油菜、小麥?zhǔn)侵袊?guó)重要油糧作物和長(zhǎng)江中下游地區(qū)主要冬季種植作物,播種期鄰近,機(jī)械化播種工序基本一致。為提高機(jī)具利用率、降低生產(chǎn)成本和增加生產(chǎn)效益,研制了滿(mǎn)足油菜、小麥兼用型的氣送式集排器。本文根據(jù)油菜、小麥物料特性,創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了具有交錯(cuò)排布的傾斜錐柱狀型孔的錐孔輪結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)油麥兼用和定量與變量供種;碗式枝狀分配器可實(shí)現(xiàn)種子流均勻分配,應(yīng)用動(dòng)力學(xué)理論、DEM-CFD氣固耦合仿真和高速攝像等技術(shù)和方法深入研究了集排器氣流場(chǎng)和種子在集排器中的運(yùn)動(dòng)特性、遷移軌跡等工作機(jī)理。主要研究結(jié)論包括:(1)基于油菜、小麥物料特性和農(nóng)藝播種量要求,應(yīng)用“機(jī)械定量供種+氣流分配成行”排種原理確定了油麥兼用型氣送式集排器總體設(shè)計(jì)方案,闡述了集排器組成及其工作原理,確定了集排器的供種裝置、供料裝置、輸種管道、增壓管、分配器和導(dǎo)種管等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)。(2)開(kāi)展了油麥兼用型氣送式集排器關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)分析確定。提出了一種傾斜錐柱狀型孔和錐孔輪交錯(cuò)排布結(jié)構(gòu)的供種裝置,確定了型孔和錐孔輪的結(jié)構(gòu)參數(shù),錐孔輪直徑為80 mm,傾斜錐孔輪和空白輪組合數(shù)量總和為6,改變錐孔輪數(shù)量和轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)供種量。采用“文丘里”原理設(shè)計(jì)供料裝置,確定氣固兩相流管道直徑為42 mm。設(shè)計(jì)了波紋狀增壓管和碗式枝狀分配器,確定了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。根據(jù)油麥兼用型氣送式集排器風(fēng)量需求與壓強(qiáng)損失,風(fēng)泵流量Q和氣流壓強(qiáng)分別為115.16 m3/h和1.96 kPa,選用了HG-1100旋渦式風(fēng)泵。(3)開(kāi)展了油麥兼用型氣送式集排器充種與供種過(guò)程分析,構(gòu)建了充種和供種過(guò)程種子受力的力學(xué)模型,探明帶有傾角錐柱狀型孔能有效提高充種和供種性能,較優(yōu)的傾角范圍為13.75°~21.20°。傾角為20°的錐柱狀型孔油菜、小麥的供種穩(wěn)定性變異系數(shù)分別低于1.00%和1.10%。轉(zhuǎn)速為10~60 r/min時(shí),供種速率隨轉(zhuǎn)速增加而增加,其穩(wěn)定性變異系數(shù)呈先降后升的趨勢(shì),供種油菜、小麥較優(yōu)轉(zhuǎn)速范圍分別為10~40 r/min和20~50 r/min;通過(guò)調(diào)節(jié)錐孔輪數(shù)量和轉(zhuǎn)速,油菜、小麥的供種速率范圍分別為28~450 g/min和95~770 g/min。油麥兼用供種裝置可實(shí)現(xiàn)油菜和小麥種子的定量與變量供種。(4)運(yùn)用EDEM軟件仿真和高速攝像技術(shù),研究了不同種層厚度的種群運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與供種性能。傾角為60°種層調(diào)節(jié)板的種群壓力較大,充填角和充種性能均較優(yōu);種群壓力和切向力隨縱向距離增加而增加,隨橫向距離增加而降低。轉(zhuǎn)速為10~50 r/min時(shí),初始充填角、充填角和供種速率均隨縱向距離增加和橫向距離降低而增加,但充種數(shù)量變異系數(shù)呈先降后升的趨勢(shì)。種層厚度和轉(zhuǎn)速影響充填角分別源于種群壓力和切向力。在縱向距離分別為15和20 mm,橫向距離為46 mm時(shí),油菜、小麥充種和供種性能較優(yōu)。(5)設(shè)計(jì)了一種可提高小麥充種性能的攪種裝置。安裝攪種裝置能明顯增加種群壓力、切向力、型孔充種數(shù)量、充填角和充種合格率。攪種齒長(zhǎng)度顯著或極顯著影響充填角和型孔充種數(shù),攪種齒排列方式顯著影響型孔充種數(shù)。結(jié)果表明影響充填角和型孔充種數(shù)的主次因素為:攪種齒長(zhǎng)度排列方式攪種齒形狀。