气吹式小粒种子精量排种器气室仿真胡靖明
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第52卷㊀第2期2024年2月㊀㊀林业机械与木工设备FORESTRYMACHINERY&WOODWORKINGEQUIPMENTVol52No.2Feb.2024研究与设计小粒径蔬菜种子双圆盘精量排种器设计与仿真分析郭金山ꎬ㊀杨志平∗(甘肃畜牧工程职业技术学院ꎬ甘肃武威733006)摘㊀要:为减少小粒径蔬菜精量播种过程的漏播率㊁种子损伤率㊁种子重播率ꎬ设计了双圆盘精量排种器ꎬ以提高小粒径蔬菜种子排种器的作业效率ꎮ结果表明:排种盘最佳直径为200mmꎬ厚度为2mmꎻ运用EDEM离散元软件对排种器排种过程进行仿真分析发现ꎬ充种初期ꎬ种盒中的种子出现反弹现象ꎬ随种子数量的增加ꎬ逐渐趋于稳定ꎬ当排种盘携种时ꎬ盒中种子出现扰动现象ꎮ通过对种子和种盒之间碰撞机理㊁种盒材质及其力学特性分析发现ꎬ在排种盘转动阶段ꎬ种盒底层靠近排种盘的种子间相互作用增加ꎬ底层种子出现扰动现象ꎬ导致漏播㊁损伤㊁重播加剧ꎮ关键词:小粒径ꎻ蔬菜种子ꎻ排种器ꎻ精量播种ꎻ仿真分析中图分类号:TP242ꎻS776㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:2095-2953(2024)02-0008-05DesignandSimulationAnalysisofDoubleDiscPrecisionSeedMeteringDeviceforSmallSizeVegetableSeedsGUOJin ̄shanꎬYANGZhi ̄ping∗(GansuPolytechniccollegeofAnimalHusbandry&EngineeringꎬWuweiGansu733006ꎬChina)Abstract:Inordertoreducetheleakagerateꎬseeddamagerateꎬandseedreseedingrateintheprecisionseedingprocessofsmall-sizevegetablesꎬthisstudydesignedadouble-diskprecisionseeddischargertoimprovetheopera ̄tionalefficiencyofthesmall-sizevegetableseeddischarger.Theresultsshowthat:theoptimaldiameteroftheseeddischargingdiskis200mmꎬandthethicknessis2mmꎻthesimulationanalysisoftheseeddischargingprocessoftheseeddischargerusingEDEMdiscreteelementsoftwarefoundthatꎬattheinitialstageofseedfillingꎬtheseedsintheseedboxappearedtoreboundphenomenonꎬandwiththeincreaseofthenumberofseedsꎬitgraduallytendstobestabilizedꎬandwhenthedischargingdiskcarriestheseedsꎬtheseedsintheboxappearedtobeperturbedphe ̄nomenon.Throughtheanalysisofthecollisionmechanismbetweentheseedsandtheseedboxꎬthematerialoftheseedboxanditsmechanicalpropertiesꎬitwasfoundthatinthestageofrotationoftheseedtrayꎬtheinteractionbe ̄tweentheseedsinthebottomlayeroftheseedboxleaningintotheseedtrayincreasedꎬandtheseedsinthebottomlayershoweddisturbingphenomenaꎬwhichledtotheincreaseofleakageꎬdamageꎬandre-seeding.Keywords:smallparticlesizeꎻvegetableseedꎻplantingapparatusꎻprecisionseedingꎻsimulationanalysis㊀㊀收稿日期:2023-12-15基金项目:甘肃省农业农村厅2023年省级农机装备补短板行动项目 电动小粒径种子蔬菜精量播种机研制与示范 (njyf2023-15)第一作者简介:郭金山ꎬ讲师ꎬ硕士ꎬ研究方向为农业机械和优化设计ꎬE-mail:332741714@qq.comꎮ∗通讯作者:杨志平ꎬ教授ꎬ硕士ꎬ研究方向为农业机械化ꎬE-mail:358416158@qq.comꎮ第2期郭金山ꎬ等:小粒径蔬菜种子双圆盘精量排种器设计与仿真分析我国蔬菜种植面积和产量均居世界第一ꎬ种植区域广泛ꎬ种植面积及需求量大[1-2]ꎮ目前ꎬ小粒径种子作物种植方式主要分为人工播种㊁育苗移栽和机械直播等方式ꎬ但随着第三产业的结构升级ꎬ人工种植和育苗移栽劳动强度大㊁效率低且受限于大规模种植[3-4]ꎮ所以叶菜类蔬菜因种植密度大㊁行距小的种植特点ꎬ多采用种子直播的方式ꎬ而排种器是实现小粒蔬菜种子精量排种的核心部件ꎬ由于小粒径蔬菜种子小而轻且易受损伤ꎬ所以气力式排种器在蔬菜精量播种领域的应用较多ꎮ小粒径蔬菜种子全程机械化生产的关键环节在于精量播种ꎬ因区域种植模式及种植工艺差异显著ꎬ且机械化种植发展不均衡ꎬ导致小粒径蔬菜精量播种环节关键技术亟待突破解决ꎮ精量排种器现阶段的研究多集中于其结构形式和排种方式ꎬ为高效提升其排种性能ꎬ需对排种过程进行理论分析ꎬ优化其结构参数ꎮ柏文杰[5]等设计了一种滚筒正负压式排种器ꎬ并基于有限元法与离散元法分析了结构参数对其排种性能的影响ꎬ解决了排种器伤种率高㊁均匀性差以及易堵塞等问题ꎮ林翩[6]通过更换排种盘研制小粒径种子精量兼用排种器ꎬ并对其充种环节进行模拟仿真和田间验证试验ꎬ以满足小粒径种子种植农艺要求ꎮ李金凤[7]基于离散元法建立排种器及种子颗粒三维离散元模型ꎬ并进行参数标定ꎬ以确定排种器结构对其排种性能的影响ꎬ从而获得更好的结构参数和工作条件ꎮ李晓冉[8]等设计了一种单盘多行独立气道式精量排种器ꎬ对关键部件进行了仿真分析和对比试验ꎬ吸种合格率达95%以上ꎮ宋爱卿[9]应用离散元软件对腔体优化后的气吹式排种器进行了工况分析ꎬ通过试验研究得到流场在清种㊁充种过程的周期理论作用ꎬ有效提高播种效率ꎮ针对目前小粒径蔬菜种子精量排种器存在通用差㊁结构复杂㊁播种合格指数低等问题ꎬ本研究运用离散元分析软件EDEM对排种器排种过程进行了仿真分析ꎬ旨在研制一种通用性好㊁播种精度高的小粒径蔬菜种子精量排种器ꎬ为蔬菜精量播种机具研发及关键部件的创新设计提供技术支撑和理论参考ꎮ1㊀基本结构与工作原理图1㊀双圆盘精量排种器㊀㊀小粒径蔬菜种子精量排种器如图1所示ꎬ主要由排种轴㊁螺栓㊁左壳体㊁旋转排种盘㊁刮种片㊁种子㊁垫片㊁固定排种盘和右壳体等部件组成ꎮ双圆盘排种器运行时ꎬ变频电机带动排种轴ꎬ进而带动双圆盘排种器种旋转及固定排种盘进行工作ꎬ当旋转排种盘运行到种盒时ꎬ种子落入排种盘窝眼中ꎬ此过程为排种盘携种过程ꎮ当携种窝眼转动到固定与排种器上的刮种片相互接触时ꎬ种子在刮种片作用下掉入排种口ꎬ此阶段为排种阶段ꎮ通过以上携种阶段和排种阶段完成种子播种ꎬ由于在排种盘运行过程中无法保证每个窝眼精准填种ꎬ所以该排种器增设漏种及补种检测装置ꎬ以完成小粒径蔬菜种子精量化播种ꎮ2㊀