预切种木薯播种器阶梯式振动散种机构设计与试验

针对预切种播种器对成堆木薯种茎进行精密播种时待充木薯种茎乱序、充种可靠性低等难题,在播种器供种环节设计一种阶梯式振动散种机构。建立了木薯种茎在阶梯式振动散种机构上运动过程的数学模型,对木薯种茎相对散种板的下滑运动和其在阶梯式调姿板上的抛掷运动进行理论分析,确定显著影响机构性能的因素分别是作业宽度、振动频率、台阶倾角以及限位挡角。基于离散元法（Discrete Element Method,EDEM）建立了木薯种茎-振动散种机构的仿真模型,单因素仿真试验明确了各因素对横向调姿成功率和散种输送成功率的影响规律。研制了阶梯式振动散种机构试验台,进行四因素五水平正交中心组合试验研究,并基于最优的因素参数组合对4个不同品种的木薯进行适应性测试,确定最佳参数组合。结果表明当阶梯式振动散种机构的供种箱作业宽度为643.41 mm、振动频率为55.58 Hz、限位挡角为145.06°、台阶倾角为80.13°时,横向调姿成功率为85.7%,散种输送成功率为88.2%;当在最优因素参数组合下进行试验,横向调姿成功率为85.6%,散种输送成功率为88.6%。研究为预切种式木薯精密播种器相关装备的研制提供指导参考。     

集排式精量排种器清种装置设计与性能试验

为解决集排式玉米精量排种器低速作业重播严重的问题,设计了一种适用于滚筒式排种器的周向清种装置,对正压滚筒周向清种过程及种子运动过程进行了分析,建立了充种过程的运动学方程,结合种子占据比例的概念分析得出滚筒转速和型孔直径是影响清种效果的主要因素,确定了拨指长度20 mm和拨指末端倒角20°。在JPS-12型排种器性能检测试验台上以郑单958玉米种子为试验材料对集排式精量排种器清种装置的清种效果进行试验,以测试不同清种距离对重播指数和漏播指数的影响,清种距离优化试验表明:在0.25~2.25 mm范围内,清种距离对漏播指数没有显著的影响,但对重播指数、合格指数的影响高度显著。在清种距离大于0.25 mm时,漏播指数随清种距离的减小变化不明显,平均漏播指数0.16%,清种距离为-0.25 mm时,漏播指数急剧上升至5.83%;重播指数随清种距离的减小明显下降。确定优化后的清种距离为0.25 mm,对比试验表明,优化后的排种器在4~12 km/h的作业速度下合格指数均在96%以上,设计的清种装置可以有效降低集排气送式排种器低速作业时的重播指数。该文为进一步研究集排式精量排种器清种装置的结构设计和工作参数优化提供了依据。     

摩擦型立式圆盘精密排种器的设计与试验

为了解决机械式排种器种子充填力小、充填极限速度低的问题,该文提出了一种新的摩擦式精密排种器的结构,并研究了种子在充种空间内的受力、运动机理,该结构依靠摩擦式排种盘对种子的摩擦力驱使种子流动,增大种子充填力,改善充种效果。样机台架试验表明,在粒距为10 cm,种床带速为10.1 km/h时,排种盘型孔的极限线速度达到0.66 m/s,此时合格指数>95%,重播指数<5%,漏播指数<5%,该排种器能够满足高速精播要求。     

交错凸齿式宽苗带小麦精量排种器设计与试验

针对外槽轮式小麦宽苗带排种器排量不稳定和苗带内种子分布均匀性较差的问题,该研究设计了一种交错凸齿式宽苗带小麦精量排种器。通过连续充种分析和排量计算,确定凸齿高度和凸齿角度是影响排量一致性和排种均匀性的关键参数。应用离散元法对上述关键参数进行中心旋转组合仿真试验,结果表明,对排量一致性、排种均匀性影响显著性程度由大到小的因素分别依次为凸齿角、凸齿高、作业速度,且均具有交互影响。借助响应面分析,得出凸齿高5 mm、凸齿角75 °时的排量一致性和排种均匀性较优,平均变异系数分别为2.27%和7.61%。对该参数组合排种器进行样机试制,并进行台架试验,台架试验结果表明,排种一致性和均匀性变异系数与仿真值误差均低于5%,说明仿真优化结果可靠、准确。田间对比试验结果表明,播量120 kg、150 kg和180 kg/hm²时,交错凸齿式宽苗带小麦精量排种器的播量一致性、纵向播种均匀性和横向播种均匀性变异系数分别较外槽轮式排种器降低0.99、3.01和9.38个百分点,满足小麦宽苗带播种农艺要求。研究结果可为提高排种均匀性的小麦排种装置设计提供参考。     

