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滚筒 精密 排种器 优化 设计 全套 CAD 图纸

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摘摘 要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。3.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。4.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1mm，吸孔为锥形孔，吸孔压差为2kPa，振动频率为80Hz,滚筒转速为14r/min时，单粒率达到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.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目录目录摘 要.1ABSTRACT.2目录.3第 1 章 绪论.51.1 研究小颗粒种子精播技术的目的和意义.51.2 国内外气力式精密排种器的发展概况.51.2.1 国外气力式排种器的发展概况.51.2.2 国内气力式排种器的发展概况.61.3 国内几种典型的气吸滚筒式精密排种器.71.4 本文研究的内容.8第 2 章 气吸滚筒式精密排种器的优化设计.82.1 排种器结构及工作原理.82.1.1 总体结构.82.1.2 工作原理.92.2 排种器的设计.92.2.1 排种滚筒上吸孔的设计.92.2.2 排种滚简内部正负压腔的设计.92.2.3 电磁振动系统的原理及选用.102.3 排种装置的优化设计.112.4 本章小结.12第 3 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.133.1.2 吸种高度及影响因素.143.2 气吸滚筒式精密排种器吸种过程及其影响因素的分析.173.2.1 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.213.3.2 种子落地碰撞角和碰撞速度.223.3.3 排种过程影响因素分析.233.4 本章小结.23第 4 章 气吸滚筒式精密排种器气流场的计算机仿真.244.1 ANSYS 简介.244.2 ANSYS 仿真初始边界条件的设定.254.2.1 吸孔的结构形状及初始化条件.254.2.2 流态的判别一雷诺数.254.2.3 流体可压缩性的判别马赫数.264.3 仿真结果.274.3.1 吸孔形状对吸种性能的影响.274.3.2 吸孔导程对吸种性能的影响.274.3.3 吸孔孔径大小对吸种性能的影响.284.3.4 吸种滚筒内部负压区气流场仿真.284.3.5 吸种滚筒内部正压区气流场仿真.284.4 本章小结.29第 5 章 气吸滚筒式精密排种器的试验研究.305.1 排种器的性能指标.305.2 试验中影响排种效果的因素分析.305.3 试验总体设计.315.4 空穴率的试验结果分析.325.5 组合选优及结果验证.335.6 本章小结.33总结与展望.34参考文献.35致 谢.37第第 1 章章 绪论绪论1.1 研究小颗粒种子精播技术的目的和意义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 国内几种典型的气吸滚筒式精密排种器国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4LRZ-10000型流动式容器育苗装播作业线，播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4-5毫米的种子丸，孔径为1.2毫米。播种有种率可达95%以上。该装置采用真空泵作负压源(型号为2X-8)，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0.05米/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1-1所示，工作原理为: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.产生负压.使吸孔的两端形成负压)-.演筒续筒一起转动。当转至滚筒正下方时，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.滚筒和秧盘在同步输送机构的带动下，实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。1.抽气机构2.增压管3.同步输送机构4种子箱5.7.封闭增压室8.秧盘9.机架10.滚筒播种器6.真空负压室气流方向图1-1气吸式双层滚筒播种器结构简图1.4 本文研究的内容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。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。第第 2 章章 气吸滚筒式精密排种器的优化设计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排种器结构及工作原理2.1.1 总体结构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。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2-3所示。2.1.2 工作原理工作原理如图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。2.2 排种器的设计排种器的设计【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。2.2.1 排种滚筒上吸孔的设计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。2.2.2 排种滚简内部正负压腔的设计排种滚简内部正负压腔的设计如图2-2所示，空心轴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。2.2.3 电磁振动系统的原理及选用电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2-5所示。