杜 韌，劉 昭，焦瑩佳，馮偉娜

(北華航天工業(yè)學(xué)院 機電工程學(xué)院，河北 廊坊 065000)

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穴盤播種機吸盤流場性能仿真試驗與優(yōu)化

杜 韌，劉 昭，焦瑩佳，馮偉娜

(北華航天工業(yè)學(xué)院 機電工程學(xué)院，河北 廊坊 065000)

穴盤播種機械是工廠化育苗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在工廠化育苗過程中占據(jù)重要地位，而吸種盤則是其關(guān)鍵機構(gòu)之一，其形狀機構(gòu)以及其內(nèi)部氣室的流場對播種機的吸種排種具有顯著影響。為此，本文設(shè)計數(shù)值模擬正交試驗，利用SolidWorks進行三維建模、workbench CFX 模塊進行仿真計算、spss對計算結(jié)果進行分析，并對吸盤的形狀進行優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化結(jié)果表明：氣流的穩(wěn)定性進一步提高，為吸種盤的設(shè)計提供了技術(shù)依據(jù)。

穴盤播種機；吸種盤；仿真試驗；優(yōu)化設(shè)計

0 引言

吸盤是穴盤播種機實現(xiàn)高效精密播種的關(guān)鍵部件。吸盤內(nèi)腔用來容納氣體，對吸嘴起到穩(wěn)定氣流及控制流速的作用，對于吸嘴的吸附能力起到至關(guān)重要的作用。本文將研究氣管接口類型/吸氣管口徑、吸盤厚度及吸盤真空度等對穴盤播種的吸附性能的影響。由于影響因素眾多，如果將4個因素的各個水平進行全面搭配，試驗次數(shù)過多，采用傳統(tǒng)物理實驗方法費時費力，理論分析難度較大，于是采用數(shù)值模擬正交試驗的方法。

本文按照正交試驗原理，設(shè)計數(shù)值模擬正交試驗，在SolidWorks軟件下進行相應(yīng)的三維建模；之后轉(zhuǎn)入Workbench CFX模塊下給定相應(yīng)約束條件，進行有限元分析計算，研究氣管接口類型、吸氣管口徑、吸盤厚度及吸盤真空度等對真空吸嘴平均流速的影響；把每一次的有限元計算作為一次試驗，將得到的結(jié)果進行記錄，并對全部結(jié)果進行直觀分析和方差分析，找出不同因素對于吸附能力影響重要性順序，確定優(yōu)秀的水平方案，并且根據(jù)試驗結(jié)果，對其結(jié)構(gòu)進行進一步的優(yōu)化設(shè)計，為提高整機播種性能提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗設(shè)計及結(jié)果分析

1.1 試驗設(shè)計

本試驗采用3水平4因素的正交表，可供選擇的正交表是L9(34)和L27(34)，由于不考慮因素間的交互作用，因此要盡可能的減少試驗次數(shù)，采用L9(34)，只做9次試驗，如表1所示。真空度水平依據(jù)氣泵所能達到的絕對真空度的壓力值范圍來確定，吸氣管口徑及吸盤厚度均由相關(guān)研究參數(shù)來確定。氣管接口類型如圖1所示。根據(jù)之前設(shè)計的正交試驗表進行不同的水平組合，利用SolidWorks進行建模，轉(zhuǎn)入Workbench CFX模塊下進行有限元計算。計算標準為吸嘴口的平均流速，流速越大，則證明吸嘴的吸附性能越好。試驗設(shè)計方案以及仿真試驗結(jié)果如表2所示。

表1 吸種盤正交試驗因素表

(a) 單孔型

(b) 雙孔型

(c) 單孔接雙孔型

水平氣管接口類型吸氣管口徑/mm吸種盤厚度/mm真空度/kPa吸嘴口平均流速/m·s-111206057．32130701022．73140801540．84220701525．4523080530．46240601080．4732080108．48330601523．2934070523．0

1.2 試驗數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理先采用直觀分析法，簡單計算各因素水平試驗結(jié)果的影響，如表3所示。Rj越大表明該因子對試驗指標作用越大，也越重要。根據(jù)表3中按極差Rj的大小選取各因子的重要性，通過比較得出吸種盤厚度的影響因素最小。

采用方差分析法。由于正交試驗設(shè)計中沒有進行重復(fù)試驗且無空白項，所以取其中影響因素最小的一項作為誤差估計。由表3可知：吸盤厚度對于吸嘴平均流速影響最小，因此該項作為誤差分析，用于檢驗其它因素作用的顯著性。利用數(shù)理統(tǒng)計軟件SPSS進行處理，得到方差分析結(jié)果如表4所示。

表3 直觀分析計算數(shù)據(jù)

表4 方差分析結(jié)果

1.3 試驗結(jié)果分析

由表3、表4可知：通過比較得出因子重要性大小順序為B吸氣管口徑>A氣管接口類型>D真空度>C吸種盤厚度。最優(yōu)搭配方案的選取結(jié)果為B3A2D2C1。吸氣口接口類型，孔徑及真空度為主要影響因素，吸種盤厚度對吸嘴口流速影響很小。

由圖2可看出：單孔靠近氣室入口的部位流速較高，通過的氣流量大；在距離吸氣口相對較遠的地方，流速較小，流速值相差較多。吸氣口接口類型為單孔接雙孔或雙孔類型的吸種盤流場分布都較單孔均勻，且雙孔類型吸種盤吸嘴流速較大，優(yōu)先選用雙孔類型的吸種盤。

