥精播機(jī)做了大量的試驗(yàn)研究。1976年前 后，德國研制了GS-23氣吸式小麥精密播種機(jī)，其排種器是由種子室和真空室組成，但是該 機(jī)難以實(shí)現(xiàn)單粒排種，而且播種均勻度很差，重播嚴(yán)重。后來法國研制出一種單粒氣吸式 小區(qū)播種機(jī)，它的排種器是一個(gè)安裝在轉(zhuǎn)軸上的金屬盤，盤的周緣分布著若干個(gè)吸嘴與圓 盤內(nèi)腔的真空負(fù)壓相連。該機(jī)通過更換不同的吸嘴可以播種小麥、玉米、向日葵等作物。 奧地利的Wintersteiger自走式小麥精播機(jī)也屬于氣吸式精量播種機(jī)，該機(jī)的排種器是一對組 合吸縫盤和驅(qū)動(dòng)格輪，由兩個(gè)不同形狀隙縫的交叉形成一系列不同形狀的吸孔。它沒有輸 種管，排種器與開溝器融于一體，投種點(diǎn)低，有利于精密粒距的形成。該機(jī)主要用于田間 小區(qū)試驗(yàn)，在許多國家和地區(qū)得到推廣應(yīng)用。為了滿足本國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，盡快提高精 密播種機(jī)的作業(yè)速度，近十年來，歐美國家著重對氣力式精密排種器進(jìn)行了研究【6】 。當(dāng) 前，國外播種機(jī)械的發(fā)展方向已從對排種器的結(jié)構(gòu)研究轉(zhuǎn)移到對播種原理的研究上，比如 蔬菜種子的精播問題。目前國外正在利用一些新的播種原理，如日本提出的靜電播種，英 國提出的液體播種等。現(xiàn)在廣泛流傳的一種先進(jìn)的科學(xué)播種方法— 種子帶播種，它起源于 日本，這種播種方法已在世界范圍內(nèi)被廣泛采用【7】 。 目前較為成熟的產(chǎn)品主要有英國產(chǎn)的Hamilton播種機(jī)，有針式、滾筒式兩種。 Hamilton針式播種機(jī)從秋海棠等極小的種子到甜瓜等大種子均可進(jìn)行播種，播種精度高達(dá) 99.9%(對干凈、規(guī)矩的種子)，播種速度可達(dá)2400行/小時(shí)(128穴的穴盤最多每小時(shí)可播150 盤);Hamilton滾筒式播種機(jī)是適用于大中型育苗場的高效率精密播種機(jī)，適合絕大部分花 卉、蔬菜等種子，播種精度可達(dá)99%(對干凈、規(guī)矩的種子 )，播種速度高達(dá)18000行/ 小時(shí) (128穴的穴盤最多每小時(shí)可播 1100盤) 。這兩種播種機(jī)均可以無級(jí)調(diào)速，能在各種穴盤、平 盤或栽培缽中播種，并可進(jìn)行每穴單粒、雙?；蚨嗔Ｐ问降牟シN。韓國大東機(jī)電株式會(huì)社 生產(chǎn)的真空氣吸式播種機(jī)，適用于小于瓜類種子的各類蔬菜種子及花卉種子，分為全自動(dòng) 和半自動(dòng)兩種機(jī)型，全自動(dòng)機(jī)型的工作程序包括基質(zhì)混拌、裝盤、挖穴、播種、覆土、噴 水等，半自動(dòng)機(jī)型包括挖穴、覆土兩項(xiàng)程序。此外，還有美國的Blaclanore, Speedling, VanDana精量播種系統(tǒng)等【8】 。 1.2.2 國內(nèi)氣力式排種器的發(fā)展概況 我國從2 0世紀(jì)60年代開始研制氣力式播種機(jī)，當(dāng)時(shí)遼寧省農(nóng)機(jī)所研制了6行氣吸式播 種機(jī)，該機(jī)可精播玉米、大豆、花生。但是由于風(fēng)機(jī)及萬向節(jié)傳動(dòng)故障多，工作不可靠， 沒能得到推廣。20世紀(jì)70年代我國加強(qiáng)了半精量和精量播種技術(shù)的引進(jìn)、研究和試驗(yàn)。 1979年中國農(nóng)機(jī)院引進(jìn)了4種精播機(jī)(西德氣吸、氣吹兩種，法國氣吸式，美國指夾式) ，并 分別對它們的性能，結(jié)構(gòu)參數(shù)以及影響因素進(jìn)行了試驗(yàn)和研究，在此基礎(chǔ)上研制出了我國 的定型產(chǎn)品:2BJ-6型、2BJ-4型氣吹式精量播種機(jī)。