离心锥盘式排种器机理分析与试验研究

摘要

精密排种技术是国内外研究人员广泛关注的热点，由于传统机械式排种器整体上存在很多方面的发展瓶颈如作业效率不高、对籽粒外形及尺寸依赖性大、精播率性能不稳定等问题，在近年来已逐渐淡出市场，近年来，相关领域学者开始对气力式精密排种器进行改进与研究。通过目前的研究发现，气力式排种器在适应性、效率和均匀性上皆优与传统机械式式排种器，然而，其密封结构复杂，在气流腔出现缝隙导致气压流失等问题出现时，极易发生漏播现象:同时在田间非平整土壤的高速作业中，若气流压力不足，机震加剧会造成种粒脱离吸盘产生严重的重、漏播现象;同时，其气压由拖拉机动力输出轴带动的单离心风机产生，随播种作业宽幅的增加所带来的能耗问题就越严峻。 目前，国内在排种器充排方式转变的研究报道较少，相关研究多为机理分析与优化改进等应用类文献，针对国内人口密集、农场分布广泛、种植灵活性较大的现状，提出一种立式离心锥盘排种器。相比传统精播技术方式:籽粒静态堆积-取种-清种-排种-导种，本方式的动作流程做出了改变，即籽粒群进入锥向离心盘后被赋予持续动能并具有与锥盘相同周向角速度，通过与排种盘摩擦、动锥盘推送、区域波纹震动作用，依次有序的以相同姿态排出。旨在大幅度提高作业速度的同时，提升排种质量稳定性，满足精密播种要求。其研究内容与具体结论如下: (1)传统机械式排种器重力充种过程中，籽粒位置角的增大导致充填力直线下降是限制充种效率的关键因素。因此，增加充填力种类和扩大有效充种区域是提高排种器充种性能的重要途径。通过对籽粒在立式锥盘排种器中充种机理的分析，研究了影响充填应力和有效充填区域的因素，确定了关键结构与核心参数，离其理论分析可知，锥角在[0，23°]锥为填充应力较大区间，在17.2°时，复合充填应力σ（θ）达到最大;在设置离心推送装置后的籽粒复合充填应力有了明显增加，当推送片个数为2个时，为发挥离心拉应力最大效率的极限条件;在所选工作转速范围内，籽粒位置角约8°时，复合充填应力均达到最大值，安装离心推送装置后的充填应力提高了近4倍，同时，相比（静-动）方式的有效充填角度区域[-5°，16°]，其有效充种角度区域有了明显的扩大。 (2)采用离散单元数值模拟类楔形颗粒在锥形容器内离心运动的过程，对类楔形颗粒进行了运动过程翻转-滑动转换机理的分析，研究发现，在相同转速条件下，随颗粒周转角增大，总体颗粒向侧卧姿态转化的趋势明显，且侧卧姿态的转化量随接触表面粗糙度的增加而降低.同时发现，动锥盘转速对颗粒翻转特性的影响不明显，而颗粒在动锥盘离心运动中的翻转特性受其本身的几何形状、尺寸参数影响，因此通过向量标记方法定量描述了颗粒在周转过程中的运动规律和姿态分布。分析了颗粒体在特定环境下的受力及运动特性，研究结果主要以宏观规律来体现，针对的类楔形颗粒原型实属玉米籽粒，在实际中，籽粒的含水率决定颗粒间的黏附力，其颗粒间碰撞、摩擦等复杂问题仍需深入研究。在此条件下的数学模型和研究结论可为排种器关键部件、清选装置结构配置等农业工程问题提供理论参考。 (3)提出波纹表面摩擦振动方式来完成清种动作，根据前期研究基础及其探究结论，通过建立凸凹波纹清种面的数学模型曲线进一步确定结构参数范围，参考前文籽粒充填过程中的运动学模型，初步设定清种的扇形角度区域，初步完成三维图纸及关键结构的绘制，而对与清种装置内波纹结构的振动效果，仍需进一步试验以考察具体性能。 (4)通过仿真试验与初步台架充填试验可证实，相比无推送结构的立式锥盘排种器，在种腔内设置推送结构可充分利用上层种群的离心压力提高充种性能。对比试验结果分析可知，带推送结构的动锥盘转速可达30.1 r/min，单体作业速度为13 km/h，在此范围内平均漏播指数约3.93％，较无推送结构充种方式的平均漏播指数降低了2.52％。同时，在相同试验条件下，作业速度试验值比指夹式排种器提高了3km/h，且在相同作业速度(9km/h)条件下，漏播指数降低了3.94％。性能验证试验表明，当工作转速在20.8～25.5r/min范围内时，排种器各项性能及指标表现较优状态，而破碎率变化区间较大，仍需对内部材料进一步改善。 (5)通过前期Solidwork所建立的动锥盘三维模型，进一步简化并完善了多余结构，针对排种器工作机理和前期理论分析，对核心部件的材料进行了改善。在此基础上，采用ANSYS内部的Modal模块对三维环境做出初步设定，添加相对应的约束，精细划分网格后按相应算法进行模态振动仿真分析，生成出动锥盘工作过程中的前6阶模态及固有频率，分析得到，外部激振频率范围为0.009～0.017Hz，针对动锥盘固有频率和振型特点，对外部装配方式进行了适应性改进，进一步弥补了其振型缺陷，提高排种器的密封度并改善作业性能。 (6)通过高速摄影跟踪记录，籽粒投种轨迹整体呈抛物线，其中延迟投种角度约在12°～18°，延迟投种和及时投种出现的概率大于98％，而大部分籽粒的投种集中在延迟投种区域内。投种试验结果表明，当工作转速为15～30r/min范围内，籽粒投送轨迹水平位移量整体稳定在22.8mm内，且在试验中动锥盘种槽与静止盘之间为存在卡顿与挤压现象。随着排种器工作转速的增加，籽粒排出的线速度水平分量逐渐增加，抛物线轨迹开口变大，当工作转速为15～25r/min时，籽粒投送轨迹及落点位置密集，当工作转速大于30r/min后，籽粒投送轨迹及落点位置逐渐离散，且变化区间增大，粒距变异系数显著增加。本研究为离心锥盘排种器投种装置及导种管结构外形优化设计奠定理论依据与实践参考。 (7)通过以排种器安装高度、工作转速及种带运移速度为工作参数，以粒距变异系数、重播指数和漏播指数为主要性能指标，参考国家标准国家标准GB/T6973-2005《单粒（精密）播种机试验方法》，先后进行了单因素及多因素的台架试验。单因素试验结果表明，排种器工作转速对充种排种性能的影响极显著，而排种器安装高度并不是影响排种性能的主要因素，其对变异系数的影响较大。通过多因素试验结果表明，工作转速为24.7/min，排种器安装高度为48mm的工况下，离心锥盘式排种器作业性能最优，进一步对优化过的工作参数进行验证试验，测得变异系数为5.6％，重播指数为7.1％，漏播指数为4.9％，验证试验结果与优化结果基本一致，误差在可接受范围内，满足精密播种技术与农艺要求。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究背景

