油菜精量排种器变量补种系统设计与试验

针对油菜精量排种器的漏播问题,该文设计了油菜精量排种器变量补种系统。该补种系统由漏播检测装置、排种盘测速装置、变量补种装置及补种监测显示装置组成,各装置间指令和数据采用无线方式进行有序实时传输。漏播检测装置采用压电原理感应排种种子流序列,并利用MSP430单片机时间捕获中断功能实时采集排种种子流时间间隔序列和周期内排种数序列,接收排种盘测速装置测得的理论排种频率并确定检测周期,结合基于时变窗口的漏播实时检测方法计算漏播系数等参数,并根据变量补种策略获得对应补种转速,将其发送至变量补种装置及补种监测显示装置。变量补种装置由螺管式补种器、直流减速电机、单片机控制系统、PWM(pulse-width modulation)电机驱动系统、无线模块和电源组成,接收补种转速指令,并通过对应的占空比驱动电机实现变量补种。补种监测显示装置滚动刷新显示最近10个检测周期的漏播补种参数,便于对变量补种系统调试及监测系统运行状态。变量补种系统试验表明:在正常播种速率范围内,补种装置补种量与排种器当量漏播量比值稳定在1.2~1.4,补种后无漏播存在。该变量补种系统可为油菜等小粒径种子漏播补种技术与装置提供有效支撑。     

基于时间间隔的多路精量排种器性能检测系统设计与试验

为了能够准确检测出多路精量排种器的合格指数、漏播指数、重播指数等排种性能指标值,确保精量排种器的排种质量,利用检测排种时间间隔间接获得排种粒距的原理,设计了一种多路精量排种器性能检测系统。系统采用工业触控平板电脑以及MSP430单片机系统构建上下位机结构模式,下位机采用光纤及光电传感器感应获得精量排种器排种及转速脉冲序列信号,利用单片机系统时间扑捉中断资源实时记录种子间隔时间和排种盘转速,经串口握手传输协议将编码后的信息传输至计算机系统。上位机从排种性能指标的结构分布以及排种频率指标两方面对排种数据进行分析并得到各路的合格指数、重播指数、漏播指数等性能指标。验证试验测试表明,所设计的带有校验检错功能的串口通信交互协议能够实现上下位机数据的准确传输,在15~300 r/min转速范围内,该检测系统能够对多路不同排种性能指标值的转盘进行准确检测;在油菜精量排种器性能检测试验台上利用高速摄影系统对比试验表明系统时间检测最大误差为0.876 ms,最大相对平均误差为0.192 ms,检测指标综合误差为0.87%,最大综合误差为3.98%。该研究为“一器多行”集排器的排种性能检测及优化排种器设计提供了参考。     

油菜籽漏播螺管式补种器设计与试验

针对油菜籽气力式精量排种器产生的漏播补种问题,设计了螺管式补种器并建立了补种器工作转速与漏播系数的关系模型。确定了螺管式补种器工作原理及主要结构参数,运用EDEM(discrete element method,离散元法)仿真对螺管式补种器模型和3D打印试制的螺管式补种器分别开展排种量与转速关系的试验研究。试验结果表明:螺管数量为7的螺管式补种器工作转速在25~180 r/min时,其排种量与转速线性相关系数为0.99,每个螺管当量排种量为1.7~1.9粒,当量排种稳定变异系数≤6%,排种破损率0.5%,螺孔无堵塞。利用该螺管式补种器排种量与转速特性,结合基于时变窗口的漏播实时检测方法,建立了螺管式补种器工作转速与漏播系数的关系模型,在当前时间窗口内实现了变量补种。在40型孔油菜籽气力式精量排种器漏播实时检测与自补种一体化的试验研究表明:精量排种器转速在15~30 r/min范围内不同漏播状态下,漏播自补种系统在当前时间窗口内能够实现变量补种,漏播补种率达100%,补种后粒距漏播指数为0,消除了漏播的发生。该研究可为油菜等小粒径种子精量排种器产生的漏播进行补种,为提高精量播种机的播种质量与效率提供参考。     

油菜精量直播机播种监测系统传感装置改进及通信设计

针对油菜播种作业质量实时监测、播种量计量的问题,设计了油菜精量直播机播种监测系统。该监测系统由多路油菜种子流传感装置和油菜播种监测显示终端装置组成,油菜种子流传感装置安装于油菜精量排种器下方输种管道上,利用MSP430单片机系统的时间捕获中断程序及定时计数程序实时记录油菜种子流的排种时间间隔序列、排种频率、排种总量并根据国家标准计算获得漏播指数、合格指数,采用"多对一"传输方式无线发送至油菜播种监测显示终端装置。监测显示终端实时显示多路播量信息、排种性能指标信息以及每一路的排种频率曲线。设计了应答模式的轮询数据通信协议实现监测系统在数据传输过程中的可靠性、容错性、准确性。播种监测系统台架试验及田间试验结果表明:该播种监测系统工作稳定可靠,播种质量监测准确率达96%以上,在田间较空旷场地传输距离达60 m,满足播种监测的需要,并为油菜播种状态图的生成提供了技术支撑。     

