精密排種技術(shù)是國內(nèi)外研究人員廣泛關(guān)注的熱點(diǎn),由于傳統(tǒng)機(jī)械式排種器整體上存在很多方面的發(fā)展瓶頸如作業(yè)效率不高、對(duì)籽粒外形及尺寸依賴性大、精播率性能不穩(wěn)定等問題,在近年來已逐漸淡出市場,近年來,相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者開始對(duì)氣力式精密排種器進(jìn)行改進(jìn)與研究。通過目前的研究發(fā)現(xiàn),氣力式排種器在適應(yīng)性、效率和均勻性上皆優(yōu)與傳統(tǒng)機(jī)械式式排種器,然而,其密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在氣流腔出現(xiàn)縫隙導(dǎo)致氣壓流失等問題出現(xiàn)時(shí),極易發(fā)生漏播現(xiàn)象;同時(shí)在田間非平整土壤的高速作業(yè)中,若氣流壓力不足,機(jī)震加劇會(huì)造成種粒脫離吸盤產(chǎn)生嚴(yán)重的重、漏播現(xiàn)象;同時(shí),其氣壓由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸帶動(dòng)的單離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生,隨播種作業(yè)寬幅的增加所帶來的能耗問題就越嚴(yán)峻。目前,國內(nèi)在排種器充排方式轉(zhuǎn)變的研究報(bào)道較少,相關(guān)研究多為機(jī)理分析與優(yōu)化改進(jìn)等應(yīng)用類文獻(xiàn),針對(duì)國內(nèi)人口密集、農(nóng)場分布廣泛、種植靈活性較大的現(xiàn)狀,提出一種立式離心錐盤排種器。相比傳統(tǒng)精播技術(shù)方式:籽粒靜態(tài)堆積-取種-清種-排種-導(dǎo)種,本方式的動(dòng)作流程做出了改變,即籽粒群進(jìn)入錐向離心盤后被賦予持續(xù)動(dòng)能并具有與錐盤相同周向角速度,通過與排種盤摩擦、動(dòng)錐盤推送、區(qū)域波紋震動(dòng)作用,依次有序的以相同姿態(tài)排出。旨在大幅度提高作業(yè)速度的同時(shí),提升排種質(zhì)量穩(wěn)定性,滿足精密播種要求。其研究內(nèi)容與具體結(jié)論如下:(1)傳統(tǒng)機(jī)械式排種器重力充種過程中,籽粒位置角的增大導(dǎo)致充填力直線下降是限制充種效率的關(guān)鍵因素。因此,增加充填力種類和擴(kuò)大有效充種區(qū)域是提高排種器充種性能的重要途徑。通過對(duì)籽粒在立式錐盤排種器中充種機(jī)理的分析,研究了影響充填應(yīng)力和有效充填區(qū)域的因素,確定了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與核心參數(shù),離其理論分析可知,錐角在[0,23°]錐為填充應(yīng)力較大區(qū)間,在17.2°時(shí),復(fù)合充填應(yīng)力()達(dá)到最大;在設(shè)置離心推送裝置后的籽粒復(fù)合充填應(yīng)力有了明顯增加,當(dāng)推送片個(gè)數(shù)為2個(gè)時(shí),為發(fā)揮離心拉應(yīng)力最大效率的極限條件;在所選工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),籽粒位置角約8°時(shí),復(fù)合充填應(yīng)力均達(dá)到最大值,安裝離心推送裝置后的充填應(yīng)力提高了近4倍,同時(shí),相比(靜-動(dòng))方式的有效充填角度區(qū)域[-5°,16°],其有效充種角度區(qū)域有了明顯的擴(kuò)大。(2)采用離散單元數(shù)值模擬類楔形顆粒在錐形容器內(nèi)離心運(yùn)動(dòng)的過程,對(duì)類楔形顆粒進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)過程翻轉(zhuǎn)-滑動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)理的分析,研究發(fā)現(xiàn),在相同轉(zhuǎn)速條件下,隨顆粒周轉(zhuǎn)角增大,總體顆粒向側(cè)臥姿態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢明顯,且側(cè)臥姿態(tài)的轉(zhuǎn)化量隨接觸表面粗糙度的增加而降低.同時(shí)發(fā)現(xiàn),動(dòng)錐盤轉(zhuǎn)速對(duì)顆粒翻轉(zhuǎn)特性的影響不明顯,而顆粒在動(dòng)錐盤離心運(yùn)動(dòng)中的翻轉(zhuǎn)特性受其本身的幾何形狀、尺寸參數(shù)影響,因此通過向量標(biāo)記方法定量描述了顆粒在周轉(zhuǎn)過程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和姿態(tài)分布。分析了顆粒體在特定環(huán)境下的受力及運(yùn)動(dòng)特性,研究結(jié)果主要以宏觀規(guī)律來體現(xiàn),針對(duì)的類楔形顆粒原型實(shí)屬玉米籽粒,在實(shí)際中,籽粒的含水率決定顆粒間的黏附力,其顆粒間碰撞、摩擦等復(fù)雜問題仍需深入研究.在此條件下的數(shù)學(xué)模型和研究結(jié)論可為排種器關(guān)鍵部件、清選裝置結(jié)構(gòu)配置等農(nóng)業(yè)工程問題提供理論參考。(3)提出波紋表面摩擦振動(dòng)方式來完成清種動(dòng)作,根據(jù)前期研究基礎(chǔ)及其探究結(jié)論,通過建立凸凹波紋清種面的數(shù)學(xué)模型曲線進(jìn)一步確定結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍,參考前文籽粒充填過程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,初步設(shè)定清種的扇形角度區(qū)域,初步完成三維圖紙及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的繪制,而對(duì)與清種裝置內(nèi)波紋結(jié)構(gòu)的振動(dòng)效果,仍需進(jìn)一步試驗(yàn)以考察具體性能。(4)通過仿真試驗(yàn)與初步臺(tái)架充填試驗(yàn)可證實(shí),相比無推送結(jié)構(gòu)的立式錐盤排種器,在種腔內(nèi)設(shè)置推送結(jié)構(gòu)可充分利用上層種群的離心壓力提高充種性能。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果分析可知,帶推送結(jié)構(gòu)的動(dòng)錐盤轉(zhuǎn)速可達(dá)30.1r/min,單體作業(yè)速度為13km/h,在此范圍內(nèi)平均漏播指數(shù)約3.93%,較無推送結(jié)構(gòu)充種方式的平均漏播指數(shù)降低了2.52%。同時(shí),在相同試驗(yàn)條件下,作業(yè)速度試驗(yàn)值比指夾式排種器提高了3km/h,且在相同作業(yè)速度(9km/h)條件下,漏播指數(shù)降低了3.94%。性能驗(yàn)證試驗(yàn)表明,當(dāng)工作轉(zhuǎn)速在20.8~25.5r/min范圍內(nèi)時(shí),排種器各項(xiàng)性能及指標(biāo)表現(xiàn)較優(yōu)狀態(tài),而破碎率變化區(qū)間較大,仍需對(duì)內(nèi)部材料進(jìn)一步改善。(5)通過前期Solidwork所建立的動(dòng)錐盤三維模型,進(jìn)一步簡化并完善了多余結(jié)構(gòu),針對(duì)排種器工作機(jī)理和前期理論分析,對(duì)核心部件的材料進(jìn)行了改善。在此基礎(chǔ)上,采用ANSYS內(nèi)部的Modal模塊對(duì)三維環(huán)境做出初步設(shè)定,添加相對(duì)應(yīng)的約束,精細(xì)劃分網(wǎng)格后按相應(yīng)算法進(jìn)行模態(tài)振動(dòng)仿真分析,生成出動(dòng)錐盤工作過程中的前6階模態(tài)及固有頻率,分析得到,外部激振頻率范圍為0.009~0.017Hz,針對(duì)動(dòng)錐盤固有頻率和振型特點(diǎn),對(duì)外部裝配方式進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn),進(jìn)一步彌補(bǔ)了其振型缺陷,提高排種器的密封度并改善作業(yè)性能。(6)通過高速攝影跟蹤記錄,籽粒投種軌跡整體呈拋物線,其中延遲投種角度約在12°~18°,延遲投種和及時(shí)投種出現(xiàn)的概率大于98%,而大部分籽粒的投種集中在延遲投種區(qū)域內(nèi)。投種試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)工作轉(zhuǎn)速為15~30r/min范圍內(nèi),籽粒投送軌跡水平位移量整體穩(wěn)定在22.8mm內(nèi),且在試驗(yàn)中動(dòng)錐盤種槽與靜止盤之間為存在卡頓與擠壓現(xiàn)象。隨著排種器工作轉(zhuǎn)速的增加,籽粒排出的線速度水平分量逐漸增加,拋物線軌跡開口變大,當(dāng)工作轉(zhuǎn)速為15~25r/min時(shí),籽粒投送軌跡及落點(diǎn)位置密集,當(dāng)工作轉(zhuǎn)速大于30r/min后,籽粒投送軌跡及落點(diǎn)位置逐漸離散,且變化區(qū)間增大,粒距變異系數(shù)顯著增加。本研究為離心錐盤排種器投種裝置及導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定理論依據(jù)與實(shí)踐參考。(7)通過以排種器安裝高度、工作轉(zhuǎn)速及種帶運(yùn)移速度為工作參數(shù),以粒距變異系數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)為主要性能指標(biāo),參考國家標(biāo)準(zhǔn)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T6973-2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》,先后進(jìn)行了單因素及多因素的臺(tái)架試驗(yàn)。單因素試驗(yàn)結(jié)果表明,排種器工作轉(zhuǎn)速對(duì)充種排種性能的影響極顯著,而排種器安裝高度并不是影響排種性能的主要因素,其對(duì)變異系數(shù)的影響較大。通過多因素試驗(yàn)結(jié)果表明,工作轉(zhuǎn)速為24.7/min,排種器安裝高度為48mm的工況下,離心錐盤式排種器作業(yè)性能最優(yōu),進(jìn)一步對(duì)優(yōu)化過的工作參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),測得變異系數(shù)為5.6%,重播指數(shù)為7.1%,漏播指數(shù)為4.9%,驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果基本一致,誤差在可接受范圍內(nèi),滿足精密播種技術(shù)與農(nóng)藝要求。
【學(xué)位單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：S223.2
【部分圖文】：

