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《东北农业大学》 2016年
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双列交错勺带式马铃薯精量排种器的设计与试验研究

王希英  
【摘要】:马铃薯作为世界四大主粮之一,是最具发展前景的高产经济作物,其种植生产模式与规模对于中国农业结构调整、保障粮食生产安全发展具有重要意义。中国是马铃薯生产大国,却不是生产强国,种植面积及总产量均占据世界第一位,但作物单产水平远低于世界平均水平,其主要原因是我国马铃薯生产机械化水平低。马铃薯机械化播种作为实现马铃薯全程机械化生产的最重要环节,直接影响马铃薯产量与品质。排种器作为马铃薯精量播种机的关键部件,仍存在作业效率低、重播漏播严重、适应性较差等诸多技术问题。为满足马铃薯机械化播种的需求,本文采用农机与农艺相结合的理念,设计研制了一种双列交错勺带式马铃薯精量排种器。该排种器采用在排种带上取种凹勺合理交错布置及振动清种装置,有效地减少了播种过程中的重播及漏播问题。本文根据马铃薯精量播种农艺要求,以马铃薯种薯物料特性研究为基础,运用理论分析、EDEM模拟仿真、高速摄像及试验研究相结合的方法,对双列交错勺带式马铃薯精量排种器进行研究与探索,本研究主要内容及结论如下:(1)马铃薯种薯物料特性测定研究选取东北地区广泛种植的三种马铃薯种薯(费乌瑞它、尤金885和东农312)进行物料特性研究,测定其基本物理特性(三轴尺寸、几何平均径、球形率、质量、密度、体积及含水率),并搭建多种物理力学试验台,测定分析种薯相关力学参数(静摩擦系数、内摩擦角、休止角、刚度系数及弹性模量),为马铃薯精量排种器的结构设计及仿真分析提供理论依据。(2)双列交错勺带式马铃薯精量排种器关键部件优化设计与分析对双列交错勺带式马铃薯精量排种器主要结构和工作原理进行研究,对其关键部件双勺交错排种总成、主动驱动总成、振动清种装置及充种箱体进行优化设计,建立充种、清种、导种和投种过程动力学模型,分析优化排种器各关键部件最佳结构参数。(3)基于离散元素法的马铃薯精量排种器充种运移性能仿真模拟分析为优化排种器柔性充种性能,结合离散元素法建立排种器虚拟模型,运用离散元仿真软件EDEM对排种器充种舀取过程进行单因素虚拟试验,分析充种过程中造成不同尺寸等级种薯产生重播和漏播问题的主要原因,初步筛选排种器较优工作参数,并进行试验样机的加工试制,为后续台架及田间试验进行充分准备。(4)基于高速摄像技术的马铃薯精量排种器投种性能分析与试验以双列交错勺带式马铃薯精量排种器导种系统为研究载体,重点探究马铃薯种薯投送运移机理,分析影响导种投送运移轨迹的主要因素。在此基础上自主设计搭建马铃薯精量排种试验台,采用高速摄像与图像目标跟踪技术对种薯投送运移轨迹进行判别分析,得到种薯投送落种轨迹的分布规律,为马铃薯精量排种器导种系统及配套开沟器优化设计奠定理论基础。(5)马铃薯精量排种器台架性能试验为得到排种器最佳工作参数组合,以排种器倾斜角度、工作转速和振动幅度为主要因素,以粒距合格指数、重播指数和漏播指数为性能指标,参考国家标准GB/T 6242—2006《种植机械马铃薯种植机试验方法》和NY/T 1415—2007《马铃薯种植机质量评价技术规范》,分别进行单因素和多因素正交旋转组合试验,建立排种性能指标与试验参数间数学模型。运用Design-Expert 8.0.10软件对试验结果进行处理分析,对所得优化结果进行试验验证,考察其设计科学性及合理性。试验结果表明,工作转速为31.5r/min,振动幅度为11.7mm时,排种作业性能最优,合格指数为89.92%,重播指数为5.12%,漏播指数为4.96%。(6)马铃薯精量播种装置配置与田间试验根据东北地区马铃薯种植农艺要求,对开沟器、排肥器、肥箱、覆土器及镇压轮等部件进行选型配套,综合设计配置马铃薯精量播种装置。以费乌瑞它、东农312和尤金885三个马铃薯种薯为供试品种,进行田间播种试验,对播种均匀性、种肥深度及后续产量进行测定,检验机具作业效果。田间试验结果表明,在工况条件下粒距合格指数、重播指数和漏播指数均优于国家标准所规定的指标,平均空勺率为3.44%,种肥深度适宜,预测平均亩产量可达3230.9kg,能够满足马铃薯精密播种农艺要求。
【关键词】:马铃薯 双列交错勺带式 精量排种器 优化设计 离散元素法 高速摄像 试验
【学位授予单位】:东北农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:S223.2
【目录】:
  • 摘要10-12
  • Abstract12-15
  • 1 引言15-31
