气吸式排种器的吸附性能分析与试验研究

杨小东，唐火红，李　露，孔令成，贾洪铎

(1.合肥工业大学 机械与汽车工程学院，合肥　230009；2.中国科学院 常州先进制造技术研究所，江苏 常州　213164)



气吸式排种器的吸附性能分析与试验研究

杨小东1，唐火红1，李露2，孔令成2，贾洪铎1

(1.合肥工业大学 机械与汽车工程学院，合肥230009；2.中国科学院 常州先进制造技术研究所，江苏 常州213164)

摘要：以分子技术自动化育种设备的气吸式排种器为对象，使用ANSYS Workbench软件，运用正交试验原理对影响吸嘴吸附力的真空度、吸嘴孔径、入口锥角、种子与吸嘴距离4个因素进行仿真试验研究。根据数据统计结果分析了3种出气口位置对各吸嘴吸附力的影响，并在试验样机上对结果进行验证。结果表明：影响因素从主到次为种子与吸嘴距离、真空度、吸嘴孔径、入口锥角；种子与吸嘴的距离为主要影响因素，其他3个因素影响并不显著；出气口的3种布置方式中，当出气口距汇流管两端距离为170mm时，各吸嘴吸附力分布均匀且平均值最大。

关键词：排种器；吸嘴；吸附性能；出气口；仿真

0引言

分子技术自动化育种设备采用机器人技术进行种子的送料、定位、分拣、存储，完成种子的微创取样和DNA快速提取[1]。首个步骤送料是由气吸式排种器完成，关系到后续种子微创取样的准确性和DNA检测的可靠性，故排种器的设计对于分子技术自动化育种设备具有关键作用。根据设计要求，排种器需将种子进行有序等间距排列，且不能出现重种现象。气吸式排种具有对种子尺寸要求不高、不伤种、通用性强、吸附率高及单粒吸种率高等优点[2-3]，故多采用气吸式排种方式。气吸式排种器由汇流管和若干吸嘴组成，吸嘴是气吸式排种器的关键部件。现有的理论研究表明：吸嘴形状、孔径、真空度是影响吸嘴吸附性能的关键因素[4-7]；但多数只对其中影响因素之一进行探索，未能考虑各因素的综合作用效果和影响的强弱，单凭吸嘴处气流的流速不能准确判断种子的受力情况。

考虑到气吸排种流场环境复杂，本文以自行设计的气吸式排种器和黄豆为研究对象，以ANSYS Workbench的CFX模块为工具，采用正交试验原理分析了吸嘴孔径、真空度、吸嘴锥角及种子与吸嘴距离4个因素对吸嘴吸附力的影响，分析了出气口位置对各吸嘴吸附力的影响，并依据仿真试验结论改良了试验样机。试验结果表明，该样机吸种性能良好。

1理论分析模型

针对排种器流场进行有限元分析，要求解质量守恒、动量守恒和能量守恒方程。排种器存在弯曲壁面且流体域截面发生变化，流场处于湍流状态，需要选择相应的湍流模型[8]。

质量守恒方程为

(1)

式中ρ—流体密度；

t—时间；

ui—速度张量；

xi—坐标张量。

动量守恒方程为

(2)

式中ρ—流体密度；

uj—速度张量；

xj—坐标张量；

ρgi—重力体积力；

p—静压；

Fi—重力体积力和其他体积力；

τij—应力张量。

(3)

k-Epsilon两方程湍流模型的适用范围广、精度合理，故采用k-Epsilon两方程湍流模型，有

(4)

(5)

式中k—湍动能量；

ε—耗散率；

Gk—平均速度梯度引起的湍动能产生项；

Gb—浮力影响产生的湍动能产生项；

YM—可压缩湍流能脉动膨胀对总的耗散率的影响；

σk、C1ε、C2ε、C3ε—常系数；

2吸嘴流场仿真试验

种子被吸附是受到流场中流体阻力的作用，理论研究表明流体阻力可表示为[9]

(6)