1．1．1 机械式排种器研究现状

1．1．2 气力式排种器研究现状

1．1．3 国外排种器研究现状

1．1．4 国内排种器研究现状

1．2 研究目的与意义

1．3 研究内容与方法

1．4 技术路线

2 离心锥盘式排种器充填机理与结构设计

2．1 充种机理

2．1．1 主要结构

2．1．2 工作原理

2．2 充种力学分析及相关参数设定

2．2．1 无推送结构(静-动)充种机理

2．2．2 径向力学模型

2．2．3 周向力学模型

2．2．4 推送结构(动-动)充种机理

2．3 充填可靠性分析

2．4 力学模型

2．5 本章小结

3 基于离散元法的充填姿态研究与清种结构设计

3．1．2 离散元素法在农业工程领域研究

3．2 数值模拟模型及方法

3．2．1 数值模拟体系

3．2．2 颗粒接触模型

3．2．3 接触间的滑动摩擦与滚动摩擦

3．2．4 颗粒动力学分析

3．2．4 类楔形颗粒的运动形式分析

3．3 数值模拟过程及分析

3．3．1 虚拟仿真分析

3．3．2 颗粒周转角对运动姿态分布的影响

3．3．3 接触面粗糙度对颗粒运动姿态转化趋势的影响

3．4 振动清种装置的波纹表面设计

3．4．1 凸凹波纹面曲线的设计

3．4．2 最佳清种角度区域的选择

3．5 本章小结

4 虚拟仿真与初步充填性能验证试验

4．1 EDEM充种过程仿真环境建立

4．2 台架充填验证试验

4．3 结果对比分析

4．4 充填性能验证试验

4．5 本章小结

5 基于ANSYS的关键部件有限元工程分析

5．1 有限元法基本理论及ANSYS Workbench的相关描述

5．1．1 ANSYS功能简介

5．1．2 FEA在农业工程中的应用

5．2 关键部件的有限元静力学分析

5．2．1 离心锥盘的有限元的模态分析

5．3 本章小结

6 投送性能分析与探究

6．1 籽粒投送过程分析

6．1．1 及时投种过程

6．1．2 延迟投种过程

6．1．3 籽粒顺利投出条件

6．2 基于高速摄像技术的投送试验研究

6．2．1 投送性能试验台搭建

6．2．2 试验材料与条件

6．2．3 依托先进数控技术的样机试制

6．2．4 试验处理与分析

6．3 本章小结

7 离心锥盘式排种器台架性能试验

7．1．3 因素及性能指标确定

7．2 排种性能试验

7．2．1 单因素试验

7．2．2 多因素试验

7．3 本章小结

8 结论与展望

8．1 结论

8．2 创新点

8．3 讨论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文