气力式水稻芽种精量穴直播排种器设计与试验研究

摘要

水稻是我国主要栽培粮食作物之一，稻谷总产量约占粮食总产量的40％，约有60％的人口把稻米当成主食，因此稻米生产在我国粮食生产中占有非常重要的地位。目前杂交稻种植面积约占全国水稻种植面积的60％，栽培方式多为移栽，田间插秧时穴苗数一般仅要求2±1株。水稻机械直播与传统移栽稻相比具有省工、省力、省秧苗田，提高生产率，减少劳动强度等优势，对实现水稻生产的轻简化、专业化、规模化具有十分重要的意义。为了满足水稻机械化直播的需要，本文基于农机与农艺相融合的理念以及气吸—气吹播种原理，设计了一种气力式水稻芽种精量穴直播排种器。该排种器利用凸轮推杆与梳种条可以很好地解决水稻芽种流动性差的问题，其排种盘上均布有群组吸孔，可同时吸附多粒（2～4粒）水稻芽种，满足杂交稻大田精量穴直播的需求。本文在系统分析国内外水稻直播排种器研究现状的基础上，针对杂交稻大田精量穴直播的要求，以水稻芽种的物理机械特性为基础，利用理论与试验相结合的方法，对气力式水稻芽种精量穴直播排种器进行了研究与探索。
　　本研究主要内容包括：⑴以湖北省广泛种植水稻品种:黄华占、鄂早18、鄂粳912为研究对象，对影响水稻大田精量穴直播的芽种物理机械特性进行试验研究，得到了芽种的三轴尺寸、千粒质量、悬浮速度等物理机械特性以及芽种的压缩特性和生长特性。该问题的研究确定了本文研究气力式水稻芽种精量穴直播排种器结构参数与排种机理所需的试验材料及其物理机械特性，为气力式水稻精量排种器的研究提供了基本参数。⑵基于气吸-气吹播种原理，研制了一种可满足水稻精量穴直播的气力式精量排种器，首次提出了利用凸轮推杆和梳盘相结合增强水稻芽种流动性的方法，分析并确定了该排种器的结构参数及工作参数。对气力式水稻精量排种器充种、携种、投种三个过程中水稻芽种的受力与运动进行了分析，明确了单个吸孔吸附住1粒芽种所必需的条件，充种与携种弧段的吸室真空度与芽种的线速度、吸孔直径以及芽种自身的物理机械特性等因素相关，建立了芽种在投种弧段的运动方程。⑶利用ANSYS/CFX软件对气力式水稻精量排种器群组吸孔气流场进行了仿真分析，确定了马蹄形负压吸室内部压强与气流速度的分布情况。分别对负压区群组吸孔直径1.0～2.0mm，排种盘群组吸孔组数8～12组以及负压吸室内径52～68mm等因素变化进行仿真分析，结果表明负压吸室内部气流场的压强随着群组吸孔直径增大呈先上升后下降的趋势，当吸孔直径为1.6mm时，吸室内部气流场压强与气流速度均达到最大值，压强大小为-3392.33Pa，气流速度为75.4683m/s。排种盘群组吸孔组数变化与负压吸室容积变化均对吸室内部气流场压强和气流速度影响不大。⑷以气力式水稻精量排种器为研究对象，借助Pro/E与EDEM软件分别建立了排种器的三维模型及充种性能仿真模型。由仿真分析可以看出，芽种颗粒进入充种区后，贴近排种盘盘面的内层芽种受到排种盘和梳种条的摩擦力作用，比外层芽种更容易随排种盘运动从而脱离芽种群。排种器充种性能模拟得出了梳种条上与贴近盘面的芽种颗粒速度、受力、位移随时间变化关系，获得了水稻芽种颗粒群体平均速度、平均受力、平均位移随时间变化关系曲线图以及芽种颗粒与芽种颗粒，芽种颗粒与梳种盘接触曲线。⑸利用高速摄像技术对气力式精量排种器工作过程进行在线拍摄，获得了排种器充种弧段内芽种堆的初始状态、排种器运转时芽种的运动状态、群组吸孔的充种姿态以及投种弧段内芽种的运动轨迹，并建立了其运动轨迹的拟合方程，为气力式水稻精量排种器导种管的设计提供了理论依据。⑹开展了气力式水稻芽种精量穴直播排种器台架试验，研究了排种盘群组吸孔孔径、吸孔分布、吸室真空度、排种盘转速、芽种堆端面高度等单因素对排种器排种性能的影响。试验结果表明吸室真空度、排种盘转速、芽种堆端面高度等因素对排种器的合格率影响非常显著，最终将排种盘群组吸孔直径确定为1.6mm。对排种盘转速和吸室真空度对排种性能的影响进行了两因素三水平全组合重复试验，试验结果表明当吸室真空度为4.5KPa，排种盘转速为10r/min时，排种器的排种性能最好，其合格率为94％。并对排种盘转速、吸室真空度与吸孔直径对排种性能的影响进行了三因素四水平正交试验，试验结果表明当排种盘转速为15r/min，吸室真空度为3.5KPa，排种盘群组吸孔直径为1.6mm时，排种器的排种性能最好，其合格率为86.5％，可满足大田精量穴直播的要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究目的和意义