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3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,单粒吸附率先增大后减小,8 km/h时达到最高值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3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,凸台盘的排种合格率稳定在98%以上,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。     

气吸式谷子排种装置吸种孔的结构设计与试验

为实现气吸式谷子排种装置的精少量穴播,解决播种时伤种、吸种孔堵塞、成穴性差等问题,在研究了谷子机械物理特性的基础上,对气吸式排种装置的排种盘进行了设计,设计了圆柱孔、倒角截顶圆锥体孔、截顶圆锥体孔和四棱台孔4种结构,并对排种装置进行了谷子排种效果对比试验以及排种性能试验。试验结果表明,在所设计的多种排种盘结构中,吸种效果最好的排种盘吸种孔为四棱台结构,堵塞情况最少,相对成穴性最好,此时平均穴粒数3.3个,穴粒数合格率89%,穴距合格率94%,平均成穴距离1.24 cm。同时确定了排种器的最佳工作参数:真空度?2 k Pa,排种轴转速28 r/min。初步实现了采用气吸式排种装置下的谷子精少量穴播,对以后设计谷子精密排种装置及相关研究提供参考。     

播量无级调节水稻精量排种装置设计与试验

为提高现有组合型孔式排种器对不同品种的播量适应性,满足不同地区、不同品种的播种量要求。该文在此排种器的基础上进行优化设计和试验研究。以瓢形形状可变容积型孔的排种轮结构为主体,对型孔的形状、最大截面、深度和体积进行数学模型计算,确定在最小、中间、最大合成型孔位置的长轴尺寸分别为9.2、12.4和15.6 mm,截面积范围为71.31～154.58 mm~2,型孔容积大小调节范围为271.91～485.79 mm~3;在排种轮内部安装步进电机和控制电路,通过蓝牙控制每穴播量在3～10粒之间无级调节。选用常规粳稻秀水134、杂交粳稻花优14、常规籼稻黄华占和杂交籼稻晶两优1212四种具有代表性的直播稻品种,对无级调节型孔进行三因素四水平试验,试验结果表明:粳稻每穴粒数调节范围为5～10粒,籼稻每穴粒数调节范围为3～8粒,当型孔容积调节变化时,每穴排种粒数变化趋势明显,从而能达到播量无级调节的效果,满足不同品种每穴播种量3～10粒的设计目标;分析结果表明:水稻品种、型孔容积和排种轮转速3个因素对播量影响主次为型孔容积、水稻品种、排种轮转速。该文设计的播量无级调节水稻精量排种装置实现了不同水稻品种的播量无级调节作业,调节范围大,适应性较好,无级调节简便快速,具有较好的实际实用价值。     

中央集排气送式玉米精量排种器设计与试验

该文提出降低充种阻力的新型气流结构,结合集中排种与气送投种的特点设计了一种中央集排气送式玉米精量排种器,阐述了工作原理并确定了关键结构参数。以漏播指数、重播指数、合格指数为试验指标,对充种型孔直径、作业速度进行了双因素等重复试验。结果表明：4 mm孔径漏播指数较高;作业速度为4～10 km/h,孔径为4.5 mm时平均合格指数最高为97.9%,其次为5 mm孔径（97.2%）、5.5 mm孔径（96.3%）;作业速度超过12 km/h后,4.5 mm孔径漏播严重,漏播指数达到8.47%,5和5.5 mm孔径漏播指数为2%左右。     

