气吸滚筒式精密排种器的优化设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 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 : 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。 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。 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 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。 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孔为锥形孔，吸孔压差为2动频率为 80筒转速为 14r/粒率达到 92%,空穴率为 4%。 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 . 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 ;试验 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 is to by it a of to on a of of of so s of up on as 1. up of up up 2. to of of of of of of no to to in of on on of of of of PS of of to 2%,% mm,of of 0Hz of 4 r/文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目录 摘 要 . 1 . 2 目录 . 3 第 1 章 绪论 . 6 究小颗粒种子精播技术的目的和意义 . 6 内外气力式精密排种器的发展概况 . 6 国外气力式排种器的发展概况 . 6 国内气力式排种器的发展概况 . 7 内几种典型的气吸滚筒式精密排种器 . 8 文研究的内容 . 9 第 2 章 气吸滚筒式精密排种器的优化设计 . 9 种器结构及工作原理 . 9 体结构 . 9 作原理 . 10 种器的设计 . 10 种滚筒上吸孔的设计 . 10 种滚简内部正负压腔的设计 . 10 磁振动系统的原理及选用 . 11 种装置的优化设计 . 12 章小结 . 13 第 3 章 气吸滚筒式精密排种器的理论分析 . 13 子所受吸附力及吸种高度的确定 . 13 附力及其影响因素 . 14 种高度及影响因素 . 15 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 吸滚筒式精密排种器吸种过程及其影响因素的分析 . 18 子从种箱到被吸孔吸附过程分析 . 18 子被吸附到滚筒上并随之运动的条件 . 20 吸滚筒式精密排种器的 排种过程分析 . 21 种误差 . 22 子落地碰撞角和碰撞速度 . 23 种过程影响因素分析 . 24 章小结 . 24 第 4 章 气吸滚筒式精密排种器气流场的计算机仿真 . 25 介 . 25 真初始边界条件的设定 . 26 孔的结构形状及初始化条件 . 26 态的判别一雷诺数 . 26 体可压缩性的判别 马赫数 . 27 真结果 . 28 孔形状对吸种性能的影响 . 28 孔导程对吸种性能的影响 . 28 孔孔径大小对吸种性能的影响 . 29 种滚筒内部负压区气流场仿真 . 29 种滚筒内部正压区气流场仿真 . 29 章小结 . 30 第 5 章 气吸滚筒式精密排种器的试验研究 . 31 种器的性能指标 . 31 验中影响排种效果的因素分析 . 31 验总体设计 . 32 穴率的试验结果分析 . 33 合选优及结果验证 . 34 章小结 . 34 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 总结与展望 . 35 参考文献 . 36 致 谢 . 38 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 1 章 绪论 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 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%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 : 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。 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% 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。 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。 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 排种器是由种子室和真空室组成，但是该机难买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 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 针式、滚筒式两种。 种精度高达 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 );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 8】。 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 :22宁省农机研究所也经多年的改进试验研制出了与铁牛 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 2台地区农机所研制的 2连市农机化所研制的 2西省农机所研制的 2“八五 ”期间，北京农业工程大学研制出了 2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 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 2用振动气吸的原理，每穴 10%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，买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 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。 内几种典型的气吸滚筒式精密排种器 【 11】 (1) 台湾的陈世铭等研制的 “振荡式多用途真空播种机 ”，采用的就是滚筒型气吸式排种器。该装置采用了锥形孔和振动装置来改善播种器的充种性能，然后用高速气流来清除多余的种子。为避免清种的高速气流对吸孔处的流场造成破坏，滚筒上吸孔的分布采用的是五刻划形式 (即沿圆周方向五等分滚筒来分布吸孔 )。这样每播一盘，滚筒需要转动几圈才能完成。为了保持较高的生产率，滚筒的转速较高。另外，因为采用了锥形吸孔，简单的切断负压不能 保证卸种的一致性和准确性，所以又用了高速气流从内侧沿吸孔轴线方向来把种子吹落。 (2) 广西林科所研制的 4种装置采用的也是气吸式滚筒型排种器。滚筒转动时把种子吸附在滚筒圆周面上，通过切断真空，种子靠自重下落到容器内。该装置采用的是凸台式吸孔，吸嘴孔径的大小按种子千粒重而定，播南方的湿地松种子，孔径为 1毫米，播经过精选后裹成直径为 4径为 种有种率可达 95%以上。该装置采用真空泵作负压源 (型号为 2这套生产线的生产率比较低， 每小时才播种 10000穴。