水稻育秧播種器吸孔結構對吸孔堵塞的影響

水稻育秧播種器吸孔結構對吸孔堵塞的影響

0吸種孔結構參數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)效率高和易實現按育秧盤按穴精確播種等優(yōu)點,但負壓氣室內氣流場分布的影響因素多、吸孔結構參數對吸種性能影響大和吸種孔易堵塞形成空穴等問題。目前,國內外學者對氣吸式播種器的研究錯誤!未指定書簽。錯誤!未指定書簽。,錯誤!未指定書簽。主要集中在通過試驗或數值仿真分析吸種孔吸種性能,研究的對象主要以圓粒和經包衣丸化的種子[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11],而對于作業(yè)對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象,ANSYS12.0/Fluent為工具,對吸孔氣流場進行數值模擬試驗,分析工況參數和吸孔結構參數對水稻種子的吸種性能和吸孔堵塞的影響,并通過室內試驗對數值模擬試驗結果進行驗證,為整盤氣吸盤式水稻育秧播種器吸孔設計提供參考。1板上吸孔加工吸盤式水稻盤育秧播種器由負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吸孔,結構如文獻所示。針對非球型水稻種子,設計了直孔、內倒角30°和沉孔3種類型的吸孔,其結構形式如圖1所示。2種子臨界氣流速度cd在水稻與吸孔氣流場組成的氣固兩相流體系統(tǒng)中,當種子接近吸種孔時,種子在吸種孔附近會與氣流場產生復雜的相互耦合作用,在吸種孔口較遠處,種子對吸種孔氣流的影響較小,此時可以忽略氣流場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。假設種子為球形,則根據流體力學知識得。式中,Cd為阻尼系數,其與種子形狀、表面狀態(tài)和雷諾數有關;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。種子在氣流場中被吸起的臨界狀態(tài)時受到的合力為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距離吸孔某處氣流速度大于種子臨界氣流速度時,種子即開始被吸起,隨著被吸起的種子越來越接近吸孔,吸孔處氣流場與種子之間將產生復雜的耦合作用,種子加速運動直至種子吸附到吸種孔口上,此時由氣室內部靜負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,所以對于水稻種子,臨界氣流速度為一個范圍值。種子懸浮的臨界氣流速度可以通過試驗測得,通過懸浮試驗測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。3數值模擬試驗3.1幾何模型建立環(huán)境幾何模型的建立和網格的劃分方式在分析過程中起關鍵性作用,ANSYSWorkbench集成工作環(huán)境提供了幾何模型建立、網格劃分和有限元分析的集成環(huán)境。根據吸種孔的結構尺寸在DesignModeler模塊建立吸孔的三維模型,在Meshing模塊對吸孔三維模型進行網格劃分,網格劃分方法可選擇Fluent和CFX方法,本文中選用Fluent求解器則選擇Fluent方法進行網格劃分,對吸孔部分表面網格劃分為0.05mm2。3.2吸孔仿真模型模型邊界條件設定和求解在ANSYS12.0/Fluent中進行,仿真分析時對吸孔模型作如下假設: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)假設負壓氣室內部負壓均勻一致,只對一個吸孔進行數值仿真研究。吸孔入口邊界條件設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為壓力出口邊界條件,負壓值等于負壓氣室的負壓值。吸孔的出入口邊界條件為壓力遠場邊界條件,邊界條件直接施加于吸孔不符合真實狀態(tài),為有效近似無限遠處的條件,邊界條件施加于距吸孔10倍直徑的距離處。求解時湍流模型選擇k-e模型,定義最大運算步數為200,收斂條件為10-4。3.3數值模擬試驗方案負壓氣室和吸孔結構形式對吸孔吸種性能和堵塞影響較大,選擇負壓、孔徑、吸孔導程和吸孔結構形式為四個因素,各因素水平如表1所示,數值模擬試驗按L9(34)正交試驗表安排。3.4uen計算結果的后處理按四因素三水平正交試驗進行9組數值模擬試驗,Fluent計算結果后處理在CFD-Post中進行。吸孔最大吸種距離和吸孔最大氣流速度仿真計算結果如表2所示,吸孔的氣流場速度分布或等速面分布如圖3所示。