波纹曲面指夹式玉米精量排种器设计及其机理研究

摘要

玉米是中国主要粮食作物，兼具“粮—饲—经”三元结构属性，对保障国家粮食生产安全，促进畜牧业和粮油加工业发展，实现农民增收和农业增效具有重要战略意义。玉米精密播种技术是根据农艺种植要求利用播种机具将种子精准定量的播至土壤预定位置中的先进技术。精量排种器是精密播种核心工作部件，其性能直接影响整体播种作业质量与效率，对推动玉米精密播种技术，提高机械化玉米种植水平具有重要意义。 机械式精量排种器是目前中小型播种机具的主流排种部件，主要存在排种性能不稳定，适播范围小，且难以适应高速作业等问题，造成此类排种器发展推广受到一定制约。本研究通过查阅国内外精密播种机具及配套排种器研究现状，以突破机械式精量排种器关键核心问题为出发点，将理论分析、离散元仿真分析、高速摄像技术、台架性能试验及样机集成试制等多种方法手段相结合，开展波纹曲面指夹式玉米精量排种器设计及其机理研究，旨在为玉米机械化精密播种机具及其关键部件的创新研发提供理论支撑和技术参考。主要内容如下: (1)北方寒区种植的典型玉米种子物料特性测定研究 选取北方寒区种植的多种典型玉米种子为研究对象，测定玉米种子几何尺寸、含水率、千粒重、密度、刚度系数、静摩擦系数等基础物料参数;提出了一种基于能量守恒定律和镜面反射原理的玉米种子滚动摩擦系数和碰撞恢复系数的测定方法，得到了玉米种子与多材料间作用的摩擦系数和碰撞系数;运用虚拟标定方法开展了自然堆积及单粒碰撞弹跳宏观对比分析，验证所测定物料参数的合理性与有效性;典型玉米种子物料特性研究为后续排种器结构参数优化设计及虚拟仿真提供基础数据及可靠参考。 (2)波纹曲面指夹式玉米精量排种器优化设计与分析 采用夹持充种、振动清种、运移导种及平稳投种等方式，设计了一种波纹曲面指夹式玉米精量排种器，阐述分析了排种器总体结构及工作原理，对系列串联排种环节进行了理论分析，探究解析了其精准排种作业机理，优化了关键部件波纹曲面式取种指夹、充种控制机构、复合振动清种系统及平稳运移导种系统的关键结构参数，有效提高排种器作业质量与适播范围。 (3)指夹式玉米精量排种器夹持充种机理分析与排种性能数值模拟研究 探究了排种器夹持充种机理，建立了精准夹持动力学模型，分析了排种过程中玉米种子尺寸及工作转速对夹持充种性能的影响。运用离散元软件EDEM进行排种性能虚拟试验，探究各工作转速下其排种性能变化规律，分析造成各等级尺寸玉米种子重播、漏播问题的主要原因。虚拟仿真试验结果表明，在排种器工作转速为(15～45)r/min工况条件下，随工作转速增加，对各类型玉米种子排种指标均呈降低趋势，其中对扁形大粒排种性能最优，对圆形大粒排种性能次之，对圆形小粒排种性能最差。 (4)指夹式玉米精量排种器运移导种投送机理分析与测定试验研究 探究了排种器导种系统平稳运移投送机理，建立了导种投送运动学和动力学模型，分析各因素对运移稳定性及投送落种轨迹的影响。设计搭建了排种轨迹空间测定试验台，以排种器工作转速及倾斜角度为试验因素进行了单因素试验，测定玉米种子落种轨迹运移分布。高速摄像试验结果表明，在工作转速为(15～45)r/min和倾斜角度为0°工况条件下，玉米种子正面轨迹及侧面轨迹的水平位移随工作转速增加而增加，粒距变异系数随工作转速增加而降低;在工作转速为30r/min和倾斜角度为-12°～12°工况条件下，轨迹投种角度随倾斜角度的增加而减小，其整体角度稳定在66.4°～79.6°。 (5)指夹式玉米精量排种器台架性能试验研究 为分析排种器结构与工作参数对排种性能影响，选取排种器工作转速、倾斜角度及微调弹簧丝径为试验因素，粒距合格指数、重播指数、漏播指数及变异系数为评价指标，分别进行了室内台架的单因素试验、多因素试验、玉米种子适播试验、排种器性能对比试验及振动适应性试验。台架试验结果表明，随工作转速增加排种性能降低，随倾斜角度和弹簧丝径增加排种性能先增加后降低;在排种器工作转速为38.92r/min，倾斜角度为0°和弹簧丝径为0.90mm工况条件下，排种作业质量及稳定性最优，其合格指数为88.90％，变异系数为16.56％;在工作转速为(15～45)r/min工况条件下，所设计的排种器与气吸式精量排种器相近，明显优于勺夹式及勺式精量排种器;在振动幅度为(1～3)mm和振动频率为(1～4)Hz工况条件下，振动幅度及振动频率对排种质量及稳定性影响较小。 (6)指夹式玉米免耕精密播种装置集成设计与田间试验 配置玉米精密播种开沟施肥总成、对置分草破茬机构、同步限深双圆盘开沟总成和Ⅴ型镇压机构等关键部件，集成设计了可一次性完成开沟深施肥、拨草破茬、精密播种、覆土镇压等多项作业的指夹式玉米免耕精密播种装置。田间试验结果表明，在机具前进速度≤9km/h工况条件下，所设计指夹式玉米免耕精密播种装置具有良好作业效果，其合格指数大于80.95％，满足玉米精密播种作业要求。

