气吸振动盘式排种装置工作过程分析与研究

龚智强，陈　进，李耀明，赵　湛

(1.巢湖学院 机械与电子工程学院，合肥　238000；2.江苏大学 a.机械工程学院；b.农业装备工程学院，江苏 镇江　212013)



气吸振动盘式排种装置工作过程分析与研究

龚智强1，陈进2a，李耀明2b，赵湛2b

(1.巢湖学院 机械与电子工程学院，合肥238000；2.江苏大学 a.机械工程学院；b.农业装备工程学院，江苏 镇江212013)

摘要：对气吸振动盘式精密排种装置吸、排种过程进行了研究，分析了携种过程中种子颗粒受力，建立了受力模型，推导出带动吸种盘运动的机械手动力学特性要求：随着负压值的增大，机械手临界加速度增加；长度方向吸附的种子最容易发生掉落，机械手设计时应满足长度方向不发生掉落的条件。同时，建立了种子颗粒与吸种盘的碰撞运动数学模型，得出种子颗粒不被碰离吸种盘面板的弹回临界速度与负压值的关系。结果表明：随着负压值增大，种子颗粒弹回临界速度增加；长度方向碰撞的种子最容易发生弹回掉落，当碰撞弹回速度大于临界弹回速度时，种子将脱离气流场约束并弹离吸孔。

关键词：排种装置；气吸与振动；运动建模；受力分析

0引言

气吸振动盘式排种装置通过振动激励使振动种盘内种群产生“沸腾”运动[1-3]，以便气力吸种部件完成吸种过程，再通过机构带动吸种盘从吸种位置运动到排种位置进行排种。工作过程中，振动种盘的振动频率、振幅及振动种盘内种层厚度都与种群运动存在密切联系并影响播种性能[4-6]，且带动吸种盘的机构运动影响其工作效率及携种过程的稳定性。

种子被吸附在吸种盘面板吸孔上，机械手带动吸种盘运动进入携种区，机械手的运动速度越大，排种装置生产效率越高。从提高生产效率方面考虑，应增大机械手运动速度，这将增加种子所受到的惯性力。当种子受到惯性力过大时，被吸附的种子可能发生掉落，因此需对携种状态下种子颗粒受力进行分析，得出携种过程机械手运动加速度与种子被稳定吸附真空负压值的关系。研究种子与吸种盘的碰撞运动，建立碰撞运动数学模型，得出种子颗粒不被碰离吸种盘面板的弹回临界速度与真空负压值的关系，可为后续颗粒离散元仿真参数选择和试验分析提供理论依据。

1携种过程种子受力分析

将超级稻种子颗粒简化为椭球形的刚体，不考虑种子变形[7]。当种子被吸附时，通过力的合成与分解将种子受力简化到其中心所在平面。种子的吸附姿态多样，可分为高度方向、宽度方向、长度方向、倾斜及双粒等形式，如图1所示。

图1　超级稻种子吸附姿态

平面任意力系的平衡条件为

(1)

被吸附的种子随吸种盘运动，种子具有和吸种盘相同的加速度a，种子受到惯性力为Fm。根据理论力学知识，携种状态下高度方向和宽度方向吸附时种子颗粒受力如图2所示。

根据超级稻常优3号基础物理特性，设置高度方向吸附的携种状态下种子颗粒受力参数, 求得高度方向受力为

Fm=0.41(p-mg)

(2)

设置宽度方向吸附的携种状态下种子颗粒受力几何参数,求得宽度方向受力为

Fm=0.51(p-mg)

(3)

设置长度方向吸附的携种状态下种子颗粒受力几何参数,求得长度方向受力为

Fm=0.66(p-mg)

(4)

根据Fluent数值模拟倾斜吸附的携种状态种子颗粒受力发现[8-9]：气流作用力集中在吸孔周围的颗粒上半部，种子颗粒下半部受到气流作用力几乎为0。假定气流作用力的作用点为吸孔中心线与种子中心线的交点，倾斜方向种子颗粒受力如图2(c)所示，设置倾斜方向吸附的携种状态下种子颗粒受力几何参数, 求得倾斜方向受力为

Fm=0.22p+0.03mg

(5)

种子被吸孔吸附后阻碍了气流流动，进气面积急剧减少，局部速度增大，压力相应上升。种子被吸种盘吸附前后，吸种盘存在压力差。结合试验统计分析(见图3)，为便于仿真，假定种子被吸附的姿态比例为高度方向：宽度方向：长度方向：倾斜=3：2：1：1，选择超级稻种子常优3号，建立携种状态三维模型，如图4所示。

