精播水稻芽种排种器充填性能试验研究

精播水稻芽种排种器充填性能试验研究

种子排种器及直播机械水稻播种技术不需要种子育种设备。由于种植和育苗等复杂过程，最近发展迅速。但现有水稻直播机械的排种器仍沿用传统的外槽轮式,此类排种器用于播种水稻种子,易出现播种不均匀、种子破碎率高等问题。因此目前急需研制适应水稻种子性状并满足直播农艺要求的新型排种器以及先进适用的水稻直播机械。气吸式排种器对种子的适应性强、可靠性高、伤种率低,且能适应较高的作业速度,是大豆、玉米等作物精密播种较为理想的排种器。但其用于水稻芽种直播种植尚未见报道。本文以气吸式垂直圆盘排种器为研究对象,采用ANSYS软件对水稻芽种在充种过程中的流场进行了模拟;并利用高速摄像技术,试验研究了精播水稻芽种排种器的充填过程,为完善水稻芽种排种器设计理论和排种器设计奠定了基础。1气室真空度的影响排种器气室内真空度直接影响到排种性能,试验发现,排种盘吸种孔孔径大小对所需的气室真空度影响很大。高速摄像分析表明,孔径和孔数不同,种子在排种盘上的姿态不同,它将直接影响到排种性能。这说明孔径不同,气室流场也不同。因此,有必要分析排种器气室内流场,找到适于水稻芽播的最佳流场及对应的孔径。1.1排种盘、清种设计的水稻芽播气吸式排种器结构如图1所示。搅种轮安装到排种盘上,排种盘将气室与种子室分开,传动机构通过链轮带动排种盘转动。排种器工作时,风机使气室内产生一定的真空度,在排种盘两侧形成一定的压差,将种子室内的种子吸附到排种盘的吸孔上。种子随排种盘转动,在清种装置处只剩下一粒种子,清除掉的多余种子回落到种子室内。当排种盘上的种子运动到排种口时,负压消失,种子在重力作用下投出。有的种子在推种器推动下落下,完成投种过程。1.2边界条件及流体模型为分析方便,从排种器气室内流场中取出一小微元(质点)作为研究对象。根据质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律,得到流体流动方程。在直角坐标系中,根据微元体的纯流入量必须等于微元体内质量的增量,得到连续方程∂ρ∂t+∂(ρvx)∂x+∂(ρvy)∂y+∂(ρvz)∂z=0(1)∂ρ∂t+∂(ρvx)∂x+∂(ρvy)∂y+∂(ρvz)∂z=0(1)式(1)中的第一项密度变化可用压力变化替代∂ρ∂t=∂ρ∂p∂p∂t∂ρ∂t=∂ρ∂p∂p∂t根据牛顿第二定律得欧拉运动方程⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪Fx−1ρ∂p∂x=∂vx∂t+∂vx∂xvx+∂vx∂yvy+∂vx∂zvzFy−1ρ∂p∂y=∂vy∂t+∂vy∂xvx+∂vy∂yvy+∂vy∂zvzFz−1ρ∂p∂z=∂vz∂t+∂vz∂xvx+∂vz∂yvy+∂vz∂zvz(2){Fx-1ρ∂p∂x=∂vx∂t+∂vx∂xvx+∂vx∂yvy+∂vx∂zvzFy-1ρ∂p∂y=∂vy∂t+∂vy∂xvx+∂vy∂yvy+∂vy∂zvzFz-1ρ∂p∂z=∂vz∂t+∂vz∂xvx+∂vz∂yvy+∂vz∂zvz(2)式中vx、vy、vz——质点速度在x、y、z方向的分量Fx、Fy、Fz——质量力在x、y、z方向的分量ρ——流体的密度p——流体的压力采用ANSYS6.1有限元软件的流体模块对上述方程求解。利用运动方程,根据初始压力分布得出速度场,然后用连续方程得到新的压力场,由此形成迭代过程。常温下,空气密度为1.205kg/m3,粘性系数为1.8×10-5Pa·s,水力直径为0.04m。假设气室入口处(如图2中1区)流速为1.2m/s(实测气体流速为0.894～1.342m/s),计算得雷诺数Re=5355>2300,因此确定气室内是湍流,所以应激活湍流模型。假设流体为定常、连续、不可压缩,进口速度均匀。在内壁面上无滑移边界条件(即所有速度分量都为零),流体的密度和粘度为常温值。入口边界条件:采用湍流动能k和湍流粘性耗散率ε缺省值k=ε=0.01,在入口处沿x方向(如图2)给定速度1.2m/s进行分析。在y方向速度为零,其他所有的管壁x、y方向速度均为零。出口边界条件:出口处所有壁面压力均为零。1.3计算与分析(1)种子速度随高度的变化由流场计算结果得速度矢量如图2所示,不同色块表示不同速度的等值线图标,每个等值线图标代表速度的一定范围,以区分其变化。可以看出,在气室入口处(1区),速度较大,由于排种盘及种子阻力的作用,速度越来越小,在吸种区(2区)速度稍大于投种区,到排种盘的投种区(3区)速度达到最小,这有利于种子在自重的作用下下落。在入口与气室(4区)相联接处,有明显的涡流现象,排种盘吸孔(2区和3区)的边缘处也有涡流现象,涡流区的速度较小。