小粒径气力滚筒式排种器结构优化与排种轨迹模拟

摘要

小粒径种子作物在我国作物种植中有着重要的地位。发展和提高小粒径种子作物机械化播种水平是现代农业技术体系建设的重要组成部分，对于促进小粒径种子作物播种规模化以及增强其竞争力具有十分重要的意义。目前，我国各类小粒径种子作物播种面积已达17000khm2，其中油菜播种面积超过7000 khm2。这些小粒径种子播种方式多以人工或半机械化作业为主，存在着生产效率低、劳动强度大、作业成本高、种子用量大、田间管理用工量大等不足。
　　结合油菜播种的农艺要求，设计一款小粒径气力滚筒式排种器，排种滚筒直径为200mm，厚度为2.5mm，宽度为45mm，额定转速为15r/min；排种孔直径为1.3mm，数量为30，孔型为窝眼型；气室体架中，气室宽度为30mm，气室厚度外径190mm，内径为130mm，负压室结构为横向变截面马蹄型负压室，正压室结构为40°扇形结构，负压出气口直径为15mm，正压进气口直径为15mm；排种管上端为漏斗型，下端为空心管，空心管直径为40mm，壁厚2mm；种箱通过紧固件固定在气室体架上。
　　利用有限元分析软件ANSYS Workbench的流体分析模块对小粒径气力滚筒式排种器的结构分析并优化。结果显示，影响负压室压强的主次因素依次是出气孔直径、排种孔数量、负压区结构，当排种孔数量为40，负压区结构为横向变截面、出气孔直径为15mm时，可以在同等气泵功率下，获得最低排种孔压强；影响正压室压强的因素主次依次为排种孔数量、负压室结构、正压出气口直径，当排种孔数量为20、正压区结构为B、进气口直径为15mm时为正压室最优方案；窝眼型排种孔拥有良好的吸种性能和排种性能，并在刮种时，由于其独特的结构，能降低播种重播率和漏播率。
　　通过MATLAB软件分析排种过程力学模型。得出当投种角度为1.2566（72°）、压强在10～15Pa和投种角度为1.3352（76.5°）、压强在10～20Pa时，种子排出排种滚筒后，不碰撞排种管导管壁。针对排种管道的结构特性，将其简化成2D模型，利用ANSYS-FLUENT对排种管流场和排种轨迹进行分析，流场分析结果显示一个周期内（0～0.12s），排种管内流场时刻变化的，其回流的产生主要在主要在排种管上端左右两侧，并对排种轨迹有一定影响；排种轨迹分析结果显示，在选取的阈值范围内的一组投种角度和压强数据下，排种轨迹不碰撞导管壁，过程稳定，当选取值在阈值范围外时，运动轨迹杂乱不稳，说明MATLAB软件分析的阈值结果可行。
　　通过对小粒径气力滚筒式排种器结构的有限元分析，确定其结构及分析方法，为其他气力式排种器的研究提供依据。采用MATLAB软件对排种轨迹影响因素阈值确定和ANSYS-FLUENT软件对阈值因素进一步模拟确认的方法，为同类型轨迹问题分析提供参考。本文针对小粒径气力滚筒式排种器的研究对此种排种器的应用和推广具有重要意义。

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附表清单

1 绪论

1.1选题依据及研究意义

1.2国内外研究现状与发展趋势

1.3 研究内容及技术路线

1.4 结论

2 小粒径气力滚筒式排种器的设计研究与分析

2.1 小粒径气力滚筒式排种器的结构及工作原理

2.2 排种器的力学分析

2.3 排种器的性能影响因素分析

2.4 排种器主要部件的设计

2.5 结论

3 排种器结构流体分析

3.1 ANSYS Workbench软件介绍

3.2 流体分析理论

3.3 负压区气流场仿真分析

3.4 正压区气流场仿真分析

3.5 排种孔气流场仿真分析

3.6 结论

4 排种器排种轨迹耦合分析

4.1小粒径气力滚筒式排种器排种的主要参数阈值确定

4.2 基于ANSYS-FLUENT模拟种子运动轨迹

4.3 结论

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

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在读期间主要科研成果