离心锥盘式排种器机理分析与试验研究

发布时间：2020-09-29 12:30

　　精密排种技术是国内外研究人员广泛关注的热点,由于传统机械式排种器整体上存在很多方面的发展瓶颈如作业效率不高、对籽粒外形及尺寸依赖性大、精播率性能不稳定等问题,在近年来已逐渐淡出市场,近年来,相关领域学者开始对气力式精密排种器进行改进与研究。通过目前的研究发现,气力式排种器在适应性、效率和均匀性上皆优与传统机械式式排种器,然而,其密封结构复杂,在气流腔出现缝隙导致气压流失等问题出现时,极易发生漏播现象;同时在田间非平整土壤的高速作业中,若气流压力不足,机震加剧会造成种粒脱离吸盘产生严重的重、漏播现象;同时,其气压由拖拉机动力输出轴带动的单离心风机产生,随播种作业宽幅的增加所带来的能耗问题就越严峻。目前,国内在排种器充排方式转变的研究报道较少,相关研究多为机理分析与优化改进等应用类文献,针对国内人口密集、农场分布广泛、种植灵活性较大的现状,提出一种立式离心锥盘排种器。相比传统精播技术方式:籽粒静态堆积-取种-清种-排种-导种,本方式的动作流程做出了改变,即籽粒群进入锥向离心盘后被赋予持续动能并具有与锥盘相同周向角速度,通过与排种盘摩擦、动锥盘推送、区域波纹震动作用,依次有序的以相同姿态排出。旨在大幅度提高作业速度的同时,提升排种质量稳定性,满足精密播种要求。其研究内容与具体结论如下:(1)传统机械式排种器重力充种过程中,籽粒位置角的增大导致充填力直线下降是限制充种效率的关键因素。因此,增加充填力种类和扩大有效充种区域是提高排种器充种性能的重要途径。通过对籽粒在立式锥盘排种器中充种机理的分析,研究了影响充填应力和有效充填区域的因素,确定了关键结构与核心参数,离其理论分析可知,锥角在[0,23°]锥为填充应力较大区间,在17.2°时,复合充填应力()达到最大;在设置离心推送装置后的籽粒复合充填应力有了明显增加,当推送片个数为2个时,为发挥离心拉应力最大效率的极限条件;在所选工作转速范围内,籽粒位置角约8°时,复合充填应力均达到最大值,安装离心推送装置后的充填应力提高了近4倍,同时,相比(静-动)方式的有效充填角度区域[-5°,16°],其有效充种角度区域有了明显的扩大。(2)采用离散单元数值模拟类楔形颗粒在锥形容器内离心运动的过程,对类楔形颗粒进行了运动过程翻转-滑动转换机理的分析,研究发现,在相同转速条件下,随颗粒周转角增大,总体颗粒向侧卧姿态转化的趋势明显,且侧卧姿态的转化量随接触表面粗糙度的增加而降低.同时发现,动锥盘转速对颗粒翻转特性的影响不明显,而颗粒在动锥盘离心运动中的翻转特性受其本身的几何形状、尺寸参数影响,因此通过向量标记方法定量描述了颗粒在周转过程中的运动规律和姿态分布。分析了颗粒体在特定环境下的受力及运动特性,研究结果主要以宏观规律来体现,针对的类楔形颗粒原型实属玉米籽粒,在实际中,籽粒的含水率决定颗粒间的黏附力,其颗粒间碰撞、摩擦等复杂问题仍需深入研究.在此条件下的数学模型和研究结论可为排种器关键部件、清选装置结构配置等农业工程问题提供理论参考。(3)提出波纹表面摩擦振动方式来完成清种动作,根据前期研究基础及其探究结论,通过建立凸凹波纹清种面的数学模型曲线进一步确定结构参数范围,参考前文籽粒充填过程中的运动学模型,初步设定清种的扇形角度区域,初步完成三维图纸及关键结构的绘制,而对与清种装置内波纹结构的振动效果,仍需进一步试验以考察具体性能。(4)通过仿真试验与初步台架充填试验可证实,相比无推送结构的立式锥盘排种器,在种腔内设置推送结构可充分利用上层种群的离心压力提高充种性能。对比试验结果分析可知,带推送结构的动锥盘转速可达30.1r/min,单体作业速度为13km/h,在此范围内平均漏播指数约3.93%,较无推送结构充种方式的平均漏播指数降低了2.52%。同时,在相同试验条件下,作业速度试验值比指夹式排种器提高了3km/h,且在相同作业速度(9km/h)条件下,漏播指数降低了3.94%。性能验证试验表明,当工作转速在20.8~25.5r/min范围内时,排种器各项性能及指标表现较优状态,而破碎率变化区间较大,仍需对内部材料进一步改善。(5)通过前期Solidwork所建立的动锥盘三维模型,进一步简化并完善了多余结构,针对排种器工作机理和前期理论分析,对核心部件的材料进行了改善。在此基础上,采用ANSYS内部的Modal模块对三维环境做出初步设定,添加相对应的约束,精细划分网格后按相应算法进行模态振动仿真分析,生成出动锥盘工作过程中的前6阶模态及固有频率,分析得到,外部激振频率范围为0.009~0.017Hz,针对动锥盘固有频率和振型特点,对外部装配方式进行了适应性改进,进一步弥补了其振型缺陷,提高排种器的密封度并改善作业性能。(6)通过高速摄影跟踪记录,籽粒投种轨迹整体呈抛物线,其中延迟投种角度约在12°~18°,延迟投种和及时投种出现的概率大于98%,而大部分籽粒的投种集中在延迟投种区域内。投种试验结果表明,当工作转速为15~30r/min范围内,籽粒投送轨迹水平位移量整体稳定在22.8mm内,且在试验中动锥盘种槽与静止盘之间为存在卡顿与挤压现象。随着排种器工作转速的增加,籽粒排出的线速度水平分量逐渐增加,抛物线轨迹开口变大,当工作转速为15~25r/min时,籽粒投送轨迹及落点位置密集,当工作转速大于30r/min后,籽粒投送轨迹及落点位置逐渐离散,且变化区间增大,粒距变异系数显著增加。本研究为离心锥盘排种器投种装置及导种管结构外形优化设计奠定理论依据与实践参考。(7)通过以排种器安装高度、工作转速及种带运移速度为工作参数,以粒距变异系数、重播指数和漏播指数为主要性能指标,参考国家标准国家标准GB/T6973-2005《单粒(精密)播种机试验方法》,先后进行了单因素及多因素的台架试验。单因素试验结果表明,排种器工作转速对充种排种性能的影响极显著,而排种器安装高度并不是影响排种性能的主要因素,其对变异系数的影响较大。通过多因素试验结果表明,工作转速为24.7/min,排种器安装高度为48mm的工况下,离心锥盘式排种器作业性能最优,进一步对优化过的工作参数进行验证试验,测得变异系数为5.6%,重播指数为7.1%,漏播指数为4.9%,验证试验结果与优化结果基本一致,误差在可接受范围内,满足精密播种技术与农艺要求。
【学位单位】：东北农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S223.2
【部分图文】：

