弹射式耳勺型水稻芽种播种装置机理分析与试验研究

摘要

水稻是我国主要粮食作物，与小麦、马铃薯、玉米并列成为我国四大主粮，并长期处于第一的位置，在我国粮食生产中占有极其重要的地位。与水稻移栽种植模式比较，水稻直播种植具有省工省力、节本增效的优点，水稻直播面积逐年增加，尤其水稻芽种穴直播种植技术更是快速发展。同时适宜水稻直播种植品种不断得到推广，对质量可靠、性价比高、适合我国国情的水稻芽种精量播种装备需求更加迫切。
　　目前针对常规稻种植每穴5-8粒芽种的精量穴直播要求，为了实现水稻生产轻简化、专业化、规模化，提高水稻生产全程机械化水平，研制了一种采用取种耳勺主动舀种、复合清种、同步柔性护种和弹射投种方式的水稻精量穴直播排种器，并基于此排种器设计了水稻精量播种装置，以满足常规稻大田穴直播的种植需求。
　　在综合分析国内外水稻直播种植现状的基础上，针对常规稻大田精量穴直播的农艺要求，以适宜直播种植的3个品种水稻芽种物料特性为依据，采用理论分析与计算机仿真试验测试相结合的方法，对弹射式耳勺型水稻芽种精量穴直播排种器进行了排种性能研究与探索，研究主要内容如下:
　　(1)水稻芽种物料特性测定
　　选取适宜黑龙江省直播种植的水稻品种:龙庆稻2号、龙庆稻3号和龙稻6号为研究对象，采用浸种催芽处理，对其在正常生长含水率情况下的物料特性进行测定。分别得到3个品种水稻芽种的几何尺寸、千粒重、休止角、滑动摩擦系数、内摩擦系数、弹性模量等物料特性及芽种静载荷作用下的力学特性。并进行了种芽不同切断长度处理与继续成苗关系的试验研究，为排种器结构参数的设计及计算机仿真分析提供了参考依据。
　　(2)弹射式耳勺型水稻芽种精量穴直播排种器结构参数设计与排种机理分析
　　基于排种器取种耳勺主动舀种、复合清种、同步柔性护种和弹射投种的排种方式，研制了一种可满足水稻芽种精量穴直播要求的机械式排种器。首次提出了利用取种耳勺主动舀种与弹射投种相结合，提高排种性能的播种方式，解决了芽种流动性差、不易取种的难题。分析并确定了排种器关键部件的结构参数和工作参数。对排种器的舀种、清种、护种、投种四个阶段，水稻芽种的受力及运动情况进行了分析，构建了水稻芽种在排种过程中的动力学与运动学模型，探究了排种器排种机理，分析、优化排种器各关键部件结构参数。
　　(3)基于离散元法及EDEM的排种性能仿真分析
　　以排种器为研究载体，借助CATIA与EDEM软件分别建立排种器与3个品种水稻芽种颗粒的仿真模型。通过对排种器舀种阶段模拟，得到了芽种颗粒仿真模型速度、受力、位移随时间变化曲线;进行排种器舀种性能单因素虚拟试验，分析舀种过程中造成不同尺寸等级芽种颗粒模型，产生重舀和漏舀问题的主要原因;初步筛选对排种性能影响显著的工作参数并进行试验样机的加工试制，为后续台架性能试验及田间试验进行准备。
　　(4)基于高速摄像技术的排种器性能分析与试验
　　借助JPS-12型排种性能检测试验台，利用高速摄像技术对排种器工作过程进行研究。采用高速摄像与图像目标跟踪技术对水稻芽种运移轨迹进行判别分析，获得了不同工作转速条件下，排种器舀种阶段水稻芽种的运动状态以及运移轨迹;同时得到了不同工作转速条件下排种器投种阶段芽种质点坐标，应用MATLAB软件绘制水稻芽种投种阶段运动轨迹，应用Excel软件建立了水稻芽种运动轨迹拟合方程，为排种器关键部件的设计奠定理论基础。
　　(5)排种器台架性能试验与田间实验
　　为得到排种器最佳工作参数组合，以排种器工作转速和容种高度为主要因素，以龙庆稻2号、龙庆稻3号和龙稻6号水稻芽种为试验对象，以排种合格指数、重播指数和漏播指数为性能指标，分别进行单因素和多因素正交旋转组合试验，建立了排种性能指标与试验参数间数学模型。运用Design-Expert8.0.6软件对试验结果进行处理分析，对所得优化结果进行试验验证，考察其设计科学性及合理性。台架性能试验结果表明，排种器工作转速为23.52r/min，容种高度为70 mm时，排种性能最优，合格指数为93.08％，重播指数为5.16％漏播指数为1.76％;根据水稻芽种精量播种要求，综合设计配置水稻精量播种装置，以龙庆稻3号为直播对象，在工况条件下进行田间播种实验，以穴粒数合格指数、穴粒数重播指数穴粒数漏播指数和破损率为指标。田间实验结果表明，水稻芽种穴粒数合格指数平均值为85.33％，穴粒数重播指数平均值为5.59％，穴粒数漏播指数平均值为9.08％，破损率平均值为0.30％，其穴距范围为143-156 mm，能够满足水稻芽种大田精量穴直播的农艺要求。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究目的与意义

