油菜離心式集排器排種技術研究與仿真分析.pdf

1、集排技術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。本文基于機械離心式集排技術，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。主要研究內容包括：
　?。?）開展了油菜離

2、心枝狀閥式精量集排器與旋轉盤式集排器的結構設計與參數匹配設計。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，平均球形度為90％以上；以此為基礎，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)為設計原則，將型孔結構由直孔改進為兩側倒錐式集成型孔，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)；結合水力運輸過程中管網分流原理，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、異系數最小為目標函數，構建了多階分-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，設計了一種油菜離心旋轉盤式集排器，分析確定了該旋轉盤式集排器的結構參數與運行參數。
　?。?）研究了兩種型式油菜離心式集排器的主要排種過程，構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分析，得到了攜種過程種子沿錐筒上

4、升臨界轉速；構建了投種過程型孔臨界直徑與結構和工作參數的關系模型，型孔臨界直徑主要由種子直徑確定，與內錐筒轉速、外錐筒上部半徑、型孔通道長度相關；同時，開展了旋轉盤式集排器轉盤上種子動力學與運動學分析，得到了不同轉速下種子在旋轉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試驗表明，碰撞材料對碰撞恢復系數有顯著影響，且相同條件下不同油菜品種之間碰撞恢復系

5、數差異不顯著，為集排器的EDEM仿真模型構建提供了基礎數據。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

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組合仿真試驗，建立了各行排量一致性變異系數與枝狀閥式分流裝置結構參數的回歸模型，并得到最優(yōu)結構參數組合，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°、分流管內徑取7.12mm時，各行排量一致性變異系數最低，理論值的絕對值為0.97%；離心旋轉盤式集排器不同轉速運動軌跡仿真表明，種子在旋轉轉盤上運動軌跡的切線與半徑方向夾角隨轉速增

7、大逐漸減小，種子在旋轉盤上的停留時間亦越短，種子在旋轉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果一致。
　?。?）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果表明：雙側倒錐集成型孔發(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)現型孔堵塞，與理論分析和仿真結果較為一致；型孔直徑與轉速的全因子試驗表明，隨著排種器轉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，其最大臨界轉速隨型孔直徑的增大而增大，且排種量與轉速的擬合方程呈二次多項式關系；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隨傾角的增大其變化較為平緩，最大為

9、5.71%。離心旋轉盤式集排器性能試驗結果表明：旋轉盤轉速在150～350r/min范圍內，拋撒橫向寬度尺寸與轉速均呈線性增大趨勢，橫向寬度尺寸與轉速的擬合關系式為y=0.0124x+0.58，決定系數R2為0.9938，拋撒縱向寬度尺寸與轉速均呈拋物線型增大趨勢，縱向寬度尺寸與轉速的擬合關系式為y=5E－05x2－0.0131x+2.6029，決定系數R2為0.9926；離心旋轉盤式集排器單因素試驗表明：測試范圍內，排種量隨著轉速的升

10、高呈先上升后下降趨勢，表明轉速愈高，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；當葉片數為2～5時，各點的排量呈緩慢上升趨勢，表明葉片數愈高，種子分布愈均勻。
　?。?）開展了離心枝狀閥式油菜精量集排器與離心旋轉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量性狀多重比較與產量通徑分析。結果表明：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，植株產量均來源于主莖干果莢數，植株產量未呈明顯下降趨勢；在最高種植密度條件下，產量主要來自于主花序有效角果數，隨著種植密度的降低，植株一次分枝有效角果數對產量的貢獻率逐漸升高。研究結果為適播期油菜聯(lián)合直播機的作業(yè)參數調整提供相關參考。
　　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；