水稻精量旱直播机气力系统设计与试验研究

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本文在系统分析国内外现有水稻直播机及气力式排种器研究的基础上,分析影响排种器排种性能的因素,发现少有从系统的角度对整个气力系统的结构参数影响排种性能进行的研究,针对这一问题设计了一种包括气压源、配气管道、播种单体的气力系统,并分析了气力系统的工作原理;通过台架试验探究了气力系统的负压特性,对其影响排种规律进行了测试;运用CFD计算流体仿真软件对气力系统正负气压配气管道内气流场行仿真优化分析;通过对直播机的田间试验,分析田间试验后的排种性能,验证了气力系统的可行性。本文的主要研究内容如下:(1)设计研制了一种包括动力系统、气压源、配气管道、单体播种装置、支架在内的气力系统,完成了气力式水稻直播机的研制;分析了整个系统的动力传递路线及工作原理;通过理论分析确定了合理的气压源、管道布置方式;设计研制了一种单体播种装置。(2)在水稻直播机气力系统研制的基础上,搭建试验台架,利用气力系统试验平台对风机转速、排种盘转速和播种行数等因素进行试验,运用数理统计相关方法对试验数据进行整理,研究以上因素对排种器负压的影响规律,并评价其影响程度,建立风机总负压、排种器负压与风机转速、排种盘转速以及播种行数的关系模型,提供保证系统排种性能的参数匹配组合区域,同时对气力系统排种器排种量稳定性与各行排量一致性进行分析,主要结论如下:(1)研究得出HG-2200风机总负压在不同播种行数下随转速的变化规律;排种器负压随风机转速的增大而增大,随排种器数量的增多而减小;排种器负压随排种盘转动产生周期性的波动,随着排种盘转速的提高排种器的负压波动频率增大,排种盘转速对排种器负压均值影响不显著。台架排种试验表明,试验所采用的排种器排种量的稳定性在高转速的情况下比较差,各行排量一致性变异系数为2.10%~5.04%。(2)建立了风机总负压与风机转速、排种器数量(播种行数)的关系模型,决定系数为0.92,试验验证相对误差在-15.92%~12.12%以内,主要是由于不同的排种器在加工过程中相互之间存在一定误差引起的;根据不同的播种行数,分别建立了排种器负压与风机转速的关系模型,分别得到决定系数依次为0.96、0.97、0.97的回归方程,试验验证相对误差在-2.70%~5.40%以内,可以利用该模型直接计算在风机额定功率为2200W时,排种器达到设计平均负压值时所需的风机转速大小。(3)气力系统台架试验所构建的排种器负压模型验证了水稻旱直播机气力系统的可行性,在不同的播种行数下,所设计的气力系统均能够将风机的气流均匀分配给各行排种器,保证了各行排种器能在稳定的工作压力下工作,可以为气力系统的参数确定和实际生产提供指导。(3)基于CFD(Computational fluid dynamics)的仿真分析方法,利用ANSYS仿真软件对设计的气力系统进行建模,仿真区域以整个气力系统配气管道气流场建立物理模型,对其进行仿真分析。通过仿真试验的方法,对比配气管道的直径、进出口形状的不同及分流方式对配气管道进出口压强、速度损失的影响,得到最优的配气管道结构参数,对配气管道进行优化设计。试验得到,影响配气管道气压损失的因素主次顺序依次为主管道与支管道夹角α、分流方式、主管道直径;影响配气管道速度损耗的因素主次顺序依次为分流方式、主管道直径、主管道与支管道夹角α;最终确定最优的负压配气管道道采用Ⅰ型分流方式,主管直径D=50mm,夹角α确定为100度;确定最优的正压配气管道采用Ⅱ型的分流方式,主管直径D=50mm,夹角α确定为100度。(4)在完成水稻直播机研制的基础上,进行田间试验,运用数理统计的相关试验数据处理方法,对水稻直播机在田间播种之后的排种性能进行分析,试验得到:气力式水稻旱直播机田间试验播种平均合格率为72.36%,平均漏播率为16.93%,平均重播率为10.71%;播种平均穴距为153.19~185.91mm,穴距变异系数为14.76%~21.18%。直播机采用的是前期设计的气力系统,田间试验结果表明设计的气力系统能够为排种器提供足够的稳定负压,保证直播机的排种性能。
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