基于振动排序的玉米种子胚面定向装置设计与试验

玉米定向播种即种子尖端朝向一致和胚面朝向一致,可明显提高产量。为了实现玉米种子胚面定向,设计了一种基于振动排序的玉米种子胚面定向装置。设计了胚面定向装置螺旋轨道上的选向机构和定向机构,探明了玉米种子胚面定向原理,确定了选向机构和定向机构的尺寸参数和空间位置。采用试验方法对该装置的最佳工作参数进行了优化。以控制器输出电压、翻面机构1终点到侧壁的垂直距离和翻面机构1终点到轨道表面的垂直距离为试验因素,以胚面定向成功率为评价指标,进行了三因素三水平的Box-Behnken旋转正交试验。试验结果表明：控制器输出电压101 V、翻面机构1终点到侧壁的垂直距离4.38 mm、翻面机构1终点到轨道表面的垂直距离7.96 mm为最优参数组合。在最优参数组合条件下,胚面定向成功率为94.82%,且排料速度可达85个/min。为验证玉米种子胚面定向装置对不同品种玉米的适应性,进行了品种适应性试验,试验结果表明所选的玉米品种的胚面定向成功率均大于91%,满足设计要求。     

基于电磁振动的玉米种子定向排序输送技术

根据振动送料原理,提出了一种实现玉米种子定向排列输送的方法,对种子的定向过程进行了动力学分析,探讨了定向过程中种子各种姿态的变化过程与力学参数之间的关系。以郑单958玉米种子为试验对象,建立了振动定向试验装置;以台阶高度A、滑槽倾角B、振幅C和频率D作为影响因素进行了正交试验。试验结果表明:台阶高度A、滑槽倾角B及其交互作用对种子定向效果具有极显著影响;通过多重比较分析得出试验条件的最佳组合为:台阶高度为4 mm、滑槽倾角为4°、振幅为0.18 mm、频率为51.5 Hz。在最佳试验条件下分别对顺行和逆行种子进行10次重复试验,试验结果表明:顺行定向成功率为93.5%,逆行定向成功率为89.4%。采用高速摄影技术分别对顺行和逆行的种子进行了观察验证分析,分析表明:种子的实际运动状态与理论分析基本吻合。     

振动供种型孔轮式非圆种子精密排种器设计与试验

为满足非圆种子低播量精密播种的种植要求,基于型孔轮式排种器提出了一种振动定向供种机构,分析了种子振动定向排序的机理,建立了种子在定向供种机构上的运动模型和充填型孔过程的动力学模型,完成了关键结构的参数设计。以V型槽安装倾角、振动方向角、振动频率、电压值(振幅)及排种轮转速为试验因素进行了二次回归旋转正交组合试验,并应用Design-Expert 8.0.6软件对试验数据进行多元回归分析和响应曲面分析,得到了因素与合格率间回归模型和因素对指标影响关系,确定了影响合格率的因素重要性次序为振动频率、振幅、振动方向角、安装倾角和排种轮转速。基于回归模型进行了参数优化并进行了试验验证,结果表明:当安装倾角4.02°、振动方向角31.29°、振动频率35.9 Hz、振幅4.03 V、转速5.55 r/min时,合格率为97.64%,漏充率为2.36%,试验中未出现多于3粒/穴的情况。采用二次回归旋转正交组合设计建立回归模型,试验结果与理论分析结论一致,满足了低播量精密播种的农艺要求,表明了振动供种组合型孔轮式排种器实现非圆种子精密排种的可行性。     

玉米种子脱粒清选装置的研究

种子清选装置作为谷物脱粒机的重要工作部件，其种子清选性能直接影响整机工作效率及后续谷物存储、运输、销售及播种作业环节。以玉米种子清选为研究对象，基于国内外种子清选装置的发展现状，设计一种气流清选装置，利用Design-Expert数据分析软件建立影响因素与评价指标间的回归模型，选取曲柄半径、曲柄转速和风机转速为试验因素，以玉米种子清选损失率为评价指标开展正交试验，明确最优工作参数。研究结果表明，玉米种子脱粒机最佳工作参数组合为：曲柄半径为10 mm,曲柄转速为300 r/min,风机转速为2 000 r/min。     

