基于离散元法的杂交稻振动匀种装置参数优化与试验

杂交稻栽培要求少本稀植、利用分蘖能力提高产量,现有的机械化播种技术不能满足此要求,亟需进行杂交稻精密播种技术的机理探讨。为探明振动匀种装置匀种过程中V-T型振盘的振频和振幅对杂交稻种群运动规律的影响,以及种群流动特性对播种性能的影响,该文基于离散元法,采用Hertz-Mindlin无滑动接触模型,实现了V-T型振盘工作过程模拟,得到振盘振频为57~59 Hz时,种群在振盘中分布均匀,播种效果较好。试验验证表明,利用离散元法模拟振动匀种装置匀种过程具有较高的准确性。在仿真结果的基础上,选取振盘振动臂材料、振动器安装角、气动振动器进气压强作为试验因素,进行了振动匀种装置参数优化试验,获得了杂交稻种子低播量下的最佳工作参数组合为振盘振动臂材料为60Si2Mn,振动器安装角度为47.5°,进气压强为0.26 MPa;此时播种合格指数为92.86%,空穴指数为1.14%,有效地提高了现有播种装置的性能。该研究对提高杂交稻精密播种技术提供了参考。     

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。     

振动气吸式精密穴播机的排种性能

为了研究振动气吸式精密穴播机的排种性能,根据空气动力学理论,结合水稻的物料特性,分析了稻种的吸种过程及穴播机的吸种性能;根据振动理论,分析了薄层种子和厚层种子在种盘上的运动。种子抛掷条件与振动频率、种盘振幅和种层厚度有关,种层越厚,振动部件所要求的振动强度越大。对于杂交水稻种子精密穴播,当吸种高度大于1 mm时,气室负压随吸种高度的增加而迅速增大,当吸嘴口直径小于1 mm时,气室负压随吸嘴口直径的减小而迅速增大,较优的气室负压为10～15 kPa。试验研究表明,该穴播机播种合格率达97.7%,能完全满足杂交水稻精密穴播农艺要求。     

杂交稻精密条播育秧底土开沟装置设计与试验

为解决杂交稻精密条播育秧种子成条性和均匀性不足导致秧苗素质差和栽插均匀合格率低等问题，该研究基于滚压开沟原理设计了一种杂交稻精密条播育秧底土开沟装置，利用压辊在秧盘底土上压制出种沟，并开展耦合栽插对比试验。阐述了底土开沟装置主要结构与工作原理，开展了压辊、载荷调节机构、秧盘和育秧土之间的动力学分析以及土壤下陷量标定试验，对开沟装置关键部件结构及其参数进行设计与优化；采用Box-Behnken试验方法进行离散元仿真试验，应用多目标优化方法对压辊关键参数进行优化，并通过验证试验，得到最优参数组合为：压辊直径100 mm，V型齿角度45°、种沟深度9 mm，此时开沟条播的均匀合格率为85.68%，成条合格率为87.18%，与优化结果基本一致。田间生产试验表明，与不开沟条播相比，开沟条播的均匀合格率和成条合格率分别平均提高5.78和17.17个百分点，最高均匀合格率和成条合格率分别为86.80%和87.60%；开沟条播能明显提高秧苗的整齐一致性；耦合栽插时，开沟条播比不开沟的漏插率平均减少1.95个百分点，1～3株/穴的比例平均提高7.14个百分点，根系损伤率平均降低2.27个百分点；50、70和90 g/盘播量下开沟条播比不开沟条播理论产量分别增加234.90、245.55和57.15 kg/hm²，增产比例为3.12%、3.53%和0.80%，实际产量比相同播种密度下不开沟条播分别增加381.60、365.85和180.15 kg/hm²，增产比例为5.00%、5.33%和2.52%。研究结果表明该开沟装置的作业性能良好，开沟条播育秧能有效提升精密条播育秧与精准耦合栽插的技术水平，可为杂交稻精密条播育秧装备的研发提供参考。     

双腔侧充种式水稻精量穴播排种器的设计与试验

为实现杂交稻和常规稻大田精量穴播,该文设计了一种具有弧形毛刷清种护种装置的双腔侧充式水稻精量穴播排种器,其单腔播种时用于播种杂交稻,双腔播种时用于播种常规稻。为评价该排种器排种性能,以合格率、漏播率、重播率、破损率为评价指标,以杂交稻"培杂泰丰"和常规稻"黄华占"为试验对象,以排种轴转速为影响因素,进行了排种性能台架试验。试结果表明:当排种轴转速为25 r/min,穴距150 mm,投种高度为150 mm,排种盘型孔中心线与排种盘端面间夹角为20°,且过端面上型孔截面长轴方向与排种盘面径向夹角为90°时,排种器单腔播种含水率为21.66%的杂交稻"培杂泰丰"破胸露白芽种合格率(2~4粒/穴)为87.04%,空穴率(0粒/穴)为3.33%,破损率为0.40%;双腔播种含水率为22.47%的常规稻"黄华占"破胸露白芽种合格率(5~8粒/穴)为70.26%,无空穴,破损率为0.06%。该排种器具有双腔结构,可同时或分腔进行播种,能同时满足杂交稻和常规稻播种要求。该研究为排种器的结构设计提供了参考。     

