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气吸滚筒式精密排种器的优化【17张图纸】【优秀】

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零件4 滚筒连接件.dwg---(点击预览)

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关键词：: 气吸滚筒精密排种器优化 17 图纸优秀优良

资源描述：

气吸滚筒式精密排种器的优化

46页 17000字数+说明书+任务书+答辩PPT+17张CAD图纸

主轴焊接图.dwg

任务书.doc

吸种孔.dwg

排种器总装图.dwg

文献综述.doc

正压大夹板.dwg

正压小夹板.dwg

气吸滚筒式精密排种器的优化答辩PPT.ppt

气吸滚筒式精密排种器的优化说明书.doc

种子箱.dwg

种箱侧板.dwg

零件1 滚筒.dwg

零件10 链轮.dwg

零件2 正压腔连接轴.dwg

零件3 正压腔.dwg

零件4 滚筒连接件.dwg

零件5 端盖.dwg

零件6 轴承盖.dwg

零件7 负压轴.dwg

零件8 中夹板.dwg

零件9 正压轴.dwg

摘要1

ABSTRACT2

第一章绪论3

1.1 研究小颗粒种子精播技术的目的和意义3

1.2 国内外气力式精密排种器的发展概况3

1.2.1 国外气力式排种器的发展概况4

1.2.2 国内气力式排种器的发展概况4

1.3 本文研究的内容5

第二章气吸滚筒式精密排种器的优化设计6

2.1 排种器结构及工作原理6

2.1.1 总体结构6

2.1.2 工作原理7

2.2.1 排种滚筒上吸孔的设计8

2.2.2 排种滚简内部正负压腔的设计8

2.3 排种装置的优化设计10

2.4 本章小结11

第三章气吸滚筒式精密排种器的理论分析12

3.1 种子所受吸附力及吸种高度的确定12

3.1.1 吸附力及其影响因素12

3.1.2 吸种高度及影响因素13

3.2 气吸滚筒式精密排种器吸种过程及其影响因素的分析16

3.2.1种子从种箱到被吸孔吸附过程分析17

3.2.2 种子被吸附到滚筒上并随之运动的条件19

3.3 气吸滚筒式精密排种器的排种过程分析20

3.3.1 排种误差20

3.3.2 种子落地碰撞角和碰撞速度23

3.3.3 排种过程影响因素分析24

3.4 本章小结24

第四章气吸滚筒式精密排种器气流场的计算机仿真25

4.2 ANSYS仿真初始边界条件的设定26

4.2.1 吸孔的结构形状及初始化条件26

4.3 仿真结果28

4.3.1 吸孔形状对吸种性能的影响28

4.3.2 吸孔导程对吸种性能的影响31

4.3.3 吸孔孔径大小对吸种性能的影响32

4.3.4 吸种滚筒内部负压区气流场仿真34

4.3.5 吸种滚筒内部正压区气流场仿真36

4.4 本章小结38

第五章总结与展望39

参考文献41

致谢43

摘要

　　世界各国都很重视精量播种技术，精密播种可以节约大量的种子，节省田间间苗定苗用工，增加作物产量。本文在对国内外现有的气吸滚筒式精密排种器深入研究的基础上，对原有的设计进行了改进并制造了一种新型的气吸滚筒式精密排种器。该排种器具有以下的特点:首先，对主轴结构进行了优化设计，采用了一根主轴形成两个压腔的设计方法，既保证了同轴度又减少了轴承的磨损，大大延长了轴承的使用寿命。其次，由于采用了弹簧结构，在隔气板与滚筒内壁接触转动的过程中，减少了因摩擦而导致的磨损漏气的问题。第三，对种箱进行了激振，使种子在种箱中形成“沸腾”状态，更有利于滚筒的吸种。

　　结合该气吸滚筒式精密排种器，本文主要开展了以下几个方面的研究工作:

　　1.对气吸滚筒式精密排种器的吸种及排种过程进行了理论分析，得到了吸附力、吸种高度、排种误差、碰撞角和碰撞速度等数学模型，并对影响吸排种效果的因素进行了分析。

　　2.运用ANSYS有限元分析软件对吸孔及正负压腔的气流场进行了建模与仿真试验，结果表明:直孔的吸种性能比锥形孔和沉孔好:孔径越大，吸种能力越强;吸孔导程对吸种性能无显著影响;滚筒壁上的吸孔靠近正负压腔气流大的地方，受到气流的影响也较大。

　　通过对气吸滚筒式精密排种器的理论分析和计算机仿真，得到了一些规律，为其实际应用奠定了基础。

关键词:精密播种;气吸滚筒式精密排种器;有限元分析;理论分析;

1.3 本文研究的内容

　　由于原有的气吸滚筒式精密排种器存在漏气量大、排种不均匀、转动不灵活及磨损严重等问题，本课题就其机构进行优化设计，使之能具有结构简单，生产效率较高等优点，能够用于播种油菜等小颗粒作物。本论文开展以下几方面工作：

