基于EDEM软件的气压组合孔式排种器充种性能模拟与验证

为研究种群扰动对排种器充种性能的影响,该文基于离散单元法理论,以气压组合孔式排种器为模型,运用EDEM软件对4种不同型孔结构排种盘的种群运动进行了仿真分析,以种子法向应力跳动量和种子平均法向应力总和作为指标,分析了各排种盘在不同转速条件下的种群内摩擦力的变化,仿真结果表明,种群扰动强度的增大并不能显著减少种子法向应力的总量,但会降低种子瞬态的法向应力即瞬时种子内摩擦力,据此推断出扰动强度最大的排种盘的充种性能较其他排种盘更优。在排种器试验台上进行了验证试验,选取6种转速,以漏充率为指标,分别对4种排种盘进行试验,结果显示扰种强度最高的排种盘在各转速条件下的漏充率最低。对比仿真与试验结果发现,增强排种盘对种群的扰动可以在一定程度上提高种子的充种性能。     

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。     

水稻气力式排种器分层充种室设计与试验

为改善水稻种子在充种室内的流动性并提高水稻气力式精量穴播排种器的排种精度,实现超级杂交稻(1~3)粒/穴精量穴播要求,在水稻气力式精量穴播排种器与种箱间设计了一种分层充种室。以含水率为20.3%(湿基)"培杂泰丰"超级杂交稻种子为对象,采用单因素试验和正交试验的方法,研究了不同吸室负压、吹种正压下,分层充种室对排种器排种性能的影响。试验结果表明,在吸种盘转速为30 r/min、吸室负压为1.6 k Pa、送种正压为0.1 k Pa、采用分层充种室的条件下,该排种器排出(1~3)粒/穴种子的概率为95.4%,空穴率为1.53%,大于4粒/穴的概率为3.07%,其中排出1粒/穴种子的概率为17.32%,2粒/穴种子的概率为58.72%,3粒/穴种子的概率为19.36%;与前期开展的水稻气力式精量穴播排种器排种性能试验结果相比较,增设分层充种室后,排种器播种精度提高。该研究表明,减小排种器中水稻种子之间的挤压力和摩擦力,改善种子的流动性,从而使吸种盘上吸孔对种子的吸附能力增强,是提高水稻气力式精量穴播排种器的性能的重要途径。该文为水稻气力式排种器结构优化与性能提升研究提供了重要参考。     

自扰动内充型孔轮式玉米精量排种器设计与试验

为提高机械式排种器的工作性能,该文从增加充种区种群活跃度、降低种群内摩擦力的角度出发,设计一种自扰动内充型孔轮式玉米精量排种器,分析了种子在扰种条上运动情况和充种原理,完成排种盘的参数设计。采用离散元软件EDEM对排种器进行仿真试验,以排种盘转速、扰种条形式、排种盘圆台锥角、扰种条半径为试验因素,以排种单粒率、重播率、漏播率为试验指标进行单因素试验和二次正交回归旋转组合试验。应用Design-Expert8.0.6对试验数据进行分析,得到了单粒率、重播率、漏播率和试验指标之间的数学模型,对试验结果进行多目标优化,得出最佳参数为:排种盘转速8.4 r/min,螺旋扰种条,排种盘圆台锥角38.6?,扰种条半径1.24 mm,此时排种单粒率为96.29%,重播率为2.55%,漏播率为1.15%。在最优参数组合下进行台架试验,排种器的单粒率、重播率和漏播率分别为95.4%、1.6%和3.0%;且当排种盘转速在8.40～16.67 r/min(对应工作速度为4.94～9.75 km/h)时,排种单粒率大于91.4%,重播率小于1.6%,漏播率小于7.3%,伤种率小于0.44%,排种效果优于勺轮式排种器,满足玉米单粒精播的农艺要求,对播种机作业速度适应范围广。基于EDEM离散元法的排种器仿真试验为排种器性能参数的确定提供参考且缩短设计周期,该研究可为提高机械式排种器充种性能提供参考,为玉米精量播种机的设计提供研究基础。     