在攪種齒形狀為圓柱形,攪種齒長(zhǎng)度為6 mm和雙螺旋排列方式條件下,充填角、型孔充種數(shù)和充種不合格率分別為78.20°、1.73和0.69%。在轉(zhuǎn)速為20~40 r/min條件下,選擇錐孔輪數(shù)量為6和轉(zhuǎn)速比為1.154優(yōu)化組合時(shí),供種速率及其變異系數(shù)分別為690~1340 g/min和0.23~0.80%。(6)基于DEM-CFD氣固耦合方法分析了混合、輸送的氣流場(chǎng)和種子運(yùn)動(dòng)特性。種子在供料裝置和輸種管道中受力與速度主要沿氣流速度方向,種子遷移的動(dòng)力主要源自流體阻力。增加噴管截面積降低了種子速度和壓強(qiáng)損失,Type 2噴管結(jié)構(gòu)具有較低的壓強(qiáng)損失和較高的氣流出口速度。與供種速率相比,氣流入口速度影響種子受力、種子速度和相對(duì)速度更明顯。輸種管道出口處種子速度隨橫縱管道長(zhǎng)度比k增加呈先降后升的趨勢(shì),當(dāng)輸種管道直徑、長(zhǎng)度和k分別為42 mm、1.0 m和2/3時(shí),管道出口處種子速度、兩相流相對(duì)速度和壓強(qiáng)損失較小。兩相流相對(duì)速度表現(xiàn)為彎管低于折線(xiàn)形接頭,彎管半徑100 mm的輸種管道氣流場(chǎng)和種子分布均勻,壓強(qiáng)損失較小。(7)應(yīng)用DEM-CFD氣固耦合方法仿真揭示集排器分配機(jī)理,進(jìn)而優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。分析了波紋狀增壓管結(jié)構(gòu)參數(shù)(凹窩深度、波紋間距和增壓管長(zhǎng)度)對(duì)種子分布均勻度系數(shù)和分配均勻性變異系數(shù)的影響。采用多目標(biāo)規(guī)劃優(yōu)化得出結(jié)構(gòu)參數(shù)較優(yōu)組合:凹窩深度、波紋間距和增壓管長(zhǎng)度分別為4.2 mm、15 mm和180 mm時(shí),種子分布均勻度系數(shù)和分配均勻性變異系數(shù)分別為91.17%和4.91%。同時(shí)得到種子在集排器遷移軌跡和分配狀態(tài),種子速度隨傾角ψ增加呈降低的趨勢(shì),流線(xiàn)型管道出口直徑d1和傾角ψ分別為16 mm和60°時(shí),氣流速度、種子運(yùn)動(dòng)特性和排種均勻性較優(yōu)。種子受到的合力和種子速度隨R增加呈先升后降的趨勢(shì),以R為40 mm為最高。分配均勻性變異系數(shù)隨分配器蓋錐角α增加呈先降低后增加的趨勢(shì),以錐角120°為最低。(8)開(kāi)展了油麥兼用型氣送式集排器排種性能試驗(yàn)研究。試驗(yàn)研究了導(dǎo)種管材料、直徑、布置和工作參數(shù)對(duì)排種性能影響,結(jié)果表明直徑為20 mm的PVC鋼絲軟管材料和導(dǎo)種管長(zhǎng)度一致時(shí)排種性能較優(yōu)。排種油菜、小麥氣流壓強(qiáng)分別為1200Pa和1600 Pa時(shí),各行排量一致性變異系數(shù)均低于4.00%,1 m內(nèi)平均排種數(shù)量分別為20.92~22.76和52.92~56.32,排種均勻性變異系數(shù)低于20.00%,總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)低于1.00%,種子破損率低于0.15%。(9)2015-2017連續(xù)2年應(yīng)用華油雜62和鄭麥9023為材料開(kāi)展油麥兼用型氣送式集排器的田間播種試驗(yàn),結(jié)果表明:直播油菜田間種植密度范圍為38~80株/m2,穩(wěn)定性變異系數(shù)低于20.00%。直播小麥田間2種播種密度的幼苗分布分別為118~143和232~278株/m2,穩(wěn)定性變異系數(shù)為8.00%左右。播期和播種量對(duì)油菜生長(zhǎng)特性和產(chǎn)量的小區(qū)試驗(yàn)表明,播期延遲和播種量增加使植株個(gè)體素質(zhì)變?nèi)?油菜、小麥產(chǎn)量分別可達(dá)2900和6800 kg/hm2。油麥兼用型氣送式集排器可通過(guò)提高播種均勻性、確定適宜種植密度、選擇合適播期和加強(qiáng)田間管理獲得全苗、壯苗,在適宜播期內(nèi)盡早播種油菜,種植密度以30~45萬(wàn)株/hm2為宜;遲播條件下應(yīng)通過(guò)增加種植密度優(yōu)化群體結(jié)構(gòu),種植密度以50~60萬(wàn)株/hm2較好。創(chuàng)新點(diǎn)1:提出了“傾斜錐孔輪式供種+碗式枝狀分配”集成排種技術(shù),研制了適應(yīng)油麥兼用的氣送式集排器。創(chuàng)新點(diǎn)2:設(shè)計(jì)了一種傾斜錐柱狀型孔和錐孔輪交錯(cuò)排布結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)物料特性差異較大的油菜和小麥的變量與精量播種。
