牧草小区播种机排种器的设计及试验

摘要：为了研制适用于优良牧草栽培的牧草小区播种机,设计制作了牧草小区播种机排种器试验台。该试验台有一专门设计的转动机构和一个可调节的排种环。送种机构中的多个送种杯中的种子可以依次喂入排种系统,且分种锥旋转一周时,一个送种杯内的种子恰好播完。对种子在存种筒内的受力、运动过程和排种口尺寸的关系做了分析。试验台的排种正交试验表明,格盘插片的数量是影响种子分散均匀性变异系数的主要因素。当格盘数目为12,导流槽个数为9,并采用高丹草为试验对象时,均匀性变异系数为最小值16.46%。该文的研究可为牧草小区播种机的研究提供参考。     

机械式小麦射播排种器参数优化与试验

针对机械式小麦射播排种器作业过程中存在的种子碰撞力较大、破损率高的问题，该研究采用TRIZ（Theory of the Solution of Inventive Problems）理论对小麦机械式射播排种器的关键部件参数进行优化，通过对种子在排种器内部的运动学分析，确定了影响小麦种子与排种器内部碰撞程度的因素为排种器转速、叶片后倾部分曲率半径与叶片安装角度，采用EDEM软件模拟小麦种子在排种器内部的运动情况，以种子破损率、平均排种速度与播种深度变异系数为试验指标，进行台架试验，结果表明，当排种器转速为1 000 r/min，叶片后倾部分曲率半径为40 mm，叶片安装角度为15°时，种子破损率为1.1%，平均排种速度为32.5 m/s，播种深度变异系数为8.9%，满足小麦播种作业要求。     

偏心轮型孔轮式排种器排种油菜极限转速试验

为实现通过转速来调节排种器变量排种的要求,并为设计高速、高性能播种机提供理论依据,在排种性能试验台上针对一次播三行的偏心轮型孔轮式排种器进行了油菜排种极限转速试验。试验研究了排种器的排量、排种均匀性、各行排量一致性与排种转速之间的关系及该排种器正常工作的极限转速,建立了该排种器单位时间的排量与转速的数学模型,试验表明：该排种器排种排种油菜时最高转速不超过70 r/min,最低转速不低于30 r/min,在该转速范围内,其排种均匀性为13.09%～30.09%,各行排量一致性为3.28%～4.70%,单位时间的排种量与转速呈线性关系。该结论为设计油菜高速播种机提供了试验基础,同时为进一步研究通过转速调节播种量提供了理论依据。     

加装导流板的舀勺式马铃薯播种机排种器性能分析与试验

马铃薯播种机排种器的投种角度、速度、高度以及种薯与土壤接触后的弹跳等对马铃薯排种器播种质量影响较大,针对上述问题,该文研制了舀勺式马铃薯排种器的投种结构,设计加装了导流板。通过对导流板的性能分析、种薯投种过程及种薯与沟底碰撞过程的运动学分析,确定了影响播种效果的因素;以主动轮转速、机组前进速度、投种高度为主要因素,株距变异系数、漏播率、重播率为试验指标进行田间试验,并进行了旋转正交试验回归分析。试验结果表明:经参数优化后的马铃薯排种器具有较好的播种质量,当主动轮转速为42 r/min、前进速度为1.2m/s、投种高度为640mm时,其株距变异系数平均值为12.5%、漏播率平均值为2.21%、重播率平均值为3.56%,其标准均高于传统的舀勺式排种器,播种效果提升显著(P0.01)。该研究为马铃薯排种器技术进步提供了参考。     

2BQ-10型气流一阶集排式排种系统设计与试验

为探讨影响气流式集中排种系统排种性能的因素,根据集中式排种器的技术要求研制了一种2BQ-10型气流一阶集排式排种系统。试验结果表明：核心部件分配器的三种设计结构中上凸盖结构最节约能量;当排种定量器转速、播量取较大值时各行排量一致性变异系数较小,反之当排种定量器转速、播量均取较小值时各行排量一致性变异系数较大;当褶皱形增压管长度由0逐渐增大时各行排量一致性变异系数先减小后增大的趋势。当排种定量器转速为38 r/min,播量为277 kg/hm2,褶皱形增压管长260 mm时测得各行排量一致性变异系数2.75％。该设计与试验对气流式集排种系统的进一步研究打下基础。     