勺夹式藠头排种器设计与试验

针对藠头（Allium chinense）种植劳动强度大、人工成本高等问题,该研究设计了一种由排种盘、取种勺、取投种凸轮、种箱、安装板等组成的勺夹式藠头排种器。对该排种器工作原理和取种、携种、投种过程进行理论分析,建立离散元仿真模型,对取种过程进行仿真分析,确定了最优种勺结构。以大叶藠为对象,以取种合格率和漏取率为试验指标,进行种勺直径、种勺深度、取种起始角、种面高度与种箱高度之比和取种速度5因素显著性筛选试验,并以种勺直径、取种起始角、种面高度与种箱高度之比为试验因素进行回归正交试验;采用Plackett-Burman试验法和Box-Behnken中心试验法建立取种合格率和漏取率的回归模型,并进行参数优化,获得最优参数组合为种勺直径27 mm、取种起始角30°和种面高度与种箱高度之比92.5%。在最优参数组合下进行台架试验,得到取种合格率91.17%,漏取率6.17%。田间试验结果表明在前进速度0.1～0.2 m/s的条件下,该排种器平均播种合格率、平均重播率和漏播率分别为63.10%、12.76%和24.14%。研究结果可为藠头播种机械的研究与设计提供参考。     

内充气吹式玉米排种器工作性能EDEM-CFD模拟与试验

针对内充气吹式排种器组合气嘴低位安装对供气系统气流稳定性要求高、田间作业适应性差的问题,为优化内充气吹式排种器结构、改善工作性能,运用EDEM-CFD耦合分析方法,采用玉米籽粒粘结颗粒模型,以气嘴安装位置、工作压强和前进速度为试验因素进行正交试验优化仿真,提取关键参数充种极限速度和充种时长为评价指标进行分析,结果表明气嘴安装位置、工作压强和前进速度对充种极限速度影响显著而对充种时长影响不显著,充种极限速度和充种时长在0.05水平上呈显著负相关关系,较大充种极限速度和较短充种时长有利于提高排种器充种性能;对不同作业状态下的合格率、重播率、漏播率等作业指标进行分析表明气嘴安装位置在中位时合格率和充种极限速度呈显著正相关,低位和高位时因清种效果不佳导致合格率和充种极限速度呈负相关,中位时排种效果较佳。为验证仿真结果,进行气嘴安装位置和工作压强的全因素试验,结果表明,气嘴安装位置为中位时作业效果最佳,合格率大于90%,明显优于低位、高位状态,与仿真结果一致;在确定组合气嘴中位安装结构参数下,进行工作压强、前进速度的全因素试验,结果表明,前进速度为5~10 km/h、工作压强为4.5~5.5 k Pa时,排种器合格率较高,均为90%以上,该区间各工作参数下对合格率影响不显著。     

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。     

小麦播种量电容法检测系统设计与试验

为实现小麦播种机播种量的精准检测,该文基于电容法设计了一套用于小麦播种量检测的系统,由检测分辨率和排种轮转速与采样频率约束关系确定传感器结构尺寸,建立了种子数量与电容变化量之间的线性关系。在采样周期为15 ms、排种轮转数20 r/min条件下,基于时间窗口建立了小麦播种量实时检测最小二乘回归模型。为了使检测系统适用于不同的排种轮转速,提出了一种通过改变采样周期的检测方法,即排种轮速度每增加5 r/min时,采样周期相应减少0.4ms,则上述建立的最小二乘回归模型仍适用,对不同的排种轮转速均具有较高的检测精度,相对误差介于-2.26%~2.17%之间。本文所设计的检测系统为实现小麦播种量的精准检测提供了一种有效途径,具有较好的实用性和经济性。     

双仓转盘式棉花竖直圆盘穴播排种器设计与试验

针对棉花竖直圆盘穴播排种器充种性能差、破损率高等问题,结合棉花穴播农艺,设计了一种双仓转盘式棉花竖直圆盘穴播排种器。介绍了穴播排种器结构组成及工作原理,设计计算了取种盘结构参数,对充种区和转运区临界状态棉种进行受力分析,建立力学模型,分析说明了窝孔安置角和取种盘转速对充种性能的影响,得出棉种临界破损状态时,取种盘和种子间隔圈的最小配合间隙为1.47 mm。以取种盘转速、窝孔安置角、排种间隙为试验因素,单粒率、破损率为响应指标,利用穴播器试验台开展响应面试验,并利用Design-Expert8.0进行多目标寻优。结果表明,3个因素对单粒率的影响大小顺序依次为窝孔安置角,排种间隙,取种盘转速。对破损率影响的大小顺序依次为取种盘转速,排种间隙,窝孔安置角。最优排种组合为取种盘转速23.9 r/min,窝孔安置角31.7°,排种间隙2.08 mm。对最优排种组合进行田间验证试验,分别将取种盘转速、窝孔安置角、排种间隙修定为24 r/min、32°、2.0 mm,得到单粒率为94.3%,破损率0.09%,试验指标满足国家标准,该研究可为棉花双仓转盘式竖直圆盘穴播排种器的结构设计、优化提供参考。     