遼寧省農(nóng)機(jī)研究所也經(jīng)多年的改進(jìn)試驗(yàn) 研制出了與鐵牛-55拖拉機(jī)配套的 2BQ-6型氣吸式播種中耕通用機(jī) .該機(jī)采用垂直圓盤氣吸式 排種器，可精播玉米、大豆、高粱、棉籽，完成起壟、播種、中耕、培土等作業(yè)。20世紀(jì) 80年代我國擴(kuò)大了精播機(jī)的試驗(yàn)、示范推廣。各地根據(jù)本地情況研制出了不同型號(hào)的氣力 式播種機(jī)，如威海市農(nóng)機(jī)所研制出了2BT-2型氣吸式花生套種播種機(jī)，煙臺(tái)地區(qū)農(nóng)機(jī)所研 制的2BHQ-5型氣吸式花生播種機(jī)，大連市農(nóng)機(jī)化所研制的 2BJQ-4型氣力式播種機(jī)，山西 省農(nóng)機(jī)所研制的2BJ-4型氣吸式精密播種機(jī)。 “八五”期間，北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)研制出了2XB- 300型孔齒盤轉(zhuǎn)動(dòng)式穴盤育苗精量播種機(jī)，該裝置適合于播中等大小的丸粒化種子。到了20 世紀(jì)90年代播種機(jī)由單一播種發(fā)展到了播種、施肥、鋪膜聯(lián)合作業(yè)。近幾年，精密播種技 術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展，如華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的HNJ97-1型水稻精量播種機(jī)，利用電磁振動(dòng) 原理實(shí)現(xiàn)精量播種，但其造價(jià)較高。南京農(nóng)機(jī)化研究所和江蘇大學(xué)共同研制的2QB-330型 氣吸振動(dòng)式秧苗盤精量播種機(jī)，應(yīng)用振動(dòng)氣吸的原理，每穴1-2粒種子的播種合格率達(dá)到了 90%以上【6，9，10】 。 對于氣吸針式排種器，在我國自行研制的蔬菜、花卉工廠化育苗播種機(jī)中已開始應(yīng)用， 而對于滾筒氣吸式排種器，由于其氣密性很難控制等原因，由我國自行設(shè)計(jì)制造的專門用 于蔬菜、花卉工廠化育苗的滾筒氣吸式排種器還很少。 1.3 國內(nèi)幾種典型的氣吸滾筒式精密排種器【11】 (1) 臺(tái)灣的陳世銘等研制的“振蕩式多用途真空播種機(jī)”，采用的就是滾筒型氣吸式排 種器。該裝置采用了錐形孔和振動(dòng)裝置來改善播種器的充種性能，然后用高速氣流來清除 多余的種子。為避免清種的高速氣流對吸孔處的流場造成破壞，滾筒上吸孔的分布采用的 是五刻劃形式(即沿圓周方向五等分滾筒來分布吸孔 )。這樣每播一盤，滾筒需要轉(zhuǎn)動(dòng)幾圈 才能完成。為了保持較高的生產(chǎn)率，滾筒的轉(zhuǎn)速較高。另外，因?yàn)椴捎昧隋F形吸孔，簡單 的切斷負(fù)壓不能保證卸種的一致性和準(zhǔn)確性，所以又用了高速氣流從內(nèi)側(cè)沿吸孔軸線方向 來把種子吹落。 (2) 廣西林科所研制的4LRZ-10000型流動(dòng)式容器育苗裝播作業(yè)線，播種裝置采用的也 是氣吸式滾筒型排種器。滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)把種子吸附在滾筒圓周面上，通過切斷真空，種子靠 自重下落到容器內(nèi)。該裝置采用的是凸臺(tái)式吸孔，吸嘴孔徑的大小按種子千粒重而定，播 南方的濕地松種子，孔徑為1毫米，播經(jīng)過精選后裹成直徑為4-5毫米的種子丸，孔徑為1.2 毫米。播種有種率可達(dá)95%以上。該裝置采用真空泵作負(fù)壓源( 型號(hào)為2X-8) ，這套生產(chǎn)線 的生產(chǎn)率比較低，每小時(shí)才播種10000穴。育苗容器輸送帶的運(yùn)行速度為0.05米/秒，播種機(jī) 構(gòu)的播種滾筒轉(zhuǎn)速為7轉(zhuǎn)/分。 (3) 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)的盛江源等為了解決人參小行距精密播種的問題，也研制了一種氣 吸式滾筒型排種器。工作時(shí)，風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口與滾筒軸(空心軸 )相連，將滾筒內(nèi)抽成一定的真 空度，當(dāng)滾筒經(jīng)過種箱時(shí)，凸臺(tái)上的吸孔將種子吸住，并隨滾筒旋轉(zhuǎn)至卸壓區(qū)，此時(shí)卸壓 輥將吸孔堵住，吸孔內(nèi)外壓差消失，種子靠自重落入接種杯內(nèi)，經(jīng)輸種管排入播行。他們 運(yùn)用正交試驗(yàn)的方法，通過臺(tái)架試驗(yàn)，得到了試驗(yàn)因素的最優(yōu)組合。 (4) 由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)和廣西北海市農(nóng)機(jī)化研究所研制的氣吸式雙層滾筒水稻播種器 【12】 ，采用雙層滾筒結(jié)構(gòu)(外層壁薄、光滑、孔徑小、內(nèi)層孔徑大) 使吸孔卡不住雜質(zhì)，有 效地解決了吸孔堵塞的難題。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1-1所示，工作原理為:滾筒內(nèi)腔是一全封閉 的真空負(fù)壓室，表面有與秧盤穴孔相對應(yīng)的小孔和真空室相通。工作時(shí)。抽氣機(jī)構(gòu)抽走滾 筒內(nèi)腔的空氣.產(chǎn)生負(fù)壓.使吸孔的兩端形成負(fù)壓)}-.演筒續(xù)筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)至滾筒正下方 時(shí)，吸孔內(nèi)端進(jìn)入增壓室，負(fù)壓被切斷并處于增壓狀態(tài)，種子在自重及正壓作用下落入秧 盤的穴孔中.滾筒和秧盤在同步輸送機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)滾筒上的吸孔與秧盤上的穴孔一一 對應(yīng)，滾筒不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，秧盤不斷隨同步輸送機(jī)構(gòu)前進(jìn)，從而達(dá)到連續(xù)對穴播種的目的。 1.抽氣機(jī)構(gòu)2.增壓管3.同步輸送機(jī)構(gòu)4種子箱5. 7.封閉增壓室8.秧盤9.機(jī)架10. 滾筒播種器6.真空負(fù)壓室 氣流方向 圖1-1氣吸式雙層滾筒播種器結(jié)構(gòu)簡圖 1.4 本文研究的內(nèi)容 由于原有的氣吸滾筒式精密排種器存在漏氣量大、排種不均勻、轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活及磨損嚴(yán) 重等問題，本課題就其機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之能具有結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)效率較高等優(yōu)點(diǎn)， 能夠用于播種油菜等小顆粒作物。本論文開展以下幾方面工作： 1. 對原有氣吸滾筒式精密排種器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化。 2. 建立種子在吸孔氣流作用下的受力模型，研究種子的吸附條件，分析各種因素對播 種質(zhì)量的影響。 3. 運(yùn)用ANSYS軟件對排種器進(jìn)行氣流場分析和模擬，分析吸孔的形狀、導(dǎo)程和吸孔孔 徑的大小對吸種性能的影響。同時(shí)對吸種滾筒正負(fù)壓區(qū)進(jìn)行模擬仿真。 4. 采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，對滾筒氣吸式排種器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，研究其轉(zhuǎn)速， 吸孔負(fù)壓，吸孔形狀、大小及種箱振動(dòng)頻率等與單粒率、空穴率的關(guān)系，以提高其性能。 