　　1. 对原有气吸滚筒式精密排种器进行改进设计及优化。

　　2. 建立种子在吸孔气流作用下的受力模型，研究种子的吸附条件，分析各种因素对播种质量的影响。

　　3. 运用ANSYS软件对排种器进行气流场分析和模拟，分析吸孔的形状、导程和吸孔孔径的大小对吸种性能的影响。同时对吸种滚筒正负压区进行模拟仿真。

QQ截图20130728192437.gif

内容简介：: 毕业论文(设计)任务书论文(设计)题目气吸滚筒式精密排种器的优化下发任务日期2012.03.01学生姓名王晋军指导教师张祖立教授一. 论文（设计）主要内容（1）收集查阅资料，了解国内外关于精量播种机的发展情况，及未来的发展趋势，对自己所设计的播种机的功用有进一步的认识。（2）了解排种装置的种类，及各种排种装置的特点，设计一种适合于蔬菜花卉精量播种的排种装置，使之能够保证播种机播种精度，及具有性能稳定可靠等优点。（3）对排种装置的排种机构进行改进，包括中心轴、吸孔等。（4）CAD制图，总体装配图以及主要的零件图。二.论文（设计）的基本要求1.有关资料的收集：要求尽量收集第一手资料，资料要真实、可靠、有代表性。2 资料的整理与分析：要求条理清晰，数据分析详尽。3 查阅相关文献：要求贴近主题，有参考价值。4 认真撰写论文，字数在10000字以上。5 完成CAD制图。三.论文（设计）工作进度安排阶段论文（设计）各阶段名称日期1查阅相关文献资料2012. 3. 12012. 4. 12滚筒上吸孔的选择与改进2012. 4. 22012. 4. 153中心轴的选择与改进2012. 4. 162012. 5.104确定相关尺寸、图纸的设计及撰写论文初稿2012. 5. 112012. 5.315论文修改2012. 6. 12012. 6.46论文完成2012. 6.4备注：四.应收集的资料及主要参考文献（指导教师指定）1、国内外精密排种器的发展概况2、气吸滚筒式精密排种器的发展3、零部件设计的一些相关参数4、农业机械文摘、农业机械学报、农业工程学报、农机化研究、机械原理等。说明：此任务由指导教师填写一式两份，一份发给学生，一份发给指导教师留存。沈阳农业大学毕业论文（设计）选题审批表选题名称气吸滚筒式精密排种器的优化题目来源学号12254002姓名王晋军专业机械设计制造及其自动化指导教师张祖立职称教授研究内容（1）收集查阅资料，了解国内外关于精量播种机的发展情况，及未来的发展趋势，对自己所设计的播种机的功用有进一步的认识。（2）了解排种装置的种类，及各种排种装置的特点，设计一种适合于蔬菜花卉精量播种的排种装置，使之能够保证播种机播种精度，及具有性能稳定可靠等优点。（3）对排种装置的排种机构进行改进，包括中心轴、吸孔等。（4）CAD制图，总体装配图以及主要的零件图。研究计划1、2012.3.15-2012.3.30 对自己的所选内容查资料2、2012.4. 1-2012.4.11 数据的分析与处理3、2012.4.12-2012.4.20 查阅相关文献4、2012.4.20-2012.5.31 撰写论文初稿5、2012.6. 1-2012.6.5 论文修改 6、2012.6.7 论文完成特色结合农艺要求、经济性要求、简洁要求，本设计能够保证滚筒平稳的运行，其速度是可调的，种子能比较精确的沿着一定轨迹落在穴盘内。制造方便，安装便捷，操作维护简单，安全可靠！指导教师意见教研室意见学院意见毕业论文（设计）指导记录学生姓名王晋军专业机械设计制造及其自动化指导教师姓名张祖立职称教授本年度指导毕业生人数9论文（设计）题目气吸滚筒式精密排种器的优化指导过程时间地点指导内容2011.12.29机械设计教研室下发毕业设计题目，下达任务书。2012.03.30机械设计教研室检查查阅文献资料情况，开始撰写文献综述、外文翻译2012.04.05机械设计教研室检查撰写文献综述、外文翻译情况，并进行修改；2012.04.08机械设计教研室讨论及确定排种装置结构的设计方案2012.04.20机械设计教研室中期检查及开题2012.04.23机械设计教研室指导零部件的强度分析、计算2012.05.16机械设计教研室检查各零部件的强度分析、计算结果是否正确2012.05.17机械设计教研室指导装配图的绘制，图中各零件的画法2012.05.31机械设计教研室检查装配图、零件图的绘制情况2012.06.05机械设计教研室修改论文初稿201206.07机械设计教研室修改论文第二稿，通知准备答辩稿2012.06.10机械设计教研室修改毕业设计答辩稿2012.06.12机械设计教研室毕业设计答辩学生签字年月日指导教师签字：年月日教研室主任签字：年月日沈阳农业大学毕业论文（设计）考核表论文题目：气吸滚筒式精密排种器的优化姓名：王晋军学号：12254032 专业：机械设计制造及其自动化指导教师评语：指导教师（签字）：年月日评阅人评审意见：评阅人（签字）：年月日成绩：答辩委员会意见：主任委员（签字）：年月日注：答辩委员会意见除填写简要评语、给出成绩外，还要提出是否授予学位的建议。沈阳农业大学学士学位论文文献综述文献综述题目：气吸滚筒式精密排种器的研究进展气吸滚筒式精密排种器的研究进展摘要:世界各国都很重视精量播种技术，精密播种可以节约大量的种子，节省田间间苗定苗用工，增加作物产量。本设计在对国内外现有的气吸滚筒式精密排种器深入研究的基础上，对原有的设计进行了改进并制造了一种新型的气吸滚筒式精密排种器。使该排种器具有以下的特点:首先，对主轴结构进行了优化设计，采用了一根主轴形成两个压腔的设计方法，既保证了同轴度又减少了轴承的磨损，大大延长了轴承的使用寿命。其次，由于采用了弹簧结构，在隔气板与滚筒内壁接触转动的过程中，减少了因摩擦而导致的磨损漏气的问题。第三，对种箱进行了激振，使种子在种箱中形成“沸腾”状态，更有利于滚筒的吸种。关键词:精密播种;排种器;有限元分析;理论分析;气吸滚筒式精密排种器;1.1 研究小颗粒种子精播技术的目的和意义世界各国都很重视精量播种技术，发达国家已基本实现大、中粒作物的精量播种，节本增效显著，但对油菜、谷子等小颗粒作物的精播技术有待进一步的研究【1】。本文以油菜种子为例，探讨了小颗粒种子的精播问题。油菜是世界上重要的油料作物之一，成熟的油菜籽多为球形或近似球形的小颗粒，其直径为1.27-2.05mm【2，3】。油菜在我国常年种植面积约为800万公顷，其种子含油量为30%-50%，是我国重要的油料作物。长期以来，我国油菜种植面积和总产量均居世界第一，占世界油菜种植面积和总产量的30%左右。根据资料显示，1996年以来，菜籽油占我国食用植物油消费量的近35%。当前我国油菜产业的种植面积大、总产量高，市场需求量和发展潜力都很大。2000年全国油菜种植面积扩大到800万公顷，产量达到1013万吨。随着人们生活水平的提高，对植物油的消费也日益增长，加工能力膨胀对油料需求加大，我国从1999年开始进口油菜籽，1999年以来每年进口油菜籽250万吨左右，特别是近几年来，进口油菜籽产品的数量有呈现大幅度上升的趋势【4】。自20世纪80年代以来，我国双低油菜发展迅速，但油菜播种基本为开沟人工溜种，播量较大，不但浪费种子，劳动强度大，而且播种质量难以保证，遇干早缺苗严重，遇雨涝出苗过稠，间苗、定苗费工，并易形成高脚弱苗，影响产量。因此对优质油菜种子进行精密播种迫在眉睫。精密播种优越性有如下几点:1. 精密播种可以节约大量种子。2. 节省田间间苗定苗用工。精密播种苗齐苗壮，不拥挤，可提高田间间苗定苗工效，甚至可以取消间苗定苗工作。3. 可增加作物产量。精密播种的苗分布均匀，透风透光性好，能充分利用土壤中的水分营养。苗期发育好，苗齐苗壮，可增产10%-30%。本课题根据油菜种子的特性，对其精密播种部件一滚筒气吸式精密排种器开展研究工作，为推进精播小颗粒种子的机械化进程开创一条新路。1.2 国内外气力式精密排种器的发展概况精密排种器按其工作原理可分为机械式和气力式。气力式排种器包括气吸式、气吹式、气压式三种;机械式主要有窝眼轮式、圆盘式、指夹式等。气力式排种器具有对种子适应性强，损伤轻等优点。1.2.1 国外气力式排种器的发展概况在国外的产品中，精密排种器主要以针式和滚筒式为主，滚筒式排种器的效率比针式播种机的效率更高【5】。国外从20世纪50年代末开始出现气力式精密排种器。20世纪60年代以来，前苏联、英、德等国都相继提出了麦类作物精播理论，并对小麦精播机做了大量的试验研究。