排种盘和负压腔室同步旋转气吸式玉米精量排种器设计

针对传统气吸式排种器工作时排种盘与负压腔室的密封垫之间相对转动,易导致密封垫磨损,从而造成排种器密闭性下降、风压需求增加、作业精度降低等问题,设计了一种排种盘和负压腔室同步旋转的气吸式排种器,将排种盘与负压腔室固定连接,作业时同步旋转,使排种盘和密封垫之间不产生相对运动,达到无摩擦、低气压损失、高排种精度的效果。基于机械扰种和重力辅助充种原理,将该排种器排种盘设计为带直线凸起的环形锥台,分析确定了排种器工作区域,计算了排种盘的关键结构参数。以含水率为12.8%,千粒质量为351 g的郑单958未分级种子为试验对象,借助中国农业大学自主研发的排种器性能检测仪对该排种器作业效果进行了室内试验,结果表明:作业速度10 km/h以下,所研制的排种器在负压值–3.5~–5.5 kPa时,粒距合格指数均能达到91.6%,漏播指数均小于5.2%,重播指数均小于5.4%,各项指标优于国标要求,能实现有效排种。与Kverneland排种器的对比试验表明,要达到相同合格指数,设计的盘室同步气吸式精量排种器所需负压值更低。     

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。     

内充式排种器工作过程和性能的离散元法仿真分析

为建立一种排种器设计的新方法,以内充式排种器和小麦种子为研究对象,由排种器的CAD（computer aided design,计算机辅助设计）模型建立了该排种器的二维离散元法分析模型,采用圆弧组合的方法建立了小麦种子的二维颗粒模型,采用自主研制的二维离散元法软件,分析了该排种器的工作过程及性能。同时将排种器台架试验结果与离散元法分析结果进行了比较,两者基本一致,初步证明采用离散元法分析内充式排种器工作过程和性能的可行性,为内充式排种器的研究和优化设计建立了一种新方法。     

具有复合充填力的立式浅盆型排种器充种机理

为了从力学角度研究提高机械式精密排种器的充种能力以适应高速作业需要,分析了排种器种腔内种子各方向力学特征及规律,建立型孔充填力模型,找出提高充填能力的有效途径,并以增加充填力种类为目标创新设计一种立式浅盆型排种器。其排种盘结构既能保留传统立式种盘的优点,又避免了离心力对清种产生的负面影响。运用离散元仿真分析软件EDEM(engineering discrete element method)进行仿真并用物理样机试验进一步证实了种盘转速提高时,作为复合力引入的重力与离心力的分力能明显起到保证种子完成向型孔内进入过程的作用,在高速区段平均充填率提高2.33%。该研究为机械式精密排种器的研究提供了借鉴与参考。     

油菜气力盘式精量排种器槽齿辅助充种性能分析与试验

针对油菜气力盘式精量排种器高速排种过程中存在漏播严重和工作负压需求大的问题，该研究提出了一种槽齿定向扰动辅助充种种盘，采用质点动力学分析、EDEM软件、高速摄像技术和正交试验相结合的方法，对不同槽齿型式和槽齿厚度的种群流动性与辅助充种性能进行了研究。使用EDEM软件模拟分析了不同槽齿型式和槽齿厚度对种群流动性的影响，以种群平均动能和种群平均动能总和为量化指标，得出齿厚0.5～1.5 mm的直线型槽齿具有较好的辅助充种作用，有助于改善种子流动性和抑制种群拖带。选用华油杂62为试验材料，进行了槽齿型式优选试验，并以优选出的槽齿型式为对象开展了槽齿厚度、种盘转速和工作负压对充种性能影响的试验研究。结果表明：在工作负压不小于1 500 Pa条件下，作业速度小于6.0 km/h时，3种槽齿型式种盘的充种性能差异较小，当作业速度为6.0～9.5 km/h时，直线型槽齿辅助充种性能优于圆弧型槽齿和无槽齿的平面盘；三因素四水平正交试验优选出槽齿厚度为1.0 mm时充种性能最优，并明确了槽齿厚度、工作负压和作业速度对充种性能的影响规律；在槽齿厚度为1.0 mm、工作负压1 500～2 500 Pa、作业速度2.6～9.5 km/h条件下，种子吸附合格率不低于96%，漏吸率不大于4%。研究结果可为油菜气力盘式高速精量排种器结构优化设计提供参考。     