5. 運(yùn)用回歸分析，建立試驗(yàn)指標(biāo)與幾個(gè)顯著因素的關(guān)系式。 第 2 章 氣吸滾筒式精密排種器的優(yōu)化設(shè)計(jì) 2.1 排種器結(jié)構(gòu)及工作原理 2.1.1 總體結(jié)構(gòu) 氣吸滾筒式精密排種器總體結(jié)構(gòu)布局如圖2-1所示。 氣吸滾筒式精密排種器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-2所示，主要由隔氣板1、彈簧2、空心軸 3、滾筒4、橡膠塞5、種箱6、激振裝置7、輸送帶8和氣源等組成。其特點(diǎn)為彈簧壓緊隔氣 板，便于適時(shí)調(diào)節(jié)壓緊面。激振裝置激振后，使種箱中的種子產(chǎn)生向上的拋擲運(yùn)動(dòng)，種子 間接觸減少，相互分離呈沸騰狀態(tài)【13】 ，便于滾筒吸種。其具體的排種器裝配圖如圖2-3 所示。 2.1.2 工作原理 如圖2-2所示，排種器的滾筒內(nèi)腔是一全封閉的真空負(fù)壓室，滾筒表面的吸孔與真空室 相通。播種時(shí)，空吸機(jī)通過空心軸3上的吸孔吸走滾筒表面內(nèi)腔的空氣，產(chǎn)生負(fù)壓，使?jié)L筒 4上吸孔的兩端形成負(fù)壓差，滾筒繞固定空心軸3轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)滾筒4上的吸孔經(jīng)過種子箱6時(shí)， 種子在吸孔負(fù)壓差的作用下被吸附在吸孔上隨滾筒4一起轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)滾筒4轉(zhuǎn)至正下方隔氣板1 所形成的正壓腔時(shí)，負(fù)壓被切斷，種子在自重和正壓的作用下落到輸送帶8上。 2.2 排種器的設(shè)計(jì)【14，15，16】 影響排種器吸排種性能的因素主要有：吸孔的形狀及大小、滾筒內(nèi)部正負(fù)壓的大小、 振動(dòng)系統(tǒng)的頻率高低及滾筒轉(zhuǎn)速等。是否合理選擇吸孔的形狀大小、滾筒內(nèi)部正負(fù)壓、振 動(dòng)頻率及滾筒轉(zhuǎn)速將顯著影響排種器的吸排種性能。 2.2.1 排種滾筒上吸孔的設(shè)計(jì) 選擇了三種形狀的吸孔，分別為直孔、錐形孔和沉孔，見圖2-4?？梢酝ㄟ^試驗(yàn)確定最 優(yōu)吸孔形狀和大小。 2.2.2 排種滾簡內(nèi)部正負(fù)壓腔的設(shè)計(jì) 如圖2-2所示，空心軸3分為左右兩部分，通過橡膠塞5隔開，橡膠塞5左邊一段軸上開 有吸孔，與滾筒4上的吸孔相通，右邊一段軸與正壓室相連。工作時(shí)，左半軸通過空吸機(jī)吸 氣形成負(fù)壓，空心軸3左半軸與滾筒4表面的吸孔之間形成負(fù)壓腔，同時(shí)右半軸通正壓氣體， 隔氣板1與滾筒內(nèi)壁之間形成正壓腔。彈簧2的作用是調(diào)節(jié)隔氣板與滾筒內(nèi)壁的壓緊程度， 防止磨損漏氣。 2.2.3 電磁振動(dòng)系統(tǒng)的原理及選用【9,17】 種箱的振動(dòng)由激振機(jī)構(gòu)產(chǎn)生，而由于激振方法的不同，激振機(jī)構(gòu)的類型有機(jī)械式、電 磁式、液壓式及氣動(dòng)式等。 本文采用的振動(dòng)系統(tǒng)是電磁式。工作時(shí)，電磁鐵線圈通以脈沖信號(hào)，由于鐵芯的斷續(xù) 吸力和振動(dòng)彈簧的作用，使種箱做上下垂直振動(dòng)。電磁振動(dòng)系統(tǒng)使種箱中的種子產(chǎn)生向上 的拋擲運(yùn)動(dòng)，形成“沸騰”狀態(tài)，利于吸種。 電磁振動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型如圖2-5所示。 振動(dòng)系統(tǒng)受恢復(fù)力和激振力的作用，彈性恢復(fù)力可產(chǎn)生自激振動(dòng)。