复式大蒜种子方向控制装置设计与试验

为提高大蒜播种机对杂交蒜的播种正芽率,提出串联使用大蒜种子重心靠下和大蒜种子芽尖细长特征进行种子方向控制的方法,即在排种器运种阶段设计分段式护种槽,利用大蒜种子重心靠下特征提高种子直立进入定向器的概率,在换向阶段设计弧形开口定向器,使大蒜种子芽尖尽可能露出定向器,提高短芽尖大蒜鳞芽的正芽率。以定向速度和种子芽尖长度为试验因素,正芽率为试验指标,进行台架试验,结果表明,蒜瓣芽尖长度对播种机正芽率影响较为明显,正芽率随定向速度的增加而降低。以金乡杂交蒜为试验对象,对定向系统进行田间播种性能试验,试验结果表明：行走速度为0.14～0.19 m/s时,金乡杂交蒜的正芽率达85%,整体满足大蒜播种农艺要求。串联使用大蒜种子两种物理特征从作业原理上可提高大蒜种子定向稳定性,为大蒜播种机械化发展提供参考。     

玉米定向精播种粒形态与品质动态检测方法

为满足玉米定向精播对种子外形和品质的要求,设计了一种玉米种子精选装置,并研究了玉米种粒动态检测算法。经过脱粒并筛除杂质的种粒投入玉米种子精选装置,分两列两层传输,完成玉米种粒的动态检测。通过计算种子胚根尖端的方向,排除了种粒的重复检测现象;以人工选取的100粒标准种粒外形参数为基础建立合格种粒特征参数库,实现对种粒外形的检测;依据合格种粒和重度霉变种粒表皮亮度差异较大的特点,基于图像饱和度分量对重度霉变种粒加以检测;依据轻度霉变种粒表皮呈现块斑的特点,利用种粒的R、G、B颜色平均值检测轻度黑色霉变;以种粒黄色区域补洞后对应原种粒(B-R)的值,判断种粒的轻度白色霉变和轻度破损;对于外形和霉变检测合格的种粒,通过分析种粒区域中白色区域的大小,进行玉米种粒胚芽朝向的判断,为后续种粒定向包装和定向播种提供了依据。对280粒各品种玉米种子进行实时检测,每粒种子的平均检测时间约为14 ms,重复种粒判断准确率为95%,种粒合格性检测准确率为96.1%,胚芽朝向判断准确率为97.1%。     

基于Fluent与高速摄影的玉米种子定向吸附研究

玉米定向播种可使玉米长势一致,增加玉米种植密度,提高作物产量。采用真空吸口,将玉米种子按一定方向摆放在纸带上制作成播种处理带,是实现定向播种的方法之一。为了确保种子在吸附摆放过程中不发生方向偏转,设计了种子吸附摆放机构,建立了种子贴合吸附的受力模型。采用Fluent软件,对吸口流场进行仿真模拟,进行了吸口锥角、气孔间距和侧板宽度三因素仿真正交试验,并通过高速摄像进行了试验验证。确定了实现玉米种子定向吸附摆放的最佳吸口参数为:吸口锥角60°、气孔间距1.5 mm、侧板与气孔板外缘距离4 mm,气流速度6~8 m/s。     

玉米种子实时检测分选装置设计与试验

针对我国玉米种子人工分选效率低、错分率高、缺少自动检测分选装置等问题,设计了一种玉米种子实时检测分选装置。该装置由进料单元、检测单元、分选单元和控制系统组成。下位机采用MSP430,与上位机实时通信,并控制分选执行机构,上位机采用Matlab 2014b软件对玉米种子图像进行实时处理,并输出识别结果。为了便于采集玉米种子图像,设计了种子分离机构。根据霉变玉米种子与正常玉米种子表面颜色的差异,设计了一种基于HSV颜色空间划分的玉米种子识别算法,并提出了一种玉米种子排序策略,实现了玉米种子的精确分选。该装置对单幅图像的采集和处理时间约为0.7 s,分选速率最高为680粒/min,霉变玉米种子识别准确率为100%,裝置总体分选准确率不低于94%。该装置实现了从玉米种子进料到分选的全自动化,能够对霉变玉米种子进行实时检测和分选。     

免耕播种防滑地轮的设计与研究

地轮作为播种机排种装置的驱动机构,其滑移率的大小直接影响到播种精度。在免耕播种作业地表覆盖大量秸秆的情况下,地轮的滑移率不可避免。为此,设计了一种新型的地轮结构,采用啮合的方式来增加地轮机构的抓地力以减小打滑,并且还可以根据播种机工作状态的不同来调节啮合位置。通过在室内土槽进行试验对比,结果表明该地轮结构的滑移率优于其他地轮。     

