壓縮包已打包上傳。下載文件后為完整一套設(shè)計。【清晰，無水印，可編輯】dwg后綴為cad圖紙，doc后綴為word格式，所見即所得。有疑問可以咨詢QQ 197216396 或 11970985
文獻綜述
文 獻 綜 述
題 目： 氣吸滾筒式精密排種器的研究進展
氣吸滾筒式精密排種器的研究進展
摘要:世界各國都很重視精量播種技術(shù)，精密播種可以節(jié)約大量的種子，節(jié)省田間間苗定苗用工，增加作物產(chǎn)量。本設(shè)計在對國內(nèi)外現(xiàn)有的氣吸滾筒式精密排種器深入研究的基礎(chǔ)上，對原有的設(shè)計進行了改進并制造了一種新型的氣吸滾筒式精密排種器。使該排種器具有以下的特點:首先，對主軸結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，采用了一根主軸形成兩個壓腔的設(shè)計方法，既保證了同軸度又減少了軸承的磨損，大大延長了軸承的使用壽命。其次，由于采用了彈簧結(jié)構(gòu)，在隔氣板與滾筒內(nèi)壁接觸轉(zhuǎn)動的過程中，減少了因摩擦而導致的磨損漏氣的問題。第三，對種箱進行了激振，使種子在種箱中形成“沸騰”狀態(tài)，更有利于滾筒的吸種。
關(guān)鍵詞:精密播種;排種器;有限元分析;理論分析;氣吸滾筒式精密排種器;
1.1 研究小顆粒種子精播技術(shù)的目的和意義
世界各國都很重視精量播種技術(shù)，發(fā)達國家已基本實現(xiàn)大、中粒作物的精量播種，節(jié)本增效顯著，但對油菜、谷子等小顆粒作物的精播技術(shù)有待進一步的研究【1】。本文以油菜種子為例，探討了小顆粒種子的精播問題。
油菜是世界上重要的油料作物之一，成熟的油菜籽多為球形或近似球形的小顆粒，其直徑為1.27-2.05mm【2，3】。油菜在我國常年種植面積約為800萬公頃，其種子含油量為30%-50%，是我國重要的油料作物。長期以來，我國油菜種植面積和總產(chǎn)量均居世界第一，占世界油菜種植面積和總產(chǎn)量的30%左右。根據(jù)資料顯示，1996年以來，菜籽油占我國食用植物油消費量的近35%。當前我國油菜產(chǎn)業(yè)的種植面積大、總產(chǎn)量高，市場需求量和發(fā)展?jié)摿Χ己艽蟆?000年全國油菜種植面積擴大到800萬公頃，產(chǎn)量達到1013萬噸。隨著人們生活水平的提高，對植物油的消費也日益增長，加工能力膨脹對油料需求加大，我國從1999年開始進口油菜籽，1999年以來每年進口油菜籽250萬噸左右，特別是近幾年來，進口油菜籽產(chǎn)品的數(shù)量有呈現(xiàn)大幅度上升的趨勢【4】。
自20世紀80年代以來，我國雙低油菜發(fā)展迅速，但油菜播種基本為開溝人工溜種，播量較大，不但浪費種子，勞動強度大，而且播種質(zhì)量難以保證，遇干早缺苗嚴重，遇雨澇出苗過稠，間苗、定苗費工，并易形成高腳弱苗，影響產(chǎn)量。因此對優(yōu)質(zhì)油菜種子進行精密播種迫在眉睫。精密播種優(yōu)越性有如下幾點:
1. 精密播種可以節(jié)約大量種子。
2. 節(jié)省田間間苗定苗用工。精密播種苗齊苗壯，不擁擠，可提高田間間苗定苗工效，甚至可以取消間苗定苗工作。
3. 可增加作物產(chǎn)量。精密播種的苗分布均勻，透風透光性好，能充分利用土壤中的水分營養(yǎng)。苗期發(fā)育好，苗齊苗壯，可增產(chǎn)10%-30%。
本課題根據(jù)油菜種子的特性，對其精密播種部件一滾筒氣吸式精密排種器開展研究工作，為推進精播小顆粒種子的機械化進程開創(chuàng)一條新路。
1.2 國內(nèi)外氣力式精密排種器的發(fā)展概況
精密排種器按其工作原理可分為機械式和氣力式。氣力式排種器包括氣吸式、氣吹式、氣壓式三種;機械式主要有窩眼輪式、圓盤式、指夾式等。氣力式排種器具有對種子適應性強，損傷輕等優(yōu)點。
1.2.1 國外氣力式排種器的發(fā)展概況
在國外的產(chǎn)品中，精密排種器主要以針式和滾筒式為主，滾筒式排種器的效率比針式播種機的效率更高【5】。
國外從20世紀50年代末開始出現(xiàn)氣力式精密排種器。20世紀60年代以來，前蘇聯(lián)、英、德等國都相繼提出了麥類作物精播理論，并對小麥精播機做了大量的試驗研究。1976年前后，德國研制了GS-23氣吸式小麥精密播種機，其排種器是由種子室和真空室組成，但是該機難以實現(xiàn)單粒排種，而且播種均勻度很差，重播嚴重。后來法國研制出一種單粒氣吸式小區(qū)播種機，它的排種器是一個安裝在轉(zhuǎn)軸上的金屬盤，盤的周緣分布著若干個吸嘴與圓盤內(nèi)腔的真空負壓相連。該機通過更換不同的吸嘴可以播種小麥、玉米、向日葵等作物。奧地利的Wintersteiger自走式小麥精播機也屬于氣吸式精量播種機，該機的排種器是一對組合吸縫盤和驅(qū)動格輪，由兩個不同形狀隙縫的交叉形成一系列不同形狀的吸孔。它沒有輸種管，排種器與開溝器融于一體，投種點低，有利于精密粒距的形成。該機主要用于田間小區(qū)試驗，在許多國家和地區(qū)得到推廣應用。為了滿足本國經(jīng)濟發(fā)展的要求，盡快提高精密播種機的作業(yè)速度，近十年來，歐美國家著重對氣力式精密排種器進行了研究【6】。當前，國外播種機械的發(fā)展方向已從對排種器的結(jié)構(gòu)研究轉(zhuǎn)移到對播種原理的研究上，比如蔬菜種子的精播問題。目前國外正在利用一些新的播種原理，如日本提出的靜電播種，英國提出的液體播種等。現(xiàn)在廣泛流傳的一種先進的科學播種方法——種子帶播種，它起源于日本，這種播種方法已在世界范圍內(nèi)被廣泛采用【7】。
目前較為成熟的產(chǎn)品主要有英國產(chǎn)的Hamilton播種機，有針式、滾筒式兩種。Hamilton針式播種機從秋海棠等極小的種子到甜瓜等大種子均可進行播種，播種精度高達99.9%(對干凈、規(guī)矩的種子)，播種速度可達2400行/小時(128穴的穴盤最多每小時可播150盤);Hamilton滾筒式播種機是適用于大中型育苗場的高效率精密播種機，適合絕大部分花卉、蔬菜等種子，播種精度可達99%(對干凈、規(guī)矩的種子)，播種速度高達18000行/小時(128穴的穴盤最多每小時可播1100盤)。這兩種播種機均可以無級調(diào)速，能在各種穴盤、平盤或栽培缽中播種，并可進行每穴單粒、雙?；蚨嗔Ｐ问降牟シN。韓國大東機電株式會社生產(chǎn)的真空氣吸式播種機，適用于小于瓜類種子的各類蔬菜種子及花卉種子，分為全自動和半自動兩種機型，全自動機型的工作程序包括基質(zhì)混拌、裝盤、挖穴、播種、覆土、噴水等，半自動機型包括挖穴、覆土兩項程序。此外，還有美國的Blaclanore, Speedling, VanDana精量播種系統(tǒng)等【8】。
1.2.2 國內(nèi)氣力式排種器的發(fā)展概況
我國從20世紀60年代開始研制氣力式播種機，當時遼寧省農(nóng)機所研制了6行氣吸式播種機，該機可精播玉米、大豆、花生。但是由于風機及萬向節(jié)傳動故障多，工作不可靠，沒能得到推廣。20世紀70年代我國加強了半精量和精量播種技術(shù)的引進、研究和試驗。1979年中國農(nóng)機院引進了4種精播機(西德氣吸、氣吹兩種，法國氣吸式，美國指夾式)，并分別對它們的性能，結(jié)構(gòu)參數(shù)以及影響因素進行了試驗和研究，在此基礎(chǔ)上研制出了我國的定型產(chǎn)品:2BJ-6型、2BJ-4型氣吹式精量播種機。遼寧省農(nóng)機研究所也經(jīng)多年的改進試驗研制出了與鐵牛-55拖拉機配套的2BQ-6型氣吸式播種中耕通用機。該機采用垂直圓盤氣吸式排種器，可精播玉米、大豆、高粱、棉籽，完成起壟、播種、中耕、培土等作業(yè)。20世紀80年代我國擴大了精播機的試驗、示范推廣。各地根據(jù)本地情況研制出了不同型號的氣力式播種機，如威海市農(nóng)機所研制出了2BT-2型氣吸式花生套種播種機，煙臺地區(qū)農(nóng)機所研制的2BHQ-5型氣吸式花生播種機，大連市農(nóng)機化所研制的2BJQ-4型氣力式播種機，山西省農(nóng)機所研制的2BJ-4型氣吸式精密播種機。“八五”期間，北京農(nóng)業(yè)工程大學研制出了2XB-300型孔齒盤轉(zhuǎn)動式穴盤育苗精量播種機，該裝置適合于播中等大小的丸?；N子。到了20世紀90年代播種機由單一播種發(fā)展到了播種、施肥、鋪膜聯(lián)合作業(yè)。近幾年，精密播種技術(shù)得到了進一步發(fā)展，如華南農(nóng)業(yè)大學研制的HNJ97-1型水稻精量播種機，利用電磁振動原理實現(xiàn)精量播種，但其造價較高。南京農(nóng)機化研究所和江蘇大學共同研制的2QB-330型氣吸振動式秧苗盤精量播種機，應用振動氣吸的原理，每穴1-2粒種子的播種合格率達到了90%以上【6，9，10】。
