（车辆工程专业论文）基于图像处理的小麦精密排种器实验研究.pdf

c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： “q i n g p r o c h u i j i e v i c es u p e r v i s o r l e c t l l r e rl i nh a i b o a c a d e m i cd e g r e ea p p e df o r ：m a s t e ro f e n g i n e e r i n g s p e c i a l 锣： d e p a r t m e n t ： v e h i c l ee n g i n e 嘶n g c 0 1 l e g eo fa u t o m o b i l ea n dt r a j l s p o r t a t i o n d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： j u n e2 01o u n i v e r s i t 、r ： q i n g d a ot e c l u l 0 1 0 9 i c a lu n i v e r s i t y 硕士学位论文 基于图像处理的小麦精密排种器 实验研究 学位论文答辩日期： 指导教师签字： 会成员签字： 唧占f 乡 彳1 瘟j 。 青岛理工大学工学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i 第1 章 1 1 1 2 1 - 3 1 4 第2 章 2 1 2 2 第3 章 3 1 3 2 3 3 绪论1 课题的来源与研究意义1 精密排种器研究现状2 1 2 1 国外精密排种器研究现状2 1 2 2 国内精密排种器发展现状2 排种器试验台研究现状。5 论文研究的主要内容5 小麦精密排种器的流场分析及仿真7 排种盘运动区域的划分7 气吸式小麦精密排种器种子动力学分析8 2 2 1 排种盘吸孔处的流场分析8 2 2 2 充种前种子动力学模型的建立1 0 2 2 3 充种区种子被吸附时的力学模型1 4 2 2 4 携种区种子的力学模型1 6 2 2 5 投种时种子的受力分析。1 8 小麦精密排种器气室流场的仿真分析1 9 2 3 1流体动力学仿真软件f l u e n t 概述2 0 2 3 2 流体性质的确定2 0 2 3 3 不同气室结构的流场仿真分析2 1 2 3 4 矩形不等断面气室流场的三维仿真分析2 5 2 3 5 不同吸种孔径的气室流场对比分析2 7 精播试验台总体结构设计3 1 试验台总体结构3 l 3 1 1 主要技术指标：3 1 3 1 2 电机及控制设备：3 2 试验台排种性能检测系统及控制系统3 2 图像处理设备3 3 3 3 1图像设备硬件3 4 3 3 2图像设备软件j 3 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 第4 章排种器试验方案设计3 8 4 1 回归设计3 8 4 2试验因素范围确定3 9 4 2 1吸孔孔径3 9 4 2 2 气室真空度。4 0 4 2 3 排种盘转速4 1 4 3图像检测4 2 4 3 1 图像处理原理4 2 4 3 2 图像去噪4 3 4 3 3 边缘锐化4 4 4 3 4 边缘检测一4 5 4 3 5阂值分割4 6 4 3 6 边缘提取4 7 4 3 7 种子粒距的测量4 8 第5 章试验结果分析4 9 5 1二次回归正交旋转设计参数4 9 5 1 1 因子水平编码5 0 5 1 2 回归正交旋转组合设计及结果5 0 5 2回归方差分析与拟合度检验5 2 5 2 1回归方程的显著性检验5 2 5 2 2 拟合度检验。5 3 5 2 3 二次方差分析5 4 5 3回归模型分析5 6 5 3 1主效应分析5 6 5 3 2 单因素效应分析5 7 5 3 3 各因素最优组合。5 8 5 3 4 误差分析6 0 总结与展望61 参考文献6 3 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作6 6 致谢6 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 小麦精密播种技术是一种先进的栽培技术，它能够适应我国农业生产向生态 农业、质量效益型农业发展的需要，是播种机械化的发展方向之一。