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盘室同步气吸式精量排种器设计研究

颜丙新  
【摘要】:作物种植随规模化生产进程的加速逐渐从单纯追求高产向效益与产量并重、效益优先发展的方向转变,节本增效优点突出的精量播种技术,被高度重视。作为实现精量播种的核心部件,排种器面临新的技术挑战。气吸式排种器因其对种子外形要求不严格、作业精度高、作业速度快等优点得到广泛应用。但存在工作时排种盘与气室耐磨垫相对运动,易导致耐磨垫磨损,从而造成排种器气密性下降、风压需求增加、动力需求增大,种植成本增加的问题。国外气吸式排种器多通过改善耐磨垫材料的方式提高耐磨性,但只能延长使用时间,无法从根本上避免磨损。本文针对这个问题,提出了重力辅助与机械扰种相结合的充种方法,优化了盘室同步旋转的排种器作业方法,创新设计了一种盘室同步气吸式精量排种器,该排种器利用机械扰种技术增加待充种子的活跃度,降低种子间相互作用力,采用重力辅助充种,在重力和气流吸附力的共同作用下将种子填充到周向布置的型孔。作业时,排种盘与气室同步旋转,使排种盘和耐磨垫之间不产生相对运动,达到无摩擦、低气压需求的效果,节省了更换耐磨垫的时间和经济成本,排种器结构紧凑、工作稳定,作业效果满足国标要求。论文的主要研究内容和结论如下:(1)提出气吸式排种器重力辅助充种新方法,设计了排种器的充种区域方案,分析了排种器流场和颗粒场运动路径,优化了盘室同步旋转的排种器作业方法,建立了重力辅助充种过程待充种子受力情况数学模型,实现了盘室同步转动和充种过程重力辅助。重点分析了充种区重力对辅助充种的贡献,发现待充种子自重及所受种群压力沿排种盘径向的分量与曳力方向一致;已充种子重力在径向的分量与压力梯度力方向一致,有利于重力辅助充种。进行了待充种子数量和充种位置对充种性能影响的仿真研究,仿真结果表明:当种子数量大于600粒时,种子数量对平均法向力的影响可以忽略,此时平均法向力的变化由区域位置的变化引起,且随充种位置低、中、高位的变化,平均法向力逐渐增大。(2)创新设计了一种盘室同步气吸式精量排种器,以玉米种子外形尺寸为参考,通过理论计算确定了关键部件特征参数。以种子顺利通过储种箱为目标,对排种器储种箱结构和主要参数进行了设计计算,储种箱最小尺寸参数应不小于24.3 mm,进种口调节范围为(12.74°,30.78°);以提高充种性能、减小风压需求为目标,对排种盘结构参数进行了设计和计算:排种盘最大外径180 mm,型孔直径为5.4 mm,型孔数量为26个,综合考虑辅助充种和顺利清种,将排种盘倾角设置为β=64°,厚度为29 mm;以减小待充种子间作用力为目标,以待充种子动能为指标,借助EDEM数字仿真软件,综合考虑种子扰种机构对种子的扰动效果和拖带作用,确定了排种盘扰种机构结构和主要参数;以保证清种回落顺畅,避免余种与来种的相互干扰为目的,分析了清种回落过程,设计了清种回落槽,对清种回落槽容积进行了建模,确定了最大容种量为74粒玉米种子;通过对比确定以刮种方案为本排种器的投种方案,对排种器卸种板进行了优化设计,进一步改善了排种器投种效果。试验对比分析了直线型卸种板和倾斜型卸种板对排种器作业性能的影响,对排种器种子落种区间进行了统计学分析,结果表明:落种区域越分散,种子合格指数越小,落种区域越集中,合格指数越高;采用高速摄像技术对种子下落速度进行了分析,发现:相对直线型卸种板,倾斜型卸种板改变了种子的前进方向,减小了速度瞬时损失,更容易形成稳定有序种子流,保证排种质量。确定了排种器的总体结构方案,并对其工作原理进行了总结;依次对排种器充种区、清种区、携种区、投种区和过渡区范围进行了分析和计算,各区域范围分别是充种区域的范围α1∈(0°~45°),清种区域的范围为α2∈(45°~63.2°),携种区范围为α3∈(63.2°~205°),投种区范围为α4∈(205。~235。),过渡区范围为α5∈(235′~360。)。(3)应用Fluent和EDEM软件对排种器流场进行了仿真优化,建立了排种器流场的Fluent三维模型和玉米种子的Bonding模型,进行了压力和型孔数量对排种器流场影响的仿真和分析,实现了气吸式排种器的Fluent-EDEM气固双向耦合仿真,提取了颗粒速度、位置和受力随时间变化数据,明确了排种器工作中种子运动速度、位置和受力情况的变化规律。以吸种口流场速度为指标,对排种器型孔结构进行了仿真比较,发现吸种口气流速度由小到大依次是:小直孔外凸型孔内凹型孔倒角型孔;对倒角型孔参数和气室流场结构进行了优化,确定了型孔小径、大径和型孔外高度分别是dk1 =5.4 mm、dk2 =7.5 mm、h=2.6 mm,气室底面倾角δd=8°。(4)开展了室内台架试验和田间试验,确定了排种器关键作业参数。进行了作业风压、作业速度的单因素试验,以及风压速度的双因素对比试验,确定了排种器最高作业速度为12km/h,作业风压最小值设置-3.5kPa,最佳值为-4.5kPa;与Kverneland气吸式排种器相比,盘室同步气吸式精量排种器作业风压需求更低,适应速度范围更广。田间性能试验结果表明:排种器理论株距0.146 m时,作业速度不超过9.48 km/h,播种机作业指标均优于国家标准,满足作业要求。排种器作业合格指数随速度先增加后减小,在7.68 km/h时达到最大值,当速度大于7.68 km/h时,随着作业速度的增加漏播指数增加,重播指数减小。


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