气动射种装置的设计【通过答辩毕业论文+CAD图纸】
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第二章 机械装置的设计 7 第二章 机械装置的设计 体设计方案 气动射种装置是将机械技术、电子技术、 技术综合应用于农业 机械领域的一种新型机电一体化装置，可分为气动射种装置和电气控制两大部分。 试验的基本过程分为 制步进电机排种、电磁铁控制排种 活塞 送种和 气动 电磁阀控制高压气流射种三个部分。本套装置仅针对单粒种子进行试验，所以排种机构采用窝眼式排种器，用步进电机驱动窝眼式排种器排种。在试验过程中要实现送种和射种的高度协调配合，就必须有一套精确的控制机构。 其精确的控制和众多优越于单片机的性能而被用于射种装置 的控 制系统 。具体的工作循环流程为： 制步进电机排种 开启排种阀关闭排种阀开启电磁阀气动射种关闭电磁阀步进电机排种，重复上述循环。总体设计方案如图 2示： 图 2验装置的总体方案 置总体设计 本套装置设计成两大部分：机械排种、送种装置和电气控制部分。机械排种、送种装置又可分为 动力部件和执行机构两部分，只要集中在一个整体的机架内，机架至于车架之上；电气控制系统 独立于机械排种、送种装置之外，其目的是不仅便于进行接线、检修等操作而且使该装置的安全系数大大提高；因属初步的实验性 研究，高压气体压缩机暂时独立于两大部分之外，用高压输气管道进行连接。 装置的工作过程为：步进电机动作驱动排种器的主轴实现排种，经过一定的延时后，排种电磁铁吸合将种子送入种腔，然后电磁铁断电在自然状态，排种 活第二章 机械装置的设计 8 塞 在复位弹簧的作用下闭合， 气动 电磁阀得电吸合实现高压输气，射种完毕后松开电磁阀。一个完整的射种过程就完成了。 走装置的设计 在研制的初级阶段，以实现该播种方式为目标，设计一个单行播种的装置。随着播种的成功，逐步扩展到多行播种。行走装置包括车架装置和机架装置。 车架装置是推动播种装置前进以保证连续 播种，单行播种装置应用手推地轮装置，利用四个地轮和人的动力前进播种；车架总体结构图如图 2示。 车架竖梁设置滑道，使得机架可以上下滑动，便于调节喷嘴离地面的高度。 根据人的身高，作业时扶手的顶部到地面的垂直距离设置 约 为 760据作业时人体和机器的平衡习惯，扶手在水平方向的投影距离 约 为 310 机架装置用来放置各种播种部件，如排种腔体 、牵引电磁铁等射种部件 。机架总体结构图如图 2示。 图 2架侧视图 图 2架侧视图 种装置的设计 本装置的关键部件为射种元件，其性能直接决定了试验的成功与否。这一部分对密封性有很高的要求，进气腔体和排种腔都要求承受 1压力，同时还要保证其它地方无气体溢出。排种部分要顺利的将种子排入排种腔，而不会被排种阀带回。 本研究先初步设计一种射种器， 进行射种实现的实验。 在此基础上进行如下实验研究，建立相关的模型，然后再进行射种器的改进设计，经过多次第二章 机械装置的设计 9 反复，获得射种器的设计参数，用于指导射种器的设计。 射种器的主要硬件构成部件有种子排种阀、腔体、喷嘴、和用于产生气体的二位二通电磁阀。从 输种管下来的种子在排种阀下移的时候掉进种子腔体。由于种子腔体是一个圆柱形，喷嘴是一个漏斗形的用弹性塑料制造，种子只能掉落在喷嘴的最底部，无法停留在上面的任何一个位置，在喷嘴最底部开了一个直径小于种子的小口，使种子不能靠自身的重力滑落到加速管中，只能等待高压气体压入加速管中。二位二通电磁阀向腔体中输送高压气体，把喷嘴上面的种子压入加速管中，并在加速管中对种子进行加速，使种子产生巨大的动能，直接射入土壤中。射种器的总体结构图如图 2示。 在此装置中，排种阀除了使种子进入腔体外，还起着密封气体的作用。 