氣吸振動式精密排種器理論及試驗研究.pdf

1、排種器是實(shí)現(xiàn)精密播種技術(shù)的核心部件，其工作性能的好壞直接影響著播種精度、均勻性、種子的出苗率等。由于氣吸振動式排種器具有對種子尺寸要求不高、不傷種子、通用性好、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，且易于提高播種速度，實(shí)現(xiàn)自動控制，是一種較為先進(jìn)的排種裝置，已成為當(dāng)前國內(nèi)外精密排種器發(fā)展的主要方向之一。種子在種盤內(nèi)的振動以及在吸排種氣流場中的受力運(yùn)動是影響排種器播種精度的主要因素，本文以油菜種子為試驗對象，開展了氣吸振動式排種器的工作機(jī)理研究和性能試驗分析，

2、主要工作包括： 1、實(shí)驗測量了油菜種子的幾何尺寸、形狀特征以及密度、接觸剛度、摩擦系數(shù)等力學(xué)參數(shù)，建立了三維模型。根據(jù)電磁激振器的工作原理，分析了振動種盤的幅頻特性。 2、推導(dǎo)出種子與種盤二自由度碰撞振動系統(tǒng)周期運(yùn)動的Poincaré映射，以振動頻率為控制參數(shù)，計算得到映射Jacobi矩陣特征值的變化曲線，根據(jù)其穿越復(fù)平面單位圓的位置，分析了映射不動點(diǎn)的穩(wěn)定性，獲得種子由穩(wěn)定周期運(yùn)動通向混沌的過程，通過軌跡相圖分析得到混

3、沌運(yùn)動狀態(tài)有利于實(shí)現(xiàn)種群的離散。 3、根據(jù)油菜種子的機(jī)械特性，采用線性彈簧—阻尼—滑動接觸力學(xué)模型，編寫離散元程序，模擬了振動種盤內(nèi)種群的三維運(yùn)動規(guī)律。為了描述種群空間運(yùn)動狀態(tài)，給出了重心波動和體積膨脹系數(shù)的計算方法。計算結(jié)果表明：碰撞接觸時間和最大變形量隨接觸剛度的增大而減??；最大變形量隨碰撞相對速度和恢復(fù)系數(shù)的增大而線性增加；接觸時間隨恢復(fù)系數(shù)的增加而減小，相對速度對其影響不顯著。種群重心波動和體積膨脹系數(shù)的特征頻率出現(xiàn)在種

4、盤振動頻率附近。 種盤作小幅高頻振動時，種子幾乎在原地作垂直運(yùn)動，水平位移較小，種群可以有效分離以減小摩擦力；體積平均膨脹系數(shù)H0隨著振動強(qiáng)度Kv的增加而增大，隨種層厚度的增加而減小，在相同振動強(qiáng)度下，種盤振幅越大，種群離散程度越高；對于薄層種子，隨著種子與種盤、種子與種子之間的碰撞恢復(fù)系數(shù)的增大，體積平均膨脹系數(shù)H0有明顯增大的趨勢，隨著層厚的增加，這一趨勢逐漸減弱；在弱振動條件下，種子之間以摩擦接觸為主，體積平均膨脹系數(shù)H0

5、隨摩擦系數(shù)的增加而增大，在強(qiáng)振動時，摩擦系數(shù)的影響很小。 4、運(yùn)用Gambit軟件建立滾筒正負(fù)氣壓腔的三維幾何模型，將其劃分為結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)絡(luò)，在恒壓力邊界條件下，利用Fluent軟件中的標(biāo)準(zhǔn)k—ε湍流模型和壁面函數(shù)法對滾筒內(nèi)部全流道氣流場分布進(jìn)行了數(shù)值計算。結(jié)果表明：吸種過程中，滾筒負(fù)壓腔為恒壓區(qū)域，可以起到穩(wěn)壓穩(wěn)流作用，在軸向不同位置的吸孔氣流速度相對誤差小于4％。滾筒與負(fù)壓軸之間的氣流通孔存在壓力損失，并且隨著氣流通孔和孔

6、吸種截面積比γs的增加，壓力損失率ηp逐漸減小，當(dāng)γs大于500％時，ηp小于5％。排種過程中，軸向不同位置的排種孔氣流速度存在明顯差異，且正對底板連接座的排種孔氣流速度最大，隨著γs的增大，流速差異逐漸減小，且當(dāng)γs大于300％時，流速差異小于5％，正壓差對流速差異影響不明顯。 5、基于氣固兩相流力學(xué)理論，分析了種子在吸種氣流場中的受力情況。將種子受力在吸孔軸向和徑向進(jìn)行分解，由Fluent計算了離散空間節(jié)點(diǎn)上吸力的大小。運(yùn)用

7、插值運(yùn)算法從垂直吸種距離z、徑向吸種距離r和有效吸種空間體積V三個方面綜合分析排種器的吸種性能，確定不同結(jié)構(gòu)形式吸孔的有效吸種區(qū)域和瞬間吸種運(yùn)動過程，并對吸孔結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，通過假設(shè)種群在振動種盤內(nèi)呈正四面體空間分布，分析了種群層數(shù)n、負(fù)壓差△p、間隙系數(shù)λ、吸孔直徑dk對種子受力的影響，揭示振動和負(fù)壓吸種機(jī)理。結(jié)果表明：吸附運(yùn)動主要是由壓力梯度力所控制；錐孔的吸種能力優(yōu)于直孔和沉孔；增加吸孔直徑dk比提高負(fù)壓差△p更有

8、利于提高排種器吸種能力；隨著吸孔直徑dk的增大，z、r隨之線性增加，V成3次方增加；增加負(fù)壓差△p，z、r和V也隨之增加，且在Δp較小時，增加速度較快，Δp較大時，增加速度較為緩慢；對于多層種子，隨著間隙系數(shù)λ的增加，種子受力呈現(xiàn)增加趨勢，且λ小于1.25時，受力增長較為迅速，可以有效提高排種器垂直吸種距離，λ大于1.25時，受力增長比較緩慢。 6、根據(jù)湍動射流力學(xué)理論計算了排種過程中種子受力大小，分析正壓差、排種角和滾筒轉(zhuǎn)速對

9、排種運(yùn)動過程的影響，在JPS—12氣吸振動式排種器性能試驗臺上，對排種過程種子運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行了高速圖像采集，采用顏色向量建立種子模型，提出用Mean shift算法編程進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，獲取種子實(shí)際運(yùn)動軌跡，驗證了數(shù)值計算的正確性。分析得到：湍動射流產(chǎn)生的瞬間沖擊加速度是決定排種過程種子運(yùn)動狀態(tài)的主要因素，正壓差和排種角的波動是造成落種位置誤差的重要原因，計算了不同工作參數(shù)下的落種速度和時間。當(dāng)正壓差在1～1.5kPa、排種角在1～—10°范

10、圍時，落種精度最高。 7、在JPS—12氣吸振動式排種器性能檢測試臺進(jìn)行單因素和正交試驗，建立合格指數(shù)與負(fù)壓差、滾筒轉(zhuǎn)速、種盤振動頻率和吸種角的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過自適應(yīng)遺傳算法對排種器工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：錐孔的吸種能力優(yōu)于直孔和沉孔，孔徑對吸種性能影響顯著，吸孔與種子的直徑比應(yīng)選定在0.4～0.6。增大孔徑和負(fù)壓差，在提高吸種能力的同時，又會造成重吸率的增加。初始油菜種層厚度約為8～10mm時，吸種精度較高。滾筒轉(zhuǎn)速在15～