1．2 水稻种植分布

1．2．3 黑龙江省水稻种植分布

1．3 水稻种植模式

1．3．2 移栽种植模式

1．4 国内外水稻精量排种器研究现状

1．4．1 国外研究现状

1．4．2 国内研究现状

1．5 研究内容与技术路线

1．5．1 解决问题

1．5．2 研究内容

1．5．3 技术路线

2 水稻芽种特性及力学性能测试

2．1 试验材料及芽种制备

2．2 物料特性测试

2．2．1 含水率

2．2．2 几何特性

2．2．3 千粒重

2．2．4 滑动摩擦角

2．2．5 内摩擦角

2．2．6 休止角

2．2．7 外部载荷作用特性试验

2．2．8 弹性模量测定

2．3 种芽切断处理与成苗关系

2．4 本章小结

3 弹射式耳勺型精量穴直播排种器机理分析与设计

3．1 排种器设计及工作原理

3．1．1 设计方案

3．1．2 结构及工作原理

3．2 关键部件设计与分析

3．2．1 取种耳勺

3．2．2 旋转底座

3．2．3 投种管

3．2．4 容种箱

3．2．5 柔性护种辊

3．3 工作过程机理分析

3．3．1 舀种阶段

3．3．2 清种阶段

3．3．3 护种阶段

3．3．4 投种阶段

3．4 本章小结

4 基于离散元法排种器性能仿真分析

4．1 离散元法

4．1．1 原理与模型

4．1．2 模型接触

4．1．3 运动方程

4．1．4 模型仿真时间步长确定

4．2 离散元仿真软件EDEM

4．2．1 软件简介

4．2．2 软件仿真流程

4．2．3 EDEM在排种器研究中应用

4．3 排种器舀种性能仿真

4．3．2 芽种仿真模型建立

4．3．3 接触模型及参数确定

4．4 舀种性能仿真试验

4．4．1 舀种阶段芽种颗粒运动仿真

4．4．2 仿真结果分析

4．5 EDEM单因素仿真舀种性能试验

4．5．1 仿真试验评价指标

4．5．2 工作转速对舀种性能影响

4．5．3 容种高度对舀种性能影响

4．6 排种器试制

4．7 本章小结

5 基于高速摄像技术的精量穴直播排种器性能分析与试验

5．1 高速摄像技术

5．2 高速摄像技术在播种机械研究中应用

5．3 基于高速摄像技术的排种性能试验与分析

5．3．1 试验装置

5．3．2 试验内容

5．3．3 结果分析

5．4 本章小结

6 水稻芽种直播排种器台架性能试验

6．1 试验装置和方法

6．1．1 试验材料

6．1．2 试验设备

6．1．3 试验方法

6．1．4 性能评价指标

6．2 排种性能试验

6．2．1 单因素试验

6．2．2 多因素试验

6．3 本章小结

7 水稻精量播种装置配置设计与田间实验

7．1 整机配置要求

7．2 总体结构与技术参数

7．3 田间实验

7．3．3 实验方法

7．3．4 结果分析

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