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稻麦通用气力式排种器的设计与试验

胡毅  
【摘要】:水稻、小麦是中国重要的粮食作物。相比较传统的水稻育秧移栽种植模式,水稻直播拥有省时省力,节约水等优点,因此水稻直播的面积逐年扩大。同时小麦种植面积也逐年提升,机械化播种水平为86.52%。水稻与小麦的播种时节相近,播种工序类似,但是缺少有关稻、麦通用型排种器的研究,更缺少投入实际应用的机型。同时当今排种器多采用的是机械式排种器,可能会带来伤种、通用性不好等问题。针这一现状,设计了一种稻麦通用型气力式排种器;进行了水稻种子和小麦种子的物料特性研究;在EDEM软件中进行了水稻种子含水率的标定;利用ANSYS/CFX软件进行关键部件气流场的仿真分析;进行了排种器性能台架试验,测试排种器的工作性能,寻找其最佳工况并进行验证。主要研究内容如下:(1)水稻种子和小麦种子的物料特性试验试验对象为长江中下游常用的黄华占常规稻、培杂泰丰杂交稻、郑麦9023和襄麦25。通过试验测得以上种子的含水率、三轴尺寸、千粒重、滑动摩擦角、恢复系数、堆积角、悬浮特性和压缩特性等,为稻麦通用型气力式排种器的结构设计和参数选择提供了参考依据。(2)在EDEM软件中中表征水稻种子含水率含水率对于种子的物理特性影响大,但EDEM仿真软件中缺少含水率这一输入参数。因此,用圆筒法测量了5种含水率下水稻种子的堆积角并得到堆积角与含水率的关系曲线图。随后在EDEM仿真软件中重复测量堆积角,并通过单因素重复试验研究弹性模量、种间动摩擦系数和种间静摩擦系数这3个参数对堆积角的影响,发现种间静摩擦对堆积角的影响与含水量对堆积角的影响方式相近,绘制堆积角与种间静摩擦系数的关系曲线图。根据试验与仿真得到的两个关系图,以堆积角为中间量,用种间静摩擦系数对含水率进行表征。将表征结果利用料斗卸料试验进行验证,并在EDEM中输入相应的摩擦系数进行仿真验证,验证结果误差小于5%。(3)稻麦通用气力式排种器的结构设计基于负压吸种,正压排种的工作原理,利用三维软件Pro/E三维建模软件设计并加工了一种方便更换核心部件的稻麦通用气力滚筒式排种器。对排种器的工作原理进行了分析。在先前进行的水稻与小麦的物料特性试验的基础上,结合精量播种相关的标准,对排种器的核心部件的结构参数和排种过程中的工作参数进行了确定。同时对其囊种、清种、携种和排种等工作过程进行了受力分析。(4)基于ANSYS/CFX软件的气流场仿真分析利用ANSYS/CFX软件对水稻和小麦种子负压吸气室内气流场进行仿真分析。为探究出气口直径D、吸孔直径d和出气口负压强P三个因素对吸孔吸附能力的影响,以吸孔端面上的平均压强为评价指标,开展三因素三水平正交试验,得到三个因素最优参数组合并进行验证。正交试验表明影响吸孔吸附能力的因素主次顺序为:出气口负压强P、出气口直径D、吸孔直径d。对于水稻负压吸气室而言,最优组合方案为,吸孔直径d:1.8mm、出气口直径D:25mm、出气口压强P:4600Pa;对于水稻负压吸气室而言,最优组合方案为,吸孔直径d:2.0mm、出气口直径D:25mm、出气口压强P:4200Pa。将正交试验得到的最优参数组合导入ANSYS/CFX软件中进行验证仿真试验,结果表明在最优参数下,水稻和小麦种子负压吸气室内气流场均稳定并且都能在吸孔入口处产生较大压强,有利于排种器吸种。(5)排种器性能试验以窝眼形状、滚筒转速、负压吸气室压强和充种区种层高度为试验因素,进行了单因素试验、二次回归正交组合旋转试验和排种适应性验证试验。通过单因素重复试验发现适合水稻种子和小麦种子的窝眼分别为圆锥形窝眼和类椭圆形窝眼,并初步得到适合排种器的工作参数,为二次回归正交组合旋转试验的因素水平设置提供参考。通过对二次回归正交组合旋转试验的结果进行分析,得到最适合排种器的工作参数组合为:水稻,滚筒转速:17r/min,负压吸气室压强:4.2kPa,种层高度:40mm。小麦:滚筒转速:21r/min,负压吸气室压强:4.6kPa,种层高度:40mm。利用二次回归正交组合旋转试验得到的最佳工作参数组合进行排种适应性验证试验,试验对象为黄华占常规稻、培杂泰丰杂交稻、郑麦9023和襄麦25,试验结果表明在最优工作参数组合下,2种水稻种子的合格率都在85%以上,空穴率小于5%,重播率小于10%;2种小麦种子合格率均在81%以上,空穴率小于9%,重播率在10%左右。所有4种种子在试验中的破损率、穴距变异系数、总排量稳定性变异系数和各行排量一致性变异系数均较小,在2%~5%范围内波动。说明本文设计的稻麦通用型气力式排种器对不同种类的水稻和小麦种子有较好的适应性,且各项指标满足播种基本要求。


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