1976年前后，德国研制了GS-23气吸式小麦精密播种机，其排种器是由种子室和真空室组成，但是该机难以实现单粒排种，而且播种均匀度很差，重播严重。后来法国研制出一种单粒气吸式小区播种机，它的排种器是一个安装在转轴上的金属盘，盘的周缘分布着若干个吸嘴与圆盘内腔的真空负压相连。该机通过更换不同的吸嘴可以播种小麦、玉米、向日葵等作物。奥地利的Wintersteiger自走式小麦精播机也属于气吸式精量播种机，该机的排种器是一对组合吸缝盘和驱动格轮，由两个不同形状隙缝的交叉形成一系列不同形状的吸孔。它没有输种管，排种器与开沟器融于一体，投种点低，有利于精密粒距的形成。该机主要用于田间小区试验，在许多国家和地区得到推广应用。为了满足本国经济发展的要求，尽快提高精密播种机的作业速度，近十年来，欧美国家着重对气力式精密排种器进行了研究【6】。当前，国外播种机械的发展方向已从对排种器的结构研究转移到对播种原理的研究上，比如蔬菜种子的精播问题。目前国外正在利用一些新的播种原理，如日本提出的静电播种，英国提出的液体播种等。现在广泛流传的一种先进的科学播种方法种子带播种，它起源于日本，这种播种方法已在世界范围内被广泛采用【7】。目前较为成熟的产品主要有英国产的Hamilton播种机，有针式、滚筒式两种。Hamilton针式播种机从秋海棠等极小的种子到甜瓜等大种子均可进行播种，播种精度高达99.9%(对干净、规矩的种子)，播种速度可达2400行/小时(128穴的穴盘最多每小时可播150盘);Hamilton滚筒式播种机是适用于大中型育苗场的高效率精密播种机，适合绝大部分花卉、蔬菜等种子，播种精度可达99%(对干净、规矩的种子)，播种速度高达18000行/小时(128穴的穴盘最多每小时可播1100盘)。这两种播种机均可以无级调速，能在各种穴盘、平盘或栽培钵中播种，并可进行每穴单粒、双粒或多粒形式的播种。韩国大东机电株式会社生产的真空气吸式播种机，适用于小于瓜类种子的各类蔬菜种子及花卉种子，分为全自动和半自动两种机型，全自动机型的工作程序包括基质混拌、装盘、挖穴、播种、覆土、喷水等，半自动机型包括挖穴、覆土两项程序。此外，还有美国的Blaclanore, Speedling, VanDana精量播种系统等【8】。1.2.2 国内气力式排种器的发展概况我国从20世纪60年代开始研制气力式播种机，当时辽宁省农机所研制了6行气吸式播种机，该机可精播玉米、大豆、花生。但是由于风机及万向节传动故障多，工作不可靠，没能得到推广。20世纪70年代我国加强了半精量和精量播种技术的引进、研究和试验。1979年中国农机院引进了4种精播机(西德气吸、气吹两种，法国气吸式，美国指夹式)，并分别对它们的性能，结构参数以及影响因素进行了试验和研究，在此基础上研制出了我国的定型产品:2BJ-6型、2BJ-4型气吹式精量播种机。辽宁省农机研究所也经多年的改进试验研制出了与铁牛-55拖拉机配套的2BQ-6型气吸式播种中耕通用机。该机采用垂直圆盘气吸式排种器，可精播玉米、大豆、高粱、棉籽，完成起垄、播种、中耕、培土等作业。20世纪80年代我国扩大了精播机的试验、示范推广。各地根据本地情况研制出了不同型号的气力式播种机，如威海市农机所研制出了2BT-2型气吸式花生套种播种机，烟台地区农机所研制的2BHQ-5型气吸式花生播种机，大连市农机化所研制的2BJQ-4型气力式播种机，山西省农机所研制的2BJ-4型气吸式精密播种机。“八五”期间，北京农业工程大学研制出了2XB-300型孔齿盘转动式穴盘育苗精量播种机，该装置适合于播中等大小的丸粒化种子。到了20世纪90年代播种机由单一播种发展到了播种、施肥、铺膜联合作业。近几年，精密播种技术得到了进一步发展，如华南农业大学研制的HNJ97-1型水稻精量播种机，利用电磁振动原理实现精量播种，但其造价较高。南京农机化研究所和江苏大学共同研制的2QB-330型气吸振动式秧苗盘精量播种机，应用振动气吸的原理，每穴1-2粒种子的播种合格率达到了90%以上【6，9，10】。对于气吸针式排种器，在我国自行研制的蔬菜、花卉工厂化育苗播种机中已开始应用，而对于滚筒气吸式排种器，由于其气密性很难控制等原因，由我国自行设计制造的专门用于蔬菜、花卉工厂化育苗的滚筒气吸式排种器还很少。1.3 本文研究的内容由于原有的气吸滚筒式精密排种器存在漏气量大、排种不均匀、转动不灵活及磨损严重等问题，本课题就其机构进行优化设计，使之能具有结构简单，生产效率较高等优点，能够用于播种油菜等小颗粒作物。本论文开展以下几方面工作:1. 对原有气吸滚筒式精密排种器进行改进设计及优化。对其吸种及排种过程进行了理论分析，得到了吸附力、吸种高度、排种误差、碰撞角和碰撞速度等数学模型，并对影响吸排种效果的因素进行了分析。2. 建立种子在吸孔气流作用下的受力模型，研究种子的吸附条件，分析各种因素对播种质量的影响。3. 运用ANSYS有限元分析软件对排种器进行气流场分析和模拟，分析吸孔的形状、导程和吸孔孔径的大小对吸种性能的影响。同时对吸种滚筒正负压区进行模拟仿真。4. 采用正交试验法设计试验方案，对滚筒气吸式排种器参数进行优化，研究其转速，吸孔负压，吸孔形状、大小及种箱振动频率等与单粒率、空穴率的关系，以提高其性能。5.对该排种器进行了试验研究，着重对吸孔的形状、吸孔的孔径、吸孔的内外压差、种箱振动频率、吸种滚筒转速五个关键因素进行了分析。运用DPS软件对试验数据进行了处理。通过极差和方差分析，得出了影响试验因素的主次顺序及最优组合。5.运用二次多项式回归模型，建立单粒率、空穴率与各个显著因素的关系式。以油菜种子为试验对象，经过组合选优及试验验证，当吸孔孔径为1 mm，吸孔为锥形孔，吸孔压差为2kPa，振动频率为80Hz,滚筒转速为14 r/min时，单粒率达到92%,空穴率为4%。6. 运用回归分析，建立试验指标与几个显著因素的关系式。通过对气吸滚筒式精密排种器的理论分析、计算机仿真及试验研究，得到了一些规律，为其实际应用奠定了基础。参考文献1 张宇文,李秋孝,王西红,等.油菜精量播种技术研究.西北农业学报.2002,11(2):93-962 蒋爱民，章超华.食品原科学.北京:中国农业出版社.20003 李诗龙.油菜籽的物理特性浅析.中国油脂.2005,30(2):17-204 刘文冰.浅析我国油菜生产的现状与发展.中国种业.2005, 1: 175 牛菊菊.滚筒气力式蔬菜育苗穴盘排种器的研究硕士学位论文.华南农业大学,20046 刘桂兰.我国气力式播种机的发展.农村牧区机械化.1996,(4):177 石宏,李达.目前国内外播种机械发展走向(II).农业机械化与电气化.2000,28 邱秀丽.针孔气力式蔬菜育苗穴盘排种器的研究硕士学位论文.华南农业大学,20049 张敏.气吸滚筒式水稻精量播种装置的理论与试验研究硕士学位论文.江苏大学,200610吴国瑞,李耀明.气吸式精量播种装置的研究设计.农机化研究.1998(1): 55-583沈阳农业大学学士学位论文编号（学号）：12254002毕业论文（设计）（ 2012届本科）题目：气吸滚筒式精密排种器的优化学院：工程学院专业：机械设计制造及其自动化姓名：王晋军指导教师：张祖立（教授）完成日期： 2012 年 6 月 7 日43目录摘要1ABSTRACT2第一章绪论31.1 研究小颗粒种子精播技术的目的和意义31.2 国内外气力式精密排种器的发展概况31.2.1 国外气力式排种器的发展概况41.2.2 国内气力式排种器的发展概况41.3 本文研究的内容5第二章气吸滚筒式精密排种器的优化设计62.1 排种器结构及工作原理62.1.1 总体结构62.1.2 工作原理72.2.1 排种滚筒上吸孔的设计82.2.2 排种滚简内部正负压腔的设计82.3 排种装置的优化设计102.4 本章小结11第三章气吸滚筒式精密排种器的理论分析123.1 种子所受吸附力及吸种高度的确定123.1.1 吸附力及其影响因素123.1.2 吸种高度及影响因素133.2 气吸滚筒式精密排种器吸种过程及其影响因素的分析163.2.1种子从种箱到被吸孔吸附过程分析173.2.2 种子被吸附到滚筒上并随之运动的条件193.3 气吸滚筒式精密排种器的排种过程分析203.3.1 排种误差203.3.2 种子落地碰撞角和碰撞速度233.3.3 排种过程影响因素分析243.4 本章小结24第四章气吸滚筒式精密排种器气流场的计算机仿真254.2 ANSYS仿真初始边界条件的设定264.2.1 吸孔的结构形状及初始化条件264.3 仿真结果284.3.1 吸孔形状对吸种性能的影响284.3.2 吸孔导程对吸种性能的影响314.3.3 吸孔孔径大小对吸种性能的影响324.3.4 吸种滚筒内部负压区气流场仿真344.3.5 吸种滚筒内部正压区气流场仿真364.4 本章小结38第五章总结与展望39参考文献41致谢43摘要世界各国都很重视精量播种技术，精密播种可以节约大量的种子，节省田间间苗定苗用工，增加作物产量。