气吸机械复合式大豆高速精密排种器研究

【摘要】：高速精密播种作为播种作业的主要发展方向,其作业质量主要取决于精密排种器的性能。目前,排种器主要有机械式和气力式两种,气力式排种器中的气吸式排种器由于具有种子适应性强、伤种率低和排种频率高等优点,适用于高速精播作业,但其作业质量对负压要求较高,高速作业时需较高负压,且在气压波动时易造成作业性能下降。本文为降低气吸式排种器对负压的依赖性,结合气吸式与机械式的取种原理,设计一种以大豆为作业对象的气吸机械复合式排种器,完成低负压下的高速精密排种作业。(1)测量分析了大豆种子千粒重、密度、三轴尺寸等物理参数,以及其与接触材料间的动静摩擦系数、碰撞恢复系数和弹性模量等力学参数;并研究了含水率对力学参数的影响规律,研究结果表明随着含水率增大,动静摩擦系数增大,而碰撞恢复系数和弹性模量减小。(2)通过力学分析和数学建模方法,研究气吸机械复合式排种器结构参数对取种、运种、清种和排种过程的影响规律;通过设计气室调整盘,研究气室形状对排种性能的影响;通过对复合式排种器的取种、清种、运种和投种过程的理论分析,分析复合式排种器的工作过程和取种机理;设计具有搅种槽、取种孔和吸孔复合结构的排种盘。(3)通过离散元软件EDEM对复合式排种器的排种过程进行仿真分析,研究种群数量和排种盘转速对种群运动状态的影响,发现种群倾角始终保持在40°左右,种群数量和排种盘转速对种群倾角影响不显著;种群数量和排种盘转速对充种率具有显著影响,种群数量对充种率具有促进作用,而排种盘转速对充种率具有不利影响。研究搅种槽结构参数对搅种和导种性能的影响规律,得出搅种槽的最优深度为2mm、倾角为45°。通过双因素五水平二次正交旋转组合仿真试验,研究取种孔尺寸和前进速度对充种性能的影响规律,得到最优参数组合为取种孔前壁面上边距离后壁面10.2mm,前壁面下边距离后壁面6.0mm,深度6.3mm,宽度10.2mm时,此时充种合格率大于96%,漏充率小于3%。(4)通过排种器气流场分析,研究风机转速对复合式排种器的气室负压的影响,结果表明吸孔数目、直径与气室的负压呈反比,距离出气口越远负压越低。运用Solidworks Flow Simulation软件对气流场进行模拟分析,观察排种盘静止和转动状态下气流运动规律,发现排种盘转动会造成种室内气流呈螺旋状流动,同时气室内气流速度降低。通过对比复合式排种器和2BDB排种器的吸孔附近负压变化,发现复合式排种器吸孔附近气流的衰减速度小于2BDB排种器,说明取种孔对负压具有促进作用。研究气室调整盘厚度和起止角度对负压均匀性的影响规律,结果表明气室调整盘厚度20mm时气压均匀性最优,且负压衰变较小。(5)利用排种试验台和高速摄像系统,分别针对复合式排种器的气吸式、机械式和气吸机械复合式作业状态进行充种性能和排种性能试验。在气吸作业状态下,充种起始角、排种盘转速和负压对充种性能具有显著影响,在充种角大于50°时充种性能趋于稳定,随着排种盘转速增大,充种性能逐渐降低,且降低的趋势随着负压的增大而减小。投种角度、排种盘转速和负压对排种性能具有显著影响,回归方程表明39.5°投种角时合格率最大。随着排种盘转速增大,排种性能逐渐降低,且降低的趋势随着负压的增大而减小。在机械作业状态下,护种板的起始角对充种性能具有显著影响,回归方程表明35.7°起始角时充种性能最佳。通过为护种板添加柔性缓冲装置,降低了破碎率,当缓冲区长度为60mm时,充种性能较好,且破碎率为0%。在气吸机械复合作业状态下进行排种性能试验,其结果优于气吸作业状态和机械作业状态。黑龙江省勃利县的田间试验结果表明:气吸机械复合式排种器在负压值2.9kPa时,前进速度在6~8km/h时合格率大于85%,10~12km/h时合格率大于72%,满足大豆精密播种作业要求,其排种性能显著优于传统气吸排种器,本文的研究成果可为高速精密排种器的设计与研制提供理论依据与支撑。