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)tBx11sin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;1 - 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)tBxX11sin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)2220211 BB式中: - 与激振力相等的静力作用下的静位移:0B - 频率比，；- 激振力的频率，- 系统的固有频率；nff /fnf - 相对阻尼系数。则系统的受迫振动的运动方程为: (2-4)12220sin211BX由此知，受迫振动的幅值取决于，。0B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0B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。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。第第 3 章章 气吸滚筒式精密排种器的理论分析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【18，19】 （3-1）20220812vdCdvCdAF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，dC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，。2m- 吸孔周围的气流平均速度，m/s 。0v 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2/2ivpiv (3-2)pvi2式中一吸孔内外压力差，Pa 。p已知吸孔直径为，则通过单个吸孔的空气流量为id (3-3)42iivdQ式(3-2)代入式(3-3)得 (3-4)pdQi242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【20】 ，S. Shafii，S.A.Sharer，R.G.Holmes在他们的论文中也进行过研究【21，22】 。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)cos1220xQvvx式(3-4)代入式(3-5)得： (3-6)pxdvi2cos18220式(3-6)代入式(3-1)得： (3-7)2442cos1256xpddCFid式(3-5)代入式(3-1)得： (3-8)2422cos132xQdCFd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【2325】： ( 3- 9)05 . 02tsdssvSCgV式中：- 种子密度，；s3/mkg - 种子体积，；sV3m g - 重力加速度，；2/sm - 空气密度，；3/mkg - 阻力系数；dC - 种子在运动方向上的投影面积，；sS2m - 悬浮速度， 。tvsm/对于圆形种子，式(3-9)可以写成【23，25，28】： (3-10)0234tdssvCgd式中- 种子的直径，m 。sd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【25】 (3-11)421LLSs式中- 椭圆种子的长轴长度，m ；1L- 椭圆种子的短轴长度，m ；2L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tv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)、kp/式中：p - 大气压力，Pa ；k - 定压和等容下的比热率。 (3-13)RTp/ R - 普适气体恒量， ；T - 空气的绝对温度，k 。11kJkg对于可压缩流体，应用Bernouli定理并假设气流初始速度为0，则：ev (3-14)2222iiieeevgZdpgZv式中：- 自然状态下空气的速度，m/s ；ev - 吸孔处的气流速度，m/s ；iv - 空气位于自然状态位置相对于任一水平面的高度，m ；eZe - 空气位于吸孔位置 相对于任一水平面的高度，m 。iZi考虑到，(3-14)式可以写成：ieZZ 0ev (3-15)ieidpv22对于绝热等熵过程，式(3-12)可以写成： (3-16)kekekekepppp11111式中：- 自然状态下大气压力，Pa ；ep - 空气自然状态下的密度， 。e3/mkg式(3-16)代入式(3-15)，得： (3-17)iekekeidpppv1122则 (3-18)kkpppvkkekkiekei121112式中：- 吸口处的全压，Pa 。ip即 (3-19)11-212kkeieeipppkkv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)eeeRTp式中：- 空气自然状态下的绝对温度，k 。eT式(3-20)代入式(3-19)得：滚筒吸孔处的气流速度 (3-21)kkeieippRTkkv1112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iv时真空室内真空度达到极限值，则：icritp (3-22 )112kkeicritkpp当，k=1.41 时，得 ，kPape13.101kPapicrit3 .53由此可得真空度的极限值：kPappppiie483 .101吸孔处的气体流量 (3-23)4/2iiivdQq式中：- 吸孔直径，m 。id将式(3-23)代入式(3-5)式得： (3-24)cos1822xvdviix把式(3-21)代入式(3-24)得： (3-25)kkeieixppRTkkxdv122112cos18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)42141cos112813kgdppkRTdCxsskkeieid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idipxs径越大，锥角越大，则吸种高度越小。