另外，种子在喷嘴最部，用自身的体积封住喷嘴底部的小口，也起到密封气体的作用。 图 2动射种元件示意图 1二位二通电磁阀 2接头 3十字槽凹穴六角螺栓 4平垫圈 5 螺杆 6 六角螺母 7 复位弹簧 8 压板 9 腔体 10 排种活塞 11 密封垫 12 喷嘴 喷嘴 第二章 机械装置的设计 10 种机构的设计 1、 送种机构的设计要求：顺利地送种。种子送入种腔后，排种活塞返回时不至于将种子带回，这样将不能实现排种。本套机构采用种子的自重 送种 ：种子经过落种口进入送种腔后，随着活塞的向 下运动种子也在自重和排种阀压板的作用下进入射种腔，通过控制活塞在腔体内的时间，可以控制排种准确度。由于振动和种子自重的原因，种子会落入腔体中，经过一定的时间后，排种电磁铁断电，排种活塞恢复到初始状态，完成一次排种。 2、 排种活塞的设计：送种阀的作用不仅是排种还有密封送种腔体的作用。所以送种阀下端设计成锥形，上端为圆柱形，起压种作用以免种子粘在腔壁上。如图 4 中 10 所示。 3、 送种腔体的设计：腔体的设计示意图如 2示： 图 2种腔体示意图 1送种腔 2射种腔 送种腔体采用有机玻璃 加工而成，选材的原因： 一是有 玻璃 钢 是一种透明的材料，这样在具体的试验过程中可以方便的观察种子在排种腔中的运动状态，可以方便的调节具体的参数如：排种时间、压力等来控制排种，同时对试验结果的分析也有重要的作用。二是可以较好的密封。排种活塞采用 45#钢制作，与送种腔体不属于同一种材料，这样在密封方面可以很好的实现。送种腔的下部设计成锥形是考虑到种子能顺利的进入排种阀的锥面上。射种腔的设计充分考虑到顺利第二章 机械装置的设计 11 排种和尽量减少 气体 的压力损失。 试验对象绿豆的直径最大为 3所以为了保证种子能顺利地排出腔体，由于所以若要种子 落在射种腔里，就需要射种腔的直径 D 与排种阀的直径 d 之差： 3 考虑到气体管道截面突然扩大而造成的损失：气体通过管道截面突然扩大处的流动情况如图 2 6 所示。在突然扩大的 1 2 截面之间，流动分为两个区域：区是流动核心区；区是涡 流区 图 2 6 截面扩大时流体运动情况示意图 在两个区域的界面上，流体质点不断进行交换，在两个区域速度分布都在发生剧烈地变化，而在涡流区速度的大小及方向均在急剧地改变着。在突然扩大截面 1 1 上，核心区流体压强按静压强分布规律，在涡流区内压强不遵循静压强 分布规律（在近似计算中假定按静压强分布规律在工程上是准确的）。假定流经管道截面突然扩大的流体是不可压缩的稳定紊流运动。由于 1 2 截面间距离短，忽略沿程损失及管道切向应力的作用。根据 12伯努利方程、动量方程和连续方程得出：能量损失： 2221 1 112(1 ) 22w s v vh s g g （ 2 或 2222 2 221( 1 ) 22w s v vh s g g 其中1、2为突然扩大局部阻力系数， 式 22112(1 ) （ 2 （ 2一个理论近似表达式，局部压力阻力系数（ 2与截面积之比有关。 所以如果想要减少压力损失就需要缩小两个截面之差，根据的分析，取射种腔的直径为： 40体的形状 如图 2 6 所示，这样既可以减小两个截面之差，又可以满足顺利排种的需要。 第二章 机械装置的设计 12 它附属设备的设计、选择及注意事项 嘴的设计 确定喷嘴喷口面积对整个水射流系统有着重要的作用。若喷口面积偏大，则会使喷射平均动能大大下降，若喷口面积偏小，又会产生相应的回流，也会使喷嘴动能下降。这就要求合理的设计喷嘴的喷口尺寸。一般的射流喷嘴喷口设计成圆形，这样也是为了减小能量的损失，在保证能排出种子的前提下喷口直径越小越好。 试验是以绿豆种子为对象，必须保证喷嘴出口能容纳下一粒绿豆。