关键部件设计分析2.1㊀排种器结构设计排种器作为播种机重要组成部件ꎬ其设计的合理与否直接关系到播种机的播种质量ꎬ排种器工作9林业机械与木工设备第52卷图2㊀排种盘装配示意图过程由充种阶段㊁携种阶段㊁投种阶段相继完成ꎬ其中携种阶段和投种阶段为关键阶段ꎬ排种盘装配示意图如图2所示ꎮ而排种盘作为排种器关键部件如图3所示ꎬ本研究中排种盘直径为200mmꎬ厚度为2mmꎬ采用不锈钢制成ꎮ图3㊀排种盘2.2㊀型孔尺寸及数量分析本研究所用排种盘孔型如图4所示ꎬ根据排种盘单型孔分布形式ꎬ得到相邻两行型孔中心距的计算式为[10]:l1=θ1πR1180l=3l2+l3+l4Ri+l2=Ri+1vki=10-43πnRiìîíïïïïïïïï式中:l为边界水平投影方向距离ꎬmmꎻl1为最外圈相图4㊀排种盘孔型分布形式邻两型孔距的弧长ꎬmmꎻl2为相邻两行型孔中心距ꎬmmꎻl3为最内行型孔距边界距离ꎬmmꎻl4为最外圈型孔距边界距离ꎬmmꎻvki为各行型孔回转线速度ꎬm/sꎮ边界水平投影方向距离l=36mmꎬ为满足能完全通过型孔作用于种子ꎬ可取l3=l4ȡl2/2>Dz/2ꎬ其中种子直径Dz为0.99~2.09mmꎬ可得l2取值范围为2.09~9.00mmꎮ各行回转线速度关系为vki>vki+1ꎬ为缩小各行型孔吸附种子概率的差异ꎬ取相邻两行型孔中心距l2为5.55mmꎮ3㊀仿真分析3.1㊀参数设置及模型建立蔬菜种子形状大致分球形㊁棒状㊁四面体型等ꎬ为了简化仿真ꎬ本研究将种子模型简化为球形ꎬ直径设置为0.8mmꎬ密度设置为0.85g/cm3ꎬ并且在EDEM中建立种子模型ꎬ球形种子模型如图5所示ꎮ图5㊀种子颗粒模型仿真分析时需要为种子和排种器设置物理参数ꎬ便于模拟蔬菜种子在排种器中的运动过程ꎬ本研究将蔬菜种子形状简化为球形ꎬ所以采用noslip接触模型ꎬ并确定种子和排种器的泊松比㊁弹性模量㊁密度㊁恢复系数等仿真所需参数ꎬ参数如表1所示[11-15]ꎮ01第2期郭金山ꎬ等:小粒径蔬菜种子双圆盘精量排种器设计与仿真分析表1㊀仿真相关参数项目参数数值种子密度/g cm-30.85弹性模量/Pa3.6ˑ107泊松比0.51排种器密度/g cm-38000弹性模量/Pa7.5ˑ1010泊松比0.29排种盘转速/m s-112㊀㊀设置参数和环境条件后ꎬ在SOLIDWORKS2019三维建模软件中构建的排种器三维模型如图6所示ꎮ图6㊀双圆盘排种器模型将排种器三维模型存为igs格式ꎬ将其导入EDEM离散元分析软件中ꎬ进行排种器排种过程的数值模拟ꎬ分析结果作为优化精量蔬菜排种器的依据ꎮ3.2㊀种子堆积过程分析运用EDEM软件对小粒径蔬菜种子在排种器中的堆积过程进行仿真分析ꎬ通过分析可以看出ꎬ第一阶段种子填充种盒过程如图7(a)所示ꎬ此过程种子在重力作用下掉入种盒ꎬ种子彼此之间存在弱相互作用力ꎬ此阶段只存在重力作用ꎮ第二阶段为种子接触种盒反弹阶段ꎬ由于种子和种盒接触时存在相互弹性作用ꎬ此时种子反弹情况如图7(b)所示ꎮ如图7(c)所示ꎬ第三阶段种子填充完种盒后ꎬ种子之间相互作用逐渐趋于稳定ꎬ这是由于种子数量增多导致整体重量增加ꎬ且种子之间相互作用较强ꎬ但整体趋于稳定[16]ꎮ如图7(d)所示ꎬ第四阶段为排种盘转动携种阶段ꎬ此阶段由于排种盘和种盒底部种子之间的相互作用ꎬ导致种盒种中的种子出现扰动现象[17]ꎮ图7㊀种子堆积过程3.3㊀排种过程仿真分析通过对小粒经蔬菜种子精量排种器排种过程进行仿真分析ꎬ结果表明ꎬ在种子填充种盒阶段ꎬ种子在重力作用下掉入种盒ꎬ此时种子之间存在较弱碰撞作用ꎬ在此阶段需要考虑种盒的尺寸外形ꎬ防止种子在填种阶段洒落而造成损失ꎮ当种子接触到种盒壁面时ꎬ种子和种盒壁面之间产生了强相互作用力ꎬ这种相互作用力导致种子和种盒之间出现了反弹现象ꎬ这种现象是由于种子的生物力学特性和种盒材质所造成的[17]ꎮ为了减轻两者之间反弹现象ꎬ应对种子和种盒之间的碰撞机理