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气吹式三七精密排种器充填性能的仿真与试验

刘素, 赖庆辉, 董家宇, 曹秀龙

刘素, 赖庆辉, 董家宇, 等. 气吹式三七精密排种器充填性能的仿真与试验[J]. 华南农业大学学报, 2019, 40(3): 125-132. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.201806023
引用本文: 刘素, 赖庆辉, 董家宇, 等. 气吹式三七精密排种器充填性能的仿真与试验[J]. 华南农业大学学报, 2019, 40(3): 125-132. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.201806023
LIU Su, LAI Qinghui, DONG Jiayu, et al. Simulation and experiment of air-blowing precision seed-metering device for Panax notoginseng[J]. Journal of South China Agricultural University, 2019, 40(3): 125-132. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.201806023
Citation: LIU Su, LAI Qinghui, DONG Jiayu, et al. Simulation and experiment of air-blowing precision seed-metering device for Panax notoginseng[J]. Journal of South China Agricultural University, 2019, 40(3): 125-132. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.201806023

气吹式三七精密排种器充填性能的仿真与试验

基金项目: 国家自然科学基金(51305187);云南省重大科技专项(2016ZF001,2017ZF001);国家重点研发计划项目(2017YFD0700600,2017YFD0700604);云南省重大科技专项计划(2018ZC001-3,2018ZC001-4,2018ZC001-5)
详细信息
    作者简介:

    刘素(1991—),女,硕士研究生,E-mail:1390103954@qq.com

    通讯作者:

    赖庆辉(1980—),男,副教授,博士,E-mail: laiqinghui007@163.com

  • 中图分类号: S223.2

Simulation and experiment of air-blowing precision seed-metering device for Panax notoginseng

  • 摘要:
    目的 

    为了满足三七Panax notoginseng的机械化种植需求,减少机械式清种过程中对种子造成的损伤,设计了一种适用于播种三七种子的气吹式精密排种器。

    方法 

    确定了排种器的主要结构参数,并建立了清种过程中的力学模型。通过建立排种器内部流场模型,运用Fluent软件对不同清种风压条件下流场进行仿真分析,验证了清种风压范围。为了检验仿真确定的风压范围的可行性并寻求最佳工作参数组合,选取合格指数、漏播指数和重播指数作为试验指标,作业速度、种层高度、清种风压作为试验影响因素,采用正交试验方法,对排种器进行了台架试验研究。

    结果 

    最优参数组合:作业速度为0.6 m/s、种层高度为90 mm、清种风压为0.5 kPa,此时试验合格指数为90.48,漏播指数为4.24,重播指数为5.28。

    结论 

    该气吹式排种器能够满足三七的播种要求,为进行排种器的田间试验提供了参考。通过试验结果与之前仿真分析的过程对比,清种风压变化对于排种器充填性能的影响一致,验证了利用Fluent模拟确定清种风压的可行性。

    Abstract:
    Objective 

    A novel kind of air-blowing precision seed-metering device was designed in order to fulfill the mechanized planting needs of Panax notoginseng and reduce seed damage in the process of mechanical seeding.

    Method 

    The main structural parameters of the seed-metering device were determined. The mechanical model in seed clearing process was established. The internal flow field model of the seed-metering device was established, Fluent software was used to simulate the flow field under different air-blowing pressure, and the range of air-blowing pressure for seed clearing was verified. We used orthogonal design and performed bench test to further examine the feasibility of the range of air-blowing pressure and find out the optimal combination of working parameters. Eligible index, leakage sowing index and repeat sowing index were selected as experimental indexes. Operating speed, seed layer height and air-blowing pressure were selected as the influencing factors in the test.

    Result 

    The optimal combination of parameters was the operating speed of 0.6 m/s, seed layer height of 90 mm and air-blowing pressure of 0.5 kPa. Under these conditions, the qualified index was 90.48, the leakage sowing index was 4.24, and the repeat sowing index was 5.28.

    Conclusion 

    The air-blowing seed-metering device can meet the requirements of Panax notoginseng seeding. This study provides a theoretical basis for the field experiment of the seed-metering device. Comparison between the test results and the simulation analysis indicates that the influence of air-blowing pressure changes on the filling performance of the seed-metering device is consistent, and Fluent simulation is feasible for determining the air-blowing pressure for seed clearing.

  • 图  1   三七气吹式排种器结构示意图

    1:排种轴,2:排种轮,3:壳体,4:型孔,5:清种气嘴,6:风管接口,7:进种管,8:种层高度调节板,9:充种室,10:投种口

    Figure  1.   Structure diagram of air-blowing seed-metering device for Panax notoginseng

    1:Seeding shaft,2:Seeding wheel,3:Shell,4:Type hole,5:Seed clearing nozzle,6:Duct interface,7:Seed tube,8:Seed height adjustment plate,9:Seed filling room,10:Seeding port

    图  2   排种轮结构参数示意图

    D:排种轮直径,ω:排种轮角速度,ξ:充种角,τ:清种角,ψ:护种角,φ:投种角

    Figure  2.   Schematic of structural parameters of seeding disc

    D:Diameter of the seeding wheel,ω:Angular velocity of the seeding wheel,ξ:Seed filling angle,τ:Seed clearing angle,ψ:Seed protecting angle,φ:Seed throwing angle

