水稻育秧播種器吸孔結(jié)構(gòu)對(duì)吸孔堵塞的影響

水稻育秧播種器吸孔結(jié)構(gòu)對(duì)吸孔堵塞的影響

0吸種孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究播種裝置是水稻育種裝置的主要工作部件，主要包括機(jī)械和氣法，包括滾筒式、吸針式和吸盤式。吸盤式播種方式具有作業(yè)效率高和易實(shí)現(xiàn)按育秧盤按穴精確播種等優(yōu)點(diǎn),但負(fù)壓氣室內(nèi)氣流場(chǎng)分布的影響因素多、吸孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)吸種性能影響大和吸種孔易堵塞形成空穴等問題。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)氣吸式播種器的研究錯(cuò)誤!未指定書簽。錯(cuò)誤!未指定書簽。,錯(cuò)誤!未指定書簽。主要集中在通過試驗(yàn)或數(shù)值仿真分析吸種孔吸種性能,研究的對(duì)象主要以圓粒和經(jīng)包衣丸化的種子[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11],而對(duì)于作業(yè)對(duì)象為非球型水稻種子的吸孔吸種性能和吸孔堵塞的研究則較少。本文以吸盤式水稻盤育秧播種器吸孔為研究對(duì)象,ANSYS12.0/Fluent為工具,對(duì)吸孔氣流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn),分析工況參數(shù)和吸孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)水稻種子的吸種性能和吸孔堵塞的影響,并通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,為整盤氣吸盤式水稻育秧播種器吸孔設(shè)計(jì)提供參考。1板上吸孔加工吸盤式水稻盤育秧播種器由負(fù)壓氣室和吸種板組成,吸種板上吸孔按盤播量和播種間距等要求加工出相應(yīng)吸孔,結(jié)構(gòu)如文獻(xiàn)所示。針對(duì)非球型水稻種子,設(shè)計(jì)了直孔、內(nèi)倒角30°和沉孔3種類型的吸孔,其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。2種子臨界氣流速度cd在水稻與吸孔氣流場(chǎng)組成的氣固兩相流體系統(tǒng)中,當(dāng)種子接近吸種孔時(shí),種子在吸種孔附近會(huì)與氣流場(chǎng)產(chǎn)生復(fù)雜的相互耦合作用,在吸種孔口較遠(yuǎn)處,種子對(duì)吸種孔氣流的影響較小,此時(shí)可以忽略氣流場(chǎng)與種子之間的相互耦合作用。水稻種子受到吸種孔垂直向上的氣流作用,種子受到的力有向上的繞流阻力R、浮力F和向下的重力G,如圖2所示。假設(shè)種子為球形,則根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)得。式中,Cd為阻尼系數(shù),其與種子形狀、表面狀態(tài)和雷諾數(shù)有關(guān);ρ為空氣的密度,kg/m3;vt為作用在種子上的氣流速度,m/s;ds為圓形種子的半徑,m。對(duì)于球型種子,浮力式中,g為重力加速度,m/s2。種子受到的重力式中,ρs為種子的密度,kg/m3。種子在氣流場(chǎng)中被吸起的臨界狀態(tài)時(shí)受到的合力為0,即式(1)、(2)和(3)帶入式(4)可得吸起球型種子的臨界氣流速度為當(dāng)距離吸孔某處氣流速度大于種子臨界氣流速度時(shí),種子即開始被吸起,隨著被吸起的種子越來越接近吸孔,吸孔處氣流場(chǎng)與種子之間將產(chǎn)生復(fù)雜的耦合作用,種子加速運(yùn)動(dòng)直至種子吸附到吸種孔口上,此時(shí)由氣室內(nèi)部靜負(fù)壓提供吸力平衡種子的重力。由于水稻種子不是規(guī)則的球形,因此隨著水稻種子在氣流方向上投影面積的變化,受到的繞流阻力R也不斷變化,所以對(duì)于水稻種子,臨界氣流速度為一個(gè)范圍值。種子懸浮的臨界氣流速度可以通過試驗(yàn)測(cè)得,通過懸浮試驗(yàn)測(cè)得水稻種子的臨界懸浮速度為6~8m/s,水稻種子中小枝梗等雜質(zhì)的懸浮速度小于飽滿種子的懸浮速度。取水稻種子的最大懸浮速度8m/s,定義氣流速度等于8m/s處位置距吸孔口垂直距離為吸孔最大吸種距離,則吸孔最大吸種距離值越大,表明吸孔吸附種子的能力就越強(qiáng)。