龔智強(qiáng)，陳　進(jìn)，李耀明，趙　湛

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

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氣吸振動(dòng)盤(pán)式排種裝置工作過(guò)程分析與研究

龔智強(qiáng)1，陳進(jìn)2a，李耀明2b，趙湛2b

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

摘要：對(duì)氣吸振動(dòng)盤(pán)式精密排種裝置吸、排種過(guò)程進(jìn)行了研究，分析了攜種過(guò)程中種子顆粒受力，建立了受力模型，推導(dǎo)出帶動(dòng)吸種盤(pán)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手動(dòng)力學(xué)特性要求：隨著負(fù)壓值的增大，機(jī)械手臨界加速度增加；長(zhǎng)度方向吸附的種子最容易發(fā)生掉落，機(jī)械手設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足長(zhǎng)度方向不發(fā)生掉落的條件。同時(shí)，建立了種子顆粒與吸種盤(pán)的碰撞運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，得出種子顆粒不被碰離吸種盤(pán)面板的彈回臨界速度與負(fù)壓值的關(guān)系。結(jié)果表明：隨著負(fù)壓值增大，種子顆粒彈回臨界速度增加；長(zhǎng)度方向碰撞的種子最容易發(fā)生彈回掉落，當(dāng)碰撞彈回速度大于臨界彈回速度時(shí)，種子將脫離氣流場(chǎng)約束并彈離吸孔。

關(guān)鍵詞：排種裝置；氣吸與振動(dòng)；運(yùn)動(dòng)建模；受力分析

0引言

氣吸振動(dòng)盤(pán)式排種裝置通過(guò)振動(dòng)激勵(lì)使振動(dòng)種盤(pán)內(nèi)種群產(chǎn)生“沸騰”運(yùn)動(dòng)[1-3]，以便氣力吸種部件完成吸種過(guò)程，再通過(guò)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)吸種盤(pán)從吸種位置運(yùn)動(dòng)到排種位置進(jìn)行排種。工作過(guò)程中，振動(dòng)種盤(pán)的振動(dòng)頻率、振幅及振動(dòng)種盤(pán)內(nèi)種層厚度都與種群運(yùn)動(dòng)存在密切聯(lián)系并影響播種性能[4-6]，且?guī)?dòng)吸種盤(pán)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)影響其工作效率及攜種過(guò)程的穩(wěn)定性。

種子被吸附在吸種盤(pán)面板吸孔上，機(jī)械手帶動(dòng)吸種盤(pán)運(yùn)動(dòng)進(jìn)入攜種區(qū)，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)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(jī)械手運(yùn)動(dòng)速度，這將增加種子所受到的慣性力。當(dāng)種子受到慣性力過(guò)大時(shí)，被吸附的種子可能發(fā)生掉落，因此需對(duì)攜種狀態(tài)下種子顆粒受力進(jìn)行分析，得出攜種過(guò)程機(jī)械手運(yùn)動(dòng)加速度與種子被穩(wěn)定吸附真空負(fù)壓值的關(guān)系。研究種子與吸種盤(pán)的碰撞運(yùn)動(dòng)，建立碰撞運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，得出種子顆粒不被碰離吸種盤(pán)面板的彈回臨界速度與真空負(fù)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(yàn)分析提供理論依據(jù)。

1攜種過(guò)程種子受力分析

將超級(jí)稻種子顆粒簡(jiǎn)化為橢球形的剛體，不考慮種子變形[7]。當(dāng)種子被吸附時(shí)，通過(guò)力的合成與分解將種子受力簡(jiǎn)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(zhǎng)度方向、傾斜及雙粒等形式，如圖1所示。

圖1　超級(jí)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(pán)運(yùn)動(dòng)，種子具有和吸種盤(pán)相同的加速度a，種子受到慣性力為Fm。根據(jù)理論力學(xué)知識(shí)，攜種狀態(tài)下高度方向和寬度方向吸附時(shí)種子顆粒受力如圖2所示。

根據(jù)超級(jí)稻常優(yōu)3號(hào)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(zhǎng)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(zhǎng)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(diǎn)為吸孔中心線與種子中心線的交點(diǎn)，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(dòng)，進(jìn)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(pán)吸附前后，吸種盤(pán)存在壓力差。結(jié)合試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析(見(jiàn)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(zhǎng)度方向：傾斜=3：2：1：1，選擇超級(jí)稻種子常優(yōu)3號(hào)，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(guò)程氣流場(chǎng)仿真模型

采用Fluent數(shù)值模擬吸種盤(pán)攜種過(guò)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(hào)攜種時(shí)負(fù)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度方向(6.409)0.00330984126.5傾斜0.01264607

