穴盤播種機(jī)吸盤流場(chǎng)性能仿真試驗(yàn)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(jī)電工程學(xué)院，河北 廊坊 065000)

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穴盤播種機(jī)吸盤流場(chǎng)性能仿真試驗(yàn)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(jī)電工程學(xué)院，河北 廊坊 065000)

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

穴盤播種機(jī)；吸種盤；仿真試驗(yàn)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

吸盤是穴盤播種機(jī)實(shí)現(xiàn)高效精密播種的關(guān)鍵部件。吸盤內(nèi)腔用來(lái)容納氣體，對(duì)吸嘴起到穩(wěn)定氣流及控制流速的作用，對(duì)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(duì)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(gè)因素的各個(gè)水平進(jìn)行全面搭配，試驗(yàn)次數(shù)過(guò)多，采用傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，理論分析難度較大，于是采用數(shù)值模擬正交試驗(yàn)的方法。

本文按照正交試驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)數(shù)值模擬正交試驗(yàn)，在SolidWorks軟件下進(jìn)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(jìn)行有限元分析計(jì)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(duì)真空吸嘴平均流速的影響；把每一次的有限元計(jì)算作為一次試驗(yàn)，將得到的結(jié)果進(jìn)行記錄，并對(duì)全部結(jié)果進(jìn)行直觀分析和方差分析，找出不同因素對(duì)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(yàn)結(jié)果，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為提高整機(jī)播種性能提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)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(yàn)次數(shù)，采用L9(34)，只做9次試驗(yàn)，如表1所示。真空度水平依據(jù)氣泵所能達(dá)到的絕對(duì)真空度的壓力值范圍來(lái)確定，吸氣管口徑及吸盤厚度均由相關(guān)研究參數(shù)來(lái)確定。氣管接口類型如圖1所示。根據(jù)之前設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)表進(jìn)行不同的水平組合，利用SolidWorks進(jìn)行建模，轉(zhuǎn)入Workbench CFX模塊下進(jìn)行有限元計(jì)算。計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)設(shè)計(jì)方案以及仿真試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 吸種盤正交試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理先采用直觀分析法，簡(jiǎn)單計(jì)算各因素水平試驗(yàn)結(jié)果的影響，如表3所示。Rj越大表明該因子對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)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(guò)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(yàn)設(shè)計(jì)中沒(méi)有進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)且無(wú)空白項(xiàng)，所以取其中影響因素最小的一項(xiàng)作為誤差估計(jì)。由表3可知：吸盤厚度對(duì)于吸嘴平均流速影響最小，因此該項(xiàng)作為誤差分析，用于檢驗(yàn)其它因素作用的顯著性。利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件SPSS進(jìn)行處理，得到方差分析結(jié)果如表4所示。

表3 直觀分析計(jì)算數(shù)據(jù)

表4 方差分析結(jié)果

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由表3、表4可知：通過(guò)比較得出因子重要性大小順序?yàn)锽吸氣管口徑>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(duì)吸嘴口流速影響很小。

由圖2可看出：?jiǎn)慰卓拷鼩馐胰肟诘牟课涣魉佥^高，通過(guò)的氣流量大；在距離吸氣口相對(duì)較遠(yuǎn)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(yàn)6吸種盤流場(chǎng)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(guò)大有可能會(huì)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(shí)，應(yīng)將矩形吸盤的的邊角做圓形設(shè)計(jì)，使氣流經(jīng)過(guò)吸種盤邊角時(shí)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(duì)吸嘴的吸附性能是否有影響，可通過(guò)有限元仿真進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比，以進(jìn)一步對(duì)吸種盤進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 模型的建立與仿真

以試驗(yàn)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(zhǎng))×220mm(寬)×60mm(高)。利用SolidWorks進(jìn)行建模，分別對(duì)常見(jiàn)的矩形吸盤、圓形吸盤及帶圓角的矩形吸盤進(jìn)行建模(見(jiàn)圖4)，之后轉(zhuǎn)入workbench CFX模塊進(jìn)行有限元分析。假設(shè)吸嘴口流速均勻，所有壁面施加無(wú)滑移邊界條件。吸嘴口環(huán)境選擇壓力為一個(gè)大氣壓，即101kPa，出口壓力為真空度10kPa，絕對(duì)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(guò)仿真試驗(yàn)可知：3種吸盤的吸嘴口平均流速差異不大(見(jiàn)表5)，故吸盤的形狀對(duì)于吸嘴的吸附性能影響很小。

表5 仿真計(jì)算結(jié)果

由圖5可知：3種形狀的吸盤的流場(chǎng)穩(wěn)定性都較試驗(yàn)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(wú)渦流產(chǎn)生?？紤]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(jì)，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(guò)比較得出因子重要性大小順序?yàn)锽吸氣管口徑>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(duì)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(chǎng)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(huì)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(duì)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(chǎng)數(shù)值模擬正交試驗(yàn)是一種快捷、直觀的研究方法，與傳統(tǒng)測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)研究方法相比，能夠大幅度提高試驗(yàn)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(diǎn)項(xiàng)目( ZD2014103) ; 北華航天工業(yè)學(xué)院科研創(chuàng)新項(xiàng)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