氣吸式排種器的吸附性能分析與試驗研究

楊小東，唐火紅，李　露，孔令成，賈洪鐸

(1.合肥工業大學 機械與汽車工程學院，合肥　230009；2.中國科學院 常州先進制造技術研究所，江蘇 常州　213164)

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氣吸式排種器的吸附性能分析與試驗研究

楊小東1，唐火紅1，李露2，孔令成2，賈洪鐸1

(1.合肥工業大學 機械與汽車工程學院，合肥230009；2.中國科學院 常州先進制造技術研究所，江蘇 常州213164)

摘要：以分子技術自動化育種設備的氣吸式排種器為對象，使用ANSYS Workbench軟件，運用正交試驗原理對影響吸嘴吸附力的真空度、吸嘴孔徑、入口錐角、種子與吸嘴距離4個因素進行仿真試驗研究。根據數據統計結果分析了3種出氣口位置對各吸嘴吸附力的影響，并在試驗樣機上對結果進行驗證。結果表明：影響因素從主到次為種子與吸嘴距離、真空度、吸嘴孔徑、入口錐角；種子與吸嘴的距離為主要影響因素，其他3個因素影響并不顯著；出氣口的3種布置方式中，當出氣口距匯流管兩端距離為170mm時，各吸嘴吸附力分布均勻且平均值最大。

關鍵詞：排種器；吸嘴；吸附性能；出氣口；仿真

0引言

分子技術自動化育種設備采用機器人技術進行種子的送料、定位、分揀、存儲，完成種子的微創取樣和DNA快速提取[1]。首個步驟送料是由氣吸式排種器完成，關系到后續種子微創取樣的準確性和DNA檢測的可靠性，故排種器的設計對于分子技術自動化育種設備具有關鍵作用。根據設計要求，排種器需將種子進行有序等間距排列，且不能出現重種現象。氣吸式排種具有對種子尺寸要求不高、不傷種、通用性強、吸附率高及單粒吸種率高等優點[2-3]，故多采用氣吸式排種方式。氣吸式排種器由匯流管和若干吸嘴組成，吸嘴是氣吸式排種器的關鍵部件。現有的理論研究表明：吸嘴形狀、孔徑、真空度是影響吸嘴吸附性能的關鍵因素[4-7]；但多數只對其中影響因素之一進行探索，未能考慮各因素的綜合作用效果和影響的強弱，單憑吸嘴處氣流的流速不能準確判斷種子的受力情況。

考慮到氣吸排種流場環境復雜，本文以自行設計的氣吸式排種器和黃豆為研究對象，以ANSYS Workbench的CFX模塊為工具，采用正交試驗原理分析了吸嘴孔徑、真空度、吸嘴錐角及種子與吸嘴距離4個因素對吸嘴吸附力的影響，分析了出氣口位置對各吸嘴吸附力的影響，并依據仿真試驗結論改良了試驗樣機。試驗結果表明，該樣機吸種性能良好。

1理論分析模型

針對排種器流場進行有限元分析，要求解質量守恒、動量守恒和能量守恒方程。排種器存在彎曲壁面且流體域截面發生變化，流場處于湍流狀態，需要選擇相應的湍流模型[8]。

質量守恒方程為

(1)

式中ρ—流體密度；

t—時間；

ui—速度張量；

xi—坐標張量。

動量守恒方程為

(2)

式中ρ—流體密度；

uj—速度張量；

xj—坐標張量；

ρgi—重力體積力；

p—靜壓；

Fi—重力體積力和其他體積力；

τij—應力張量。

(3)

k-Epsilon兩方程湍流模型的適用范圍廣、精度合理，故采用k-Epsilon兩方程湍流模型，有

(4)

(5)

式中k—湍動能量；

ε—耗散率；

Gk—平均速度梯度引起的湍動能產生項；

Gb—浮力影響產生的湍動能產生項；

YM—可壓縮湍流能脈動膨脹對總的耗散率的影響；

σk、C1ε、C2ε、C3ε—常系數；

2吸嘴流場仿真試驗

種子被吸附是受到流場中流體阻力的作用，理論研究表明流體阻力可表示為[9]

