基于离散元的排种器排种室内玉米种群运动规律

高寒干旱地区免耕地表播种作业时,排种器振动与种群运动状态对气吸式排种器的吸种性能有较大影响。为研究气吸式免耕播种机在免耕地表作业时排种器振动参数及振动对排种器内玉米种群运动的影响规律,该文采用BK加速度传感器和Pulse LAN-XI振动测试系统,对2BM-5型气吸式免耕播种机在免耕地表作业时排种器振动特性进行了测试,并应用Matlab软件对振动信号进行了分析。在此基础上基于离散元法模拟了在田间作业振动条件下玉米种群运动规律,并基于室内台架试验进行了验证。播种机田间作业振动信号分析结果表明:播种机前进速度为2、3、4、5、6、7 km/h时,排种器振动的位移功率谱密度较大值的频率为5、6、7 Hz,排种器振动的幅值由2.4到7.9 mm线性增加。由离散元方法仿真得到了种子室内玉米种群最大速度、种群平均速度与播种机作业速度的拟合曲线。台架验证结果表明:气吸式排种器排种性能较好的作业速度为3~5 km/h,较好的振动幅值为6 mm;种群最大速度范围为0.120 3~0.224 3 m/s,种群平均速度范围为0.080 7~0.141 3 m/s,吸种区种群最大速度范围为0.127~0.26 m/s时,气吸式排种器吸种性能较好。该研究可为免耕播种机气吸式排种器吸种性能的提高提供参考。     

指夹式玉米免耕精密播种机振动特性及对排种性能的影响

为研究2BMZ-2型指夹式玉米免耕精密播种机在免耕地表作业时的振动特性及振动对排种器排种性能的影响规律,建立了整机振动特性模型,求解其稳态振动响应;测试播种机在免耕地表作业时排种器振动特性。搭建振动排种试验台模拟田间作业振动环境,测试机械振动对排种器性能的影响规律,并运用高速摄像和与图像目标追踪技术研究籽粒落种运动规律。结果表明,播种机的振动特性主要决定于作业速度、地表及土壤情况和播种机的结构特性。播种机前进速度在5～9 km/h范围内,播种机振动能量的频率分布主要集中在低频段的3～11 Hz;前进速度越大,振动加速度越大,但不影响振动能量的频率分布。机械振动对排种器充种性能无显著性影响,对播种性能具有显著性影响的试验指标为播种合格率、粒距纵向变异系数和粒距横向变异系数(P0.05);试验因素对排种均匀稳定性影响的主次顺序为排种轴转速、振动加速度、振动频率;各试验因素的增大均使籽粒下落轨迹及落点更加离散、落种范围增大,且增大排种轴转速使落种点位置逐渐远离投种初始位置。该研究为免耕播种机指夹式排种器排种性能的提高提供了参考。     

主动防堵式免耕播种机作业粉尘特性

原茬地免耕覆秸精播机在高速作业过程中，粉尘影响气吸式排种器排种性能，导致播种质量降低。该文对作业粉尘进行物性参数测定，通过理论分析建立粉尘飘移运动学模型，运用CFD-DEM耦合和二次回归正交旋转中心组合试验方法，以作业速度、风向和风速为试验因素，粉尘浓度为评价指标，探究原茬地免耕覆秸精播机作业周围5m空间内的粉尘分布规律。结果表明：风向和风速对粉尘浓度具有极显著影响(P<0.01)，作业速度具有显著影响(P<0.05)，影响主次顺序为风速、风向、作业速度；最小粉尘浓度分布空间为清秸防堵种床整备装置上方对应中间播种行0.32 m³的立方体空间范围。田间验证试验结果表明，虚拟仿真与田间试验粉尘分布范围相对误差小于8.6%，仿真分析方法可行，结果可靠。研究结果可为主动防堵式免耕播种机特别是原茬地免耕覆秸精播机防尘式气吸排种系统设计提供理论参考依据。     