基于机器视觉和BP神经网络的超级杂交稻穴播量检测

为了保证秧盘上每穴超级稻种子数量一致,实现精密播种作业,需对播种性能进行准确检测,但超级杂交稻播种到秧盘中,多粒种子存在粘连、重叠、交叉等情况,传统的面积、分割算法对上述情况播种量检测精度低,因此需提高上述情况种子播种量检测精度。考虑到种子连通区域的形状特征反映种子数量,该文提出一种基于机器视觉和BP神经网络超级杂交稻穴播量检测技术。针对超级稻颜色特征,采用RGB图像中红色R和蓝色B分量组成的2×R-B分量图和固定阈值法获取二值图像;投影法定位秧盘目标检测区域和秧穴;提取连通区域10个形状特征参数,包括面积、周长、形状因子、7个不变矩,建立BP神经网络超级稻数量检测模型,检测连通区域为碎米/杂质、1、2、3、4和5粒以上6种情况;试验结果表明,6种情况的检测正确率分别为96.6%、99.8%、97.2%、92.5%、86.0%、94.3%,平均正确率为94.4%,每幅图像平均处理时间0.823s,满足精密育秧播种流水线在线检测要求;研究结果为实现精密恒量播种作业提供参考。     

基于机器视觉的水稻秧盘育秧智能补种装置设计与试验

对于工厂化育秧作业的水稻、蔬菜、花卉等,尤其是超级杂交稻,其机械化秧盘育秧播种的理想目标为2~3粒/穴,且普遍存在空穴和单粒穴的情况,为了保证秧盘育秧成秧率,提高精密播种合格率就显得非常重要。该文基于机器视觉技术,提出了一种智能补种方法,设计并研制了智能补种装置,主要用于超级杂交稻钵体秧盘育秧播种质量检测与补种过程。首先利用CCD摄像头采集秧盘图像,对图像处理与分析后得到空穴和1粒穴位置坐标,再利用定位机构和补种机构实现从种槽取种和对秧盘指定位置动态补种等功能。应用LabVIEW图形化编程软件,针对空穴和单粒穴的补种方案,开发出秧盘播种质量在线检测与补种运动控制系统,实现了智能补种任务。由试验结果统计可知,当补种率小于2%时,双补种器能够满足450盘/h的生产需求。     

工作参数对超级稻育秧播种部件吸种性能的影响

为进一步提高超级稻精密育秧生产率及播种精度,该文以气吸振动组合式超级稻精密育秧播种部件为试验对象,研究了种层厚度、双孔孔距和振动频率等工作参数对其吸种性能的影响规律。试验利用高速摄像技术与振动分析仪,采用三因素五水平试验设计,得出了吸种性能与种层厚度等试验因素之间的回归模型。试验表明：滚筒真空度3.1 kPa、滚筒转速14 r/min、振动频率90～104 Hz的条件下,种层厚度在吸种性能的回归模型中贡献率最大。最佳因素组合为种层厚度7 mm、双孔孔距3 mm和振动频率97 Hz,吸种合格率为93.12%。研究为超级稻育秧精密播种器的设计及参数优化提供科学的依据。     

点胶-纸带式小粒径种子蔬菜精密播种机设计与试验

针对目前蔬菜机械化播种精度低的问题,该研究设计了一种点胶-纸带式小粒径种子蔬菜精密播种机。通过对蠕动泵胶装置、棘轮点胶装置、排种装置的机构分析,确定了各机构的结构参数,并以导种管长度、导种管截面角度以及窝眼轮转速为试验因素,结合Box-Behnken试验方案进行导种管优化试验。结果表明,当导种管长度为56 mm,截面角度为35°、排种轮转速为30 r/min时,纸带上有效区种子占比达57.23%。以泵胶装置辊子转角和预胶化淀粉与水混合物质量比为试验因素,对直径为1.5～2.0 mm的上海青605种子进行粘附试验。结果表明,当辊子转角为10°,预胶化淀粉与水混合物质量比为1:6时,单粒种子粘附率达97.4%。开展整机对不同品种小粒径蔬菜种子的适应性试验,结果表明,在0.5～1.5 m/s作业速度下,上海青605和四季小白菜的播种单粒率均大于95%,株距变异系数均小于10%。与现有电控锥盘式蔬菜播种机相比,单粒率提高了3.53%,工作效率提高了50%,满足NY/T1143-2006规定的精密播种性能指标要求,该研究可为小粒径种子蔬菜精密播种机的结构设计和优化提供参考。     

