氣力滾筒式水稻精量排種器的研究.pdf

1、隨著社會產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，農(nóng)村勞動力由季節(jié)性短缺向周年性短缺轉(zhuǎn)變，耗時費力的育秧移栽水稻種植模式成本大幅提高，同時伴隨著農(nóng)用淡水資源匱乏等實際問題。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)點日益凸顯，水稻直播種植面積逐年擴大，同時適宜直播種植的雜交稻品種不斷推廣，對先進可靠、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。
　　針對目前水稻直播種植裝備無法實現(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、隨動護種帶護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整體“臃腫”、氣力分布系統(tǒng)龐雜及風機功率要求高等問題。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上，針對雜交水稻的直播種植農(nóng)

3、藝要求，采用理論與試驗相結(jié)合的方法，對氣力滾筒式水稻精量排種器進行了相關探索和研究，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為研究對象，對其正常生長含水率下的主要物料特性進行了測試，分別測得3種水稻破胸芽種的三軸尺寸、千粒重、滑動摩擦角、休止角、懸浮速度，并對芽種受力壓縮后的存活率進行了試驗研究，為排種器關鍵部件的設計及工作參數(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鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)及其排種時主要的工作參數(shù);設計了適宜于不同水稻品種進行囊種的三種窩眼形狀，并對其進行了排種性能試驗，比較分析出排種性能較優(yōu)的窩眼形狀，并對優(yōu)選出的窩眼進行了不同雜交稻品種的播種適應性試驗研究。
　　(3)運用工程力學、流體力學及空氣動

5、力學等相關理論，對氣力滾筒式精量排種器的囊種、吸種、清種、攜種、投種及清堵過程進行了理論分析和相關試驗研究，構(gòu)建了水稻芽種在排種過程中的動力學與運動學模型，明確了排種器的排種機理;分析確定了排種器排種時的臨界吸種負壓、臨界清堵正壓等主要工作參數(shù);借助高速攝像技術研究了柔性繩的清種過程及排種器的投種過程，獲得了柔性繩對芽種進行“碰撞”清種的作用時間，分析得出了柔性繩的清種過程對芽種不會造成損傷的結(jié)論;明確了排種器的投種軌跡，并參考芽種的實

6、際投種軌跡，設計并確定了導種裝置的主要結(jié)構(gòu)及尺寸。
　　(4)通過理論分析確定了排種器正、負壓區(qū)及清種分流管內(nèi)氣流場均為湍流形式，其場內(nèi)流動氣體均為不可壓縮流體，運用CFD仿真分析軟件CFX，以氣流場的平均湍動能及關鍵部件處的平均壓強或氣流速度為試驗評價指標，對排種器上述三個主要氣流場進行仿真優(yōu)化研究:
　　①排種器負壓區(qū)氣流場的響應面仿真試驗研究表明:影響窩眼內(nèi)三吸孔端面平均壓強的主次因素依次為:氣室出氣口直徑、吸孔直徑、

7、窩眼軸向間距;影響氣流場平均湍動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)建了響應指標與試驗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因素對響應指標影響的顯著性;通過對回歸方程在試驗參數(shù)約束范圍內(nèi)的優(yōu)化求解，得到負壓區(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;仿真驗證試驗結(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，當負壓氣室出氣口處的壓強為-3000 Pa時

8、，窩眼內(nèi)三吸孔端面平均壓強為-1428.14Pa，負壓區(qū)氣流場平均湍動能為0.472 m2· s-2;仿真試驗氣流場的壓力、速度云圖表明三個吸孔的分布位置和方式設計合理;
　?、陂_展了排種器正壓區(qū)氣流場的全因子試驗研究，明確了正壓氣室大小和氣室進氣口直徑兩個試驗因素及其交互作用，對正壓區(qū)氣流場平均湍動能和氣室內(nèi)三吸孔端面平均壓強兩個試驗評價指標影響的顯著性;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、進氣口

9、直徑為22 mm，當正壓氣室進氣口處的壓強為500 Pa時，對應的氣室內(nèi)三吸孔端面平均壓強為194.75 Pa，氣流場的平均湍動能為0.129 m2· s-2;
　?、叟欧N器清種氣流分流管的結(jié)構(gòu)形式仿真對比試驗表明，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，導致風嘴出氣口的平均流速偏小，但其能顯著提高4個風嘴出氣口平均流速的均勻一致性，對提高排種器各排的清種效果更為有利;通過對Ⅰ型

10、和Ⅱ型分流管的3D實物打印及風嘴出氣口實際流速的測試結(jié)果表明，仿真分析結(jié)果與實際工況相吻合;為獲得4排較為均勻穩(wěn)定、強弱基本一致的清種氣流，確保排種器各排的清種效果，應優(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)臺架試驗，研究了排種滾筒轉(zhuǎn)速、負壓氣室真空度、清種氣流速度及正壓氣室清堵正壓四個主要因素對排種器排種性能的影響:
　　①四個因素的單因素試驗表明:排種滾筒轉(zhuǎn)速、負壓

11、氣室真空度、清種氣流速度對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，排種性能良好，其合格率均能達到80％以上。在排種滾筒轉(zhuǎn)速為10 r/min，負壓氣室真空度為4kPa，清種氣流速度

12、為17.60 m/s，清堵正壓為750～1250Pa時，排種器的排種性能較優(yōu)，合格率均能達到85％以上，漏播率均低于6％，重播率均低于10％。
　　②排種器的三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設計多因素尋優(yōu)試驗明確: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因素對性能評價指標影響的顯著性;通過對性能評價

13、指標的全因子二次回歸模型方程在試驗參數(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，負壓氣室真空度4.6 kPa，清種氣流速度21.88 m/s。驗證試驗結(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