气吸式马铃薯排种器正压吹种零速投种性能优化试验

为提高马铃薯排种精度,弥补现有零速投种技术存在的不适合高速作业、投种点高等缺点,提出利用正压气流为下落的种薯沿播种机前进方向反向加速以实现零速投种。对投种过程进行基础解析,获悉影响零速投种性能的主要因素及各因素的试验取值范围。以吹种正压、投种角和排种器转速为试验因素,合格指数、重播指数、漏播指数及变异系数为评价指标,进行二次正交旋转回归试验,建立各指标与因素间的回归数学模型,分析各因素对评价指标的影响规律,可知当排种器转速为25~31 r/min时,影响排种性能的主要因素是排种器转速,当排种器转速31~40 r/min时,随着吹种正压的升高,合格指数上升、变异系数下降,此时零速投种对提升排种质量效果明显。根据回归模型进行参数优化,当吹种正压15 k Pa、投种角57°、排种器转速35 r/min时,排种合格指数、重播指数、漏播指数、变异系数分别为95.22%、3.51%、1.27%和9.43%,满足马铃薯排种作业要求。该研究为优化气吸式马铃薯排种器、提升马铃薯等大粒种子作物及其他作物排种精度提供技术支持。     

油菜精量气压式集排器的设计与试验

为有效解决型孔轮式排种器用于油菜排种时难以精确控制播量,清种、护种环节易剪切破坏种子的问题,采用气流清种与气压护种组合作用技术,设计了一种具有"倒方锥"型孔的油菜精量气压式集排器。该文对气压式集排器的工作原理进行了阐述,确定了其主要结构参数,并建立了油菜籽在清种区和护种区的力学模型,以总排量稳定性变异系数、各行排量一致性变异系数以及种子破损率为评价指标,以清种压差、护种压差及排种滚筒转速为试验因素在室内台架与田间条件下开展了排种性能试验研究,试验结果表明设计的集排器排种性能较优、种子破损率低,在清种压差250 Pa、护种压差150 Pa、排种滚筒转速以20~40 r/min时,其总排量稳定性变异系数≤2%:各行排量一致性变异系数≤2%;种子破损率0.3%。田间试验结果表明该集排器播种性能良好,满足油菜种植农艺要求。该研究证明采用气流清种与气压护种组合技术的"倒方锥"型孔油菜精量气压式集排器可用于小粒径、易破损种子的精量播种,为型孔轮式集排器结构改进与优化提供了依据。     

膜下播种机的设计及排种装置的室内性能试验

传统铺膜播种机在地膜上打孔播种容易形成板结,不利于发芽破土能力弱的作物生长。该文针对这一问题,分析了膜下播种机设计的要求,对主要工作部件排种装置的结构进行了分析并给出了结构参数,采用参数化造型软件Pro_E设计该膜下播种机。参照铺膜播种机试验方法,对玉米播种就机器前进速度和取种器个数进行了单因素试验。试验结果表明：当排种筒转速高于72 r/min时,空穴率明显增加;根据相关参数,推出排种筒的最佳转速为57 r/min;对于播种大株距作物,作业速度可加快;播种小株距作物,作业速度应放慢。     

地表坡度对油菜宽幅精量免耕播种机排种性能的影响

针对油菜种植区域作业方向的地表坡度变化影响气送式油菜宽幅精量免耕播种机排种性能的问题,该研究以播种机及气送式集排器为研究对象,构建了不同地表坡度下种子与外切圆弧型孔、种子-气流与集中分配器间的力学模型,建立了气送式集排器供种速率和排种速率的随机过程模型,应用EDEM仿真开展了作业方向的地表坡度、供种装置转速对供种装置供种速率影响的双因素试验,建立了地表坡度、供种装置转速对供种速率影响的数学模型;利用DEM-CFD耦合仿真分析了地表坡度对集中分配器排种性能的影响规律。仿真试验结果表明:以平整地表为基准,供种速率随地表坡度在-5°~5°内先增大而后逐渐减小;地表坡度绝对值为3°~5°时,供种速率的变化量达到50%;各行排种粒数一致性变异系数随地表坡度的增加而增大,变化区间为4.95%~14.91%。利用智能种植机械测试平台模拟播种机田间作业时不同地表坡度下的作业效果,结果表明,随着作业方向的地表坡度、前后往复摆动角度、前或后单向摆动角度的增大,各行排种量一致性变异系数均逐渐增大;仿真模型计算的各地表坡度下的供种速率与台架试验的平均误差为4.28%。根据试验结果建立播种机沿作业方向前后往复摆动的供种速率与地表坡度和供种装置转速、沿作业方向前或后单向摆动的供种速率与地表坡度和供种装置转速的数学模型,确定了不同地表坡度下,排种量与作业方向地表坡度和供种装置转速的匹配关系,以实现有坡度地表的排种量与平整地表的排种量趋同,为满足不同地表坡度下的播种作业提供参考。     