    图  3   型孔结构示意图

    d1:型孔上端直径,d2:型孔下端直径,h:型孔深度

    Figure  3.   Structure diagram of type hole

    d1:Diameter of the upper end of type hole, d2:Diameter of the lower end of type hole, h:Depth of type hole

    图  4   清种区种子受力简化模型

    Fq:种子受到的清种压力,Fl:惯性离心力,FN:型孔侧面对种子的支持力,Ff:种子与型孔侧面的摩擦力,α:压力Fqx轴的夹角,β:y轴与水平面夹角,δ:摩擦力Ff与y轴的夹角,ε:型孔锥角,ω:排种轮角速度,G:种子的重力,O:排种轮转动中心,1、2:种子

    Figure  4.   Simplified model of force on the seed in seed clearing zone

    Fq: Air-blowing force on the seed, Fl: Inertial centrifugal force, FN: Supporting force on the side of type hole, Ff: Friction force between the seed and the side of type hole, α: Angle between Fq and x-axis, β: Angle between y-axis and the horizontal plane, δ: Angle between Ff and y-axis, ε: Cone angle of the type hole, ω: Angular velocity of the seeding wheel, G: Seed gravity, O: Rotation center of the seeding wheel, 1 and 2: Seed

    图  5   不同清种风压下排种器内部流场模拟

    Figure  5.   Simulation of internal flow field in the seed-metering device under different air-blowing pressure

    图  6   试验装置组成图

    1:气力管道,2:排种器,3:种床带,4:三七种子

    Figure  6.   Composition diagram of experimental device

    1:Pneumatic pipeline,2:Seed-metering device,3:Seed bed belt,4:Panax notoginseng seed

    表  1   排种性能试验因素与水平

    Table  1   Factors and levels of seeding performance test

    水平
    Level
    作业速度/(m·s–1)
    Operating
    speed
    种层高度/mm
    Seed layer
    height
    清种风压/kPa
    Air-blowing pressure
    1 0.4 50 0.4
    2 0.6 70 0.5
    3 0.8 90 0.6
    4 1.0 110 0.7
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    表  2   排种性能试验设计与结果

    Table  2   Design and result of seeding performance test

    试验序号
    Test No.
    因素 Factor 指标 Index
    作业速度
    Operating speed (A)
    种层高度
    Seed layer height (B)
    清种风压
    Air-blowing pressure (C)
    合格指数
    Eligible index
    漏播指数
    Leakage sowing index
    重播指数
    Repeat sowing index
    1 1 1 1 57.23 37.03 5.74
    2 1 2 2 76.49 18.52 4.99
    3 1 3 3 87.91 3.42 8.67
    4 1 4 4 68.63 12.16 19.21
    5 2 1 2 79.37 13.56 7.07
    6 2 2 1 79.43 14.74 5.83
    7 2 3 4 89.34 4.24 6.42
    8 2 4 3 82.52 3.53 13.95
    9 3 1 3 66.71 28.16 5.13
    10 3 2 4 70.45 27.32 2.23
    11 3 3 1 76.37 7.95 15.68
    12 3 4 2 69.72 3.34 26.94
    13 4 1 4 49.67 36.83 13.5
    14 4 2 3 67.52 23.95 8.53
    15 4 3 2 79.47 3.39 17.14
    16 4 4 1 55.45 8.12 36.43
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    表  3   排种性能试验结果的极差分析1)

    Table  3   Range analysis of seeding performance test result

    指标
    Index
    项目
    Item
    A B C
    合格指数
    Eligible
    index
    k1 72.565 63.245 67.120
    k2 82.665 73.472 76.263
    k3 70.813 83.273 76.165
    k4 63.028 69.080 69.523
    R 19.637 20.028 9.143
    漏播指数
    Leakage
    sowing index
    k1 17.782 28.895 16.960
    k2 9.018 21.133 9.703
    k3 16.693 4.750 14.765
    k4 18.073 6.787 20.137
    R 9.055 24.145 10.434
    重播指数
    Repeat
    sowing index
    k1 9.652 7.860 15.920
    k2 8.317 5.395 14.035
    k3 12.495 11.977 9.070
    k4 18.900 24.133 10.340
    R 10.583 18.738 6.850
     1) A、B 和 C 分别表示作业速度、种层高度和清种风压
     1) A, B and C represent operating speed, seed layer height and air blowing pressure, respectively
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    表  4   排种性能试验结果的方差分析1)

    Table  4   Variance analysis of seeding performance test result

    指标
    Index
    变异来源
    Variation source
    SS DF F
    合格指数
    Eligible
    index
    A 782.77 3 61.151**
    B 856.51 3 66.912**
    C 260.73 3 20.369**
    R 25.60 6
    漏播指数
    Leakage
    sowing index
    A 220.90 3 5.959*
    B 1 610.30 3 43.437**
    C 230.97 3 6.230*
    R 74.14 6
    重播指数
    Repeat
    sowing index
    A 265.84 3 11.454**
    B 829.99 3 35.762**
    C 121.53 3 5.236*
    R 46.42 6
     1) A、B、C 和 R 分别表示作业速度、种层高度、清种风压和残差;“*” 和 “**” 分别影响显著和极显著
     1) A, B, C and R represent operating speed, seed layer height, air blowing pressure and residual, respectively; “*” and “**” represent significant effects at 0.05 and 0.01 levels, respectively
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-06-17
  • 网络出版日期:  2023-05-17
  • 刊出日期:  2019-05-09

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