田间育种播种机精密排种器的试验

摘要：精密排种器是田间育种播种机的核心部件,为了测定排种器的性能,采用二次回归正交旋转对试验进行设计,运用JPS-12排种器性能检测试验台对气吸式精密排种器排种性能进行研究进行试验研究,得到粒距合格率范围为72.31%～98.17%,漏播率范围为0.51%～18.7%,重播率范围为0.91%～23.07%。对试验结果进行回归分析,得出回归方程,并用MATLAB绘制三维图,得到各个试验因素对试验指标影响的强弱,研究结果可为精密排种器的优化设计提供依据。     

大豆窄行密植播种机单盘双行气吸式排种器设计

为满足大豆窄行密植播种作业要求,解决传统大豆播种机窄行密植行距过大,不易调节,排种性能差等问题,设计了一种单盘双行气吸式排种器,阐述了其基本结构与工作原理,并对工作过程及关键部件进行了理论分析,确定了影响排种性能的主要因素,利用搭建的单盘双行气吸式排种器试验装置进行单因素试验,得到排种性能较好情况时负压真空度、排种盘转速以及单圈吸种孔数的合理变化范围。以负压真空度、排种盘转速和单圈吸种孔数为试验因素,以合格指数、漏播指数和重播指数为指标进行3因素3水平正交试验。结果表明：对合格指数、漏播指数和重播指数各指标影响最显著的因素分别为排种盘转速、负压真空度、负压真空度;当参数组合为单圈吸种孔数64孔、排种盘转速18 r/min、负压真空度5 kPa时,内圈合格指数为98.45%,重播指数为0.72%,漏播指数为0.53%;外圈合格指数为97.82%,重播指数为0.63%,漏播指数为1.35%,对该因素组合进行试验验证,各指标优于行业标准要求。该文设计的单盘双行气吸式排种器实现了播种单体120 mm窄行密植播种,排种性能好,为黄淮海地区大豆密植播种机的研发提供参考。     

气吸式排种器带式导种装置的设计与试验

针对免耕播种机双圆盘式开沟器投种点高,种子播入土壤中粒距变异系数大,合格指数低的缺陷,该文在对气吸式排种器成穴时间平衡分析的基础上,设计开发了一种与取种盘转速、播种机行走速度相关,且传动与投种机构一体的带式导种装置,并确定了该气吸式排种器带式导种装置的主要结构参数。在综合试验因素对株距合格率,重播率和漏播率影响不同的基础上,确定影响排种质量的主次顺序为投种点高度、取种盘转速和负压室压力,较优参数组合为投种点高度100mm,取种盘转速30r/min和负压室压力3.5kPa。此时粒距合格率为98.50%、漏播率为0.48%、重播率为1.02%。通过试验验证,试验值与理论值误差分别为0.11%、0.17%和0.08%,符合试验要求。该文为气吸式排种器的参数优化与排种质量进一步提升提供了理论依据。     

盘吸式水稻排种器吸种动力学过程模拟及参数优化

准确控制盘吸式排种器的吸种位置是提高水稻育秧播种精度的关键因素,吸盘的吸种位置能够根据种盘内籽粒数量的变化进行自适应调节则是稳定排种器连续作业性能的重要保证。该文通过多球拟合建立了2种椭球体水稻籽粒模型,采用标准k–ε湍流模型和Euler气固两相流模型进行计算流体动力学和离散元(CFD-DEM)耦合,完成了排种器的吸种动力学过程仿真。根据籽粒的空间分布特点,采用均匀分布模型和矩估计法计算了籽粒的空间分布范围和离散系数,获取了垂直往复振动激励下的籽粒离散运动状态和稳定特性,确定了理想的种层厚度范围。以能够有效吸附籽粒为条件,仿真获取了不同种层厚度下的临界吸种位置,分析了吸种距离的变化规律、籽粒形状对吸种性能的影响以及造成漏吸和重吸的原因。受到籽粒相互碰撞挤压等因素影响,CFD-DEM仿真获取的吸种距离小于静止状态下的籽粒吸附临界距离,考虑到实际振动种盘内种群运动的随机性更强,提出在仿真获取的临界吸种位置基础上,适当降低调节距离以提高吸盘的整体吸种性能。结合振动种盘内种层厚度的实时监测技术,以PLC为控制器设计了排种器吸种位置的自动控制装置,并在排种器性能试验台上以压差、吸种位置调节距离、种盘振动频率、种层厚度为因素进行正交试验,通过对吸种合格率的数学回归建模和优化得到:当吸孔直径为2.5 mm、种盘振幅为4.0 mm时,理想的压差为4.4 k Pa、种盘振动频率为10.6 Hz、吸种位置调节距离为2.7 mm。根据优化结果进行吸种性能试验,当种层厚度在15~25 mm范围变化时,排种器的吸种合格率达到94.5%。研究结果可以为提高盘吸式排种器的自动化水平和连续作业性能提供借鉴。     