【學(xué)位單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類(lèi)】：S223.2
【部分圖文】：

種器：正負(fù)氣壓組合式排種技術(shù)是采粒徑種子精量排種。廖慶喜等研制了該直播機(jī)以正、負(fù)氣壓組合式油菜精種，一次性完成開(kāi)溝、破茬、種床旋指數(shù)為90%以上（田波平等，2008）。的氣力式排種系統(tǒng)，分析了排種盤(pán)轉(zhuǎn)影響，表明風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及其與排種盤(pán)轉(zhuǎn)首要因素（楊松等，2012）。并進(jìn)一出風(fēng)機(jī)選型的建議（舒彩霞等，201結(jié)構(gòu)解析和排種過(guò)程仿真分析，分析軸轉(zhuǎn)速的匹配關(guān)系；CFX仿真研究了分析油菜籽的實(shí)際投種軌跡（Yu J J，

時(shí)播種性能穩(wěn)定性。離心式集排器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單得到一定范圍推廣應(yīng)用，但排種量受排種器轉(zhuǎn)速靈敏度高，與播種機(jī)前進(jìn)速度同步性偏差。圖1.3 離心式集排器Fig.1.3 Centrifugal metering device for rapeseed（2）氣力滾筒式集排器：該集排器已用于油菜、玉米和水稻等作物精量播種，李明等設(shè)計(jì)了一種氣力滾筒式油菜精量集排器，該排種器采用正負(fù)氣壓組合式排種原理，簡(jiǎn)化了播種機(jī)的排種器結(jié)構(gòu)與數(shù)量；并建立了負(fù)壓值、正壓值與結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)的關(guān)系模型（李明等，2013；Li M等，2014）。廖慶喜等研究了一種內(nèi)充氣吹式油菜精量排種器，該排種器采用內(nèi)充種方式，實(shí)現(xiàn)單粒取種；采用氣流壓力卸種，防止型孔堵塞（廖慶喜等，2012b）。李兆東等為解決清種、護(hù)種環(huán)節(jié)易剪切破壞種子的問(wèn)題

2016）。氣力滾筒式集排器播種行數(shù)主要為4~6行，播種量和幅寬調(diào)節(jié)受限，不適用于寬幅和高速條件下播種。圖1.4 油菜精量氣壓式集排器Fig.1.4 pneumatic-typed precision centralized metering device for rapeseed（3）氣送式集排器：氣送式集排器主要采用機(jī)械定量、氣流一階分配或二階分配的方式排種，具有播種行數(shù)多、幅寬大、作業(yè)速度高等特點(diǎn)。其工作原理為：排種槽輪定量排出種子形成種子流，在噴射口處與管道氣流交匯形成混合流，經(jīng)增壓管后通過(guò)分配器進(jìn)行分配排種形成均勻種流，最后沿輸種管進(jìn)入開(kāi)溝器完成精量排種（常金麗等，2011）。氣送式集排器適應(yīng)作物種子類(lèi)型多和高速高效的需求，也是排種器結(jié)構(gòu)原理多樣化發(fā)展的趨勢(shì)，已成為國(guó)內(nèi)外排種器發(fā)展的主要方向。國(guó)外氣送式播種機(jī)主要包括：美國(guó)Sunflower公司生產(chǎn)的氣流式條播機(jī)、JohnDeere公司生產(chǎn)的1890型免耕播種機(jī)（圖1.5a）、加拿大Flexi-coil公司生產(chǎn)的5000HD型氣力式條播機(jī)、德國(guó)Amazone公司Primera DMC牽引式播種機(jī)（圖1.5b）、美國(guó)凱斯公司的Flex Hoe系列氣流播種機(jī)（圖1.5c）和德國(guó)雷肯（LEMKEN）公司Solitair系列氣力式精量播種機(jī) （圖1.5d）等。國(guó)外的氣送式播種機(jī)主要針對(duì)大豆、麥類(lèi)等中、大粒徑作物種子，適用于傳統(tǒng)型耕作及保護(hù)性耕作，主要采用牽引式和液壓驅(qū)a. John Deere公司生產(chǎn)的1890型免耕
【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 張昆;氣吸滾筒式玉米植質(zhì)缽盤(pán)精密播種裝置機(jī)理與參數(shù)研究[D];黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué);2018年

本文編號(hào)：2854684