稻麦油兼用高速气送式集排器型孔轮设计与试验

针对水稻、小麦、油菜种子播量要求和外形尺寸差异大且稻麦种子流动性不足，导致气送式集排器兼用性不足、高速供种稳定性不佳的问题，该研究设计了一种稻麦油兼用型孔轮。阐述了高速供种工作原理，开展了供种环节充种、携种、投种阶段力学分析，基于最速降线原理设计了型孔壁面曲线，运用EDEM仿真对比分析了不同转速条件下种群运动状态。通过台架试验明确供种速率和供种稳定性较优的转速范围，并构建了稻麦油供种速率回归模型。台架试验结果表明：对于水稻和小麦种子，型孔轮个数16、供种转速30～50 r/min和50～70 r/min时，供种速率稳定性变异系数小于1%，水稻、小麦的供种速率分别为1050.62～1535.87 g/min和4171.82～5073.76 g/min；对于油菜种子，型孔轮个数为1，供种转速为20～30 r/min时，供种速率稳定性变异系数小于0.5%，供种速率为160.42～227.45 g/min；稻麦油供种速率回归模型预测值与试验值相对误差小于2%。水稻旱直播、小麦、油菜田间播种试验表明，作业速度在8～10 km/h时，集排器总排量稳定性变异系数分别为1.32%、1.16%和1.07%，满足稻麦油兼用播种作业标准要求。研究结果可为高速兼用气送式集排器结构改进提供参考。     

离心侧抛式藕田撒肥器设计与试验

针对藕田机械化施肥实际需求,该研究设计了一种离心侧抛式撒肥器。通过建立单个肥料颗粒在叶片上受力的理论模型,确定影响颗粒运动特性的主要参数为撒肥盘转速、叶片倾角和叶片偏角。以肥料喂入速率以及上述因素为影响因素,利用EDEM软件进行单因素仿真试验,结果显示以撒肥器中心为原点,沿抛撒方向,肥料在单个统计区域的分布量变化趋势为先升高后降低。定义肥料分布最多的单个统计区域与撒肥器间的距离为峰值距离,以肥料分布均匀性变异系数和峰值距离为评价指标进行正交旋转仿真试验,根据试验结果利用Design-Expert软件对撒肥器结构进行优化,求取峰值距离为10、21m且均匀性变异系数最小的两种叶片各自对应的叶片倾角和叶片偏角分别为8.5°、17.5°和11.5°、–1.9°。以上述结构撒肥器开展仿真与实际撒肥试验。仿真结果显示:撒肥盘转速1 250 r/min、喂入速率0.316 kg/s时,肥料分布均匀性变异系数、峰值距离、作业幅宽分别为19.43%、21 m和29 m,实际试验结果分别为21.95%、18.6 m和24.5m。以藕田追肥中常用肥料尿素、复合肥、磷肥为对象开展撒肥性能试验,结果显示,撒肥盘转速、喂入速率、肥料种类、肥料种类与转速的交互项、肥料种类与喂入速率的交互项对肥料分布均匀性变异系数影响极显著(P0.01),转速、喂入速率、种类对作业幅宽影响极显著(P0.01)。该研究结果可为藕田撒肥机械设计提供重要参考。     