不同机械直播方式对水稻分蘖特性及产量的影响

为研究不同机械直播方式对水稻分蘖特性的影响,以常规稻常农粳7号、超级稻南粳44与杂交粳稻甬优2638、甬优7号为材料,在江苏稻麦两熟制条件下研究了水(湿润)点播和条播2种机械直播方式水稻分蘖发生和成穗特性及其对群体产量的贡献。结果表明,不同直播方式对水稻分蘖发生与成穗特性有显著影响。点播和条播方式一次分蘖发生叶位均为5个,即主茎第1叶位到第5叶位;二次分蘖发生叶位以主茎第1分蘖的第1、2叶位和主茎第2分蘖的第1叶位为主。一次分蘖发生率点播方式低于条播方式,主茎第3、4叶位分蘖发生率为100%;二次分蘖发生率点播方式高于条播方式。4个品种均未见三次及三次以上分蘖发生。点播方式产量显著高于条播方式(p0.05),且不同直播方式对水稻茎蘖成穗与高产利用存在差异(p0.05)。一次分蘖的第1~5叶位是可成穗叶位,以第1~3叶位成穗为主,成穗率50%以上,条播方式成穗率高于点播方式。主茎第1分蘖的第1叶位和主茎第2分蘖的第1叶位是二次分蘖成穗的主要叶位,但成穗率较低;点播方式成穗率低于条播方式,不同品种间存在差异。一次分蘖穗对产量贡献率在不同蘖位间存在显著差异(p0.05),主茎第3分蘖生产力最高,对产量的贡献率最高,其中点播方式大于条播方式。二次分蘖穗对产量贡献率较小,点播方式高于条播方式。进一步对分蘖的穗粒构成分析表明,主茎第3分蘖穗单位面积穗数和每穗粒数较高,每穗粒数表现为主茎第3分蘖穗点播方式高于条播方式。该文明确了不同机械直播方式水稻分蘖成穗规律,为直播稻大面积高产提供了技术依据。     

基于双闭环PID模糊算法的玉米精量排种控制系统设计

黄淮海麦玉轮作区秸秆全量还田模式下,小麦秸秆韧性好、粉碎还田效果差以及土壤较为黏重,传统被动式地轮驱动易秸秆缠绕、拥堵及黏土量较大,播种作业易断条。为有效解决这些问题,该文以勺轮式玉米排种器为研究对象,设计一种主动式玉米电控精量排种系统。该系统作业时,通过USART HMI四线制触控串口屏人机界面向控制器输入理论期望株距,由GPS测速传感器采集机具作业速度,结合旋转编码器实时采集排种器作业转速,基于双闭环模糊算法对PID参数进行自整定,得到排种器目标转速,通过控制器调节相应PWM占空比,以实现通过机具作业速度实时控制电机转速,实现精密排种。台架试验结果表明:理论排种转速6~54 r/min时,实际转速的变异系数均小于10.0%,实际转速在理论转速附近波动范围小,符合控制要求;在设定株距值下,车速为3~5 km/h时,株距合格指数94.0%,漏播指数3.0%;车速为6~8 km/h时,株距合格指数≥90.0%,漏播指数≤4.5%。田间验证结果表明该玉米排种控制系统作业时,株距合格指数≥87.75%,平均值为90.89%,漏播指数均小于4%,平均值为2.54%,与市场上常见的勺轮式玉米排种器相比合格指数提高2.12个百分点、漏播指数降低4.32个百分点,播种性能良好,满足玉米农艺种植要求。该文研究的玉米电控精量排种系统可有效提高排种质量并可为研制高速精量主动排种控制系统提供参考。     

