油菜精量联合直播机气力排种系统性能和参数建模

为了了解油菜精量联合直播机气力排种系统工作参数及排种性能对油菜直播机作业性能的直接影响,该文应用JPS-12排种器性能检测试验台及自行研制的气力式油菜精量排种检测系统,开展了气力排种系统排种器单体负压流量与压强、系统各负压支路输气管压强及系统总负压输气管流量的试验,构建了基于系统总负压输气管流量与各支路输气管流量的神经网络模型,得出了系统总负压流量与风机转速、正压泄气孔大小的关系式及系统各支路输气管压强与流量的转换关系模型;同时以排种系统各行排量一致性变异系数＜5%、各排种器单转排量＞36粒等为约束方程,建立了以风机转速、排种轴转速及正压泄气孔大小为变量的整数规划模型,研究表明,所建立的系统工作参数及排种性能模型,对排种系统的性能优化与结构改进具有重要的理论价值和实际指导意义。     

油菜气力式排种系统参数对其负压特性的影响及风机选型

针对2BFQ系列油菜精量联合直播机气力式精量排种系统在实际生产作业时受负载变化、地表特征等要素的影响,难以保证排种器负压处于理想工况的现实问题,围绕油菜直播机气力式精量排种系统负压特性及风机参数匹配开展试验。试验分析了排种器气室负压分布均匀性,研究了排种盘转速、排种器数量、风机额定功率及风机工作转速等排种系统参数对排种器气室负压的影响,并建立了数学模型。试验结果表明,排种器气室负压分布均匀性好,排种盘转速对气室负压平均值影响不显著;排种器气室负压绝对值随排种器数量增加而降低,随风机额定功率和风机工作转速增大而增加;建立的风机选型模型及排种器负压与排种器数量、风机额定功率、风机工作转速关系模型,决定系数均大于0.92,模型验证相对误差分别在-8.23%~6.62%和-6.12%~8.25%;依据模型确定了直播机气力式精量排种系统风机参数匹配设计步骤及2BFQ系列油菜精量联合直播机风机选型及其设计转速参数。台架试验及田间试验结果表明风机参数匹配设计步骤实际可行。该研究可为2BFQ系列油菜精量联合直播机气力式精量排种系统的结构优化与实际生产提供参考。     

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。     

侧正压玉米排种器的设计与试验

为了实现玉米精量播种,该文设计了一套侧正压排种器,分析了排种器的工作原理,并对排种过程动力学进行了研究;对影响排种器性能的基本因素进行了均匀设计试验,并且分别对排种性能3个指标建立了回归数学模型。试验结果表明,排种盘转速对播种合格指数和漏播指数影响最显著,充种型孔尺寸对重播指数影响最显著,风机压力对排种指标有影响但影响不显著,风机压力达到1.2 kPa,排种盘转速18 r/min,充种型孔宽度11 mm时,既能够满足播种要求。通过种子分级试验,分级后排种性能指标显著改善,合格指数达到了89.36%,漏播指数降至4.26%。本文所设计的侧正压排种器为气力式精量播种机提供了一种新的参考。     

侧正压玉米排种器的设计与试验

为了实现玉米精量播种,该文设计了一套侧正压排种器,分析了排种器的工作原理,并对排种过程动力学进行了研究;对影响排种器性能的基本因素进行了均匀设计试验,并且分别对排种性能3个指标建立了回归数学模型。试验结果表明,排种盘转速对播种合格指数和漏播指数影响最显著,充种型孔尺寸对重播指数影响最显著,风机压力对排种指标有影响但影响不显著,风机压力达到1.2 k Pa,排种盘转速18 r/min,充种型孔宽度11 mm时,既能够满足播种要求。通过种子分级试验,分级后排种性能指标显著改善,合格指数达到了89.36%,漏播指数降至4.26%。本文所设计的侧正压排种器为气力式精量播种机提供了一种新的参考。     

