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西洋参气力针式精密集排器设计与试验

郑娟  
【摘要】:西洋参是具有特殊治疗价值的贵重补益药品,种植经济效益显著,近年来我国西洋参种植面积不断扩大,目前已成世界西洋参第一消费国和第三生产国,受西洋参播种前种子必须催芽裂口、播种密度大、种子昂贵等因素的影响,机械化播种技术难度大,目前仍以人工压穴点播为主,存在工作效率低、劳动成本高、播种参差不齐等问题。本文针对上述生产实际问题,开展适用精密播种研究,设计负压吸种、正压卸种、可实现一器24行排种的西洋参气力针式精密集排器,主要研究内容和结果如下:1)西洋参种子物理机械特性测量分析。以催芽和未催芽西洋参种子为研究对象,测量了两种状态下西洋参种子的基本物理参数、摩擦学特性、压缩力学特性和碰撞恢复系数,结果表明:催芽和未催芽西洋参种子三轴尺寸均符合正态分布,催芽西洋参种子三轴尺寸平均值为6.24mm×5.04 mm×3.35 mm,球度为75.69%,略大于未催芽西洋参种子三轴尺寸平均值6.20 mm×4.92 mm×2.91 mm,球度72.06%,厚度变化明显,球度较低,种子形状不规则;催芽西洋参种子的休止角和滑动摩擦角分别为38.45°、36.72°,大于未催芽种子的休止角37.63°和滑动摩擦角33.34°,种子流动性较差;西洋参种子催芽前种皮坚硬,且呈闭口状态,种子破裂屈服力为45.535 N,到达屈服点的应变平均值为0.277,大于催芽西洋参种子破裂屈服力29.671 N,应变平均值0.195;测得未催芽西洋参种子与铁板的碰撞恢复系数为0.682,浸泡催芽处理后,西洋参种皮纤维结构变软,种胚膨胀呈裂口状态,导致碰撞时变形量增大,较未催芽西洋参种子碰撞能量损失多,其与铁板的碰撞恢复系数为0.206。2)西洋参气力针式集排器总体方案设计。系统分析国内外西洋参播种技术和气力集中式排种器研究现状,针对西洋参窄行距单粒精密播种要求,结合测量所得西洋参种子的物理机械特性参数,提出了一器24行西洋参气力针式精密集排器结构,分析了集排器的工作原理,确定了集排器每个气室旋转盘上径向圆周固定连接4根管针旋转件,排种针末端种子吸附面直径为3.00 mm,充种板倾斜角为51?,充种室底板弯曲半径为190 mm,设计充种室内均布内拱桥,将充种室分为12个与排种针对应的充种单元,理论计算可得相邻内拱桥间距为17.60 mm,根据散粒体力学特性设计内拱桥倾斜角为70°,在落种管上开设避让孔,确定其管径为10 mm×85 mm;集排器效率可达540~900 m~2/h。3)西洋参气力针式集排器排种过程分析。通过对集排器吸种、携种和卸种过程的力学模型建立和分析,明确了每个排种过程的顺利进行所需吸附力大小及各影响因素。影响集排器排种性能的因素主要有排种轴转速、吸种负压、卸种正压、排种针末端种子吸附面直径、种子物料特性参数、排种针末端种子运动半径和吸种角等,确定了集排器排种性能试验吸种负压取值为3.50~5.50 kPa。4)关键排种执行部件管针旋转件的气流场分配均匀性仿真试验。为验证管针旋转件结构参数可行性及并联各行排种针流场分配均匀性,采用Fluent软件进行仿真试验,结果表明管针旋转件内气流场分布呈中间对称状,两端较中间部位能量损失小,提取的12个排种针末端种子吸附面平均流速变异系数为2.923%,压强变异系数为5.772%,表明管针旋转件结构参数合理,集排器并联各行排种针流场分配均匀性较好。5)西洋参气力针式集排器排种性能试验。单因素试验可得,集排器的单行合格指数可达90.00%以上,由单因素试验结果确定了进行二次回归正交组合试验时的工作参数取值为排种轴转速12.00~24.00r/min,吸种负压3.90~5.10 kPa,卸种正压2.70~3.90 kPa,对试验结果和回归方程进行方差分析,结合响应曲面分析可得,影响合格指数的因素主次顺序为排种轴转速、吸种负压、卸种正压,选取集排器最佳性能工作参数组合为排种轴转速13.10~17.70r/min、吸种负压4.20~4.50 kPa及卸种正压2.90 kPa时,集排器单行的排种合格指数高于88.50%,漏播指数低于5.00%,重播指数低于7.50%;在优化参数范围内选取不同工况进行集排器整体排种性能测试,结果表明集排器各行排种合格指数均高于86.30%,各行合格指数稳定性变异系数均低于6.20%,集排器行间合格指数一致性变异系数低于1.80%,各行稳定性和行间一致性较好,验证可得集排器整体排种性能良好,能满足西洋参精密播种要求。


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