要想增加小 麦产量，实行精密播种是最有效的途径之一。对于任何一种播种机来说，核心就 是排种器，它是决定播种机工作质量和工作性能优劣的重要因素。播种机能否满 足农业技术的要求或满足程度如何，在很大程度上主要取决于排种器的工作状 况。围绕山东省科技厅小麦精排机器人关键技术的开发与应用研究项目的要 求，本文基于图像处理技术对小麦精密排种器进行了试验研究，通过试验所得数 据为精播机器人提供所需参数依据。本文的研究内容如下： ( 1 ) 根据设计的排种器，依据流体力学原理，建立动力学模型，利用三维建模 软件和流体动力学仿真软件f l u e n t ，对不同结构参数的气室流场进行了三维仿 真分析，得出能满足吸种要求的最优气室深度结构和吸孔的最优直径范围。 ( 2 ) 本文设计开发了小麦精密播种试验台，运用自动化控制技术，实现试验台 的排种器电机、传送带电机和风机的无极变速，并使得试验台稳定运转。 ( 3 ) 利用图像处理软件，对采集到的图像进行去噪、阈值化、边缘检测等步骤， 测量小麦粒距，计算排种器的性能。 ( 4 ) 针对得到的试验结果进行二次回归分析；对于方差分析中不显著的项进行 剔除，再进行二次方差分析，以保证回归方程的可靠性和显著性。最后对回归模 型进行了分析。 关键词：气吸式排种器，流场分析，图像处理，二次回归正交旋转组合设计 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ew h e a tp r e c i s i o n s e c d i n gt e c h n 0 1 0 9 yi s o n ek i n do fa d v 锄c e dc u l t l 腿i t e c h i q u e ，w h i c hc a i lm a k et h ed e v e l o p m e i l to fo u rc o u i l 仃ya 鲥c u l t u r a lp r o d u c t i o nt o 也e e c 0 1 0 西c a la 鲥c u l t u r e a i l dt 1 1 e q u a l i t ye 伍c i e i l c ya 鲥饥1 t u r e ，w r h i c hi so n e d i r e c t i o n so fs e o d i n gm e c h a n i z a t i o nd c v e l o p m e n t t l l ep r e c i s i o ns e e d i n gt e 6 h n 0 1 0 9 ) ， i sm o s te f f e c t i v ew a y st 0i n c r e a s em e 如e l do fw h e a t f o ra n y1 ( i 1 1 do fd m l ，t h ec o r ci s t l l es e e d i n gm e c h a i l i s m ，i ti st h ei m p o n a 呲p a r 锄e t e rt od r i l lo nt l l e q u a l i 够跹d p e r f o m a i l c eo fw o r k w h e t l l e rm e “1 lc a nm e e tt l l er e q u i r e m e n t so fa 鲥c i l l t l l r a l t e c h n 0 1 0 9 ) r o rs a t i s f a c t i o nt oag r e a t ，i ti s l a r g e l yd 印e i l d e d o nm es e e d i n g m e c h a n j s m sw o r k i n gc o n d i t i o n a c c o r d i n gt om ep r o j e c tr c q u e s to fn l es h a l l d o n g p r 0 v i n c es c i e n c ea n dt e c l l i l 0 1 0 9 yh a l lo f 1 1 1 ek e yt e c h n o l o 西e sd e v e l o p m e i l ta n d a p 科i e dr e s e 删1o fw h e a tp r