氣力滾筒式水稻精量排種器的研究.pdf

1、隨著社會(huì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，農(nóng)村勞動(dòng)力由季節(jié)性短缺向周年性短缺轉(zhuǎn)變，耗時(shí)費(fèi)力的育秧移栽水稻種植模式成本大幅提高，同時(shí)伴隨著農(nóng)用淡水資源匱乏等實(shí)際問題。相比水稻育秧移栽種植模式，水稻直播種植所具有的省工節(jié)本、節(jié)水高效的優(yōu)點(diǎn)日益凸顯，水稻直播種植面積逐年擴(kuò)大，同時(shí)適宜直播種植的雜交稻品種不斷推廣，對(duì)先進(jìn)可靠、性能優(yōu)良、適宜于雜交水稻精量穴直播的播種裝備需求更加迫切。
　　針對(duì)目前水稻直播種植裝備無法實(shí)現(xiàn)雜交水稻每穴2～4粒稻種的精量穴播要

2、求的生產(chǎn)實(shí)際問題，創(chuàng)新性地提出了一種集窩眼囊種、多吸孔吸種、柔性繩輔助氣吹清種、隨動(dòng)護(hù)種帶護(hù)種及氣力清堵組合式水稻精量穴直播排種器，利用大尺寸窩眼囊種，多個(gè)吸孔定量吸種，氣吹清種固種的排種方式，能夠滿足雜交水稻大田精量穴直播對(duì)穴粒數(shù)、穴距合格率的要求;其“一器多行”的排種功能有利于改善單體式排種器帶來的直播機(jī)整體“臃腫”、氣力分布系統(tǒng)龐雜及風(fēng)機(jī)功率要求高等問題。本文在系統(tǒng)分析和總結(jié)國內(nèi)外氣力式排種器研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)雜交水稻的直播種植農(nóng)

3、藝要求，采用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)氣力滾筒式水稻精量排種器進(jìn)行了相關(guān)探索和研究，主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)以適宜長江中下游種植的雜交稻品種:黃華占、汕優(yōu)63、岡優(yōu)364為研究對(duì)象，對(duì)其正常生長含水率下的主要物料特性進(jìn)行了測(cè)試，分別測(cè)得3種水稻破胸芽種的三軸尺寸、千粒重、滑動(dòng)摩擦角、休止角、懸浮速度，并對(duì)芽種受力壓縮后的存活率進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為排種器關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)及工作參數(shù)的選擇提供了理論參考依據(jù)。
　　(2)根據(jù)雜交

4、稻的直播種植農(nóng)藝要求，研制了一種可實(shí)現(xiàn)“一器多行”排種功能的氣力滾筒式精量穴直播排種器，首次提出了利用大尺寸窩眼囊種，多個(gè)吸孔定量吸種，氣吹清種固種的排種方式;理論分析并確定了排種器關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)及其排種時(shí)主要的工作參數(shù);設(shè)計(jì)了適宜于不同水稻品種進(jìn)行囊種的三種窩眼形狀，并對(duì)其進(jìn)行了排種性能試驗(yàn)，比較分析出排種性能較優(yōu)的窩眼形狀，并對(duì)優(yōu)選出的窩眼進(jìn)行了不同雜交稻品種的播種適應(yīng)性試驗(yàn)研究。
　　(3)運(yùn)用工程力學(xué)、流體力學(xué)及空氣動(dòng)

5、力學(xué)等相關(guān)理論，對(duì)氣力滾筒式精量排種器的囊種、吸種、清種、攜種、投種及清堵過程進(jìn)行了理論分析和相關(guān)試驗(yàn)研究，構(gòu)建了水稻芽種在排種過程中的動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，明確了排種器的排種機(jī)理;分析確定了排種器排種時(shí)的臨界吸種負(fù)壓、臨界清堵正壓等主要工作參數(shù);借助高速攝像技術(shù)研究了柔性繩的清種過程及排種器的投種過程，獲得了柔性繩對(duì)芽種進(jìn)行“碰撞”清種的作用時(shí)間，分析得出了柔性繩的清種過程對(duì)芽種不會(huì)造成損傷的結(jié)論;明確了排種器的投種軌跡，并參考芽種的實(shí)

6、際投種軌跡，設(shè)計(jì)并確定了導(dǎo)種裝置的主要結(jié)構(gòu)及尺寸。
　　(4)通過理論分析確定了排種器正、負(fù)壓區(qū)及清種分流管內(nèi)氣流場(chǎng)均為湍流形式，其場(chǎng)內(nèi)流動(dòng)氣體均為不可壓縮流體，運(yùn)用CFD仿真分析軟件CFX，以氣流場(chǎng)的平均湍動(dòng)能及關(guān)鍵部件處的平均壓強(qiáng)或氣流速度為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)排種器上述三個(gè)主要?dú)饬鲌?chǎng)進(jìn)行仿真優(yōu)化研究:
　?、倥欧N器負(fù)壓區(qū)氣流場(chǎng)的響應(yīng)面仿真試驗(yàn)研究表明:影響窩眼內(nèi)三吸孔端面平均壓強(qiáng)的主次因素依次為:氣室出氣口直徑、吸孔直徑、

