氣吸式小粒徑種子排種器吸孔清理裝置設(shè)計與仿真

張　勇，劉　飛，趙滿全，呂　冰

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，呼和浩特　010018)

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氣吸式小粒徑種子排種器吸孔清理裝置設(shè)計與仿真

張勇，劉飛，趙滿全，呂冰

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，呼和浩特010018)

摘要：針對氣吸式小粒徑種子排種器在實際工作中經(jīng)常出現(xiàn)吸孔被種子脫皮、碎屑堵住的現(xiàn)象[1]，提出了3種結(jié)構(gòu)的吸孔清理裝置。同時，利用SolidWorks進行三維建模，F(xiàn)LUENT進行氣流場仿真模擬，得出結(jié)論：T型結(jié)構(gòu)不利于種子及殘渣回落；Y型結(jié)構(gòu)易形成回流，影響種子及殘渣的收集；坡型結(jié)構(gòu)導(dǎo)致殘渣無法完全落入收集器。最終設(shè)計出了一種綜合性能最好的吸孔清理裝置的結(jié)構(gòu)—半坡型結(jié)構(gòu)，不僅增強了清理效果，而且殘渣回落后不易回流進入吸氣通道。該設(shè)計對避免氣吸式小粒徑種子排種器排種盤堵塞的問題，保證排種器排種效率，提供了一定的理論參考。

關(guān)鍵詞：排種器；吸孔清理；氣吸式；小粒徑

0引言

國外農(nóng)業(yè)發(fā)達的國家普遍采用氣吸式原理設(shè)計精密排種器[2]。氣吸式排種器具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、相對機械式排種器不傷種等優(yōu)點[3]。在我國，氣吸式排種器近年發(fā)展十分迅速，然而對于播種小粒徑種子，還不成熟[4]。小粒徑種子的平均直徑≤3mm[5]，在我國種植比較多的農(nóng)作物主要包括油菜、苜蓿、谷子、芝麻以及部分蔬菜、花卉等。這類種子物理特性有幾何尺寸小、千粒質(zhì)量小及形狀不規(guī)則等[6- 7]。在實際排種過程中，尤其是氣吸式小粒徑種子排種器，種子之間、種子與排種盤之間、種子與儲種室殼之間都在摩擦，不斷地有細小的脫皮和破碎的種子生成，在攪種輪帶動下不可避免地進入到排種盤上的吸孔內(nèi)，造成排種盤堵孔，出現(xiàn)漏播的情況，大大降低了排種效率[8]。因此，有必要對解決小粒徑種子精密排種裝置的吸孔問題進行研究。

1排種孔清理方式及原理

1.1　常見排種孔清理方式及原理

目前，常見的排種孔清理裝置原理主要有以下兩種：機械式清理和氣力式清理[9]。

圖1所示為窩眼輪式排種器。種箱內(nèi)的種子靠自重充填入旋轉(zhuǎn)的窩眼輪的窩眼內(nèi)，經(jīng)過反向旋轉(zhuǎn)的清種輪時，多余的種子被清除掉；窩眼內(nèi)種子隨窩眼輪旋轉(zhuǎn)至下方卸種位置時，靠固定的推種片使種子離開窩眼，落人種溝[10]。在排種輪內(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，以減少型孔的堵塞[11-13]。以上是幾種典型的機械式清理排種孔的方式。

1.種箱　2.清種輪　3.窩眼　4.窩眼輪　5.推種片

氣力式清理目前主要為通過氣吹的方式將殘留物吹出，主要工作原理為：由壓縮機產(chǎn)生的高壓氣流經(jīng)進氣閥改變方向，使氣流與吸種孔中心線平行。高壓氣流通過氣閥對吸種孔產(chǎn)生的較大的沖擊力，將殘留在種孔上的種子再次吹出，對吸種孔進行清理[7]。

以上兩種清理方式：第1種主要適用于玉米、大豆、高粱、丸?；鸩说却罅椒N子[14]，第2種主要適用于小粒徑種子的氣吸式排種器；但為了改變高壓氣流的方向，增添了氣閥，這樣一來增加了排種器的復(fù)雜性，同時使得成本也相應(yīng)提高。為此，提出一種新的清理方式。

