精播水稻芽種排種器充填性能試驗(yàn)研究

精播水稻芽種排種器充填性能試驗(yàn)研究

種子排種器及直播機(jī)械水稻播種技術(shù)不需要種子育種設(shè)備。由于種植和育苗等復(fù)雜過程，最近發(fā)展迅速。但現(xiàn)有水稻直播機(jī)械的排種器仍沿用傳統(tǒng)的外槽輪式,此類排種器用于播種水稻種子,易出現(xiàn)播種不均勻、種子破碎率高等問題。因此目前急需研制適應(yīng)水稻種子性狀并滿足直播農(nóng)藝要求的新型排種器以及先進(jìn)適用的水稻直播機(jī)械。氣吸式排種器對種子的適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、傷種率低,且能適應(yīng)較高的作業(yè)速度,是大豆、玉米等作物精密播種較為理想的排種器。但其用于水稻芽種直播種植尚未見報(bào)道。本文以氣吸式垂直圓盤排種器為研究對象,采用ANSYS軟件對水稻芽種在充種過程中的流場進(jìn)行了模擬;并利用高速攝像技術(shù),試驗(yàn)研究了精播水稻芽種排種器的充填過程,為完善水稻芽種排種器設(shè)計(jì)理論和排種器設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。1氣室真空度的影響排種器氣室內(nèi)真空度直接影響到排種性能,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),排種盤吸種孔孔徑大小對所需的氣室真空度影響很大。高速攝像分析表明,孔徑和孔數(shù)不同,種子在排種盤上的姿態(tài)不同,它將直接影響到排種性能。這說明孔徑不同,氣室流場也不同。因此,有必要分析排種器氣室內(nèi)流場,找到適于水稻芽播的最佳流場及對應(yīng)的孔徑。1.1排種盤、清種設(shè)計(jì)的水稻芽播氣吸式排種器結(jié)構(gòu)如圖1所示。攪種輪安裝到排種盤上,排種盤將氣室與種子室分開,傳動機(jī)構(gòu)通過鏈輪帶動排種盤轉(zhuǎn)動。排種器工作時,風(fēng)機(jī)使氣室內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度,在排種盤兩側(cè)形成一定的壓差,將種子室內(nèi)的種子吸附到排種盤的吸孔上。種子隨排種盤轉(zhuǎn)動,在清種裝置處只剩下一粒種子,清除掉的多余種子回落到種子室內(nèi)。當(dāng)排種盤上的種子運(yùn)動到排種口時,負(fù)壓消失,種子在重力作用下投出。有的種子在推種器推動下落下,完成投種過程。1.2邊界條件及流體模型為分析方便,從排種器氣室內(nèi)流場中取出一小微元(質(zhì)點(diǎn))作為研究對象。根據(jù)質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律及能量守恒定律,得到流體流動方程。在直角坐標(biāo)系中,根據(jù)微元體的純流入量必須等于微元體內(nèi)質(zhì)量的增量,得到連續(xù)方程?ρ?t+?(ρvx)?x+?(ρvy)?y+?(ρvz)?z=0(1)?ρ?t+?(ρvx)?x+?(ρvy)?y+?(ρvz)?z=0(1)式(1)中的第一項(xiàng)密度變化可用壓力變化替代?ρ?t=?ρ?p?p?t?ρ?t=?ρ?p?p?t根據(jù)牛頓第二定律得歐拉運(yùn)動方程???????????Fx?1ρ?p?x=?vx?t+?vx?xvx+?vx?yvy+?vx?zvzFy?1ρ?p?y=?vy?t+?vy?xvx+?vy?yvy+?vy?zvzFz?1ρ?p?z=?vz?t+?vz?xvx+?vz?yvy+?vz?zvz(2){Fx-1ρ?p?x=?vx?t+?vx?xvx+?vx?yvy+?vx?zvzFy-1ρ?p?y=?vy?t+?vy?xvx+?vy?yvy+?vy?zvzFz-1ρ?p?z=?vz?t+?vz?xvx+?vz?yvy+?vz?zvz(2)式中vx、vy、vz——質(zhì)點(diǎn)速度在x、y、z方向的分量Fx、Fy、Fz——質(zhì)量力在x、y、z方向的分量ρ——流體的密度p——流體的壓力采用ANSYS6.1有限元軟件的流體模塊對上述方程求解。