1、编号（学号）：12254002毕 业 论 文 （设 计）（ 2012 届本科）全套图纸，加 153893706题 目： 气吸滚筒式精密排种器的优化 学 院： 工 程 学 院 专 业： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 沈阳农业大学学士学位论文1指导教师： 完成日期： 2012 年 6 月 7 日目录摘 要 1ABSTRACT .2第一章 绪论 31.1 研究小颗粒种子精播技术的目的和意义 31.2 国内外气力式精密排种器的发展概况 31.2.1 国外气力式排种器的发展概况 41.2.2 国内气力式排种器的发展概况 41.3 本文研究的内容 5第二章 气吸滚筒式精密排种器的优化设计 62.1 排
2、种器结构及工作原理 62.1.1 总体结构 62.1.2 工作原理 72.2.1 排种滚筒上吸孔的设计 82.2.2 排种滚简内部正负压腔的设计 82.3 排种装置的优化设计 102.4 本章小结 11第三章 气吸滚筒式精密排种器的理论分析 123.1 种子所受吸附力及吸种高度的确定 123.1.1 吸附力及其影响因素 123.1.2 吸种高度及影响因素 133.2 气吸滚筒式精密排种器吸种过程及其影响因素的分析 163.2.1 种子从种箱到被吸孔吸附过程分析 .173.2.2 种子被吸附到滚筒上并随之运动的条件 193.3 气吸滚筒式精密排种器的排种过程分析 203.3.1 排种误差 203
3、.3.2 种子落地碰撞角和碰撞速度 233.3.3 排种过程影响因素分析 243.4 本章小结 24第四章 气吸滚筒式精密排种器气流场的计算机仿真 254.2 ANSYS 仿真初始边界条件的设定 .264.2.1 吸孔的结构形状及初始化条件 264.3 仿真结果 284.3.1 吸孔形状对吸种性能的影响 284.3.2 吸孔导程对吸种性能的影响 314.3.3 吸孔孔径大小对吸种性能的影响 324.3.4 吸种滚筒内部负压区气流场仿真 344.3.5 吸种滚筒内部正压区气流场仿真 364.4 本章小结 38第五章 总结与展望 39参考文献 41致 谢 43沈阳农业大学学士学位论文1摘 要世界各
4、国都很重视精量播种技术，精密播种可以节约大量的种子，节省田间间苗定苗用工，增加作物产量。本文在对国内外现有的气吸滚筒式精密排种器深入研究的基础上，对原有的设计进行了改进并制造了一种新型的气吸滚筒式精密排种器。该排种器具有以下的特点:首先，对主轴结构进行了优化设计，采用了一根主轴形成两个压腔的设计方法，既保证了同轴度又减少了轴承的磨损，大大延长了轴承的使用寿命。其次，由于采用了弹簧结构，在隔气板与滚筒内壁接触转动的过程中，减少了因摩擦而导致的磨损漏气的问题。第三，对种箱进行了激振，使种子在种箱中形成“沸腾”状态，更有利于滚筒的吸种。结合该气吸滚筒式精密排种器，本文主要开展了以下几个方面的研究工作
5、:1.对气吸滚筒式精密排种器的吸种及排种过程进行了理论分析，得到了吸附力、吸种高度、排种误差、碰撞角和碰撞速度等数学模型，并对影响吸排种效果的因素进行了分析。2.运用ANSYS有限元分析软件对吸孔及正负压腔的气流场进行了建模与仿真试验，结果表明:直孔的吸种性能比锥形孔和沉孔好:孔径越大，吸种能力越强;吸孔导程对吸种性能无显著影响;滚筒壁上的吸孔靠近正负压腔气流大的地方，受到气流的影响也较大。通过对气吸滚筒式精密排种器的理论分析和计算机仿真，得到了一些规律，为其实际应用奠定了基础。关键词:精密播种;气吸滚筒式精密排种器;有限元分析;理论分析;气吸滚筒式精密排种器的优化2ABSTRACTPreci
6、sion 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 manufa
7、ctured.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 seeders wall was eliminated because of friction