sdx3.2 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【11】 。3.2.1 种子从种箱到被吸孔吸附过程分析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：srs (3-27)sssrm3342) 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t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F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F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x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。Ft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F重力和摩擦力，如图3-3所示Gsf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)coscosGfFs由式(3-28)可得，这时种子被吸向吸孔的条件为： (3-29)coscossfGF这时种子的加速度为： (3-30)ssmGfFacoscos根据假设，种子在吸力F的作用下的有效运动时间为: (3-31)t式中：- 滚筒的角速度(弧度/秒)。种子在时间 内的位移为：t (3-32)221ats 把式(3-27)、(3-30)、(3-31)代入式(3-32)可得： (3-33)2328coscos3sssrGfFs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)cos222xrRrRxrRrRlssss这样吸孔吸住种子的条件可用下式来表示： (3-35)ls把式(3-33)、(3-34)代入式(3-35)可得吸种条件为：232228coscos3cos2sssssssrGfFxrRrRxrRrR(3-36)由图可知，式(3-36)中的的计算如下：、 (3-37)2- (3-38)ACrssinarcsin其中， ，。当一定时，lxrsRsinarcsincos222ssrllrACx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ABC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sp对它的摩擦力大的作用。tf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)cosGft摩擦力可用下式表示：tf (3-40)tansintangtPGFNf把式(3-40)代入式(3-39)，有： (3-41)costansinGPGFg即： (3-42)sintancosGPGFg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(3-0FgP42)可以写成下式： (3-43)2tantan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，232式(3-42)应写成下式： (3-44)sintancosGPGFg将式(3-44)的右边对求导，并令其等于零： (3-45)0costansinGG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气吸滚筒式精密排种器的排种过程分析3.3.1 排种误差排种误差J.M. Wilson在论文中对排种阶段进行了分析【2729】 ，如图3-5所示，种子在脱离排种滚筒的瞬间的水平速度： (3-46)cosvVUH式中：- 机组前进速度，m/s ；V - 滚筒的圆周速度，m/s ；v - 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)sinvUv种子飞行落到土壤表面所经过的距离表示为： (3-48)tvVtUDHcos式中： - 种子运动时间， 。ts种子脱离排种滚筒时的水平误差： (3-49)sinrd 式中：- 滚筒半径，m ，r种子脱离排种滚筒时的垂直误差： (3-50)cos1 rh种子下落的时间由下式求得： (3-51)221singtvthH式中：- 滚筒正下方距地面的垂直距离，m 。H从而得： (3-52)ghHgvvt2sinsin22由播种机前进速度所引起的排种误差为： (3一53)vrVVtDe1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)1DdDDT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dd1D值。从理想点排种的实际距离如下： (3-55) vVgHDT20式中：- 重力加速度， 。g2/sm位置误差： (3-56) 0TTDDE结合式(3-48), (3-49)、(3-53)和(3-54)得： (3-57)sincosrvrVtvVDT总的位置误差：vVgHvVrrHgvvvVgE2sincos12sinsincos122 (3-58)3.3.2 种子落地碰撞角和碰撞速度种子落地碰撞角和碰撞速度如图3-6所示， (3-59)21211VHVVV式中：- 种子落地瞬时速度，m/s;1V - 的水平分量，m/s;1HV1V - 的垂直分量，m/s.1VV1V若空气阻力忽略不计，则： (3-60)cos1vVUVHH由抛射理论，得： (3-61)cos12sin22221rHgvhHgUVvV碰撞角表达式，化简得：1/tan1HVVV (3-62)coscos12sintan221vVrHgv碰撞速度表达式 (3-63)cos2cos122221211VvrHgVvVVVHV3.3.3 排种过程影响因素分析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，1V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rvV、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1V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rvH、V1V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。