穴盘播种机吸盘流场性能仿真试验与优化

杜 韧，刘 昭，焦莹佳，冯伟娜

(北华航天工业学院 机电工程学院，河北 廊坊 065000)



穴盘播种机吸盘流场性能仿真试验与优化

杜 韧，刘 昭，焦莹佳，冯伟娜

(北华航天工业学院 机电工程学院，河北 廊坊 065000)

穴盘播种机械是工厂化育苗的关键环节，在工厂化育苗过程中占据重要地位，而吸种盘则是其关键机构之一，其形状机构以及其内部气室的流场对播种机的吸种排种具有显著影响。为此，本文设计数值模拟正交试验，利用SolidWorks进行三维建模、workbench CFX 模块进行仿真计算、spss对计算结果进行分析，并对吸盘的形状进行优化设计。优化结果表明：气流的稳定性进一步提高，为吸种盘的设计提供了技术依据。

穴盘播种机；吸种盘；仿真试验；优化设计

0 引言

吸盘是穴盘播种机实现高效精密播种的关键部件。吸盘内腔用来容纳气体，对吸嘴起到稳定气流及控制流速的作用，对于吸嘴的吸附能力起到至关重要的作用。本文将研究气管接口类型/吸气管口径、吸盘厚度及吸盘真空度等对穴盘播种的吸附性能的影响。由于影响因素众多，如果将4个因素的各个水平进行全面搭配，试验次数过多，采用传统物理实验方法费时费力，理论分析难度较大，于是采用数值模拟正交试验的方法。

本文按照正交试验原理，设计数值模拟正交试验，在SolidWorks软件下进行相应的三维建模；之后转入Workbench CFX模块下给定相应约束条件，进行有限元分析计算，研究气管接口类型、吸气管口径、吸盘厚度及吸盘真空度等对真空吸嘴平均流速的影响；把每一次的有限元计算作为一次试验，将得到的结果进行记录，并对全部结果进行直观分析和方差分析，找出不同因素对于吸附能力影响重要性顺序，确定优秀的水平方案，并且根据试验结果，对其结构进行进一步的优化设计，为提高整机播种性能提供技术依据。

1 试验设计及结果分析

1.1 试验设计

本试验采用3水平4因素的正交表，可供选择的正交表是L9(34)和L27(34)，由于不考虑因素间的交互作用，因此要尽可能的减少试验次数，采用L9(34)，只做9次试验，如表1所示。真空度水平依据气泵所能达到的绝对真空度的压力值范围来确定，吸气管口径及吸盘厚度均由相关研究参数来确定。气管接口类型如图1所示。根据之前设计的正交试验表进行不同的水平组合，利用SolidWorks进行建模，转入Workbench CFX模块下进行有限元计算。计算标准为吸嘴口的平均流速，流速越大，则证明吸嘴的吸附性能越好。试验设计方案以及仿真试验结果如表2所示。

表1 吸种盘正交试验因素表

(a) 单孔型

(b) 双孔型

(c) 单孔接双孔型

水平气管接口类型吸气管口径/mm吸种盘厚度/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 试验数据处理

数据处理先采用直观分析法，简单计算各因素水平试验结果的影响，如表3所示。Rj越大表明该因子对试验指标作用越大，也越重要。根据表3中按极差Rj的大小选取各因子的重要性，通过比较得出吸种盘厚度的影响因素最小。

采用方差分析法。由于正交试验设计中没有进行重复试验且无空白项，所以取其中影响因素最小的一项作为误差估计。由表3可知：吸盘厚度对于吸嘴平均流速影响最小，因此该项作为误差分析，用于检验其它因素作用的显著性。利用数理统计软件SPSS进行处理，得到方差分析结果如表4所示。

表3 直观分析计算数据

表4 方差分析结果

1.3 试验结果分析

由表3、表4可知：通过比较得出因子重要性大小顺序为B吸气管口径>A气管接口类型>D真空度>C吸种盘厚度。最优搭配方案的选取结果为B3A2D2C1。吸气口接口类型，孔径及真空度为主要影响因素，吸种盘厚度对吸嘴口流速影响很小。

由图2可看出：单孔靠近气室入口的部位流速较高，通过的气流量大；在距离吸气口相对较远的地方，流速较小，流速值相差较多。吸气口接口类型为单孔接双孔或双孔类型的吸种盘流场分布都较单孔均匀，且双孔类型吸种盘吸嘴流速较大，优先选用双孔类型的吸种盘。

图2 吸种盘流场分布云图

2 吸种盘的优化与分析

由图3明显可以看出：在吸种盘直角边处有涡流产生，对于吸种盘最外围的吸嘴的气体流速及稳定性具有一定的影响。

图3 试验6吸种盘流场分布云图及流线图

考虑将矩形吸盘气室腔体尽可能改小，减小吸嘴与吸气口的距离及涡流产生的空间，从而减小涡流的产生。气室过大有可能会造成漏气现象，影响流量和真空度，从而影响吸嘴的吸附性能。同时，应将矩形吸盘的的边角做圆形设计，使气流经过吸种盘边角时可以更平缓，以减少气室涡流的产生，从而使吸嘴气流更加稳定、通畅、均匀。