8、.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
9、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
10、; 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 an
11、alysis,some laws useful for practical application were found.KEY WORDS:Precision seeding; Air-suction cylinder precision seeder; Finite element analysis;Theoretical analysis;沈阳农业大学学士学位论文3第一章 绪论1.1 研究小颗粒种子精播技术的目的和意义世界各国都很重视精量播种技术，发达国家已基本实现大、中粒作物的精量播种，节本增效显著，但对油菜、谷子等小颗粒作物的精播技术有待进一步的研究【1】 。本文以油菜种子为例，探讨
12、了小颗粒种子的精播问题。油菜是世界上重要的油料作物之一，成熟的油菜籽多为球形或近似球形的小颗粒，其直径为1.27-2.05【2，3】 。油菜在我国常年种植面积约为800万公顷，其种子含油量为30%-50%，是我国重要的油料作物。长期以来，我国油菜种植面积和总产量均居世界第一，占世界油菜种植面积和总产量的30%左右。根据资料显示，1996年以来，菜籽油占我国食用植物油消费量的近35%。当前我国油菜产业的种植面积大、总产量高，市场需求量和发展潜力都很大。2000年全国油菜种植面积扩大到800万公顷，产量达到1013万吨。随着人们生活水平的提高，对植物油的消费也日益增长，加工能力膨胀对油料需求加大，
13、我国从1999年开始进口油菜籽，1999年以来每年进口油菜籽250万吨左右，特别是近几年来，进口油菜籽产品的数量有呈现大幅度上升的趋势【4】 。自20世纪80年代以来，我国双低油菜发展迅速，但油菜播种基本为开沟人工溜种，播量较大，不但浪费种子，劳动强度大，而且播种质量难以保证，遇干早缺苗严重，遇雨涝出苗过稠，间苗、定苗费工，并易形成高脚弱苗，影响产量。因此对优质油菜种子进行精密播种迫在眉睫。精密播种优越性有如下几点:1.精密播种可以节约大量种子。2.节省田间间苗定苗用工。精密播种苗齐苗壮，不拥挤，可提高田间间苗定苗工效，甚至可以取消间苗定苗工作。3.可增加作物产量。精密播种的苗分布均匀，透风透
14、光性好，能充分利用土壤中的水分营养。苗期发育好，苗齐苗壮，可增产10%-30%。本课题根据油菜种子的特性，对其精密播种部件一滚筒气吸式精密排种器开展研究工作，为推进精播小颗粒种子的机械化进程开创一条新路。1.2 国内外气力式精密排种器的发展概况精密排种器按其工作原理可分为机械式和气力式。气力式排种器包括气吸式、气吹式、气压式三种;机械式主要有窝眼轮式、圆盘式、指夹式等。气力式排种器具有对种子适应性强，损伤轻等优点。气吸滚筒式精密排种器的优化41.2.1 国外气力式排种器的发展概况在国外的产品中，精密排种器主要以针式和滚筒式为主，滚筒式排种器较针式播种机效率更高【5】 。国外从20世纪50年代末
15、开始出现气力式精密排种器。20世纪60年代以来，前苏联、英、德等国都相继提出了麦类作物精播理论，并对小麦精播机做了大量的试验研究。1976年前后，德国研制了GS-23气吸式小麦精密播种机，其排种器是由种子室和真空室组成，但是该机难以实现单粒排种，而且播种均匀度很差，重播严重。后来法国研制出一种单粒气吸式小区播种机，它的排种器是一个安装在转轴上的金属盘，盘的周缘分布着若干个吸嘴与圆盘内腔的真空负压相连。该机通过更换不同的吸嘴可以播种小麦、玉米、向日葵等作物。奥地利的Wintersteiger自走式小麦精播机也属于气吸式精量播种机，该机的排种器是一对组合吸缝盘和驱动格轮，由两个不同形状隙缝的交叉形