玉米收获机割台砍劈式茎秆粉碎装置设计与试验

在保证玉米秸秆粉碎长度合格率的前提下,为了增加茎秆的破碎程度、加快秸秆还田后的分解速率,基于玉米茎秆的力学特性,设计了一种可以安装在玉米收获机割台下方的茎秆粉碎装置。通过理论分析得到影响粉碎效果的作业参数和结构参数,选取茎秆粉碎装置的刀轴转速、安装角、刀尖倾角为试验因素,以秸秆粉碎长度合格率和秸秆破碎率作为评价指标,进行了单因素及二次正交旋转组合试验。采用响应曲面法对试验结果进行分析,运用Design-Expert软件的多目标优化算法进行参数优化。结果表明:各因素对秸秆粉碎长度合格率的影响程度由大到小依次为:刀轴转速、刀尖倾角、安装角,各因素对秸秆破碎率的影响程度由大到小依次为:刀轴转速、安装角、刀尖倾角;该装置最优参数组合为:刀轴转速1 090 r/min、安装角41°、刀尖倾角83°。田间验证试验表明,秸秆粉碎长度合格率和秸秆破碎率分别达到90.21%和85.78%,远高于目前甩刀式茎秆粉碎装置的作业效果。     

带式玉米高速导种装置旋夹纳种机理分析与参数优化

针对玉米在高速(12～16 km/h)播种时籽粒脱离种盘初速度大,与带式导种装置种腔内壁碰撞弹跳,发生碰撞异位,导致籽粒进入种腔精准度低等问题,以具有纳种机构的带式玉米高速导种装置为研究对象,建立籽粒夹取、转运和排放动力学模型,提出在拨指表面添加人字形纹路的改进方法,明确影响纳种稳定性与籽粒进入种腔精准度的主要因素。利用高速摄像与图像目标追踪技术进行单因素对比试验及多因素优化试验。单因素试验结果表明,播种速度较快时,有人字形纹路拨指轮纳种合格指数和种腔间隔变异系数均明显优于无人字形纹路拨指轮。为获得拨指轮改进后的纳种机构最佳性能参数,以轮心距、拨指轮转速及拨指长度为试验因素,以纳种合格指数与种腔间隔变异系数为评价指标,进行三因素五水平二次正交旋转组合试验,采用多目标优化方法,确定当轮心距为36.8 mm,拨指轮转速为584.97 r/min,拨指长度为10.8 mm时,纳种合格指数为98.23%,种腔间隔变异系数为0.24%。对优化结果进行验证试验,验证结果与优化结果基本一致。在相同条件下进行台架对比试验,结果表明,有带式玉米高速导种装置的作业性能远优于不安装带式玉米高速导种装置的作业...     

基于CNN的玉米种子内部裂纹图像检测系统

为了高效检测玉米种子内部裂纹,设计基于卷积神经网络(CNN)的检测系统及批量检测方法,采集有裂纹和无裂纹的玉米种子制作数据集,构建AlexNet、VGG11、InceptionV3和ResNet18共4种经典卷积神经网络,同时与传统算法模型SVM和BP神经网络进行对比实验。实验发现,卷积神经网络模型优于这两种传统算法模型,ResNet18模型的综合检测性能最佳,单粒有裂纹种子的识别准确率为95.04%,单粒无裂纹种子的识别准确率为98.06%,平均单粒种子识别时间为4.42 s。基于ResNet18,搭建种子内部裂纹自动识别装置,设计识别软件控制装置,得到玉米种子内部裂纹识别系统。系统实验进行10组批量识别,有裂纹种子的平均识别准确率为94.25%,无裂纹种子的平均识别准确率为97.25%,批量识别中光源的透射无法等效地显现所有种子的内部裂纹、多次加载模型权重导致泛化性不足等因素会影响准确率。     