图2　种子颗粒受力图

图3　种子吸附状态

图4　携种过程气流场仿真模型

采用Fluent数值模拟吸种盘携种过程不同吸附姿态的种子受到气流吸附力P，结果如表1所示。

表1种子颗粒吸附力仿真结果

Table 1Simulation results of seed particles force in the carrying seeds process

序号携种时负压值/kPa携种姿态/mm2平均吸附力/N14.52.4高度方向(17.357)0.0118536424.53.4宽度方向(12.252)0.0071891534.56.5长度方向(6.409)0.0022950944.5倾斜0.0087577755.52.4高度方向(17.357)0.0144801465.53.4宽度方向(12.252)0.0087830375.56.5长度方向(6.409)0.0028025785.5倾斜0.0107048496.52.4高度方向(17.357)0.01710791106.53.4宽度方向(12.252)0.01037682116.56.5长度方向(6.409)0.00330984126.5倾斜0.01264607

在携种过程中，被吸附的种子随机械手一起运动，将表1结果代入到上面携种过程相应的种子受力模型，可得出机械手的临界加速度随真空负压值的变化曲线，如图5所示。

图5　机械手临界运动加速度随真空负压值的变化

由图5可看出：随着真空负压值的增大，机械手的临界加速度逐渐增加。在真空负压值一定的条件下，机械手的临界加速度由大到小排序为高度方向吸附、宽度方向吸附、倾斜方向吸附、长度方向吸附。其中，长度方向吸附的种子最容易发生掉落，故机械手设计时可仅考虑长度方向不发生掉落的条件：Fm≤0.66(p-mg)。在4.5kPa携种状态下，长度方向吸附的种子对应机械手的临界加速度为40.051m/s2。由以上结果可知：种子颗粒稳定吸附在吸孔上的携种过程所需真空负压值比吸附种子过程所需真空负压值要小，可按照吸种过程来设计真空负压值。

2排种过程种子受力分析

当机械手携带种子到达排种位置时，通过控制器控制一组两位三通电磁换向阀实现正负气压的转换，采用Fluent数值模拟排种时种子受到的气流作用力。边界条件设置：吸种盘气源接口处为流量进口(流量为携种过程仿真模拟所得到的流量值)、吸种盘与大气相连处为自由出流。仿真结果如表2所示。

表2　排种过程种子颗粒受力仿真结果

续表2

从表2可看出：在排种过程中，种子受到正压吹力随真空负压值的增大而增大，其宽度方向受到吹力最大，长度方向受到吹力最小。当正压吹种力大于摩擦力时，卡在气孔中的种子颗粒可以被气流吹落，故可以通过正压气流作用力进行清种，并有效防止吸孔堵塞。

3种子颗粒与吸种盘碰撞运动分析

种子颗粒与吸种盘的碰撞关系复杂，碰撞形式可分为高度方向、宽度方向、长度方向及倾斜等。下面分析高度方向、宽度方向、长度方向这3种典型碰撞运动：种子受到气流作用力P、重力G，假设种子碰撞瞬间弹回速度为v0，种子颗粒碰撞运动简化为如图6所示。

图6　种子颗粒与吸种盘碰撞运动示意图

种子颗粒运动加速度为

(6)

可得

(7)

由式(7)变换可得

(8)

当x3∈(0, 0.5)时，种子处于吸孔附近，种子颗粒影响气体流动，吸孔周围进气面积减少，吸种盘出口压力上升。由于x3距离较小，假设种子做匀加速运动，种子受到流体作用力P为Y1，可得

(9)

当x3∈(0.5, 1.5)时，种子对气体流动影响较小，种子做变加速运动，种子受到流体作用力P为Y2。根据前面研究建立的气流场中种子颗粒受力模型[4]，可得

0.000134x12+0.000835x32-0.000446x1x3+

0.000032x1x4+0.000194x2x3-0.000077x3x4-mg)

(10)

假设种子颗粒与吸种盘碰撞前速度大小为v，取种子与吸种盘的碰撞恢复系数为0.5，根据碰撞关系可得

v0=0.5v

(11)

由式(8)可得

(12)

(13)

将式(9)和式(10)代入(13)可得

0.00016x1x4-0.5mg+

0.00002425x2-0.00009625x4)

(14)