16、成一系列不同形状的吸孔。它没有输种管，排种器与开沟器融于一体，投种点低，有利于精密粒距的形成。该机主要用于田间小区试验，在许多国家和地区得到推广应用。为了满足本国经济发展的要求，尽快提高精密播种机的作业速度，近十年来，欧美国家着重对气力式精密排种器进行了研究【6】 。当前，国外播种机械的发展方向已从对排种器的结构研究转移到对播种原理的研究上，比如蔬菜种子的精播问题。目前国外正在利用一些新的播种原理，如日本提出的静电播种，英国提出的液体播种等。现在广泛流传的一种先进的科学播种方法 种子带播种，它起源于日本，这种播种方法已在世界范围内被广泛采用【7】 。目前较为成熟的产品主要有英国产的Hamilt
17、on播种机，有针式、滚筒式两种。Hamilton针式播种机从秋海棠等极小的种子到甜瓜等大种子均可进行播种，播种精度高达99.9%(对干净、规矩的种子)，播种速度可达2400行/小时(128穴的穴盘最多每小时可播150盘);Hamilton滚筒式播种机是适用于大中型育苗场的高效率精密播种机，适合绝大部分花卉、蔬菜等种子，播种精度可达99%(对干净、规矩的种子)，播种速度高达18000行/小时(128穴的穴盘最多每小时可播1100盘)。这两种播种机均可以无级调速，能在各种穴盘、平盘或栽培钵中播种，并可进行每穴单粒、双粒或多粒形式的播种。韩国大东机电株式会社生产的真空气吸式播种机，适用于小于瓜类种子
18、的各类蔬菜种子及花卉种子，分为全自动和半自动两种机型，全自动机型的工作程序包括基质混拌、装盘、挖穴、播种、覆土、喷水等，半自动机型包括挖穴、覆土两项程序。此外，还有美国的Blaclanore, Speedling, VanDana精量播种系统等【8】 。1.2.2 国内气力式排种器的发展概况我国从2 0世纪60年代开始研制气力式播种机，当时辽宁省农机所研制了6行气吸式沈阳农业大学学士学位论文5播种机，该机可精播玉米、大豆、花生。但是由于风机及万向节传动故障多，工作不可靠，没能得到推广。20世纪70年代我国加强了半精量和精量播种技术的引进、研究和试验。1979年中国农机院引进了4种精播机(西德气
19、吸、气吹两种，法国气吸式，美国指夹式)，并分别对它们的性能，结构参数以及影响因素进行了试验和研究，在此基础上研制出了我国的定型产品:2BJ-6型、2BJ-4型气吹式精量播种机。辽宁省农机研究所也经多年的改进试验研制出了与铁牛-55拖拉机配套的2BQ-6型气吸式播种中耕通用机.该机采用垂直圆盘气吸式排种器，可精播玉米、大豆、高粱、棉籽，完成起垄、播种、中耕、培土等作业。20世纪80年代我国扩大了精播机的试验、示范推广。各地根据本地情况研制出了不同型号的气力式播种机，如威海市农机所研制出了2BT-2型气吸式花生套种播种机，烟台地区农机所研制的2BHQ-5型气吸式花生播种机，大连市农机化所研制的2B
20、JQ-4型气力式播种机，山西省农机所研制的2BJ-4型气吸式精密播种机。“八五”期间，北京农业工程大学研制出了2XB-300型孔齿盘转动式穴盘育苗精量播种机，该装置适合于播中等大小的丸粒化种子。到了20世纪90年代播种机由单一播种发展到了播种、施肥、铺膜联合作业。近几年，精密播种技术得到了进一步发展，如华南农业大学研制的HNJ97-1型水稻精量播种机，利用电磁振动原理实现精量播种，但其造价较高。南京农机化研究所和江苏大学共同研制的2QB-330型气吸振动式秧苗盘精量播种机，应用振动气吸的原理，每穴1-2粒种子的播种合格率达到了90%以上【6，9，10】 。对于气吸针式排种器，在我国自行研制的蔬
21、菜、花卉工厂化育苗播种机中已开始应用，而对于滚筒气吸式排种器，由于其气密性很难控制等原因，由我国自行设计制造的专门用于蔬菜、花卉工厂化育苗的滚筒气吸式排种器还很少。1.3 本文研究的内容由于原有的气吸滚筒式精密排种器存在漏气量大、排种不均匀、转动不灵活及磨损严重等问题，本课题就其机构进行优化设计，使之能具有结构简单，生产效率较高等优点，能够用于播种油菜等小颗粒作物。本论文开展以下几方面工作：1. 对原有气吸滚筒式精密排种器进行改进设计及优化。2. 建立种子在吸孔气流作用下的受力模型，研究种子的吸附条件，分析各种因素对播种质量的影响。3. 运用ANSYS软件对排种器进行气流场分析和模拟，分析吸孔