基于Rocky Dem的宁前胡排种器设计与试验

针对轻质、异形不规则的宁前胡种子存在流动性差、易破损等难题,基于宁前胡的种子物性参数和种植农艺要求,设计了一种马蹄形轮式“条播”排种器。通过充种过程的分析,得知马蹄形型孔可提高种子流动性、减少种子损伤。利用Rocky Dem离散元仿真软件进行单因素试验,由Particles Energy Spectra模块分析种子与排种轮的碰撞能量预测种子破损情况。以排种轮转速和导种槽倾角为试验因素进行二次回归正交旋转组合试验,并利用回归模型进行参数优化。结果表明：当排种轮转速为31.75 r/min、导种槽倾角为31.05°时,排种性能最优,排种均匀性变异系数为11.37%、排量稳定性变异系数为1.02%。通过台架试验验证了不同型孔圆角半径对种子破损情况的变化趋势与仿真试验结果一致,证明了该方法的可行性。马蹄形轮式宁前胡“条播”排种器田间试验与台架试验结果基本一致,能满足宁前胡种植农艺要求。     

双滚筒式玉米种子脱粒装置设计与试验

针对玉米种子脱粒过程中含杂率及破碎率高等问题,采用冲击原理,设计了一种双滚筒式玉米脱粒装置。把该装置安装在玉米籽粒收获机上进行试验,选取机组前进速度、第二脱粒滚筒转速和脱粒间隙为试验因素,以玉米籽粒破碎率、含杂率为试验指标进行三因素二次正交旋转组合试验。运用DPS数据处理软件进行回归方程显著性分析可得,影响玉米籽粒含杂率、破碎率的试验因素主次顺序均为:脱粒滚筒转速、机组前进速度、脱粒间隙。试验表明:该装置满足玉米脱粒装置的要求,可为玉米种子脱粒装置的研究提供参考。     

振动式水稻精密播种装置机理分析与试验

为提高振动式水稻精密播种装置的播种性能,分别对其定量供种机构和振动匀种机构的工作机理进行了分析与试验研究。利用离散元软件EDEM模拟了定量供种机构在有无振动作用下的供种过程。通过对比分析可知种箱振动板周期性的小幅振动可缓解种子的漏斗流动,促进扩散流动,同时使排种轮充填区的种子分布状态更加"蓬松",提高了供种频率,实现了稳定定量供种。通过模拟试验探究振动匀种机构不同种槽板对种子的流速和装置播种性能的影响,优选出V-90°、V-105°、V-120°和U1型4组种槽板,为装置优化试验提供了参考,减少了后续试验次数。分别进行常规稻供种和杂交稻低播量供种试验,得到了种箱振动板振动使排种轮供种频率提高3.64%和5.52%,验证了定量供种机构仿真研究结果具有较高的准确性。进行不同种槽板、播量和气压全因素播种性能试验,得到播种效果最佳的种槽板为V-120°种槽板,在40 g/盘杂交稻低播量播种时使用0.26 MPa气压播种,合格指数为93.91%,空穴指数为0.94%;80 g/盘常规稻播种时使用0.28 MPa气压播种,合格指数为96.10%,空穴指数为0,满足杂交稻和常规稻种子育秧播种的技术要求。     

基于离散元法的种子玉米剥皮过程籽粒损失分析与试验

种子玉米在剥皮过程中存在大量的籽粒破碎、脱落等损失问题,严重影响种子玉米的单产与经济效益。因此,本研究采用理论分析、离散元仿真与正交试验相结合的方法,探究种子玉米果穗与剥皮机构的互作机理,确定剥皮机构的最优工作参数组合以优化种子玉米剥皮过程。首先,对种子玉米果穗在剥皮机构中的受力及运动进行了理论分析,探究了在剥皮过程中剥皮机构-种子玉米的相互作用关系,并确定了影响剥皮性能的主要因素。其次,基于DEM建立种子玉米果穗-剥皮机构相互作用仿真模型,通过对玉米果穗籽粒损伤及脱落分析,确定了剥皮辊转速、剥皮辊倾角和摆杆摆幅的较优工作范围。最后,根据Box-Behnken设计方法,设计了三因素三水平的正交试验,通过方差分析和响应面分析,筛选出种子玉米剥皮机构的最佳工作参数组合：剥皮辊转速为300r/min,剥皮辊倾角为10°,摆杆摆动幅度为5°,此时苞叶剥离率为94.13%,籽粒脱落率为1.564%,籽粒破碎率为1.292%。试验获得的剥皮装置的最优工作参数组合,明显提高了种子玉米的剥皮效果。     