式中Cd—球形颗粒阻力系数；

A—颗粒迎风面积；

di—吸孔直径；

α—吸嘴锥角；

x—种子中心与吸孔的距离；

vi—吸孔中心流速。

由式(6)可以看出：种子所受吸附力与吸嘴孔径di、吸嘴锥角α、种子与吸嘴的距离x、吸孔中心流速vi有关[10]，各因素如图1所示。

由伯努利方程可知：吸孔中心流速vi由真空度决定，考虑到现实调整中吸孔中心流速vi不便测定，故以真空度为研究因素。

2.1参数设计与仿真前处理

CFX是ANSYS Workbench中用于流体仿真的模块之一，为简化仿真试验参数设定并尽可能模拟吸种流场，特做以下假设：①吸嘴进气口流速均匀；②在壁面上施加无滑移边界；③气流速度远大于种子运动速度，认为种子相对于吸嘴位置不变；④因黄豆球形度较高，故作球体考虑。

图1　吸嘴结构示意图

根据相关研究：吸嘴孔径为种子直径的0.5～0.7倍吸附效果较好[11]，故吸嘴孔径取3.5、4、4.5mm 3个水平；吸嘴入口锥角为90°时获得最大保持力[12]，，故锥角取120°、90°、60°3个水平；参考玉米、高粱等作物气吸式播种所需气压为20～30kPa[13]，真空度取30、20、10kPa3个水平。当真空度为30kPa左右时，种子球心与吸嘴距离为5.5mm吸附力较好[14]，故取5.5、7、8.53个水平。各因素及水平如表1所示。

表1　正交试验因素水平表

使用SolidWorks建立三维模型，为模拟周围气体流场将吸嘴外流体域进行扩大，导入ANSYS Workbench中使用CFX模块进行分析。当因素A、B、C、D取水平1时的流体域和种子实体模型如图2所示。

在CFX-Pre中前处理设定如下：入口边界条件为inlet，压力为标准大气压101kPa；出口边界条件为outlet，压力为71kPa；种子与流体域接触类型为Fluid Solid；流体域其他表面定义为wall；湍流模型为k-Epsilon两方程模型。

将其他试验组合做相应建模和前处理，在CFX模块中进行分析。

图2　流体域与种子实体模型

2.2试验结果及数据处理

计算完成后，在CFD-Post的Solution Report中查看流体域与种子接触表面在Y轴上的受力，并对每组试验结果进行数据处理，结果如表2、表3所示。

表2　试验结果偏差分析

表3　试验结果方差分析

续表3

2.3试验结果分析

由表2可知，最佳组合为A3B1C1D1。图3为此组合的流速分布矢量图，可以看出：种子与吸嘴之间流速变化梯度较大，则流体阻力即吸附力较大，仿真结果中种子所受吸附力为0.023 37N；极差RD>RB>RA>RC，故影响种子受力的因素从主到次顺序为：种子与吸嘴距离、真空度、吸嘴孔径、吸嘴入口锥角；RA、RC相差不大，说明A、C因素的影响大小相似，在此试验参数设定下A比C影响略大。

图3　流速分布矢量图

表3方差分析中，FD>F0.01>FB> FA> FC，说明种子距离对吸附力的影响很明显，相比之下其他3个因素影响都不显著。

3汇流管的出气口布置分析

吸嘴安装在汇流管上且沿汇流管等间距布置，吸嘴处的负压是由汇流管的出气口连接风机形成，故两个出气口的位置会影响吸嘴的吸附力，并影响各吸嘴吸附力的相对大小。所以，要对出气口的位置与种子所受吸附力之间的关系进行分析。

3.1试验建模与前处理

为节省运算内存和时间，在SolidWorks中简化模型后导入ANSYS Workbench中，分别设定出气口距汇流管两端的距离为80、170、260mm，如图4所示。

根据吸嘴流场仿真试验，设定出气口的真空度为变量，吸嘴其余因素取A3C1D1：孔径取4.5mm，锥角取120°，种子与吸嘴距离取5.5mm。在CFX-Pre中进行前处理设置：入口边界条件为inlet，压力为标准大气压101KPa；出口边界条件为outlet，压力为81KPa；8个种子表面与流体域接触表面接触类型分别定义为Fluid Solid；其他流体域表面定义为wall；将湍流模型设置为k-Epsilon两方程模型；最大迭代次数设为60。