利用運(yùn)動方程,根據(jù)初始壓力分布得出速度場,然后用連續(xù)方程得到新的壓力場,由此形成迭代過程。常溫下,空氣密度為1.205kg/m3,粘性系數(shù)為1.8×10-5Pa·s,水力直徑為0.04m。假設(shè)氣室入口處(如圖2中1區(qū))流速為1.2m/s(實(shí)測氣體流速為0.894～1.342m/s),計(jì)算得雷諾數(shù)Re=5355>2300,因此確定氣室內(nèi)是湍流,所以應(yīng)激活湍流模型。假設(shè)流體為定常、連續(xù)、不可壓縮,進(jìn)口速度均勻。在內(nèi)壁面上無滑移邊界條件(即所有速度分量都為零),流體的密度和粘度為常溫值。入口邊界條件:采用湍流動能k和湍流粘性耗散率ε缺省值k=ε=0.01,在入口處沿x方向(如圖2)給定速度1.2m/s進(jìn)行分析。在y方向速度為零,其他所有的管壁x、y方向速度均為零。出口邊界條件:出口處所有壁面壓力均為零。1.3計(jì)算與分析(1)種子速度隨高度的變化由流場計(jì)算結(jié)果得速度矢量如圖2所示,不同色塊表示不同速度的等值線圖標(biāo),每個等值線圖標(biāo)代表速度的一定范圍,以區(qū)分其變化?？梢钥闯?在氣室入口處(1區(qū)),速度較大,由于排種盤及種子阻力的作用,速度越來越小,在吸種區(qū)(2區(qū))速度稍大于投種區(qū),到排種盤的投種區(qū)(3區(qū))速度達(dá)到最小,這有利于種子在自重的作用下下落。在入口與氣室(4區(qū))相聯(lián)接處,有明顯的渦流現(xiàn)象,排種盤吸孔(2區(qū)和3區(qū))的邊緣處也有渦流現(xiàn)象,渦流區(qū)的速度較小。(2)壓力小的等值線圖由速度分布規(guī)律可以預(yù)見壓力分布規(guī)律,氣室內(nèi)壓力分布見圖3,不同的色塊表示不同壓力大小的等值線圖標(biāo),每個等值線圖標(biāo)代表壓力的一定范圍,以區(qū)分壓力變化?？梢钥吹?在氣室入口(1區(qū))真空壓力最大;在氣室內(nèi)(4區(qū))真空壓力分布比較均勻,這有利于吸種均勻性;在吸種口處(2區(qū))的真空壓力稍高于投種口(3區(qū)),這有利于在吸種區(qū)吸種、在投種區(qū)投種。(3)孔徑對氣吸式排種器的影響首先,確定排種器測壓點(diǎn)的范圍(圖2中2區(qū)即吸種區(qū)x方向);然后在有限元模型上選取包含測壓點(diǎn)在內(nèi)的壓力分布區(qū)域,通過選取相同的坐標(biāo)點(diǎn)來比較壓力分布情況。從圖4b中可看出,吸孔孔徑為2.3mm時,氣室內(nèi)的氣流比較穩(wěn)定,壓力分布比較均勻,這有利于吸種的均勻性。氣吸式排種器要求吸取單粒,并且不希望吸得過緊,以免刮種時造成困難?？梢?保持氣流參數(shù)在小范圍內(nèi)變動,是氣吸式排種器的要求。孔徑為2.3mm時,其孔徑大小與種子幾何特性相符,這使漏氣量減小,孔內(nèi)氣流攪動小,其后部產(chǎn)生的渦流區(qū)小,此時氣室內(nèi)的氣流較穩(wěn)定。而2mm孔徑和2.8mm孔徑的壓力分布曲線變化梯度較大(圖4a、4c),氣流不穩(wěn)定,對吸種的均勻性有很大的影響。2生產(chǎn)力試驗(yàn)排種性能試驗(yàn)在吉林大學(xué)PSJ排種器性能試驗(yàn)臺上進(jìn)行。該試驗(yàn)臺主要由播種傳送帶、土槽、試驗(yàn)臺車、氣力系統(tǒng)、試驗(yàn)臺電控柜等部分組成。2.1真空度的影響排種器氣室內(nèi)真空度是種子能否順利地吸附到吸孔上的決定性參數(shù),其值過大或過小都將嚴(yán)重影響排種性能。真空度過小,吸力不足,漏播指數(shù)增大;真空度過大,每孔吸附不止一粒,重播指數(shù)增大。因此有必要研究真空度對排種性能的影響規(guī)律。在試驗(yàn)臺上對54孔、孔徑2.3mm的排種盤,在轉(zhuǎn)速28r/min工況下進(jìn)行排種性能試驗(yàn),每次取樣本250個粒距,重復(fù)3次,取其平均數(shù)作為指標(biāo)值,結(jié)果見表1。