气吸式胡萝卜起垄播种一体机研制

该研究结合山东等地的胡萝卜垄作种植模式,研制了一种集起垄、开沟、精量播种、覆土、镇压等功能于一体的气力式胡萝卜精量播种机,实现胡萝卜垄上窄行精量播种作业。该机采用负压吸种、正压吹杂完成单粒精量播种,主要由气吸式精量排种器、起垄整形装置、开沟分种装置、覆土器、机架及传动系统组成。根据吸种及投种过程的种子受力及运动分析,得到排种器气室真空度临界值,明确了投种位置及株距均匀性的主要影响因素。设计了双圈型孔排种盘,排种盘内外圈型孔所在圆周半径分别为87.5和95.0 mm,每圈型孔数量为30个。依据清种要求及作业空间,设计锯齿刮板式及偏心式刮种器,实现型孔两侧刮种;根据种植农艺要求,确定FL-2.5型风机,实现不同播种风量要求;采用3个双翼铧式犁起垄,并通过整形装置对垄形进行修整,一次完成2个梯形垄;遵循单体双窄行、浅开沟及少覆土要求,确定了开沟分种结构及覆土板参数。依据投种过程分析,采用低位投种方式,最低限度布置排种器,开沟分种装置总体高度在100mm左右。以排种盘型孔直径、排种盘转速和气室负压为试验因素,以粒距合格率、漏播率和重播率为试验评价指标,进行三因素五水平的二次回归正交旋转组合试验,获得排种器最佳参数组合为型孔直径1.6mm,排种盘转速18 r/min,气室负压4.4k Pa。田间试验结果表明,该机播种粒距合格率大于94%、漏播率小于5%、重播率小于4%,满足相关国家标准及胡萝卜种植农艺要求,可为胡萝卜精量播种机具的设计提供参考。     

基于时变窗口的油菜精量排种器漏播实时检测方法

为了快速准确地反映不同漏播状态类型,针对油菜精量排种器漏播实时检测问题,在界定了"稀疏缺苗"和"断条"2种不同漏播类型的基础上定义了稀疏缺苗系数与断条系数,分析了两系数的二维平面分布,提出了一种采用排种盘转速与排种脉冲同步检测、排种频率与时间间隔双重阈值约束的检测方法。该检测方法利用MSP430单片机的时间捕捉中断资源,在由排种盘转速脉冲序列信号确定的时间窗口内,通过光纤传感器感应获得排种序列的排种频率与排种时间间隔2类统计指标,依据设定的漏播严重程度评判系数,建立了漏播状态评判规则。在气力式油菜精量排种器上试验结果表明:该检测方法能够根据排种盘转速的变化自行调整检测时间窗口,对"稀疏缺苗"和"断条"漏播状态判断准确率可达100%,对于油菜精量联合直播机在田间不同作业速度下,该方法能够有效实现精量排种器漏播的实时检测,在考虑地轮滑移情况下检测结果滞后距离低于(84*型孔数)mm。该方法不仅有效解决了小粒径精量排种器重播条件下漏播的检测,而且对播量不足进行了约束,提高了漏播检测的实时性,为后期实现精准自动补种创造了有利条件。     

内充种组合型孔式播量可调棉花精量排种器设计与试验

为改善内充种式排种器用于棉花排种时易出现剪切伤种、内窝孔口堵塞以及播量无法调节的问题,该文设计了一种组合式阶梯状充填孔的播量可调式棉花精量排种器。以含水率为11.01%(湿基)的"鄂抗棉-10"棉种为试验对象,采用三元二次回归正交旋转组合设计试验,分析了内窝孔深度、入种口高度与排种盘转速对排种性能的影响规律,并获得了上述3因素的最佳工作参数组合。试验结果表明:排种器工作时种子破损率较低,凹型充填孔更适宜于棉花直播作业,影响排种器排种合格率的主次因素依次为排种盘转速≥内窝孔深度≥入种口高度,在内窝孔深度7.7 mm、入种口高度62.9mm、排种盘转速23.52 r/min时,排种合格率((2±1)粒/穴)为96.23%,漏播率(0粒/穴)为1.85%,重播率(大于3粒/穴)为1.92%,破损率为0.17%,满足棉花精量直播农艺要求。试验结果表明,阶梯状充填孔有延长清种时间与约束充种形态的作用,可减少排种器种子破损率3.73%,提高精量排种质量,可为内充种式排种器结构设计与优化提供参考。     

