油菜離心式集排器排種技術(shù)研究與仿真分析.pdf

1、集排技術(shù)可有效提高機械化播種效率，播種機具大型化、高效化、精量化、集約化已成為機械化種植的發(fā)展趨勢，亟需發(fā)展播種集排技術(shù)。本文基于機械離心式集排技術(shù)，開發(fā)研制了油菜離心枝狀閥式精量集排器與油菜離心旋轉(zhuǎn)盤式集排器，針對傳統(tǒng)離心式排種器為非精量條播且因型孔易堵塞導致斷條的缺陷，創(chuàng)新性提出了一種具有多階分-合枝狀閥式分流裝置，并開展了基于顆粒離散元軟件EDEM的兩種離心式集排器排種過程仿真分析。主要研究內(nèi)容包括：
　?。?）開展了油菜離

2、心枝狀閥式精量集排器與旋轉(zhuǎn)盤式集排器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)匹配設(shè)計。測定了不同品種油菜外形尺寸及其球形度，種子三軸尺寸集中分布于1.4～2.5mm范圍內(nèi)，平均球形度為90％以上；以此為基礎(chǔ)，分析了離心式精量集排器型孔堵塞影響要素，以減少排種環(huán)節(jié)為設(shè)計原則，將型孔結(jié)構(gòu)由直孔改進為兩側(cè)倒錐式集成型孔，改進后的型孔集嚢種、投種為一體，有效減少了排種環(huán)節(jié)；結(jié)合水力運輸過程中管網(wǎng)分流原理，提出了一種具有多階分-合枝狀閥式分流防堵策略，以各行排量一致性變

3、異系數(shù)最小為目標函數(shù)，構(gòu)建了多階分-合枝狀閥式分流裝置分流策略模型；利用PWM脈寬調(diào)制原理，研制了枝狀閥式精量集排器的無級變速控制系統(tǒng)；由于油菜植株較強的生長能力，基于離心式集排技術(shù)，設(shè)計了一種油菜離心旋轉(zhuǎn)盤式集排器，分析確定了該旋轉(zhuǎn)盤式集排器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與運行參數(shù)。
　　（2）研究了兩種型式油菜離心式集排器的主要排種過程，構(gòu)建了其排種過程的運動學與動力學模型。開展了離心枝狀閥式精量集排器主要工作參數(shù)分析，得到了攜種過程種子沿錐筒上

4、升臨界轉(zhuǎn)速；構(gòu)建了投種過程型孔臨界直徑與結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)的關(guān)系模型，型孔臨界直徑主要由種子直徑確定，與內(nèi)錐筒轉(zhuǎn)速、外錐筒上部半徑、型孔通道長度相關(guān)；同時，開展了旋轉(zhuǎn)盤式集排器轉(zhuǎn)盤上種子動力學與運動學分析，得到了不同轉(zhuǎn)速下種子在旋轉(zhuǎn)盤上的運動軌跡為阿基米德螺旋線。
　　（3）基于EDEM開展了兩種型式集排器排種過程的仿真分析。不同品種油菜種子碰撞恢復系數(shù)試驗表明，碰撞材料對碰撞恢復系數(shù)有顯著影響，且相同條件下不同油菜品種之間碰撞恢復系

5、數(shù)差異不顯著，為集排器的EDEM仿真模型構(gòu)建提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。集排器排種過程EDEM仿真獲取了油菜種子的運動軌跡，得到了單粒種子與種子群的壓力、角速度、位移隨時間的變化規(guī)律，分析結(jié)果得出種子運動軌跡仿真與排種過程理論分析較為一致；對不同型孔直徑囊取種子粒數(shù)隨機過程的EDEM仿真可知，型孔囊取1粒種子的臨界直徑為2.6mm，型孔囊取2粒與3粒的臨界直徑值較為接近，為3.8mm；以一階分流單元分枝長度、二階分流單元上部長度、分流角度和分流管內(nèi)

6、徑為試驗因素，開展了枝狀閥式分流裝置的四元二次正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗，建立了各行排量一致性變異系數(shù)與枝狀閥式分流裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的回歸模型，并得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，即一階分流單元分枝長度取59.95mm、二階分流單元上部長度取66.11mm、分流角度取89.74°、分流管內(nèi)徑取7.12mm時，各行排量一致性變異系數(shù)最低，理論值的絕對值為0.97%；離心旋轉(zhuǎn)盤式集排器不同轉(zhuǎn)速運動軌跡仿真表明，種子在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤上運動軌跡的切線與半徑方向夾角隨轉(zhuǎn)速增