本文在对国内外现有的气吸滚筒式精密排种器深入研究的基础上，对原有的设计进行了改进并制造了一种新型的气吸滚筒式精密排种器。该排种器具有以下的特点:首先，对主轴结构进行了优化设计，采用了一根主轴形成两个压腔的设计方法，既保证了同轴度又减少了轴承的磨损，大大延长了轴承的使用寿命。其次，由于采用了弹簧结构，在隔气板与滚筒内壁接触转动的过程中，减少了因摩擦而导致的磨损漏气的问题。第三，对种箱进行了激振，使种子在种箱中形成“沸腾”状态，更有利于滚筒的吸种。结合该气吸滚筒式精密排种器，本文主要开展了以下几个方面的研究工作:1.对气吸滚筒式精密排种器的吸种及排种过程进行了理论分析，得到了吸附力、吸种高度、排种误差、碰撞角和碰撞速度等数学模型，并对影响吸排种效果的因素进行了分析。2.运用ANSYS有限元分析软件对吸孔及正负压腔的气流场进行了建模与仿真试验，结果表明:直孔的吸种性能比锥形孔和沉孔好:孔径越大，吸种能力越强;吸孔导程对吸种性能无显著影响;滚筒壁上的吸孔靠近正负压腔气流大的地方，受到气流的影响也较大。通过对气吸滚筒式精密排种器的理论分析和计算机仿真，得到了一些规律，为其实际应用奠定了基础。关键词:精密播种;气吸滚筒式精密排种器;有限元分析;理论分析;ABSTRACTPrecision 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 seeders 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.Through computer simulation and theoretical analysis,some laws useful for practical application were found.KEY WORDS:Precision seeding; Air-suction cylinder precision seeder; Finite element analysis;Theoretical analysis;第一章绪论1.1 研究小颗粒种子精播技术的目的和意义世界各国都很重视精量播种技术，发达国家已基本实现大、中粒作物的精量播种，节本增效显著，但对油菜、谷子等小颗粒作物的精播技术有待进一步的研究【1】。本文以油菜种子为例，探讨了小颗粒种子的精播问题。油菜是世界上重要的油料作物之一，成熟的油菜籽多为球形或近似球形的小颗粒，其直径为1.27-2.05【2，3】。油菜在我国常年种植面积约为800万公顷，其种子含油量为30%-50%，是我国重要的油料作物。长期以来，我国油菜种植面积和总产量均居世界第一，占世界油菜种植面积和总产量的30%左右。根据资料显示，1996年以来，菜籽油占我国食用植物油消费量的近35%。当前我国油菜产业的种植面积大、总产量高，市场需求量和发展潜力都很大。2000年全国油菜种植面积扩大到800万公顷，产量达到1013万吨。随着人们生活水平的提高，对植物油的消费也日益增长，加工能力膨胀对油料需求加大，我国从1999年开始进口油菜籽，1999年以来每年进口油菜籽250万吨左右，特别是近几年来，进口油菜籽产品的数量有呈现大幅度上升的趋势【4】。自20世纪80年代以来，我国双低油菜发展迅速，但油菜播种基本为开沟人工溜种，播量较大，不但浪费种子，劳动强度大，而且播种质量难以保证，遇干早缺苗严重，遇雨涝出苗过稠，间苗、定苗费工，并易形成高脚弱苗，影响产量。因此对优质油菜种子进行精密播种迫在眉睫。精密播种优越性有如下几点:1.精密播种可以节约大量种子。2.节省田间间苗定苗用工。精密播种苗齐苗壮，不拥挤，可提高田间间苗定苗工效，甚至可以取消间苗定苗工作。3.可增加作物产量。精密播种的苗分布均匀，透风透光性好，能充分利用土壤中的水分营养。苗期发育好，苗齐苗壮，可增产10%-30%。本课题根据油菜种子的特性，对其精密播种部件一滚筒气吸式精密排种器开展研究工作，为推进精播小颗粒种子的机械化进程开创一条新路。1.2 国内外气力式精密排种器的发展概况精密排种器按其工作原理可分为机械式和气力式。气力式排种器包括气吸式、气吹式、气压式三种;机械式主要有窝眼轮式、圆盘式、指夹式等。气力式排种器具有对种子适应性强，损伤轻等优点。1.2.1 国外气力式排种器的发展概况在国外的产品中，精密排种器主要以针式和滚筒式为主，滚筒式排种器较针式播种机效率更高【5】。国外从20世纪50年代末开始出现气力式精密排种器。20世纪60年代以来，前苏联、英、德等国都相继提出了麦类作物精播理论，并对小麦精播机做了大量的试验研究。1976年前后，德国研制了GS-23气吸式小麦精密播种机，其排种器是由种子室和真空室组成，但是该机难以实现单粒排种，而且播种均匀度很差，重播严重。后来法国研制出一种单粒气吸式小区播种机，它的排种器是一个安装在转轴上的金属盘，盘的周缘分布着若干个吸嘴与圆盘内腔的真空负压相连。该机通过更换不同的吸嘴可以播种小麦、玉米、向日葵等作物。奥地利的Wintersteiger自走式小麦精播机也属于气吸式精量播种机，该机的排种器是一对组合吸缝盘和驱动格轮，由两个不同形状隙缝的交叉形成一系列不同形状的吸孔。它没有输种管，排种器与开沟器融于一体，投种点低，有利于精密粒距的形成。该机主要用于田间小区试验，在许多国家和地区得到推广应用。为了满足本国经济发展的要求，尽快提高精密播种机的作业速度，近十年来，欧美国家着重对气力式精密排种器进行了研究【6】。当前，国外播种机械的发展方向已从对排种器的结构研究转移到对播种原理的研究上，比如蔬菜种子的精播问题。目前国外正在利用一些新的播种原理，如日本提出的静电播种，英国提出的液体播种等。现在广泛流传的一种先进的科学播种方法种子带播种，它起源于日本，这种播种方法已在世界范围内被广泛采用【7】。目前较为成熟的产品主要有英国产的Hamilton播种机，有针式、滚筒式两种。Hamilton针式播种机从秋海棠等极小的种子到甜瓜等大种子均可进行播种，播种精度高达99.9%(对干净、规矩的种子)，播种速度可达2400行/小时(128穴的穴盘最多每小时可播150盘);Hamilton滚筒式播种机是适用于大中型育苗场的高效率精密播种机，适合绝大部分花卉、蔬菜等种子，播种精度可达99%(对干净、规矩的种子)，播种速度高达18000行/小时(128穴的穴盘最多每小时可播1100盘)。这两种播种机均可以无级调速，能在各种穴盘、平盘或栽培钵中播种，并可进行每穴单粒、双粒或多粒形式的播种。韩国大东机电株式会社生产的真空气吸式播种机，适用于小于瓜类种子的各类蔬菜种子及花卉种子，分为全自动和半自动两种机型，全自动机型的工作程序包括基质混拌、装盘、挖穴、播种、覆土、喷水等，半自动机型包括挖穴、覆土两项程序。此外，还有美国的Blaclanore, Speedling, VanDana精量播种系统等【8】。1.2.2 国内气力式排种器的发展概况我国从2 0世纪60年代开始研制气力式播种机，当时辽宁省农机所研制了6行气吸式播种机，该机可精播玉米、大豆、花生。但是由于风机及万向节传动故障多，工作不可靠，没能得到推广。20世纪70年代我国加强了半精量和精量播种技术的引进、研究和试验。1979年中国农机院引进了4种精播机(西德气吸、气吹两种，法国气吸式，美国指夹式)，并分别对它们的性能，结构参数以及影响因素进行了试验和研究，在此基础上研制出了我国的定型产品:2BJ-6型、2BJ-4型气吹式精量播种机。辽宁省农机研究所也经多年的改进试验研制出了与铁牛-55拖拉机配套的2BQ-6型气吸式播种中耕通用机.该机采用垂直圆盘气吸式排种器，可精播玉米、大豆、高粱、棉籽，完成起垄、播种、中耕、培土等作业。20世纪80年代我国扩大了精播机的试验、示范推广。