1 引言1.1 研究背景1.1.1 機(jī)械式排種器研究現(xiàn)狀目前機(jī)械式精密排種器主要依靠重力、夾持理、結(jié)構(gòu)作用來實(shí)現(xiàn)種子充種和攜種。目前主流的機(jī)械式排種器有水平圓盤式、勺輪式和指夾式[1]。首先，對(duì)于水平圓盤式來說，其充種方式主要依靠籽粒自身重力落入型孔中，當(dāng)籽粒運(yùn)動(dòng)到掛種裝置時(shí)，完成清種動(dòng)作，保留的種子轉(zhuǎn)動(dòng)至排種口，進(jìn)而通過重力和推送里完成完成落種，如圖 1-1 所示。由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在獨(dú)特性，籽粒運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過程始終受外力作用故其破碎的可能性較大。國內(nèi)學(xué)者廖慶喜[2-3]等對(duì)其關(guān)鍵因素：型孔數(shù)量、動(dòng)盤厚度、轉(zhuǎn)速等進(jìn)行大量研究，研究發(fā)現(xiàn)籽粒形狀和尺寸的不均勻?qū)?dǎo)致圓盤尺寸和內(nèi)部型孔結(jié)構(gòu)的差異較大，所以播種前需要對(duì)其進(jìn)行包衣及丸�；庸ぬ幚恚欢�，附加的工藝流程導(dǎo)致了較高的成本，因此水平圓盤式排種器適應(yīng)性性較差，在生產(chǎn)和使用的數(shù)量也逐步在減少。