e c i s i o ns e e d i n gr o b o t ”，t h e 、他e a tp r e c i s i o ns e e d i n g m e c h a n i s mb a s e do ni m a g ep r o c e s s i n gi ss t u d i e d a n dt h ed a t ag o t 茧的mm es t u d yc a n p r 0 v i d eb a s i so np a r a m e t e r sw k c h 廿l er o b o td 印e 1 1 d s m a i l lr e s e 鲫c ha l sf o l l o w s ： ( 1 ) f r o ma n a l y z i n gt h es t m 鲍聪埘n c i p l eo fw h e a ts e e d i n gm e c h a i l i s m ，t l l e s t n l c m r ep r o g r a mo fw h e a tp r e c i s i o ns e e d i n gm e c h a i 】j s mi s 掣o p o s e d ，a tm es 锄e t i m et 1 1 es 仃c n l r ea n dp 缸聊e t e r so fw h e a t p r e c i s i o ns e c d i n gm e c h a i l i 锄a r ed e s i 印e d a c c o r d i n gt om ep r i n c i p l eo fh y d r o m e c h a n i c s ，t h ed y n 锄i cm o d e ll o c a t e di nt h e s u c t i o nh 0 1 e ，t h e 丘l l i n gs e e da r e aa n dm ec a 玎咖gs e e da r e aa n dt l l ec a l s t i n gs e c da r e a a r ef o u i l d e d u s i l l gt l 北e d i n l e i l s i o n a lm o d e l i n gs o 觚a r ea n df l u e i l t 、) l 桠c hi sm ef l u i d d ) ，i l 锄i c ss i m u l a n o ns o f h a r e ，i th a sc a r 五e do nn l em r e ed i 玎 1 e n s i o n a ls i i n u l a t i o n a n a l y s e st ot 1 1 ed i 行打e n td e s i 朗p a r a l i i l e t e ro fa i rc h 锄b e rn o wf i e l d t l l e 叩t i m i z a t i o n a i rc h 锄b e rd 印t l ls t r i l c t l l r e 锄dt h eo p t i m m nd i 锄e t i e rs c 0 p eo fa n s u 嘶o nh o l ea r e o b 妇e d ( 2 ) t 1 l et e s ta b o u tw h e a tp r e c i s i o ns e e d i n gm e c h a i l i s mi sd e s i 印e df o rt e s t i n gt h e r o w i n gp e r f o m a l l c eo ft h es e e d i n gm e c h a n i s m t h ea u t o m a t i o nc o n t r o lt e d m 0 1 0 9 yi s u s e dt or e a l i z et l l a tn l em o t o r so fs e e d i n gm e c h a n i s m ，b e l ta n dt h ef - a n sc a nc h a i l g e 也e i rs p e e d si n f i i l i t e l yv a r i a b l y t h a tm a l ( e st h et e s tw o r