玉米免耕精量播种机种子运动调控装置设计与试验

作     者：李鹏昌 

作者单位：河南农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张红梅;高海涛

授予年度：2024年

学科分类：0828[工学-农业工程] 08[工学] 

主      题：运动调控 定点落种 离散元法 优化设计 

摘      要：玉米免耕精量播种技术是通过播种机械精确地将种子播入土壤预定位置,落种位置的准确性对田间株距的均匀性至关重要。在播种作业过程中,种子的最终落种位置受到多种因素的综合影响,投种过程中种子与导种管壁弹跳产生的不规则碰撞引起的弹跳滚动是导致播种均匀性低的关键影响因素。针对玉米精量播种过程中存在的影响株距均匀性的碰撞问题,本文基于玉米精量播种机设计一种种子运动调控装置,分析其工作原理并确定运动调控装置的合理结构参数,为高效精量播种过程中关键部件的设计提供理论参考。本文主要研究内容如下: (1)玉米种子触土阶段弹跳滚动位移分析。基于EDEM软件对玉米种子从指夹式排种器排出后的运动过程以及触土后产生弹跳滚动位移的过程进行仿真分析。通过单因素仿真试验,得到对种子弹跳位移有显著影响的因素为:法向相对速度、切向相对速度以及土壤含水率;设计进行以法向相对速度、切向相对速度以及土壤含水率为试验因素,弹跳偏移量为试验指标的三因素三水平Box-Behnken试验,得到各因素对种子触土弹跳滚动位移影响的显著性顺序为:切向相对速度、法向相对速度、土壤含水率。对试验结果进行最优化求解,结果表明,当玉米种子与土壤接触时的切向相对速度为0.5m/s、玉米种子与土壤接触时的法向相对速度为1.08m/s、土壤含水率为25%时,玉米种子的触土弹跳偏移量最小。 (2)种子运动调控装置设计与分析。设计一种种子运动调控装置,该装置利用定点落种板配合最速降线调控的方法保证玉米种子落种位置与运动轨迹的一致性。对落种过程中种子的运动过程进行理论分析,得到定点落种板安装水平位置为距离落种点15～25 mm处、定点落种板安装竖直位置位置在离排种器底部15 mm处、定点落种板长度范围在50～100mm以及最速降线调控曲线方程,梯形槽截面高度H为53 mm,宽度W为29 mm,可以保证种子可以平稳进入土壤,提高免耕播种机导种均匀性。 (3)种子运动调控装置的参数优化。为探究种子运动调控装置最优结构参数与工作参数组合范围,对种子运动调控装置的工作过程进行离散元仿真,分析种子运动调控装置的作业效果以及种子的落种均匀性。结合中心组合试验和虚拟仿真技术设计多因素试验,以定点落种板的长度、定点落种板水平安装位置以及排种器的工作转速作为试验因素,以合格指数和变异系数作为试验指标,运用Design Expert-13软件对仿真结果进行处理优化,得到在机具前进速度为5.72 km/h、定点落种板长度为87.55 mm和定点落种板水平安装位置为22.57 mm时,落种均匀性及稳定性最佳,此时播种合格指数和变异系数分别为93.431%和9.324%,由此得出所设计种子运动调控装置合理。 (4)种子运动调控装置性能试验。为验证种子运动调控装置的作业效果,设计台架试验对种子运动调控装置与普通圆弧导种管的作业效果进行对比分析。台架试验结果表明,种子与种子运动调控装置接触位置相对普通圆弧导种管一致性更高;种子与种子运动调控装置接触后,发生二次弹跳的种子占比相较于普通圆弧导种管降低了3.59%。使用实验室搭建的土槽试验装置对种子运动调控装置的作业效果进行研究,对比普通圆弧导种管和无导种管下落的情况下,当作业速度达到的8 km/h时,种子运动调控装置的播种合格指数和变异系数分别达到了87.26%、10.87%,合格指数较普通圆弧导种管及无导种管状态分别提高了1.97%、2.04%,变异系数降低了4.65%和4.43%,具有较优播种均匀性与稳定性。