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精密播种机覆土与镇压过程对种子触土后位置控制的研究

王景立  
【摘要】:精密播种作业质量是由仿形、开沟、排种、覆土及镇压五个主要工作部件综合作用决定的,任何一个部件结构性能存在问题都会影响精密播种作业的整体质量。然而在以往的研究过程中,对上述五个主要工作部件的重视程度是不同的,早期精密播种技术研究主要集中在排种器能否提供均匀的种子流方面,致使排种器在精密播种机五个主要工作部件中质量与性能远远优于其它部件,技术理论也处于遥遥领先地位。直到上世纪90代以来,人们才开始逐步重视到其它主要工作部件的试验研究,使精密播种理论得到了极大的丰富与发展,精密播种机作业质量也得到了较大提高,精密播种技术得到了迅速推广。但在覆土、镇压部件与作业环节方面仍然缺乏深入系统的研究,既没有充分考虑覆土与镇压部件的类型特点、结构与运动参数的优化,也不重视覆土与镇压部件的加工质量,结果使精密播种机只实现了精密排种却未达到精密播种要求。 鉴于目前在精密播种机的研究中,关于覆土与镇压部件理论上和试验研究方面存在的问题,本文以对种子触土后土壤的运动状态、土壤压实程度影响较大的覆土器和镇压器为研究对象,对种子触土后位置和覆土厚度进行了深入、系统的研究。利用有机玻璃板制作了挤压式、双圆盘式、八字形覆土器,以及自行研制的装有压力传感器的可变力苗带镇压器,通过均匀设计设计方法及高速摄像系统等,分析了三种覆土器结构参数与运动参数对覆土过程中种子水平位移量与覆土厚度的影响;通过正交试验设计方法进行了镇压器的不同镇压力对实际播深、位移变化等影响的试验研究,并建立了相关数学模型,优化出了最佳覆土器种类和最佳结构参数与运动参数及最佳镇压力。利用LS—DYNA软件中SPH方法进行了覆土和镇压过程中土流与种子运动状态进行了仿真分析,应用Solidworks软件对精密播种机单体覆土器与镇压器进行了虚拟制造和运动仿真,提高了设计的准确性和效率,为进一步提高精密播种机设计质量和丰富精密播种理论进行了有益的探索。 本文是高等学校博士学科点专项科研基金(20040183024)和吉林省科技发展计划项目(200405045)、国家现代农业产业技术体系建设专项资金(CARS-01-33)的部分内容,其主要研究内容如下: 1、研制了八字形、双圆盘式和挤压式三种不同工作原理的新型覆土器,覆土部件的角度、高度、宽度、前后位置均可调节,便于参数优化,可实现不同条件下种子触土后位置变化的试验研究。基于Solidworks软件建立了三种覆土器与镇压器的仿真模型,利用透明有机玻璃板制成了三种覆土器,方便试验过程中对土流与种子运动状态观测。 2、基于高速摄像技术在土槽实验台上完成了三种覆土器覆土过程测试试验,利用均匀设计设计方法建立了不同条件下种子位移量和覆土厚度的回归模型,覆土器回归模型如下: 八字型覆土器种子位移量回归模型为: 回归模型表明:影响八字形覆土器种子位移量的主次因素依次为覆土器张角与机器速度的交互项、机器速度、张角与倾角的交互项,最后是张角与倾角。 八字形覆土器覆土厚度回归模型为: 回归模型表明:影响八字形覆土器覆厚度的主次因素依次为覆土器倾角、张角与倾角的交互项、张角与机器速度的交互项,最后是覆土器张角。 双圆盘式覆土器种子位移量回归模型为: 回归模型表明:影响双圆盘式覆土器种子位移量的主次因素依次为覆土器倾角和张角的交互项、张角、机器速度、倾角,最后是作业速和张角的交互项。 双圆盘式覆土器覆土厚度的回归模型为: 回归模型表明:影响双圆盘式覆土器覆土厚度的主次因素依次为覆土器张角与倾角的交互项、作业速度与张角的交互相、速度和倾角的交互项、张角、倾角,最后是作业速度。 