毕业设计（论文）-气动射种装置的设计（全套图纸） .doc

目 录 iii 摘要摘要 本研究的核心是气动射种，这是一种（与土壤）非接触式的播种方式。为了进 一步探索气动射种的可行性，专门设计并试制了气动射种试验装置。气动射种试验 装置由机架、步进电机、射种元件、电磁铁、电磁阀，控制电路等组成。用步进电 机驱动排种器；电磁铁和电磁阀分别控制射种元件中排种阀和电磁阀的开关；控制 电路实现步进电机、电磁铁和电磁阀的协调动作，完成送种、排种、射种这一工作 过程；同时通过修改程序来控制试验参数；对射种元件中关键部件（排种腔体、喷 嘴）的设计采用理论分析结合实际的方法，得出合理的形状和尺寸。装置的工作原 理是：排种器排种后开启排种阀，种子落入排种腔体后关闭排种阀，开启电磁阀， 种子随着高速气流通过喷嘴喷射而出，完成一次射种。本论文首次提出了气动射种 这一新型的非接触式播种方式，经过理论上的深入探讨，开始气动射种装置的研发， 旨在开辟气动射种这一非接触式播种研究新领域，探索气动射种播种的机理和方法。 关键词：气动射种，播种方式，射种器，农业技术，播种器装置 全套全套 cad 图纸，图纸，3d 图纸，联系图纸，联系 153893706 目 录 iv abstract the core of the research is pneumatic seeding which is kind of planting whose character is untouched soil. this equipment is comprised of trestle, stepper motor, seed- shooting components, electromagnet, and pneumatic jet valve. the stepper motor drives seed-falling devicel;the electromagnets and pneumatic jet valve control the switch of seed- falling valve and pneumatic-jet valve respectively; control circuit coordinates the stepper motor and the electromagnet, completed the work process of delivery-seed, arrange-seed, shooting-seed.; and seed-falling cavity and pneumatic jet nozzle were designed based on the analysis of theory and fact. operation principle of the equipment is as follows: opening the seed-falling valve, when the seed fall into the cavity, the seed- falling valve was closed. then opening the pneumatic jet valve, the seed with pneumatic jet through nozzle.the pneumatic shooting-seed comes out which is a new type un- contacted seeding manner. by the in-depth theoretic research, now start to explode the equipment of pneumatic seeding. aim to cut new research domain which is pneumatic shooting-seed and no contacting semination, exploring mechanism and method of pneumatic shooting-seed. key words: pneumatic shooting-seed,the manner of seeding,shooting-seed appliance,agriculture technology,seeding implement 目 录 v 目 录 摘 要 i abstract ii 目 录 ii i 第一章 绪 论 1 1.1 课题的提出及意 义 1 1.2 播种机械的发展现状与趋 势 1 1.2.1 国内外播种机的发展现 状 1 1.2.2 播种机械的发展趋 势 2 1.3 机电一体化与农业机 械 3 1.3.1 机电一体化技术与播种机械的结 合 5 目 录 vi 1.4 气动射种的研究现 状 6 1.5 主要研究内 容 6 1.6 本章小 结 7 第二章 机械装置的设 计 8 2.1 总体设计方 案 8 2.2 装置总体设 计 8 2.3 行走装置的设 计 9 2.4 射种装置的设 计 9 2.5 