小麦小区条播机离心分种器参数优化与试验

为了对离心分种器进行结构改进和参数优化以提高小麦小区播种机的分种均匀性,该文对小麦离心分种过程进行运动分析,得出小麦籽粒的运动受到离心分种器转速、分种面夹角和分种距离的影响;采用离散元仿真软件,建立仿真模型,以离心分种器转速、分种面夹角和分种距离为试验因素,以分种均匀性变异系数为试验指标,进行不同播量下的三因素三水平正交试验,研究各个因素对分种均匀性的影响规律,以获得较优的参数组合。仿真试验结果表明,在播量为2 000、3 000粒时影响分种均匀性的主次因素为离心分种器转速、分种距离和分种面夹角,在播量为1 000粒时为离心分种器转速、分种面夹角、分种距离;通过仿真试验和台架试验,确定离心分种器较优参数组合为离心分种器转速1 250 r/min、分种面夹角120°、分种距离17.5 mm,台架试验条件下3种播量的分种均匀性变异系数分别为5.18%、4.45%和3.98%,与仿真试验结果相差0.36%、0.14%和0.55%,两者基本一致,且籽粒破碎率为0.17%、0.13%和0.14%,具有较小的籽粒破碎。该研究可为小麦小区条播机的离心分种器优化改进以及分种性能提升提供参考。     

畜牧混合废弃物分选装置运行参数试验研究

为验证一种新型畜牧混合废弃物分选装置的功能并制定合理的运行参数,以混合物料含水率MC、进料流量Q、柔性物分离器转速Nr为试验参数,采用二次正交旋转组合试验设计,建立评价指标与试验参数之间的回归模型,并运用目标优化的方法对模型进行优化。研究结果表明,试验样机能够实现混合物组分的按类分选,试验因素组合为含水率87.8%,物料流量41.6 L/min,柔性物分离器转速64.5 r/min时可获得最高的柔性杂质分离率;在以上因素情况下,以沉降性杂质分离率及物料损失率作为评价指标,试验得出沉降性杂质分离器的最佳转速为6 r/min。研究为提高畜牧混合废弃物分选装置的分离性能及结构优化提供了依据。     

气吹集排式水稻旱直播机关键部件设计与试验

针对中国水稻直播品种不一、高速作业和大播量的要求,该文设计了一种气吹集排式水稻旱地精量直播机,直播机主要由均匀分种装置、定量排种装置、气力输送装置、同步传动装置、大尺寸集成种箱、开沟覆土镇压装置和支撑悬挂装置组成。从直播机的稻种适应性、作业速度、播量调节等方面研究了气吹集排式分种器的分种机理和分种均匀性。根据不同品种水稻种子的物理特性和气流输送原理,分析了不同种子在持续气流作用下,种子在分种器中的运动轨迹。按照大播量可调要求,设计了播量无级可调槽轮式排种器,槽轮槽形为圆弧状,通过双地轮驱动排种器保证播量同步。设计变速传动装置增加定量排种装置高速作业的适应性,气力输送装置使定量排种装置排出的种子在高速作业下连续排入播种沟。分种器的均匀稳定分种提高了直播机播种的均匀性和稳定性,通过减少排种器数量和使用气力输送种子,降低了伤种率。对比不同籼、粳稻品种在直播过程的运动规律和田间播种效果,得到了适应不同稻种的分种器结构及相关参数。试制了气吹集排式直播机并进行田间试验。田间试验结果表明,气吹集排式直播机的播量在75～375 kg/hm2可调,最高作业速度为14 km/h,10行幅宽2 m和20行幅宽4 m的每行播种量变异系数分别为4.89%和5.06%,田间播种的稻种破损率为0.46%。2017年,在宁夏播种富源4号品种的产量为10 372.5 kg/hm2,在广东播种粤农丝苗品种的产量为7 074kg/hm2,生产试验结果表明,所研制的气吹集排式水稻旱直播机达到了设计目标,满足作业需求。     