中草药三七气吸滚筒式精密排种器的设计与试验

因中草药三七种植属于密集型精密种植模式,尚无满足种植要求的播种机,为解决三七机械化精密播种问题,研究设计了一种气吸滚筒式精密排种器。该文阐述了三七气吸滚筒式精密排种器的工作原理,确定了其主要结构参数,构建了充种和投种过程种力学模型。以云南文山三七种子为播种对象,采用二次旋转正交组合试验方法,对排种器进行了排种性能试验研究,并通过投种对比试验验证了零速投种的必要性。建立了负压、前进速度、吸种角度3个主要因素与合格率、漏播率、重播率的数学模型,分析了各个因素及交互作用对合格率的影响规律,并进行了参数优化与验证试验。影响排种合格率的因素主次顺序为负压、前进速度和吸种角度;确定最佳参数组合为吸种角度为20°,负压值660~720 Pa,前进速度在0.72~0.76 m/s,可获得合格率大于90.2%,漏播率小于4.9%,重播率小于5.3%。经试验验证,试验结果与优化结果基本一致,满足三七精密播种的种植要求。试验结果表明此种气吸滚筒式精密排种器对于三七种子具有很好的播种适应性。该研究为应用于田间阴棚内播种的气吸滚筒式精密排种器的设计提供了参考。     

水稻气力式排种器投种轨迹试验与分析

为研究水稻气力式排种器的稻种在送种正压作用下脱离排种盘后的轨迹以及投种成穴性,该文采用高速摄影技术分析了投种轨迹的变化规律及其影响因素,并对投种后的穴径进行了测量通过实际投种轨迹的均值优化理论方程,得到了不同条件下的优化方程。以"培杂泰丰"超级杂交稻种子为研究对象,采用多因素试验方法,分析了不同转速、不同送种正压下,稻种投影面正面与侧面轨迹与投种穴径的变化。试验结果表明:正面投种轨迹随排种盘转速的提高其水平位移增大,但整体偏移均小于5mm。当送种正压为0.1kPa时,其落种轨迹的稳定性较好,投种正面水平位移基本稳定在45~65mm,当送种正压为0.2kPa时,投种轨迹分布不均,稳定性较差;侧面投种轨迹受排种盘转速影响较小,增大送种正压会增大稻种侧面的水平位移,当送种正压为0.1kPa时,其投种侧面水平位移稳定分布在0~15mm,当送种正压为0.2kPa时,投种轨迹分布波动较大;穴径随转速与送种正压的提升,其大于50mm的概率也增多,排种盘转速为30r/min、送种正压为0.1kPa时,成穴性最好,其合格率为96.9%。投种高度控制在离地面10cm左右为最佳。该文从理论的角度分析了投种轨迹,得到了成穴性最优的条件,为水稻气力式排种器最优成穴条件与排种管的设计提供参考。     

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。     

气吸式纸夹定位水稻精密育秧设备的研制

大量农艺试验表明：播种量和秧苗素质是影响水稻优质高产的主要制约因素,应用先进的精密播种技术培育均质壮秧是增加水稻单产的一个重要途径。针对现有水稻工厂化育秧方式一次性投资大,秧盘土采集困难和育秧过程繁琐等问题,在分析国内外水稻秧盘育秧精密播种技术与装备的基础上,根据水稻育秧的农艺要求,提出了应用纸介夹持定位封种的一种新的水稻无秧盘育秧精播方法,设计出气吸式纸夹定位水稻精密育秧设备并进行育秧试验。试验结果为单粒率达80%以上,合格指数（每穴1～2粒种子）超过95%,重播率（每穴3粒以上种子）小于4%,粒距合格率大于90%,纸介种带封固基本可靠,培育秧苗矮壮,栽插后发根能力强。     

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。     

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。     

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。     

水稻气力式播量可调排种器设计与参数优化

为了满足杂交水稻播种量不同的要求,该文设计了一种水稻播量可调气力式排种器,对其工作原理进行了分析,对关键部件进行了参数设计,该排种器采用多个相互独立的负压流道对吸种精度进行控制。利用ANSYS-FLUENT有限元流体分析软件对负压流道结构的吸孔负压影响规律进行了分析,优选了最佳流道结构。选取超级杂交稻Y-2优900为试验材料,进行了不同播种量下吸室负压、排种盘转速与排种盘吸孔组数对播种精度的影响试验研究,试验结果表明:当吸孔组数为12、吸种负压为1.6k Pa和排种盘转速为20r/min时,1孔播种达到最佳效果,合格率为82.41%;当吸孔组数为12、吸种负压为1.6k Pa和排种盘转速为40r/min时,2孔播种达到最佳效果,合格率为96.36%;当吸孔组数为12、吸种负压为1.6k Pa和排种盘转速为20r/min时,3孔播种达到最佳效果,合格率为92.79%;当吸孔组数为16、吸种负压为1.2k Pa和排种盘转速为20r/min时,4孔播种达到最佳效果,合格率为91.93%;当吸孔组数为12、吸种负压为1.6 kPa和排种盘转速为30 r/min时,5孔播种达到最佳效果,合格率为87.88%。说明水稻气力式播量可调排种器可满足杂交稻在采用直播式时不同播量的要求,相比于原有的排种器更佳适应水稻的多样性。该研究可为水稻机械化穴直播技术提供了参考。