各地根据本地情况研制出了不同型号的气力式播种机，如威海市农机所研制出了2BT-2型气吸式花生套种播种机，烟台地区农机所研制的2BHQ-5型气吸式花生播种机，大连市农机化所研制的2BJQ-4型气力式播种机，山西省农机所研制的2BJ-4型气吸式精密播种机。“八五”期间，北京农业工程大学研制出了2XB-300型孔齿盘转动式穴盘育苗精量播种机，该装置适合于播中等大小的丸粒化种子。到了20世纪90年代播种机由单一播种发展到了播种、施肥、铺膜联合作业。近几年，精密播种技术得到了进一步发展，如华南农业大学研制的HNJ97-1型水稻精量播种机，利用电磁振动原理实现精量播种，但其造价较高。南京农机化研究所和江苏大学共同研制的2QB-330型气吸振动式秧苗盘精量播种机，应用振动气吸的原理，每穴1-2粒种子的播种合格率达到了90%以上【6，9，10】。对于气吸针式排种器，在我国自行研制的蔬菜、花卉工厂化育苗播种机中已开始应用，而对于滚筒气吸式排种器，由于其气密性很难控制等原因，由我国自行设计制造的专门用于蔬菜、花卉工厂化育苗的滚筒气吸式排种器还很少。1.3 本文研究的内容由于原有的气吸滚筒式精密排种器存在漏气量大、排种不均匀、转动不灵活及磨损严重等问题，本课题就其机构进行优化设计，使之能具有结构简单，生产效率较高等优点，能够用于播种油菜等小颗粒作物。本论文开展以下几方面工作：1. 对原有气吸滚筒式精密排种器进行改进设计及优化。2. 建立种子在吸孔气流作用下的受力模型，研究种子的吸附条件，分析各种因素对播种质量的影响。3. 运用ANSYS软件对排种器进行气流场分析和模拟，分析吸孔的形状、导程和吸孔孔径的大小对吸种性能的影响。同时对吸种滚筒正负压区进行模拟仿真。第二章气吸滚筒式精密排种器的优化设计2.1 排种器结构及工作原理2.1.1 总体结构气吸滚筒式精密排种器总体结构布局如图2-1所示。图2-1 排种器总体结构布局图1. 滚筒 2.正压腔连接轴 3.正压腔 4.滚筒连接 5.链轮 6.负压轴 7.中夹板 8.正压轴 9.轴承盖 10.密封盖 11.种箱 12.种箱侧板图2-2 结构示意图2. 气吸滚筒式精密排种器的结构示意图如图2-2所示，主要由1.滚筒 2.正压腔连接轴 3.正压腔 4.滚筒连接 5.链轮 6.负压轴 7.中夹板 8.正压轴9.轴承盖10.密封盖11.种箱 12.种箱侧板等组成。其特点为正压腔中的正压腔大小夹板，便于适时调节压紧面。种箱侧的进气口，使种箱中的种子产生向上的抛掷运动，种子间接触减少，相互分离呈沸腾状态【11】，便于滚筒吸种。其具体的排种器装配图如图2-3所示。1.滚筒 2.正压腔连接轴 3.正压腔 4.滚筒连接 5.链轮 6.负压轴 7.中夹板 8.正压轴 9.轴承盖 10.密封盖图2-3 排种器装配图2.1.2 工作原理如图2-2所示，排种器的滚筒内腔是一全封闭的真空负压室，滚筒表面的吸孔与真空室相通。播种时，空吸机通过负压轴6上的吸孔吸走滚筒表面内腔的空气，产生负压，使滚筒1上吸孔的两端形成负压差，滚筒绕固定空心轴转动，当滚筒1上的吸孔经过种子箱11时，种子在吸孔负压差的作用下被吸附在吸孔上随滚筒1一起转动。当滚筒1转至正下方正压腔3时，负压被切断，种子在自重和正压的作用下落到种盘里。2.2 排种器的设计【12，13，14】影响排种器吸排种性能的因素主要有：吸孔的形状及大小、滚筒内部正负压的大小、种箱内的气流强度高低及滚筒转速等。是否合理选择吸孔的形状大小、滚筒内部正负压、气流强度及滚筒转速将显著影响排种器的吸排种性能。2.2.1 排种滚筒上吸孔的设计选择了三种形状的吸孔，分别为直孔、锥形孔和沉孔，见图2-4。可以通过试验确定最优吸孔形状和大小。图2-4 吸孔结构型式2.2.2 排种滚简内部正负压腔的设计如图2-2所示，空心轴分为左右两部分，通过中夹板7隔开，中夹板7左边一段轴上开有吸孔，与滚筒1上的吸孔相通，空心轴与正压腔相连。工作时，负压轴6通过空吸机吸气形成负压，负压轴6与滚筒1表面的吸孔之间形成负压腔，同时正压轴8通正压气体，正压腔3与滚筒内壁之间形成正压腔。大小夹板的作用是调节正压腔3与滚筒内壁的压紧程度，防止磨损漏气。2.2.3 气流振动系统的原理及选用【9,15】种箱的振动由激振机构产生，而由于激振方法的不同，激振机构的类型有机械式、电磁式、液压式及气动式等。本文采用的振动系统是气动式。工作时，气吸机通以气流，通过种箱侧面气孔，使种箱中的种子产生向上的抛掷运动，形成“沸腾”状态，利于吸种。气流振动系统的力学模型如图2-5所示。图2-5 气流振动系统的力学模型振动系统受恢复力和激振力的作用，弹性恢复力可产生自激振动。弹簧使物体回到平衡位置的弹性恢复力与物体离开平衡位置的位移成正比，其方向和物体的位移方向相反。由于在运动过程中受到阻尼的作用，使振动逐渐趋于停止。阻力的方向总是与运动方向相反。当振动不大时，其大小与物体的运动速度成正比。由激振器产生的输出为: (2-1)式中:B - 受迫振动的振幅，即为激振器输出的振幅; - 受迫振动的稳态角频率; - 相位角。在持续稳定振动状态条件下，当振动的频率和系统的固有频率相差很大的情况下，可以认为系统只随激振系统作用。此时有: (2-2)由式(2-2)可以看出，在振动系统偏离系统固有频率的条件下，系统的振动为简谐振动，受迫振动的频率与激振力的频率一致，则受迫振动的振幅为: (2-3)式中: - 与激振力相等的静力作用下的静位移: - 频率比，；- 激振力的频率，- 系统的固有频率； - 相对阻尼系数。则系统的受迫振动的运动方程为: (2-4)由此知，受迫振动的幅值取决于，。与系统的刚度成反比，与激振力成正比，当系统结构一定的情况下，可以通过改变激振力的大小来改变振动系统的振幅。振动系统的频率取决于激振器的振动频率，可以通过改变激振器的输出频率来改变振动系统的频率。当 1 时，即 0.7 ，如果系统的阻尼很小，振幅则增加较快。当 1 时，无论阻尼多大，系统的振幅都比较小。这是由于激振频率很高，激振力方向变化比较迅速。振动系统的质量部件不可能随着激振力方向的变化而迅速变化。当= 1 时，激振频率与系统的固有频率相等。系统的振幅达到最大，产生共振。通过以上分析，希望振动系统在小于系统固有频率的状态下工作。振动系统参数选择可以参考上述对振动系统的分析结果进行。2.3 排种装置的优化设计如图2-3的装配图所示，该排种器对以下几个方面进行了优化及改进设计:1.主轴(空心轴)结构优化：该排种器采用了一根空心轴形成两个压腔的设计，空心轴3被橡胶塞2分成了两个半轴，左半轴连接负压气管，右半轴接正压气管，该结构的优点是既消除了因采用两根独立半轴所形成的悬臂梁结构而使同轴度得不到保证的问题，又消除了结构上因滚筒转动而使轴承磨损加剧的问题。2，采用螺纹导程件定位：在排种器的结构中，螺纹导程件7的作用是在滚筒1与隔气板9在相互接触运动的过程中使隔气板始终沿着滚筒的轴线方向而不发生偏离和旋转。螺纹导程件的采用更好地解决了因零件间的接触运动而引起的系统不稳定及漏气等问题。3.弹簧结构：该排种器在结构上的另一改进是采用了弹簧结构，弹簧的采用能够使隔气板更好地与滚筒内壁进行结合并适时压紧，减少了因摩擦而导致的磨损漏气的问题。4.激振装置：为了减少种箱中种子间的内摩擦系数，增加其流动性，采用了电磁振动系统，这样种子在电磁振动系统的作用下，在种箱中形成“沸腾”状态，更有利于排种器的吸种。5. 排种器性能检测试验台：在试验研究中采用的是JPS-12排种器性能检测试验台，它是通过分析与总结国内外现有排种器试验台的基础上进行设计的，其结构精巧，使用方便，检测手段先进，满足了气力式排种器试验研究的需要。2.4 本章小结根据气吸滚筒式精密排种器的工作原理，对排种器的结构进行了改进设计及优化。通过对主轴结构进行优化，解决了同轴度及轴承磨损等问题;螺纹导程件及弹簧结构的采用，解决了系统的气密性及运动不稳定等问题:采用新式正压腔与优化的种箱结合在排种器性能上更有利于提高排种器的吸种效果。本章对气吸滚筒式精密排种器的优化设计为下面的仿真奠定了基础。第三章气吸滚筒式精密排种器的理论分析3.1 种子所受吸附力及吸种高度的确定3.1.1 吸附力及其影响因素在吸孔附近，种子处于具有一定气体流速的流场中，假设种子在流场中为具有同一尺寸的均匀球体，根据流体动力学原理可知，种子受到流体的阻力推动，即绕流阻力产生的对种子的吸附效果(又称为吸附力)，控制了种子在吸孔附近的运动。