對于氣吸針式排種器，在我國自行研制的蔬菜、花卉工廠化育苗播種機中已開始應用，而對于滾筒氣吸式排種器，由于其氣密性很難控制等原因，由我國自行設(shè)計制造的專門用于蔬菜、花卉工廠化育苗的滾筒氣吸式排種器還很少。
1.3 國內(nèi)幾種典型的氣吸滾筒式精密排種器【11】
(1) 臺灣的陳世銘等研制的“振蕩式多用途真空播種機”，采用的就是滾筒型氣吸式排種器。該裝置采用了錐形孔和振動裝置來改善播種器的充種性能，然后用高速氣流來清除多余的種子。為避免清種的高速氣流對吸孔處的流場造成破壞，滾筒上吸孔的分布采用的是五刻劃形式(即沿圓周方向五等分滾筒來分布吸孔)。這樣每播一盤，滾筒需要轉(zhuǎn)動幾圈才能完成。為了保持較高的生產(chǎn)率，滾筒的轉(zhuǎn)速較高。另外，因為采用了錐形吸孔，簡單的切斷負壓不能保證卸種的一致性和準確性，所以又用了高速氣流從內(nèi)側(cè)沿吸孔軸線方向來把種子吹落。
(2) 廣西林科所研制的4LRZ-10000型流動式容器育苗裝播作業(yè)線，播種裝置采用的也是氣吸式滾筒型排種器。滾筒轉(zhuǎn)動時把種子吸附在滾筒圓周面上，通過切斷真空，種子靠自重下落到容器內(nèi)。該裝置采用的是凸臺式吸孔，吸嘴孔徑的大小按種子千粒重而定，播南方的濕地松種子，孔徑為1毫米，播經(jīng)過精選后裹成直徑為4-5毫米的種子丸，孔徑為1.2毫米。播種有種率可達95%以上。該裝置采用真空泵作負壓源(型號為2X-8)，這套生產(chǎn)線的生產(chǎn)率比較低，每小時才播種10000穴。育苗容器輸送帶的運行速度為0.05米/秒，播種機構(gòu)的播種滾筒轉(zhuǎn)速為7轉(zhuǎn)/分。
(3) 吉林農(nóng)業(yè)大學的盛江源等為了解決人參小行距精密播種的問題，也研制了一種氣吸式滾筒型排種器。工作時，風機進風口與滾筒軸(空心軸)相連，將滾筒內(nèi)抽成一定的真空度，當滾筒經(jīng)過種箱時，凸臺上的吸孔將種子吸住，并隨滾筒旋轉(zhuǎn)至卸壓區(qū)，此時卸壓輥將吸孔堵住，吸孔內(nèi)外壓差消失，種子靠自重落入接種杯內(nèi)，經(jīng)輸種管排入播行。他們運用正交試驗的方法，通過臺架試驗，得到了試驗因素的最優(yōu)組合。
(4) 由中國農(nóng)業(yè)大學和廣西北海市農(nóng)機化研究所研制的氣吸式雙層滾筒水稻播種器【12】，采用雙層滾筒結(jié)構(gòu)(外層壁薄、光滑、孔徑小、內(nèi)層孔徑大)使吸孔卡不住雜質(zhì)，有效地解決了吸孔堵塞的難題。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1-1所示，工作原理為:滾筒內(nèi)腔是一全封閉的真空負壓室，表面有與秧盤穴孔相對應的小孔和真空室相通。工作時。抽氣機構(gòu)抽走滾筒內(nèi)腔的空氣.產(chǎn)生負壓.使吸孔的兩端形成負壓)}-.演筒續(xù)固定軸轉(zhuǎn)動，當吸孔經(jīng)過種子箱時，種子在吸孔負壓差的作用下被吸附在吸孔上隨滾筒一起轉(zhuǎn)動。當轉(zhuǎn)至滾筒正下方時，吸孔內(nèi)端進入增壓室，負壓被切斷并處于增壓狀態(tài)，種子在自重及正壓作用下落入秧盤的穴孔中.滾筒和秧盤在同步輸送機構(gòu)的帶動下，實現(xiàn)滾筒上的吸孔與秧盤上的穴孔一一對應，滾筒不斷轉(zhuǎn)動，秧盤不斷隨同步輸送機構(gòu)前進，從而達到連續(xù)對穴播種的目的。
1.4 本文研究的內(nèi)容
由于原有的氣吸滾筒式精密排種器存在漏氣量大、排種不均勻、轉(zhuǎn)動不靈活及磨損嚴重等問題，本課題就其機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，使之能具有結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)效率較高等優(yōu)點，能夠用于播種油菜等小顆粒作物。本論文開展以下幾方面工作:
1. 對原有氣吸滾筒式精密排種器進行改進設(shè)計及優(yōu)化。對其吸種及排種過程進行了理論分析，得到了吸附力、吸種高度、排種誤差、碰撞角和碰撞速度等數(shù)學模型，并對影響吸排種效果的因素進行了分析。
2. 建立種子在吸孔氣流作用下的受力模型，研究種子的吸附條件，分析各種因素對播種質(zhì)量的影響。
3. 運用ANSYS有限元分析軟件對排種器進行氣流場分析和模擬，分析吸孔的形狀、導程和吸孔孔徑的大小對吸種性能的影響。同時對吸種滾筒正負壓區(qū)進行模擬仿真。
4. 采用正交試驗法設(shè)計試驗方案，對滾筒氣吸式排種器參數(shù)進行優(yōu)化，研究其轉(zhuǎn)速，吸孔負壓，吸孔形狀、大小及種箱振動頻率等與單粒率、空穴率的關(guān)系，以提高其性能。
5.對該排種器進行了試驗研究，著重對吸孔的形狀、吸孔的孔徑、吸孔的內(nèi)外壓差、種箱振動頻率、吸種滾筒轉(zhuǎn)速五個關(guān)鍵因素進行了分析。運用DPS軟件對試驗數(shù)據(jù)進行了處理。通過極差和方差分析，得出了影響試驗因素的主次順序及最優(yōu)組合。
5.運用二次多項式回歸模型，建立單粒率、空穴率與各個顯著因素的關(guān)系式。以油菜種子為試驗對象，經(jīng)過組合選優(yōu)及試驗驗證，當吸孔孔徑為1 mm，吸孔為錐形孔，吸孔壓差為2kPa，振動頻率為80Hz,滾筒轉(zhuǎn)速為14 r/min時，單粒率達到92%,空穴率為4%。
6. 運用回歸分析，建立試驗指標與幾個顯著因素的關(guān)系式。
通過對氣吸滾筒式精密排種器的理論分析、計算機仿真及試驗研究，得到了一些規(guī)律，為其實際應用奠定了基礎(chǔ)。
參考文獻
[1] 張宇文,李秋孝,王西紅,等.油菜精量播種技術(shù)研究.西北農(nóng)業(yè)學報.2002,11(2):93-96
[2] 蔣愛民，章超華.食品原科學.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社.2000
[3] 李詩龍.油菜籽的物理特性淺析.中國油脂.2005,30(2):17-20
[4] 劉文冰.淺析我國油菜生產(chǎn)的現(xiàn)狀與發(fā)展.中國種業(yè).2005, 1: 17
[5] 牛菊菊.滾筒氣力式蔬菜育苗穴盤排種器的研究[碩士學位論文].華南農(nóng)業(yè)大學,2004
[6] 劉桂蘭.我國氣力式播種機的發(fā)展.農(nóng)村牧區(qū)機械化.1996,(4):17
[7] 石宏,李達.目前國內(nèi)外播種機械發(fā)展走向(II).農(nóng)業(yè)機械化與電氣化.2000,2
[8] 邱秀麗.針孔氣力式蔬菜育苗穴盤排種器的研究[碩士學位論文].華南農(nóng)業(yè)大學,2004
[9] 張敏.氣吸滾筒式水稻精量播種裝置的理論與試驗研究[碩士學位論文].江蘇大學,2006
[10]吳國瑞,李耀明.氣吸式精量播種裝置的研究設(shè)計.農(nóng)機化研究.1998(1): 55-58
[11]肖有益.氣吸式滾筒型穴盤育苗用排種器的試驗研究匯[碩士學位論文].北京:中國農(nóng)業(yè)大學,1998
[12]龐昌樂,鄂卓茂,蘇聰英,等.氣吸式雙層滾筒水稻播種器設(shè)計與試驗研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報.2000,16(5):52-55
5
畢業(yè)論文題目 氣吸滾筒式精密排種器的優(yōu)化姓名 王晉軍班級 08機制一學號 12254002指導教師 張祖立論點：世界各國都很重視精量播種技術(shù)，精密播種可以世界各國都很重視精量播種技術(shù)，精密播種可以節(jié)約大量的種子，節(jié)省田間間苗定苗用工，增加節(jié)約大量的種子，節(jié)省田間間苗定苗用工，增加作物產(chǎn)量。本文在對國內(nèi)外現(xiàn)有的氣吸滾筒式精作物產(chǎn)量。本文在對國內(nèi)外現(xiàn)有的氣吸滾筒式精密排種器研究的基礎(chǔ)上，對原有的設(shè)計進行了改密排種器研究的基礎(chǔ)上，對原有的設(shè)計進行了改進并進并設(shè)計設(shè)計了一種新的氣吸滾筒式精密排種器。該了一種新的氣吸滾筒式精密排種器。該排種器對主軸結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，采用了排種器對主軸結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，采用了一對一對正負軸正負軸形成兩個壓腔的設(shè)計方法，形成兩個壓腔的設(shè)計方法，保證了負壓區(qū)保證了負壓區(qū)的壓差的同時的壓差的同時，也保證了正壓區(qū)的正常壓力值也保證了正壓區(qū)的正常壓力值。使直徑較小的蔬菜花卉種子能較為精確的播種到使直徑較小的蔬菜花卉種子能較為精確的播種到種盤內(nèi)。種盤內(nèi)。氣吸式排種器的優(yōu)點：精密排種器按其工作原理可分為機械式和氣力式。精密排種器按其工作原理可分為機械式和氣力式。氣力式排種器包括氣吸式、氣吹式、氣壓式三種氣力式排種器包括氣吸式、氣吹式、氣壓式三種;機械式主要有窩眼輪式、圓盤式、指夾式等。氣機械式主要有窩眼輪式、圓盤式、指夾式等。氣吸吸式排種器具有對種子適應性強，損傷輕式排種器具有對種子適應性強，損傷輕，播種較精，播種較精確等優(yōu)點。確等優(yōu)點。1.1.滾筒滾筒 2.2.正壓腔連接軸正壓腔連接軸 3.3.正壓腔正壓腔 4.4.滾筒連接蓋滾筒連接蓋 5.5.鏈輪鏈輪 6.6.負壓軸負壓軸 7.7.中夾板中夾板 8.8.正壓軸正壓軸 9.9.軸承蓋軸承蓋 10.10.端蓋端蓋中心軸的設(shè)計及焊接：1.1.負壓軸負壓軸 2.2.實心連接軸實心連接軸 3.3.中夾板中夾板 4.4.空心連接軸空心連接軸 5.5.正壓軸正壓軸
畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計）
（ 屆本科）
題 目： 氣吸滾筒式精密排種器的優(yōu)化
學 院：
專 業(yè)：
姓 名：
指導教師：
完成日期：
目錄
摘 要 1
ABSTRACT 2
第一章 緒論 3
1.1 研究小顆粒種子精播技術(shù)的目的和意義 3
1.2 國內(nèi)外氣力式精密排種器的發(fā)展概況 3
1.2.1 國外氣力式排種器的發(fā)展概況 4
1.2.2 國內(nèi)氣力式排種器的發(fā)展概況 4
1.3 本文研究的內(nèi)容 5
第二章 氣吸滾筒式精密排種器的優(yōu)化設(shè)計 6
2.1 排種器結(jié)構(gòu)及工作原理 6
2.1.1 總體結(jié)構(gòu) 6
2.1.2 工作原理 7
2.2.1 排種滾筒上吸孔的設(shè)計 8
2.2.2 排種滾簡內(nèi)部正負壓腔的設(shè)計 8
2.3 排種裝置的優(yōu)化設(shè)計 10
2.4 本章小結(jié) 11
第三章 氣吸滾筒式精密排種器的理論分析 12
3.1 種子所受吸附力及吸種高度的確定 12
3.1.1 吸附力及其影響因素 12
3.1.2 吸種高度及影響因素 13
3.2 氣吸滾筒式精密排種器吸種過程及其影響因素的分析 16
3.2.1種子從種箱到被吸孔吸附過程分析 17
3.2.2 種子被吸附到滾筒上并隨之運動的條件 19
3.3 氣吸滾筒式精密排種器的排種過程分析 20
3.3.1 排種誤差 20
3.3.2 種子落地碰撞角和碰撞速度 23
3.3.3 排種過程影響因素分析 24
3.4 本章小結(jié) 24
第四章 氣吸滾筒式精密排種器氣流場的計算機仿真 25
4.2 ANSYS仿真初始邊界條件的設(shè)定 26
4.2.1 吸孔的結(jié)構(gòu)形狀及初始化條件 26
4.3 仿真結(jié)果 28
4.3.1 吸孔形狀對吸種性能的影響 28
4.3.2 吸孔導程對吸種性能的影響 31
4.3.3 吸孔孔徑大小對吸種性能的影響 32
4.3.4 吸種滾筒內(nèi)部負壓區(qū)氣流場仿真 34
4.3.5 吸種滾筒內(nèi)部正壓區(qū)氣流場仿真 36
4.4 本章小結(jié) 38
第五章 總結(jié)與展望 39
參考文獻 41
致 謝 43
摘 要
世界各國都很重視精量播種技術(shù)，精密播種可以節(jié)約大量的種子，節(jié)省田間間苗定苗用工，增加作物產(chǎn)量。本文在對國內(nèi)外現(xiàn)有的氣吸滾筒式精密排種器深入研究的基礎(chǔ)上，對原有的設(shè)計進行了改進并制造了一種新型的氣吸滾筒式精密排種器。該排種器具有以下的特點:首先，對主軸結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，采用了一根主軸形成兩個壓腔的設(shè)計方法，既保證了同軸度又減少了軸承的磨損，大大延長了軸承的使用壽命。其次，由于采用了彈簧結(jié)構(gòu)，在隔氣板與滾筒內(nèi)壁接觸轉(zhuǎn)動的過程中，減少了因摩擦而導致的磨損漏氣的問題。第三，對種箱進行了激振，使種子在種箱中形成“沸騰”狀態(tài)，更有利于滾筒的吸種。
結(jié)合該氣吸滾筒式精密排種器，本文主要開展了以下幾個方面的研究工作:
1.對氣吸滾筒式精密排種器的吸種及排種過程進行了理論分析，得到了吸附力、吸種高度、排種誤差、碰撞角和碰撞速度等數(shù)學模型，并對影響吸排種效果的因素進行了分析。
2.運用ANSYS有限元分析軟件對吸孔及正負壓腔的氣流場進行了建模與仿真試驗，結(jié)果表明:直孔的吸種性能比錐形孔和沉孔好:孔徑越大，吸種能力越強;吸孔導程對吸種性能無顯著影響;滾筒壁上的吸孔靠近正負壓腔氣流大的地方，受到氣流的影響也較大。
通過對氣吸滾筒式精密排種器的理論分析和計算機仿真，得到了一些規(guī)律，為其實際應用奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:精密播種;氣吸滾筒式精密排種器;有限元分析;理論分析;
ABSTRACT
Precision seeding is attached importance to by all over the world,for it can save a lot of seeds and much time to plant them and increase the output.Basing on researching domestic and foreign air-suction cylinder precision seeder,a new type of air-suction cylinder precision seeder was designed and manufactured.There are some merits of the seeder:First,the main shaft with two cavums was optimized which reduced the abrasion and prolonged the life of the bearings.Second,the spring structure was adopted,so the gas leakage between the plastic board and the seeder's wall was eliminated because of friction.Third,the seeds box was vibrated that availed picking up seeds.
Basing on the air-suction cylinder precision seeder,the research was done as follows:
1. Seed pick up and seed ejection were theoretically analyzed and mathematical models of pick up force,pick up distance,release error,impact angle and impact velocity were deduced.
2. ANSYS finite element analysis software was used to develop the model and simulate the air flow distribution of the sucking holes,positive and negative cavums.The results showed that the performance of straight holes were better than conical holes and countersunk holes; the bigger of the diameter of the holes ,the better of their sucking effect, but the distance of air traveling had nearly no influence to sucking effect; the holes which were close to the air flow in the wall of the drum-seeder were influenced notably.
Through computer simulation and theoretical analysis,some laws useful for practical application were found.