气吸滚筒式垄上三行大豆密植排种器设计与参数优化

针对1.1 m大垄垄上三行密植大豆栽培技术配套播种机不得不采用单行播种单体前后错排使用,导致播种机结构复杂、通过性差等问题,研究设计了一种与垄上三行大豆密植栽培模式配套的气吸滚筒式大豆排种器。通过理论分析初步确定其主要结构参数并建立充种过程力学模型,运用三因素五水平二次正交旋转中心组合试验方法,以真空度、作业速度、型孔孔径为试验因素,以粒距合格指数、重播指数、漏播指数、各行排量一致性变异系数为目标函数,参照国标GB6973-2005《单粒(精密)播种机试验方法》实施参数优化试验。结果表明:当参数组合为型孔孔径4.5 mm、真空度4.7~5.9 k Pa、作业速度低于9.1 km/h时,该排种器的合格指数≥95%、重播指数≤3%、漏播指数≤2%、各行排量一致性变异系数≤6.5%。研究结果为气吸滚筒式三行大豆排种器的开发奠定了基础。     

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。     

马铃薯气力精量播种机设计与试验

针对目前中国马铃薯播种机普遍存在作业速度慢、精度低、重漏播率高等关键问题,根据中国北方马铃薯一季作区大规模、大面积和高效精量播种的农艺要求,该文研制了一种马铃薯气力式精量播种机,该机一次作业可完成马铃薯开沟、侧深分层施肥、高速播种和覆土等多项功能。设计了气吸式马铃薯播种机多臂均布式排种器结构、分体式滑刀开沟器、排种器风机和动态供种装置;确定了包括配气阀、吸种臂及2种(常规薯、微型薯)吸种嘴的排种器关键部件的结构参数。田间生产试验表明,马铃薯气力精量播种机作业速度可达到10.2 km/h,播种早出苗2~3 d,同苗率达到96%。200 hm2的生产应用表明,本文所研制的马铃薯气力精量播种机重播率≤1%,漏播率≤1%,株距变异系数≤10%,同苗率96%,均超过国家标准且满足马铃薯田间种植的农艺要求,为中国马铃薯机械化播种提供了一种新技术、新装备和新方法。     

油菜小麦兼用排种盘的排种器充种性能

油菜、小麦籽粒物理机械特性差异大,该文针对前期研究中油菜小麦气力式精量排种器结构中,需对不同类型种子更换排种盘的缺陷,研制了一种兼用型内嵌入导种条式排种盘及其型孔结构,以实现油菜小麦气力式精量排种器兼用。开展了其充种阶段内嵌入导种条上强制带动层种子的运动轨迹及充种区种子充填角的解析,构建了充种区强制带动层种子的力学模型;并结合高速摄像技术,分析阐明了充种区种子层的流动特性,试验研究了充种区油菜、小麦充填角与充种性能、内嵌入导种条对种子机械损伤。研究结果表明:转速范围为10~45 r/min时,排种器充种区种子充填角与转速线性相关,内嵌入导种条时的油菜、小麦充种角随转速的变化率值分别为1.6635、1.9929,相对无导种条式排种器,充填角平均增量分别为10.1°、13.45°,充填弧长平均增量分别为12.29、16.48 mm,充种性能明显提高;发芽率试验表明,排种盘内嵌入导种条对种子无机械损伤。排种器性能试验结果表明:吸种负压为-2 900 Pa、排种盘内嵌入导种条可使小麦排种的平均合格指数相对提高30.76%,漏播指数相对降低38.61%;吸种负压为-900 Pa、投种正压为500 Pa时,排种盘内嵌入导种条可使油菜排种的平均合格指数相对提高3.72%,漏播指数相对降低8.58%;在转速为20~30 r/min时,排种性能均能满足油菜小麦兼用精量播种的要求。该研究可为兼用型精量排种器结构改进及性能优化提供研究依据。     