设气体的密度为P，则种子所受的吸附力为【16，17】（3-1）式中：阻尼力系数，与种子的形状、表面状态和雷诺数有关，如果种子形状接近球体，则其值约为0.44。 A - 种子在垂直于运动方向的平面上的投影面积，。- 吸孔周围的气流平均速度，m/s 。 d - 种子的直径，m 。若吸孔阻力系数定义，则通过吸孔的气流平均速度可表示为 (3-2)式中一吸孔内外压力差，Pa 。已知吸孔直径为，则通过单个吸孔的空气流量为 (3-3)式(3-2)代入式(3-3)得 (3-4)对于不同形式的吸孔，Fallak S .Sial和Sverker P .E. Persson 在论文中以锥形孔(如图3-1)为例作了阐述【18】，S. Shafii，S.A.Sharer，R.G.Holmes在他们的论文中也进行过研究【19，20】。设在距吸孔中心点为x的地方为种子被吸上吸孔的临界位置，此时气流平均速度为： (3-5)式(3-4)代入式(3-5)得： (3-6)式(3-6)代入式(3-1)得： (3-7)式(3-5)代入式(3-1)得： (3-8)各因素对吸附力的影响分析如下: 由式(3-7)得知，种子所受吸附力F的大小与d，四次方成正比，与Ap成正比。即吸孔直径越大，吸孔内外压差越大，吸附力越大。吸附力过大虽利于吸种，但易造成重播。由式(3-8)得知，种子所受吸附力F的大小与总空气流量Q成正比例的关系，与“成反比例的关系。“越大，F越小。由式(3-7)和式(3-8)可知，吸附力F与吸种高度x的四次方成反比，故x的变化将显著影响种效果。当x趋向于零，吸种力急剧增大，有利于吸种，但同时会造成重播率的增加;当x增大，吸种力会急剧减小，不利于吸种，同时易造成空穴率的增加。3.1.2 吸种高度及影响因素经过理论分析，当种子受到气流作用被吸起时，有平衡方程【21，22，24】： ( 3- 9)式中：- 种子密度，； - 种子体积，； g - 重力加速度，； - 空气密度，； - 阻力系数； - 种子在运动方向上的投影面积，； - 悬浮速度，。对于圆形种子，式(3-9)可以写成【21，24，27】： (3-10)式中- 种子的直径，m 。式(3-9)也可以运用于扁平或者椭圆形的种子模型，在这种情况下【24】 (3-11)式中- 椭圆种子的长轴长度，m ；- 椭圆种子的短轴长度，m ；当气流速度大于，种子受一向上的加速度而被吸起，流速大小与真空度成比例，并在吸孔处达到最大值。假设空气为理想气体，气流从离吸孔较远的自然状态运动到吸孔处是一个绝热等嫡的过程，即： (3-12)式中：p - 大气压力，Pa ；k - 定压和等容下的比热率。 (3-13) R - 普适气体恒量，；T - 空气的绝对温度，k 。对于可压缩流体，应用Bernouli定理并假设气流初始速度为0，则： (3-14)式中：- 自然状态下空气的速度，m/s ； - 吸孔处的气流速度，m/s ； - 空气位于自然状态位置相对于任一水平面的高度，m ； - 空气位于吸孔位置相对于任一水平面的高度，m 。考虑到，(3-14)式可以写成： (3-15)对于绝热等熵过程，式(3-12)可以写成： (3-16)式中：- 自然状态下大气压力，Pa ； - 空气自然状态下的密度，。式(3-16)代入式(3-15)，得： (3-17)则 (3-18)式中：- 吸口处的全压，Pa 。即 (3-19)在理想状况下，对于自然状态下的气体方程可以表示为： (3-20)式中：- 空气自然状态下的绝对温度，k 。式(3-20)代入式(3-19)得：滚筒吸孔处的气流速度 (3-21)式(3-21)成立的条件是小于声速。假设空气流是一维等嫡的，气流速度在吸口处达到声速时真空室内真空度达到极限值，则： (3-22)当，k=1.41 时，得，由此可得真空度的极限值：吸孔处的气体流量 (3-23)式中：- 吸孔直径，m 。将式(3-23)代入式(3-5)式得： (3-24)把式(3-21)代入式(3-24)得： (3-25)把式(3-25)代入式(3-10)得到从吸孔处所能吸附种子的最大吸种高度x为： (3-26)各因素对吸种高度的影响分析如下：滚筒上吸孔的吸种高度与吸孔直径、负压大小、种子密度及种子大小有关。滚筒上的吸孔直径越大，吸孔上的负压越大，则吸种高度越大;而种子密度越大，种子半径越大，锥角越大，则吸种高度越小。3.2 气吸滚筒式精密排种器吸种过程及其影响因素的分析气吸滚筒式排种器吸种过程是指种子在吸孔气流下，从种子群中分离出来被滚筒吸孔吸附和带出的过程，可分为吸附和带出两个阶段【23】。3.2.1种子从种箱到被吸孔吸附过程分析有效的吸附一般都发生在种子群的表面，并且是在很短时间内完成的过程。作用在种子上的力及其变化是很复杂的，为便于问题的分析，下面对此过程作一些假设。1) 假设种子的形状为一球体，半径为，密度为，则质量为： (3-27)2) 假设种子的运动是一个匀加速直线运动，种子吸附过程所需时间是相同的(因为时间非常短，其差异必然也非常小)，即都是在吸孔转过相同的角度时完成吸附过程的。3) 在吸附过程中，作用在种子上的气流吸力虽然是一个大小和方向都在发生变化的力，但因为作用时间非常短，可假设它为一个大小和方向都一定的力。的方向可取为种子初始的重心位置A和完成吸附时吸孔中心位置C的连线方向。根据上述假设，种子的初始位置A可用角度和种子与滚简间的最短距离两个参数来表示，完成吸附时的位置B用角度来表示。这样，吸孔能否吸上种子的条件是：在气流吸力的作用下，种子必须在滚筒转过角度的时间内从A点运动到B点。种子在发生吸附前处于振动状态，受到振动惯性力的作用，但这是一个在大小和方向都随时间发生变化的力。在种子振动幅度比较小的情况下，振动惯性力可以忽略而不考虑。这样，种子在发生吸附前的受力主要有：吸孔内外侧压差造成的气流吸力、种子本身的重力和摩擦力，如图3-3所示图中图3-2 吸种过程示意图图3-3 种子的受力示意图在作了上述简化后，沿滚筒AB连线的方向对种子进行力的分解： (3-28)由式(3-28)可得，这时种子被吸向吸孔的条件为： (3-29)这时种子的加速度为： (3-30)根据假设，种子在吸力F的作用下的有效运动时间为: (3-31)式中：- 滚筒的角速度(弧度/秒)。种子在时间内的位移为： (3-32)把式(3-27)、(3-30)、(3-31)代入式(3-32)可得： (3-33)根据三角形的余弦定理，由图3-2可知AB之间的距离为： (3-34)这样吸孔吸住种子的条件可用下式来表示： (3-35)把式(3-33)、(3-34)代入式(3-35)可得吸种条件为：(3-36)由图可知，式(3-36)中的的计算如下： (3-37) (3-38)其中，，。当一定时，和均为定值，则随着的增大而增大。分析式(3-36)可知，影响吸种可靠性的因素很多。1. 转速的影响：在其它参数不变时，增大转速，意味着滚筒转过角所需时间将变短，种子的运动距离S将变小，这对吸种显然是不利的。2. 角度的影响：当增大时也随着增大，种子重力G在AB方向上的分力将变小，种子的平均加速度将增大。所以增大对提高吸种的可靠性是有利的。3. 从可以看出，种子与吸孔间的距离x增大时，AB两点间的距离将增大，这时的F也将很快变小。由此可见，种子与吸孔间的距离x对吸种可靠性的影响非常大，x越大，越不利于吸种。在概率统计上，种子与吸孔间的距离x的平均值与很多因素有关。当种子的形状不规则、种子的单粒化程度低或者种子补位不及时时，都将使x增大，影响吸种的可靠性。其中造成种子补位不及时的原因是滚筒转速太高或者是吸孔间的行距太小。3.2.2 种子被吸附到滚筒上并随之运动的条件当种子被吸附住后，除受到吸力F、重力G、支持力N外，还受到惯性离心力和滚筒对它的摩擦力大的作用。种子在摩擦力f,的作用下，被滚筒带出种箱的条件是在切线方向有： (3-39)摩擦力可用下式表示： (3-40)把式(3-40)代入式(3-39)，有： (3-41)即： (3-42)式中：- 吸孔附近种子与滚筒的摩擦角，弧度； - 种子与滚筒轴线所在水平面的夹角，弧度。式(3-42)就是种子在吸孔气流的作用下被滚筒带出种箱的条件。如果贴在滚筒上种子距离吸孔较远，这时，当滚筒转速比较低时，惯性离心力也可以忽略不计。这时，式(3-42)可以写成下式： (3-43)式(3- 43)表明，当种子与滚筒的摩擦角大于或等于种子与滚筒轴线所在水平面的夹角的余角时，种子在只有摩擦力的作用下也将被带出种箱。