ks t a b l y ( 3 ) t h ed i 曲a n c e so f 、柚e a ta r em e a 删b yi l a g ep r o c e s s i n gs o m 7 i r a r et l l r o u g h n o i s er e m o v a l ，n l r e s h 0 1 d i n g ，e d g ed e t e c t i o na 1 1 do t h e rs t e p s a n dt 1 1 ed i s t a n c eo fw h e a t w i ub ec a l c u l a t e d 1 1 1 也ee 1 1 d ，p e r f o m a i l c eo fm es e e d i n gm e c h a n i s mi s 酉v e n ( 4 ) u s i l l gq u a d r a 畸cr e g r e s s i o na n a l y s i s ，m er e s u l t s 黜a n a l y z e d t oi n d i s 血c t i v e p 娥皿e t e 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】。气力式排种器具有对种子的形状和尺寸适应性较强、 损伤轻等优点，可以实现小麦种子的精密播种，但是目前应用在小麦精密播种的 气力式排种器结构较复杂，操作及维护要求较高，而且播种精度与精密播种还有 很大的差距，需要对其结构和参数进行更深的研究与开发，来满足小麦精密播种 的要求。目前小麦精密播种机都是与农用机具配套使用，其精度更大的取决于农 用机具的行走精度，因此播种的精度受到了极大的限制。 由于这些小麦精密播种机还不能完全满足我国小麦精密播种的要求，在此环 境下我们提出了小麦精播机器人。小麦精播机器人是利用自动化控制技术设计 的，用来独立完成小麦的精密播种的机械。其不仅能节省劳动力，更能提高控制 及作业精度，提高作业效率，满足作物农艺的要求，增加作业者的舒适性及安全 性。小麦精播机器人关键技术的研究开发对小麦精播技术的推广以及农业机械化 水平的发展具有重要的意义。 而本文研究的基于图像处理的精密排种器试验台是小麦精播机器人技术的 研究的重要组成部分。精密排种器试验台是对精密排种器性能测试的主要设备工 青岛理工大学工学硕士学位论文 具，它模拟排种器在田间的工作状态，并可以对排种器进行多次重复试验。随着 精密播种技术、测试技术、计算机技术以及控制技术的不断发展，排种器试验台 正向适应范围广、测量精度高、机械结构简单、操作方便、效率高的方向发展， 为此本课题利用计算机检测技术、p l c 控制技术和机器视觉的视频采集与处理系 统开发了一套数字化的小麦精播排种器试验台，验证排种器试验台的准确性与可 靠性，为精播机器人排种器的参数选择和排种性能提供依据。 1 2 精密排种器研究现状 1 2 1 国外精密排种器研究现状 从2 0 世纪6 0 7 0 年代起，欧美一些国家对小麦精播技术进行了研究，并开 始了小麦精播机的研制。1 9 6 1 年，p o e m m a nj m 研制过机械式小麦精量排种器， 排种装置是一锥体。1 9 7 1 年，英国采用h e s t a i r - s t a n h e y 公司生产的p c d 8 0 机械 式小麦精密播种机进行播种，排种器为垂直圆盘式，带有双排型孔，用转速调节 播量【2 1 。1 9 7 6 年，西德f a l l s e 公司生产了气吸式小麦精量播种机。该机行距为 1 0 c m ，工作幅宽2 3 m ，开沟器为滑刀式，排种器吸盘直径为西2 4 5 m m ，吸孔直 径为2 m m ，每个吸盘上有9 6 个吸孔，气室负压为3 4k p a ，其精密播种的精 度低，没有推广应用。前苏联研制过机械式小麦精密排种器，其型式为垂直圆盘 双排椭圆孔，播种小麦囊种系数可达9 4 9 7 ，但是种子损伤率很高【3 】。 8 0 年代初，奥地利h w a l t e r & h w i n t e r s t e i g e r 硒e d 公司研制成功了由一个固 定的带螺旋槽的圆盘和一个转动的带有径向槽的圆盘相叠的组合吸孔式排种器。 组合吸孔式排种器( 简称w 恤型排种器) 是在垂直圆盘气吸式排种器工作原理 的基础上，在结构原理上的重大突破和创新。