再生稻促芽追肥机研制

再生稻再生季促芽肥的用量较小,因此对排肥器排量准确性和排肥均匀性具有较高要求。现有再生稻追肥机械较难满足再生稻促芽肥追施准确性和均匀性要求的问题。该研究综合槽轮排肥器和齿式排肥器的优点,结合具有较好分气性能的导流板式分气装置,设计了一种可与再生稻收割机配合使用的气力式再生稻促芽追肥机。追肥机采用两级排肥器进行排肥,主要由上方槽轮与下方多组齿式排肥轮组成。首先根据常用促芽肥外形尺寸确定了两级排肥器中槽轮、齿式排肥轮的主要结构参数,然后通过理论计算结合离散元仿真试验,确定了槽轮与齿式排肥轮转速的最佳传动比为1∶1.8,此时排肥器排肥最均匀,断条现象发生较少,肥料无堆积。对分气装置进行仿真模拟试验发现,随着导流板开口角度的增大,各排气口流速一致性变异系数先降低后增大,当开口角度为48°时,变异系数最小,为5.65%,此时分气装置各排气口流速差异最小、分气效果最优,各排气口平均风速为19.37 m/s,满足设计要求。对两级排肥器进行离散元仿真试验发现,在10～20 r/min转速范围内,各排肥口排肥量一致性变异系数随转速的增大先减小后增大,最大值为2.57%,满足施肥标准中各行排肥量一致性变异系数小于7%的要求。最后,以小粒径尿素为试验材料,以排肥槽轮转速为试验因素,以排肥速率、各行排肥量变异系数、排肥均匀性变异系数为评价指标,进行样机排肥性能试验。结果表明：在10～20 r/min转速范围内,排肥速率随排肥槽轮转速的增加而增大,排肥速率变化范围为672.9～1447.6 g/min,可与收割机作业速度相匹配;各行排肥量一致性变异系数为2.14%～3.09%,各排肥口排量均匀性变异系数为20.99%～27.01%,均满足NY/T1003-2006追肥机械作业标准要求。研究结果可为再生稻追肥机设计提供重要参考。     

气力集排式变量排肥系统分层施肥量调节装置研制

为提高分层施肥作业中肥料分配的精确性和稳定性,实现化肥按比例分层施用,该文设计了一种气力集排式变量排肥系统分层施肥量调节装置,通过理论分析与参数计算确定了分层施肥量调节装置关键部件的结构和基本工作参数。运用离散元法与计算流体动力学耦合仿真方法,选取拨齿旋转锥的转速、入口风速和施肥速率为试验因素,以各出肥口出肥量的变异系数为试验指标,进行二次旋转正交组合仿真试验,建立了试验指标与影响因素的回归模型。在旋转锥转速735r/min、入口风速36 m/s、施肥速率0.42kg/s、分肥比例1:2条件下,对分层施肥量调节装置进行了台架试验,试验结果表明,各出肥口出肥量变异系数均小于5.18%,分肥比例误差小于2.68%,与仿真试验优化所得结果相吻合,满足施肥作业要求。研究结果可为气力集排式排肥装置的设计与优化提供技术参考与理论支撑。     

螺旋扰动锥体离心式排肥器设计与试验

针对现有油菜直播排肥器排肥流畅性、稳定性以及排肥量均匀性不足,从而影响化肥精准施用的问题,设计了一种螺旋扰动锥体离心式排肥器。阐述了排肥器的设计原则和工作原理,基于颗粒化肥的物理机械特性与油菜施肥量要求确定了螺旋扰动杯和弧形锥体圆盘的结构参数。以中国农资复合肥、史丹利复合肥、鄂中复合肥为试验材料,开展排肥器锥体圆盘转速为80~130 r/min时的排肥性能及排肥行数适应性台架试验,验证了排肥器的排肥性能。验证试验结果表明:三种复合肥的各行排量一致性变异系数在11.5%以下,不同转速不同物理机械特性化肥条件下的排肥量稳定性变异系数在6.3%以下,同行排量一致性系数在93%以上;转速较低时,排肥器倾斜状态下各行排量一致性变异系数为9.82%,满足排肥质量要求。田间试验结果表明,各行排量一致性变异系数低于7.9%,排肥量稳定性变异系数在5.3%以下,同行排量一致性系数高于93.5%,符合行业标准性能指标,满足田间排肥质量要求。该研究可为油菜生产过程的化肥减施与精准施用提供有效的技术支撑。     