從表1中看出,隨著真空度的下降,合格指數(shù)和重播指數(shù)呈下降趨勢,漏播指數(shù)呈上升趨勢。真空度在2～3.51kPa之間時合格指數(shù)在80%以上。2.2孔徑對合格指數(shù)和漏播指數(shù)的影響在真空度不變的條件下,隨吸種孔徑的增大,排種性能提高,當(dāng)孔徑達(dá)到一定值后,因漏氣量增加而使排種性能下降。為確定最佳吸孔直徑,選擇孔數(shù)為48,孔徑d分別為2.0、2.3、2.5、2.8mm的4個排種盤,在真空度3.24kPa、轉(zhuǎn)速32r/min的工況條件下,通過高速CCD攝像機(jī)觀察排種盤上的吸種情況。對于每個孔徑隨機(jī)取數(shù)段圖像,并計(jì)算出吸種與漏種平均值作為指標(biāo)值,孔徑對合格指數(shù)和漏播指數(shù)的影響規(guī)律如圖5所示。由圖5可見,氣吸式排種盤吸孔直徑對水稻芽播的性能影響極大。隨著吸孔的增大,對種子吸附截面與吸力增大,吸種能力提高,漏播下降。但當(dāng)孔徑增大到2.3mm以后,隨著吸孔的繼續(xù)增大,吸種能力反而下降,漏播指數(shù)逐漸增大。孔徑對合格指數(shù)的影響規(guī)律可用回歸方程表示η=87.3087-3.7963x-0.7437x2+0.1913x3(3)孔徑對漏播指數(shù)的影響規(guī)律可用回歸方程表示Ψ=3.4483+0.6178x+0.1867x2-0.0328x3(4)其中x=(d-2.4)/0.1試驗(yàn)結(jié)果表明,氣吸式排種盤吸孔直徑對水稻芽播性能影響顯著,最佳值可取2.3mm。2.3轉(zhuǎn)速對合格指數(shù)和漏播指數(shù)的影響排種盤轉(zhuǎn)速是制約播種機(jī)工作速度的一個重要因素。提高排種盤轉(zhuǎn)速可以提高投種頻率以達(dá)到提高工作效率的目的。但隨著排種盤轉(zhuǎn)速的提高,種子充填時間逐漸縮短,當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后,即使在較高的真空度下,吸種狀況也會發(fā)生惡化。因此,應(yīng)在極限轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)合理地調(diào)節(jié)真空度以達(dá)到最佳的排種性能。選擇吸孔直徑為2.3mm、54孔的排種盤,為了消除漏吸的影響,在較高真空度(4.37kPa)下,通過高速攝像機(jī)觀察排種盤上吸種(充填)的情況。每個轉(zhuǎn)速隨機(jī)取數(shù)段圖像,計(jì)算其平均值作為指標(biāo)值,并與其對應(yīng)的實(shí)測值進(jìn)行比較,轉(zhuǎn)速對合格指數(shù)和漏播指數(shù)的影響規(guī)律如圖6所示。高速攝像統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,當(dāng)排種孔線速度達(dá)到0.56m/s(排種盤轉(zhuǎn)速62r/min)時,充填性能仍較好(在清種前觀測),此時合格指數(shù)85.89%,漏播指數(shù)2.67%,超過通常認(rèn)為的極限速度0.35m/s。此時在傳送帶上實(shí)測的合格指數(shù)為76.43%,漏播指數(shù)為8.56%,兩者之間有一定的差異。由于轉(zhuǎn)速很高,因此對傷芽率也進(jìn)行了檢測。用量杯隨機(jī)提取3次排種器排出的種子,每次取100mL,測定的平均胚芽損傷率低于5%。對沒有傷芽與傷芽的種子也做了出苗對比試驗(yàn),測定結(jié)果為傷芽的種子晚出苗1～2d。出苗情況表明,傷芽對種子出苗有一定的影響,因此,需要控制芽的損傷,最好的方法就是控制胚芽的長度。催芽至種子破胸露白,一般在1.5mm以下為宜,此時胚芽較粗壯,不易損傷。3排種器真空度對排種量的影響(1)排種器氣室內(nèi)流場模型的模擬結(jié)果與試驗(yàn)基本相符,表明可采用ANSYS6.1有限元軟件的流體模塊對其進(jìn)行流場分析與性能預(yù)測。(2)真空度是影響充種過程最重要的因素,其過大或