送种机构的设 计 11 2.6 其它附属设备的设计、选择及注意事 项13 2.6.1 喷嘴的设 计 13 2.6.2 种箱的设 计 16 目 录 vii 2.6.3 输种管的设 计 16 2.6.4 排种器机械结 构 16 2.7 本章小 结 17 第三章 气动射种装置的电路设 计 18 3.1 控制系统概 述 18 3.1.1 控制电路综 述 18 3.2 步进电机的选 择 19 3.2.1 步进电机的工作原 理 19 3.2.2 步进电机的优 点 20 3.2.3 驱动控制系统的组 成 20 3.2.4 步进电机的应 用 21 3.2.5 控制系统的程序运 行 目 录 viii 23 3.3 电磁铁的选择和控 制 24 3.3.1 电磁铁的选 择 24 3.3.1 电磁铁的控 制 24 3.4 plc 的选择和控 制 25 3.4.1 plc 的优 点 25 3.4.2 plc 的选 择 25 3.5. 控制电路的设 计 26 3.6 本章小 结 26 第四章 结 论 27 结 论 27 参考文 献 29 致 目 录 ix 谢 30 第一章 绪论 1.1 课题的提出及意义 迄今农作物机械化播种基本都是由入土装置先入土再将种子播入土壤的方式。 由于入土装置与土壤直接作用，传统播种方式动力消耗较大，且不能适应近年来发 展起来的多种先进农艺技术要求。随着我国农村经济结构的调整和农业产业化区域 布局的初步形成，以及农业向环保、节水和可持续化发展的趋势，对农业资源的合 理利用和农业装备的技术水平都有了新的要求，并且多种先进农业播种技术也不断 涌现，机电一体化也技术越来越多的应用于农业机械领域。 近几年年来，传统播种方式已经不能满足飞速发展的农业新技术的要求，在农 目 录 x 业新技术领域，旱作农业、精准农业、节水农业都对播种提出了新的要求。例如， 它需要播种机械根据土壤肥力等条件的变化来决定不同的播种密度和不同的播种深 度。这种更具质量化、智能化的播种要求靠接触式播种实现是及其困难的，因此， 对非接触式播种机械的设计和研发成为必然。气动射种装置是设想利用高压气流在 不影响种子发芽的损伤程度内将种子播种到土壤中去，省略了入土装置，降低了能 耗。本设计设想希望能通过本次研究，开辟气动射种这一非接触式播种研究的新领 域，并为以后的非接触式播种机械的开发和研制提供理论支持，如研制成功，必将 带来播种机械化领域的一场革命。 1.2 播种机械的发展现状与趋势 1.2.1 国内外播种机的发展现状 在国外：目前国外精密播种机已达到相当完善的程度，在精密播种机上除了 设有完善的整地、覆土、镇压及施肥、洒农药装置外，其排种装置多采用新的工作 原理，包括各种气吸式排种原理与机械式排种原理，以保证单粒精密播种。另外， 液压技术及电子技术也在播种机上得以应用。20 世纪 80 年代，美国、澳大利亚、 加拿大、法国等西方国家开始研制并广泛使用气力式精密播种机械，其中气流一阶 分配式集排排种系统大量应用在谷物条播机上。 在国内：我国的播种机以传统的谷物条播机为主，与小型拖拉机配套的播种机 及畜力播种机目前仍占主导地位。全国有 500 家左右的企业生产播种机，其中只有 10 家生产与大中型拖拉机配套的播种机，与小拖配套的播种机和畜力播种机的产量 已占到全国播种机产量的 90%以上。近几年，我国的联合作业播种机发展也较快， 其机具主要有播种一施肥联合作业机、耕作播种联合作业机、松土施肥覆膜 穴播联合作业机和施水播种联合作业机等，目前又发展了铺膜播种联合作业机。 我国从 20 世纪 60 年代开始发展精密播种机械，过程经过了仿制、自行研制、到应 用的发展阶段。现在精少量播种机具推广势头强劲，小麦精少量播种机和中耕作物 精密播种机推广应用迅速。 1.2.2 播种机械的发展趋势 随着我国农村经济的调整和农业产业化区域布局的初步形成，以及农业向环 保节水可可持续化发展的趋势，对农业资源的合理利用和播种机械的技术水平都有 了新的要求。由于现代的农业播种机械是实现农业资源的持续、合理利用的重要手 段，因此 21 世纪我国的农业播种机械的发展方向是： 目 录 xi 1、发展有利于耕地资源保护的联合播种机械；。播种联合作业是指在播种的同 时，完成耕整地、施肥、喷洒液等作业，其优点是一次可以完成多项作业，作业效 率高，保证及时播种，提高产量，可以充分利用配套动力，节省能源，降低作业成 本，与传统播种方法相比，联合播种的劳动消耗的作业费用约降低 30%。 2、发展有利于节水和水资源有效利用的播种机械；随着全球淡水资源的匮乏， 特别是我国属于严重缺水国家，发展节水农业具有深远的意义和广阔的前景。从 1996 年开始，农业部累计投资 1 亿多元，建设了一批旱作节水农业示范基地和行走 式节水灌溉示范区，通过农艺、农机、生物、工程等综合措施的应用，完成了一批 以坡改梯生土熟化农田工程、集雨节水补灌等为重点的高标准基础设施建设，有效 改善了旱区农业基本条件。农业部还在全国各地累计推广了水稻“浅湿晒”灌溉、 “坐水种” 、 “行走式节水” 、施用抗旱保水剂、地膜与生物覆盖等节水农业技术措施 3.4 亿亩左右，发展田间及大棚集雨节水和喷、微、渗灌等技术措施 1000 万亩。