1．1．1 水稻的粮食地位

1．1．2 水稻种植分布

1．1．3 水稻种植方式及特点

1．1．4 水稻直播的现状与优势

1．2 水稻直播机的类型和研究现状

1．2．1 水稻直播机的类型

1．2．2 国外水稻直播机的研究现状

1．2．3 国内水稻直播机的研究现状

1．3 排种器的类型和研究现状

1．3．1 排种器的类型及特点

1．3．2 国外排种器的研究现状

1．3．3 国内排种器的研究现状

1．4 研究目的与研究内容

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究内容

1．4．3 拟解决的关键问题

1．4．4 技术路线

第2章 水稻芽种的物理机械特性测试与分析

2．1 试验材料

2．2 试验内容及目的

2．3 水稻芽种的物理机械特性

2．3．1 水稻芽种的三轴尺寸

2．3．2 水稻芽种的含水率

2．3．3 水稻芽种的千粒重

2．3．4 水稻芽种的悬浮速度

2．3．5 水稻芽种的滑动摩擦角

2．3．6 水稻芽种的休止角

2．3．7 试验结果与分析

2．4 水稻芽种的压缩特性与生长特性

2．4．1 试验材料和设备

2．4．2 水稻芽种压缩试验的接触力学分析

2．4．3 芽种的压缩特性试验

2．4．4 芽种的生长特性试验

2．5 本章小结

第3章 气力式水稻精量排种器的设计与机理研究

3．1 排种器结构组成及工作原理

3．2 气力式排种器关键部件设计与分析

3．2．1 排种盘

3．2．2 梳种条

3．2．3 吸室壳体

3．2．4 种箱壳体

3．2．5 凸轮和推杆

3．3 气力式排种器工作过程动力学分析

3．3．1 充种弧段分析

3．3．2 携种弧段分析

3．3．3 投种弧段分析

3．4 本章小结

第4章 气力式水稻精量排种器气室流场仿真分析

4．1 有限元软件在排种器研究中的应用

4．2 仿真分析软件CFX

4．2．1 CFX的典型过程

4．2．2 守恒方程

4．2．3 CFX中的湍流模型

4．2．4 壁面函数理论

4．3 气力式排种器吸室气流场仿真分析

4．3．1 气力式排种器负压吸室结构

4．3．2 负压吸室模型的建立与边界条件

4．3．3 仿真结果与分析

4．4 排种盘群组吸孔直径仿真分析

4．5 排种盘群组吸孔组数的仿真分析

4．6 负压吸室容积大小的仿真分析

4．7 本章小结

第5章 气力式水稻精量排种器充种性能离散元仿真

5．1 离散元软件在排种器研究中的应用

5．2 离散单元法的基础理论

5．2．1 颗粒接触理论

5．2．2 颗粒接触模型

5．2．3 离散元软件EDEM

5．3 气力式排种器充种性能仿真

5．3．1 气力式排种器结构

5．3．2 稻种离散模型的建立

5．3．3 排种器充种性能仿真

5．3．4 仿真结果分析

5．4 本章小结

第6章 基于高速摄像技术排种器工作过程研究

6．1 高速摄像技术

6．2 高速摄像研究现状

6．3 排种器工作过程的高速摄像试验

6．3．1 高速摄像试验装置

6．3．2 高速摄像试验方法与内容

6．3．3 高速摄像试验结果

6．4 本章小结

第7章 气力式水稻精量排种器性能试验

7．1 影响排种器工作性能的因素

7．1．1 排种盘转速

7．1．2 吸室真空度

7．1．3 排种盘结构参数

7．2 台架试验

7．2．1 台架试验装置

7．2．2 试验设置

7．2．3 单因素试验分析

7．2．4 两因素全组合试验分析

7．2．5 正交试验分析

7．3 田间试验

7．3．1 试验田块

7．3．2 试验材料

7．3．3 试验仪器及设备

7．3．4 试验方法

7．3．5 试验结果及分析

7．4 本章小结

第8章 结论与展望

8．1 结论

8．2 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的主要论文与专利

致谢