第第 4 章章 气吸滚筒式精密排种器气流场的计算机仿真气吸滚筒式精密排种器气流场的计算机仿真4.1 ANSYS简介简介【3033】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吸孔的结构形状及初始化条件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流态的判别一雷诺数【3334】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，cV由层流流态向紊流流态转换的临界流速称为上临界流速。cV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)dvVdvVccccRe,Re或 (4-2)vdVvdVccccRe,Re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cReReccReRec种流体与不同管径的试验，发现是一个常数cRe2000Re c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4000012000Rec为了判别圆管流动的流态类型，定义无量纲参数 (4-3)VdvVdRe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Vd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cReRe 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 cReRe 。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Rec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Rec作为流态判别的标准；cRe层流流态：2000ReRec紊流流态：2000ReRecANSYS模拟试验中，如暂取, m/s, mm，3/205. 1mkg120V2dkg /(m s)，得雷诺数：51083. 120001058. 11083. 1102120205. 1Re453VdvVd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流体可压缩性的判别马赫数马赫数【36，37】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)RTvcvMa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vcRT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)，120v4 . 1287RK，代入公式，得：293T3 . 035. 02932874 . 1120Ma故流体为可压缩流，反之则为不可压缩流。4.3 仿真结果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：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vmaxv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：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【38】 。4.3.3 吸孔孔径大小对吸种性能的影响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：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：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：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。第第 5 章章 气吸滚筒式精密排种器的试验研究气吸滚筒式精密排种器的试验研究5.1 排种器的性能指标排种器的性能指标【39，40】对于气吸滚筒式精密排种器，用于评价播种质量的指标主要有空穴率、重播率和单粒率。空穴率是指缺播穴数占总穴数的百分比；重播率是指播有两粒或两粒以上的穴数占总穴数的百分比;单粒率是指一盘中单粒穴数占总穴数的百分比。显然三者之和应为100%。试验在JPS-12排种器性能检测试验台上进行，粒距分布采用基于理论粒距的排种性能评价体系进行分析【41,42】 。设粒距样本已经测得，将样本以0.1XG(理论粒距)的间隔分成区段，如0.9X-X,区 段。每个区段的变量为X,= x,/X ,式中x,一区段内实际粒距，X,-区段的中位数。(1)重播数n:二叫(2)合格播种数漏播数区间数各个区间划分如下:式中n-n,n;,川,ns分别为以上规定区间内所试验测定的种子数;N为试验测定的种子总数。(5)粒距合格率H= X100%(6)平均粒距(7)标准差a=(8)变异系数V=Qx 10 0%5.2 试验中影响排种效果的因素分析试验中影响排种效果的因素分析1、吸孔的形状通过前面的有限元软件ANSYS的分析可知，相同孔径不同形状的吸孔，在相同的外部条件下，其孔口的气流速度是不一样的，故其吸种效果也不同。2、吸孔的孔径由前面的理论分析及仿真试验可知，吸孔孔径的大小对吸种效果影响较大，孔径越大，吸种能力越强。3、吸孔的内外压差吸孔内外压差也是影响排种器吸种性能的重要因素之一，压差的大小将显著地影响重播率和空穴率，因此选择合理的吸孔负压显得尤为重要。4、种箱振动频率种箱中的种子存在着相互作用，当种箱在振动系统的作用下，种子在种箱中会呈现“沸腾”状态，此时种子间的相互作用比较小，利于吸种。5、吸种滚筒转速滚筒转速的大小会影响吸种时间，从而影响吸种效果。转速大则空穴率高;转速过小，则重播率高。5.3 试验总体设计试验总体设计t43-45通过上面对各因素的分析，设计了如下试验来考察各因素对播种效果的影响:1、对滚筒上六种不同的吸孔进行试验，比较不同形状、不同孔径的吸孔对吸3. 极差和方差结果分析由表5 -5和表5-6可以看出，吸孔直径的极差最大，其次分别为吸孔形状、吸孔压差、滚筒转速和振动频率。