(6)

式中Cd—球形顆粒阻力系數；

A—顆粒迎風面積；

di—吸孔直徑；

α—吸嘴錐角；

x—種子中心與吸孔的距離；

vi—吸孔中心流速。

由式(6)可以看出：種子所受吸附力與吸嘴孔徑di、吸嘴錐角α、種子與吸嘴的距離x、吸孔中心流速vi有關[10]，各因素如圖1所示。

由伯努利方程可知：吸孔中心流速vi由真空度決定，考慮到現實調整中吸孔中心流速vi不便測定，故以真空度為研究因素。

2.1參數設計與仿真前處理

CFX是ANSYS Workbench中用于流體仿真的模塊之一，為簡化仿真試驗參數設定并盡可能模擬吸種流場，特做以下假設：①吸嘴進氣口流速均勻；②在壁面上施加無滑移邊界；③氣流速度遠大于種子運動速度，認為種子相對于吸嘴位置不變；④因黃豆球形度較高，故作球體考慮。

圖1　吸嘴結構示意圖

根據相關研究：吸嘴孔徑為種子直徑的0.5～0.7倍吸附效果較好[11]，故吸嘴孔徑取3.5、4、4.5mm 3個水平；吸嘴入口錐角為90°時獲得最大保持力[12]，，故錐角取120°、90°、60°3個水平；參考玉米、高粱等作物氣吸式播種所需氣壓為20～30kPa[13]，真空度取30、20、10kPa3個水平。當真空度為30kPa左右時，種子球心與吸嘴距離為5.5mm吸附力較好[14]，故取5.5、7、8.53個水平。各因素及水平如表1所示。

表1　正交試驗因素水平表

使用SolidWorks建立三維模型，為模擬周圍氣體流場將吸嘴外流體域進行擴大，導入ANSYS Workbench中使用CFX模塊進行分析。當因素A、B、C、D取水平1時的流體域和種子實體模型如圖2所示。

在CFX-Pre中前處理設定如下：入口邊界條件為inlet，壓力為標準大氣壓101kPa；出口邊界條件為outlet，壓力為71kPa；種子與流體域接觸類型為Fluid Solid；流體域其他表面定義為wall；湍流模型為k-Epsilon兩方程模型。

將其他試驗組合做相應建模和前處理，在CFX模塊中進行分析。

圖2　流體域與種子實體模型

2.2試驗結果及數據處理

計算完成后，在CFD-Post的Solution Report中查看流體域與種子接觸表面在Y軸上的受力，并對每組試驗結果進行數據處理，結果如表2、表3所示。

表2　試驗結果偏差分析

表3　試驗結果方差分析

續表3

2.3試驗結果分析

由表2可知，最佳組合為A3B1C1D1。圖3為此組合的流速分布矢量圖，可以看出：種子與吸嘴之間流速變化梯度較大，則流體阻力即吸附力較大，仿真結果中種子所受吸附力為0.023 37N；極差RD>RB>RA>RC，故影響種子受力的因素從主到次順序為：種子與吸嘴距離、真空度、吸嘴孔徑、吸嘴入口錐角；RA、RC相差不大，說明A、C因素的影響大小相似，在此試驗參數設定下A比C影響略大。

圖3　流速分布矢量圖

表3方差分析中，FD>F0.01>FB> FA> FC，說明種子距離對吸附力的影響很明顯，相比之下其他3個因素影響都不顯著。

3匯流管的出氣口布置分析

吸嘴安裝在匯流管上且沿匯流管等間距布置，吸嘴處的負壓是由匯流管的出氣口連接風機形成，故兩個出氣口的位置會影響吸嘴的吸附力，并影響各吸嘴吸附力的相對大小。所以，要對出氣口的位置與種子所受吸附力之間的關系進行分析。

