氣吸振動盤式排種裝置工作過程分析與研究

龔智強，陳　進，李耀明，趙　湛

(1.巢湖學院 機械與電子工程學院，合肥　238000；2.江蘇大學 a.機械工程學院；b.農(nóng)業(yè)裝備工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

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氣吸振動盤式排種裝置工作過程分析與研究

龔智強1，陳進2a，李耀明2b，趙湛2b

(1.巢湖學院 機械與電子工程學院，合肥238000；2.江蘇大學 a.機械工程學院；b.農(nóng)業(yè)裝備工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：對氣吸振動盤式精密排種裝置吸、排種過程進行了研究，分析了攜種過程中種子顆粒受力，建立了受力模型，推導出帶動吸種盤運動的機械手動力學特性要求：隨著負壓值的增大，機械手臨界加速度增加；長度方向吸附的種子最容易發(fā)生掉落，機械手設(shè)計時應(yīng)滿足長度方向不發(fā)生掉落的條件。同時，建立了種子顆粒與吸種盤的碰撞運動數(shù)學模型，得出種子顆粒不被碰離吸種盤面板的彈回臨界速度與負壓值的關(guān)系。結(jié)果表明：隨著負壓值增大，種子顆粒彈回臨界速度增加；長度方向碰撞的種子最容易發(fā)生彈回掉落，當碰撞彈回速度大于臨界彈回速度時，種子將脫離氣流場約束并彈離吸孔。

關(guān)鍵詞：排種裝置；氣吸與振動；運動建模；受力分析

0引言

氣吸振動盤式排種裝置通過振動激勵使振動種盤內(nèi)種群產(chǎn)生“沸騰”運動[1-3]，以便氣力吸種部件完成吸種過程，再通過機構(gòu)帶動吸種盤從吸種位置運動到排種位置進行排種。工作過程中，振動種盤的振動頻率、振幅及振動種盤內(nèi)種層厚度都與種群運動存在密切聯(lián)系并影響播種性能[4-6]，且?guī)游N盤的機構(gòu)運動影響其工作效率及攜種過程的穩(wěn)定性。

種子被吸附在吸種盤面板吸孔上，機械手帶動吸種盤運動進入攜種區(qū)，機械手的運動速度越大，排種裝置生產(chǎn)效率越高。從提高生產(chǎn)效率方面考慮，應(yīng)增大機械手運動速度，這將增加種子所受到的慣性力。當種子受到慣性力過大時，被吸附的種子可能發(fā)生掉落，因此需對攜種狀態(tài)下種子顆粒受力進行分析，得出攜種過程機械手運動加速度與種子被穩(wěn)定吸附真空負壓值的關(guān)系。研究種子與吸種盤的碰撞運動，建立碰撞運動數(shù)學模型，得出種子顆粒不被碰離吸種盤面板的彈回臨界速度與真空負壓值的關(guān)系，可為后續(xù)顆粒離散元仿真參數(shù)選擇和試驗分析提供理論依據(jù)。

1攜種過程種子受力分析

將超級稻種子顆粒簡化為橢球形的剛體，不考慮種子變形[7]。當種子被吸附時，通過力的合成與分解將種子受力簡化到其中心所在平面。種子的吸附姿態(tài)多樣，可分為高度方向、寬度方向、長度方向、傾斜及雙粒等形式，如圖1所示。

圖1　超級稻種子吸附姿態(tài)

平面任意力系的平衡條件為

(1)

被吸附的種子隨吸種盤運動，種子具有和吸種盤相同的加速度a，種子受到慣性力為Fm。根據(jù)理論力學知識，攜種狀態(tài)下高度方向和寬度方向吸附時種子顆粒受力如圖2所示。

根據(jù)超級稻常優(yōu)3號基礎(chǔ)物理特性，設(shè)置高度方向吸附的攜種狀態(tài)下種子顆粒受力參數(shù), 求得高度方向受力為

Fm=0.41(p-mg)

(2)

設(shè)置寬度方向吸附的攜種狀態(tài)下種子顆粒受力幾何參數(shù),求得寬度方向受力為

Fm=0.51(p-mg)

(3)