1 引言1.1 研究背景1.1.1 機(jī)械式排種器研究現(xiàn)狀目前機(jī)械式精密排種器主要依靠重力、夾持理、結(jié)構(gòu)作用來實(shí)現(xiàn)種子充種和攜種。目前主流的機(jī)械式排種器有水平圓盤式、勺輪式和指夾式[1]。首先，對(duì)于水平圓盤式來說，其充種方式主要依靠籽粒自身重力落入型孔中，當(dāng)籽粒運(yùn)動(dòng)到掛種裝置時(shí)，完成清種動(dòng)作，保留的種子轉(zhuǎn)動(dòng)至排種口，進(jìn)而通過重力和推送里完成完成落種，如圖 1-1 所示。由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在獨(dú)特性，籽粒運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過程始終受外力作用故其破碎的可能性較大。國內(nèi)學(xué)者廖慶喜[2-3]等對(duì)其關(guān)鍵因素：型孔數(shù)量、動(dòng)盤厚度、轉(zhuǎn)速等進(jìn)行大量研究，研究發(fā)現(xiàn)籽粒形狀和尺寸的不均勻?qū)?dǎo)致圓盤尺寸和內(nèi)部型孔結(jié)構(gòu)的差異較大，所以播種前需要對(duì)其進(jìn)行包衣及丸�；庸ぬ幚�，然而，附加的工藝流程導(dǎo)致了較高的成本，因此水平圓盤式排種器適應(yīng)性性較差，在生產(chǎn)和使用的數(shù)量也逐步在減少。