21 世纪我国农业发展将面临严峻的水资源供求矛盾的挑战。大力发展节水农业，实现 我国农业可持续发展，已引起中央和各有关方面的高度重视。目前农业部已组织编 制了全国节水农业发展规划（2001-2015 年） 和西部地区节水农业规划 （2001-2005 年） ，对我国节水农业的下一步发展展示了蓝图2。 3、发展能有效提高生产效率、降低能耗的播种机械；传统的播种装置和土壤直 接接触，用播种机的开沟器现在土地表面开道沟，然后通过输种管利用种子自身的 重力滑落到土壤中的这接触式播种耗能费时，开发研制新型的节能降耗的播种机械 将成为必然。 4、发展自动化、智能化更高的播种机械。目前国外正在发展一些新的播种技术， 如日本提出适合蔬菜的静电播种，英国提出适合于蔬菜的液体播种、适合于牧草的 超音速播种，还有目前广泛应用的种子带播种等。例如液压等新技术在国外播种机 的应用也日益广泛。美国塞科尔 5000 型气压式播种机用液压马达驱动风机；东德 a697 型精密播种机装有供驱动排种锥体的液压马达，当地轮滑动时，液压马达启 动，以保证排种锥体的转速与机器前进速度相协调，同时也用以操作开沟器的升降， 在大宽幅的播种机上还用液压折叠机架，以便安全运输 近年来，随着立体农业、节水农业、精细农业口号的提出，我国的农业机械装 备的类型、功能也在不断变化，应用领域压在逐年扩大。电子技术和计算机技术的 发展以及先进的制造技术、新材料的涌现，推动农业机械特别是播种机械向智能化 目 录 xii 和自动化的方向发展，使得原来传统机械本来无法作业的项目也逐渐实现了机械化。 农业机械化技术、自动化技术和智能化技术的相互补充、相互促进，与生物技术一 起推动了播种机械化发展史的迅速前行。 1.3 机电一体化与农业机械 采用机电一体化技术的农业机械，极大的改进了农业机械的质量和性能，使得 农业机械更具智能化。目前，国外越来越多的播种机采用机电一体化技术，提高了 播种机的工作可靠性、简化操作、减轻劳动强度、减少辅助时间、提高劳动生产率。 1966 年，dickeyjohn 公司就在播种机上采用了光电传感器用于监视单行播种。 80 年代，又采用了基于雷达的测速仪用来测量行走速度、播种精度和谷物漏播的监 视装置，利用微处理器控制肥料分配与喷灌，以及一个液晶显示器用于显示发动机 速度、拖拉机滑移率、行走速度和每小时的工作面积3。 美国 80 年代中期研制出一种播种机监视系统pioneer ，该监视系统可以用 于所有类型的播种机，包括谷物条播机、气吸式播种机和蔬菜播种机。排种传感器 和速度传感器传递数据，显示某行工作正常；同时 lcd 显示播种面积、速度、每行 播种量和粒距。并能实现故障报警4。 1982 年，日本研制出一套排种系统，该系统由一圆盘式排种器和一个周期性驱 动电路组成，周期时间同种子和种道分离时间相一致，种子在种道上的运输由电磁 设备控制，这样种子被连续排至种沟5。 日本 90 年代初又研制了一套电磁操作的排种装置，用于电子控制的气力精播机。 该系统由一个高性能的电磁阀、一个数据采集与控制器和一个排种器组成。该控制 系统主要用于控制电磁阀的动作，排种性能可以根据种子下落间隔进行调整。试验 室测试结果表明，该系统能保证较好的排种精度，调整排种参数更加容易，而且全 面提高了播种机的使用效率6。 日本近年来在研究蔬菜播种机施肥和排种的排量自动控制系统，该系统首先获 取地轮地转速信号，并根据这个信号控制排肥和排种轴地转速来控制排量。这样排 种和排肥不受拖拉机速度地影响7。 1995 年，波兰科学家开发了一套 uks-1 型排种器地电子控制系统。该控制系统 与 s078 polonez 播种机配套使用，也可以用于具有相同结构的其他播种机。该系统 可根据工作幅宽、地轮半径及不同机型进行编程。使用该系统可以提高工作效率， 目 录 xiii 改进操作条件8。 国内精密播种机监控系统的研究起步较晚，主要是引进国外的产品。1996 年山 东农业大学研制了精密播种机工况自动监视及播种量数显系统；中国农业大学近几 年也将虚拟仪器用于农机控制检测对农机的各项性能进行控制检测。 1.3.1 机电一体化技术与播种机械的结合 准确而精密的播种不但可以节省种子，节省田间移苗、补苗所需要的劳动力， 而且有利于作物生长，便于田间管理。在国外，不但玉米、甜菜、大豆等作物大量 采用精密播种，而且部分传统的谷物条播也采用精密播种，据介绍准确而精密的播 种可以比传统的播种方式增产 10-30。精密播种是一种先进的播种技术，需要有 更先进的排种、送种的机械装置，更需要有精确度较高的控制系统。气吸式播种机 对种子要求不严格，容易达到精密点播，作业速度也比机械式高，因此在玉米、大 豆、棉花等作物的精密播种机上采用的越来越普遍。近几年来， ，在农业新技术领域， 随着旱作农业、精准农业、节水农业口号的提出，对播种机械提出了更高的要求。 例如，它需要播种机械根据土壤肥力等条件的变化来决定不同的播种密度和不同的 播种深度；甚至更根据作物生长的需水量来来严格控制播种时水的用量。