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超窄行气吸式三七精密排种器设计与试验

来源:中国职称论文咨询网作者:kaiting时间:2019-02-21 10:29

  摘 要:三七播种行株距均为50mm左右,行距小,为实现三七超窄行精密播种,设计一种超窄行气吸式精密排种器。通过理论计算与数值模拟,确定主要结构参数;以云南文山三七种子为播种对象,基于EDEM离散元软件,对水滴形窝眼孔加工倾角影响充种性能模拟试验,较佳加工倾角为50°;以吸孔负压、排种轮转速和种层高度为影响因素,以合格指数、重播指数、漏播指数和各行排量一致性变异系数为试验指标,进行三因素二次回归正交旋转组合试验,试验结果表明:影响合格指数的先后顺序为吸孔负压、排种轮转速和种层高度,种层高度为50mm,排种轮转速为34~48r/min,吸孔负压为560~660Pa时,可获得合格指数大于93.0%,重播指数小于3.5%,漏播指数小于3.5%,各行排量一致性变异系数小于3.0%,满足三七播种要求。

  关键词:三七; 超窄行; 气吸式精密排种器; 离散元法; 模拟试验

机械工程师论文

  0引言

  三七是中国名贵中药材,在云南省有广泛种植。三七播种的株距和行距均为50mm左右,属于密集型精密播种[1,2]。精密排种器是播种机的核心部件,其作业精度决定播种质量,按其工作原理,精密排种器通常分为机械式和气力式两大类[3,4,5,6,7,8,9,10]。气吸式排种器[11,12,13,14,15,16,17]具有伤种率低、通用性好、作业稳定等特点,因此气吸式排种器适合三七等密集型精密播种作物。国外在气吸式排种器方面研究较早,目前已经广泛应用。GUARELLA等[18]对气吸式蔬菜精密排种器型孔直径、型孔形状和种子距离对排种器吸种的影响进行研究分析并建立数学模型。BARU等 [19]以玉米精密排种器为研究对象,研究吸孔形状、吸室真空度、吸孔面积、排种轮线速度等因素对排种性能的影响,得出吸种率随着排种轮线速度的增加而降低,随着吸室真空度的升高而升高的结论。SINGH等[20]对播种机的气吸式排种器进行研究与优化,对排种孔的孔径及其形状进行试验研究,得到优化后的孔径参数并确定出最合适的排种孔形状。

  GAIKWAD等[21]用洋葱种子和辣椒种子对气吸式精密排种器进行性能测试,得出适合播种洋葱种子和辣椒种子的排种器的吸孔吸力及喷嘴直径。融合机械气力组合充种技术,可进一步提高气吸排种器的充种性能,目前许多学者对机械气力组合式排种器进行了研究。史嵩等[22]设计了一种气压组合孔式玉米精量排种器,通过正压气流与导槽相结合,为研制播种精度更高的排种器提供了参考。贾洪雷等[23]设计了一种气吸机械复合式大豆精密排种器,在排种轮上同时设有吸孔、导种槽和取种槽,通过回归分析和多因素试验得出排种器最优结构。殷德峰[24]设计了一种气力窝眼轮式小粒径种子排种器,结合气力式排种器和窝眼轮式排种器的特点,解决了由于小粒径蔬菜种子外形不规则造成的充种难度大的问题。本文按照三七特性和种植农艺要求,设计一种超窄行气吸式三七精密排种器,融合机械气力组合充种技术,该排种轮两侧加工有水滴形窝眼孔,可进行“一轮双行、多轮串联”播种作业。通过理论计算、仿真试验和台架试验,得到主要结构参数,并分析吸孔负压、排种轮转速和种层高度对排种性能的影响规律。

  1结构与工作原理

  1.1排种器结构

  超窄行气吸式三七精密排种器主要由机架、种箱、导种器机构和排种轮机构组成,其结构如图1所示。排种轮机构由排种轮、负压导气管、密封隔板和空心连接轴等组成。

  1.负压导气管 2.链轮 3.轴承 4.左侧空心连接轴 5.中间空心连接轴 6.种箱 7.种层高度调节板 8.排种轮 9.轴承座 10. 右侧空心连接轴 11.导种器机构 12.密封隔板 13.机架

  1.2工作原理

  负压导气管上加工有固定角度的通气开口。在充种区和携种区,排种轮的通气孔与负压导气管的负压腔相通;在投种区通气孔与负压腔隔绝。密封隔板保证排种轮外部的气密性。排种器的工作示意图如图2所示。

  1.负压腔 2.吸孔 3.窝眼孔 4.通气孔 5.负压接口

  排种轮两侧端面加工有水滴形窝眼孔,窝眼孔底部加工有吸孔,吸孔与通气孔相通。链条带动排种轮转动工作,在充种区,通气孔与负压腔相通,吸孔产生吸附力,三七种子在吸附力和重力共同作用下进入窝眼孔,并且吸附力将种子吸附在窝眼孔内,完成充种;在携种区,吸附在窝眼孔内的种子,随着排种轮一起转动,实现携种;在投种区,通气孔与负压腔隔绝,吸孔吸附力消失,种子在自身重力作用下投种,完成投种过程。

  2关键部件设计及参数确定

  2.1三七种子参数

  三七种子含水率ω'为20%~60%,密度ρ为929~1132kg/m3,长度L为5.2~7.2mm,宽度W为 4.8~6.8mm,高度H为4.0~6.0mm,平均直径D为5.62mm,球度S为90.86%,可近似为球体[25],特征参数如表1所示。

