內(nèi)充氣吹式油菜精量排種器的設(shè)計(jì)

內(nèi)充氣吹式油菜精量排種器的設(shè)計(jì)

排種器設(shè)計(jì)要求播種質(zhì)量是影響小粒徑植物（如淀粉）機(jī)械生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益的一項(xiàng)重要技術(shù)環(huán)節(jié)。作為播種機(jī)的核心部件，種子站的性能直接決定著播種機(jī)的播種性能，從而影響著機(jī)械化俄羅斯農(nóng)業(yè)廣播技術(shù)的推廣應(yīng)用和經(jīng)濟(jì)效益。傳統(tǒng)的機(jī)械式排種器是通過(guò)型孔將種子從種箱中分離出來(lái),運(yùn)動(dòng)至落種口時(shí)靠種子自重進(jìn)行卸種。因?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)的原因,這類排種器會(huì)在取種和落種過(guò)程中因種子受擠壓而堵塞型孔,易造成漏播缺苗斷壟。通過(guò)調(diào)整型孔角度和形狀、采用異性孔窩眼輪和斜窩眼偏心輪,減少多粒種子在盛種時(shí)受到的孔壁擠壓[3~5]?；蛟谂欧N輪內(nèi)配以小推卸輪、推種頂針和推種鋼絲等輔助推種裝置,將種子從窩眼中推出,減少型孔的堵塞[6~8]。油菜的精量播種是將單粒種子均勻地播在理想的位置,但油菜籽粒直徑小、重量輕,機(jī)械式的單粒取種對(duì)型孔要求高,落種時(shí)更易堵塞,對(duì)輔助推種裝置的要求也較高。本文設(shè)計(jì)一種內(nèi)充氣吹式油菜精量排種器。通過(guò)內(nèi)充種實(shí)現(xiàn)單粒取種,氣壓吹送卸種,可以有效地防止型孔堵塞。采用ANSYS/CFX對(duì)排種器的氣室壓力分布進(jìn)行仿真研究,在仿真基礎(chǔ)上通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證排種器性能。1種子排種及排種過(guò)程是確定充種區(qū)種子群高度的前提環(huán)內(nèi)充氣吹式油菜精量排種器結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由罩殼、排種滾輪、護(hù)種板、種子箱、平衡氣孔、進(jìn)氣管、氣室、隔氣板、卸種口、排種管和支座等組成。種子由種箱經(jīng)輸種管末端的開口進(jìn)入充種區(qū),輸種管末端未開口部分可以防止種子滑落到護(hù)種區(qū),其開口部分的開度可以控制充種區(qū)種子群高度。工作時(shí),傳動(dòng)鏈輪驅(qū)動(dòng)排種滾輪轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)排種滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)到充種區(qū)時(shí),種子在自身重力、排種滾輪與種子間摩擦力以及種子群體間相互作用下充入型孔。排種滾輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入清種區(qū),未充入型孔的種子在重力下作用回落到充種區(qū)中?？拷涂變?nèi)壁的種子在重力、離心力和種子與內(nèi)壁摩擦力的綜合作用下沿型孔徑向滑動(dòng),通過(guò)護(hù)種板、型孔傾角以及排種滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)使多余的種子滑出型孔,回落到充種區(qū),實(shí)現(xiàn)自助清種。在護(hù)種板開始端有凹陷區(qū)保證種子順利進(jìn)入護(hù)種區(qū),有效地降低種子破損。充入型孔內(nèi)的種子在護(hù)種板保護(hù)作用下隨排種滾輪轉(zhuǎn)到氣室區(qū),正壓氣體通過(guò)進(jìn)氣管輸入氣室區(qū),使得氣室區(qū)與卸種口處存在壓力差,種子在氣室區(qū)內(nèi)受自身重力、離心力以及氣吹力的作用下落入排種管,完成排種作業(yè)。通過(guò)平衡氣孔可以調(diào)節(jié)氣室區(qū)氣體壓力,保證氣室區(qū)內(nèi)壓力均勻。2氣室流場(chǎng)模擬2.1氣體庫(kù)密封不泄漏排種器氣室結(jié)構(gòu)如圖2所示。并作以下假設(shè):(1)排種器進(jìn)氣口壓力均勻。(2)氣室內(nèi)氣體為不可壓縮氣體。(3)氣室密封不漏氣。利用ANSYS/CFX進(jìn)行仿真模擬時(shí)各參數(shù)為:流體密度1.205kg/m3,流體粘度1.83×10-5Pa·s,進(jìn)氣口壓力500Pa,平衡氣孔及型孔壓力0Pa,大氣壓105Pa,室溫20℃。2.2氣流壓力分布排種器氣室的作用是利用正壓力吹出型孔內(nèi)的種子,以防止型孔阻塞。