气吸滚筒式的小粒扁平种子精量播种机理研究

摘要

蔬菜产业是我国重要的经济支柱，2/3以上的蔬菜采用育苗移栽的种植方式，穴盘精密播种设备在我国实际需求缺口很大。气力滚筒式精密播种机具有对种子大小要求不严格、对种子破碎小、播种生产率高、能耗小等特点，是我国大力提倡和推广的研发项目。我国蔬菜种类繁多，蔬菜种植有一季多种类、每季种植不同种类的特点。研发一种新型、成本低、排种性能稳定、高生产率的气力滚筒式精密播种技术，实现一机播种大多数叶菜类和茄果类蔬菜种子，对蔬菜育苗生产械化具有十分重要的意义。本文立足于排种器排种承前性的特点，以吸种理论研究为核心，建立排种性能评价模型，对种子吸附、供种、清种、排种等各阶段进行理论研究。在此基础上，对菜心、芥蓝、萝卜、茄子、番茄、朝天椒、甜椒种子进行排种试验。
　　为了对任何一个排种结果都可以计算出一个评价值，本文以单粒率和空穴率为主要影响因素，建立了排种精度评价模型。排种器排种精度由评价值确定，评价值越大，排种精度越好，评价值相等，排种精度相同。
　　假定正、负压转换过程为理想状态，吸种孔外部气体流动状态为定常不均匀流动状态，任意流体质点的流速与气流场中心的距离平方成反比，与通过吸种孔的流量成正比。本文对种子在气流场中处于临界运动状态进的受力分析，建立了种子吸附边界数学模型并对模型进行了数学解析。吸附边界以及吸附边界运动区域是吸附边界模型解析的表达，该模型既反映吸附边界吸附种子的最大距离，又反映了吸附运动区域对种子多粒的容纳程度，也就是说该模型反映了吸种孔的吸附能力和吸附性能两方面的内容。种子物性和流入吸种孔的气流量是影响吸附边界的两大因素，主要为种子大小、形状、千粒重、密度、摩擦系数、排种器真空度、吸种孔直径等。
　　本文认为种子吸附边界实质是人为假想的一个存在于气流场中界限，反映两个关键问题：一是只有进入边界的种子才能被吸附，否则保持静止；二是增大吸附边界及其运动区域，可吸附距离吸种孔越远的种子，同时可使吸附边界运动区域内容纳种子的粒数增多。排种器吸附性能与吸附边界运动区域和种子在吸种孔附近排列有关，研究结果表明，同一大小的边界，其运动区域内可容纳不同粒数的种子，与种子的排列有关；吸附边界只包含1粒种子，种子的排列不同边界大小不同。本文认为排种器最小吸附压力应为吸种孔最少吸附1粒种子所需压力，在这种情况下，种子排列不同时吸附边界可以包含1~5粒种子。
　　通过分析扁平种子在气流中不同姿态的运动和受力分析，发现扁平种子在气流场中，种子的姿态不同，种子的受力差异较大。高速摄影也验证了扁平种子在滚筒表面的排列与分布状况非常复杂，只有距离吸种孔较近的位置才能被吸附。吸种孔吸附一粒种子以后，只要种子距离吸种孔足够近，吸种孔能够对种子再次吸附。相对于球形种子，扁平种子在吸种孔附近的排列、姿态、受力、吸附更为为复杂。在排种过程中，扁平种子比球形种子既更容易形成空种，也更容易形成多粒现象。扁平种子单粒精密播种比球形种子更加困难。
　　滚筒每一行转出种子层的时间间隔内，总有至少一粒种子流入种子吸附边界，保证吸种孔有种可吸，是排种器不空种的必要条件。保证吸种孔吸种不空种，吸种孔附近的种子必须有流动性。振动吸附试验研究表明，菜心、芥蓝、甜椒种子在振动强度为40%时都有较好的流动性，吸种孔对种子的吸附能力较好，菜心、芥蓝种子空种率几乎为0，甜椒种子空种率低于3%。因此，可以采用振动供种等方法提高流动性，减少空穴率。
　　根据播种机吸种后需要有清种的要求，研制了一种刮碰式气流清种装置。研究表明，吸种压力大于最小合理压力，振动强度为40%，采用清种方法可以降低多粒率，提高合格率，从而提高播种精度。
　　通过对吸种、供种、清种、排种等各阶段理论研究，搭建了2BS-800D型气力滚筒式播种机样机，按吸种孔直径为0.5 mm，送盘速度为90、135 mm/s，对菜心、萝卜、茄子、番茄、朝天椒的播种效果分别试验。结果表明，本样机可适用小粒球形种子单粒精密播种，也可适用于小粒扁平种子1~2粒精密播种。
　　研究表明，通过配备振动供种、刮碰气流式清种装置、合理选择吸种压力，气力滚筒式播种机不但能满足小粒球形种子高生产率的单粒精密播种要求，也能满足小粒扁平种子高生产率的精密播种要求。

目录

声明

1 前言

1.1 目的意义

1.2 国内外蔬菜播种生产机械化发展状况

1.3 工厂化育苗与穴盘播种设备进展

1.4 精量播种技术的研究进展

1.5 课题研究基础

1.6 课题研究的主要内容和方法

2 排种精度评价方法研究

2.1 排种器精度与排种指标的关系

2.2 排种精度评价方法

2.3 排种精度评价模型特征

2.4 排种精度评价模型应用

2.5 小结

3.1 气力滚筒式排种器工作过程

3.2 吸种孔外部气流场流动状态

3.3 种子吸附边界模型

3.4 种子吸附边界模型数值解析

3.5 扁平种子吸附边界分析

3.6 扁平种子吸附试验

3.7 讨论

3.8 小结

4.1 种子物料特性

4.2 吸种孔直径和排种器真空度对种子吸附边界的影响

4.3 吸附边界的特征

4.4 吸附边界与边界内种子粒数的关系

4.5 吸附边界内种子的受力分析

4.6种子吸附试验与结果分析

4.7 讨论

4.8 小结

5 定向上种方法及试验研究

5.1 种子结拱与流动

5.2 电磁振动种箱定向上种原理

5.3 定向上种试验与分析

5.4 振动供种吸附试验与分析

5.5 讨论

5.6 小结

6 刮碰气流式清种方法与试验研究

6.1 射流清种的理论分析

6.2 刮碰气流式清种动力学模型

6.3 刮碰气流式清种试验

6.4 小结

7.1 气力滚筒式播种机工作原理及其控制系统

7.2 排种理论研究

7.3 气力滚筒式播种机的试验平台

7.4 排种验证

7.5 小结

8.1 结论

8.2 展望

致谢

参考文献

附录A

附录B

附录C

附录D

附录E

附录F

附录G

附录H

附录I