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。     

气力式油菜精量排种器田间漏播检测方法

针对气力式油菜精量排种器排种性能漏播检测的问题,提出了一种基于排种频率的检测方法。通过测频装置对不同转速、不同数量型孔堵塞的气力式排种器出口的排种频率测量试验,获得了不同转速下界定漏播严重程度的频率划分区域,即正常区、弱漏播区与严重漏播区。设计了田间漏播检测方法,即对排种器转速测量值经平滑滤波后通过插值运算得到界定漏播严重程度的频率阈值,对排种频率测量值经中值滤波后与频率阈值比较实现漏播严重程度的检测。在试验台上测试表明：排种频率法能有效实现漏播程度的检测,无漏播时检测准确率为100%,当量型孔堵塞8孔以上时判定为漏播的准确率为100%,能够有效地屏蔽因偶尔的漏播引发的频繁报警问题。     

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。     

油菜精量排种器种子流传感装置设计与试验

针对油菜精量播种过程中缺乏小粒径种子流传感而导致播量监测困难的问题,设计了一种油菜精量排种器种子流传感装置。运用高速摄影技术及碰撞动力学模型,记录并分析油菜种子与聚偏氟乙烯压电薄膜的碰撞轨迹,为传感装置的导管、压电薄膜倾角、出种口位置等关键结构参数提供依据。基于油菜种子与压电薄膜的碰撞信号特征分析,设计了沉槽基板-压电薄膜感应结构,将碰撞信号的衰减时间从9缩短至1 ms,提高了对高频种子流检测的时间分辨率,同时能够有效抵抗机械振动带来的干扰影响。对微弱碰撞信号进行放大、半波整流、电压比较、单稳态触发转化为单脉冲信号,通过单片机定时计数采集处理,实现油菜种子流排种频率与排种总量的实时检测,并利用无线收发模块定时发送给监测显示终端,实现播量数据的实时显示与保存。油菜精量排种器台架及数粒仪高频排种试验表明:在排种频率8.1~32.9 Hz范围内,检测准确率不低于99.5%。田间播种试验表明传感装置能够实时检测精量排种器的排种频率与排种总量,在无排种时计数为零,正常播种状态时检测准确率不低于99.1%,机械振动及粉尘对传感装置没有影响。该传感装置为油菜精量播种过程播量监测、漏播检测以及补种提供有效支撑。     

2BFQ-6型油菜精量联合直播机气力式排种系统试验研究

为了对2BFQ-6型油菜精量联合直播机气力式排种系统进行研究,该文在气力式油菜精量排种检测系统研制基础上,以排种盘转速、风机转速及正压泄气孔直径为试验因素,进行了320次全因子组合试验,并运用多元非线性回归等数学方法进行试验数据分析处理。结果表明:各因素对系统排种效果影响程度主次为风机转速>排种盘转速>正压泄气孔直径,而风机转速及其与排种盘转速的交互作用分别是影响各行排种量及其一致性的首要因子;在一定范围内,随着风机转速的提高和排种盘转速的降低,系统排种性能趋于稳定;而当正压泄气孔直径在20和30mm时,系统具有较好的排种量一致性。所得出的气力式油菜精量排种系统的排种量方程、排种量一致性方程及90%排种率参数组合图,可为直播机参数匹配提供参考,也可对直播机的排种性能进行评估。     

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。     

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。     

薄面激光-硅光电池中小粒径种子流监测装置研制

针对油菜、小麦等中小粒径种子在播种过程中难以兼容监测的问题,该文采用光层厚度约为1 mm的薄面激光发射模组和硅光电池的光伏效应原理设计了一种中小粒径种子流监测装置。根据薄面激光模组发射角度与硅光电池对角线长度计算出种子监测区域大小以及监测区域的具体位置,明确了监测装置的导管内径、导管中心线位置、薄面激光发射模组与硅光电池的相对位置等结构参数。对种子穿越薄面激光层所需时间进行分析,油菜种子的穿越响应信号在3 ms以内完成,小麦种子的穿越响应信号在7 ms以内完成。对种子的穿越响应信号进行隔直通交、双级放大、半波整流、电压比较、单稳态触发转化为单脉冲信号,作为单片机外部中断源进行计数,获得播量信息,实现了中小粒径种子流无碰撞检测。油菜精量排种器台架试验和小麦数粒仪试验表明:在排种频率8.4～32.1 Hz范围内,油菜种子的监测准确率不低于98.1%,在排种频率21.5～31.2 Hz范围内,小麦种子的监测准确率不低于95.1%。田间播种试验结果表明:在田间正常排种频率范围内,油菜种子的监测准确率不低于98.6%,小麦种子的监测准确率不低于95.8%,光照条件、机具振动对监测精度无影响。     

油菜机械离心式集排器排种量控制系统设计与试验

为提升油菜机械离心式集排器的排种性能,实现排种量稳定可控可调,该研究设计了一套机械离心式集排器排种量控制系统。该系统以STM32F103C8T6单片机作为微控制器,利用以光电传感器PG-602为检测元件的落粒检测模块实时检测流经导种管的排种粒数,通过基于霍尔传感器的测速模块实时获取机具前进速度,结合排种粒数和机具前进速度反馈信息构建排种量控制策略,通过动态调节机械离心式集排器工作转速实现排种量均匀稳定控制。搭建了台架测试平台,确定了排种量调控模型为线性关系模型,系统对排种粒数的检测精度不低于96.17%,系统反馈时间为4 s。台架测试结果表明,该系统能够有效降低机具前进速度、内锥筒充种量、种子尺寸和播种株距变化对排种性能的影响。田间试验结果表明,该系统控制下的最大排种量误差为10.00%,平均排种量误差为5.77%,调控合格率为90.68%,田间出苗效果好。研究结果可为离心式集排器精量播种控制系统设计提供技术参考。     

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。     

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。