它可以播种各种规格的种子，精确 性高，无清种装置，具有良好的单粒排种效果，在世界各国的小区育种工作中得 到广泛应用【4 1 。奥地利、研n t e r s t e i g e r 的小区播种机所使用的w i n 型排种器虽然在 播种小麦时具有相对较高的精确性，但是，它存在结构复杂，作业速度低，稳定 性差等缺点，还不能用于田间作业。国外对小麦单粒精密排种器的研究仅仅停留 在实验上，还没有应用于生产实际。 1 2 2 国内精密排种器发展现状 ( 1 ) 水平圆盘式排种器 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 排种器工作时，种子箱内的种子靠自重填充到旋转着的排种盘型孔中，并随 排种盘转到刮种器部位时，刮种舌将排种盘上多余的种子刮掉，保留在型孔内的 种子转到排种口时，种子在自重和投种器作用下落入种沟内，结构如图1 1 所示。 1 - 投种器2 - 刮种器3 - 排种盘 图1 1 水平圆盘式排种器结构原理 排种盘上的型孔由种子形状、尺寸和每穴要求粒数确定，并按一定的间距排 列。排种的株距与排种盘转速和孔数有关。播种机上都配有多种槽孔尺寸的排种 盘，可根据所播作物种子尺寸、播量和株距来选用。2 b j m 型锥盘式小麦精密排 种器就是由该类排种器的结构改进优化而成。水平圆盘式排种器结构简单，工作 可靠，均匀性好，使用范围广，适于播种玉米，高粱，大豆等，可换装棉花排种 盘作为棉花条播机使用，可换装磨盘式排种器条播中耕作物【5 】。但对高速播种的 适应性较差，在单粒精密播种时，种子必须按尺寸分级且碎种率高。 ( 2 ) 滚筒式精密排种器 1 壳体2 滚筒3 投种轮禾刮种器 图1 2 滚筒式精密排种器 南京农业大学蹇兴东等研制了滚筒式小麦单粒精密排种器。排种器结构如图 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 2 所示，排种滚筒上沿轴线方向有2 6 排型孔，每排沿圆周方向均匀分布5 0 6 0 个长圆形型孔。排种器工作时，随着排种滚筒的转动，滚筒内种子室的种子靠重 力和离心力充入滚筒上的型孔之中，每个型孔内充入一粒种子，最多可充入两粒， 当型孔转至刮种器下方时，刮种器刮去型孔外的种子，型孔内的种子随滚筒转动 到排种口，靠重力和投种轮的压力投出型孔【6 】。该排种器主要用在圆形颗粒的种 子，对种子的损伤小，但合格指数不高，重播率和漏播率较大。 ( 3 ) 气吸式排种器 气吸式排种器主要由真空室、吸气管、刮种片、排种盘和种子室构成，结构 示意图如图1 3 所示，带有吸种孔的排种圆盘4 将吸室1 和种子室5 隔开，背面 是与吸气管2 相连接的真空室，正面是充种室与种子相接触。当圆盘回转时，真 空室的负压将种子吸附在吸孔上，随圆盘一起转动至刮种片3 时，多余的种子被 刮掉，转至圆盘下方卸种位置时，吸附有种子的吸孔越出真空室，吸力消失，种 子靠自重或推种器落入种沟内川。气室吸力可通过转速或进出口风门大小来调 节。通用性好，更换具有不同大小吸孔和不同吸孔数的排种盘，便可适应各种不 同尺寸的种子及株距要求。与其他气力式排种器相比，结构相对简单，可以单粒 点播、穴播和条播。目前主要用于玉米、大豆、甜菜、棉花等作物。 5 1 真空室2 吸气管3 刮种片4 - 排种盘5 种子室 图1 3 气吸式排种器结构示意图 从我国目前情况来看，机械式的小麦精密排种器占主导地位，气力式的只应 用在小区上。由于机械式的小麦精密排种器种子损伤率高、且为精量播种，而气 力式的播种效果较好，不伤种子，对种子尺寸要求不严格，通用性好，田间作业 速度较高，因此小麦精密播种机的发展应以气力式为主。 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 3 排种器试验台研究现状 排种器试验台常用的排种量测试方法有：( 1 ) 接种带上涂黄油作为粘胶剂，固 定下落种子，靠人工数种。通常取若干等间距的区段作为一个取样单位，数出落 在每一个区段内的籽粒数作为统计样本，计算出每个区段上平均落粒数，标准差 和变异系数。( 2 ) 利用电子数种器记数。按等间距或等间隔统计总的排种量，与 标准排种量进行比较算出变异系数；( 3 ) 利用计算机技术，利用软硬件技术相结合 的办法，将测试电路采集到的种子流信号送入单片机进行处理。 上述几种方法均有其特点和适用范围。由电子数种器统计出来的结果是基于 对某种离散型随机变量的统计，纯粹是统计量，效率比人工检测高；排种均匀度 测量装置无论从检测效率还是从精度上看无疑都比人工分段检测法提高了一大 步。