分析式(3-42)可知，增大种子与滚筒轴线所在水平面的夹角有利于滚筒带出种子；相反，当减小时，则对种子的带出不利。如果有多粒种子贴近吸孔，即使各种子受到的气流吸力F不是很大，但在摩擦力的作用下也可能被滚筒带出种箱，很容易造成一孔吸多粒的现象。特别是当较大时这种现象更容易发生。种子被滚筒带出种箱后，要保证种子不在重力的作用下从吸孔上自动掉下来，摩擦力必须始终大于种子重力的分力。式(3-42)是当种子在II、III象限时所在的形式。当种子在I、IV象限时，式(3-42)应写成下式： (3-44)将式(3-44)的右边对求导，并令其等于零： (3-45)解式(3-45)可得：。这时，式(3-44)的右边取得最大值，即种子在这个位置最易脱落。3.3 气吸滚筒式精密排种器的排种过程分析3.3.1 排种误差J.M. Wilson在论文中对排种阶段进行了分析【2628】，如图3-5所示，图3-5 排种过程示意图种子在脱离排种滚筒的瞬间的水平速度： (3-46)式中：- 机组前进速度，m/s ； - 滚筒的圆周速度，m/s ； - 排种点和圆心的连线与垂直方向的夹角，弧度。种子在脱离排种滚筒的瞬间的垂直速度： (3-47)种子飞行落到土壤表面所经过的距离表示为： (3-48)式中：- 种子运动时间，。种子脱离排种滚筒时的水平误差： (3-49)式中：- 滚筒半径，m ，种子脱离排种滚筒时的垂直误差： (3-50)种子下落的时间由下式求得： (3-51)式中：- 滚筒正下方距地面的垂直距离，m 。从而得： (3-52)由播种机前进速度所引起的排种误差为： (3一53)从图3-5可以看出，种子从滚筒正下方的投影点C点到实际落地碰撞点之间总的距离为： (3-54)式中：- 排种位置距离滚筒中心垂线的水平距离，m. 。和的正负取决于的值。从理想点排种的实际距离如下： (3-55)式中：- 重力加速度，。位置误差： (3-56)结合式(3-48), (3-49)、(3-53)和(3-54)得： (3-57)总的位置误差： (3-58)3.3.2 种子落地碰撞角和碰撞速度图3-6 种子下落时的受力分析如图3-6所示， (3-59)式中：- 种子落地瞬时速度，m/s; - 的水平分量，m/s; - 的垂直分量，m/s.若空气阻力忽略不计，则： (3-60)由抛射理论，得： (3-61)碰撞角表达式，化简得： (3-62)碰撞速度表达式 (3-63)3.3.3 排种过程影响因素分析1 由式(3-58)和式(3-63)看出，当滚筒与地面间的高度H一定，种子在滚筒正下方下落时，如果种子在滚筒圆周上的速度与播种机前进速度大小相等，方向相反，可以实现零速投种，此时排种的位置误差E为零，种子与地面的碰撞速度最小。这时播种效果最好，是最期望得到的结果.2 由式(3-58)、式(3-62)和式(3-63)可知，对于给定的排种误差角，当一定时，排种高度H对位置误差E和碰撞角度影响不大，但是对碰撞速度有影响。若使碰撞速度尽可能小，则播种滚筒应尽可能接近于地面以减小高度，从而有利于减小种子的弹跳距离，同时可减小种子在飞行过程中的不稳定性。3 当一定，随着机组前进速度的增加，E和均随之增加，而随之减小。由上述分析可知，为了达到较好的播种效果，排种时应尽可能使种子的水平速度分量接近于零，同时使播种滚筒离地高度尽可能小，这样可以使种子定位精确，减小种子下落时的反弹。3.4 本章小结对气吸滚筒式精密排种器的吸种及排种过程进行了理论分析，得到了吸附力、吸种高度、排种误差、碰撞角和碰撞速度等数学模型，并对它们的影响因素进行了分析。通过本章的理论分析可知，为了使排种器更加有效地吸排种，应使过种箱及滚筒中心线的平面与水平面的夹角尽可能大，即种箱离滚筒中心水平面越高越有利于吸种；为了实现零速排种，要尽可能使排种区位于滚筒的正下方，同时使播种滚筒离地高度尽可能小，减小种子下落时的反弹。本章为排种器的优化及试验研究提供了理论依据。第四章气吸滚筒式精密排种器气流场的计算机仿真4.1 ANSYS简介【2932】ANSYS是融结构、流体、电磁、热、声学为一体的大型通用有限元分析软件，与其他大型有限元分析软件相比，其最突出的特点是友好的程序用户界面和完整强大的图形交互能力，从而极大地方便了用户的操作。它拥有丰富的单元库和材料库，用户可以根据具体的分析对象选取合理的单元及材料特性，除此之外，用户还可以自定义材料特性，以满足特殊情况的需要。ANSYS能够高效地求解各种复杂结构的静力、动力、振动、线性和非线性、模态分析、谐波响应分析、断裂力学等问题。它具有完善的前后处理模块和强大的数据接口，因而是计算机辅助工程(CAE)、工程数值分析和仿真的有效工具。ANSYS软件中的FLOTRAN CFD (Computational Fluid Dynamics)的分析功能是一个用于分析二维和三维流体流动场的先进工具。FLOTRAN能够用于如下的分析：(1) 层流或湍流分析层流中速度场都是平滑而有序的，高粘性流体(如石油等)的低速流动通常是层流。湍流分析用于处理那些由于流速足够高和粘性足够低而引起湍流波动的流体流动情况，ANSYS中的二次湍流模型可用来解决在平均流动下湍流速度波动的影响。如果流体的密度在流动过程中保持不变或者当流体压缩时只消耗很少的能量，该流体就可认为是不可压缩的，不可压缩的温度方程将忽略流体动能的变化和粘性耗散。(2) 传热或绝热分析流体分析中通常要求解流场中的温度分布情况，如果流体性质不随温度而变，就可不解温度方程而使流场收敛。(3) 可压缩或不可压缩流体分析对于高速气流，由很强的压力梯度而引起的流体密度的变化将显著地影响流体的性质，ANSYS对于这种流动情况会使用不同的计算方法。(4) 牛顿流或非牛顿流分析应力与应变率之间成线性关系的这种理论并不足以解释很多流体的流动，对于这种非牛顿流体，ANSYS软件提供了三种粘性模型和一个用户自定义的子程序。(5) 多组分传输分析这种分析一般是用于研究有毒流体性质的稀释或大气中污染气体的传播情况，同时，它也可以用于研究含有多种流体同时存在且相互被固体分开的热交换分析。一个典型的FLOTRAN分析将有如下七个主要分析步骤：1 确定问题的分析区域2 确定流体的状态3 生成有限元网格4 施加边界条件5 设置FLOTRAN分析参数6 求解7 检查结果4.2 ANSYS仿真初始边界条件的设定4.2.1 吸孔的结构形状及初始化条件图4-1 吸孔的结构形状由于气流在吸孔中是轴对称流动的，因此可以简化为二维轴对称流动的问题进行求解。利用FLOTRAN CFD的FLUID141单元来作二维分析，作了以下假设:(1) 排种器吸孔进口气流速度均匀，并且垂直于进口流场方向上的流体速度为零。(2) 在所有壁面上施加无滑移边界条件(即所有速度分量都为零)。利用ANSYS进行模拟试验时各参数如下：流体性质 :空气流体的密度:1.20 5kg/m3流体的粘度:1.83 X 1 03Pa. s吸孔入口压力:1标准大气压吸孔出口压力:0P a参考大气压:1标准大气压，即101325Pa参考温度:200C，即293K试验条件:绝热4.2.2 流态的判别一雷诺数【3234】粘性流体运动有两种形态，即层流流态和紊流流态。处于层流流态的流体，质点呈有条不紊、互不掺混的层状运动形式:而处于紊流流态的流体，质点的运动形式以杂乱无章、相互掺混与涡体旋转为特征。将紊流流态向层流流态转换的临界流速称为下临界流速，由层流流态向紊流流态转换的临界流速称为上临界流速。试验发现，临界流速的大小与管径d 以及流体的运动粘度有关，即 (4-1)或 (4-2)其中与是无量纲常数，称为下临界雷诺数，为上临界雷诺数。通过对各种流体与不同管径的试验，发现是一个常数即下临界雷诺数不随着流体性质、管径或流速大小而变。然而，上临界雷诺数一般不为常数，因为流动由层流流态向紊流流态的转变取决于流动所受到的外界扰动程度。一般地为了判别圆管流动的流态类型，定义无量纲参数 (4-3)其中表示实际发生的断面平均流速，为流体密度，为特征尺寸(如管道直径)，为流体的粘性系数，称Re为雷诺数。从理论角度来看，当层流的时，尽管层流开始处于不稳定状态，但如果没有外界扰动，层流流态可以继续维持下去，直至。然而上临界雷诺数依赖于外界扰动的程度，而且在实际流动中扰动总是存在的，因此用来判别流态是没有什么实际意义的。在工程实际中，通常采用下临界雷诺数作为流态判别的标准；层流流态：紊流流态：ANSYS模拟试验中，如暂取, m/s, mm，kg /(m s)，得雷诺数：故模拟试验中的流场为紊流流场，反之则为层流流场。