双腔气力式水稻精量水田直播机设计与试验

杂交水稻分蘖能力强，产量高。为满足杂交水稻水田直播需求，该研究以3～5粒/穴为播种目标，设计了一种双腔气力式水稻精量直播机。介绍了双腔气力式水稻精量直播机主要工作部件结构，并对负压风力系统进行选型与设计。以杂交稻甬优4949为试验对象，以吸种负压与直播机前进速度为影响因素进行了田间试验。试验结果表明：当吸种负压为3.2 kPa、直播机前进速度为0.2～0.4 m/s时，10行排种器平均播种合格率（3～5粒/穴率）为91.04%，0～2粒/穴率为2.23%，大于5粒/穴率为6.73%，各排种器之间的播种合格率变异系数为1.24%，满足杂交稻田间播种作业要求，为水田精量直播提供了参考依据。     

转轴型孔式精量排种器充种性能仿真分析与试验

针对转轴型孔式棉花精量排种器在充种过程中由于型孔未囊取种子而造成漏播的问题,该研究通过建立棉种充填过程的运动学模型对相互抢位的棉种进行力学分析,研究取种轮运动参数与排种器转速对充种性能的影响。应用离散元仿真软件分析落入型孔的棉种速度的变化趋势,并分析取种轮振动频率对种群扰动的影响,以取种轮振动频率、取种轮振动偏移角、排种器转速为试验因素,以排种粒距合格率、重播率、漏播率为试验指标,进行三因素五水平的正交通用旋转组合试验,探究各因素对排种性能的影响,运用Design Expert 8.0.6软件对试验结果进行分析,并对回归模型进行优化验证。仿真分析结果表明,棉种瞬时速度随着排种轮转速的提高而增加,仿真标记的棉种在充入型孔时的瞬时速度小于取种轮速度,而相对取种轮速度较小的棉种具有更好的充种性能;在7 Hz时,种群法向力平均值最小,即种群的内摩擦力最小,棉种易于被型孔囊取;当排种器转速为12.59 r/min,取种轮振动偏移角度为8.06°,振动频率为6.08 Hz时,排种器的排种粒距合格率达到最大值94.5%。在此基础上,以新陆早61号棉花种子为试验对象进行台架验证试验,试验结果表明,当排种器转速为12 r/min时,排种器的排种粒距合格率达到最大值94.65%,漏播指数随着排种器转速的增加呈上升趋势,重播率随着转速的增加呈现下降趋势,与优化结果基本吻合,验证了仿真结果的准确性。该研究可为转轴型孔式棉花精量排种器关键部件结构优化设计提供参考。     

气压组合孔式玉米精量排种器设计与试验

该文将排种器型孔和种子搅拌装置相融合,取消了传统气力式排种器复杂的种子搅拌装置,设计了1种气压组合孔式玉米精量排种器。阐述了正压气流与导槽相结合来提高排种器充种性能的原理,计算确定了其主要结构参数。以重播指数、漏播指数及粒距合格指数为指标,对其分别进行了台架试验和田间试验。结果表明,该排种器漏播指数、重播指数、合格指数等指标明显优于气吸式排种器,且田间工作性能稳定。     