3.5室吸孔導程選擇吸孔導程進行單因素數值模擬試驗,取氣室負壓17.6kPa、吸孔孔徑為1mm、吸孔形式為直孔,吸孔導程變化范圍為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系,由ANSYS12.0/Fluent計算不同導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個不同導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過程中,通過換用不同真空度的漩渦氣泵來實現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。試驗結果表明吸孔真空度增加對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,可以組合成不同導程和孔型的吸種孔,試驗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板,內板厚度5mm,內板上開8mm大孔,孔中心與表面吸種板吸種中心重合組合成沉孔。試驗過程中如果種箱中水稻種子靜止不動,吸孔空穴率極大,當吸種板貼近種子面時只有部分吸孔能吸附種子,空穴率在80%以上。通過振動裝置當種子在種箱中作“沸騰”狀上下振動時,在吸種板貼近種子面1~2mm時吸附效果最好。選擇2種直徑3種導程的吸孔進行吸種試驗,負壓源選擇最大風壓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堵塞的堵塞率。每組試驗做3次以上,試驗結果表明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程為1.5mm時的0.15%降低到吸種孔導程為0.5mm時的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程為1.5mm時的0.13%降低到吸種孔導程為0.5mm時的0.06%。5黃秋葵種子吸種導程對吸種距離和吸孔速度的影響對數值仿真結果表2進行直觀分析可得,影響吸孔最大氣流速度4個因素的極差分別為RA=68.78、RB=1.11、RC=5.26和RD=19.48,因此因素對吸孔最大氣流速度影響的主次關系依次為氣室負壓、吸孔形式、吸孔導程和孔徑,吸孔最大氣流速度的因素組合為A3B1C3D2,其中孔徑和吸孔導程為次要因素;影響吸孔最大吸種距離的4個因素的極差分別為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系為氣室負壓、孔徑、吸孔形式和吸孔導程,吸孔最大吸種距離最大的組合為A3B2C1D3或A3B3C1D3,其中吸孔導程為次要因素。吸種孔的孔徑對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,與現有文獻中吸種孔徑對吸種質量影響為主要因素存在差異,主要原因分析為,數值模擬試驗中選擇的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,否則吸孔過大響應的重吸率將會增大達不到單粒播種的目的。由圖4可得吸孔導程變化對吸孔最大氣流速度的影響很小,12組不同導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為2.23%。由圖5吸孔導程的變化范圍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組不同導程的吸孔的最大吸種距離之間變異系數為8.15%。由室內試驗結果可發(fā)現吸種孔導程的變化對空穴率和重吸率的影響較小,減小吸種孔導程,吸孔堵塞率有下降趨勢。由于水稻小枝梗等雜質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的最大吸附距離較大,因此水稻小枝梗等雜質更容易較水稻種子先吸附。由圖3還可得出,當吸孔導程減小到0.1mm時,吸孔的最大氣流速度已在吸孔外部。此時吸孔外部的吸力比吸孔內部吸附力更大,因此,吸孔導程縮短助于水稻小枝梗等雜質順利通過吸孔,與試驗結果較吻合。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,仿真結論與室內試驗時吸種板貼近種子面1~2mm時吸附效果最好相吻合,此時空穴率小于5.6%。當種子在種箱中靜止時,吸盤貼附在種子面上吸種時,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致吸孔動負壓不足。6吸種孔結構形式的選擇氣室負壓和吸孔形式是影響吸孔吸種性能的主要因素,吸種孔導程變化對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壓17.6kPa、孔徑1mm、吸孔導程1.5mm和內側倒角30°型吸孔,吸孔最大吸種距離最大的組合為氣室負