基于离散元的排种器排种室内玉米种群运动规律

高寒干旱地区免耕地表播种作业时,排种器振动与种群运动状态对气吸式排种器的吸种性能有较大影响。为研究气吸式免耕播种机在免耕地表作业时排种器振动参数及振动对排种器内玉米种群运动的影响规律,该文采用BK加速度传感器和Pulse LAN-XI振动测试系统,对2BM-5型气吸式免耕播种机在免耕地表作业时排种器振动特性进行了测试,并应用Matlab软件对振动信号进行了分析。在此基础上基于离散元法模拟了在田间作业振动条件下玉米种群运动规律,并基于室内台架试验进行了验证。播种机田间作业振动信号分析结果表明:播种机前进速度为2、3、4、5、6、7 km/h时,排种器振动的位移功率谱密度较大值的频率为5、6、7 Hz,排种器振动的幅值由2.4到7.9 mm线性增加。由离散元方法仿真得到了种子室内玉米种群最大速度、种群平均速度与播种机作业速度的拟合曲线。台架验证结果表明:气吸式排种器排种性能较好的作业速度为3~5 km/h,较好的振动幅值为6 mm;种群最大速度范围为0.120 3~0.224 3 m/s,种群平均速度范围为0.080 7~0.141 3 m/s,吸种区种群最大速度范围为0.127~0.26 m/s时,气吸式排种器吸种性能较好。该研究可为免耕播种机气吸式排种器吸种性能的提高提供参考。     

复合充种式排种器的研究

设计了一种复合充种、重力清种式排种器，分析了充种过程中种子相对排种盘的运动轨迹，并依此设计了排种盘的型孔。该排种器不需设置清种机构，有效地解决了由此而产生的种子破碎问题，尤其是玉米催芽播种的种子破碎。田间性能测试结果表明：该排种器的各项性能指标均达到了JB/T51017—92中耕作物精密播种机质量分等中的优等品指标。     

负压式小麦精量排种器参数优化与试验

为了改变传统小麦条播作业模式,通过精量播种技术精确控制播种量和均匀性,实现在省种、节肥、节水的条件下保证小麦稳产高产的目的,设计了一种一器多行负压式小麦精量排种器。运用流体计算软件STAR-CCM+仿真分析了排种器结构参数(排种盘直径、吸种缝隙宽度、吸种环槽横截面形状、排种盘气室轴向深度)对气室流场的影响,压力云图、流速矢量图和流线图结果表明排种器具备较理想流场特性的结构参数为:吸种缝隙宽度为0.5 mm,排种盘直径范围为150~200 mm,排种盘气室轴向深度为2.0 mm,吸种环槽横截面形状为圆弧型。在JPS-12排种器试验台上进行了排种均匀性试验,通过试验研究了吸种环槽横截面形状、吸种缝隙宽度、排种盘直径、排种盘气室轴向深度对合格指数、漏播指数、重播指数和合格粒距变异系数的影响规律,确定了排种器较优结构参数为:圆弧型吸种环槽横截面,0.5~0.8 mm的吸种缝隙宽度,170~200 mm的排种盘直径。2.0~3.0 mm的排种盘气室轴向深度。对参数优化后的排种器(0.7 mm的吸种缝隙、180 mm的排种盘直径、2.5 mm的气室轴向深度、圆弧型吸种环槽横截面)进行排种均匀性试验,合格指数为86.66%、漏播指数为5.09%、重播指数为8.25%,合格粒距变异系数为24.50%,满足JB/T 10293-2013《单粒(精密)播种机技术条件》中的参数指标。     

新型气压式精密排种器的试验研究

对最新研制的低压式精密排种器构造、工作原理和工作参数进行了理论分析，试验研究排种盘转速、种子面高度和排种气压变化对排种性能的影响。对排种性能影响的主次因素顺序为排种气压、排种盘转速和种子面高度。在正常工作范围内，种子面高度变化对排种性能综合指标的影响不大。气压式精密排种器，已应用在2BQYF-6A气压式硬茬播种机上。     

正压式气流排种器排种效果试验

为了探讨正压式气流排种器的排种均匀性,论文对具有代表性的苜蓿种子、披碱草种子和玉米种子进行了排种试验。结果表明,该排种器排种均匀性和通用性较好,对豆科牧草种子（苜蓿）、禾本科牧草种子（披碱草）和大田作物种子（玉米）均可较均匀的排种,且都达到了行业标准要求。风速和喂入速度对种子的各行排量一致性变异系数和总排量稳定性变异系数V 有显著影响,相关系数都高达0.97左右。最后,通过优化试验方案,得出各种种子的最佳工作条件：披碱草种子,喂入速度为470～500 g/min,风速为27～30 m/s;苜蓿种子,喂入速度为505～525 g/min,对应的风速为30～33 m/s;玉米种子,喂入速度为5200～5500 g/min,风速为32～35 m/s。     

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。     

气吸式排种器排种均匀性的Monte Carlo模拟

研究了影响气吸式排种器均匀性的随机因素及其概率分布规律,在得到单粒排种时种子间时间间隔的数学模型的基础上,应用Monte Carlo(蒙特卡罗)方法研究了排种器的结构参数—吸孔数、投种角、投种半径及投种高度对其排种均匀性的影响规律,为此类排种器的设汁提供了依据。     