與氣吸式排種器相比較，其優(yōu)勢在于對(duì)種子形狀和大小的適應(yīng)性更強(qiáng)更低氣流壓力，裝配的密閉性要求并不嚴(yán)格，壽命周期更長[21]。其產(chǎn)品主要以 Beaker代表。；MURSEC 等[22]研究發(fā)現(xiàn)，Beaker 氣吹式排種器對(duì)于甜菜作物的播種質(zhì)量較優(yōu)業(yè)時(shí)速可高達(dá) 10km/h。自我國 1989 年引進(jìn) Beaker 公司氣吹式排種器以來，已經(jīng)逐步究了氣吹式排種器[23]。胡樹榮等[24]在研究中發(fā)現(xiàn)，其錐孔頂角、錐孔深度、氣流方向夾角、底孔直徑、氣體流量 6 者直接影響著氣吹式排種器的作業(yè)質(zhì)量。劉佳等[25]通過到了氣吹式排種器對(duì)于玉米籽粒的吹氣壓力可行區(qū)間段，經(jīng)臺(tái)架試驗(yàn)后可知：吹氣壓 2～5kpa 時(shí)播種質(zhì)量較好，且一直呈上升趨勢；8kpa 時(shí)合格指數(shù)達(dá)到 97.3％；2.5～4.5k范圍內(nèi)，其合格指數(shù)約為 90%，漏播指數(shù)均小于 1.2%；田間試驗(yàn)測得其合格率達(dá)到 83.2近幾年衍生出的中央集排式排種器為目前研究和發(fā)展的新產(chǎn)品，其充種方式是采用一多行型孔的滾筒代替單行單一的排種器，變傳統(tǒng)一器一行為一器多行，直接解決了傳排種器作業(yè)過程中由振動(dòng)導(dǎo)致漏播的問題[26]。Amazone 公司研發(fā)的中央集排式播種機(jī)度可達(dá) 15km/h[27]。國內(nèi)學(xué)者祁兵[28]結(jié)合集中排種與氣流送種的原理設(shè)計(jì)了一種中央送式玉米精密排種器，對(duì)充種型孔直徑、機(jī)具作業(yè)速度進(jìn)行了雙因素試驗(yàn)，結(jié)果表明為 4.5mm 時(shí)作業(yè)效果最好，平均合格指數(shù)為 97.9%。氣力式播種機(jī)在性能方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢所在，在高速作業(yè)前提下可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高密播種，因此歐美等發(fā)達(dá)國家和以及發(fā)展中國家的個(gè)體農(nóng)場，在近年來得到了快速發(fā)泛推廣應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

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9 曹秀英;廖慶喜;叢錦玲;廖宜濤;;離心式油菜精量排種器型孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J];農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào);2014年S1期

10 劉宏新;徐曉萌;郭麗峰;尚家杰;;具有復(fù)合充填力的立式淺盆型排種器充種機(jī)理[J];農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào);2014年21期

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4 顏輝;組合內(nèi)窩孔玉米精密排種器優(yōu)化設(shè)計(jì)新方法研究[D];吉林大學(xué);2012年

5 王業(yè)成;摩擦式精密排種器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D];沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué);2012年

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6 蔣蓓;夾持式玉米膜上精密穴播輪排種機(jī)理及機(jī)構(gòu)的研究[D];石河子大學(xué);2013年

7 楊明芳;基于離散元法的玉米排種器的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法研究[D];吉林大學(xué);2009年

本文編號(hào)：2829734