(2)压力小的等值线图由速度分布规律可以预见压力分布规律,气室内压力分布见图3,不同的色块表示不同压力大小的等值线图标,每个等值线图标代表压力的一定范围,以区分压力变化。可以看到,在气室入口(1区)真空压力最大;在气室内(4区)真空压力分布比较均匀,这有利于吸种均匀性;在吸种口处(2区)的真空压力稍高于投种口(3区),这有利于在吸种区吸种、在投种区投种。(3)孔径对气吸式排种器的影响首先,确定排种器测压点的范围(图2中2区即吸种区x方向);然后在有限元模型上选取包含测压点在内的压力分布区域,通过选取相同的坐标点来比较压力分布情况。从图4b中可看出,吸孔孔径为2.3mm时,气室内的气流比较稳定,压力分布比较均匀,这有利于吸种的均匀性。气吸式排种器要求吸取单粒,并且不希望吸得过紧,以免刮种时造成困难。可见,保持气流参数在小范围内变动,是气吸式排种器的要求。孔径为2.3mm时,其孔径大小与种子几何特性相符,这使漏气量减小,孔内气流搅动小,其后部产生的涡流区小,此时气室内的气流较稳定。而2mm孔径和2.8mm孔径的压力分布曲线变化梯度较大(图4a、4c),气流不稳定,对吸种的均匀性有很大的影响。2生产力试验排种性能试验在吉林大学PSJ排种器性能试验台上进行。该试验台主要由播种传送带、土槽、试验台车、气力系统、试验台电控柜等部分组成。2.1真空度的影响排种器气室内真空度是种子能否顺利地吸附到吸孔上的决定性参数,其值过大或过小都将严重影响排种性能。真空度过小,吸力不足,漏播指数增大;真空度过大,每孔吸附不止一粒,重播指数增大。因此有必要研究真空度对排种性能的影响规律。在试验台上对54孔、孔径2.3mm的排种盘,在转速28r/min工况下进行排种性能试验,每次取样本250个粒距,重复3次,取其平均数作为指标值,结果见表1。从表1中看出,随着真空度的下降,合格指数和重播指数呈下降趋势,漏播指数呈上升趋势。真空度在2～3.51kPa之间时合格指数在80%以上。2.2孔径对合格指数和漏播指数的影响在真空度不变的条件下,随吸种孔径的增大,排种性能提高,当孔径达到一定值后,因漏气量增加而使排种性能下降。为确定最佳吸孔直径,选择孔数为48,孔径d分别为2.0、2.3、2.5、2.8mm的4个排种盘,在真空度3.24kPa、转速32r/min的工况条件下,通过高速CCD摄像机观察排种盘上的吸种情况。对于每个孔径随机取数段图像,并计算出吸种与漏种平均值作为指标值,孔径对合格指数和漏播指数的影响规律如图5所示。由图5可见,气吸式排种盘吸孔直径对水稻芽播的性能影响极大。随着吸孔的增大,对种子吸附截面与吸力增大,吸种能力提高,漏播下降。但当孔径增大到2.3mm以后,随着吸孔的继续增大,吸种能力反而下降,漏播指数逐渐增大。孔径对合格指数的影响规律可用回归方程表示η=87.3087-3.7963x-0.7437x2+0.1913x3(3)孔径对漏播指数的影响规律可用回归方程表示Ψ=3.4483+0.6178x+0.1867x2-0.0328x3(4)其中x=(d-2.4)/0.1试验结果表明,气吸式排种盘吸孔直径对水稻芽播性能影响显著,最佳值可取2.3mm。2.3转速对合格指数和漏播指数的影响排种盘转速是制约播种机工作速度的一个重要因素。提高排种盘转速可以提高投种频率以达到提高工作效率的目的。但随着排种盘转速的提高,种子充填时间逐渐缩短,当转速达到一定值后,即使在较高的真空度下,吸种状况也会发生恶化。因此,应在极限转速范围内合理地调节真空度以达到最佳的排种性能。选择吸孔直径为2.3mm、54孔的排种盘,为了消除漏吸的影响,在较高真空度(4.37kPa)下,通过高速摄像机观察排种盘上吸种(充填)的情况。每个转速随机取数段图像,计算其平均值作为指标值,并与其对应的实测值进行比较,转速对合格指数和漏播指数的影响规律如图6所示。高速摄像统计数据表明,当排种孔线速度达到0.56m/s(排种盘转速62r/min)时,充填性能仍较好(在清种前观测),此时合格指数85.89%,漏播指数2.67%,超过通常认为的极限速度0.35m/s。此时在传送带上实测的合格指数为76.43%,漏播指数为8.56%,两者之间有一定的差异。由于转速很高,因此对伤芽率也进行了检测。用量杯随机提取3次排种器排出的种子,每次取100mL,测定的平均胚芽损伤率低于5%。对没有伤芽与伤芽的种子也做了出苗对比试验,测定结果为伤芽的种子晚出苗1～2d。出苗情况表明,伤芽对种子出苗有一定的影响,因此,需要控制芽的损伤,最好的方法就是控制胚芽的长度。催芽至种子破胸露白,一般在1.5mm以下为宜,此时胚芽较粗壮,不易损伤。3排种器真空度对排种量的影响(1)排种器气室内流场模型的模拟结果与试验基本相符,表明可采用ANSYS6.1有限元软件的流体模块对其进行流场分析与性能预测。(2)真空度是影响充种过程最重要的因素,其过大或