防堵式覆膜同步开孔插秧装置设计与试验

针对现有覆膜插秧机械中存在的无开孔装置或开孔装置易阻塞造成秧苗根系损伤与漏插等问题,设计了一种防堵式覆膜同步开孔插秧装置。在齿轮旋转箱双臂分插机构的基础上,加装"+"形尖点的单臂开孔装置。为探究覆膜开孔与插秧作业过程,以单个栽植臂为研究对象,建立了开孔装置运动轨迹的数学模型。运用建立的模型进行模拟仿真,确定了影响开孔质量的主要因素,并验证了开孔与插秧相位角差的可行域。采用二次正交旋转中心组合试验方法,以开孔与插秧相位角差、开孔倾角、旋转速度为试验因素,以膜孔长度、插秧前开孔长度、膜孔合格率为评价指标实施参数优化试验。结果表明:当开孔与插秧相位角差8. 0°、开孔倾角7. 0°、旋转速度246. 4～250. 1 r/min时,开孔装置无堵塞现象发生,所得膜孔平均长度47. 3 mm、膜孔平均宽度16. 6 mm、插秧前开孔平均长度18. 0 mm、平均膜孔合格率94%以上。应用参数优化试验结果,对防堵式覆膜同步开孔插秧装置与"H"形同步开孔插秧装置进行了防堵性能和开孔性能对比试验。结果表明:所设计的开孔装置各项指标均优于改进前的"H"形开孔装置,满足农艺要求。     

大粒种子调向排种机构的试验研究

为实现标准化幼苗的生产,提出了大粒种子定向定位排种方法,研制了调向排种机构。该机构主要由调向板、进种导向板和出种导向管构成,可实现对大粒种子长轴保持45°方向、种子发芽口朝向一致并位于穴孔中心位置定向定位排种。为此,以南瓜种子为研究对象,通过参数优化试验确定了结构设计参数,利用3D打印技术试制了机构,最后以单片机为控制单元、步进电机作为驱动源,结合基于机器视觉技术的大粒种子方向的判别方法和控制方法,对机构的定向定位排种性能进行了试验。结果表明:该装置的定向定位排种成功率为9 7.1%,9 4.7%的种子的发芽口分布在以穴孔中心为圆心、半径为1 0 mm的圆内,9 5.9%以上种子偏转角度小于1 5°,基本满足大粒南瓜种子的定向定位播种要求。     

玉米种子活力逐粒无损检测与分级装置研究

基于近红外反射光谱分析技术,设计了玉米种子活力逐粒无损检测与分级装置,该装置主要由单粒化装置、输送管道、近红外光谱采集系统、控制系统和分级装置等组成。种子单粒化装置由一个带孔的倾斜转盘和一个固定托盘组成。输送管道与固定托盘出种口连接,其末端为光谱采集单元。种子由单粒化装置分离后,经输送管道落至光谱采集区进行光谱分析及活力判断,之后由分级装置对判别完成的种子进行分级。带孔圆盘用于将种子单粒化,其工作效率是提高种子检测及分级速率的关键。经分析得出,决定单粒化装置单粒化效率的因素分别为转盘倾斜角、转盘速度和孔高度。为提高检测速率,对单粒化装置进行了参数分析及优化试验。试验结果表明,当转盘倾斜角为31°、转速为0. 5 r/s、孔高度为2. 2 mm时,种子单粒化效率最优,单通道可达7粒/s。为建立玉米种子活力预测模型,基于该装置分别采集了100粒正常有活力玉米种子和100粒人工老化无活力玉米种子在980～1 700 nm波长范围的光谱数据,对种子原始光谱进行不同方法的预处理,并利用PLS-DA建立种子活力的定性判别模型。几种不同处理方式下的建模对比结果表明,SG-smooth预处理下的建模效果最优,其中校正集的判别准确率为98. 7%,预测集的判别准确率为96%。选取100粒种子对该装置预测模型的稳定性和准确性进行了验证试验,种子活力预测的总准确率为97%。所设计的玉米种子活力逐粒无损检测分级装置单粒化效率较高,光谱数据采集稳定,对玉米种子活力进行实时无损检测及分级具有可行性。     

倾斜圆台型玉米精密排种器种子破损试验

针对机械式精密排种器伤种率高的问题,提出了一种基于丸粒化玉米种子的精密排种器.以排种轴转速、型孔直径、动盘锥角为因素,种子破损率为指标,运用二次回归正交旋转安排试验,建立了种子破损率与各影响因素之间的回归数学模型.通过Design-Expert 7.1软件对试验参数进行优化,确定排种轴转速13.2 r/min、型孔直径16 mm、动盘锥角26.5°为最佳参数组合,此时种子破损率为0.65％.验证试验表明该组合下试验误差较小.