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嵌入旋转气腔式水稻排种器的设计与试验研究

王洪超  
【摘要】:水稻对农业生产和粮食安全均有突出的贡献。为提升农业机械化水平,保证农民增产增收,推动水稻产业发展具有重大意义。水稻穴直播技术是一种省时省力、节水增效、抗倒伏的种植技术,该技术在提升水稻单位面积产量方面仍有较大空间,而播种作业性能是影响产量最重要的因素。对播种作业性能研究发现少有对排种器气室内部结构和流场进行研究,该文以此为出发点基于负压气流吸种理论,设计一种气腔内嵌入扰流叶片的水稻穴播排种器,以水稻的物料特性试验结果为依据,进行理论分析和结构设计,并应用Fluent和EDEM软件完成有限元和离散元仿真分析,最后开展台架试验验证与分析,满足水稻穴直播要求。主要研究内容包括:(1)以黑龙江广泛种植的品种龙粳31、垦粳3和龙稻14为研究对象,对水稻进行物料特性试验,得到水稻的三轴尺寸、含水率、千粒重、滑动摩擦角以及压缩特性,为排种器关键部件的设计和仿真模拟分析提供参考。(2)基于负压气流吸种理论,创新设计一种嵌入旋转气腔式水稻排种器。首次提出在气腔内嵌入扰流叶片结构,理论分析并确定相关结构参数。对排种器的吸种、携种、排种阶段分析,确定吸孔吸附种子所满足的必需条件,以及各因素之间的关系并确定轨迹运动方程。(3)基于Fluent软件对气腔内流场模拟仿真分析,确定气腔内部流场以及吸孔处流场的压强和速度分布情况。对扰流叶片、吸孔直径、吸孔分布因素变化仿真分析表明:扰流叶片对吸孔处流场的压强和速度有促进作用,有助于提高排种性能。当吸孔直径为1.6mm,吸孔为B型分布时,吸孔处的压力和速度均达到最大值。(4)以嵌入旋转气腔式排种器为研究对象,借助UG和EDEM软件建立装置和颗粒的简化仿真模型,仿真获取种子颗粒在不同时间的堆积分布状态、排种盘旋转时搅种齿作用在种子颗粒以及种群颗粒的运动趋势,开展颗粒的速度、位移、合力与时间的作用机理研究。(5)利用JPS-12型排种器检测试验台试验。采用对比试验证明嵌入旋转气腔式排种器性能较优,使排种性能得到改善。对吸孔分布、吸孔直径、气腔负压、气腔旋转速度和填种高度进行单因素试验研究,确定最优的参数结构和参数范围。对气腔负压、气腔旋转速度和填种高度因素进行三因素五水平二次正交旋转组合试验,运用Design-Expert8.0.6对数据完成方差分析和显著性检验,得到回归方程和响应曲面图,分析各因素间的交互作用,得到的优化结果试验验证:当气腔旋转速度为23.56r/min,气腔负压大小为4.97kPa,填种高度为12.82cm时,合格率为95.21%,漏播率为3.28%,重播率为1.51%,试验结果与优化结果在允许范围内,满足穴直播要求。


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