彈簧使物體回到平 衡位置的彈性恢復(fù)力與物體離開平衡位置的位移成正比，其方向和物體的位移方向相反。 由于在運(yùn)動(dòng)過程中受到阻尼的作用，使振動(dòng)逐漸趨于停止。阻力的方向總是與運(yùn)動(dòng)方向相 反。當(dāng)振動(dòng)不大時(shí)，其大小與物體的運(yùn)動(dòng)速度成正比。由激振器產(chǎn)生的輸出為: (2-1)??????tBx11sin 式中:B - 受迫振動(dòng)的振幅，即為激振器輸出的振幅; - 受迫振動(dòng)的穩(wěn)態(tài)角頻率;1? - 相位角。? 在持續(xù)穩(wěn)定振動(dòng)狀態(tài)條件下，當(dāng)振動(dòng)的頻率和系統(tǒng)的固有頻率相差很大的情況下，可以認(rèn) 為系統(tǒng)只隨激振系統(tǒng)作用。此時(shí)有: (2-2)??????tBxX11sin 由式(2-2)可以看出，在振動(dòng)系統(tǒng)偏離系統(tǒng)固有頻率的條件下，系統(tǒng)的振動(dòng)為簡 諧振動(dòng)，受迫振動(dòng)的頻率與激振力的頻率一致，則受迫振動(dòng)的振幅為: (2-3)??2201???? 式中: - 與激振力相等的靜力作用下的靜位移:0B - 頻率比， ； - 激振力的頻率， - 系統(tǒng)的固有頻率；?nf/?? nf - 相對阻尼系數(shù)。? 則系統(tǒng)的受迫振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程為: (2-4)???????????1220si1BX 由此知，受迫振動(dòng)的幅值取決于 ， ， 。0? 與系統(tǒng)的剛度成反比，與激振力成正比，當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一定的情況下，可以通過改變0B 激振力的大小來改變振動(dòng)系統(tǒng)的振幅。振動(dòng)系統(tǒng)的頻率取決于激振器的振動(dòng)頻率，可以通 過改變激振器的輸出頻率來改變振動(dòng)系統(tǒng)的頻率。 當(dāng) << 1 時(shí)，即 < 0.7 ，如果系統(tǒng)的阻尼很小，振幅則增加較快。 當(dāng) >> 1 時(shí)，無論阻尼多大，系統(tǒng)的振幅都比較小。這是由于激振頻率很高，激振 力方向變化比較迅速。振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量部件不可能隨著激振力方向的變化而迅速變化。 當(dāng) = 1 時(shí)，激振頻率與系統(tǒng)的固有頻率相等。系統(tǒng)的振幅達(dá)到最大，產(chǎn)生共振。? 通過以上分析，希望振動(dòng)系統(tǒng)在小于系統(tǒng)固有頻率的狀態(tài)下工作。振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)選擇 可以參考上述對振動(dòng)系統(tǒng)的分析結(jié)果進(jìn)行。 2.3 排種裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì) 如圖2-3的裝配圖所示，該排種器對以下幾個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化及改進(jìn)設(shè)計(jì): 1.主軸(空心軸)結(jié)構(gòu)優(yōu)化： 該排種器采用了一根空心軸形成兩個(gè)壓腔的設(shè)計(jì)，空心軸3被橡膠塞2分成了兩個(gè)半軸， 左半軸連接負(fù)壓氣管，右半軸接正壓氣管，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是既消除了因采用兩根獨(dú)立半軸 所形成的懸臂梁結(jié)構(gòu)而使同軸度得不到保證的問題，又消除了結(jié)構(gòu)上因滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)而使軸承 磨損加劇的問題。 