氣吸振動(dòng)式精密排種器理論及試驗(yàn)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(dòng)式排種器具有對(duì)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(dòng)控制，是一種較為先進(jìn)的排種裝置，已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外精密排種器發(fā)展的主要方向之一。種子在種盤(pán)內(nèi)的振動(dòng)以及在吸排種氣流場(chǎng)中的受力運(yùn)動(dòng)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(yàn)對(duì)象，開(kāi)展了氣吸振動(dòng)式排種器的工作機(jī)理研究和性能試驗(yàn)分析，

2、主要工作包括： 1、實(shí)驗(yàn)測(cè)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(dòng)種盤(pán)的幅頻特性。 2、推導(dǎo)出種子與種盤(pán)二自由度碰撞振動(dòng)系統(tǒng)周期運(yùn)動(dòng)的Poincaré映射，以振動(dòng)頻率為控制參數(shù)，計(jì)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(dòng)點(diǎn)的穩(wěn)定性，獲得種子由穩(wěn)定周期運(yùn)動(dòng)通向混沌的過(guò)程，通過(guò)軌跡相圖分析得到混

3、沌運(yùn)動(dòng)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(dòng)接觸力學(xué)模型，編寫(xiě)離散元程序，模擬了振動(dòng)種盤(pán)內(nèi)種群的三維運(yùn)動(dòng)規(guī)律。為了描述種群空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，給出了重心波動(dòng)和體積膨脹系數(shù)的計(jì)算方法。計(jì)算結(jié)果表明：碰撞接觸時(shí)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(duì)速度和恢復(fù)系數(shù)的增大而線性增加；接觸時(shí)間隨恢復(fù)系數(shù)的增加而減小，相對(duì)速度對(duì)其影響不顯著。種群重心波動(dòng)和體積膨脹系數(shù)的特征頻率出現(xiàn)在種

4、盤(pán)振動(dòng)頻率附近。 種盤(pán)作小幅高頻振動(dòng)時(shí)，種子幾乎在原地作垂直運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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(dòng)強(qiáng)度下，種盤(pán)振幅越大，種群離散程度越高；對(duì)于薄層種子，隨著種子與種盤(pán)、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(shì)，隨著層厚的增加，這一趨勢(shì)逐漸減弱；在弱振動(dòng)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(dòng)時(shí)，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(duì)滾筒內(nèi)部全流道氣流場(chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。結(jié)果表明：吸種過(guò)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(duì)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(shí)，ηp小于5％。排種過(guò)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(duì)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(shí)，流速差異小于5％，正壓差對(duì)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(chǎng)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(jì)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(gè)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(dòng)過(guò)程，并對(duì)吸孔結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)假設(shè)種群在振動(dòng)種盤(pán)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(duì)種子受力的影響，揭示振動(dòng)和負(fù)壓吸種機(jī)理。結(jié)果表明：吸附運(yùn)動(dòng)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(shí)，增加速度較快，Δp較大時(shí)，增加速度較為緩慢；對(duì)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(shì)，且λ小于1.25時(shí)，受力增長(zhǎng)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(shí)，受力增長(zhǎng)比較緩慢。 6、根據(jù)湍動(dòng)射流力學(xué)理論計(jì)算了排種過(guò)程中種子受力大小，分析正壓差、排種角和滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)

9、排種運(yùn)動(dòng)過(guò)程的影響，在JPS—12氣吸振動(dòng)式排種器性能試驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)排種過(guò)程種子運(yùn)動(dòng)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(dòng)軌跡，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的正確性。分析得到：湍動(dòng)射流產(chǎn)生的瞬間沖擊加速度是決定排種過(guò)程種子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的主要因素，正壓差和排種角的波動(dòng)是造成落種位置誤差的重要原因，計(jì)算了不同工作參數(shù)下的落種速度和時(shí)間。當(dāng)正壓差在1～1.5kPa、排種角在1～—10°范

10、圍時(shí)，落種精度最高。 7、在JPS—12氣吸振動(dòng)式排種器性能檢測(cè)試臺(tái)進(jìn)行單因素和正交試驗(yàn)，建立合格指數(shù)與負(fù)壓差、滾筒轉(zhuǎn)速、種盤(pán)振動(dòng)頻率和吸種角的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過(guò)自適應(yīng)遺傳算法對(duì)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(duì)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(shí)，又會(huì)造成重吸率的增加。初始油菜種層厚度約為8～10mm時(shí)，吸種精度較高。滾筒轉(zhuǎn)速在15～