根据Flunnt模拟种子颗粒受力结果，将相应的数值代入式(14)，可得种子颗粒不被碰离吸种盘面板的弹回临界速度与负压值的关系如图7所示。

图7　种子颗粒碰撞弹回临界速度随真空负压值的变化

由图7可看出：随着真空负压值的增大，种子颗粒弹回临界速度增加。在相同压力条件下，种子颗粒弹回临界速度由大到小排序为高度方向碰撞、宽度方向碰撞、长度方向碰撞，而长度方向碰撞的种子最容易发生弹回掉落。当碰撞弹回速度大于最小临界弹回速度时，种子将脱离气流场约束并弹离吸孔。在3kPa时，种子颗粒长度方向碰撞弹回临界速度为0.148m/s，种子碰撞前的速度满足v=2v0≤0.296m/s时种子颗粒才不会发生弹回掉落。因此，在吸种过程应合理设计种群振动激励运动与吸种盘位置之间的关系，并满足长度方向碰撞不发生碰撞弹回的条件。

4结论

1)随着真空负压值的增大，机械手临界加速度增加。长度方向吸附的种子最容易发生掉落，故机械手设计时可仅考虑长度方向不发生掉落的条件：Fm≤0.66(p-mg)。在4.5kPa携种状态下，长度方向吸附种子对应的机械手临界加速度为40.051m/s2。

2) 随着真空负压值的增大，种子颗粒弹回临界速度增加。长度方向碰撞的种子最容易发生弹回掉落。当碰撞弹回速度大于最小临界弹回速度时，种子将脱离气流场约束并弹离吸孔。在3kPa时，种子碰撞前的速度满足v≤0.296m/s时种子颗粒才不会发生弹回掉落。

参考文献：

[1]李耀明,赵湛,陈进.种群空间分布状态对排种器吸种性能的影响[J].江苏大学学报,2009,30(6):559-563.

[2]陈进,李耀明.气吸振动式播种试验台内种子运动规律的研究[J].农业业机械学报,2002,33(1):47-50.

[3]Zhao zhan, Li Yaoming, Liang Zhenwei, et al.DEM simulation and physical testing of rice seed impact against a grain loss sensor[J].Biosystems Engineering，2013,116(4):410-419.

[4]龚智强,陈进,李耀明,等.吸盘式精密排种装置吸种过程气流场中种子受力研究[J].农业机械学报， 2014,45(6):92-97.

[5]许剑平,谢宇峰,徐涛.国内外播种机械的技术现状及发展趋势[J].农机化研究,2011，33(2):234-237.

[6]杨望,杨坚,周晓蓉,等.电磁振动排种器振动系统参数的确定[J].农机化研究,2009,31(2):47-50.

[7]张红生. 种子学[M]. 北京: 科学出版社, 2010.

[8]孔珑. 两相流体力学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004.

[9]李鹏飞, 徐敏义, 王飞飞. 精通CFD工程仿真与案例实战: FLUENT GAMBIT ICEM CFD Tecplot[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2011.

Research and Analysis of Vacuum-vibration Tray Seeding Device’s Seeding Process

Gong Zhiqiang1, Chen Jin2a, Li Yaoming2b, Zhao Zhan2b

(1.School of Mechanical and Electronic Engineering, Chaohu University, Hefei 238000, China; 2.Jiangsu University a.School of Mechanical Engineering；b. School of Agricultural Equipment Engineering, Zhenjiang 212013, China)

Abstract：Study the vacuum-vibration tray precision seeding device’s seeding process, analysis seed particle force and build the seed particle force model, get the dynamic characteristics of suction disc movement requirements. With the increasing of pressure, the critical acceleration of manipulator increases. Seed most easily falling at the length of seed adsorption, manipulator design should satisfy the length direction falling condition that does not occur. Study on seed particles and suction plate collision movement, establishing collision motion model, get the relationship between seed particles is not touched off the bounce of critical velocity and negative pressure suction panel values. With the pressure increase, the critical velocity of seed particles increase. The length of seed is most likely to occur collision bounce off, when the impact velocity is greater than the critical speed, the seed will be out of flow field constraints and bounce off suction hole.

Key words：seeding device； vacuum-vibration； kinematics modeling； force analysis

中图分类号：S223.2；S220.3

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)12-0030-05

作者简介：龚智强(1983-),男，江西宜春人，讲师，博士，(E-mail) gzhq2008@126.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51305169)；安徽省高等学校自然科学研究重点项目(KJ2015A246);巢湖学院博士科研启动资助项目(KYQD—201403)；巢湖学院校级科研项目(XLY—201403)

收稿日期：2015-10-28