这种更具 质量化、智能化的播种要求都要求有精确、智能的控制系统，和机械控制系统相比 较，电气控制系统更能满足未来播种机械的需求，所以要进一步提高精密播种质量， 采用机电一体化技术是开发质量化、智能化农业机械的必由之路。 所谓机电一体化技术是由微电子技术、计算机技术、信息技术与机械技术结合 而成的综合技术，一般由以下几部分组成：机械本体部分、动力部分、传感部分、 驱动部分、执行部分、控制及信息处理部分。近年来，由于计算机技术的迅速发展， 电气控制元件的不断完善，大量的电气元件被广泛应用于农业机械，并且都达到了 理想的预期目标。早在 80 年代初，西方国家就开始将电子技术应用于农业机械的转 速测量，联合收割机的损失监视、速度控制，喷灌流速的测量等，并不断致力于降 低产品造价、改进工作性能及改善农业环境影响的研究。这类系统一般包括传感器、 显示屏、控制单元、执行机构、专家系统等。从目前农业机械的发展趋势看来，在 未来的农业机械发展领域，机电一体化技术将被广泛的应用于各种类型的农业机械， 将使传统的农业机械发生质的飞跃。将极大的提高播种的质量，节省能源，提高劳 动生产率。 1.4 气动射种研究现状 刁培松教授根据我国现阶段对播种机械的高质量化、智能化的要求，提出了气 目 录 xiv 动射种这一概念，目前在播种领域国内外还没有相关气动射种的研究。本研究将对 气动射种的可行性进行了初步的研究，并初步对气动射种的各种基本因素，比如射 种压力、喷嘴大小、高压气流的流速、射种腔体的密封要求、喷嘴离地面的高度等 进行初步摸索，虽然气动射种属于比较先进的播种方式，较传统的接触式播种方式 具有较多的优越性，但它尚处于理论探讨和试验阶段，仍需要投入更多的人力、物 力和财力进行更多的试验研究，以达到实际性的应用。 1.5 主要研究内容 本课题综合了机械技术、电子技术和 plc 控制技术，对气动射种领域进行初步 研究，为播种方式提供一种新的思路，所以研究的内容也仅仅是做初步的基础性研 究。 1、 针对气动射种的特点设计一套可行的机械试验性装置，并用本套装置进行 试验研究。 2、 对具体的试验装置做出一套便于修改的控制电路，实现对排种和气动射种 的控制。实验装置用精密的电气化元件 plc 控制器控制排种和气动射种。精确度上 达到了良好的预期效果 3、 进行具体试验，对本套装置的排种器进行排种试验，同时利用本套装置做 气动射种的试验。找出射种深度和具体压力、射种时间的关系，确定影响射种深度 的参数，建立数学模型。 4、 根据试验结果找出本套装置需要完善的地方。 如果本项研究的初步试验获得成功，将继续进行以下深入的研究： 1、研究种子的耐冲击和耐磨擦特性。种子在射入土壤的过程中，会受到强烈 的冲击和剧烈的磨擦。播种质量要求，对种子的冲击和磨擦应当不影响种子的正常 发芽和生长。影响对种子的冲击和磨擦的主要因素是射入速度和土壤的物理特性， 在一定的土壤条件下，对种子的冲击和磨擦取决于射入速度。通过理论分析和试验 寻找出种子在一定的土壤条件下，种子能够正常发芽、出苗的最高射种速度。这个 速度称为耐冲击速度，记为。 max v 2、实验研究满足直接射种的土壤临界状态的物理特性参数。例如当某种土壤的 物理特性参数优于临界特性参数时，则可以直接射种；当某种土壤的物理特性参数 次于临界特性参数时，通过改善土壤的物理特性参数（如耕、松耕、改变土壤含水 目 录 xv 量等）实现直接射种。如果改变土壤的物理特性参数后，土壤特性优于临界物理特 性参数，则可以直接射种，否则不能直接射种，要对种子进行防护处理。 3、种子防护研究。对于不能直接射种的种子，应对其进行防护处理，提高其耐 冲击和耐磨擦特性。 4、射种器的基本形式与设计参数研究 1.6 本章小结 本章主要介绍了国内外播种机的发展现状、发展趋势，以及机电一体化技术应 用于农业机械的一些情况。指出气动射种是一种先进的非接触的播种形式，是对农 业播种领域的另一种尝试，并对它的研究现状和未来进行初步概述。 第二章第二章 机械装置的设计机械装置的设计 2.1 总体设计方案 气动射种装置是将机械技术、电子技术、plc 等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 plc 控制步进电机排种、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。plc 以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：plc 控制步 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 2-1 所示： 目 录 xvi 图 2-1 实验装置的总体方案 2.2 装置总体设计 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。 2.3 行走装置的设计 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 2-2 所示。