設(shè)置長度方向吸附的攜種狀態(tài)下種子顆粒受力幾何參數(shù),求得長度方向受力為

Fm=0.66(p-mg)

(4)

根據(jù)Fluent數(shù)值模擬傾斜吸附的攜種狀態(tài)種子顆粒受力發(fā)現(xiàn)[8-9]：氣流作用力集中在吸孔周圍的顆粒上半部，種子顆粒下半部受到氣流作用力幾乎為0。假定氣流作用力的作用點為吸孔中心線與種子中心線的交點，傾斜方向種子顆粒受力如圖2(c)所示，設(shè)置傾斜方向吸附的攜種狀態(tài)下種子顆粒受力幾何參數(shù), 求得傾斜方向受力為

Fm=0.22p+0.03mg

(5)

種子被吸孔吸附后阻礙了氣流流動，進氣面積急劇減少，局部速度增大，壓力相應(yīng)上升。種子被吸種盤吸附前后，吸種盤存在壓力差。結(jié)合試驗統(tǒng)計分析(見圖3)，為便于仿真，假定種子被吸附的姿態(tài)比例為高度方向：寬度方向：長度方向：傾斜=3：2：1：1，選擇超級稻種子常優(yōu)3號，建立攜種狀態(tài)三維模型，如圖4所示。

圖2　種子顆粒受力圖

圖3　種子吸附狀態(tài)

圖4　攜種過程氣流場仿真模型

采用Fluent數(shù)值模擬吸種盤攜種過程不同吸附姿態(tài)的種子受到氣流吸附力P，結(jié)果如表1所示。

表1種子顆粒吸附力仿真結(jié)果

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

序號攜種時負壓值/kPa攜種姿態(tài)/mm2平均吸附力/N14.52.4高度方向(17.357)0.0118536424.53.4寬度方向(12.252)0.0071891534.56.5長度方向(6.409)0.0022950944.5傾斜0.0087577755.52.4高度方向(17.357)0.0144801465.53.4寬度方向(12.252)0.0087830375.56.5長度方向(6.409)0.0028025785.5傾斜0.0107048496.52.4高度方向(17.357)0.01710791106.53.4寬度方向(12.252)0.01037682116.56.5長度方向(6.409)0.00330984126.5傾斜0.01264607

在攜種過程中，被吸附的種子隨機械手一起運動，將表1結(jié)果代入到上面攜種過程相應(yīng)的種子受力模型，可得出機械手的臨界加速度隨真空負壓值的變化曲線，如圖5所示。

圖5　機械手臨界運動加速度隨真空負壓值的變化

由圖5可看出：隨著真空負壓值的增大，機械手的臨界加速度逐漸增加。在真空負壓值一定的條件下，機械手的臨界加速度由大到小排序為高度方向吸附、寬度方向吸附、傾斜方向吸附、長度方向吸附。其中，長度方向吸附的種子最容易發(fā)生掉落，故機械手設(shè)計時可僅考慮長度方向不發(fā)生掉落的條件：Fm≤0.66(p-mg)。在4.5kPa攜種狀態(tài)下，長度方向吸附的種子對應(yīng)機械手的臨界加速度為40.051m/s2。由以上結(jié)果可知：種子顆粒穩(wěn)定吸附在吸孔上的攜種過程所需真空負壓值比吸附種子過程所需真空負壓值要小，可按照吸種過程來設(shè)計真空負壓值。

2排種過程種子受力分析

當機械手攜帶種子到達排種位置時，通過控制器控制一組兩位三通電磁換向閥實現(xiàn)正負氣壓的轉(zhuǎn)換，采用Fluent數(shù)值模擬排種時種子受到的氣流作用力。邊界條件設(shè)置：吸種盤氣源接口處為流量進口(流量為攜種過程仿真模擬所得到的流量值)、吸種盤與大氣相連處為自由出流。仿真結(jié)果如表2所示。

表2　排種過程種子顆粒受力仿真結(jié)果

續(xù)表2

從表2可看出：在排種過程中，種子受到正壓吹力隨真空負壓值的增大而增大，其寬度方向受到吹力最大，長度方向受到吹力最小。當正壓吹種力大于摩擦力時，卡在氣孔中的種子顆粒可以被氣流吹落，故可以通過正壓氣流作用力進行清種，并有效防止吸孔堵塞。