2，采用螺紋導(dǎo)程件定位： 在排種器的結(jié)構(gòu)中，螺紋導(dǎo)程件7的作用是在滾筒4與隔氣板9在相互接觸運(yùn)動(dòng)的過程中 使隔氣板始終沿著滾筒的軸線方向而不發(fā)生偏離和旋轉(zhuǎn)。螺紋導(dǎo)程件的采用更好地解決了 因零件間的接觸運(yùn)動(dòng)而引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定及漏氣等問題。 3.彈簧結(jié)構(gòu)： 該排種器在結(jié)構(gòu)上的另一改進(jìn)是采用了彈簧結(jié)構(gòu)，彈簧的采用能夠使隔氣板更好地與 滾筒內(nèi)壁進(jìn)行結(jié)合并適時(shí)壓緊，減少了因摩擦而導(dǎo)致的磨損漏氣的問題。 4.激振裝置： 為了減少種箱中種子間的內(nèi)摩擦系數(shù)，增加其流動(dòng)性，采用了電磁振動(dòng)系統(tǒng)，這樣種 子在電磁振動(dòng)系統(tǒng)的作用下，在種箱中形成“沸騰”狀態(tài)，更有利于排種器的吸種。 5.排種器性能檢測試驗(yàn)臺(tái)： 在試驗(yàn)研究中采用的是JPS-12排種器性能檢測試驗(yàn)臺(tái)，它是通過分析與總結(jié)國內(nèi)外現(xiàn) 有排種器試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其結(jié)構(gòu)精巧，使用方便，檢測手段先進(jìn)，滿足了氣 力式排種器試驗(yàn)研究的需要。 2.4 本章小結(jié) 根據(jù)氣吸滾筒式精密排種器的工作原理，對排種器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化。通 過對主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，解決了同軸度及軸承磨損等問題; 螺紋導(dǎo)程件及彈簧結(jié)構(gòu)的采用， 解決了系統(tǒng)的氣密性及運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定等問題:采用電磁振動(dòng)系統(tǒng)在排種器性能檢測試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn) 行試驗(yàn)，更有利于提高排種器的吸種效果以及對排種性能的檢驗(yàn)。 本章對氣吸滾筒式精密排種器的優(yōu)化設(shè)計(jì)為下面的仿真及試驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)。 第 3 章 氣吸滾筒式精密排種器的理論分析 3.1 種子所受吸附力及吸種高度的確定 3.1.1 吸附力及其影響因素 在吸孔附近，種子處于具有一定氣體流速的流場中，假設(shè)種子在流場中為具有同一尺 寸的均勻球體，根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)原理可知，種子受到流體的阻力推動(dòng)，即繞流阻力產(chǎn)生的 對種子的吸附效果(又稱為吸附力 )，控制了種子在吸孔附近的運(yùn)動(dòng)。 設(shè)氣體的密度為P，則種子所受的吸附力為【18，19】 （3-1 ） 202081vdCvdAF???? 式中： —阻尼力系數(shù)，與種子的形狀、表面狀態(tài)和雷諾數(shù)有關(guān)，如果種子形狀接近球體，dC 則其值約為0.44。 A - 種子在垂直于運(yùn)動(dòng)方向的平面上的投影面積， 。2m - 吸孔周圍的氣流平均速度，m/s 。0v d - 種子的直徑，m 。 若吸孔阻力系數(shù)定義 ，則通過吸孔的氣流平均速度 可表示為??2/ivp???? iv (3-2)??pi?? 式中 一吸孔內(nèi)外壓力差，Pa 。p? 已知吸孔直徑為 ，則通過單個(gè)吸孔的空氣流量為id (3-3)4 2ivdQ?? 