22、的形状、导程和吸孔孔径的大小对吸种性能的影响。同时对吸种滚筒正负压区进行模拟仿真。气吸滚筒式精密排种器的优化6第二章 气吸滚筒式精密排种器的优化设计2.1 排种器结构及工作原理2.1.1 总体结构气吸滚筒式精密排种器总体结构布局如图2-1所示。图2-1 排种器总体结构布局图沈阳农业大学学士学位论文71.滚筒 2.正压腔连接轴 3.正压腔 4.滚筒连接 5.链轮 6.负压轴 7.中夹板 8.正压轴 9.轴承盖 10.密封盖 11.种箱 12.种箱侧板图2-2 结构示意图2.气吸滚筒式精密排种器的结构示意图如图2-2所示，主要由1.滚筒 2.正压腔连接轴 3.正压腔 4.滚筒连接 5.链轮 6.负
23、压轴 7.中夹板 8.正压轴9.轴承盖10.密封盖11.种箱 12.种箱侧板等组成。其特点为正压腔中的正压腔大小夹板，便于适时调节压紧面。种箱侧的进气口，使种箱中的种子产生向上的抛掷运动，种子间接触减少，相互分离呈沸腾状态【11】 ，便于滚筒吸种。其具体的排种器装配图如图2-3所示。1.滚筒 2.正压腔连接轴 3.正压腔 4.滚筒连接 5.链轮 6.负压轴 7.中夹板 8.正压轴 9.轴承盖 10.密封盖图2-3 排种器装配图2.1.2 工作原理如图2-2所示，排种器的滚筒内腔是一全封闭的真空负压室，滚筒表面的吸孔与真气吸滚筒式精密排种器的优化8空室相通。播种时，空吸机通过负压轴6上的吸孔吸走
24、滚筒表面内腔的空气，产生负压，使滚筒1上吸孔的两端形成负压差，滚筒绕固定空心轴转动，当滚筒1上的吸孔经过种子箱11时，种子在吸孔负压差的作用下被吸附在吸孔上随滚筒1一起转动。当滚筒1转至正下方正压腔3时，负压被切断，种子在自重和正压的作用下落到种盘里。2.2 排种器的设计【12，13，14】影响排种器吸排种性能的因素主要有：吸孔的形状及大小、滚筒内部正负压的大小、种箱内的气流强度高低及滚筒转速等。是否合理选择吸孔的形状大小、滚筒内部正负压、气流强度及滚筒转速将显著影响排种器的吸排种性能。2.2.1 排种滚筒上吸孔的设计选择了三种形状的吸孔，分别为直孔、锥形孔和沉孔，见图2-4。可以通过试验确定
25、最优吸孔形状和大小。图2-4 吸孔结构型式2.2.2 排种滚简内部正负压腔的设计如图2-2所示，空心轴分为左右两部分，通过中夹板7隔开，中夹板7左边一段轴上开有吸孔，与滚筒1上的吸孔相通，空心轴与正压腔相连。工作时，负压轴6通过空吸机吸气形成负压，负压轴6与滚筒1表面的吸孔之间形成负压腔，同时正压轴8通正压气体，正压腔3与滚筒内壁之间形成正压腔。大小夹板的作用是调节正压腔3与滚筒内壁的压紧程度，防止磨损漏气。2.2.3 气流振动系统的原理及选用【9,15】种箱的振动由激振机构产生，而由于激振方法的不同，激振机构的类型有机械式、电磁式、液压式及气动式等。本文采用的振动系统是气动式。工作时，气吸机
26、通以气流，通过种箱侧面气孔，使种箱中的种子产生向上的抛掷运动，形成“沸腾”状态，利于吸种。气流振动系统的力学模型如图2-5所示。沈阳农业大学学士学位论文9图2-5 气流振动系统的力学模型振动系统受恢复力和激振力的作用，弹性恢复力可产生自激振动。弹簧使物体回到平衡位置的弹性恢复力与物体离开平衡位置的位移成正比，其方向和物体的位移方向相反。由于在运动过程中受到阻尼的作用，使振动逐渐趋于停止。阻力的方向总是与运动方向相反。当振动不大时，其大小与物体的运动速度成正比。由激振器产生的输出为:(2-1)tBx11sin式中:B - 受迫振动的振幅，即为激振器输出的振幅;- 受迫振动的稳态角频率;1- 相位
27、角。在持续稳定振动状态条件下，当振动的频率和系统的固有频率相差很大的情况下，可以认为系统只随激振系统作用。此时有:(2-2)tBxX11sin由式(2-2)可以看出，在振动系统偏离系统固有频率的条件下，系统的振动为简谐振动，受迫振动的频率与激振力的频率一致，则受迫振动的振幅为:(2-3)2201气吸滚筒式精密排种器的优化10式中: - 与激振力相等的静力作用下的静位移:0B- 频率比， ； - 激振力的频率， - 系统的固有频率；nf/ nf- 相对阻尼系数。则系统的受迫振动的运动方程为:(2-4)1220sin1BX由此知，受迫振动的幅值取决于 ， ， 。0与系统的刚度成反比，与激振力成正比