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 760mm；根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 310mm。 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 2-3 所示。 目 录 xvii 图 2-2 车架侧视图 图 2-3 机架侧视图 2.4 射种装置的设计 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 1-2mpa 的压力，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 2-4 所示。 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。 目 录 xviii 图 2-4 气动射种元件示意图 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 2.5 送种机构的设计 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。 目 录 xix 3、送种腔体的设计：腔体的设计示意图如 2-5 所示： 图 2-5 送种腔体示意图 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 3mm，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：d-d3mm。 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 26 所示。在突然扩大的 12 截面之间，流 动分为两个区域：区是流动核心区；区是涡流区 目 录 xx 图 26 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 11 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 12 截面间距离短，忽略沿程损 失及管道切向应力的作用。根据 1-1、2-2 的伯努利方程、动量方程和连续方程得出： 能量损失： 22 2 111 1 2 (1) 22 w svv h sgg （2-1） 或 22 2 222 2 1 (1) 22 w svv h sgg 其中、为突然扩大局部阻力系数，v1、v2为在两个截面的流体速度。在式 2-1 1 2 中 （2-2） 2 1 1 2 (1) s s （2-1）是一个理论近似表达式，局部压力阻力系数（2-2）仅与截面积之比有 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：40mm。具体的形状如图 26 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。 2.6 其它附属设备的设计、选择及注意事项 2.6.1 喷嘴的设计 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 3mm，具体的尺寸：出口尺寸为 d26mm，喷嘴的入口尺寸设计为 d114mm。喷 目 录 xxi 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 2-7 所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 2-8 所示的柱坐标系，在离进rx（，） 水口 x 处的截面上，其流量：ii 图 27 喷嘴结构示意图 目 录 xxii 图 2-8 喷嘴流道中流过的高压气流所建立的柱坐标系rx（，） （2- 0 ( , , )2 ir ii v rxrdr 3） 0 0 2 2( , ) 2( ) ( ) ( ) i i r i r i ii ii v r x rdr v x rdr v xr v x a 式中 截面的平均流速； i vii 截面的截面积。 i aii 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 2-9 所示，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和压强 p 的关系可以利用非粘性流体的连续方程 i v 图 2-9 i-i 截面的流速、压强分布 .0 p divpv t 和欧拉方程 2 1 ()0 2 i iiiii p hvw （2-4） 目 录 xxiii 以喷嘴中流体的性质为边界条件积分求得。结果为 21 2 i i ii p hv 常数 （2-5） 式中 拉普拉斯标符号； 气流密度； 截面上势函数。 i ii 在式 2-5 中，当以 x 轴为基准线时，仅为摩擦引起的水头损失。