气吸式排种器扁平种子吸附姿态调节机构设计与试验

针对气吸式排种器在进行扁平形状种子排种时，充种性能不稳定排种效果不佳的问题，该研究以扁平玉米种子为作业对象，从种子的吸附姿态调节入手，设计一种具有倾斜凸台式取种结构的气吸式排种器。对排种器的倾斜凸台作业过程进行理论分析和设计计算，针对平面盘、凹槽盘和凸台盘三种排种盘的作业过程进行离散元仿真分析，结果表明：凸台盘对种群的扰动能力、离散程度和扭矩高于其他排种盘，倾斜凸台在取种过程中能够改变种子的姿态，实现种子扁平面与吸孔表面间的平行吸附。台架试验结果表明，凸台盘的单粒吸附率优于凹槽盘和平面盘，随着前进速度升高，单粒吸附率先增加大后减小，8 km/h达到最高值91.70%；随着负压增大，单粒吸附率变化趋势相同，3 kPa时达到最高值90.84%；凸台盘的稳定吸附率和平行吸附率随速度增大出现小幅降低，随负压增大逐渐升高并在3 kPa趋于稳定，凸台盘的吸附性能优于其他两种排种盘，同时三种排种盘在取种时的平行吸附率与投种位置的稳定吸附率呈正比。前进速度4～8 km/h时，凸台盘的合格率稳定在97%左右，随后逐渐下降，12 km/h时降至93.18%；田间试验结果表明，排种器作业性能随前进速度升高而降低，12 km/h时，凸台盘的合格率降为90.34%，漏播率升高至6.52%，满足精密播种要求。倾斜凸台式取种结构能够对扁平种子吸附姿态进行有效调节，提高吸附稳定性和排种器作业性能，研究结果可为扁平种子高速精量取种提供技术参考。     

对置斜盘高速精密大豆排种器设计与充种机理分析

针对机械式精密排种器在工作速度提高时,充种指数下降较快,从而导致作业质量严重下降的问题,在理论分析的基础上,创新设计了一种对置斜盘大豆排种器。该型排种器充分利用壳体的结构空间布置核心部件,从而提高排种频率、改变充填模式、增加充填力种类,以适应高速作业需求。根据该排种器的工作原理建立数学模型,分析种盘在不同倾斜角度时充填力的变化规律,优化角度为20°;运用工程离散元方法(engineering discrete element method,EDEM)将对置斜盘排种器与一种具有一定高速作业能力的双腔立式复合圆盘排种器进行虚拟仿真及样机试验对比,进一步验证了该种结构形式的优越性,试验结果表明在8~12 km/h高速区段平均合格指数较对照排种器提高约3.6%。研究为高速机械式精密排种器的设计与开发提供了机械形式方面的创新思路以及分析方法方面的借鉴与指导。     

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。     

利用高速摄像及仿真分析立式浅盆型排种器工作特性

为直观准确观察排种器的工作特性以及种子在其容腔内部的运动状态,利用高速摄像技术拍摄立式浅盆型排种器在不同转速下的工作过程,同时结合离散元仿真软件EDEM(engineering discrete element method)进行仿真,利用其后处理模块中的影像技术标记种子并对工作区间进行分析。采用高速摄影技术和离散元仿真分析软件EDEM分析得出:为了保证清种的可靠性,种盘的折边倾角应在67°~90°之间;同时,为了防止清种过程中带种导致的伤种现象的发生,种层高度应保证种面与护种板之间保留3~4倍种子直径的距离;投种过程中,为了保证排种的均匀性、减小株距变异,在保证型孔的光洁度的同时,投种口的尺寸应选取16 mm×30 mm。该研究为完善立式浅盆型排种器的设计、补充修正相关结构参数提供了参考。     

舀勺式马铃薯播种机排种器的设计与试验

为提高马铃薯种植机械化水平,针对目前马铃薯播种机排种器普遍存在的重漏播率高、人工劳动强度大、通用性差等问题,研究设计了一种舀勺式马铃薯排种器。阐述了该排种器主要结构、工作原理和相关结构参数;对排种器关键部件进行结构设计,理论分析主动轮和振动清种装置的性能特点;对排种器的排种性能进行台架试验,以主动轮转速、排种器倾角、清种装置的清种强度为试验因素,排种性能为试验指标进行正交试验,分析相关因素对排种性能参数的影响,获得合理参数组合,结果表明：电机驱动凸轮的清种系统较其它清种装置结构简单,作业状态更稳定,破拱装置增加种薯的流动性,提高充种率;主动轮转速为42 r/min,排种器倾角为0o,清种强度为0.75时,排种合格指数为92.6%,重播指数为4.5%,漏播指数为2.9%,排种质量较好,田间试验表明该作业参数组合下排种器性能满足马铃薯播种机播种性能要求,该研究为马铃薯播种机排种器的研究和设计提供了理论及技术参考。     