KEY WORDS:Precision seeding; Air-suction cylinder precision seeder; Finite element analysis; Theoretical analysis;
第一章 緒論
1.1 研究小顆粒種子精播技術(shù)的目的和意義
世界各國都很重視精量播種技術(shù)，發(fā)達國家已基本實現(xiàn)大、中粒作物的精量播種，節(jié)本增效顯著，但對油菜、谷子等小顆粒作物的精播技術(shù)有待進一步的研究【1】。本文以油菜種子為例，探討了小顆粒種子的精播問題。
油菜是世界上重要的油料作物之一，成熟的油菜籽多為球形或近似球形的小顆粒，其直徑為1.27-2.05【2，3】。油菜在我國常年種植面積約為800萬公頃，其種子含油量為30%-50%，是我國重要的油料作物。長期以來，我國油菜種植面積和總產(chǎn)量均居世界第一，占世界油菜種植面積和總產(chǎn)量的30%左右。根據(jù)資料顯示，1996年以來，菜籽油占我國食用植物油消費量的近35%。當前我國油菜產(chǎn)業(yè)的種植面積大、總產(chǎn)量高，市場需求量和發(fā)展?jié)摿Χ己艽蟆?000年全國油菜種植面積擴大到800萬公頃，產(chǎn)量達到1013萬噸。隨著人們生活水平的提高，對植物油的消費也日益增長，加工能力膨脹對油料需求加大，我國從1999年開始進口油菜籽，1999年以來每年進口油菜籽250萬噸左右，特別是近幾年來，進口油菜籽產(chǎn)品的數(shù)量有呈現(xiàn)大幅度上升的趨勢【4】。
自20世紀80年代以來，我國雙低油菜發(fā)展迅速，但油菜播種基本為開溝人工溜種，播量較大，不但浪費種子，勞動強度大，而且播種質(zhì)量難以保證，遇干早缺苗嚴重，遇雨澇出苗過稠，間苗、定苗費工，并易形成高腳弱苗，影響產(chǎn)量。因此對優(yōu)質(zhì)油菜種子進行精密播種迫在眉睫。精密播種優(yōu)越性有如下幾點:
1.精密播種可以節(jié)約大量種子。
2.節(jié)省田間間苗定苗用工。精密播種苗齊苗壯，不擁擠，可提高田間間苗定苗工效，甚至可以取消間苗定苗工作。
3.可增加作物產(chǎn)量。精密播種的苗分布均勻，透風透光性好，能充分利用土壤中的水分營養(yǎng)。苗期發(fā)育好，苗齊苗壯，可增產(chǎn)10%-30%。
本課題根據(jù)油菜種子的特性，對其精密播種部件一滾筒氣吸式精密排種器開展研究工作，為推進精播小顆粒種子的機械化進程開創(chuàng)一條新路。
1.2 國內(nèi)外氣力式精密排種器的發(fā)展概況
精密排種器按其工作原理可分為機械式和氣力式。氣力式排種器包括氣吸式、氣吹式、氣壓式三種;機械式主要有窩眼輪式、圓盤式、指夾式等。氣力式排種器具有對種子適應性強，損傷輕等優(yōu)點。
1.2.1 國外氣力式排種器的發(fā)展概況
在國外的產(chǎn)品中，精密排種器主要以針式和滾筒式為主，滾筒式排種器較針式播種機效率更高【5】。
國外從20世紀50年代末開始出現(xiàn)氣力式精密排種器。20世紀60年代以來，前蘇聯(lián)、英、德等國都相繼提出了麥類作物精播理論，并對小麥精播機做了大量的試驗研究。1976年前后，德國研制了GS-23氣吸式小麥精密播種機，其排種器是由種子室和真空室組成，但是該機難以實現(xiàn)單粒排種，而且播種均勻度很差，重播嚴重。后來法國研制出一種單粒氣吸式小區(qū)播種機，它的排種器是一個安裝在轉(zhuǎn)軸上的金屬盤，盤的周緣分布著若干個吸嘴與圓盤內(nèi)腔的真空負壓相連。該機通過更換不同的吸嘴可以播種小麥、玉米、向日葵等作物。奧地利的Wintersteiger自走式小麥精播機也屬于氣吸式精量播種機，該機的排種器是一對組合吸縫盤和驅(qū)動格輪，由兩個不同形狀隙縫的交叉形成一系列不同形狀的吸孔。它沒有輸種管，排種器與開溝器融于一體，投種點低，有利于精密粒距的形成。該機主要用于田間小區(qū)試驗，在許多國家和地區(qū)得到推廣應用。為了滿足本國經(jīng)濟發(fā)展的要求，盡快提高精密播種機的作業(yè)速度，近十年來，歐美國家著重對氣力式精密排種器進行了研究【6】。當前，國外播種機械的發(fā)展方向已從對排種器的結(jié)構(gòu)研究轉(zhuǎn)移到對播種原理的研究上，比如蔬菜種子的精播問題。目前國外正在利用一些新的播種原理，如日本提出的靜電播種，英國提出的液體播種等?，F(xiàn)在廣泛流傳的一種先進的科學播種方法— 種子帶播種，它起源于日本，這種播種方法已在世界范圍內(nèi)被廣泛采用【7】。
目前較為成熟的產(chǎn)品主要有英國產(chǎn)的Hamilton播種機，有針式、滾筒式兩種。Hamilton針式播種機從秋海棠等極小的種子到甜瓜等大種子均可進行播種，播種精度高達99.9%(對干凈、規(guī)矩的種子)，播種速度可達2400行/小時(128穴的穴盤最多每小時可播150盤);Hamilton滾筒式播種機是適用于大中型育苗場的高效率精密播種機，適合絕大部分花卉、蔬菜等種子，播種精度可達99%(對干凈、規(guī)矩的種子)，播種速度高達18000行/小時(128穴的穴盤最多每小時可播1100盤)。這兩種播種機均可以無級調(diào)速，能在各種穴盤、平盤或栽培缽中播種，并可進行每穴單粒、雙?；蚨嗔Ｐ问降牟シN。韓國大東機電株式會社生產(chǎn)的真空氣吸式播種機，適用于小于瓜類種子的各類蔬菜種子及花卉種子，分為全自動和半自動兩種機型，全自動機型的工作程序包括基質(zhì)混拌、裝盤、挖穴、播種、覆土、噴水等，半自動機型包括挖穴、覆土兩項程序。此外，還有美國的Blaclanore, Speedling, VanDana精量播種系統(tǒng)等【8】。
1.2.2 國內(nèi)氣力式排種器的發(fā)展概況
我國從2 0世紀60年代開始研制氣力式播種機，當時遼寧省農(nóng)機所研制了6行氣吸式播種機，該機可精播玉米、大豆、花生。但是由于風機及萬向節(jié)傳動故障多，工作不可靠，沒能得到推廣。20世紀70年代我國加強了半精量和精量播種技術(shù)的引進、研究和試驗。1979年中國農(nóng)機院引進了4種精播機(西德氣吸、氣吹兩種，法國氣吸式，美國指夾式)，并分別對它們的性能，結(jié)構(gòu)參數(shù)以及影響因素進行了試驗和研究，在此基礎(chǔ)上研制出了我國的定型產(chǎn)品:2BJ-6型、2BJ-4型氣吹式精量播種機。遼寧省農(nóng)機研究所也經(jīng)多年的改進試驗研制出了與鐵牛-55拖拉機配套的2BQ-6型氣吸式播種中耕通用機.該機采用垂直圓盤氣吸式排種器，可精播玉米、大豆、高粱、棉籽，完成起壟、播種、中耕、培土等作業(yè)。20世紀80年代我國擴大了精播機的試驗、示范推廣。各地根據(jù)本地情況研制出了不同型號的氣力式播種機，如威海市農(nóng)機所研制出了2BT-2型氣吸式花生套種播種機，煙臺地區(qū)農(nóng)機所研制的2BHQ-5型氣吸式花生播種機，大連市農(nóng)機化所研制的2BJQ-4型氣力式播種機，山西省農(nóng)機所研制的2BJ-4型氣吸式精密播種機?！鞍宋濉逼陂g，北京農(nóng)業(yè)工程大學研制出了2XB-300型孔齒盤轉(zhuǎn)動式穴盤育苗精量播種機，該裝置適合于播中等大小的丸?；N子。到了20世紀90年代播種機由單一播種發(fā)展到了播種、施肥、鋪膜聯(lián)合作業(yè)。近幾年，精密播種技術(shù)得到了進一步發(fā)展，如華南農(nóng)業(yè)大學研制的HNJ97-1型水稻精量播種機，利用電磁振動原理實現(xiàn)精量播種，但其造價較高。南京農(nóng)機化研究所和江蘇大學共同研制的2QB-330型氣吸振動式秧苗盤精量播種機，應用振動氣吸的原理，每穴1-2粒種子的播種合格率達到了90%以上【6，9，10】。