3.1試驗建模與前處理

為節省運算內存和時間，在SolidWorks中簡化模型后導入ANSYS Workbench中，分別設定出氣口距匯流管兩端的距離為80、170、260mm，如圖4所示。

根據吸嘴流場仿真試驗，設定出氣口的真空度為變量，吸嘴其余因素取A3C1D1：孔徑取4.5mm，錐角取120°，種子與吸嘴距離取5.5mm。在CFX-Pre中進行前處理設置：入口邊界條件為inlet，壓力為標準大氣壓101KPa；出口邊界條件為outlet，壓力為81KPa；8個種子表面與流體域接觸表面接觸類型分別定義為Fluid Solid；其他流體域表面定義為wall；將湍流模型設置為k-Epsilon兩方程模型；最大迭代次數設為60。

①180mm　②170mm　③260mm

3.2試驗數據處理

按圖4所示對吸嘴編號，為更直觀地比較每組出氣口位置的吸嘴吸附力分布，將1～8號吸嘴吸附力列入折線圖中，如圖5所示。

圖5　吸附力對比折線圖

為便于統計，每組數據計算平均值、標準差、極差后擴大105倍，如表4所示。

表4吸附力數據處理

Table 4Data processing for adsorption force

距離/mm平均值x-標準差s極差r80767.215.941.2170770.29.929.7260761.711.134.8

3.3試驗結果分析和結論

從表3和圖4可知：當出氣口距匯流管兩端距離為170mm時，折線分布于較高位置，且平均值最高，表明此位置吸嘴吸附力最強；折線相對波動較小，且標準差和極差最小，表明8個吸嘴吸附力離散度最小，分布最平衡，最大吸附力與最小吸附力相差最小。圖6為出氣口距匯流管兩端距離為170mm時的氣壓分布圖，可以看出匯流管內氣壓分布均勻，故各吸嘴的吸附力分布比較平衡，有利于防止丟種現象的發生。

圖6　氣壓分布圖

4樣機試驗

試驗所用的氣吸式排種器樣機如圖7所示。

圖7　氣吸式排種器樣機

依據以上仿真試驗結論，種子與吸嘴的距離為主要影響因素，分別設置距離為5、6、7、8、9mm進行樣機試驗。其他因素如下設置：出氣口相對于大氣壓真空度取80kPa，吸嘴錐角取120°，孔徑取4.5mm，出氣口布置在距匯流管端部170mm位置。試驗結果統計曲線如圖8所示。

圖8　單粒吸種率隨種子與吸嘴距離變化的關系曲線

氣吸式排種器的樣機試驗表明：當種子與吸嘴的距離減小時，機構的單粒吸種率逐漸增大，在距離為5左右達到最大值；之后出現單粒吸種率下滑，試驗中發現是重種吸附造成，故設計宜取種子與吸嘴的距離為5mm。

5結論

1)影響種子所受吸附力的因素從主到次順序為：種子與吸嘴距離、真空度、吸嘴孔徑、吸嘴入口錐角；正交試驗得出最佳組合為A3B1C1D1。結果表明：此時種子與吸嘴之間流速變化梯度較大，流體阻力即吸附力大。

2)種子與吸嘴的距離為影響吸嘴吸附力的主要因素，其他3因素與種子和吸嘴的距離相比影響并不明顯，且吸嘴孔徑、吸嘴入口錐角的影響程度相接近且最小。

3)當兩個出氣孔分別布置在距離匯流管端面170mm時，氣管內的氣壓分布最為均勻，各吸嘴吸附力平均值最大且吸附力分布較平均，能有效防止丟種現象的發生。

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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

文章編號：1003-188X(2016)01-0222-05

中圖分類號：S223.1+2

文獻標識碼：A

作者簡介：楊小東(1990-)，男，山東泰安人，碩士研究生，(E-mail)gordonyoung1990@126.com。

基金項目：中國科學院戰略性先導科技專項(A類)資助項目(XDA08040109)

收稿日期：2015-01-09