假设在进口 i 1-1 截面上，则从进口 1-1 截面到任意截面，根据喷嘴中气流特点由量 1 0 ii 纲法 （2-6） 2/2i i v 式中 摩擦阻力系数 于是从进口到出口的过程中 222 01 100 111 222 i pp hvvv 得出 2 1 10 0 2() (1) ppv v (2-7) 假设喷嘴中的气流为理想流动，则0，于是 （2-8） 2 1 10 0 2() (1) ppv v 式中 理想流动时 0-0 截面处的平均速度。 0v 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 0 q 为 2 1 10 0 000 2() (1) ppv qvaa aa (2-9) 理想出流： 2 1 10 0 000 2()ppv qvaa aa （2-10） 目 录 xxiv 式中 0 q 理想流动时 0-0 截面的流量，其流量系数 0 0 1 1 q c q (2-11) 从 2-11 可以看出，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 2-8 所示的喷嘴形状，同时 在加工过程中提高内孔的加工精度，减小摩擦阻力。 2.6.2 种箱设计 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- 10 所示。 2.6.3 输种管设计 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 2-11 所示。 图 2-10 种箱 图 2-11 排种管 2.6.4 排种器机械结构 窝眼式精密排种器的机械结构如图 2-12 所示。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 6mm 左右，所以窝眼的直径选择 6mm。窝眼式精密排种器上的 窝眼径向角度应该由步进电机的步踞角来确定，以便实现精密排种。通过对排种器 目 录 xxv 进行多次排种试验，排种器每次排出 1 粒或两粒种子。 图 2-12 排种器总体示意图 1步进电机 2种箱 3窝眼式槽轮 4机架盖板 5-排种器 2.7 本章小结 本章主要介绍了气动射种实验装置的车架装置、机架装置、气动射种装置 的设计过程，并对气动射种中的某些关键部件进行理论分析，力求使实验装置变得 简化，为以后实验过程中更换某些不合理的部件或者检修提供方便。 第三章第三章 气动射种装置的电路设计气动射种装置的电路设计 3.1 控制装置的设计 本装置中的控制主要是对牵引电磁阀、步进电动机、二位二通电磁阀的通电、 延时及断电的控制。初步应用 plc 控制器进行控制，其控制流程图如图 6 所示。具 体控制过程为：系统初始化，牵引电磁铁和步进电动机同时得电工作，通电延时 5 秒，电磁铁断电，延时 5 秒；二位二通电磁阀得电，延时 2 秒，电磁阀断电，一个 循环结束，系统控制进入下一个循环。如图 3-1 所示 目 录 xxvi 图 3-1 控制流程图 3.1.1 控制电路综述 根据装置的动作顺序，控制电路采取开环控制：直接对气动电磁阀和牵引电磁 铁进行控制，同时对步进电机进行起停控制。具体的控制过程为：（1）步进电机的 驱动轴转动一定的角度实现排种后停止，等待下一次的脉冲信号（2）牵引电磁铁通 电吸合将种子排入射种腔中，然后断电复位；（3）气动电磁阀通电吸合实现一次射 种后断电复位。一次射种完成后进入下一次射种循环。这是一个循环过程，期间并 没有反馈信息，所以无论是软件还是硬件的设计都应该采取简单可靠的方式设计。 从步进电机动作停止到送种电磁铁动作，中间需要有一段时间的延时，这样才能保 目 录 xxvii 证种子落入进种口。送种电磁铁的通电和断电之间也有延时，这个时间并不确定还 需要具体试验过程中随时的调整，通过对试验结果的分析来确定最佳的时间，因为 时间的长短关系到射种腔里面的气压大小的问题。电磁阀的通、断电延时也需要在 试验过程中调整。 3.2 步进电机的选择 3.2.1 步进电机的基本原理 步进电机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号作为角位移，即给一 个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，转子角位移的大小及转速分别与输入的控 制电脉冲数及其频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的 数量、频率及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控 制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个 国民经济领域都有应用。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个 脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”） ， 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量， 从而达到准确定位的目的；同时可以通过控