玉米播种机水平圆盘排种器型孔设计与试验

为满足水平圆盘排种器在高速条件下的精密排种要求,从排种器的工作原理出发,对排种盘型孔的结构形状和尺寸进行分析,设计出一种带倒角的周边式倾斜长方形型孔的水平圆盘排种器。为了得到排种器的最佳性能参数,以排种器转速、型孔倒角长度、型孔倾角为试验因素,以排种合格指数、重播指数、漏播指数为试验指标进行三元二次回归正交旋转组合试验,建立试验指标与试验因素间的数学模型。应用响应面法对回归方程进行多目标优化,得到最佳参数为:排种器转速为33 r/min,倒角长度为7 mm,型孔倾角为61°,此时排种的合格指数为92.47%,重播指数为3.56%,漏播指数为3.97%。在最优参数组合下,台架试验验证排种器的排种合格指数为92.13%,重播指数为4.01%,漏播指数为3.86%,田间验证试验表明,当排种器转速调整为33 r/min时,其线速度为0.41 m/s,播种机组前进速度为8.6 km/h,水平圆盘排种器的播种性能指标满足单粒精密播种的农艺要求,且对不同品种的玉米种子具有良好的适应性。该研究可为机械式精密排种器的优化设计提供理论参考。     

气力式小粒径种子精量排种器吸种效果影响因素研究

针对油菜、青菜等类球形小粒径种子粒径小、质量轻,通过排种合格指数、漏播指数等指标研究吸种环节影响机制易受后续卸种、导种等串联环节影响的问题,以正负气压组合式小粒径种子精量排种器为研究对象,通过吸种运移状态图像拍摄试验,确定型孔漏吸、单粒吸种及重吸发生概率,开展吸种环节研究。吸种状态分析发现小粒径种子质量轻,-200Pa时即可被吸附,在负压绝对值较大时会出现4～6粒重吸;型孔单粒吸种发生概率与种子千粒质量、排种盘转速、型孔直径、工作负压等因素相关性极显著(P0.01);排种器存在稳定吸种临界负压,当工作负压在临界负压1～2倍范围内,型孔单粒吸种概率高于0.92,漏吸与重吸发生概率均低于0.04;结合吸种过程受力分析可知排种盘转速变化造成单粒吸种概率变化的主要机制是影响型孔与种子吸附作用时间,进而影响单粒吸种可靠性;当转速增加,实现稳定吸种的临界负压绝对值增大,吸种负压计算的可靠性系数应增大;以漏吸概率0.02及单粒吸种概率0.92的工作负压为参考值,建立了可靠性系数与排种盘工作转速及型孔直径相关的数学模型,利用该模型计算排种器吸种可靠性系数,进而确定吸种负压临界值,可使排种器漏吸发生概率小于0.04,单粒吸种概率大于0.92,排种器稳定工作。研究明确了正负气压组合式小粒径种子精量排种器吸种环节影响机制和用于计算吸种临界负压的可靠性系数模型,为气吸式排种器设计与性能提升提供了参考。     

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。     

油菜精量气压式集排器排种性能试验

为提高油菜精量气压式集排器的排种性能,该文通过对充种和清种2个基础过程解析,明确了影响排种性能的主要因素,确定了相关试验因素的范围,并以华油杂62种子为对象,采用L27(313)正交试验设计研究了清种气嘴口截面形状、充填高度、清种气流流速和排种滚筒转速对集排器排种性能的影响。结果表明,清种气嘴口截面形状、充填高度、清种气流流速和排种滚筒转速对排种均匀性影响显著,清种气嘴口截面形状、充填高度和排种滚筒转速对各行排量一致性有显著影响,并确定了其较优参数组合。优化组合试验得出选择矩形截面形状的清种气嘴,充填高度27 mm,清种气流流速10 m/s,排种滚筒转速20 r/min的最佳参数条件下,排种均匀性变异系数为8.07%,各行排量一致性变异系数为1.95%,种子破损率低于0.1%。该研究为油菜精量气压式集排器结构优化与排种性能的提升提供了参考。