3數(shù)值模擬試驗(yàn)3.1幾何模型建立環(huán)境幾何模型的建立和網(wǎng)格的劃分方式在分析過程中起關(guān)鍵性作用,ANSYSWorkbench集成工作環(huán)境提供了幾何模型建立、網(wǎng)格劃分和有限元分析的集成環(huán)境。根據(jù)吸種孔的結(jié)構(gòu)尺寸在DesignModeler模塊建立吸孔的三維模型,在Meshing模塊對(duì)吸孔三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格劃分方法可選擇Fluent和CFX方法,本文中選用Fluent求解器則選擇Fluent方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對(duì)吸孔部分表面網(wǎng)格劃分為0.05mm2。3.2吸孔仿真模型模型邊界條件設(shè)定和求解在ANSYS12.0/Fluent中進(jìn)行,仿真分析時(shí)對(duì)吸孔模型作如下假設(shè):1)空氣為可壓縮理想空氣;2)室溫為恒定25℃,大氣壓為1.01×105Pa;3)吸孔壁面施加無滑移邊界條件;4)假設(shè)負(fù)壓氣室內(nèi)部負(fù)壓均勻一致,只對(duì)一個(gè)吸孔進(jìn)行數(shù)值仿真研究。吸孔入口邊界條件設(shè)為壓力入口邊界條件,壓力值等于1.01×105Pa。吸孔出口邊界條件設(shè)為壓力出口邊界條件,負(fù)壓值等于負(fù)壓氣室的負(fù)壓值。吸孔的出入口邊界條件為壓力遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件,邊界條件直接施加于吸孔不符合真實(shí)狀態(tài),為有效近似無限遠(yuǎn)處的條件,邊界條件施加于距吸孔10倍直徑的距離處。求解時(shí)湍流模型選擇k-e模型,定義最大運(yùn)算步數(shù)為200,收斂條件為10-4。3.3數(shù)值模擬試驗(yàn)方案負(fù)壓氣室和吸孔結(jié)構(gòu)形式對(duì)吸孔吸種性能和堵塞影響較大,選擇負(fù)壓、孔徑、吸孔導(dǎo)程和吸孔結(jié)構(gòu)形式為四個(gè)因素,各因素水平如表1所示,數(shù)值模擬試驗(yàn)按L9(34)正交試驗(yàn)表安排。3.4uen計(jì)算結(jié)果的后處理按四因素三水平正交試驗(yàn)進(jìn)行9組數(shù)值模擬試驗(yàn),Fluent計(jì)算結(jié)果后處理在CFD-Post中進(jìn)行。吸孔最大吸種距離和吸孔最大氣流速度仿真計(jì)算結(jié)果如表2所示,吸孔的氣流場(chǎng)速度分布或等速面分布如圖3所示。3.5室吸孔導(dǎo)程選擇吸孔導(dǎo)程進(jìn)行單因素?cái)?shù)值模擬試驗(yàn),取氣室負(fù)壓17.6kPa、吸孔孔徑為1mm、吸孔形式為直孔,吸孔導(dǎo)程變化范圍為0.1~2mm,間隔值為0.2mm。3.6氣流速度分布建立如圖1所示的通過直孔中心線的直角坐標(biāo)系,由ANSYS12.0/Fluent計(jì)算不同導(dǎo)程吸孔的氣流速度在直型吸孔中心線上的速度分布,得到12個(gè)不同導(dǎo)程吸孔速度分布圖如圖4所示,吸孔最大氣流速度如圖5所示,吸孔最大吸種距離如圖6所示。4吸種板及吸種行為在試驗(yàn)過程中,通過換用不同真空度的漩渦氣泵來實(shí)現(xiàn)吸種氣室不同真空度的變化,隨著真空度的增加,吸盤空穴率明顯降低,但隨著真空度的增加吸種孔吸附多粒種子的情況明顯增加。試驗(yàn)結(jié)果表明吸孔真空度增加對(duì)吸種孔吸種能力的提高具有極顯著的影響。通過使用雙層吸種板重疊組合,可以組合成不同導(dǎo)程和孔型的吸種孔,試驗(yàn)過程中表面吸種板選擇0.5、1、1.5mm厚度3種板,吸孔選擇1、1.2mm2種直徑吸孔,為了提高吸種板剛度,表面吸種板后重疊內(nèi)板,內(nèi)板厚度5mm,內(nèi)板上開8mm大孔,孔中心與表面吸種板吸種中心重合組合成沉孔。試驗(yàn)過程中如果種箱中水稻種子靜止不動(dòng),吸孔空穴率極大,當(dāng)吸種板貼近種子面時(shí)只有部分吸孔能吸附種子,空穴率在80%以上。通過振動(dòng)裝置當(dāng)種子在種箱中作“沸騰”狀上下振動(dòng)時(shí),在吸種板貼近種子面1~2mm時(shí)吸附效果最好。