小麦气流输送式排种系统关键部件研制与分析

【摘要】：随着我国北方地区小麦规模化种植,传统机械式播种机已经满足不了实际生产需求,迫切需要性能稳定的大型、宽幅、高速播种机来提高作业效率。本课题研究小麦气流输送式排种系统,设计了波纹式导流管、仿生分配器等关键部件,结合气固两相流耦合方法、散粒体理论和高速摄像技术等方法,研究排种系统中小麦种子的运动特性、迁移轨迹等揭示小麦种子在排种系统中的工作机理;运用仿真软件分析气流输送式排种系统内部流场分布及种子运动规律,从而确定输种管长度对排种性能的影响;通过台架试验对排种系统的排种性能进行试验验证。论文主要研究工作如下:1.对农麦3号小麦种子物理参数及力学特性进行测定,得到小麦种子的容重为737.66g/L、含水率为 10.32%、千粒重为 56.51g、三轴尺寸为 6.10mm×2.99mm×3.29mm、等效直径为3.92mm、球度为0.64及悬浮速度为11.79m/s;根据小麦种子参数建立仿真模型,并利用EDEM仿真与台架试验验证小麦种子模型的合理性,在不同槽轮工作长度下排出种子质量的仿真值与试验值相对误差在3.08%-7.82%范围内,说明该模型能够充分反应种子的运动与力学特性。2.开展了气流输送式排种系统中导流管的结构设计与优化。根据导流管结构对排种系统中种子分布均匀性的影响,采用气固两相流耦合仿真的方法研究小麦种子在导流管内的运动姿态和运动规律,揭示影响气固两相流均匀度与分配均匀性的机理;通过正交试验分析不同结构导流管对种子分布均匀性、压力损失和各行排量一致性变异系数的影响,进一步优化导流管结构,得到导流管最优参数组合为导流管长度800mm、波纹深度8mm、波纹数量6及波纹宽度50mm,优化后的导流管内气流流速均匀,基本消除紊流等现象,且压力损失小;通过台架试验验证得到该导流管结构在不同入口气流速度与播种量下的各行排量一致性变异系数均符合标准要求,满足实际生产需求。3.利用仿生原理根据鲫鱼的流线型曲线,设计仿鲫鱼曲线分配器,并分析分配器的压力损失机理。运用EDEM与Fluent耦合的方法对四种仿生分配器与原结构分配器的工作压力损失、紊流情况及种子分布均匀性状况进行仿真分析,确定仿生分配器的最优结构;通过台架试验得到,仿生优化后的分配器各行排量一致性变异系数符合行业标准要求,满足生产实际需求;且该分配器的压力损失值较小,说明该分配器能够有效降低压力损失,提高气流输送式排种系统种子分布均匀性,提高排种性能。4.通过理论分析、气固两相流耦合仿真与台架试验揭示种子在输种管的运动机理。理论分析得到输种管长度的不同对管内气流平均流速的影响,当输种管越短时,管内气流平均流速减少越明显,当输种管大于一定长度时,气流平均流速减少趋于平缓;结合EDEM-Fluent耦合仿真与高速摄像技术测定种子在输种管内的速度,通过对比仿真与试验结果,得到输种管内种子速度修正系数平均值为0.95,验证了耦合仿真测定输种管内种子速度方法的可行性。5.利用台架试验对小麦气流输送式排种系统关键部件进行试验研究,以各行排量一致性变异系数和总排量稳定性变异系数为评价指标,分析风量、播种量、输种管长度等工作参数对排种性能的影响,通过响应面分析得到在总排量稳定性变异系数和各行排量一致性变异系数达到稳定时所对应的播种量范围为198.8kg/hm2-270kg/hm2,风量为7.92m3/min-8.55m3/min,输种管长度不低于3.02m。对得到的参数组合范围进行验证试验,得到总排量稳定性变异系数为0.43%-0.54%,各行排量一致性变异系数为2.71%-2.91%,种子破损率为0.39%-0.42%,满足相关标准要求。