穴盘立式取苗器气动取苗系统的设计研究

摘要

新疆的番茄生产能力约占全国的90％、出口量占世界贸易总量的1/4，已经成为了继美国、意大利之后的世界第三大番茄制品生产和出口基地。年季热量资源的不稳定的气候特征是制约新疆作物产量的一个重要因素，在终霜后进行穴盘苗移栽，可减少自然灾害的影响，对气候具有补偿作用。传统手工取苗的大田移栽农艺过程劳动强度大、生产效率低、难以实现大面积作业。因此，实现穴盘苗作物移栽自动化取苗成为必然的发展趋势。本文针对当前自动取苗机械中存在的漏苗和伤苗等问题，提出了基于穴盘立式取苗器的气动取苗系统，在进行理论分析后设计了其关键部件，对气动系统的重要结构进行了流场分析，并制作了物理样机进行相关试验研究。
　　本文首先进行了射流冲击取苗机理的研究。试验测定了钵苗在不同含水率条件下所需破结力的大小；完成了对于气动取苗三阶段中钵苗的动力学分析及数学建模；构建出钵苗的理想化模型及划分了腔内流场边界；求解出投苗初速度的参数方程，找到影响投苗初速度的各因素并利用数学分析软件MATLAB逐一进行了分析，得到如下结论：喷嘴气流初压强是影响投苗初速度的最关键因素，其次紊流系数、穴盘倾角、喷射距离及喷嘴半径均对投苗初速度均有一定的影响，可以通过对于环境变量及气动参数的控制来实现零速投苗的理想状态。证明了零速投苗的理想投苗方式的可行性。
　　然后利用三维建模软件SolidWorks对于气动取苗系统进行了总体设计，完成了对于取苗机构、气动系统、控制模块等主要工作部件的设计和选型。设计了用于储气贮压的气罐结构，并通过控制模块的实际需求选择了主控芯片LPC1114及电磁阀3V330C-10B，设计了控制模块电路原理图、PCB版及调试程序。
　　利用流场仿真软件Fluent对于两种不同结构的储气罐内腔进行流场均匀性分析，得出流场内气压分布云图，通过比较具体参数，确定最佳的储气罐内腔结构；随后通过模拟亚音速下不同速度气流射入穴孔内的流场状态，对于气流初始压强与终了压强的的数值进行了统计分析得到结论：终了压强与初始压强近似呈正比例关系。该结论为零速投苗理论的可行性再次提供了证明。
　　最后设计了基于穴盘立式取苗器的气动取苗系统试验台，对影响取苗效果的因素进行三因素四水平正交试验，经统计学分析软件SPSS处理整合分析后得出相关试验数据，确定了最佳工作参数，即喷嘴气流初压强为0.2MPa，穴盘倾角90°，喷嘴半径2.5mm，为后续番茄自动移栽机有序投苗系统的结构改进和参数优化提供了参考依据。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 课题研究的目的及意义

1.3 自动取苗技术研究的现状分析

1.4本课题主要的研究内容和研究目标

1.5技术路线

1.6本章小结

第二章 射流冲击取苗机理的研究

2.1钵苗的物理特性

2.2气动取苗过程的钵苗受力情况分析

2.3构建钵苗的理想化模型及腔内流场边界划定

2.4 钵苗射流冲击过程的数学建模及动力学分析

2.5影响投苗初速度的各因素的分析

2.6本章小结

第三章 气动取苗系统的设计

3.1引言

3.2气动取苗系统的基本结构和工作原理

3.3主要工作部件的设计及选型

3.4本章小结

第四章 气动取苗系统核心部件的流场特性分析

4.1 引言

4.2计算流体力学基本控制方程

4.3储气气罐内流场的数值模拟及流场均匀性分析

4.4破结后单穴孔腔内区域气流始末压强的数值模拟及流场分析

4.5本章小结

第五章 取苗性能的试验研究

5.1试验目的

5.2试验设备和材料

5.3试验因素的选择

5.4气动取苗试验方案设计

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

附录

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