1.2　吸種孔清理方式及原理

本設(shè)計通過在卸種部位后方增加一個氣吸式吸種孔清理裝置來實現(xiàn)吸種孔內(nèi)殘留種子及殘渣的清理。氣吸式排種器如圖2所示。

1.種箱　2.氣流分管道　3.吸種孔清理裝置　4.落種口

其主要工作原理：由風機產(chǎn)生的高壓氣流，一部分經(jīng)過氣流主管道進入排種器內(nèi)將種子吸附至排種盤上；另一部分經(jīng)過氣流分管道，通過吸種孔清理裝置，將殘留在吸種孔內(nèi)的種子及殘渣吸出，落入該裝置下方的收集器中，實現(xiàn)對吸種孔的清理。

該設(shè)計的優(yōu)點在于：①在吸孔剛被堵住時第一時間施加反向的真空吸力將孔內(nèi)的碎屑吸出，避免了其在排種盤內(nèi)不斷旋轉(zhuǎn)越吸越牢固的情況，提高了排種的合格率。②最大限度地利用現(xiàn)有裝置結(jié)構(gòu)，不附加其他動力裝置，從一個主真空管道分出兩條正反方向的吸氣通道，因而僅需增加一個結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的吸種孔清理裝置即可實現(xiàn)種子的清理。

2吸種孔清理裝置氣流場仿真模擬

2.1　模型的建立

設(shè)想了以下3種結(jié)構(gòu)的吸孔清理裝置，在SolidWorks中建模如圖3~圖5所示。

1.清理口　2.收集器　3.吸氣口

1.清理口　2.收集器　3.吸氣口

2.2　氣流場仿真模擬

1)對圖4的T型結(jié)構(gòu)進行FLUENT仿真模擬，在gambit中網(wǎng)格劃分如圖6所示。

圖6　網(wǎng)格劃分

在網(wǎng)格劃分的時候要求以下幾點：首先，為了保證網(wǎng)格質(zhì)量，采用混合網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分。將矩形區(qū)域設(shè)置為平鋪的四邊形結(jié)構(gòu)，將不規(guī)則部位和疏密不同區(qū)域之間的連接區(qū)域設(shè)置為平鋪的三角形結(jié)構(gòu)。其次，在保證計算精度的前提下，盡量提高求解速度。方法為在越靠近吸孔區(qū)域，網(wǎng)格劃分的越密，越遠的區(qū)域網(wǎng)格越疏。圖6中從亮的部分(吸孔)開始到遠端(出口和回收室)網(wǎng)格尺寸分別為0.1、0.2、0.4、0.8。

網(wǎng)格質(zhì)量的控制,網(wǎng)格最好為0,最差為1。本結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格質(zhì)量如圖7所示。

由圖7可知：最大為0.37,小于0.4,網(wǎng)格質(zhì)量很好。將網(wǎng)格輸出為mesh文件導(dǎo)入到fluent中進行設(shè)置。設(shè)置左端孔的墻面為壓力入口(pressure-inlet)，值為默認，設(shè)置右端的壁面為壓力出口(pressure-outlet)值為-3000Pa。采用標準k-e模型，迭代步設(shè)定為200，然后進行計算(calculate)。

最終得到的速度圖及壓力圖如圖8、圖9所示。

圖7　網(wǎng)格質(zhì)量圖

圖8　T型結(jié)構(gòu)速度圖

圖9　T型結(jié)構(gòu)壓強圖

由圖8、圖9可知：在T型結(jié)構(gòu)內(nèi)部，吸氣口與收集器部位的氣流場速度與壓強分布基本一致，但通過清理口之后氣流場結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，速度陡然下降，而且方向改變較大；3個清理口的3條氣流場速度線會形成干擾，且吸氣口區(qū)域的壓強大于收集器內(nèi)壓強，大于種子及殘渣懸浮速度，不利于種子及殘渣回落，對清理效果產(chǎn)生一定影響。