對于氣吸針式排種器，在我國自行研制的蔬菜、花卉工廠化育苗播種機中已開始應用，而對于滾筒氣吸式排種器，由于其氣密性很難控制等原因，由我國自行設(shè)計制造的專門用于蔬菜、花卉工廠化育苗的滾筒氣吸式排種器還很少。
1.3 本文研究的內(nèi)容
由于原有的氣吸滾筒式精密排種器存在漏氣量大、排種不均勻、轉(zhuǎn)動不靈活及磨損嚴重等問題，本課題就其機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，使之能具有結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)效率較高等優(yōu)點，能夠用于播種油菜等小顆粒作物。本論文開展以下幾方面工作：
1. 對原有氣吸滾筒式精密排種器進行改進設(shè)計及優(yōu)化。
2. 建立種子在吸孔氣流作用下的受力模型，研究種子的吸附條件，分析各種因素對播種質(zhì)量的影響。
3. 運用ANSYS軟件對排種器進行氣流場分析和模擬，分析吸孔的形狀、導程和吸孔孔徑的大小對吸種性能的影響。同時對吸種滾筒正負壓區(qū)進行模擬仿真。
第二章 氣吸滾筒式精密排種器的優(yōu)化設(shè)計
2.1 排種器結(jié)構(gòu)及工作原理
2.1.1 總體結(jié)構(gòu)
氣吸滾筒式精密排種器總體結(jié)構(gòu)布局如圖2-1所示。
1. 滾筒 2.正壓腔連接軸 3.正壓腔 4.滾筒連接 5.鏈輪 6.負壓軸 7.中夾板 8.正壓軸 9.軸承蓋 10.密封蓋 11.種箱 12.種箱側(cè)板
圖2-1 排種器總體結(jié)構(gòu)布局圖 圖2-2 結(jié)構(gòu)示意圖
2. 氣吸滾筒式精密排種器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-2所示，主要由1.滾筒 2.正壓腔連接軸 3.正壓腔 4.滾筒連接 5.鏈輪 6.負壓軸 7.中夾板 8.正壓軸9.軸承蓋10.密封蓋11.種箱 12.種箱側(cè)板等組成。其特點為正壓腔中的正壓腔大小夾板，便于適時調(diào)節(jié)壓緊面。種箱側(cè)的進氣口，使種箱中的種子產(chǎn)生向上的拋擲運動，種子間接觸減少，相互分離呈沸騰狀態(tài)【11】，便于滾筒吸種。其具體的排種器裝配圖如圖2-3所示。
1.滾筒 2.正壓腔連接軸 3.正壓腔 4.滾筒連接 5.鏈輪 6.負壓軸 7.中夾板 8.正壓軸 9.軸承蓋 10.密封蓋
圖2-3 排種器裝配圖
2.1.2 工作原理
如圖2-2所示，排種器的滾筒內(nèi)腔是一全封閉的真空負壓室，滾筒表面的吸孔與真空室相通。播種時，空吸機通過負壓軸6上的吸孔吸走滾筒表面內(nèi)腔的空氣，產(chǎn)生負壓，使?jié)L筒1上吸孔的兩端形成負壓差，滾筒繞固定空心軸轉(zhuǎn)動，當滾筒1上的吸孔經(jīng)過種子箱11時，種子在吸孔負壓差的作用下被吸附在吸孔上隨滾筒1一起轉(zhuǎn)動。當滾筒1轉(zhuǎn)至正下方正壓腔3時，負壓被切斷，種子在自重和正壓的作用下落到種盤里。
2.2 排種器的設(shè)計【12，13，14】
影響排種器吸排種性能的因素主要有：吸孔的形狀及大小、滾筒內(nèi)部正負壓的大小、種箱內(nèi)的氣流強度高低及滾筒轉(zhuǎn)速等。是否合理選擇吸孔的形狀大小、滾筒內(nèi)部正負壓、氣流強度及滾筒轉(zhuǎn)速將顯著影響排種器的吸排種性能。
2.2.1 排種滾筒上吸孔的設(shè)計
選擇了三種形狀的吸孔，分別為直孔、錐形孔和沉孔，見圖2-4?？梢酝ㄟ^試驗確定最優(yōu)吸孔形狀和大小。
圖2-4 吸孔結(jié)構(gòu)型式
2.2.2 排種滾簡內(nèi)部正負壓腔的設(shè)計
如圖2-2所示，空心軸分為左右兩部分，通過中夾板7隔開，中夾板7左邊一段軸上開有吸孔，與滾筒1上的吸孔相通，空心軸與正壓腔相連。工作時，負壓軸6通過空吸機吸氣形成負壓，負壓軸6與滾筒1表面的吸孔之間形成負壓腔，同時正壓軸8通正壓氣體，正壓腔3與滾筒內(nèi)壁之間形成正壓腔。大小夾板的作用是調(diào)節(jié)正壓腔3與滾筒內(nèi)壁的壓緊程度，防止磨損漏氣。
2.2.3 氣流振動系統(tǒng)的原理及選用【9,15】
種箱的振動由激振機構(gòu)產(chǎn)生，而由于激振方法的不同，激振機構(gòu)的類型有機械式、電磁式、液壓式及氣動式等。
本文采用的振動系統(tǒng)是氣動式。工作時，氣吸機通以氣流，通過種箱側(cè)面氣孔，使種箱中的種子產(chǎn)生向上的拋擲運動，形成“沸騰”狀態(tài)，利于吸種。
氣流振動系統(tǒng)的力學模型如圖2-5所示。
圖2-5 氣流振動系統(tǒng)的力學模型
振動系統(tǒng)受恢復力和激振力的作用，彈性恢復力可產(chǎn)生自激振動。彈簧使物體回到平衡位置的彈性恢復力與物體離開平衡位置的位移成正比，其方向和物體的位移方向相反。由于在運動過程中受到阻尼的作用，使振動逐漸趨于停止。阻力的方向總是與運動方向相反。當振動不大時，其大小與物體的運動速度成正比。由激振器產(chǎn)生的輸出為:
(2-1)
式中:B - 受迫振動的振幅，即為激振器輸出的振幅;
- 受迫振動的穩(wěn)態(tài)角頻率;
- 相位角。
在持續(xù)穩(wěn)定振動狀態(tài)條件下，當振動的頻率和系統(tǒng)的固有頻率相差很大的情況下，可以認為系統(tǒng)只隨激振系統(tǒng)作用。此時有:
(2-2)
由式(2-2)可以看出，在振動系統(tǒng)偏離系統(tǒng)固有頻率的條件下，系統(tǒng)的振動為簡
諧振動，受迫振動的頻率與激振力的頻率一致，則受迫振動的振幅為:
(2-3)
式中: - 與激振力相等的靜力作用下的靜位移:
- 頻率比，；- 激振力的頻率，- 系統(tǒng)的固有頻率；
- 相對阻尼系數(shù)。
則系統(tǒng)的受迫振動的運動方程為:
(2-4)
由此知，受迫振動的幅值取決于，，。
與系統(tǒng)的剛度成反比，與激振力成正比，當系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一定的情況下，可以通過改變激振力的大小來改變振動系統(tǒng)的振幅。振動系統(tǒng)的頻率取決于激振器的振動頻率，可以通過改變激振器的輸出頻率來改變振動系統(tǒng)的頻率。
當<< 1 時，即<<，表明激振頻率很低，隨著激振頻率的增加，系統(tǒng)振幅B也增加。當> 0.7 ，如果系統(tǒng)的阻尼很小，振幅則增加較快。
當 >> 1 時，無論阻尼多大，系統(tǒng)的振幅都比較小。這是由于激振頻率很高，激振力方向變化比較迅速。振動系統(tǒng)的質(zhì)量部件不可能隨著激振力方向的變化而迅速變化。
當= 1 時，激振頻率與系統(tǒng)的固有頻率相等。系統(tǒng)的振幅達到最大，產(chǎn)生共振。
通過以上分析，希望振動系統(tǒng)在小于系統(tǒng)固有頻率的狀態(tài)下工作。振動系統(tǒng)參數(shù)選擇可以參考上述對振動系統(tǒng)的分析結(jié)果進行。
2.3 排種裝置的優(yōu)化設(shè)計
如圖2-3的裝配圖所示，該排種器對以下幾個方面進行了優(yōu)化及改進設(shè)計:
1.主軸(空心軸)結(jié)構(gòu)優(yōu)化：
該排種器采用了一根空心軸形成兩個壓腔的設(shè)計，空心軸3被橡膠塞2分成了兩個半軸，左半軸連接負壓氣管，右半軸接正壓氣管，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是既消除了因采用兩根獨立半軸所形成的懸臂梁結(jié)構(gòu)而使同軸度得不到保證的問題，又消除了結(jié)構(gòu)上因滾筒轉(zhuǎn)動而使軸承磨損加劇的問題。
2，采用螺紋導程件定位：
在排種器的結(jié)構(gòu)中，螺紋導程件7的作用是在滾筒1與隔氣板9在相互接觸運動的過程中使隔氣板始終沿著滾筒的軸線方向而不發(fā)生偏離和旋轉(zhuǎn)。螺紋導程件的采用更好地解決了因零件間的接觸運動而引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定及漏氣等問題。
3.彈簧結(jié)構(gòu)：
該排種器在結(jié)構(gòu)上的另一改進是采用了彈簧結(jié)構(gòu)，彈簧的采用能夠使隔氣板更好地與滾筒內(nèi)壁進行結(jié)合并適時壓緊，減少了因摩擦而導致的磨損漏氣的問題。
4.激振裝置：
為了減少種箱中種子間的內(nèi)摩擦系數(shù)，增加其流動性，采用了電磁振動系統(tǒng)，這樣種子在電磁振動系統(tǒng)的作用下，在種箱中形成“沸騰”狀態(tài)，更有利于排種器的吸種。
5. 排種器性能檢測試驗臺：
在試驗研究中采用的是JPS-12排種器性能檢測試驗臺，它是通過分析與總結(jié)國內(nèi)外現(xiàn)有排種器試驗臺的基礎(chǔ)上進行設(shè)計的，其結(jié)構(gòu)精巧，使用方便，檢測手段先進，滿足了氣力式排種器試驗研究的需要。
2.4 本章小結(jié)
根據(jù)氣吸滾筒式精密排種器的工作原理，對排種器的結(jié)構(gòu)進行了改進設(shè)計及優(yōu)化。通過對主軸結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，解決了同軸度及軸承磨損等問題;螺紋導程件及彈簧結(jié)構(gòu)的采用，解決了系統(tǒng)的氣密性及運動不穩(wěn)定等問題:采用新式正壓腔與優(yōu)化的種箱結(jié)合在排種器性能上更有利于提高排種器的吸種效果。
本章對氣吸滾筒式精密排種器的優(yōu)化設(shè)計為下面的仿真奠定了基礎(chǔ)。
第三章 氣吸滾筒式精密排種器的理論分析
3.1 種子所受吸附力及吸種高度的確定
3.1.1 吸附力及其影響因素
在吸孔附近，種子處于具有一定氣體流速的流場中，假設(shè)種子在流場中為具有同一尺寸的均勻球體，根據(jù)流體動力學原理可知，種子受到流體的阻力推動，即繞流阻力產(chǎn)生的對種子的吸附效果(又稱為吸附力)，控制了種子在吸孔附近的運動。
設(shè)氣體的密度為P，則種子所受的吸附力為【16，17】
（3-1）
式中：—阻尼力系數(shù)，與種子的形狀、表面狀態(tài)和雷諾數(shù)有關(guān)，如果種子形狀接近球體，則其值約為0.44。
A - 種子在垂直于運動方向的平面上的投影面積，。
- 吸孔周圍的氣流平均速度，m/s 。
d - 種子的直徑，m 。
若吸孔阻力系數(shù)定義，則通過吸孔的氣流平均速度可表示為
(3-2)
式中一吸孔內(nèi)外壓力差，Pa 。
已知吸孔直徑為，則通過單個吸孔的空氣流量為
(3-3)
式(3-2)代入式(3-3)得
(3-4)
對于不同形式的吸孔，F(xiàn)allak S .Sial和Sverker P .E. Persson 在論文中以錐形孔(如圖3-1)為例作了闡述【18】，S. Shafii，S.A.Sharer，R.G.Holmes在他們的論文中也進行過研究【19，20】。
設(shè)在距吸孔中心點為x的地方為種子被吸上吸孔的臨界位置，此時氣流平均速度為：
(3-5)
式(3-4)代入式(3-5)得：
(3-6)
式(3-6)代入式(3-1)得：
(3-7)
式(3-5)代入式(3-1)得：
(3-8)
各因素對吸附力的影響分析如下:
① 由式(3-7)得知，種子所受吸附力F的大小與d，四次方成正比，與Ap成正比。即吸孔直徑越大，吸孔內(nèi)外壓差越大，吸附力越大。吸附力過大雖利于吸種，但易造成重播。
② 由式(3-8)得知，種子所受吸附力F的大小與總空氣流量Q成正比例的關(guān)系，與“成反比例的關(guān)系?！霸酱螅現(xiàn)越小。
③ 由式(3-7)和式(3-8)可知，吸附力F與吸種高度x的四次方成反比，故x的變化將顯著影響種效果。當x趨向于零，吸種力急劇增大，有利于吸種，但同時會造成重播率的增加;當x增大，吸種力會急劇減小，不利于吸種，同時易造成空穴率的增加。
3.1.2 吸種高度及影響因素
經(jīng)過理論分析，當種子受到氣流作用被吸起時，有平衡方程【21，22，24】：
( 3- 9)
式中：- 種子密度，；
- 種子體積，；
g - 重力加速度，；
- 空氣密度，；
- 阻力系數(shù)；
- 種子在運動方向上的投影面積，；
- 懸浮速度， 。
對于圓形種子，式(3-9)可以寫成【21，24，27】：
(3-10)
式中- 種子的直徑，m 。
式(3-9)也可以運用于扁平或者橢圓形的種子模型，在這種情況下【24】
(3-11)
式中- 橢圓種子的長軸長度，m ；
- 橢圓種子的短軸長度，m ；
當氣流速度大于，種子受一向上的加速度而被吸起，流速大小與真空度成比例，并在吸孔處達到最大值。假設(shè)空氣為理想氣體，氣流從離吸孔較遠的自然狀態(tài)運動到吸孔處是一個絕熱等嫡的過程，即：
(3-12)
式中：p - 大氣壓力，Pa ；k - 定壓和等容下的比熱率。
(3-13)
R - 普適氣體恒量， ；T - 空氣的絕對溫度，k 。
對于可壓縮流體，應用Bernouli定理并假設(shè)氣流初始速度為0，則：
(3-14)
式中：- 自然狀態(tài)下空氣的速度，m/s ；
- 吸孔處的氣流速度，m/s ；
- 空氣位于自然狀態(tài)位置相對于任一水平面的高度，m ；
- 空氣位于吸孔位置相對于任一水平面的高度，m 。
考慮到，，(3-14)式可以寫成：
(3-15)
對于絕熱等熵過程，式(3-12)可以寫成：
(3-16)
式中：- 自然狀態(tài)下大氣壓力，Pa ；
- 空氣自然狀態(tài)下的密度， 。
式(3-16)代入式(3-15)，得：
(3-17)
則 (3-18)
式中：- 吸口處的全壓，Pa 。
即 (3-19)
在理想狀況下，對于自然狀態(tài)下的氣體方程可以表示為：
(3-20)
式中：- 空氣自然狀態(tài)下的絕對溫度，k 。
式(3-20)代入式(3-19)得：
滾筒吸孔處的氣流速度
(3-21)
式(3-21)成立的條件是小于聲速。假設(shè)空氣流是一維等嫡的，氣流速度在吸口處達到聲速時真空室內(nèi)真空度達到極限值，則：
(3-22)
當，k=1.41 時，得 ，
由此可得真空度的極限值：
吸孔處的氣體流量
(3-23)
式中：- 吸孔直徑，m 。
將式(3-23)代入式(3-5)式得：
(3-24)
把式(3-21)代入式(3-24)得：
(3-25)
把式(3-25)代入式(3-10)得到從吸孔處所能吸附種子的最大吸種高度x為：
(3-26)
各因素對吸種高度的影響分析如下：