3種子顆粒與吸種盤碰撞運動分析

種子顆粒與吸種盤的碰撞關(guān)系復雜，碰撞形式可分為高度方向、寬度方向、長度方向及傾斜等。下面分析高度方向、寬度方向、長度方向這3種典型碰撞運動：種子受到氣流作用力P、重力G，假設(shè)種子碰撞瞬間彈回速度為v0，種子顆粒碰撞運動簡化為如圖6所示。

圖6　種子顆粒與吸種盤碰撞運動示意圖

種子顆粒運動加速度為

(6)

可得

(7)

由式(7)變換可得

(8)

當x3∈(0, 0.5)時，種子處于吸孔附近，種子顆粒影響氣體流動，吸孔周圍進氣面積減少，吸種盤出口壓力上升。由于x3距離較小，假設(shè)種子做勻加速運動，種子受到流體作用力P為Y1，可得

(9)

當x3∈(0.5, 1.5)時，種子對氣體流動影響較小，種子做變加速運動，種子受到流體作用力P為Y2。根據(jù)前面研究建立的氣流場中種子顆粒受力模型[4]，可得

0.000134x12+0.000835x32-0.000446x1x3+

0.000032x1x4+0.000194x2x3-0.000077x3x4-mg)

(10)

假設(shè)種子顆粒與吸種盤碰撞前速度大小為v，取種子與吸種盤的碰撞恢復系數(shù)為0.5，根據(jù)碰撞關(guān)系可得

v0=0.5v

(11)

由式(8)可得

(12)

(13)

將式(9)和式(10)代入(13)可得

0.00016x1x4-0.5mg+

0.00002425x2-0.00009625x4)

(14)

根據(jù)Flunnt模擬種子顆粒受力結(jié)果，將相應(yīng)的數(shù)值代入式(14)，可得種子顆粒不被碰離吸種盤面板的彈回臨界速度與負壓值的關(guān)系如圖7所示。

圖7　種子顆粒碰撞彈回臨界速度隨真空負壓值的變化

由圖7可看出：隨著真空負壓值的增大，種子顆粒彈回臨界速度增加。在相同壓力條件下，種子顆粒彈回臨界速度由大到小排序為高度方向碰撞、寬度方向碰撞、長度方向碰撞，而長度方向碰撞的種子最容易發(fā)生彈回掉落。當碰撞彈回速度大于最小臨界彈回速度時，種子將脫離氣流場約束并彈離吸孔。在3kPa時，種子顆粒長度方向碰撞彈回臨界速度為0.148m/s，種子碰撞前的速度滿足v=2v0≤0.296m/s時種子顆粒才不會發(fā)生彈回掉落。因此，在吸種過程應(yīng)合理設(shè)計種群振動激勵運動與吸種盤位置之間的關(guān)系，并滿足長度方向碰撞不發(fā)生碰撞彈回的條件。

4結(jié)論

1)隨著真空負壓值的增大，機械手臨界加速度增加。長度方向吸附的種子最容易發(fā)生掉落，故機械手設(shè)計時可僅考慮長度方向不發(fā)生掉落的條件：Fm≤0.66(p-mg)。在4.5kPa攜種狀態(tài)下，長度方向吸附種子對應(yīng)的機械手臨界加速度為40.051m/s2。

2) 隨著真空負壓值的增大，種子顆粒彈回臨界速度增加。長度方向碰撞的種子最容易發(fā)生彈回掉落。當碰撞彈回速度大于最小臨界彈回速度時，種子將脫離氣流場約束并彈離吸孔。在3kPa時，種子碰撞前的速度滿足v≤0.296m/s時種子顆粒才不會發(fā)生彈回掉落。

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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

中圖分類號：S223.2；S220.3

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0030-05

作者簡介：龔智強(1983-),男，江西宜春人，講師，博士，(E-mail) gzhq2008@126.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51305169)；安徽省高等學校自然科學研究重點項目(KJ2015A246);巢湖學院博士科研啟動資助項目(KYQD—201403)；巢湖學院校級科研項目(XLY—201403)

收稿日期：2015-10-28