2)對圖4的Y型結(jié)構(gòu)進行FLUENT仿真模擬，得到速度圖與壓強圖如圖10、圖11所示。

圖10　Y型結(jié)構(gòu)速度圖

圖11　Y型結(jié)構(gòu)壓強圖

由圖10、圖11可知：Y型結(jié)構(gòu)內(nèi)部，清理口出氣流場速度分布較為均勻，但上孔壓強最大，下孔次之，中孔最??；通過清理口之后氣流場速度逐漸降低，但方向不穩(wěn)定，造成3個清理口的氣流場互相干擾，壓強也發(fā)生變化，互相形成干擾，容易產(chǎn)生回流，導(dǎo)致回落的種子及殘渣再次被吸出，影響收集效果。

3)對圖5的Y型結(jié)構(gòu)進行FLUENT仿真模擬，得到速度圖與壓強圖，如圖12、圖13所示。

圖12　坡型結(jié)構(gòu)速度圖

圖13　坡型結(jié)構(gòu)壓強圖

由圖12、圖13可知：在坡型結(jié)構(gòu)內(nèi)部，清理口中的氣流場速度與壓強分布較為均勻，通過清理口之后，氣流場速度有所降低，3條速度線之間的互相干擾較?。坏謇砜谝约拔鼩饪趬毫μ荻冗h大于其到收集器的壓力梯度，導(dǎo)致種子及殘渣不能完全落入收集器，降低回收效率。

2.3　新的模型的建立以及氣流場仿真模擬

通過對上述3種模型的氣流場速度及壓強的分析，重新設(shè)計出一種新的模型，并對其進行FLUENT仿真模擬。在SolidWorks中建模如下，半坡型結(jié)構(gòu)如圖14所示。

1.清理口　2.收集器　3.吸氣口

通過FLUENT仿真模擬，得到速度圖與壓強圖，如圖15、圖16所示。

由圖15、圖16可知：對于半坡型結(jié)構(gòu)，與其他3種結(jié)構(gòu)相比，首先可以看出清理口到吸氣口采取了水平結(jié)構(gòu)，有利于形成較大壓力梯度，增強吸種效果；其次收集器采用傾斜結(jié)構(gòu)，不僅增強殘渣回落而且不易導(dǎo)致回流使懸浮的殘渣進入吸氣通道。

圖15　半坡型結(jié)構(gòu)速度圖

圖16　半坡型結(jié)構(gòu)壓強圖

3結(jié)論

對于氣吸式排種器來說，當排種器在工作時，平穩(wěn)的吸種負壓可以保證吸種[15]。同樣，對于吸種孔清理裝置來說，其內(nèi)部平穩(wěn)的負壓同樣可以滿足清理堵孔的種子及殘渣的要求。因此，通過對上面4種設(shè)計的氣流場的速度及壓強的分析，半坡型結(jié)構(gòu)的吸種孔清理裝置相對于其它3種結(jié)構(gòu)來說能夠更好地清理堵孔。本文提出的堵孔清理方式及對清理裝置的氣流場的分析，為后續(xù)氣吸式小粒徑種子排種器的優(yōu)化設(shè)計提供了條件和理論依據(jù)。

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Small Size Air-suction Seed Seedmeter Suction Hole Cleaning Device Design and Simulation

Zhang Yong， Liu Fei， Zhao Manquan， Lv Bing

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，China)

Abstract：For small diameter air-suction seed Seedmeter often appear in the actual work is the seed peeling suction holes, debris blocked the phenomenon, proposed the suction hole cleaning device three structures, the use of three-dimensional modeling Solidworks, FLUENT conduct flow field simulation, the final results: T-type structure is not conducive to seed and residue down, Y-type structure is easy to form reflux, affecting seeds and residue collection, slope-type structure results in residues not completely fall into the trap. The final design of the best structure for a comprehensive performance suction hole cleaning device-half slope-type structure, not only enhances the cleaning effect, and after the residue was easy to fall back flow into the intake channel. The design of small size to avoid air-suction seed row Seeding disc clogging problems and ensure row seeding efficiency, provide some of the basic research.

Key words：seeding; suction hole cleaning; air-suction; small size

中圖分類號：S223.2+5

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0023-05

作者簡介：張勇(1989-)，男，山西運城人，碩士研究生，(E-mail)867401609@qq.com。通訊作者：趙滿全(1955-)，男，內(nèi)蒙古土右旗人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)nmgzhaomq@163.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51365034)；中國博士后科學(xué)基金項目(2014M552532XB)；內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新團隊項目(NDTD2013-6)

收稿日期：2015-10-12