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

圖5　機(jī)械手臨界運(yùn)動(dòng)加速度隨真空負(fù)壓值的變化

由圖5可看出：隨著真空負(fù)壓值的增大，機(jī)械手的臨界加速度逐漸增加。在真空負(fù)壓值一定的條件下，機(jī)械手的臨界加速度由大到小排序?yàn)楦叨确较蛭健挾确较蛭?、傾斜方向吸附、長(zhǎng)度方向吸附。其中，長(zhǎng)度方向吸附的種子最容易發(fā)生掉落，故機(jī)械手設(shè)計(jì)時(shí)可僅考慮長(zhǎng)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(zhǎng)度方向吸附的種子對(duì)應(yīng)機(jī)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(guò)程所需真空負(fù)壓值比吸附種子過(guò)程所需真空負(fù)壓值要小，可按照吸種過(guò)程來(lái)設(shè)計(jì)真空負(fù)壓值。

2排種過(guò)程種子受力分析

當(dāng)機(jī)械手?jǐn)y帶種子到達(dá)排種位置時(shí)，通過(guò)控制器控制一組兩位三通電磁換向閥實(shí)現(xiàn)正負(fù)氣壓的轉(zhuǎn)換，采用Fluent數(shù)值模擬排種時(shí)種子受到的氣流作用力。邊界條件設(shè)置：吸種盤(pán)氣源接口處為流量進(jìn)口(流量為攜種過(guò)程仿真模擬所得到的流量值)、吸種盤(pán)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(guò)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(guò)程中，種子受到正壓吹力隨真空負(fù)壓值的增大而增大，其寬度方向受到吹力最大，長(zhǎng)度方向受到吹力最小。當(dāng)正壓吹種力大于摩擦力時(shí)，卡在氣孔中的種子顆粒可以被氣流吹落，故可以通過(guò)正壓氣流作用力進(jìn)行清種，并有效防止吸孔堵塞。

3種子顆粒與吸種盤(pán)碰撞運(yùn)動(dòng)分析

種子顆粒與吸種盤(pán)的碰撞關(guān)系復(fù)雜，碰撞形式可分為高度方向、寬度方向、長(zhǎng)度方向及傾斜等。下面分析高度方向、寬度方向、長(zhǎng)度方向這3種典型碰撞運(yùn)動(dòng)：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(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為如圖6所示。

圖6　種子顆粒與吸種盤(pán)碰撞運(yùn)動(dòng)示意圖

種子顆粒運(yùn)動(dòng)加速度為

(6)

可得

(7)

由式(7)變換可得

(8)

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

(9)

當(dāng)x3∈(0.5, 1.5)時(shí)，種子對(duì)氣體流動(dòng)影響較小，種子做變加速運(yùn)動(dòng)，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(chǎng)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(pán)碰撞前速度大小為v，取種子與吸種盤(pán)的碰撞恢復(fù)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(pán)面板的彈回臨界速度與負(fù)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(fù)壓值的變化

由圖7可看出：隨著真空負(fù)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?yàn)楦叨确较蚺鲎病挾确较蚺鲎?、長(zhǎng)度方向碰撞，而長(zhǎng)度方向碰撞的種子最容易發(fā)生彈回掉落。當(dāng)碰撞彈回速度大于最小臨界彈回速度時(shí)，種子將脫離氣流場(chǎng)約束并彈離吸孔。在3kPa時(shí)，種子顆粒長(zhǎng)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(shí)種子顆粒才不會(huì)發(fā)生彈回掉落。因此，在吸種過(guò)程應(yīng)合理設(shè)計(jì)種群振動(dòng)激勵(lì)運(yùn)動(dòng)與吸種盤(pán)位置之間的關(guān)系，并滿足長(zhǎng)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(fù)壓值的增大，機(jī)械手臨界加速度增加。長(zhǎng)度方向吸附的種子最容易發(fā)生掉落，故機(jī)械手設(shè)計(jì)時(shí)可僅考慮長(zhǎng)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(zhǎng)度方向吸附種子對(duì)應(yīng)的機(jī)械手臨界加速度為40.051m/s2。

2) 隨著真空負(fù)壓值的增大，種子顆粒彈回臨界速度增加。長(zhǎng)度方向碰撞的種子最容易發(fā)生彈回掉落。當(dāng)碰撞彈回速度大于最小臨界彈回速度時(shí)，種子將脫離氣流場(chǎng)約束并彈離吸孔。在3kPa時(shí)，種子碰撞前的速度滿足v≤0.296m/s時(shí)種子顆粒才不會(huì)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(hào)：S223.2；S220.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)12-0030-05

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

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51305169)；安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2015A246);巢湖學(xué)院博士科研啟動(dòng)資助項(xiàng)目(KYQD—201403)；巢湖學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目(XLY—201403)

收稿日期：2015-10-28