28、，当系统结构一定的情况下，可以通过0B改变激振力的大小来改变振动系统的振幅。振动系统的频率取决于激振器的振动频率，可以通过改变激振器的输出频率来改变振动系统的频率。当 0.7 ，如果系统的阻尼很小，振幅则增加较快。当 1 时，无论阻尼多大，系统的振幅都比较小。这是由于激振频率很高，激振力方向变化比较迅速。振动系统的质量部件不可能随着激振力方向的变化而迅速变化。当 = 1 时，激振频率与系统的固有频率相等。系统的振幅达到最大，产生共振。通过以上分析，希望振动系统在小于系统固有频率的状态下工作。振动系统参数选择可以参考上述对振动系统的分析结果进行。2.3 排种装置的优化设计如图2-3的装配图所示，
29、该排种器对以下几个方面进行了优化及改进设计:1.主轴(空心轴)结构优化：该排种器采用了一根空心轴形成两个压腔的设计，空心轴3被橡胶塞2分成了两个半轴，左半轴连接负压气管，右半轴接正压气管，该结构的优点是既消除了因采用两根独立半轴所形成的悬臂梁结构而使同轴度得不到保证的问题，又消除了结构上因滚筒转动而使轴承磨损加剧的问题。2，采用螺纹导程件定位：在排种器的结构中，螺纹导程件7的作用是在滚筒1与隔气板9在相互接触运动的过程中使隔气板始终沿着滚筒的轴线方向而不发生偏离和旋转。螺纹导程件的采用更好沈阳农业大学学士学位论文11地解决了因零件间的接触运动而引起的系统不稳定及漏气等问题。3.弹簧结构：该排种
30、器在结构上的另一改进是采用了弹簧结构，弹簧的采用能够使隔气板更好地与滚筒内壁进行结合并适时压紧，减少了因摩擦而导致的磨损漏气的问题。4.激振装置：为了减少种箱中种子间的内摩擦系数，增加其流动性，采用了电磁振动系统，这样种子在电磁振动系统的作用下，在种箱中形成“沸腾”状态，更有利于排种器的吸种。5.排种器性能检测试验台：在试验研究中采用的是JPS-12排种器性能检测试验台，它是通过分析与总结国内外现有排种器试验台的基础上进行设计的，其结构精巧，使用方便，检测手段先进，满足了气力式排种器试验研究的需要。2.4 本章小结根据气吸滚筒式精密排种器的工作原理，对排种器的结构进行了改进设计及优化。通过对主
31、轴结构进行优化，解决了同轴度及轴承磨损等问题;螺纹导程件及弹簧结构的采用，解决了系统的气密性及运动不稳定等问题:采用新式正压腔与优化的种箱结合在排种器性能上更有利于提高排种器的吸种效果。本章对气吸滚筒式精密排种器的优化设计为下面的仿真奠定了基础。气吸滚筒式精密排种器的优化12第三章 气吸滚筒式精密排种器的理论分析3.1 种子所受吸附力及吸种高度的确定3.1.1 吸附力及其影响因素在吸孔附近，种子处于具有一定气体流速的流场中，假设种子在流场中为具有同一尺寸的均匀球体，根据流体动力学原理可知，种子受到流体的阻力推动，即绕流阻力产生的对种子的吸附效果(又称为吸附力)，控制了种子在吸孔附近的运动。设气
32、体的密度为P，则种子所受的吸附力为【16，17】（3-1）202081vdCvdAF式中： 阻尼力系数，与种子的形状、表面状态和雷诺数有关，如果种子形状接近dC球体，则其值约为0.44。A - 种子在垂直于运动方向的平面上的投影面积， 。2m- 吸孔周围的气流平均速度，m/s 。0vd - 种子的直径，m 。若吸孔阻力系数定义 ，则通过吸孔的气流平均速度 可表示为2/ivp iv(3-2)pi式中 一吸孔内外压力差，Pa 。p已知吸孔直径为 ，则通过单个吸孔的空气流量为id(3-3)42ivdQ式(3-2)代入式(3-3)得(3-4)pdi24对于不同形式的吸孔，Fallak S .Sial和