水平圆盘,籽粒,排种器,机械式

1 引言1.1 研究背景1.1.1 机械式排种器研究现状目前机械式精密排种器主要依靠重力、夹持理、结构作用来实现种子充种和携种。目前主流的机械式排种器有水平圆盘式、勺轮式和指夹式[1]。首先，对于水平圆盘式来说，其充种方式主要依靠籽粒自身重力落入型孔中，当籽粒运动到挂种装置时，完成清种动作，保留的种子转动至排种口，进而通过重力和推送里完成完成落种，如图 1-1 所示。由于其内部结构存在独特性，籽粒运动的整个过程始终受外力作用故其破碎的可能性较大。国内学者廖庆喜[2-3]等对其关键因素：型孔数量、动盘厚度、转速等进行大量研究，研究发现籽粒形状和尺寸的不均匀将导致圆盘尺寸和内部型孔结构的差异较大，所以播种前需要对其进行包衣及丸粒化加工处理，然而，附加的工艺流程导致了较高的成本，因此水平圆盘式排种器适应性性较差，在生产和使用的数量也逐步在减少。

排种器

气吸式,排种器

与气吸式排种器相比较，其优势在于对种子形状和大小的适应性更强更低气流压力，装配的密闭性要求并不严格，寿命周期更长[21]。其产品主要以 Beaker代表。；MURSEC 等[22]研究发现，Beaker 气吹式排种器对于甜菜作物的播种质量较优业时速可高达 10km/h。自我国 1989 年引进 Beaker 公司气吹式排种器以来，已经逐步究了气吹式排种器[23]。胡树荣等[24]在研究中发现，其锥孔顶角、锥孔深度、气流方向夹角、底孔直径、气体流量 6 者直接影响着气吹式排种器的作业质量。刘佳等[25]通过到了气吹式排种器对于玉米籽粒的吹气压力可行区间段，经台架试验后可知：吹气压 2～5kpa 时播种质量较好，且一直呈上升趋势；8kpa 时合格指数达到 97.3％；2.5～4.5k范围内，其合格指数约为 90%，漏播指数均小于 1.2%；田间试验测得其合格率达到 83.2近几年衍生出的中央集排式排种器为目前研究和发展的新产品，其充种方式是采用一多行型孔的滚筒代替单行单一的排种器，变传统一器一行为一器多行，直接解决了传排种器作业过程中由振动导致漏播的问题[26]。Amazone 公司研发的中央集排式播种机度可达 15km/h[27]。国内学者祁兵[28]结合集中排种与气流送种的原理设计了一种中央送式玉米精密排种器，对充种型孔直径、机具作业速度进行了双因素试验，结果表明为 4.5mm 时作业效果最好，平均合格指数为 97.9%。气力式播种机在性能方面有着得天独厚的优势所在，在高速作业前提下可同时实现高密播种，因此欧美等发达国家和以及发展中国家的个体农场，在近年来得到了快速发泛推广应用。

【参考文献】