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。     

锥体帆布带式排种器参数优化与试验

为使锥体帆布带式排种器性能达到育种试验播种要求,该文对设计的锥体帆布带式排种器相关结构进行了分析与参数优化试验。通过对该排种器的泄种、分种、携种环节中种子的力学、运动学及空间排布情况分析,选取出对锥体帆布带式排种器作业性能有显著影响的参数,通过单因素试验和图表分析将参数影响程度进行量化,确定了影响排种性能的主要参数有:锥体转速、锥体倾角和楔形环域单位排布量。通过三因素二次正交旋转设计试验,建立了因素与试验指标(排种均匀性变异系数)的回归方程;经优化计算得出:当锥体转速为3.46 rad/s,锥体倾角为45.8°,楔形环域单位排布量为7粒/cm时,排种器的性能综合评价指标达到育种试验最佳水平。该排种技术在2BZH-6型株行育种条播机上进行了推广应用,经田间试验验证,最佳参数组合下锥体帆布带式排种器不存在伤种和存种现象,作业性能与锥体格盘式排种器相比提升明显。该研究为现有育种条播机排种部件的改进设计提供了参考。     

导向充填式水稻精量穴播排种器孔-槽组合型孔设计与试验

针对水稻轻简型机械式排种器因稻种无序充填型孔,导致种群精量分离效果不佳,播量精确调节困难等问题,该研究基于稻种在齿盘疏导下的分布姿态规律,设计了一种具有导向充填效果的孔-槽组合型孔。构建了衡量型孔充种区域稻种分布姿态的评价方法,明确了该区域稻种姿态随时间的变化规律,分别确定了适宜于常规稻和杂交稻排种的大、小组合型孔的结构参数。以常规稻黄华占与杂交稻丰两优3948稻种为排种对象,以大、小进种孔宽度和振动频率为试验因素,依次开展了单因素、二因素全因子和品种适应性试验。单因素试验表明,当大进种孔宽度为6.8～7.6 mm、小进种孔宽度为4.6～5.2 mm时,排种器排种常规稻和杂交稻的合格率均大于85%;低频振动是影响排种器排种性能的主要振动工况。全因子试验表明,当大进种孔宽度为7 mm、小进种孔宽度为5 mm时,排种器的合格率基本不低于90%,并能适应不同的振动工况;品种适应性试验表明,在适宜的进种孔有效长度下,不同尺寸稻种的排种合格率不低于88.80%、漏播率不高于3.60%、破损率不高于0.16%。田间播种试验表明,大组合型孔播种黄华占时,各行合格率不低于89.33%、漏播率不高于1.60%、重播率不高于9.60%、穴径平均值44.64～54.83 mm、穴距平均值133.21～144.67 mm;小组合型孔播种丰两优3948时,合格率不低于85.73%、重播率不高于8.27%、漏播率不高于6.53%、空穴率不高于1.73%,穴径平均值39.88～45.59 mm、穴距平均值200.79～205.56 mm,均满足常规稻和杂交稻大田精量旱穴直播的种植要求。本文通过组合型孔不同大小进种孔的切换及进种孔有效长度的调整兼用于不同水稻品种不同穴播量的低损精量排种,为水稻可调播量排种器设计提供理论参考依据。     

摩擦复充种型孔带式水稻精量排种器充种性能分析与验证

为解决杂交稻工厂化穴盘育秧低播量精密播种问题,提出了一种摩擦复充种型孔带式水稻精量排种器,对种子充填过程进行了力学和运动学分析,确定影响试验指标的影响因素分别为型孔方向角、型孔带速度、型孔带倾角和种层厚度。通过EDEM离散元软件仿真分析了种子多次循环重复充种过程和充种效果,并分别分析了型孔带速度、型孔带倾角、种层厚度对充种性能的影响规律。基于仿真分析结果进行了较优组合验证试验,结果表明:在型孔方向角为90°,型孔带倾角为43°,型孔带转速为0.11 m/s,种层厚度为50 mm时充种合格率为96.4%,多粒率为1.4%,漏充率为2.2%,种子破碎率为0.18%,效果较优。摩擦复充种型孔带式水稻精量排种器能够满足杂交稻低播量精密播种的农艺要求,研究结果为工厂化穴盘育秧精量播种机的设计提供参考。