滾筒上吸孔的吸種高度與吸孔直徑、負壓大小、種子密度及種子大小有關(guān)。滾筒上的吸孔直徑越大，吸孔上的負壓越大，則吸種高度越大;而種子密度越大，種子半徑越大，錐角越大，則吸種高度越小。
3.2 氣吸滾筒式精密排種器吸種過程及其影響因素的分析
氣吸滾筒式排種器吸種過程是指種子在吸孔氣流下，從種子群中分離出來被滾筒吸孔吸附和帶出的過程，可分為吸附和帶出兩個階段【23】。
3.2.1種子從種箱到被吸孔吸附過程分析
有效的吸附一般都發(fā)生在種子群的表面，并且是在很短時間內(nèi)完成的過程。作用在種子上的力及其變化是很復雜的，為便于問題的分析，下面對此過程作一些假設(shè)。
1) 假設(shè)種子的形狀為一球體，半徑為，密度為，則質(zhì)量為：
(3-27)
2) 假設(shè)種子的運動是一個勻加速直線運動，種子吸附過程所需時間是相同的(因為時間非常短，其差異必然也非常小)，即都是在吸孔轉(zhuǎn)過相同的角度時完成吸附過程的。
3) 在吸附過程中，作用在種子上的氣流吸力雖然是一個大小和方向都在發(fā)生變化的力，但因為作用時間非常短，可假設(shè)它為一個大小和方向都一定的力。的方向可取為種子初始的重心位置A和完成吸附時吸孔中心位置C的連線方向。
根據(jù)上述假設(shè)，種子的初始位置A可用角度和種子與滾簡間的最短距離兩個參數(shù)來表示，完成吸附時的位置B用角度來表示。這樣，吸孔能否吸上種子的條件是：在氣流吸力的作用下，種子必須在滾筒轉(zhuǎn)過角度的時間內(nèi)從A點運動到B點。
種子在發(fā)生吸附前處于振動狀態(tài)，受到振動慣性力的作用，但這是一個在大小和方向都隨時間發(fā)生變化的力。在種子振動幅度比較小的情況下，振動慣性力可以忽略而不考慮。這樣，種子在發(fā)生吸附前的受力主要有：吸孔內(nèi)外側(cè)壓差造成的氣流吸力、種子本身的重力和摩擦力，如圖3-3所示
圖中
圖3-2 吸種過程示意圖 圖3-3 種子的受力示意圖
在作了上述簡化后，沿滾筒AB連線的方向?qū)ΨN子進行力的分解：
(3-28)
由式(3-28)可得，這時種子被吸向吸孔的條件為：
(3-29)
這時種子的加速度為：
(3-30)
根據(jù)假設(shè)，種子在吸力F的作用下的有效運動時間為:
(3-31)
式中：- 滾筒的角速度(弧度/秒)。
種子在時間內(nèi)的位移為：
(3-32)
把式(3-27)、(3-30)、(3-31)代入式(3-32)可得：
(3-33)
根據(jù)三角形的余弦定理，由圖3-2可知AB之間的距離為：
(3-34)
這樣吸孔吸住種子的條件可用下式來表示：
(3-35)
把式(3-33)、(3-34)代入式(3-35)可得吸種條件為：
(3-36)
由圖可知，式(3-36)中的的計算如下：
(3-37)
(3-38)
其中， ，。當一定時，和均為定值，則隨著的增大而增大。
分析式(3-36)可知，影響吸種可靠性的因素很多。
1. 轉(zhuǎn)速的影響：在其它參數(shù)不變時，增大轉(zhuǎn)速，意味著滾筒轉(zhuǎn)過角所需時間將變短，種子的運動距離S將變小，這對吸種顯然是不利的。
2. 角度的影響：當增大時也隨著增大，種子重力G在AB方向上的分力將變小，種子的平均加速度將增大。所以增大對提高吸種的可靠性是有利的。
3. 從可以看出，種子與吸孔間的距離x增大時，AB兩點間的距離將增大，這時的F也將很快變小。由此可見，種子與吸孔間的距離x對吸種可靠性的影響非常大，x越大，越不利于吸種。
在概率統(tǒng)計上，種子與吸孔間的距離x的平均值與很多因素有關(guān)。當種子的形狀不規(guī)則、種子的單粒化程度低或者種子補位不及時時，都將使x增大，影響吸種的可靠性。其中造成種子補位不及時的原因是滾筒轉(zhuǎn)速太高或者是吸孔間的行距太小。
3.2.2 種子被吸附到滾筒上并隨之運動的條件
當種子被吸附住后，除受到吸力F、重力G、支持力N外，還受到慣性離心力和滾筒對它的摩擦力大的作用。
種子在摩擦力f,的作用下，被滾筒帶出種箱的條件是在切線方向有：
(3-39)
摩擦力可用下式表示：
(3-40)
把式(3-40)代入式(3-39)，有：
(3-41)
即： (3-42)
式中：- 吸孔附近種子與滾筒的摩擦角，弧度；
- 種子與滾筒軸線所在水平面的夾角，弧度。
式(3-42)就是種子在吸孔氣流的作用下被滾筒帶出種箱的條件。如果貼在滾筒上種子距離吸孔較遠，這時，當滾筒轉(zhuǎn)速比較低時，慣性離心力也可以忽略不計。這時，式(3-42)可以寫成下式：
(3-43)
式(3- 43)表明，當種子與滾筒的摩擦角大于或等于種子與滾筒軸線所在水平面的夾角的余角時，種子在只有摩擦力的作用下也將被帶出種箱。
分析式(3-42)可知，增大種子與滾筒軸線所在水平面的夾角有利于滾筒帶出種子；相反，當減小時，則對種子的帶出不利。
如果有多粒種子貼近吸孔，即使各種子受到的氣流吸力F不是很大，但在摩擦力的作用下也可能被滾筒帶出種箱，很容易造成一孔吸多粒的現(xiàn)象。特別是當較大時這種現(xiàn)象更容易發(fā)生。
種子被滾筒帶出種箱后，要保證種子不在重力的作用下從吸孔上自動掉下來，摩擦力必須始終大于種子重力的分力。
式(3-42)是當種子在II、III象限時所在的形式。當種子在I、IV象限時，，式(3-42)應寫成下式：
(3-44)
將式(3-44)的右邊對求導，并令其等于零：
(3-45)
解式(3-45)可得： 。這時，式(3-44)的右邊取得最大值，即種子在這個位置最易脫落。
3.3 氣吸滾筒式精密排種器的排種過程分析
3.3.1 排種誤差
J.M. Wilson在論文中對排種階段進行了分析【26~28】，如圖3-5所示，
圖3-5 排種過程示意圖
種子在脫離排種滾筒的瞬間的水平速度：
(3-46)
式中：- 機組前進速度，m/s ；
- 滾筒的圓周速度，m/s ；
- 排種點和圓心的連線與垂直方向的夾角，弧度。
種子在脫離排種滾筒的瞬間的垂直速度：
(3-47)
種子飛行落到土壤表面所經(jīng)過的距離表示為：
(3-48)
式中：- 種子運動時間， 。
種子脫離排種滾筒時的水平誤差：
(3-49)
式中：- 滾筒半徑，m ，
種子脫離排種滾筒時的垂直誤差：
(3-50)
種子下落的時間由下式求得：
(3-51)
式中：- 滾筒正下方距地面的垂直距離，m 。
從而得：
(3-52)
由播種機前進速度所引起的排種誤差為：
(3一53)
從圖3-5可以看出，種子從滾筒正下方的投影點C點到實際落地碰撞點之間總的距離為：
(3-54)
式中：- 排種位置距離滾筒中心垂線的水平距離，m. 。和的正負取決于的
值。
從理想點排種的實際距離如下：
(3-55)
式中：- 重力加速度， 。
位置誤差：
(3-56)
結(jié)合式(3-48), (3-49)、(3-53)和(3-54)得：
(3-57)
總的位置誤差：
(3-58)
3.3.2 種子落地碰撞角和碰撞速度
圖3-6 種子下落時的受力分析
如圖3-6所示，
(3-59)
式中：- 種子落地瞬時速度，m/s;
- 的水平分量，m/s;
- 的垂直分量，m/s.
若空氣阻力忽略不計，則：
(3-60)
由拋射理論，得：
(3-61)
碰撞角表達式，化簡得：
(3-62)
碰撞速度表達式
(3-63)
3.3.3 排種過程影響因素分析
1． 由式(3-58)和式(3-63)看出，當滾筒與地面間的高度H一定，種子在滾筒正下方下落時，如果種子在滾筒圓周上的速度與播種機前進速度大小相等，方向相反，可以實現(xiàn)零速投種，此時排種的位置誤差E為零，種子與地面的碰撞速度最小。這時播種效果最好，是最期望得到的結(jié)果.