  • 1.1 研究目的与意义15-17
  • 1.2 马铃薯机械化精量播种技术17-18
  • 1.3 国内外马铃薯精量排种器研究现状18-27
  • 1.3.1 国外马铃薯精量排种器研究现状18-23
  • 1.3.2 国内马铃薯精量排种器研究现状23-27
  • 1.4 研究内容与方法27-29
  • 1.4.1 课题来源27
  • 1.4.2 内容与方法27-29
  • 1.5 技术路线29-31
  • 2 马铃薯种薯物料特性测定研究31-43
  • 2.1 试验材料31
  • 2.2 马铃薯基础物理特性测定31-35
  • 2.2.1 马铃薯几何特性测定31-33
  • 2.2.2 马铃薯质量及密度测定33-34
  • 2.2.3 马铃薯含水率测定34-35
  • 2.3 马铃薯摩擦特性测定35-39
  • 2.3.1 马铃薯静摩擦系数测定36-37
  • 2.3.2 马铃薯内摩擦角测定37-38
  • 2.3.3 马铃薯自然休止角测定38-39
  • 2.4 马铃薯力学特性测定39-42
  • 2.4.1 马铃薯刚度系数测定39-41
  • 2.4.2 马铃薯弹性模量测定41-42
  • 2.5 本章小结42-43
  • 3 双列交错勺带式精量排种器关键部件优化设计与分析43-55
  • 3.1 设计优化原则43
  • 3.2 排种器结构及工作原理43-45
  • 3.2.1 主要结构43-44
  • 3.2.2 工作原理44-45
  • 3.3 关键部件结构优化设计45-54
  • 3.3.1 双勺交错排种总成45-48
  • 3.3.2 主动驱动总成48-51
  • 3.3.3 振动清种装置51-53
  • 3.3.4 充种箱体53-54
  • 3.4 本章小结54-55
  • 4 基于离散元素法的马铃薯精量排种器充种性能仿真模拟分析55-67
  • 4.1 离散元素法理论及应用55-58
  • 4.1.1 离散元素法基本原理与力学模型55-56
  • 4.1.2 离散元素法在农业工程领域研究56-57
  • 4.1.3 离散元仿真软件EDEM应用57-58
  • 4.2 充种舀取过程动力学分析58-60
  • 4.3 EDEM虚拟仿真模型建立60-63
  • 4.3.1 排种器模型建立60-61
  • 4.3.2 马铃薯种薯离散元模型建立61
  • 4.3.3 其他参数设定61-63
  • 4.4 EDEM虚拟充种过程仿真63-64
  • 4.5 EDEM单因素虚拟充种性能试验64-65
  • 4.6 马铃薯精量排种器样机试制65-66
  • 4.7 本章小结66-67
  • 5 基于高速摄像技术的马铃薯精量排种器投种性能分析与试验67-74
  • 5.1 马铃薯种薯导种投送机理研究67-69
  • 5.2 基于高速摄像技术的投种轨迹测定试验研究69-73
  • 5.2.1 投种性能试验台搭建69-70
  • 5.2.2 试验材料与条件70-71
  • 5.2.3 试验轨迹处理与分析71-73
  • 5.3 本章小结73-74
  • 6 马铃薯精量排种器台架性能试验74-96
  • 6.1 试验材料与设备74-78
  • 6.1.1 试验材料74
  • 6.1.2 试验设备74-76
  • 6.1.3 因素及性能指标确定76-78
  • 6.2 排种性能试验78-95
  • 6.2.1 单因素试验78-89
  • 6.2.2 多因素试验89-95
  • 6.3 本章小结95-96
  • 7 马铃薯精量播种装置配置设计与田间试验96-110
  • 7.1 整机配置要求96
  • 7.2 整机总体结构及技术参数96-97
  • 7.3 关键部件选型配套97-102
  • 7.3.1 开沟器97-99
  • 7.3.2 覆土器99
  • 7.3.3 镇压轮99
  • 7.3.4 排肥器99-100
  • 7.3.5 肥箱100-102
  • 7.4 田间性能试验102-109
  • 7.4.1 试验条件102-103
  • 7.4.2 试验材料及设备103
  • 7.4.3 田间性能试验测定结果103-109
  • 7.5 本章小结109-110
  • 8 结论与展望110-113
  • 8.1 结论110-111
  • 8.2 创新点111
  • 8.3 展望111-113
  • 致谢113-114
  • 参考文献114-121
  • 攻读博士学位期间发表的学术论文121

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