绿豆的最大直径为 3体的尺寸：出口尺寸为 6嘴的入口尺寸设计为14嘴作为一种能量转换的机械元件，其能量转换效率也是设计时应该考虑的关键参数。液流由高压泵增压后通过高压管到达高压喷嘴，由高压喷嘴将其转化为高压高速 气 流，在此转换过程中存在流量损失，而流过喷嘴液流的实际流量与理论流量之比，也就是喷嘴的流量系数集中反映了这种损失。 下面按照高压气流在流道中的性质，采用连续方程和欧拉方程推导高压气流喷嘴流量系数的表达式。 如图 2示为高压气射流喷嘴的结构示意图，在喷嘴流道中流过的高压气流属于不可压稳 定无漩流，对此流动建立如图 2示的柱坐标系 ， ， ） ，在离进水口 X 处的截面 上，其流量： 图 2 7 喷嘴结构示意图 第二章 机械装置的设计 13 图 2嘴流道中流过的高压 气流 所建立的柱坐标系 ， ， ） 0 ( , , ) 2r x r d r （ 2 0022 ( , )( )()()r x rd rV x rd rV x rV x A式中 截面的平均流速； 截面的截面积。 在喷嘴中流动的高压气流不仅是不可压缩稳定无漩流，而且瞬间压强 P 满足关系式于是其速度压强分布如图 2示，存在的损失仅是摩擦损失，其 值一般都是很小的。因此截面的平均流速 的关系可以利用非粘性流体的连续方程 图 2-9 面的流速、压强分布 和欧拉方程 21( ) 02 ii i i i W （ 2 以喷嘴中流体的性质为边界条件积分求得。结果为 第二章 机械装置的设计 14 212 常数 （ 2 式中 拉普拉斯标符号； 气流 密度； i 截面上势函数。 在式 2，当以 x 轴为基准线时，i仅为摩擦引起的水头损失。假设在进口 1面上，1 0，则从进口 1面到任意截面 ，根据喷嘴中气流特点由量纲法 2 /2（ 2 式中 摩擦阻力系数 于是从进口到出口的过程中 2 2 2011 0 01 1 12 2 2i V V 得出 21100 2 ( )(1 )P P (2假设喷嘴中的气流为理想流动，则 0，于是 21100 2 ( )(1 )P P （ 2 式中 0V 理想流动 时 0面处的平均速度。 那么高压气体从喷嘴中流出而形成高压射流时，其实际出流 0Q 为 211000 0 02 ( )( 1 )P P A A (2理想出流： 211000 0 02 ( )P P A A （ 2 式中 0Q 理想流动时 0面的流量，其流量系数 0011 (2第二章 机械装置的设计 15 从 2以看出，射流喷嘴的流量系数与孔口出流的 孔口流量系数相同，也仅与喷嘴的摩擦阻力系数有关，即流量系数 是喷嘴自身阻力引起的能量损失，喷嘴的摩擦阻力越小，流量系数越大，液流在 喷嘴中的能量损失也越小 1516。 在此，为了尽可能的减小喷嘴的流量系数，采 用图 2示的喷嘴形状，同时在加工过程中提高内孔的加工精度，减小摩 擦阻力。 箱设计 种箱用于盛放待播的种子 ， 随着播种的不断进行， 种箱里的种子应该自动下滑， 其形状采用播种机普遍使用的方形形状， 种箱下端用适当的锥度过渡，种箱 尺寸的大小根据 播种装置的整体尺寸进行 合理的 设计。本设计中种子箱的形状如图 2示。 种管设计 输种管 是连接排种漏斗和排种腔体的柔性过渡 管 ，其作用是将种子从排种漏斗输送到排种腔体并为下一步的 射种做准备 。 输种管应有一定的弹性，以便保证和排种漏斗连接时的可靠性。 结构形状如图 2示。 图 2 箱 图 2种管 种器机械结构 窝眼式精密排种器的机械结构如图 2示。步进电机控制控制排种轴的转动，排种口下方 连接排种漏斗 。其中窝眼的直径大小由种子的类型决定，以绿豆为例，绿豆的直径最大为 6右，所以窝眼的
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