挤压式覆土器种子位移量回归模型为: 回归模型表明,影响挤压式覆土器种子位移量的主次因素依次为速度与倾角的交互项、作业速度。 挤压式覆土器覆土厚度回归模型为: 回归模型表明:影响挤压式覆土器覆土厚度的主次因素依次为覆土器倾角、作业速度,最后是作业速度与倾角交互项。 经过对上述回归模型优化后,得出了三种覆土器的最优试验因素水平,并确定了最优覆土器为挤压式覆土器,最优试验因素水平为作业速度X1=4km/h,覆土圆盘倾角X_2=300,此时种子最小位移量为△Y_1=0.0075m,覆土厚度为△Y_2=0.0389m。 同时进行的高速摄像试验结果表明,覆土前种子位移量都很小,决定覆过程中种子位移变化的主要原因是种子被覆盖后随土流一起运动而引起的。八字形与双圆盘式覆土器覆土过程引起的土流运动剧烈,种子位移变化量大,同时覆土厚度也大;挤压式覆土器覆土过程对种床土壤扰动量很小,因此,种子的位移量小,覆土厚度适宜。 3、基于光滑粒子流体动力学方法(SPH),完成了覆土器覆土过程中土壤运动状态、种子位移量、覆土厚度和实际播深等动力学仿真,完成了土壤物理参数及力学参数的测定。仿真结果与试验结果基本吻合:八字形覆土器覆土过程种子位移量仿真与试验结果误差为△Y_1=0.002m,吻合程度为75.5%,覆土厚度误差为△Y_2=0.012m,吻合程度为80%;双圆盘式覆土器覆土过程种子位移量仿真与试验结果误差为△Y_1=0.0068m,吻合程度为71.8%,覆土厚度误差为△Y_2=0.019m,吻合程度为90.2%;挤压式覆土器覆土过程种子位移量仿真与试验结果误差为△Y_1=0.003m,吻合程度为76.6%,覆土厚度误差为△Y_2=0.003m吻合程度为89.9%,表明了利用SPH方法进行精密播种机触土部件仿真的可行性。 4、研制了一种可变力苗带镇压器,可实现镇压力由定量调节变为无级调节。利用Solidworks参数化建模软件建立了可变力苗带镇压器三维实体模型,制作了试验样机,利用S形传感器、数字显示器、计算机以及拖拉机液压元件构成镇压力测试系统,实现镇压力由定量调节变为无级调节。 5、进行了可变力苗带镇压器试验研究,系统分析了镇压力、作业速度对实际播深、种子位移量、种床土壤坚实度、出苗率、含水率及苗期植株高度的影响。结果表明:实际播深随镇压力加大而减少,其它试验指标均随镇压力的加大而提高,其中,种床土壤坚实度指标与种子位移变化量指标随着镇压力加大而增加更快,植株高度随镇压力继续加大而减小,其余试验指标则随镇压力继续加大而增加缓慢;探索了镇压力变化对种子位移量的影响,即镇压力大小对种子的粒距变化影响不大,但对覆土厚度有较大影响。镇压力对所有试验指标的影响均大于作业速度的影响。 6、利用SPH软件建立了土壤模型,基于SPH/FEM耦合算法的镇压系统LS-DYNA仿真实现。基于Solidworks参数化建模软件建立了可变力苗带镇压器三维实体模型,选取1600N~1800N镇压力和6km/h作业速度进行了镇压过程运动仿真,模型仿真结果与实际试验过程测试指标值接近,镇压器镇压过程种子实际位移与仿真位移误差为△Y_1=0.003m,吻合度为81.3%,实际覆土厚度与仿真过程获得覆土厚度误差为△Y_2=0.0017m,吻合度为96%。表明利用SPH方法对镇压器镇压过程进行仿真的方法是可行的。 本文针对精密播种机覆土器与镇压器两种触土部件的结构参数与运动参数进行了深入系统的研究,并通过SPH方法进行了动力学仿真分析,为提高精密播种机设计质量提供了新的研究法,对丰富精密精密播种理论具有重要意义。


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