进行分析ꎬ并且研究种盒材质及其力学特性ꎮ种子填充完毕阶段种盒中的种子之间相互作用增强ꎬ但是整体趋于稳定ꎬ此时种盒中的种子可以看作为一个整体ꎮ在排种盘转动阶段ꎬ种盒中底层靠进排种盘的种子之间相互作用增加ꎬ底层种子出现扰动现象ꎬ此时正值排种盘携种关键阶段ꎬ如果扰动较大ꎬ则会导致排种盘无法携种ꎬ出现漏播㊁损伤㊁重播现象ꎮ4㊀结论针对现有排种器存在的漏播㊁损伤㊁重播等问题ꎬ本文设计并改进了一款电动小粒径蔬菜种子双圆盘精量排种器ꎬ并利用EDEM对排种器排种过程和种子堆积过程进行了仿真分析ꎮ结果表明ꎬ种子在排种器中的堆积过程主要分为四个阶段ꎬ阶段一为填种过程ꎬ此过程中种子间相互作用力小ꎬ阶段二存在反弹现象ꎬ阶段三种子趋于稳定ꎬ阶段四种子存在较小扰动现象ꎮ为防止小粒径蔬菜种子在精量排11林业机械与木工设备第52卷图8 排种过程仿真种过程中出现漏播㊁损伤㊁重播现象ꎬ应对种子和种盒之间的碰撞机理进行分析ꎬ并研究种盒材质及其力学特性ꎬ以提高排种效率ꎮ本研究可为小粒径蔬菜种子精量播种排种器结构优化提供一定的理论支持ꎮ参考文献:[1]㊀柳莲.浅析蔬菜种植品种现状与发展趋势[J].河南农业ꎬ2022(5):26-27.[2]㊀卢志权ꎬ姜爽ꎬ包妍妍ꎬ等.我国设施蔬菜产业发展现状与改进对策探析[J].新农业ꎬ2023(11):19.[3]㊀管春松ꎬ崔志超ꎬ高庆生ꎬ等.蔬菜精量直播技术及装备的研究现状[J].中国蔬菜ꎬ2018(12):9-15.[4]㊀张宁ꎬ廖庆喜.我国小粒径种子播种技术与装备的应用与研究进展[J].中国农机化ꎬ2012(1):93-96+103.[5]㊀柏文杰ꎬ李颖ꎬ于华丽ꎬ等.正负压式精量排种器设计与仿真优化[J].河北农业大学学报ꎬ2022ꎬ45(4):115-122. [6]㊀林翩.油菜芝麻兼用型精量排种器试验与分析[D].武汉:华中农业大学ꎬ2021.[7]㊀李金凤.小粒径蔬菜种子气吸式精密排种器的设计与试验研究[D].泰安:山东农业大学ꎬ2019.[8]㊀李晓冉ꎬ张银平ꎬ刁培松ꎬ等.单盘多行独立气道式蔬菜精量排种器设计与试验[J].中国农机化学报ꎬ2022ꎬ43(2):28-36. [9]㊀宋爱卿.气吹式排种器设计仿真与性能试验[J].农业工程ꎬ2019ꎬ9(7):72-75.[10]㊀刘海.小白菜精量复式播种机关键部件设计与试验[D].武汉:华中农业大学ꎬ2022.[11]㊀刘金松.基于SAPB/TRIZ/DOE苜蓿联合播种机的设计与关键零部件仿真分析[D].济南:济南大学ꎬ2020.[12]㊀纪海春.基于DEM-CFD耦合的气吸式排种器工作过程仿真分析[D].南京:南京信息工程大学ꎬ2019.[13]㊀翟萌萌.基于EDEM的小麦宽幅精量播种装置优化设计与试验[D].泰安:山东农业大学ꎬ2018.[14]㊀冯岩ꎬ孙步功ꎬ张克平ꎬ等.基于EDEM的油菜播种机仿真试验研究[J].干旱地区农业研究ꎬ2018ꎬ36(2):288-294. [15]㊀刁怀龙ꎬ张银平ꎬ刁培松ꎬ等.基于EDEM的小麦宽苗带深松免耕播种机设计与试验[J].农机化研究ꎬ2017ꎬ39(1):58-62. [16]㊀李帅ꎬ王光辉ꎬ王德成ꎬ等.基于EDEM的禾-豆混合播种机模态分析与仿真试验[J].中国奶牛ꎬ2016(5):58-60. [17]㊀张宇.铲式玉米播种机排种过程的离散元仿真[D].沈阳:沈阳理工大学ꎬ2015.21。
气吹式小粒种子精量排种器气室仿真
胡靖明;杨梅;孙步功;姚亚萍
【期刊名称】《林业机械与木工设备》
【年(卷),期】2016(44)7
【摘要】设计了一种用于小粒种子气力精量排种流场分析的排种器气室模型,该模型分为有平衡气孔和无平衡气孔两种.采用ANSYS/CFX/FLUENT对排种器气室的流线和压力分布进行仿真分析,仿真结果表明:设置有平衡气孔的气室比未设置平衡气孔的气室更有利于降低气室气流压力波动,使气室压力分布更加稳定.