7、大逐漸減小，種子在旋轉(zhuǎn)盤上的停留時間亦越短，種子在旋轉(zhuǎn)盤上的運動軌跡近似為阿基米德螺旋線，與前述攜種過程對種子運動軌跡分析結(jié)果一致。
　　（4）系統(tǒng)開展了兩種型式油菜離心式集排器性能試驗。離心枝狀閥式精量集排器型孔堵塞概率試驗結(jié)果表明：雙側(cè)倒錐集成型孔發(fā)生型孔堵塞的概率明顯下降，當型孔直徑大于3.5mm時，未發(fā)現(xiàn)型孔堵塞，與理論分析和仿真結(jié)果較為一致；型孔直徑與轉(zhuǎn)速的全因子試驗表明，隨著排種器轉(zhuǎn)速與型孔直徑的增大，排種器總排量呈上

8、升趨勢，不同型孔直徑下，其最大臨界轉(zhuǎn)速隨型孔直徑的增大而增大，且排種量與轉(zhuǎn)速的擬合方程呈二次多項式關(guān)系；傾斜條件下枝狀閥式分流裝置與一階分流裝置的分流對比試驗結(jié)果表明，傾斜角度為0～5°時，一階分流裝置與枝狀閥式分流裝置對各行排量一致性變異系數(shù)影響均較小，傾斜角度在5～25°范圍時，一階分流裝置的各行排量一致性變異系數(shù)隨傾角的增大而增加，最大可達21.4%，而枝狀閥式多階分流裝置的各行排量一致性變異系數(shù)隨傾角的增大其變化較為平緩，最大為

9、5.71%。離心旋轉(zhuǎn)盤式集排器性能試驗結(jié)果表明：旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速在150～350r/min范圍內(nèi)，拋撒橫向?qū)挾瘸叽缗c轉(zhuǎn)速均呈線性增大趨勢，橫向?qū)挾瘸叽缗c轉(zhuǎn)速的擬合關(guān)系式為y=0.0124x+0.58，決定系數(shù)R2為0.9938，拋撒縱向?qū)挾瘸叽缗c轉(zhuǎn)速均呈拋物線型增大趨勢，縱向?qū)挾瘸叽缗c轉(zhuǎn)速的擬合關(guān)系式為y=5E－05x2－0.0131x+2.6029，決定系數(shù)R2為0.9926；離心旋轉(zhuǎn)盤式集排器單因素試驗表明：測試范圍內(nèi)，排種量隨著轉(zhuǎn)速的升

10、高呈先上升后下降趨勢，表明轉(zhuǎn)速愈高，其播種橫向幅寬愈大；充種速率越高，其橫向與縱向幅寬分布范圍內(nèi)排種量呈上升趨勢，且排種量在各點的分布基本一致，表明種子拋撒范圍變大；當葉片數(shù)為2～5時，各點的排量呈緩慢上升趨勢，表明葉片數(shù)愈高，種子分布愈均勻。
　　（5）開展了離心枝狀閥式油菜精量集排器與離心旋轉(zhuǎn)盤式集排器田間試驗，并對機直播條件下不同種植密度的植株開展了產(chǎn)量性狀多重比較與產(chǎn)量通徑分析。結(jié)果表明：機械直播較密條件下的植株，極限植株

11、密度為120萬株/公頃，該種植密度下的油菜植株基本無分枝，植株產(chǎn)量均來源于主莖干果莢數(shù)，植株產(chǎn)量未呈明顯下降趨勢；在最高種植密度條件下，產(chǎn)量主要來自于主花序有效角果數(shù)，隨著種植密度的降低，植株一次分枝有效角果數(shù)對產(chǎn)量的貢獻率逐漸升高。研究結(jié)果為適播期油菜聯(lián)合直播機的作業(yè)參數(shù)調(diào)整提供相關(guān)參考。
　　創(chuàng)新點1：創(chuàng)新性提出了一種多階分-合枝狀閥式分流裝置，可有效保證機具在田間作業(yè)過程中不受傾斜、顛簸等工況下的各行排量一致性；