组合吸孔气吸式排种器研究

简述了组合吸孔气吸式排种器的构造及工作原理;通过回归分析,建立了种子在排种器内的运动方程式,在此基础上,对种子在排种器内的运动及受力进行了分析,同时探讨了影响排种性能的几个主要因素。     

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。     

机械式排种器同步柔性皮带护种器的设计

针对机械式排种器中的固定板（带）式护种器伤种率高、机加工复杂、安装要求严格和不易更换等问题,设计出一种同步柔性皮带护种器。对其结构进行设计,并对同步理论和皮带对种子最大支撑力进行了分析,导出同步的临界条件和影响同步效果的因素,皮带对种子的最大支撑力远远小于种子自身的破坏力。通过试验表明,利用同步柔性皮带护种器比传统固定板式护种器减少种子的破碎率0.5%以上,有利于节约种子,提高种子的出芽率。     

气吹式精密排种器工作压力试验研究

通过台架和田间试验,得到了气吹式精密排种器播种玉米适宜的吹气压力范围,并通过单因素方差分析试验考察了吹气压力对播种合格指数、重播指数和漏播指数的影响情况.试验台上采用2种不同材料的排种器进行试验,吹气压力在0.7～8 kPa范围内变化.田间试验为同一工况下多次重复.台架试验发现,吹气压力高于2.5 kPa时播种质量较好,且一直呈上升趋势;8kPa时,合格指数达到97.28％; 2.5～4.5 kPa范围内合格指数在90％左右,漏播指数低于1.2％;田间试验合格率达到93.18％.气吹式排种器适宜吹气压力范围广,漏播率低,田间播种性能稳定可靠.     

玉米种子分级处理对气力式精量排种器播种效果的影响

该研究的宗旨是考察玉米种子分级处理对气力式精量排种器播种效果的影响。将玉米种子按形状和大小分为4级,分别用气吹式和气吸式2种精量排种器进行试验,以考察种子分级对合格、重播、漏播等播种指标的影响。试验表明：气吹式排种器对玉米种子形状和大小变异的适应性较强;对于气吹式排种器而言,在满足播种指标要求前提下,种子分级对其播种合格指数、重播指数影响显著,对其漏播指数和变异系数影响不显著,圆形种子合格率为96%,扁平种子合格率为87.4%,优势明显;而对气吸式排种器而言,分级后对各项质量指标的影响不显著,且出现较多播种不合格情况,说明即使进行种子分级也未能明显改进其播种性能。试验条件下,气吹式精量排种器的播种质量指标优于气吸式精量排种器。     

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。     

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。     

气力滚筒式水稻直播精量排种器的设计与试验

为适应杂交水稻精量穴直播的种植要求,采用窝眼充种、多吸孔吸种、气吹清种、护种带护种及气力清堵等方式,设计了一种气力滚筒式水稻穴直播精量排种器。以黄华占破胸芽种为播种对象,采用四因数三水平正交试验设计方法,研究了窝眼形状、滚筒转速、吸室真空度和清种气流强度对排种器排种性能的影响,并进行了窝眼形状对杂交稻品种的播种适应性试验。试验结果表明:影响排种器性能的主次因素依次为窝眼形状、滚筒转速、清种气流强度和吸室真空度,且在窝眼形状为圆锥形、滚筒转速为10 r/min、清种气流强度为17.03 m/s、吸室真空度为4 k Pa时,排种器的合格率((3±1)粒/穴)为85.47%,漏播率(小于2粒/穴)为3.6%,空穴率为0.4%,重播率(大于4粒/穴)为10.93%,平均穴距为199.37 mm(理论穴距为200 mm),穴距变异系数为6.10%,种子破损率为1.08%,满足杂交水稻精量穴直播的种植要求。采用相同的窝眼形状和运行参数,试播外形几何尺寸有一定差异的冈优364、汕优63和丰源优272 3个杂交品种的破胸芽种,合格率均达到或超过85.07%,漏播率均不大于4%,空穴率均不大于0.67%,试验结果表明圆锥形窝眼对不同杂交稻品种具有一定的播种适应性。该研究为窝眼式水稻穴直播精量排种器的设计提供了理论参考依据。     

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。     

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。     

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。     

基于介电特征频率的大量元素水溶肥种类快速辨识装置研制

为实现对大量元素水溶肥种类的快速准确辨识,根据水溶肥的介电特性设计了一个传感器,并在此基础上采用特征频率法,研制了一种大量元素水溶肥快速辨识装置,主要由±5V稳压电路、单片机控制电路、激励信号发生电路、传感器、真有效值转换电路和LCD显示模块组成。以市面上常见的尿素、普钙、硫酸钾、磷酸氢二铵、磷酸二氢钾和硝酸钾6种大量元素水溶肥作为试验对象,在1 kHz~10 MHz激励信号频率范围内研究了其频率响应特性,得出了9个用于辨识6种大量元素水溶肥的激励信号特征频率,即30、40、50、600、700、800 kHz和3、4、5 MHz。根据各种水溶肥分别在9个特征频率处的响应模式,设计了对6种大量元素水溶肥的辨识策略。该装置的辨识性能采用234组不同类型和浓度的待测水溶肥进行验证试验,结果表明:该装置的辨识准确率为98.3%,完成1次辨识的平均时间为14.3s,最长不超过19.5 s,表明该装置具有良好的快速性和准确性,满足实际应用要求。