【总页数】3页(P12-14)
【作者】胡靖明;杨梅;孙步功;姚亚萍
【作者单位】甘肃农业大学工学院,甘肃兰州730070;甘肃农业大学工学院,甘肃兰州730070;甘肃农业大学工学院,甘肃兰州730070;甘肃农业大学工学院,甘肃兰州730070
【正文语种】中文
【中图分类】S776.22
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1.气力式一器双行精量排种器气室流场的仿真与试验 [J], 颜秋艳
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专利名称:一种气力式小粒径种子精量排种盘专利类型:实用新型专利
发明人:刘飞,刘荣荣,李大鹏,林震,张涛,冷静申请号:CN202021343997.8
申请日:20200709
公开号:CN212753205U
公开日:
20210323
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:本实用新型涉及农业机械排种器技术领域,具体涉及一种气力式小粒径种子精量排种盘,包括盘体和多个舀种勺,盘体的中部开有传动孔,多个舀种勺绕传动孔的中心线分布在盘体上,每个舀种勺呈弧形,且其凹陷一侧朝向盘体转动的方向,盘体开有多个长条弧形的吸种孔,吸种孔与舀种勺一一对应,且吸种孔位于舀种勺的侧方。
使用时舀种勺经过舀种区舀取种子后,吸种孔不会马上就把舀上的种子吸住,而是随着盘体转动,种子跟随舀种勺上继续往上走,当舀种勺达到一定倾斜角度,种子呈抛物线轨迹滑落,在外部真空气吸作用下吸种孔吸取种子,能够满足延迟吸种需求。
吸种过程较以往方式延长了种子运动行程,可延长吸种时间,提高藜麦种子的吸附概率。
申请人:内蒙古农业大学
地址:010018 内蒙古自治区呼和浩特市赛罕区昭乌达路306号
国籍:CN
代理机构:东莞市华南专利商标事务所有限公司
代理人:陈柏陶
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专利名称:一种用于小粒种子的气力式自动分选装置
专利类型:发明专利
发明人:王升升,解晓琳,卢梦晴,胡金鹏,曹亚州,张玉龙,孙京京
申请号:CN201910064349.4
申请日:20190123
公开号:CN109550703A
公开日:
20190402
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:本发明涉及一种用于小粒种子的气力式自动分选装置,属于农业机械领域,包括机架、气吸式排种器、传输装置、检测单元装置和气动分选装置。
所述气吸式排种器包括主轴、吸风嘴、吸风内壳、前壳、后壳、吸盘、拨片、排种通道、排种口和存种箱;所述传输装置包括与排种口连接的倾斜板和与倾斜板连接的传输带;所述检测单元装置包括软X射线发射机、检测箱、检测器、图像处理器和交互显示部件;所述气动分选装置包括汇流板、与气源连通的汇流腔、电磁阀和喷嘴,通过控制电磁阀的开和闭实现种子的分选。
该装置在对种子检测时,具有精度高、适用性强的优点,而且能够实现自动上料,能解决种子繁育过程中种子分选检测适用技术及装备缺乏的问题。
申请人:河南科技大学
地址:471000 河南省洛阳市涧西区西苑路48号
国籍:CN
代理机构:洛阳公信知识产权事务所(普通合伙)
代理人:时亚娟
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