33、Sverker P .E. Persson 在论文中以锥形沈阳农业大学学士学位论文13孔(如图3-1)为例作了阐述【18】 ，S. Shafii，S.A.Sharer，R.G.Holmes在他们的论文中也进行过研究【19，20】 。设在距吸孔中心点为x的地方为种子被吸上吸孔的临界位置，此时气流平均速度为：(3-5)cos120xQv式(3-4)代入式(3-5)得：(3-6)pxdvicos1820式(3-6)代入式(3-1)得：(3-7)24cos1256xpdCFi式(3-5)代入式(3-1)得：(3-8)242cos13xQd各因素对吸附力的影响分析如下: 由式(3-7)得知，种子所受吸附
34、力F的大小与d，四次方成正比，与Ap成正比。即吸孔直径越大，吸孔内外压差越大，吸附力越大。吸附力过大虽利于吸种，但易造成重播。 由式(3-8)得知，种子所受吸附力F的大小与总空气流量Q成正比例的关系，与“成反比例的关系。 “越大，F越小。 由式(3-7)和式(3-8)可知，吸附力F与吸种高度x的四次方成反比，故x的变化将显著影响种效果。当x趋向于零，吸种力急剧增大，有利于吸种，但同时会造成重播率的增加;当x增大，吸种力会急剧减小，不利于吸种，同时易造成空穴率的增加。3.1.2 吸种高度及影响因素经过理论分析，当种子受到气流作用被吸起时，有平衡方程【21，22，24】：( 3- 9)05.02t
35、sdsvSCgV式中： - 种子密度， ；s3/mkg- 种子体积， ；sV气吸滚筒式精密排种器的优化14g - 重力加速度， ；2/sm- 空气密度， ；3kg- 阻力系数；dC- 种子在运动方向上的投影面积， ；sS 2m- 悬浮速度， 。tvsm/对于圆形种子，式(3-9)可以写成【21，24，27】：(3-10)0234tdsvCg式中 - 种子的直径，m 。sd式(3-9)也可以运用于扁平或者椭圆形的种子模型，在这种情况下【24】(3-11)421LSs式中 - 椭圆种子的长轴长度，m ；1L- 椭圆种子的短轴长度，m ；2当气流速度大于 ，种子受一向上的加速度而被吸起，流速大小与真
36、空度成比例，tv并在吸孔处达到最大值。假设空气为理想气体，气流从离吸孔较远的自然状态运动到吸孔处是一个绝热等嫡的过程，即：(3-12)、kp/式中：p - 大气压力，Pa ；k - 定压和等容下的比热率。(3-13)RT/R - 普适气体恒量， ；T - 空气的绝对温度， k 。1kJg对于可压缩流体，应用Bernouli定理并假设气流初始速度 为0，则：ev(3-14)22iieegZdpgv式中： - 自然状态下空气的速度，m/s ；ev- 吸孔处的气流速度，m/s ；i沈阳农业大学学士学位论文15- 空气位于自然状态位置 相对于任一水平面的高度，m ；eZe- 空气位于吸孔位置 相对于任
37、一水平面的高度， m 。i i考虑到 ， ，(3-14)式可以写成：ie0ev(3-15)ieidpv2对于绝热等熵过程，式(3-12)可以写成：(3-16)kekepp11式中： - 自然状态下大气压力，Pa ；ep- 空气自然状态下的密度， 。3/mkg式(3-16)代入式(3-15)，得：(3-17)iekidpv12则 (3-18)kkekiei 121式中： - 吸口处的全压，Pa 。ip即 (3-19)11-2keii pkv在理想状况下，对于自然状态下的气体方程可以表示为：(3-20)eRT式中： - 空气自然状态下的绝对温度，k 。eT式(3-20)代入式(3-19)得：滚筒吸
38、孔处的气流速度气吸滚筒式精密排种器的优化16(3-21)keiei pRTkv112式(3-21)成立的条件是 小于声速。假设空气流是一维等嫡的，气流速度在吸口处达i到声速时真空室内真空度达到极限值 ，则：icrtp(3-22)12keicrt当 ，k=1.41 时，得 ，kPape13.0Papicrt3.5由此可得真空度的极限值： kpiie48.10吸孔处的气体流量(3-23)/2iivdQq式中： - 吸孔直径， m 。id将式(3-23)代入式(3-5)式得：(3-24)cos182xvdvi把式(3-21)代入式(3-24)得：(3-25)keieix pRTkdv 121cos1