式(3-2)代入式 (3-3)得 (3-4)??pi?2 對于不同形式的吸孔，F(xiàn)allak S .Sial和Sverker P .E. Persson 在論文中以錐形孔(如圖3-1) 為例作了闡述【20】 ，S. Shafii，S.A.Sharer，R.G.Holmes在他們的論文中也進(jìn)行過研究 【21，22】 。 設(shè)在距吸孔中心點(diǎn)為x的地方為種子被吸上吸孔的臨界位置，此時(shí)氣流平均速度為： (3-5)????cos120??xQv 式(3-4)代入式(3-5)得： (3-6)????pxdvi?cs820 式(3-6)代入式(3-1)得： (3-7)??? ?24cos1256??xCFid 式(3-5)代入式 (3-1)得： (3-8)??24 2cs3??xQd 各因素對吸附力的影響分析如下: ① 由式(3-7)得知，種子所受吸附力F的大小與d，四次方成正比，與 Ap成正比。即吸 孔直徑越大，吸孔內(nèi)外壓差越大，吸附力越大。吸附力過大雖利于吸種，但易造成重播。 ② 由式 (3-8)得知，種子所受吸附力F 的大小與總空氣流量Q成正比例的關(guān)系，與“ 成反 比例的關(guān)系。 “越大，F(xiàn)越小。 ③ 由式(3-7)和式(3-8)可知，吸附力 F與吸種高度x的四次方成反比，故x的變化將顯著 影響種效果。當(dāng)x趨向于零，吸種力急劇增大，有利于吸種，但同時(shí)會(huì)造成重播率的增加; 當(dāng)x增大，吸種力會(huì)急劇減小，不利于吸種，同時(shí)易造成空穴率的增加。 3.1.2 吸種高度及影響因素 經(jīng)過理論分析，當(dāng)種子受到氣流作用被吸起時(shí)，有平衡方程【23~25】： ( 3- 9)05.02??tsdsvSCgV? 式中： - 種子密度， ；s?3/mkg - 種子體積， ；sV g - 重力加速度， ；2/s - 空氣密度， ；?3mkg - 阻力系數(shù)；dC - 種子在運(yùn)動(dòng)方向上的投影面積， ；sS2 - 懸浮速度， 。tvsm/ 對于圓形種子，式(3-9)可以寫成 【23，25，28】： (3-10)0234??tdsvCg? 式中 - 種子的直徑，m 。sd 式(3-9)也可以運(yùn)用于扁平或者橢圓形的種子模型，在這種情況下【25】 (3-11)421LSs?? 式中 - 橢圓種子的長軸長度，m ；1L - 橢圓種子的短軸長度，m ；2 當(dāng)氣流速度大于 ，種子受一向上的加速度而被吸起，流速大小與真空度成比例，并tv 在吸孔處達(dá)到最大值。假設(shè)空氣為理想氣體，氣流從離吸孔較遠(yuǎn)的自然狀態(tài)運(yùn)動(dòng)到吸孔處 是一個(gè)絕熱等嫡的過程，即： (3-12)、?kp?/ 式中：p - 大氣壓力，Pa ；k - 定壓和等容下的比熱率。 (3-13)RT/ R - 普適氣體恒量， ；T - 空氣的絕對溫度， k 。1?Jg 對于可壓縮流體，應(yīng)用Bernouli定理并假設(shè)氣流初始速度 為0，則：ev (3-14)22iieegZdpgv?????? 式中： - 自然狀態(tài)下空氣的速度，m/s ；ev - 吸孔處的氣流速度，m/s ；i - 空氣位于自然狀態(tài)位置 相對于任一水平面的高度，m ；eZe - 空氣位于吸孔位置 相對于任一水平面的高度，m 。i i 考慮到 ， ，(3-14)式可以寫成：ie?0?ev (3-15)???ieidpv?2 對于絕熱等熵過程，式(3-12)可以寫成： (3-16)ke kepp11????? 式中： - 自然狀態(tài)下大氣壓力，Pa ；ep - 空氣自然狀態(tài)下的密度， 。?3/mkg 式(3-16) 代入式 (3-15)，得： (3-17)? ??iekidpv12? 則 (3-18)?? ?????kkekiei 121 式中： - 吸口處的全壓，Pa 。ip 即 (3-19)???? ?????????????11-2keii pkv? 在理想狀況下，對于自然狀態(tài)下的氣體方程可以表示為： (3-20)eRT 式中： - 空氣自然狀態(tài)下的絕對溫度，k 。