育苗容器输送带的运行速度为 秒，播种机构的播种滚筒转速为 7转 /分。 (3) 吉林农业大学的盛江源等为了解决人参小行距精密播种的问题，也研制了一种气吸式滚筒型排种器。工作时，风机进风口与滚筒轴 (空心轴 )相连，将滚筒内抽成一定的真空度，当滚筒经过种箱时，凸台上的吸孔将种子吸住，并随滚筒旋转至卸压区，此时卸压辊将吸孔堵住，吸孔内外压差消失，种子靠自重落入接种杯内，经输种管排入播行。他们运用正交试验的方法，通过台架试验，得到了试验因素的最优组合。 (4) 由中国农业大学和广西北海 市农机化研究所研制的气吸式双层滚筒水稻播种器【 12】 ，采用双层滚筒结构 (外层壁薄、光滑、孔径小、内层孔径大 )使吸孔卡不住杂质，有效地解决了吸孔堵塞的难题。其结构简图如图 1作原理为 :滚筒内腔是一全封闭的真空负压室，表面有与秧盘穴孔相对应的小孔和真空室相通。工作时。抽气机构抽走滚筒内腔的空气 使吸孔的两端形成负压 )转至滚筒正下方时，吸孔内端进入增压室，负压被切断并处于增压状态，种子在自重及正压作用下落入秧盘的穴孔中 现滚筒上的吸 孔与秧盘上的穴孔一一对应，滚筒不断转动，秧盘不断随同步输送机构前进，从而达到连续对穴播种的目的。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 种子箱 5. 0. 滚筒播种器 气流方向 图 1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 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. 运用回归分析，建立试验指标与几个显著因素的关系式。 第 2 章 气吸滚筒式精密排种器的优化设计 种器结构及工作原理 体结构 气吸滚筒式精密排种器总体结构布局如图 2 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 气吸滚筒式精密排种器的结构示意图如图 2要由隔气板 1、弹簧 2、空心轴 3、滚筒 4、橡胶塞 5、种箱 6、激振装置 7、输送带 8和气源等组成。其特点为弹簧压紧隔气板，便于适时调节压紧面。激振装置激振后，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【 13】，便于滚筒吸种。其具体的排种器装配图如图 2 作原理 如图 2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，空吸机通过空心轴 3上的吸孔吸走滚筒表面内腔的空气，产生负压，使滚筒 4上吸孔的两端形成负压差，滚筒绕固定空心轴 3转动，当滚筒 4上的吸孔经过种子箱 6时，种子在吸孔负压差的作用下被吸附在吸孔上随滚筒 4一起转动。当滚筒 4转至正下方隔气板 1所形成的正压腔时，负压被切断，种子在自重和正压的作用下落到输送带 8上。 种器的设计 【 14， 15， 16】 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、振动系统的频率高低及滚筒转速等。是否合理选择吸孔的形状大小、滚筒内部正负压、振动频率及滚筒转速将显著影响排种器的吸排种性能。 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以通过试 验确定最优吸孔形状和大小。 种滚简内部正负压腔的设计 如图 2心轴 3分为左右两部分，通过橡胶塞 5隔开，橡胶塞 5左边一段轴上开有吸孔，与滚筒 4上的吸孔相通，右边一段轴与正压室相连。工作时，左半轴通过空吸机吸气形成负压，空心轴 3左半轴与滚 筒 4表面的吸孔之间形成负压腔，同时右半轴通正压气体，隔买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 气板 1与滚筒内壁之间形成正压腔。弹簧 2的作用是调节隔气板与滚筒内壁的压紧程度，防止磨损漏气。 磁振动系统的原理及选用 【 9,17】 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电磁式。工作时，电磁铁线圈通以脉冲信号，由于铁芯的断续吸力和振动弹簧的作用，使种箱做上下垂直振动。电磁振动系统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。 电磁振动系统的力学 模型如图 2 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 : 1 (2式中 :B - 受迫振动的振幅，即为激振器输出的振幅 ; 1 - 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 : 1 s (2由式 (2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 : 2220 211 式中 :0激振力相等的静力作用下的静位移 : - 频率比，； f - 激振力的频率，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 : 12220 s 由此知，受迫振动的幅值取决于0B， ， 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 0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 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。 种装置的优化设计 如图 2排种器对以下几个方面进行了优化及改进设计 : 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 4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。 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。 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。 在试验研究中采用的是 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。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 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 :采用电磁振动系统在排种器性能检测试验台上进行试验，更有利于提高 排种器的吸种效果以及对排种性能的检验。 本章对气吸滚筒式精密排种器的优化设计为下面的仿真及试验研究奠定了基础。 第 3 章 气吸滚筒式精密排种器的理论分析 子所受吸附力及吸种高度的确定 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 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 【 18， 19】 20220 812 F （ 3 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 A - 种子在垂直于运动方向的平面上的投影面积 ， 2m 。 0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 2/ 2 ，则通过吸孔的气流平均速度 2 (3式中 p 一吸孔内外压力差， 已知吸孔直径为则通过单个吸孔的空气流量为 42 ii (3式 (3入式 (3 i 242 (3对于不同形式的吸孔， 论文中以锥形孔 (如图 3例作 了 阐述 【 20】， S. 21，22】。 设在距吸孔中心点为 时气流平均速度为 ： c o 0 x x(3式 (3入式 (3： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 px dv i 2c 20(3式 (3入式 (