選擇2種直徑3種導(dǎo)程的吸孔進(jìn)行吸種試驗(yàn),負(fù)壓源選擇最大風(fēng)壓17.6kPa的漩渦氣泵,吸種板有效吸種面積為580mm×280mm,每塊吸種板上共有1986個(gè)吸種孔,考察吸種板空穴率,吸附1粒以上種子的重吸率和吸種孔被水稻小枝梗等雜質(zhì)堵塞的堵塞率。每組試驗(yàn)做3次以上,試驗(yàn)結(jié)果表明1mm直徑吸孔空穴率在5.4%~5.6%之間,重吸率在1.3%~1.5%之間,吸孔堵塞率從吸孔導(dǎo)程為1.5mm時(shí)的0.15%降低到吸種孔導(dǎo)程為0.5mm時(shí)的0.05%;1.2mm直徑吸孔空穴率在5.2%~5.4%之間,重吸率在1.3%~1.6%之間,吸孔堵塞率從吸孔導(dǎo)程為1.5mm時(shí)的0.13%降低到吸種孔導(dǎo)程為0.5mm時(shí)的0.06%。5黃秋葵種子吸種導(dǎo)程對(duì)吸種距離和吸孔速度的影響對(duì)數(shù)值仿真結(jié)果表2進(jìn)行直觀分析可得,影響吸孔最大氣流速度4個(gè)因素的極差分別為RA=68.78、RB=1.11、RC=5.26和RD=19.48,因此因素對(duì)吸孔最大氣流速度影響的主次關(guān)系依次為氣室負(fù)壓、吸孔形式、吸孔導(dǎo)程和孔徑,吸孔最大氣流速度的因素組合為A3B1C3D2,其中孔徑和吸孔導(dǎo)程為次要因素;影響吸孔最大吸種距離的4個(gè)因素的極差分別為RA=0.72、RB=0.45、RC=0.27和RD=0.36,因此影響吸孔最大吸種距離的因素主次關(guān)系為氣室負(fù)壓、孔徑、吸孔形式和吸孔導(dǎo)程,吸孔最大吸種距離最大的組合為A3B2C1D3或A3B3C1D3,其中吸孔導(dǎo)程為次要因素。吸種孔的孔徑對(duì)吸種最大吸種距離和吸孔最大氣流速度的影響均不為主要因素,與現(xiàn)有文獻(xiàn)中吸種孔徑對(duì)吸種質(zhì)量影響為主要因素存在差異,主要原因分析為,數(shù)值模擬試驗(yàn)中選擇的3三種吸孔直徑較接近,由于水稻種子的外形尺寸限定了吸孔直徑不能選擇過大,否則吸孔過大響應(yīng)的重吸率將會(huì)增大達(dá)不到單粒播種的目的。由圖4可得吸孔導(dǎo)程變化對(duì)吸孔最大氣流速度的影響很小,12組不同導(dǎo)程的直孔在相同外部邊界條件下最大氣流速度的變異系數(shù)為2.23%。由圖5吸孔導(dǎo)程的變化范圍0.1~2mm,吸孔最大吸種距離在1.4~1.8mm之間無規(guī)律變化,且變化范圍很小,12組不同導(dǎo)程的吸孔的最大吸種距離之間變異系數(shù)為8.15%。由室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)吸種孔導(dǎo)程的變化對(duì)空穴率和重吸率的影響較小,減小吸種孔導(dǎo)程,吸孔堵塞率有下降趨勢(shì)。由于水稻小枝梗等雜質(zhì)的懸浮速度比水稻種子的懸浮速度小,因此吸孔吸附小枝梗等雜質(zhì)的最大吸附距離較大,因此水稻小枝梗等雜質(zhì)更容易較水稻種子先吸附。由圖3還可得出,當(dāng)吸孔導(dǎo)程減小到0.1mm時(shí),吸孔的最大氣流速度已在吸孔外部。此時(shí)吸孔外部的吸力比吸孔內(nèi)部吸附力更大,因此,吸孔導(dǎo)程縮短助于水稻小枝梗等雜質(zhì)順利通過吸孔,與試驗(yàn)結(jié)果較吻合。由表2和圖4可知,吸孔最大吸種距離在2mm左右,由圖3可看出吸孔氣流速度沿吸孔中心線的分布式由小到大,再由大到小,越靠近吸種氣流速度急劇增大,在離孔口較遠(yuǎn)處氣流速度很小,因此種子只有接近到吸種孔口2mm左右才能被吸附,仿真結(jié)論與室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)吸種板貼近種子面1~2mm時(shí)吸附效果最好相吻合,此時(shí)空穴率小于5.6%。當(dāng)種子在種箱中靜止時(shí),吸盤貼附在種子面上吸種時(shí),吸盤空穴率非常大;分析原因主要是種子密集堆積種子之間相互作用加大,依靠吸孔靜負(fù)壓克服不了種子重力和種子之間相互作用力,其次種子堆積且與吸盤很近,吸孔外部空間較小影響了吸孔氣空氣流量導(dǎo)致吸孔動(dòng)負(fù)壓不足。6吸種孔結(jié)構(gòu)形式的選擇氣室負(fù)壓和吸孔形式是影響吸孔吸種性能的主要因素,吸種孔導(dǎo)程變化對(duì)吸孔最大氣流速度和吸孔最大吸種距離的影響較小。吸孔最大氣流速度的因素組合為氣室負(fù)壓17.6kPa、孔徑1mm、吸孔導(dǎo)程1.5mm和內(nèi)側(cè)倒角30°型吸孔,吸孔最大吸種距離最大的組合為氣室負(fù)