气力托勺式马铃薯精量排种器设计

针对勺带式排种器播种前进速度进一步提高的限制以及气吸式排种器播种马铃薯所需功耗较大等问题,设计了一种气力托勺式马铃薯精量排种器。气力托勺式马铃薯精量排种器主要由滚筒、托勺、种箱、空心轴、气压隔板、压缩弹簧、链轮、清种气管等部件组成。通过理论分析与计算,确定了排种器关键部件参数。为了确定气力托勺式马铃薯精量排种器作业的优化参数,以负压、清种风速、型孔直径、滚筒转速为试验因素,以漏播率、合格率为试验指标,采用Box-Behnken试验设计原理进行了排种器性能试验,得到影响漏播率和合格率的主次顺序为负压、滚筒转速、型孔直径和清种风速。利用数据处理软件Design Expert 8.0.6进行参数优化,以漏播率、合格率为试验指标,得出负压为8.92 kPa,清种风速为32.25 m/s,型孔直径为18.34 mm,滚筒转速为19.92 r/min时,模型预测的漏播率为3.64%,合格率为91.9%。经过试验验证,与优化结果基本一致。论文相关研究可为马铃薯精量播种技术的研究提供参考。     

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。     

滑片型孔轮式水稻精量排种器排种性能数值模拟与试验

针对现有水稻旱直播机排种器适应性差和排种精度低的问题,该文设计了一种滑片型孔轮式排种器。引用球度表示水稻种子三轴尺寸,利用EDEM软件对3种球度水稻种子在6种排种轮转速下的排种器排种过程进行仿真试验,得到不同球度水稻种子在不同排种轮转速下的排种性能变化规律,分析了排种轮转速和种子球度对排种性能的影响。仿真结果表明：当排种轮转速在15～40 r/min时,冈优898种子的排种性能优于国丰一号种子和冈优3551种子的排种性能;当排种轮转速在15～30 r/min时,3种球度水稻种子的排种合格率在84.01%～87.91%之间;当排种轮转速大于30 r/min时,随着排种轮转速增加,排种合格率显著下降。在此基础上,选用不同球度的5个水稻品种种子为试验材料,选取排种轮转速和种子球度为试验因素,以排种合格率、漏播率和重播率为评价指标,采用二次回归正交旋转组合设计,进行排种器台架试验。利用Design-Expert 8.0.6软件对试验结果数据进行分析,建立排种性能指标与排种轮转速和种子球度之间的回归方程,得到响应面图,并对仿真结果进行验证。根据回归方程进行优化,得到最佳工作参数：排种轮转速为27.12 r/min、种子球度为44.61%,此时,排种合格率为83.90%、漏播率为5.43%、重播率为10.67%,排种性能最佳;排种器台架试验结果与仿真结果基本相同,排种性能随排种轮转速和种子球度的变化规律一致。田间试验结果表明,排种器对各尺寸等级水稻种子的排种性能皆满足水稻精量穴直播的播种要求。研究结果可为滑片型孔轮式精量排种器的结构优化及排种性能提升提供参考。     

气吸滚筒式油菜穴盘育苗精密排种器设计与试验

为满足油菜穴盘育苗移栽作业要求,解决油菜机械化种植茬口紧张难题,该研究设计了一种气吸滚筒式穴盘育苗精密排种器,利用光电传感器和正压投种机构实现同步整排投种。阐述了排种器基本结构与工作原理,对关键部件结构进行设计,应用Fluent软件模拟分析了3种不同正压进气孔间距条件下滚筒内壁和吸种孔与正压气室的流场特征;采用二次旋转正交组合试验方法,对排种器作业性能的主要影响因素(吸种负压、投种正压和吸种孔直径)与播种指标(单粒合格指数、漏播指数和重播指数)的关系进行研究,分析了各因素及其交互作用对各指标的影响规律,并采用多目标优化方法进行参数优化;在优化参数条件下,设定排种器生产率分别为600、700和800盘/h时,对3个品种油菜种子和1个蔬菜种子(茄子)进行排种性能试验。结果表明:当正压进气孔间距为144 mm时,整个正压气室无回流情况,各吸种孔处气流速度相对均匀;影响单粒合格指数的因素主次顺序为投种正压、吸种孔直径和吸种负压,最优参数组合为吸种负压3.73 kPa,投种正压0.23 MPa,吸种孔直径1.28 mm,此时单粒合格指数、漏播指数和重播指数分别为95.13%、2.80%和2.07%。生产率为600~800盘/h时,油菜种子的单粒合格指数均高于93%,漏播指数和重播指数均小于5%;茄子的单粒合格指数高于90%,漏播指数和重播指数均低于5%。该排种器的排种性能适应性较好且精准高效,能够满足油菜及部分蔬菜穴盘育苗播种作业要求。研究结果可为油菜等穴盘育苗播种机研发提供参考。     

