小粒径作物气力滚筒式精量集排器设计与试验研究

我国是小粒径种子作物种植大国,至2011年我国农作物总播种面积162283千公顷,其中油料、棉花、蔬菜等小粒径农作物共达42056千公顷(中国年鉴2012)。目前小粒径种子播种方式以半机械或人工播种为主,作业效率低、成本高、田间后期管理劳动强度大等问题,致使综合效益低下,限制了小粒径作物种子播种规模的扩大。 针对小粒径作物种子粒径小、易破损、精播难及传统排种器属一器一行、结构复杂等问题,本文研制了一种一器九行的气力滚筒式精量集排器,该集排器采用正负气压组合式排种原理,可简化播种机的排种器结构与数量,提高排种器工作效率与工作质量。本论文研究工作主要包括： (1)开展了小粒径种子机械物理特性测试与分析,为设计研发气力滚筒式集排器提供理论依据。本文以广东菜心与华杂“4号”油菜两种小粒径种子为研究对象,主要测试了小粒径种子的三轴尺寸、千粒重、含水率、滑动摩擦角、休止角等；并重点分析了在不同压缩情况下菜心种子的生长特性。结果表明,菜心种子压缩破损对其发芽率、发芽势、根长、苗高和活力指数都具有极显著影响；发芽势与发芽率呈显著正相关性,发芽势与根长呈显著负相关；当菜心种子所受力小于6.41N或压缩变形量小于26.9%时,种子的发芽情况不受影响。测试结果为广东菜心排种器结构设计和转速等参数的设计及其解决降低种子破损率方案提供了重要的参考依据。 (2)开展了气力滚筒式集排器的总体设计。分析了气力滚筒式小粒径种子精量集排器的工作原理,并确定其结构组成和主要结构与运行参数。在前期小粒径种子物理特性试验基础上,分析确定了排种器外滚筒直径、滚筒吸孔孔径、滚筒吸孔的轴向行数与径向孔数等参数。理论分析及与试验表明：小粒径种子气力式滚筒集排器选用外滚筒外径φ165m,孔径1.2mm,径向吸孔数Z=20,相邻吸孔对应的中心角为180,滚筒表面径向距离为26mm,轴向距离为30mm,其排种性能和各行一致性均可满足实际生产的要求；同时,通过理论分析获得集排器各参数的极限值,确定了转速范围应在17.8r/min到34.7r/min,负压值范围在93pa到37200pa,正压值范围在0pa到65.6kpa。 (3)分析了气力滚筒式集排器排种过程力学特征,构建了主要排种过程的动力学与运动学模型；利用JPS-12型排种器性能检测试验台开展了单因素试验研究,试验表明：当滚筒转速20r/min、正压区压力值2200Pa、负压区压力值为-2200Pa时,集排器合格指数可达90%以上。其力学模型与试验结论相一致,为集排器的优化提供了理论依据。 (4)利用ANSYS/CFX软件开展了气力滚筒小粒径种子集排器气流场仿真分析。以排种器吸孔数、吸孔结构、吸孔轴向间距、出气方式为试验因素对集排器的负压区气流场仿真分析研究,并对仿真结果进行了试验验证。研究表明：吸孔结构为吸孔端面压强大小最主要影响因素,阶梯孔与直孔明显优于锥孔；出气方式对吸孔端面流速影响显著,采用双端出气内部气流场均匀,零速区域少,可提高排种可靠性；气力滚筒式精量集排器优化参数组合为：吸孔数30个,吸孔结构为阶梯孔,间距20mm,采用两端出气方式。 (5)开展集排器性能台架试验。以集排器排种性能为主要评价指标,开展了单因素试验、正交试验对集排器滚筒转速、正压区压力值、负压区压力值等运行参数的试验研究,试验结果表明：集排器种子破碎率小于0.5%,当滚筒转速、正压区压力值、负压区压力值分别为20r/min、2200Pa、-2200Pa时,集排器排种性能最优,9行平均合格指数可达88.63%,漏播指数小于5.0%；集排器各行排量一致性和总排量稳定性变异系数分别5.73%,1.21%。 (6)开展集排器性能空载与田间试验。为了研究各工作参数对集排器排种性能的影响规律及田间试验过程振动、粉尘、拖拉机前进速度、路面状况、地轮滑移率等对集排器排种性能的影响,找出了集排器最佳工作参数组合,以泄气孔面积、排种器转速、旋耕刀刀轴转速及拖拉机前进速度等为试验因素,开展了集排器性能空载与田间试验。空载表明,在播种机工作过程中排种器排种性能稳定可靠,在拖拉机慢档前进过程,各行排量一致性变异系2.68%-3.63%,总排量稳定性变异系数1.01%～4.02%,满足国标对集排器的要求。田间试验出苗情况表明,该气力式滚筒精量集排器,出苗均匀一致,明显优于人工撒播情况。