目录

声明

摘要

1引言

1．1研究目的与意义

1．2玉米种植及精密播种技术

1．2．1玉米种植分布及产量

1．2．2玉米精密播种技术

1．3国内外玉米精量排种器研究现状

1．3．1精量排种器类型及工作原理

1．3．2国外玉米精量排种器研究现状

1．3．3国内玉米精量排种器研究现状

1．4研究内容与方法

1．4．1课题来源

1．4．2内容与方法

1．4．3技术路线

2北方寒区种植的典型玉米种子物料特性测定研究

2．1试验材料选定

2．2玉米种子基础物理特性测定

2．2．1玉米种子几何特性

2．2．2玉米种子含水率

2．2．3玉米种子千粒重及密度

2．3玉米种子摩擦特性测定

2．3．1玉米种子静摩擦系数

2．3．2玉米种子滚动摩擦系数

2．3．3玉米种子自然休止角

2．4玉米种子力学特性测定

2．4．1玉米种子刚度系数

2．4．2玉米种子弹性模量

2．4．3玉米种子碰撞恢复系数

2．5玉米种子物料特性参数虚拟标定

2．5．1自然堆积休止角虚拟标定

2．5．2单粒碰撞弹跳虚拟标定

2．6本章小结

3波纹曲面指夹式玉米精量排种器优化设计与分析

3．1排种器总体结构与工作原理

3．1．1设计优化要求

3．1．2总体结构与工作原理

3．2关键部件优化设计与分析

3．2．1波纹曲面式取种指夹

3．2．2充种控制机构

3．2．3复合振动清种系统

3．2．4平稳运移导种系统

3．3本章小结

4指夹式玉米精量排种器夹持充种机理分析与排种性能数值模拟研究

4．1离散元法理论与应用

4．1．1离散元法基本原理与力学模型

4．1．2离散元法在农业工程领域研究

4．1．3离散元仿真软件EDEM应用

4．2排种器夹持充种机理分析

4．3离散元虚拟仿真模型建立

4．3．1排种器几何模型建立

4．3．2玉米种子离散元模型建立

4．3．3其他参数设定

4．4 EDEM虚拟排种仿真试验

4．4．1 EDEM虚拟排种过程分析

4．4．2 EDEM排种性能数值模拟试验

4．4．3指夹式玉米精量排种器试验样机

4．5本章小结

5指夹式玉米精量排种器运移导种投送机理分析与测定试验研究

5．1高速摄像技术与应用

5．1．1高速摄像技术简介

5．1．2高速摄像技术在农业工程领域研究

5．2排种器运移导种投送机理分析

5．2．1导种系统运移导送力学分析

5．2．2种子投送落种位移分析

5．3基于高速摄像的玉米种子投送规律研究与测定试验

5．3．1高速摄像测定试验材料与条件

5．3．2高速摄像测定试验内容与方法

5．3．3玉米种子轨迹追踪后处理分析

5．3．4高速摄像单因素测定试验结果与分析

5．4本章小结

6指夹式玉米精量排种器台架性能试验研究

6．1试验材料与方法

6．1．1试验材料与设备

6．1．2试验因素与指标

6．1．3试验内容与方法

6．2排种性能优化试验

6．2．1单因素试验

6．2．1多因素试验

6．3排种性能对比试验

6．3．1玉米种子适播试验

6．3．2排种器性能对比试验

6．3．3振动适应性试验

6．4本章小结

7指夹式玉米免耕精密播种装置集成设计与田间试验

7．1免耕精密播种装置集成要求

7．2总体结构与技术参数

7．3关键部件选型配置

7．3．1开沟施肥总成

7．3．2对置分草破茬机构

7．3．3同步限深双圆盘开沟总成

7．3．4 V型镇压机构

7．4田间试验

7．4．1试验材料与条件

7．4．2试验内容与方法

7．4．3试验结果与分析

7．5本章小结

8结论与展望

8．1结论

8．2创新点

8．3展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文