基于EDEM软件的指夹式精量排种器排种性能数值模拟与试验

为研究玉米籽粒尺寸及工作转速对指夹式精量排种器排种性能的影响,对排种器工作原理进行阐述,建立了指夹夹持动力学模型,分析了充种夹持过程中玉米籽粒尺寸及工作转速对指夹夹持性能的影响。运用EDEM软件进行排种性能虚拟试验,分析了排种过程中造成不同尺寸等级籽粒产生重播、漏播问题的主要原因。仿真结果表明,当工作转速15~45 r/min时,排种器对中型尺寸籽粒的排种性能最优,其合格指数大于84%;对大型尺寸籽粒的排种性能次之;对小型尺寸籽粒的排种性能较差,其合格指数大于80%。随工作转速增加,排种器对各尺寸等级籽粒的排种性能皆呈下降趋势。在相同工况(15~45 r/min)下选取3种相应尺寸等级玉米籽粒,进行台架验证试验。结果表明,台架试验结果与仿真基本相同,合格指数最大误差为7.4%,且排种性能随玉米籽粒尺寸及工作转速的变化规律一致。田间试验表明,排种器对各尺寸等级籽粒的排种性能皆满足精密播种要求。该研究为指夹式精量排种器及其关键部件的优化设计提供了参考。     

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。     

油菜小麦兼用气送式直播机集排器参数优化与试验

为提高油菜小麦兼用气送式集排器的排种性能,该文针对集排器具有较长导种管和气流扰动影响种子迁移轨迹的问题,通过构建导种过程力学模型确定了影响排种性能的主要因素,分析了导种管材料、直径、长度组合、角度布置、气流压强和供种转速对排种性能的影响。试验结果表明:导种管材料、直径、材料与直径的交互作用、长度组合对平均行排种量和各行排量一致性变异系数均有显著(P0.05)或极显著(P0.01)影响,角度布置影响不显著,导种管材料和直径分别为PVC钢丝软管和20 mm的排种性能较优,且应尽量布置导种管长度一致。气流压强和供种转速对各行排量一致性变异系数影响显著(P0.05);供种转速为20~40 r/min时,排种油菜、小麦时气流压强分别为1 200和1 600 Pa时具有较好的排种均匀性,总排量稳定性变异系数和各行排量一致性变异系数分别低于1.0%和4.00%;油菜、小麦的排种均匀性变异系数分别低于19.0%和12.5%,种子破损率低于0.1%。田间试验表明油菜种植密度为40~68株/m2时,稳定性变异系数低于20%;小麦单位面积植株数量为129和252株/m2时,稳定性变异系数分别为8.34%和8.12%,达到油菜、小麦的农艺种植要求。该研究为气送式集排器结构优化和排种性能提升提供了参考。     

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。     

正负气压组合油菜精量排种器锥孔盘排种性能

为进一步提升正负气压组合式油菜精量排种器性能，该研究提出了一种可增加种群扰动、降低被吸附种子运移阻力的圆锥型孔排种盘。通过理论分析和离散元仿真试验阐明倒角截顶圆锥孔排种盘排种性能提升机理，并通过台架试验对排种性能提升效果进行了验证。理论分析表明，在排种盘上采用圆周密布的圆锥型孔，排种盘型孔临近吸种区域种群横向扰动增大，型孔上被吸附种子随排种盘运移时的切向阻力降低，利于提高充种成功率和携种稳定性。离散元仿真分析表明，相同型孔数条件下倒角截顶圆锥孔盘较圆直孔盘在充种室种群平均速度增大66.72%；在型孔附近临近吸种区种子切向运移速度提高90.45%，轴向运移速度增加83.90%，径向运移速度提高165.60%，吸附在型孔上的种子运动阻力下降35.60%。台架试验表明，在工作负压800～4 800 Pa、转速10～50 r/min条件下，倒角截顶圆锥孔排种盘较圆直孔排种盘单粒排种合格指数提高5.49%、重播指数及漏播指数分别降低68.62%和3.79%，在卸种正压200 Pa、工作负压2 100 Pa、转速25 r/min条件下，其合格指数、重播指数、漏播指数最高可达98.13%、1.25%和0.62%。倒角截顶圆锥孔排种盘在不增加附属搅种和充种装置的基础上，可有效提高单粒排种性能，降低排种器重播指数和漏播指数，提升排种器作业性能，研究结果可为正负气压组合式油菜精量排种器结构优化提供参考。