eT 式(3-20) 代入式 (3-19)得： 滾筒吸孔處的氣流速度 (3-21)?? ????????????keiei pRTkv112 式(3-21) 成立的條件是 小于聲速。假設(shè)空氣流是一維等嫡的，氣流速度在吸口處達(dá)到聲速i 時(shí)真空室內(nèi)真空度達(dá)到極限值 ，則：icrtp (3-22 )12?????????keicrt 當(dāng) ，k=1.41 時(shí)，得 ，kPape13.0?Papicrt3.5 由此可得真空度的極限值： kpiie48.10???? 吸孔處的氣體流量 (3-23)4/2iivdQq?? 式中： - 吸孔直徑，m 。id 將式(3-23) 代入式 (3-5)式得： (3-24)???cos182??xvdvi 把式(3-21) 代入式 (3-24)得： (3-25)???? ?????????????keieix pRTkdv 121cos18 把式(3-25) 代入式 (3-10)得到從吸孔處所能吸附種子的最大吸種高度x為： (3-26)???? 4214cos183????????????????kgdpkTCxskeieid?? 各因素對吸種高度的影響分析如下： 滾筒上吸孔的吸種高度與吸孔直徑、負(fù)壓大小、種子密度及種子大小有關(guān)。滾筒上的 吸孔直徑 越大，吸孔上的負(fù)壓 越大，則吸種高度 越大; 而種子密度 越大，種子半idipxs? 徑 越大，錐角 越大，則吸種高度 越小。s?x 3.2 氣吸滾筒式精密排種器吸種過程及其影響因素的分析 氣吸滾筒式排種器吸種過程是指種子在吸孔氣流下，從種子群中分離出來被滾筒吸孔 吸附和帶出的過程，可分為吸附和帶出兩個(gè)階段【11】 。 3.2.1 種子從種箱到被吸孔吸附過程分析 有效的吸附一般都發(fā)生在種子群的表面，并且是在很短時(shí)間內(nèi)完成的過程。作用在種 子上的力及其變化是很復(fù)雜的，為便于問題的分析，下面對此過程作一些假設(shè)。 1) 假設(shè)種子的形狀為一球體，半徑為 ，密度為 ，則質(zhì)量為：srs? (3-27)ssm?34? 2) 假設(shè)種子的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)勻加速直線運(yùn)動(dòng)，種子吸附過程所需時(shí)間 是相同的( 因?yàn)闀r(shí)t 間非常短，其差異必然也非常小)，即都是在吸孔轉(zhuǎn)過相同的角度 時(shí)完成吸附過程的。? 3) 在吸附過程中，作用在種子上的氣流吸力 雖然是一個(gè)大小和方向都在發(fā)生變化F 的力，但因?yàn)樽饔脮r(shí)間非常短，可假設(shè)它為一個(gè)大小和方向都一定的力。 的方向可取為F 種子初始的重心位置A和完成吸附時(shí)吸孔中心位置 C的連線方向。 根據(jù)上述假設(shè)，種子的初始位置A 可用角度 和種子與滾簡間的最短距離 兩個(gè)參數(shù)?x 來表示，完成吸附時(shí)的位置B 用角度 來表示。這樣，吸孔能否吸上種子的條件是：在氣? 流吸力 的作用下，種子必須在滾筒轉(zhuǎn)過角度 的時(shí)間 內(nèi)從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B 點(diǎn)。Ft 種子在發(fā)生吸附前處于振動(dòng)狀態(tài)，受到振動(dòng)慣性力的作用，但這是一個(gè)在大小和方向 都隨時(shí)間發(fā)生變化的力。在種子振動(dòng)幅度比較小的情況下，振動(dòng)慣性力可以忽略而不考慮。 這樣，種子在發(fā)生吸附前的受力主要有：吸孔內(nèi)外側(cè)壓差造成的氣流吸力 、種子本身的F 重力 和摩擦力 ，如圖3-3 所示Gsf 在作了上述簡化后，沿滾筒AB連線的方向?qū)ΨN子進(jìn)行力的分解： (3-28)??coscosGfFs?? 由式(3-28) 可得，這時(shí)種子被吸向吸孔的條件為： (3-29)sf?? 這時(shí)種子的加速度為