39、8把式(3-25)代入式(3-10)得到从吸孔处所能吸附种子的最大吸种高度x为：(3-26)4214cos183kgdpkRTCxskeieid各因素对吸种高度的影响分析如下：滚筒上吸孔的吸种高度与吸孔直径、负压大小、种子密度及种子大小有关。滚筒上的吸孔直径 越大，吸孔上的负压 越大，则吸种高度 越大;而种子密度 越大，idipxs种子半径 越大，锥角 越大，则吸种高度 越小。sx沈阳农业大学学士学位论文173.2 气吸滚筒式精密排种器吸种过程及其影响因素的分析气吸滚筒式排种器吸种过程是指种子在吸孔气流下，从种子群中分离出来被滚筒吸孔吸附和带出的过程，可分为吸附和带出两个阶段【23】 。3.2
40、.1 种子从种箱到被吸孔吸附过程分析有效的吸附一般都发生在种子群的表面，并且是在很短时间内完成的过程。作用在种子上的力及其变化是很复杂的，为便于问题的分析，下面对此过程作一些假设。1) 假设种子的形状为一球体，半径为 ，密度为 ，则质量为：srs(3-27)ssm342) 假设种子的运动是一个匀加速直线运动，种子吸附过程所需时间 是相同的(因t为时间非常短，其差异必然也非常小)，即都是在吸孔转过相同的角度 时完成吸附过程的。3) 在吸附过程中，作用在种子上的气流吸力 虽然是一个大小和方向都在发生变F化的力，但因为作用时间非常短，可假设它为一个大小和方向都一定的力。 的方向F可取为种子初始的重心
41、位置A和完成吸附时吸孔中心位置C的连线方向。根据上述假设，种子的初始位置A可用角度 和种子与滚简间的最短距离 两个参x数来表示，完成吸附时的位置B用角度 来表示。这样，吸孔能否吸上种子的条件是：在气流吸力 的作用下，种子必须在滚筒转过角度 的时间 内从A点运动到B点。F t种子在发生吸附前处于振动状态，受到振动惯性力的作用，但这是一个在大小和方向都随时间发生变化的力。在种子振动幅度比较小的情况下，振动惯性力可以忽略而不考虑。这样，种子在发生吸附前的受力主要有：吸孔内外侧压差造成的气流吸力 、F种子本身的重力 和摩擦力 ，如图3-3所示Gsf气吸滚筒式精密排种器的优化18图中 , RCOxrAB
42、CAHDBACOAE ss 图3-2 吸种过程示意图 图3-3 种子的受力示意图在作了上述简化后，沿滚筒AB连线的方向对种子进行力的分解：(3-28)coscosGfFs由式(3-28)可得，这时种子被吸向吸孔的条件为：(3-29)csf这时种子的加速度为：(3-30)smGfFaoo根据假设，种子在吸力F的作用下的有效运动时间为:(3-31)t式中： - 滚筒的角速度(弧度/秒)。种子在时间 内的位移为：t(3-32)21ats把式(3-27)、(3-30)、(3-31)代入式(3-32)可得：(3-33)2328coscossrGfFs根据三角形的余弦定理，由图3-2可知AB之间的距离为：
43、(3-34)cos22 xrRxrRrl ssss 这样吸孔吸住种子的条件可用下式来表示：沈阳农业大学学士学位论文19(3-35)ls把式(3-33)、(3-34)代入式(3-35)可得吸种条件为：23222 8coscoscossssss rGfFxrRxrRr (3-36)由图可知，式(3-36)中的 的计算如下：、(3-37)2-(3-38)ACrsinac其中， ， 。当 一定时， 和lxrsRinarcin cos22srlrx均为定值， 则随着 的增大而增大。分析式(3-36)可知，影响吸种可靠性的因素很多。1. 转速的影响：在其它参数不变时，增大转速 ，意味着滚筒转过 角所需时间
44、将变短，种子的运动距离S将变小，这对吸种显然是不利的。2. 角度 的影响：当 增大时 也随着增大，种子重力 G在AB方向上的分力将变小，种子的平均加速度将增大。所以增大 对提高吸种的可靠性是有利的。3. 从 可以看出，种子与吸孔间的距离x增大时，AB两点间的距离将增大，这ABC时的F也将很快变小。由此可见，种子与吸孔间的距离x对吸种可靠性的影响非常大，x越大，越不利于吸种。在概率统计上，种子与吸孔间的距离x的平均值与很多因素有关。当种子的形状不规则、种子的单粒化程度低或者种子补位不及时时，都将使x增大，影响吸种的可靠性。其中造成种子补位不及时的原因是滚筒转速太高或者是吸孔间的行距太小。3.2.
