氣力式油菜精量排種器結構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和圖像目標追蹤技術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構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構參數(shù)對排種性能的影響，為進一步優(yōu)化排種器的結構提供參考。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，構建了不同排種軸轉速

4、下正負壓比例系數(shù)的數(shù)學模型。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系，并構建了排種器正負壓比例系數(shù)的數(shù)學模型，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系，結果表明: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;
　　③分析了油菜籽的投種過程并得到其投種軌跡的動力學模型，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;結合高速攝像技術在排種盤轉速為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，對比分析了不同轉速下油菜籽的投種運動規(guī)律，明確了正壓大小和導種管結構對油菜籽的投種軌跡的影響，試驗結果表明:當排種盤的轉速從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，為排種器結構的優(yōu)化設計提供新

9、的依據(jù)。
　　(3)分析了排種器正負壓氣室的結構參數(shù)，在ANSYS/CFX中對不同結構參數(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構改進試驗研究，結合仿真試驗結果分別對負壓出氣孔內(nèi)徑在6～12mm范圍內(nèi)、氣室內(nèi)側直徑在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、負壓和排種軸轉速條件下，排種器性能變化開展了分析研究，其試驗結果表明: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)，