7、窩眼軸向間距;影響氣流場(chǎng)平均湍動(dòng)能的主次因素依次為:吸孔直徑、氣室出氣口直徑、窩眼軸向間距;構(gòu)建了響應(yīng)指標(biāo)與試驗(yàn)因素的全因子二次回歸模型方程，經(jīng)方差分析確定了試驗(yàn)因素對(duì)響應(yīng)指標(biāo)影響的顯著性;通過對(duì)回歸方程在試驗(yàn)參數(shù)約束范圍內(nèi)的優(yōu)化求解，得到負(fù)壓區(qū)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為:吸孔直徑1.4 mm，氣室出氣口直徑22 mm，窩眼軸向間距34 mm;仿真驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化求解結(jié)果相吻合，在最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下，當(dāng)負(fù)壓氣室出氣口處的壓強(qiáng)為-3000 Pa時(shí)

8、，窩眼內(nèi)三吸孔端面平均壓強(qiáng)為-1428.14Pa，負(fù)壓區(qū)氣流場(chǎng)平均湍動(dòng)能為0.472 m2· s-2;仿真試驗(yàn)氣流場(chǎng)的壓力、速度云圖表明三個(gè)吸孔的分布位置和方式設(shè)計(jì)合理;
　　②開展了排種器正壓區(qū)氣流場(chǎng)的全因子試驗(yàn)研究，明確了正壓氣室大小和氣室進(jìn)氣口直徑兩個(gè)試驗(yàn)因素及其交互作用，對(duì)正壓區(qū)氣流場(chǎng)平均湍動(dòng)能和氣室內(nèi)三吸孔端面平均壓強(qiáng)兩個(gè)試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響的顯著性;分析并確定了排種器正壓氣室的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為:正壓氣室大小為L型、進(jìn)氣口

9、直徑為22 mm，當(dāng)正壓氣室進(jìn)氣口處的壓強(qiáng)為500 Pa時(shí)，對(duì)應(yīng)的氣室內(nèi)三吸孔端面平均壓強(qiáng)為194.75 Pa，氣流場(chǎng)的平均湍動(dòng)能為0.129 m2· s-2;
　?、叟欧N器清種氣流分流管的結(jié)構(gòu)形式仿真對(duì)比試驗(yàn)表明，相比Ⅰ型和Ⅳ型，Ⅱ型和Ⅲ型分流管內(nèi)清種氣流多經(jīng)歷了一次垂直分流，雖然管內(nèi)氣流的沿程損失增加，導(dǎo)致風(fēng)嘴出氣口的平均流速偏小，但其能顯著提高4個(gè)風(fēng)嘴出氣口平均流速的均勻一致性，對(duì)提高排種器各排的清種效果更為有利;通過對(duì)Ⅰ型

10、和Ⅱ型分流管的3D實(shí)物打印及風(fēng)嘴出氣口實(shí)際流速的測(cè)試結(jié)果表明，仿真分析結(jié)果與實(shí)際工況相吻合;為獲得4排較為均勻穩(wěn)定、強(qiáng)弱基本一致的清種氣流，確保排種器各排的清種效果，應(yīng)優(yōu)先采用具有二次枝狀分流結(jié)構(gòu)特征的Ⅱ型清種分流管。
　　(5)開展了氣力滾筒式水稻精量排種的室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)，研究了排種滾筒轉(zhuǎn)速、負(fù)壓氣室真空度、清種氣流速度及正壓氣室清堵正壓四個(gè)主要因素對(duì)排種器排種性能的影響:
　　①四個(gè)因素的單因素試驗(yàn)表明:排種滾筒轉(zhuǎn)速、負(fù)壓

11、氣室真空度、清種氣流速度對(duì)排種器的播種合格率、漏播率、重播率有著顯著性影響;正壓氣室清堵正壓對(duì)合格率、漏播率、重播率、播種穴距平均值及穴距變異系數(shù)的影響均為不顯著。在排種器的排種滾筒轉(zhuǎn)速為10～20 r/min，負(fù)壓氣室真空度為3～5 kPa，清種氣流速度為12.22～22.98 m/s，清堵正壓為750～1250 Pa時(shí)，排種性能良好，其合格率均能達(dá)到80％以上。在排種滾筒轉(zhuǎn)速為10 r/min，負(fù)壓氣室真空度為4kPa，清種氣流速度

12、為17.60 m/s，清堵正壓為750～1250Pa時(shí)，排種器的排種性能較優(yōu)，合格率均能達(dá)到85％以上，漏播率均低于6％，重播率均低于10％。
　?、谂欧N器的三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)多因素尋優(yōu)試驗(yàn)明確:影響排種器播種合格率的主次因素依次為:排種滾筒轉(zhuǎn)速、負(fù)壓氣室真空度、清種氣流速度;影響漏播率的主次因素依次為:負(fù)壓氣室真空度、排種滾筒轉(zhuǎn)速、清種氣流速度;經(jīng)方差分析確定了試驗(yàn)因素對(duì)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)影響的顯著性;通過對(duì)性能評(píng)價(jià)

13、指標(biāo)的全因子二次回歸模型方程在試驗(yàn)參數(shù)約束范圍內(nèi)的優(yōu)化求解，得出排種器最佳工作參數(shù)組合為:排種滾筒轉(zhuǎn)速10.00 r/min，負(fù)壓氣室真空度4.6 kPa，清種氣流速度21.88 m/s。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化求解結(jié)果基本一致，在最佳工作參數(shù)組合下，氣力滾筒式精量排種器的播種合格率為87.73％、漏播率為2.93％、空穴率為0.53％、重播率為9.33％、破損率為0.89％、穴距平均值為200.07mm、穴距變異系數(shù)為4.75％，各行排量一