基于离散单元法的水平圆盘式精量排种器排种仿真试验

为了优化水平圆盘式精量排种器的最佳排种性能参数(动排种盘转速、动排种盘厚度、型孔圆角半径),达到提高粒距合格指数、降低漏播和重播指数指标,并降低大田试验强度。该文基于离散单元法对根据全膜双垄沟播技术所设计的水平圆盘式精量排种器进行了排种数值模拟,并得到玉米籽粒模型排种、重播、漏播的形成过程;为提高其排种性能,进行了排种仿真试验。仿真结果表明:以合格指数较高为重点、兼顾重播指数和漏播指数较低的原则,确定了动排种盘转速为17 r/min、动排种盘厚度为6 mm、型孔上边倒圆角半径为1 mm时为较优组合,此时粒距合格指数S=97.05%、重播指数D=1.83%、漏播指数M=1.12%。田间验证试验表明:在上述条件下,测得粒距合格指数为S=95.13%,重播指数D=2.34%,漏播指数M=2.53%,重点指标粒距合格指数误差2.02%(5%)。因此,基于离散单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。     

离心式高速玉米精量排种器T形槽型孔设计与试验

针对离心式高速玉米精量排种器双粒种子并排填充导致重播严重的问题,该研究提出利用型孔槽对称凸台结构降低玉米种子并排填充概率的方法,设计了一种T形槽型孔。通过构建充种阶段玉米种子的力学模型,并结合玉米种子的形状特征确定了T形槽型孔基本结构参数。借助EDEM离散元仿真软件,以型孔槽前端长度、型孔槽后端面倾斜角以及型孔槽底部倾斜角为因素,以合格指数、重播指数与漏播指数为评价指标,设计二次正交旋转回归组合仿真试验。仿真试验结果表明：在作业速度18 km/h条件下,型孔槽前端长度为9.31 mm,型孔槽后端面倾斜角为43.37°与型孔槽底部倾斜角为70.5°时,排种质量最优,排种合格指数、重播指数与漏播指数分别为94.03%、1.72%与4.25%。台架验证试验结果表明：作业速度18 km/h时,T形槽型孔的合格指数为94.54%,与仿真试验结果的相对误差为0.54%,仿真优化试验结果可靠;作业速度为15 km/h时,排种器作业性能最佳,合格指数为95.16%,重播指数为1.42%,漏播指数为3.42%,满足高速精量播种要求;作业速度范围在12 ～ 21 km/h内时,T形槽型孔相较于矩形槽型孔的合格指数提升2.1个百分点以上,重播指数降低2.1个百分点以上,相较于蹄形槽型孔的合格指数提升1.4个百分点以上,重播指数降低2.1个百分点以上。该研究可为离心式高速玉米精量排种器优化提供参考。     

间歇式自动取样条播排种器排种性能检测试验台研制

针对条播作物排种器进行室内台架性能检测时,人工检测播种均匀性费时费力、自动化检测手段缺乏等问题,该文设计了一种条播排种器排种性能检测试验台,利用间歇式自动取样机构,实现定时定距自动化取样及排种均匀性检测。其工作原理是种子落入传送带上形成种子带,随传送带一起前进,当运动至取样板处时,气泵驱动取样板以均匀的速度往复运动,将特定距离的种子带推离出种带,并分散成弧形,采用数码照相机获取样本种子图像,利用Matlab图像处理技术,获取样本种子数量,判断所测试排种器的排种性能。采用单片机控制排种轴转速、取样板的启停及运动方向,并通过上位机显示。对试验台关键结构和参数进行设计,确定种带宽度为30 mm,护种板长度150 mm,与传送带之间距离控制在2～3 mm。为减少种子堆叠和黏连,保证样本种子带均匀排列,易于后期图像处理,设计了"一"、"T"和"工"字型3种结构的取样板,通过种子受力与运动规律分析,确定"T"型取样板为最优结构,取样长度L为40 mm。以外槽轮排种器播种小麦为研究对象,使用Design-Expert软件进行中心旋转组合设计试验,结果表明,传送带驱动电机转速分别为20、28.79和28.79 r/min时,样本种子堆叠率分别为100%、92.34%和75.21%;排种量6 g/s时,样本种子堆叠率最高,为40.15%。与人工定距取样检测方法的对比试验结果表明,间歇取样检测法利用图像批量处理获取样本种子数量的时间约为5 s;而人工定距测试的平均耗时为1 min,而且样本数量越多,耗时越长。试验结果表明,间歇式自动取样的条播排种器排种性能检测试验台设计合理,能够大大提高排种器排种性能检测效率,可为条播作物的排种器排种性能检测试验台的优化设计提供参考。