由表5 -7的方差分析可以看出，吸孔直径、吸孔形状、吸孔压差的F值均达到极显著水平，其次为滚筒转速和振动频率，各因子间的交互作用对单粒率的影响不大，故不加以考虑。由表5 -6和表5-7可知，各因子对单粒率影响的显著性顺序为吸孔直径、吸孔形状、吸孔压差、滚筒转速和振动频率，即A, B, C, E, D。由表5-5可知，A取AZ, B取BZ, C取CZ时为好，而E和D的水平间差异不显著，取哪个都可以。4. 单粒率的二次多项式回归分析为了建立单粒率的回归方程，选取吸孔直径的两个水平分别为0.5mm,l ;mn;吸孔形状中直孔用1表示，锥形孔用2表示，沉孔用3表示:吸孔压差的三个水平分别为1kPa, 2kPa, 3kPa;振动频率的三个水平分别为50Hz, 80Hz, 100Hz;滚筒转速的三个水平分别为14r/min, 21r/min, 30r/mina1) 影响单粒率的单因素试验分析5.4 空穴率的试验结果分析空穴率的试验结果分析3. 极差和方差结果分析由表5 -11和表5-12可以看出，吸孔直径的极差最大，其次分别为吸孔压差、滚筒转速、吸孔形状和振动频率。由表5-13的方差分析可以看出，吸孔直径、吸孔压差、滚筒转速的F值均达到极显著水平，吸孔形状的F值达到显著水平，各因子间的交互作用对单粒率的影响不大，故不加以考虑。由表5 -12和表5-13可知，各因子对空穴率影响的显著性顺序为吸孔直径、吸孔压差、滚筒转速、吸孔形状和振动频率，即A, C, E,B,D。由表5-11可知，A取AZ、C取q、E取E,、B取B:时为好，而D的水平间差异不显著，取哪个都可以。4.空穴率的二次多项式回归分析建立空穴率的回归方程时，各因素及水平的选取与建立单粒率回归方程时所选取的因素及水平数相同。1)影响空穴率的单因素试验分析 随着吸孔直径的增大，空穴率随之降低。 吸孔为锥形孔时，空穴率最低;吸孔为直孔和沉孔时，空穴率较高。 随着吸孔压差的增加，空穴率随之降低。 随着振动频率的增加，空穴率先增加后减小。 滚筒转速越高，空穴率越高。2)回归方程Y二69.7120104-13.196300963X2一11.922828308X3一53.70397748X1 Xl十3.1016219794X2 X2+1.1304796696X3X3一0.0013886760455X4 X4 +5.83614559X1 X3 +0.17384503749X1 X4 +0.004017257351X4 X5相关系数R=0.99914 F值二514.8115显著水平P= 0 .0000剩余标准差S = 0.90603 调整后的相关系数Ra = 0.998173)最低指标时各个因素组合(图5-10至图5-15中的方点所示)5.5 组合选优及结果验证组合选优及结果验证试验过程中，寻找一组最优的组合，既要使单粒率达到最高，又要使空穴率最低。通过单粒率和空穴率的极差和方差分析，对照表5-10和表5-14知，A取A2.B取B2. C取C2, E取E,时较好，而D无论是对单粒率还是空穴率，其水平间的差异均不显著，故D取一频率较低值DZ。故因子最佳组合为A2B2C2DZE,，此组合不在试验中，需进一步试验。经过试验，对于组合A2B2C2D2E,，单粒率达到了92%，空穴率为4%，达到了试验要求，为最佳组合。5.6 本章小结本章小结本章对影响气吸滚筒式精密排种器单粒率和空穴率的五种因素即吸孔直径、吸孔压差、滚筒转速、吸孔形状和振动频率进行了试验研究，试验表明:1. 吸孔直径的增大使气流流量增加，吸孔吸种半径增加，从而使单粒率随之增加，而空穴率随之降低，这与第三章的理论分析和第四章吸孔直径的计算机仿真相一致。2. 吸孔为锥形孔时，其吸种范围较直孔大，而由第四章吸孔形状的仿真可知，锥形孔的气流较沉孔更加平稳，故其吸种能力较直孔和沉孔更强，单粒率较高，空穴率较低。3. 随着吸孔压差的增加，单粒率先增加后减小，空穴率随之降低，而重播率会随之增加，这与第三章种子吸附力的理论分析相一致。4. 振动频率的大小对单粒率和空穴率影响不大。5. 滚筒转速的提高会导致吸孔吸种时间不充分，从而使单粒率下降，空穴率升高，这也与第三章种子从种箱到被吸孔吸附过程理论分析相一致。为了使 单粒率最高同时使空穴率最低，经过组合选优得出最佳组合为人几几从药，即吸孔孔径为lmm，吸孔为锥形孔，吸孔压差为2kPa，振动频率为80Hz,滚筒转速为14r/min。经验证，该组合单粒率达到了92%，空穴率为4%0总结与展望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，吸种能力越好。4) 在吸种滚筒内部负压区，滚筒上的吸孔越靠近空心轴上的负压吸孔，气流速度越大，远离负压吸孔的吸孔，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。3.做正交试验，运用DPS处理软件对试验数据进行处理，分析了影响单粒率和空穴率因素的主次顺序，运用二次多项式回归分析，得出了单粒率、空穴率与各影响因素的回归方程，通过试验优化，得到了最佳组合:吸孔孔径为lm，吸孔类型为锥形孔，吸孔压差为2kPa，振动频率为8DHz，滚筒转速为14r/min。经试验检验，该组合单粒率达到了92%，空穴率为4%，达到最优。综上所述 ，论文在排种器的设计、理论分析、仿真及试验方面做了一些研究，但受客观条件的限制，仍有一些需要完善及探索的地方。例如在种箱振动的时候，一部分种子会从种箱与滚筒的间隙中掉落，影响播种效果，需进一步的解决。由于时间及加工条件的限制，没有做多个滚筒多个吸孔孔径的单因素试验，同时种子在滚筒上的落种角度方面也值得进一步试验研究。在研究过程中可以辅助高速摄像，这样会对种子的运动规律有进一步的认识，为排种器今后的进一步优化改进奠定基础。参考文献参考文献(1l 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 -9 621 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): 17-20伙刘文冰.浅析我国油菜生产的现状与发展.中国种业2005, 1: 17伟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.2004(61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(1).农业机械化与电气化，2000, 281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