45、2 种子被吸附到滚筒上并随之运动的条件当种子被吸附住后，除受到吸力F、重力G、支持力N外，还受到惯性离心力 和滚sp筒对它的摩擦力 大的作用。tf种子在摩擦力f,的作用下，被滚筒带出种箱的条件是在切线方向有：(3-39)cosGft气吸滚筒式精密排种器的优化20摩擦力 可用下式表示：tf(3-40)tansitangt PGFNf 把式(3-40)代入式(3-39)，有：(3-41)costasig即： (3-42)intancoPFg式中： - 吸孔附近种子与滚筒的摩擦角，弧度；- 种子与滚筒轴线所在水平面的夹角，弧度。式(3-42)就是种子在吸孔气流的作用下被滚筒带出种箱的条件。如果贴在滚
46、筒上种子距离吸孔较远，这时 ，当滚筒转速比较低时，惯性离心力 也可以忽略不计。这0FgP时，式(3-42)可以写成下式：(3-43)2tant式(3- 43)表明，当种子与滚筒的摩擦角 大于或等于种子与滚筒轴线所在水平面的夹角 的余角时，种子在只有摩擦力的作用下也将被带出种箱。分析式(3-42)可知，增大种子与滚筒轴线所在水平面的夹角 有利于滚筒带出种子；相反，当 减小时，则对种子的带出不利。如果有多粒种子贴近吸孔，即使各种子受到的气流吸力F不是很大，但在摩擦力的作用下也可能被滚筒带出种箱，很容易造成一孔吸多粒的现象。特别是当 较大时这种现象更容易发生。种子被滚筒带出种箱后，要保证种子不在重力
47、的作用下从吸孔上自动掉下来，摩擦力必须始终大于种子重力的分力。式(3-42)是当种子在II、III象限时所在的形式。当种子在I、IV象限时，式 (3-42)应写成下式：23(3-44)sintancosGPFg将式(3-44)的右边对 求导，并令其等于零：(3-45)0costansi解式(3-45)可得： 。这时，式(3-44)的右边取得最大值，即种子在这个沈阳农业大学学士学位论文21位置最易脱落。3.3 气吸滚筒式精密排种器的排种过程分析3.3.1 排种误差J.M. Wilson在论文中对排种阶段进行了分析【2628】 ，如图3-5所示，图3-5 排种过程示意图种子在脱离排种滚筒的瞬间的水
48、平速度：(3-46)cosvVUH式中： - 机组前进速度，m/s ；V- 滚筒的圆周速度，m/s ；v- 排种点和圆心的连线与垂直方向的夹角，弧度。种子在脱离排种滚筒的瞬间的垂直速度：(3-47)sinvU种子飞行落到土壤表面所经过的距离表示为：(3-48)tVtDHcos式中： - 种子运动时间， 。ts种子脱离排种滚筒时的水平误差：(3-49)sinrd式中： - 滚筒半径， m ，r种子脱离排种滚筒时的垂直误差：气吸滚筒式精密排种器的优化22(3-50)cos1rh种子下落的时间由下式求得：(3-51)2ingtvtH式中： - 滚筒正下方距地面的垂直距离，m 。H从而得：(3-52)ghHvt 2sinsi2由播种机前进速度所引起的排种误差为：(3一53)vrVtDe1从图3-5可以看出，种子从滚筒正下方的投影点C点到实际落地碰撞点之间总的距离为：(3-54)1dT