4.2.3 流体可压缩性的判别马赫数【35，36】马赫数是流体力学中表征流体压缩性影响的相似准数。记作Ma。 (4-4)式中为流场中某点的流速；为当地声速；为比热比；为气体常数；为热力学温度。在不可压缩流动中，流体密度不变，声速为无限大，马赫数为零。在可压缩流动中，马赫数越大，流体的密度变化越大，即流体表现出的可压缩性越大。通常，按不同的马赫数范围，把流动划分为低速流动(Ma 0.3)、亚声速流动(0.3Ma0.8)、跨声速流动(0.8 Ma 1.2)、超声速流动(1.2 Ma5)等。ANSYS模拟试验中，如暂取m/s，对于空气，Nm/(kgK)，K，代入公式，得：故流体为可压缩流，反之则为不可压缩流。4.3 仿真结果吸种性能反映了排种器吸附种子的难易程度，而影响其主要的因素为吸孔。4.3.1 吸孔形状对吸种性能的影响ANSYS仿真试验中，我们选取底部直径均为2mm的直孔、锥形孔和沉孔作为试验对象。其试验结果如下：图4-2 吸孔为直孔的气流场分布图图4-3 吸孔为锥形孔的气流场分布图图4-4 吸孔为沉孔的气流场分布图表4-1 三种类型吸孔气流入口速度表图4-5 三种类型吸孔入口气流速度由图4-2、图4-3和图4-4仿真结果得到表4-1和直方图4-5。由流体力学知识可知，在气流量相等的条件下，截面面积越大，则通过截面的气流速度越小。对于直孔，由于其无截面积的变化，故其入口处气流平均速度和最大速度相等。而锥形孔和沉孔由于其入口处的横截面积较大，故入口处的气流速度比直孔要低。而由伯努利方程可知，气流速度越大，压力越小，吸种性能越好，故直孔的吸种性能要好于锥形孔和沉孔，锥形孔的吸种性能次之，沉孔的吸种性能最差，但由于锥形孔和沉孔入口处的横截面积较大，其吸种范围较大，故孔型对吸种性能的影响有待试验验证。4.3.2 吸孔导程对吸种性能的影响我们选择了吸孔导程分别为4mm、8mm和12mm的孔径为2mm的直孔进行了仿真试验，试验结果如下：图4-6 吸孔导程为4mm，孔径为2mm直孔的气流场速度模拟图图4-7 吸孔导程为8mm，孔径为2mm直孔的气流场速度模拟图图4-8 吸孔导程为12mm，孔径为2mm直孔的气流场速度模拟图表4-2 三种导程的直孔入口气流速度图4-9 三种导程的直孔入口处气流速度由图4-6、图4-7和图4-8仿真结果得到表4-2和直方图4-9。从表4-2和直方图4-9可以看出，吸孔导程增加以后，吸孔入口处的气流速度有所减少，但并不明显。导程只起到了对气流的调整和稳定作用，增加导程提高了气流的稳定性，但对吸种性能的影响并不大【37】。4.3.3 吸孔孔径大小对吸种性能的影响我们选择了孔径分别为1mm、2mm和3mm的导程为4mm的直孔进行了仿真试验，试验结果如下所示：图4-10 孔径为1mm，导程为4mm直孔的气流场分布图图4-11 孔径为2mm，导程为4mm直孔的气流场分布图图4-12 孔径为3mm，导程为4mm直孔的气流场分布图表4-3 三种孔径的直孔入口气流速度图4-13 三种孔径的直孔入口气流速度由图4-10、图4-11和图4-12仿真结果得到表4-3和直方图4-13。从表4-3和直方图4-13可以看出，增加吸孔的孔径，气流在吸孔入口处的速度变化并不明显，如上图所示，但是由流体力学知识可知，孔径越大，气流量越大，在相同的吸种半径条件下，以吸孔为中心的球体表面的气流速度越高，吸种能力越强。所以孔径为3mm的直孔的吸种能力最好，孔径为2mm的次之，孔径为1mm的最差。4.3.4 吸种滚筒内部负压区气流场仿真对于吸种滚筒，我们选择了六种形式的吸孔进行了仿真，吸孔在滚筒上的分布从左到右依次编号为：1、的沉孔，2、的沉孔，3、的锥形孔，4、的锥形孔，5、的直孔，6、的直孔。试验时吸孔内外压差为一个标准大气压。仿真结果如下：图4-14 滚筒内部负压区气流场速度分布图表4-4 滚筒负压区六种吸孔气流速度图4-15 滚筒负压区六种吸孔气流速度由图4-14仿真结果得到表4-4和直方图4-15。仿真结果表明：滚筒上的吸孔越靠近空心轴上的负压吸孔，吸孔处的气流速度越大，远离空心轴上的负压吸孔的吸孔，其气流速度基本没有变化。这是因为空心轴上负压吸孔处压力较大，气流速度也越大，气流场在滚筒内部未得到充分发展，故滚筒上的吸孔离空心轴上的负压吸孔越近，受到的影响越大。4.3.5 吸种滚筒内部正压区气流场仿真吸种滚筒内部正压区的作用是产生正压气体，迫使滚筒吸孔上的种子强制落下。试验滚筒上的吸孔排列顺序与负压区仿真时滚筒上吸孔的排列顺序一致。试验时施加的外部条件为：进气口气流速度2m/s ，吸孔出口相对压力为零。仿真试验结果如下：图4-16 滚筒内部正压区气流场速度分布图表4-5 滚筒正压区六种吸孔气流速度图4-17 滚筒正压区六种吸孔气流速度图4-18 滚筒内部正压区压力分布图表4-6 滚筒正压区六种吸孔压力分布图4-19 滚筒正压区六种吸孔的压力分布由图4-16气流场速度分布图得到表4- 5和直方图4-17，由图4-18压力分布图得到表4-6和直方图4-19。通过对气流的速度和压力的仿真可以看出，处于正压区的各个吸孔气流速度基本在2.5m /s-3.5m /s之间，各吸孔处的压力在1到1.3个大气压之间。吸孔离风管出口较远，吸孔处压力及气流速度较小，变化不大;靠近风管出口，吸孔处的压力及气流速度较大，变化也较明显。这是因为受正压空间限制，气流场未得到充分的延伸发展，故靠近风管出口的吸孔受气流影响较大，而远离风管出口的吸孔受气流影响较小。4.4 本章小结本章采用ANSYS软件对吸孔及滚筒内部正负压区进行了流场分析和流场的模拟，分析了吸孔的三种形状:直孔、锥形孔和沉孔对吸种性能的影响:同时分析了吸孔的导程和吸孔孔径的大小对吸种性能的影响。结果表明:1、在吸孔内外压差为1个标准大气压的条件下，直孔的吸种性能要好于锥形孔和沉孔，锥形孔的吸种性能次之，沉孔的吸种性能最差。但由于锥形孔和沉孔入口处的横截面积较大，其吸种范围较大，故吸孔形状对吸种性能的影响有待试验验证。2、吸孔导程的增加对吸孔入口处气流速度的影响并不明显。导程只起到了对气流的调整和稳定作用。3、吸孔孔径的增加对吸孔入口处气流速度的影响不太明显，但由于随着孔径的加大，气流量随之增加，吸种能力增加，故孔径越大，吸种能力越好。4、在吸种滚筒内部的负压区，滚筒上的吸孔越靠近空心轴上的负压吸孔，吸孔处的气流速度越大，远离空心轴上负压吸孔的吸孔，气流速度较小，基本没有变化。5、在吸种滚筒内部的正压区，滚筒上的吸孔远离风管出口，吸孔处压力及气流速度较小，变化不大;靠近风管出口，吸孔处的压力及气流速度较大，变化也较明显。本章运用ANSYS进行的模拟仿真为下面的气吸式精密排种器的设计和试验研究奠定了基础。第五章总结与展望本文在全面深入地研究了国内外气吸滚筒式精密排种器的基础上，改进设计并制造了一种新型的排种器。该排种器结构简单，同时便于适时调节。通过对该排种器进行理论分析、计算机仿真及试验研究，现总结如下:1.对种子吸附力、吸种高度及排种误差进行了理论推导，并对它们的影响因素进行了分析:1) 吸孔直径越大，吸孔内外压差越大，吸附力越大;种子所受吸附力的大小与空气流量成正比例的关系，与锥角成反比关系;同时吸附力的大小与吸种高度有关。2) 吸种高度与吸孔直径、负压大小、种子密度及种子大小有关。吸孔直径越大，负压越大，则吸种高度越大;而种子密度越大，种子半径越大，吸孔锥角越大，则吸种高度越小。3) 机组的前进速度、滚筒的转速及排种位置对排种误差有影响。当种子在滚筒正下方下落时，如果种子在滚筒圆周上的速度与播种机前进速度大小相等，方向相反，可以实现零速投种，此时播种效果最好。2.运用ANSYS有限元分析软件对吸种口气流场及正负压区的气流场进行了仿真，仿真试验表明:1) 在吸孔内外压差为1标准大气压的条件下，直孔的吸种性能要好于锥形孔和沉孔，锥形孔的吸种性能次之，沉孔的吸种性能最差，但由于锥形孔和沉孔入口处的横截面积较大，其吸种范围较大，经试验验证，锥形孔的吸种性能最好。2) 吸孔导程的增加对吸孔入口处气流速度的影响并不明显。导程只起到了对气流的调整和稳定作用。3) 吸孔孔径的增加对吸孔入口处气流速度的影响不太明显，但由于随着孔径的加大，气流量随之增加，吸种能力增加，故孔径越大，吸

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