圖2 吸種盤流場分布云圖

2 吸種盤的優(yōu)化與分析

由圖3明顯可以看出：在吸種盤直角邊處有渦流產(chǎn)生，對于吸種盤最外圍的吸嘴的氣體流速及穩(wěn)定性具有一定的影響。

圖3 試驗6吸種盤流場分布云圖及流線圖

考慮將矩形吸盤氣室腔體盡可能改小，減小吸嘴與吸氣口的距離及渦流產(chǎn)生的空間，從而減小渦流的產(chǎn)生。氣室過大有可能會造成漏氣現(xiàn)象，影響流量和真空度，從而影響吸嘴的吸附性能。同時，應(yīng)將矩形吸盤的的邊角做圓形設(shè)計，使氣流經(jīng)過吸種盤邊角時可以更平緩，以減少氣室渦流的產(chǎn)生，從而使吸嘴氣流更加穩(wěn)定、通暢、均勻。

更改后的吸種盤對吸嘴的吸附性能是否有影響，可通過有限元仿真進行數(shù)值模擬對比，以進一步對吸種盤進行優(yōu)化設(shè)計。

2.1 模型的建立與仿真

以試驗6模型為基礎(chǔ)，縮小氣室腔體尺寸，更改后吸盤的尺寸為480mm(長)×220mm(寬)×60mm(高)。利用SolidWorks進行建模，分別對常見的矩形吸盤、圓形吸盤及帶圓角的矩形吸盤進行建模(見圖4)，之后轉(zhuǎn)入workbench CFX模塊進行有限元分析。假設(shè)吸嘴口流速均勻，所有壁面施加無滑移邊界條件。吸嘴口環(huán)境選擇壓力為一個大氣壓，即101kPa，出口壓力為真空度10kPa，絕對壓力為91kPa，吸嘴口孔徑為4mm，帶圓角的矩形吸盤的圓角為30mm。

(a) 矩形吸盤

(b) 帶圓角的矩形吸盤

(c) 圓頂形吸盤

2.2 仿真分析結(jié)果

通過仿真試驗可知：3種吸盤的吸嘴口平均流速差異不大(見表5)，故吸盤的形狀對于吸嘴的吸附性能影響很小。

表5 仿真計算結(jié)果

由圖5可知：3種形狀的吸盤的流場穩(wěn)定性都較試驗6模型有了提高，渦流現(xiàn)象已經(jīng)大為改觀，但矩形吸盤的直邊角處仍有渦流的產(chǎn)生，圓形吸種盤以及帶圓角的吸種盤內(nèi)氣流流道清晰，基本無渦流產(chǎn)生。考慮矩形吸盤加工較為方便，故優(yōu)先選擇將矩形吸盤的邊角做圓形設(shè)計，以減少氣室渦流的產(chǎn)生，從而使吸嘴氣流更暢通，均勻。

(a) 帶圓角的矩形吸盤

(b) 矩形吸盤

(c) 圓頂形吸盤

3 結(jié)論

1)通過比較得出因子重要性大小順序為B吸氣管口徑>A氣管接口類型>D真空度>C吸種盤厚度。其中，孔徑、吸氣口接口類型及真空度為主要影響因素，吸種盤厚度對吸嘴口流速影響很小。

2)相同孔徑的情況下，吸氣口為雙孔的吸種盤不僅吸嘴可以增加流速，而且雙孔類型的吸種盤流場分布都較單孔均勻，吸附效果更加穩(wěn)定。

3)同等條件下，圓頂形吸盤與矩形吸盤及帶圓角

的矩形吸盤吸嘴處的平均流速幾乎相同；但矩形吸盤的直角邊處會產(chǎn)生渦流，而圓頂形吸盤與帶圓角的矩形吸盤的渦流很小，由于圓頂形吸盤相對難加工，所以優(yōu)先選擇帶圓角的矩形吸盤。

4)基于CFX軟件的吸盤流場數(shù)值模擬正交試驗是一種快捷、直觀的研究方法，與傳統(tǒng)測點試驗研究方法相比，能夠大幅度提高試驗研究效率和精度。

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Flow Field Simulation Test and Optimization of Plate of Tray Seeder

Du Ren, Liu Zhao, Jiao Yingjia, Feng Weina

(College of Mechanical and Electrial Engineering,North China Institute of Aerospace Induety,Langfang 065000,China)

Tray seeder is regarded as the core equipment of industrial seeding technique, and the plate is one of the key institutions. its shape and the internal air chamber flow field of tray seeder suction seed metering has a significant impact In this paper, we design a numerical simulation orthogonal experiment, using SolidWorks to carry out 3D modeling. Use CFX Workbench to simulate numerically. The calculation results are analyzed by using SPSS. And optimize the shape of sucker. The optimization results show that the stability of the air flow is further improved, which provides a technical basis for the design of the suction plate.

tray seeder；plate；simulation experimental；optimum design

2016-04-05

河北省教育廳重點項目( ZD2014103) ; 北華航天工業(yè)學(xué)院科研創(chuàng)新項目(YKY201502)

杜 韌( 1960-) 男，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，教授，碩士，(E-mail)duren3118@sohu.com。

劉 昭(1992.-)男，河北張家口人，碩士研究生，(E-mail)wolll-123@163.com。

S232.2;S220.3

A

1003-188X(2017)07-0148-05