氣室流場(chǎng)壓力穩(wěn)定,有利于提高排種器排種的均勻性,降低漏播率。氣室由進(jìn)氣管輸進(jìn)氣流,型孔輸出氣體,通過(guò)平衡氣孔調(diào)節(jié)氣室氣流量。因此,氣室流場(chǎng)壓力穩(wěn)定,平衡氣孔大小是關(guān)鍵參數(shù)。應(yīng)用ANSYS/CFX軟件對(duì)內(nèi)充氣吹式精量排種器氣室氣流壓力分布進(jìn)行仿真,觀察氣室平衡氣孔對(duì)排種器氣室氣流壓力的影響[9~10]。通過(guò)ANSYSWorkbench建立幾何模型,采用流體網(wǎng)格專用CFX-Mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分。定義進(jìn)氣口端面為輸入端面,定義型孔端面及平衡氣孔端面為輸出端面,其余定義為壁面。施加邊界條件,輸入與輸出均定義為opening邊界,邊界輸入壓力為500Pa,邊界輸出壓力為0Pa。選用湍流k-ε模型,定義流體的屬性為空氣,對(duì)其進(jìn)行求解,得到結(jié)果如圖3所示。圖中,左圖表示整個(gè)氣室氣壓分布情況,其壓力分布云圖表明整個(gè)氣室氣壓穩(wěn)定;右圖表示型孔橫截面的壓力云圖,表明氣室壓力基本穩(wěn)定。從排種器氣室有、無(wú)平衡氣孔仿真結(jié)果表明,平衡氣孔對(duì)排種器氣室整體壓力有一定的影響,有平衡氣孔比無(wú)平衡氣孔氣室壓力的波動(dòng)范圍小93Pa。3無(wú)氣吹推種效果利用JPS-12型試驗(yàn)臺(tái)對(duì)內(nèi)充氣吹式排種器進(jìn)行試驗(yàn)研究,試驗(yàn)設(shè)備如圖4所示。試驗(yàn)參數(shù)為:排種滾輪轉(zhuǎn)速20r/min、進(jìn)氣管氣流壓力500Pa、種床帶前進(jìn)速度2.4km/h,由排種滾輪轉(zhuǎn)速、型孔數(shù)以及種床帶前進(jìn)速度計(jì)算出理論株距為80mm。試驗(yàn)設(shè)定排種器3種工作狀態(tài):氣室內(nèi)無(wú)氣流壓力(即無(wú)氣吹作用)、氣室有氣流壓力但無(wú)平衡氣孔和氣室有氣流壓力平衡氣孔。隨機(jī)在輸種帶上選取25段,測(cè)量單位長(zhǎng)度內(nèi)種子間距以及種子數(shù)。其中,排種滾筒型孔可能會(huì)隨機(jī)的充入1~2顆種子,因此在種床帶上有2粒種子間距小于20mm時(shí),視為一個(gè)型孔內(nèi)排出種子,此時(shí)測(cè)量株距為2粒種子中間值與另外種子間距離;株距在120mm以上的視為出現(xiàn)了漏播。排種器在無(wú)氣吹作用、氣室有氣流壓力無(wú)平衡氣孔、氣室有氣流壓力平衡氣孔時(shí)測(cè)試結(jié)果如表3所示。株距在120mm以上分別為14.4%、4.4%和2.4%,表明在無(wú)氣吹作用時(shí),排種滾輪型孔堵塞率高,漏播嚴(yán)重,在氣壓吹種作用下,型孔堵塞率大幅度降低。株距在100~119mm分別占4.0%、4.4%和3.2%,表明部分種子在卸種過(guò)程中,與排種管碰撞,使得前、后2個(gè)型孔排出的種子下落到種床帶上的時(shí)間間距變大,種床帶上體現(xiàn)為株距偏大。排種器在3種狀態(tài)下的重播指數(shù)接近,分別為10.8%、12.8%和12.4%;合格指數(shù)分別為66.8%、78.4%和82.0%,滿足油菜種植農(nóng)藝要求。試驗(yàn)表明,添加氣吹作用后,型孔堵塞明顯減少,排種合格指數(shù)提高,其中因?yàn)橛衅胶鈿饪椎臍馐覂?nèi)部氣壓波動(dòng)更小,氣吹推力更平穩(wěn),合格指數(shù)比采用無(wú)平衡氣孔氣室進(jìn)行氣吹推種更高。統(tǒng)計(jì)的單位長(zhǎng)度內(nèi)排種量如圖5所示。氣室有氣流壓力及平衡氣孔時(shí)均勻性最好,其排種量為(20±2)粒,變化范圍為10%;氣室有氣流壓力無(wú)平衡氣孔時(shí)其排種量為(20±4)粒,變化范圍為20%;而無(wú)氣吹作用時(shí)排種器的排種量比有氣流壓力小,且變化幅度更大。上述試驗(yàn)結(jié)果表明,通過(guò)氣吹推種可以明顯的減少型孔堵塞,提高排種器性能。氣室有平衡氣孔調(diào)節(jié)氣壓時(shí),有利于氣室氣流壓力穩(wěn)定,提高排種量均勻性。4完善有平衡氣孔氣室氣吹作用(1)設(shè)計(jì)了一種內(nèi)充氣吹式油菜精量排種器,通過(guò)內(nèi)充種,實(shí)現(xiàn)單粒取種;通過(guò)氣流壓力卸種,可有效防止型孔堵塞;通過(guò)平衡氣孔調(diào)節(jié)氣流壓力,提高排種器的播種均勻性。(2)運(yùn)用ANSYS/CFX對(duì)排種器氣室仿真研究,氣室壓力整體分布較穩(wěn)定,有平衡氣孔有利于降低氣室氣流壓力波動(dòng)。(3)臺(tái)架試驗(yàn)表明,無(wú)氣吹作用、無(wú)平衡