粳稻定向播种装置供种机构性能数值模拟与试验

为稳定粳稻定向精量播种装置在低播量时的播种性能、提高作业效率,设计了一种离心式供种机构。建立了粳稻籽粒和供种机构的三维仿真模型,采用EDEM软件对该机构供种性能进行单因素数值模拟,分析了进种口开度、转盘直径和转速3个主要工作参数对供种性能的影响,并在粳稻定向精量播种装置上进行了供种性能验证试验与播种性能对比试验。仿真结果表明:进种口开度和转盘转速对粳稻籽粒离散程度和供种性能影响显著,转盘直径对总排量有一定影响但不明显,各供种口排量标准差变异系数先减后增;在转盘直径为220 mm、转盘转速为80 r/min和进种口开度为10 mm时,模拟总排量为263粒/s,各供种口排量标准差变异系数为14.37%;供种性能验证试验表明:在相同条件下,供种性能与进种口开度仿真与试验变化趋势一致,试验结果比仿真结果分别高13粒/s和1.19%。播种性能对比试验表明:增设供种机构后,粳稻定向精量播种装置在低播量时播种性能稳定,作业效率提高25%。该研究为粳稻定向精量播种装置性能的提升提供参考。     

油菜精量直播机气力式排种系统稳压控制方法与试验

针对气力式油菜精量联合直播机因拖拉机后输出轴转速变化影响气力系统中风机工作转速,导致排种器工作气压波动,进而降低排种性能的问题,提出一种基于溢流释压的气力系统稳压控制方法,即通过测试风机实际转速变化情况、风机转速与气力系统气压关系,确定溢流阀预设气压值,根据该预设值计算溢流阀的释压弹簧结构参数和工作参数,并通过流量-压力理论分析和稳压控制性能试验验证参数有效性。以2BFQ-6型油菜精量联合直播机气力系统为对象,利用该方法开展稳压控制试验:通过田间测试确定播种机组在田间稳定作业时风机工作转速变异系数达8.15%,结合测定的气力系统风机转速与气压关系,确定风机实际工作转速应在2 020~2 620 r/min范围内,正负气压阀溢流稳压控制预设值分别为1 000和-5 500 Pa;通过溢流释压阀结构及释压特性分析,确定采用中径30 mm、节距10 mm、有效圈数8圈、线径为1.0、1.5 mm的碳素钢丝圆柱螺旋弹簧作为正、负压释压阀的释压弹簧,其弹簧调节螺栓预压缩量分别为6.7和7.8 mm;稳压控制验证试验表明设计的稳压控制系统将排种器气室正压、负压偏差率分别降低45%和110%,使气室气压保持在适宜范围内,气压控制响应灵敏性及稳定性均满足要求;当风机工作转速在2 000~2 700 r/min范围内变化时,排种器的排种量变异系数减小2.68%,提高了排种稳定性。研究表明提出的溢流释压稳压控制方法可有效解决油菜直播机田间作业时排种器工作气压波动大、排种量稳定性差的现实问题,可为播种机设计、气力式排种系统性能优化提供参考。     

气送式高速玉米精量排种器设计与试验

为满足在高速条件下玉米精量播种的要求,从工作原理出发,设计一种可从根本上解决因高速作业带来的充种性能不佳、清种结构复杂等问题的高速精量排种器,其利用高速作业产生的离心力进行充种与清种,将现行的种子堆积依靠重力充种的形式改成气送充种,对排种盘、型孔插件、护种板结构形状进行了理论分析和参数设计,采用文丘里管进行有序气吹送种,型孔插件与护种板相配合充种与携种,护种板宽度变化清种。分别对排种器工作速度、种子喂入速度、气送风压进行单因素试验,以合格指数、漏播指数、重播指数为试验指标,得出各因素对排种性能的影响,其中此工作原理下增加排种器工作速度不但不会增加漏充指数,反而降低并基本保持不变。为得到排种器的最佳性能参数,进行正交旋转组合试验并构建各因素与指标间的关系式。采用响应曲面法对试验结果进行目标优化,并通过台架试验进行验证:得到工作速度为9 km/h,种子喂入量为1.91 kg/min,气送风压为492.17 Pa时,排种合格指、漏播指数、重播指数分别为93.14%,1.00%,5.86%,经台架试验验证,优化结果可靠。试验结果表明此种气送式高速玉米精量排种器很好的解决了在高速作业下充种难,清种复杂的问题,在高速工作条件下能保持良好的排种性能。