氣力式油菜精量排種器結(jié)構(gòu)解析與排種過程仿真研究.pdf

1、油菜是我國重要的油料作物之一，因其籽粒半徑小，表皮易于破損，限制了油菜籽的機械化播種發(fā)展;長江中下游地區(qū)作為我國油菜的主產(chǎn)區(qū)，但其機械化播種水平均不高。隨著我國人們生活水平的提高，每年的油菜產(chǎn)量已經(jīng)不能滿足人們對植物油的需求，因此，提高油菜的機械化播種水平成為當前急需解決的難題。
　　油菜直播機的核心部件是排種器，故油菜精量排種器的排種性能直接決定了油菜直播機的工作性能。本文是在氣力式油菜精量排種器的研究基礎(chǔ)上，開展了影響排種器性

2、能的運行參數(shù)試驗研究，探尋了各參數(shù)之間的變化規(guī)律;并利用EDEM和ANSYS軟件對排種器的排種過程開展了仿真分析，并借助高速攝像技術(shù)和圖像目標追蹤技術(shù)捕獲了油菜籽在排種器投種過程中的運動變化規(guī)律;開展了氣力式油菜精量排種器的氣室結(jié)構(gòu)的仿真分析和試驗研究，明確了排種器的負壓出氣孔、正壓進氣孔和氣室容積等結(jié)構(gòu)參數(shù)對排種性能的影響，為進一步優(yōu)化排種器的結(jié)構(gòu)提供參考。主要研究內(nèi)容包括:
　　(1)根據(jù)氣力式油菜精量排種器穩(wěn)定工作的負壓-1

3、000～-4500Pa、正壓50～250Pa和排種軸轉(zhuǎn)速10～45r/min范圍，分別以排種器的合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)為因變量，開展全因素試驗研究，并統(tǒng)計分析了排種器的正負氣壓比例關(guān)系與排種性能的變化規(guī)律，提出了正負壓比例系數(shù)，通過建立其與排種性能的三元二次回歸方程，分析了正壓、排種軸轉(zhuǎn)速和正負壓比例系數(shù)及其之間的交互作用對性能指數(shù)的影響;根據(jù)試驗結(jié)果，分析了排種器合格指數(shù)高于90％工況下正負氣壓比例系數(shù)范圍，構(gòu)建了不同排種軸轉(zhuǎn)速

4、下正負壓比例系數(shù)的數(shù)學(xué)模型。本文提出正負壓比例系數(shù)來闡述氣力式排種器正負氣壓的匹配關(guān)系，并構(gòu)建了排種器正負壓比例系數(shù)的數(shù)學(xué)模型，該研究對調(diào)節(jié)排種器的正負氣壓具有一定的創(chuàng)新性，其結(jié)果可為油菜直播機田間工作時排種器的正負氣壓的匹配和調(diào)節(jié)提供參考。
　　(2)基于ANSYS、EDEM和高速攝像技術(shù)等對排種器的三個排種過程開展了試驗和仿真研究，其主要研究結(jié)果如下:
　?、倩贓DEM軟件開展了油菜籽在排種器充種過程的仿真分析，明確了

5、排種軸轉(zhuǎn)速為15r/min時，排種器內(nèi)油菜種群隨時間的變化規(guī)律，通過分析油菜籽在排種器罩殼內(nèi)的運移規(guī)律，明確油菜籽充入排種器罩殼的影響因素;隨機追蹤罩殼內(nèi)單顆油菜籽，獲得了油菜籽速度隨著時間的變化曲線。仿真結(jié)果表明:罩殼內(nèi)油菜籽種群的平均速度隨著時間呈指數(shù)下降并逐漸穩(wěn)定。
　?、诟鶕?jù)排種器的工作原理，建立了油菜籽吸種過程的動力學(xué)模型，計算并獲得了負壓氣室穩(wěn)定吸附油菜籽的最低壓強，并在ANSYS/CFX中對排種器負壓氣室流體模型開展

6、仿真研究，確定負壓出氣孔在-1000～-4500Pa范圍內(nèi)，觀察分析了氣室流場的壓強云圖，并得到了負壓區(qū)型孔表明的壓強和流速，并確定了型孔壓強和流速與負壓出氣孔壓強之間的關(guān)系，結(jié)果表明:型孔表面壓強和流速隨著負壓出氣孔壓強增大而逐漸增大;
　?、鄯治隽擞筒俗训耐斗N過程并得到其投種軌跡的動力學(xué)模型，明確了影響油菜籽投種軌跡的各參數(shù)影響，在ANSYS/CFX中建立正壓氣室流體模型，以正壓50～250Pa范圍內(nèi)，追蹤了正壓區(qū)型孔的壓強和

7、流速，得到了其變化規(guī)律;結(jié)合高速攝像技術(shù)在排種盤轉(zhuǎn)速為15r/min和25r/min和正壓50～600Pa范圍內(nèi)工況下開展油菜籽投種過程的試驗研究，采用目標追蹤技術(shù)提取油菜籽坐標，繪制其實際投種軌跡曲線，通過統(tǒng)計分析了油菜籽的投種距離、投種速度和加速度，對比分析了不同轉(zhuǎn)速下油菜籽的投種運動規(guī)律，明確了正壓大小和導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)對油菜籽的投種軌跡的影響，試驗結(jié)果表明:當排種盤的轉(zhuǎn)速從15r/min增大到25r/min時，油菜籽的投種距離越小，其

8、投種速度越大;
　?、芾酶咚贁z像技術(shù)對排種器的充種過程和吸種過程開展了驗證試驗，觀察分析了油菜籽在罩殼內(nèi)的充種運動規(guī)律和吸種過程規(guī)律，分別對充種過程和吸種過程的仿真結(jié)果開展試驗分析。本文主要運用了EDEM和ANSYS軟件、高速攝像技術(shù)解析了排種器的充種過程、吸種過程和投種過程，揭示了油菜籽在充種過程中的運動規(guī)律，分析了吸種過程中負氣壓區(qū)型孔處壓強和流速的變化規(guī)律，明確了油菜籽在投種過程的遷移運動軌跡，為排種器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供新

9、的依據(jù)。
　　(3)分析了排種器正負壓氣室的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在ANSYS/CFX中對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下氣室流體模型開展仿真研究，主要對負壓出氣孔內(nèi)徑6～17mm、負壓出氣孔位置0°～165°、負壓氣室內(nèi)徑62～106mm、排種盤型孔數(shù)量15～55、正壓進氣孔內(nèi)徑6～17mm、正壓氣室內(nèi)徑62～106mm等因素進行仿真試驗，并對正壓區(qū)和負壓區(qū)內(nèi)排種盤型孔處壓強和流速大小。試驗結(jié)果表明:負壓出氣孔內(nèi)徑大小對排種器氣室型孔表面的壓強和流速影響較顯

10、著;
　　(4)利用JPS-12型排種器性能檢測試驗臺開展了排種器的結(jié)構(gòu)改進試驗研究，結(jié)合仿真試驗結(jié)果分別對負壓出氣孔內(nèi)徑在6～12mm范圍內(nèi)、氣室內(nèi)側(cè)直徑在62～110mm范圍內(nèi)、負壓出氣孔在氣室圓周上偏角分別為15°、90°和125°位置時，開展單因素和正交試驗研究，分別對不同正壓、負壓和排種軸轉(zhuǎn)速條件下，排種器性能變化開展了分析研究，其試驗結(jié)果表明:負壓出氣孔內(nèi)徑大小和出氣孔位置對排種器性能影響顯著，確定了其最佳的改進參數(shù)，