2． 由式(3-58)、式(3-62)和式(3-63)可知，對于給定的排種誤差角，當一定時，排種高度H對位置誤差E和碰撞角度影響不大，但是對碰撞速度有影響。若使碰撞速度盡可能小，則播種滾筒應盡可能接近于地面以減小高度，從而有利于減小種子的彈跳距離，同時可減小種子在飛行過程中的不穩(wěn)定性。
3． 當一定，隨著機組前進速度的增加，E和均隨之增加，而隨之減小。
由上述分析可知，為了達到較好的播種效果，排種時應盡可能使種子的水平速度分量接近于零，同時使播種滾筒離地高度盡可能小，這樣可以使種子定位精確，減小種子下落時的反彈。
3.4 本章小結(jié)
對氣吸滾筒式精密排種器的吸種及排種過程進行了理論分析，得到了吸附力、吸種高度、排種誤差、碰撞角和碰撞速度等數(shù)學模型，并對它們的影響因素進行了分析。通過本章的理論分析可知，為了使排種器更加有效地吸排種，應使過種箱及滾筒中心線的平面與水平面的夾角盡可能大，即種箱離滾筒中心水平面越高越有利于吸種；為了實現(xiàn)零速排種，要盡可能使排種區(qū)位于滾筒的正下方，同時使播種滾筒離地高度盡可能小，減小種子下落時的反彈。
本章為排種器的優(yōu)化及試驗研究提供了理論依據(jù)。
第四章 氣吸滾筒式精密排種器氣流場的計算機仿真
4.1 ANSYS簡介【29~32】
ANSYS是融結(jié)構(gòu)、流體、電磁、熱、聲學為一體的大型通用有限元分析軟件，與其他大型有限元分析軟件相比，其最突出的特點是友好的程序用戶界面和完整強大的圖形交互能力，從而極大地方便了用戶的操作。它擁有豐富的單元庫和材料庫，用戶可以根據(jù)具體的分析對象選取合理的單元及材料特性，除此之外，用戶還可以自定義材料特性，以滿足特殊情況的需要。ANSYS能夠高效地求解各種復雜結(jié)構(gòu)的靜力、動力、振動、線性和非線性、模態(tài)分析、諧波響應分析、斷裂力學等問題。它具有完善的前后處理模塊和強大的數(shù)據(jù)接口，因而是計算機輔助工程(CAE)、工程數(shù)值分析和仿真的有效工具。
ANSYS軟件中的FLOTRAN CFD (Computational Fluid Dynamics)的分析功能是一個用于分析二維和三維流體流動場的先進工具。FLOTRAN能夠用于如下的分析：
(1) 層流或湍流分析
層流中速度場都是平滑而有序的，高粘性流體(如石油等)的低速流動通常是層流。
湍流分析用于處理那些由于流速足夠高和粘性足夠低而引起湍流波動的流體流動情況，ANSYS中的二次湍流模型可用來解決在平均流動下湍流速度波動的影響。如果流體的密度在流動過程中保持不變或者當流體壓縮時只消耗很少的能量，該流體就可認為是不可壓縮的，不可壓縮的溫度方程將忽略流體動能的變化和粘性耗散。
(2) 傳熱或絕熱分析
流體分析中通常要求解流場中的溫度分布情況，如果流體性質(zhì)不隨溫度而變，就可不解溫度方程而使流場收斂。
(3) 可壓縮或不可壓縮流體分析
對于高速氣流，由很強的壓力梯度而引起的流體密度的變化將顯著地影響流體的性質(zhì)，ANSYS對于這種流動情況會使用不同的計算方法。
(4) 牛頓流或非牛頓流分析
應力與應變率之間成線性關(guān)系的這種理論并不足以解釋很多流體的流動，對于這種非牛頓流體，ANSYS軟件提供了三種粘性模型和一個用戶自定義的子程序。
(5) 多組分傳輸分析
這種分析一般是用于研究有毒流體性質(zhì)的稀釋或大氣中污染氣體的傳播情況，同時，它也可以用于研究含有多種流體同時存在且相互被固體分開的熱交換分析。一個典型的FLOTRAN分析將有如下七個主要分析步驟：
1 確定問題的分析區(qū)域
2 確定流體的狀態(tài)
3 生成有限元網(wǎng)格
4 施加邊界條件
5 設(shè)置FLOTRAN分析參數(shù)
6 求解
7 檢查結(jié)果
4.2 ANSYS仿真初始邊界條件的設(shè)定
4.2.1 吸孔的結(jié)構(gòu)形狀及初始化條件
圖4-1 吸孔的結(jié)構(gòu)形狀
由于氣流在吸孔中是軸對稱流動的，因此可以簡化為二維軸對稱流動的問題進行求解。利用FLOTRAN CFD的FLUID141單元來作二維分析，作了以下假設(shè):
(1) 排種器吸孔進口氣流速度均勻，并且垂直于進口流場方向上的流體速度為零。
(2) 在所有壁面上施加無滑移邊界條件(即所有速度分量都為零)。
利用ANSYS進行模擬試驗時各參數(shù)如下：
流體性質(zhì) :空氣
流體的密度:1.20 5kg/m3
流體的粘度:1.83 X 1 03Pa. s
吸孔入口壓力:1標準大氣壓
吸孔出口壓力:0P a
參考大氣壓:1標準大氣壓，即101325Pa
參考溫度:200C，即293K
試驗條件:絕熱
4.2.2 流態(tài)的判別一雷諾數(shù)【32~34】
粘性流體運動有兩種形態(tài)，即層流流態(tài)和紊流流態(tài)。處于層流流態(tài)的流體，質(zhì)點呈有條不紊、互不摻混的層狀運動形式:而處于紊流流態(tài)的流體，質(zhì)點的運動形式以雜亂無章、相互摻混與渦體旋轉(zhuǎn)為特征。將紊流流態(tài)向?qū)恿髁鲬B(tài)轉(zhuǎn)換的臨界流速稱為下臨界流速，由層流流態(tài)向紊流流態(tài)轉(zhuǎn)換的臨界流速稱為上臨界流速。
試驗發(fā)現(xiàn) ，臨界流速的大小與管徑d 以及流體的運動粘度有關(guān)，即
(4-1)
或 (4-2)
其中與是無量綱常數(shù)，稱為下臨界雷諾數(shù)，為上臨界雷諾數(shù)。通過對各種流體與不同管徑的試驗，發(fā)現(xiàn)是一個常數(shù)
即下臨界雷諾數(shù)不隨著流體性質(zhì)、管徑或流速大小而變。然而，上臨界雷諾數(shù)一般不為常數(shù)，因為流動由層流流態(tài)向紊流流態(tài)的轉(zhuǎn)變?nèi)Q于流動所受到的外界擾動程度。一般地
為了判別圓管流動的流態(tài)類型，定義無量綱參數(shù)
(4-3)
其中表示實際發(fā)生的斷面平均流速，為流體密度，為特征尺寸(如管道直徑)，為流體的粘性系數(shù)，稱Re為雷諾數(shù)。從理論角度來看，當層流的時，盡管層流開始處于不穩(wěn)定狀態(tài)，但如果沒有外界擾動，層流流態(tài)可以繼續(xù)維持下去，直至 。然而上臨界雷諾數(shù)依賴于外界擾動的程度，而且在實際流動中擾動總是存在的，因此用來判別流態(tài)是沒有什么實際意義的。在工程實際中，通常采用下臨界雷諾數(shù)作為流態(tài)判別的標準；
層流流態(tài)：
紊流流態(tài)：
ANSYS模擬試驗中，如暫取, m/s, mm，kg /(m ·s)，得雷諾數(shù)：
故模擬試驗中的流場為紊流流場，反之則為層流流場。
4.2.3 流體可壓縮性的判別——馬赫數(shù)【35，36】
馬赫數(shù)是流體力學中表征流體壓縮性影響的相似準數(shù)。記作Ma。
(4-4)
式中為流場中某點的流速；為當?shù)芈曀伲粸楸葻岜?；為氣體常數(shù)；為熱力學溫度。在不可壓縮流動中，流體密度不變，聲速為無限大，馬赫數(shù)為零。在可壓縮流動中，馬赫數(shù)越大，流體的密度變化越大，即流體表現(xiàn)出的可壓縮性越大。通常，按不同的馬赫數(shù)范圍，把流動劃分為低速流動(Ma <0.3)、亞聲速流動(0.3
5)等。
ANSYS模擬試驗中，如暫取m/s，對于空氣，N·m/(kg·K)，K，代入公式，得：
故流體為可壓縮流，反之則為不可壓縮流。
4.3 仿真結(jié)果
吸種性能反映了排種器吸附種子的難易程度，而影響其主要的因素為吸孔。
4.3.1 吸孔形狀對吸種性能的影響
ANSYS仿真試驗中，我們選取底部直徑均為2mm的直孔、錐形孔和沉孔作為試驗對象。其試驗結(jié)果如下：
圖4-2 吸孔為直孔的氣流場分布圖
圖4-3 吸孔為錐形孔的氣流場分布圖
圖4-4 吸孔為沉孔的氣流場分布圖
表4-1 三種類型吸孔氣流入口速度表
圖4-5 三種類型吸孔入口氣流速度
由圖4-2、圖4-3和圖4-4仿真結(jié)果得到表4-1和直方圖4-5。由流體力學知識可知，在氣流量相等的條件下，截面面積越大，則通過截面的氣流速度越小。對于直孔，由于其無截面積的變化， 故其入口處氣流平均速度和最大速度相等。而錐形孔和沉孔由于其入口處的橫截面積較大，故入口處的氣流速度比直孔要低。而由伯努利方程可知，氣流速度越大， 壓力越小，吸種性能越好，故直孔的吸種性能要好于錐形孔和沉孔，錐形孔的吸種性能次之，沉孔的吸種性能最差，但由于錐形孔和沉孔入口處的橫截面積較大，其吸種范圍較大，故孔型對吸種性能的影響有待試驗驗證。
4.3.2 吸孔導程對吸種性能的影響
我們選擇了吸孔導程分別為4mm、8mm和12mm的孔徑為2mm的直孔進行了仿真試驗，試驗結(jié)果如下：
圖4-6 吸孔導程為4mm，孔徑為2mm直孔的氣流場速度模擬圖
圖4-7 吸孔導程為8mm，孔徑為2mm直孔的氣流場速度模擬圖
圖4-8 吸孔導程為12mm，孔徑為2mm直孔的氣流場速度模擬圖
表4-2 三種導程的直孔入口氣流速度
圖4-9 三種導程的直孔入口處氣流速度
由圖4-6、圖4-7和圖4-8仿真結(jié)果得到表4-2和直方圖4-9。從表4-2和直方圖4-9可以看出，吸孔導程增加以后，吸孔入口處的氣流速度有所減少，但并不明顯。導程只起到了對氣流的調(diào)整和穩(wěn)定作用，增加導程提高了氣流的穩(wěn)定性，但對吸種性能的影響并不大【37】。
4