①180mm　②170mm　③260mm

3.2试验数据处理

按图4所示对吸嘴编号，为更直观地比较每组出气口位置的吸嘴吸附力分布，将1～8号吸嘴吸附力列入折线图中，如图5所示。

图5　吸附力对比折线图

为便于统计，每组数据计算平均值、标准差、极差后扩大105倍，如表4所示。

表4吸附力数据处理

Table 4Data processing for adsorption force

距离/mm平均值x-标准差s极差r80767.215.941.2170770.29.929.7260761.711.134.8

3.3试验结果分析和结论

从表3和图4可知：当出气口距汇流管两端距离为170mm时，折线分布于较高位置，且平均值最高，表明此位置吸嘴吸附力最强；折线相对波动较小，且标准差和极差最小，表明8个吸嘴吸附力离散度最小，分布最平衡，最大吸附力与最小吸附力相差最小。图6为出气口距汇流管两端距离为170mm时的气压分布图，可以看出汇流管内气压分布均匀，故各吸嘴的吸附力分布比较平衡，有利于防止丢种现象的发生。

图6　气压分布图

4样机试验

试验所用的气吸式排种器样机如图7所示。

图7　气吸式排种器样机

依据以上仿真试验结论，种子与吸嘴的距离为主要影响因素，分别设置距离为5、6、7、8、9mm进行样机试验。其他因素如下设置：出气口相对于大气压真空度取80kPa，吸嘴锥角取120°，孔径取4.5mm，出气口布置在距汇流管端部170mm位置。试验结果统计曲线如图8所示。

图8　单粒吸种率随种子与吸嘴距离变化的关系曲线

气吸式排种器的样机试验表明：当种子与吸嘴的距离减小时，机构的单粒吸种率逐渐增大，在距离为5左右达到最大值；之后出现单粒吸种率下滑，试验中发现是重种吸附造成，故设计宜取种子与吸嘴的距离为5mm。

5结论

1)影响种子所受吸附力的因素从主到次顺序为：种子与吸嘴距离、真空度、吸嘴孔径、吸嘴入口锥角；正交试验得出最佳组合为A3B1C1D1。结果表明：此时种子与吸嘴之间流速变化梯度较大，流体阻力即吸附力大。

2)种子与吸嘴的距离为影响吸嘴吸附力的主要因素，其他3因素与种子和吸嘴的距离相比影响并不明显，且吸嘴孔径、吸嘴入口锥角的影响程度相接近且最小。

3)当两个出气孔分别布置在距离汇流管端面170mm时，气管内的气压分布最为均匀，各吸嘴吸附力平均值最大且吸附力分布较平均，能有效防止丢种现象的发生。

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Adsorption Performance Analysis and Experimental Study for Air-suction Seeder

Yang Xiaodong1，Tang Huohong1，Li Lu2，Kong Lingcheng2，Jia Hongduo1

(1.School of Mechanical and Auto Engineering of HFUT, Hefei 230009, China; 2.Changzhou Institute of Advanced Manufacturing Technology，CAS, Changzhou 213164, China)

Abstract：In the paper, four factors, which affect the suction nozzle adsorption force in the molecular breeding machine, were simulated and experimented by using the orthogonal experimental method. The four factors are vacuum degree, aperture size, cone angle, and the distance between the seeds and suction nozzle. ANSYS Workbench software was used to analyze three different outlet positions with these factors that affected the absorption force of the suction nozzle based on data statistics. The simulation results were verified on the experimental testing-bench. The results showed that the effects on the suction nozzle adsorption force from large to small followed this order: the distance between the seeds and suction nozzle, vacuum degree, aperture size, cone angle. The distance between the seeds and suction nozzle had major efffect, and the other three factors were not significant. When the distance is 170mm between the end of the trachea and the outlet in the three different outlet positions. The suction nozzle adsorption has the best performance.

Key words：air-suction seeder； suction nozzle； adsorption performance； outlet； simulation

文章编号：1003-188X(2016)01-0222-05

中图分类号：S223.1+2

文献标识码：A

作者简介：杨小东(1990-)，男，山东泰安人，硕士研究生，(E-mail)gordonyoung1990@126.com。

基金项目：中国科学院战略性先导科技专项(A类)资助项目(XDA08040109)

收稿日期：2015-01-09