更改后的吸种盘对吸嘴的吸附性能是否有影响，可通过有限元仿真进行数值模拟对比，以进一步对吸种盘进行优化设计。

2.1 模型的建立与仿真

以试验6模型为基础，缩小气室腔体尺寸，更改后吸盘的尺寸为480mm(长)×220mm(宽)×60mm(高)。利用SolidWorks进行建模，分别对常见的矩形吸盘、圆形吸盘及带圆角的矩形吸盘进行建模(见图4)，之后转入workbench CFX模块进行有限元分析。假设吸嘴口流速均匀，所有壁面施加无滑移边界条件。吸嘴口环境选择压力为一个大气压，即101kPa，出口压力为真空度10kPa，绝对压力为91kPa，吸嘴口孔径为4mm，带圆角的矩形吸盘的圆角为30mm。

(a) 矩形吸盘

(b) 带圆角的矩形吸盘

(c) 圆顶形吸盘

2.2 仿真分析结果

通过仿真试验可知：3种吸盘的吸嘴口平均流速差异不大(见表5)，故吸盘的形状对于吸嘴的吸附性能影响很小。

表5 仿真计算结果

由图5可知：3种形状的吸盘的流场稳定性都较试验6模型有了提高，涡流现象已经大为改观，但矩形吸盘的直边角处仍有涡流的产生，圆形吸种盘以及带圆角的吸种盘内气流流道清晰，基本无涡流产生。考虑矩形吸盘加工较为方便，故优先选择将矩形吸盘的边角做圆形设计，以减少气室涡流的产生，从而使吸嘴气流更畅通，均匀。

(a) 带圆角的矩形吸盘

(b) 矩形吸盘

(c) 圆顶形吸盘

3 结论

1)通过比较得出因子重要性大小顺序为B吸气管口径>A气管接口类型>D真空度>C吸种盘厚度。其中，孔径、吸气口接口类型及真空度为主要影响因素，吸种盘厚度对吸嘴口流速影响很小。

2)相同孔径的情况下，吸气口为双孔的吸种盘不仅吸嘴可以增加流速，而且双孔类型的吸种盘流场分布都较单孔均匀，吸附效果更加稳定。

3)同等条件下，圆顶形吸盘与矩形吸盘及带圆角

的矩形吸盘吸嘴处的平均流速几乎相同；但矩形吸盘的直角边处会产生涡流，而圆顶形吸盘与带圆角的矩形吸盘的涡流很小，由于圆顶形吸盘相对难加工，所以优先选择带圆角的矩形吸盘。

4)基于CFX软件的吸盘流场数值模拟正交试验是一种快捷、直观的研究方法，与传统测点试验研究方法相比，能够大幅度提高试验研究效率和精度。

[1] 李建华.气吸振动盘式精密播种装置吸种部件的优化与试验[D].镇江：江苏大学,2014.

[2] 董春旺,毛树春,冯璐，等.盘吸式播种机吸盘流场性能分析与优化[J].中国农机化,2011,(2):64-66,82.

[3] 董春旺,胡斌,毛树春，等.盘吸式播种机吸嘴流场性能的分析[J].石河子大学学报：自然科学版,2010,28(5):636-639.

[4] 陈进,李耀明,王希强，等.气吸式排种器吸孔气流场的有限元分析[J].农业机械学报,2007,38(9):59-62.

[5] 董春旺.棉花穴盘育苗精量播种机理论分析与结构优化[D]. 石河子：石河子大学,2009.

[6] 王亚超.基于pro/E的小型花生播种机的实体设计与仿真[D].泰安：山东农业大学,2012.

[7] 刘彩玲,宋建农,张广智，等.气吸式水稻钵盘精量播种装置的设计与试验研究[J].农业机械学报,2005,36(2):43-46.

[8] 苗振坤,刘明刚.气吸式林木穴盘播种机结构研究与设计[J].林业机械与木工设备,2013,(7):17-19.

[9] To rr P, M urray D. The development and comparison ofrobust methods fo r est imat ing the fundamental mat rix[J].Intemat ional Journal of Computer V ision,1997,24(3)：271-300.

[10] Guarella P, Pellerano A, Pascuzzi S. Experimental and theoretical performance of a vacuum seeder nozzle for vegetable Seeds[J]．Journal of Agriculture Engineering Research，1996,64：29-36.

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

河北省教育厅重点项目( ZD2014103) ; 北华航天工业学院科研创新项目(YKY201502)

杜 韧( 1960-) 男，内蒙古呼伦贝尔人，教授，硕士，(E-mail)duren3118@sohu.com。

刘 昭(1992.-)男，河北张家口人，硕士研究生，(E-mail)wolll-123@163.com。

S232.2;S220.3

A

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