  表1 三七种子特征参数 导出到EXCELTab.1 Material parameters of Panax notoginseng seed

  参数数值

  泊松比0.4

  剪切模量/Pa1.3×107

  密度/(kg·m-3)1100

  种子间恢复系数0.48

  种子间静摩擦因数0.32

  种子间滚动摩擦因数0.085

  2.2排种轮设计

  排种轮的主要结构参数包括排种轮直径、窝眼孔数量及尺寸、吸孔直径和排种轮厚度。排种轮结构示意图如图3所示,图中d1为排种轮直径,d2为吸孔分布圆直径,d3为负压导管安装孔直径,d4为通气孔直径,d5为吸孔直径。

  2.2.1排种轮直径

  排种轮直径是排种器基本结构特征参数之一,决定排种器的结构布置,以及其他部件的结构尺寸。当窝眼孔和吸孔停留在充种区的时间越长,越有利于充种,充种性能通常越好。为研究排种轮各参数对充种时间的影响,建立影响充种时间t的方程⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪t=πα180ωω=2πn60vL'=Zn60{t=πα180ωω=2πn60vL'=Zn60(1)式中 α——充种区域角度,°ω——排种轮角速度,rad/sn——排种轮转速,r/minv——播种机作业速度,m/sL'——粒距,mmZ——窝眼孔数量由式(1)整理可得t=αZL'360vt=αZL'360v(2)由式(2)可知,在作业速度v、粒距L'和充种区域角αα固定的情况下,吸孔在充种区停留时间t只与窝眼孔数量Z有关,但随着排种轮直径增大,窝眼轮的排布数量可以增多,即可增加充种区停留时间t,从而可增加合格指数,同时负压腔的空间也会增大,需要风机提供的空气流量也相应增加,能耗增加。型孔轮直径一般选取80~200mm[26],综合考虑排种器的整体结构,最终选取排种轮直径d1= 150mm。根据排种轮直径和种箱尺寸布置,选取种层高度范围为20~80mm。

  2.2.2窝眼孔数量及尺寸

  2.2.2.1窝眼孔数量

  根据排种器整体结构布置,负压导管安装孔直径d3为30mm,排种轮的通气孔直径d4为8 mm,通气孔不能互相干涉,因此根据通气孔和负压导管安装孔直径布置可知Z≤180arcsind4d3Z≤180arcsind4d3(3)由式(3)可确定窝眼孔数量Z<11.6,通气孔夹角尽量选取整数,便于加工,所以确定窝眼孔数量Z=10。

  2.2.2.2窝眼孔尺寸

  三七种子近似为球体,播种属于单粒点播,因此窝眼孔底部形状为半球型;加工窝眼孔的球头铣刀与排种轮端面法线的夹角为加工倾角δ,加工出来的窝眼孔类似水滴形,这有利于充种和投种。图4为水滴形窝眼孔结构示意图,图中w为窝眼孔开口宽度,h为窝眼孔深度,r为窝眼孔底部球半径。

  为提高窝眼孔机械充种效果,窝眼孔开口宽度w、窝眼孔深度h和窝眼孔底部球半径r需根据三七种子的最大长度Lmax而定[27],即⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪w≥Lmax+(1~1.5)h=Lmaxw24+(h−r)2=r2{w≥Lmax+(1~1.5)h=Lmaxw24+(h−r)2=r2(4)由式(4)整理可得r=w28h+h2≥[Lmax+(1~1.5)]28Lmax+Lmax2r=w28h+h2≥[Lmax+(1~1.5)]28Lmax+Lmax2(5)已知三七种子的最大长度Lmax=7.2mm,由式(5)可得窝眼孔底部半球r≥4.91mm,本文选取窝眼孔底部半球r=5mm,窝眼孔深度h=7.5mm,窝眼孔开口宽度w=8.67mm。窝眼孔与排种轮圆周的壁厚为2~5mm,所以吸孔分布圆直径d2=135mm。

  2.2.2.3窝眼孔加工倾角

  排种轮材质选取丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(简称 ABS塑料),三七种子与ABS塑料最大静滑动摩擦角φ为26.5°[25],所以窝眼孔加工倾角δ必须大于26.5°,本文选取加工倾角为30°、40°、50°、60°和70°进行单因素五水平试验。采用离散元软件EDEM进行仿真试验[28,29],种子颗粒选取直径6mm的圆球,种层高度为50mm,排种轮转速为24r/min,吸孔无吸附力,其他试验条件均一致,分析窝眼孔加工倾角对机械充种性能的影响,仿真试验如图5所示。

  只验证机械充种效果,窝眼孔充入1粒种子即为充种合格。参照GB/T 6973-2005 《单粒(精密)播种机试验方法》进行试验,以合格指数、漏播指数和重播指数作为试验指标,每组试验统计4行,每行连续测量200个窝眼孔,每组试验重复3次取平均值,仿真结果如图6所示。

  随着加工倾角增大,窝眼孔容积急剧增加。窝眼孔可充入多颗种子,由图6可知,当加工倾角等于60°时,重播指数急剧加大,漏播指数降低至0,导致合格指数先增大后急剧减小。基于仿真结果,加工倾角δ选取为50°。

  推荐阅读:《化工机械》Chemical Engineering & Machinery创刊于1974年,双月刊,大16开本,国内外公开发行。



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