但是，这种检测装置的体积大、重量较大、功耗大、成本较高，不利于推广。 排种量均匀度单片机测试系统与电测装置相比，由于利用了软硬件相结合的方 式，实现了轻便、成本低、性能好、安装使用方便等要求。由压电式传感器和单 片机组成的测试系统是根据种子落在传感器上的声音进行检测，因此当种子在传 感器上有重复弹跳时，测试结果就会产生误差。 本文的试验台应用图像处理系统对小麦落种进行粒距检测，避免了直接手工 测量的接触式，提高了测量精度和准确度；利用l a b v i e w 图像处理软件，图形 化编程语言和集成的模块工具，便于程序编写，且系统稳定性好。利用二次回归 方法对试验结果进行分析。通过这个方法对能对精密播种机的播种质量进行很好 的检测，进而计算出影响排种器性能的最优组合。 1 4 论文研究的主要内容 针对排种器试验的要求，设计研究基于机器视觉的数字化排种器试验台。利 用计算机、图像处理检测技术、p l c 及变频器技术等进行排种器试验台自动控制 系统的设计开发。采用p l c 控制变频器来带动电动机的运转，使排种器、传动 带在不同的转速下稳定运动，模拟各种精密排种器在田间作业状态。采用美国国 家仪器公司( n a t i o n a li n 蜘e n t sc o r p o r a t i o n ，简称n i 公司) 的图像处理软件以 及1 3 9 4 图像采集卡，采集播落到传送带上的小麦种子，通过数据线传送到电脑 里，通过图像处理软件分析落到传送带上的小麦种子的粒距和均匀度情况，分析 青岛理工大学工学硕士学位论文 得出小麦的合格率、漏播率、重播率以及均匀度系数等参数，对精播机器人的排 种器的性能参数加以修正。 ( 1 ) 依据流体力学原理，通过分析气吸式排种器吸孔处的流场分布，建立 了种子吸孔处、充种区、携种区以及投种区的动力学模型，通过分析不同区域的 模型得出压力与吸孔直径、排种盘转速的关系表达式。利用三维建模软件和流体 动力学仿真软件f l u e n t ，对不同结构参数的气室流场进行了三维仿真分析。通过 比较矩形相等断面和矩形不等断面的流场仿真分析图，得出矩形不等断面具有更 好的吸种性能；通过对四种矩形不等断面和不同吸孔直径的流场进行分析，得出 能满足吸种要求的最优气室深度结构和吸孔的最优直径范围。 ( 2 ) 设计并制作试验台整体构架，选择试验台所需设备，使得试验台能够 实现排种器位置固定，而传动带( 代替实际中的土地) 以某一速度运转，模拟实 际播种情况。 ( 3 ) 使用机器视觉设备来处理下落到传送带上种子的粒距、均匀度等数据。 对机器视觉技术进行系统的研究，包括图像的采集、图像的处理等等。图像的处 理包括图像的基本处理方法，结合实际应用研究算法，由于小麦播种识别应用在 实际生产中，所以要求识别系统的实时性与稳定性。 ( 4 ) 对试验结果进行二次回归分析；对于方差分析中不显著的项进行剔除， 再进行二次方差分析，以保证回归方程的可靠性和显著性。最后对回归模型进行 了分析。 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章小麦精密排种器的流场分析及仿真 对于任何一种播种机构来说，核心就是排种器，它是决定播种机工作质量和 工作性能优劣的重要因素，播种机能否满足农业技术的要求或满足程度如何，在 很大程度上主要取决于排种器的工作状况。排种器的工艺实质是：通过排种器对 种子的作用，将种子由群体化为个体、化为均匀的种子流或连续的单粒种子。精 密排种器按其工作原理可分为机械式和气力式。在分析现有的精密排种器的结构 及原理的基础上，经过对不同排种器初步试验与对比分析，得出气吸式排种器具 有伤种少、对种子外形尺寸要求不严、通用性好等优点【8 】。因而本课题选择气吸 式排种器作为小麦精播排种器的设计方案【9 】。通过分析气吸式排种器的结构特 点，得出限制小麦气吸式精密排种器开发研究的主要问题是种子形状不规则与气 吸式排种器吸孔形状单一匹配的矛盾，这即是要研究排种盘吸孔尺寸及吸室压力 对精密播种的影响，进而选择最优方案。 2 1 排种盘运动区域的划分 影响气吸式小麦精密播种机构工作质量的主要部分是排种装置。本节就气吸 式排种器小麦种子的吸附机理及影响工作性能的因素进行研究。排种器装置由排 种盘、种子箱和气力吸种及投种等部件组成。影响气吸式排种器排种性能的因素 很多，研究表明，除了排种器结构因素之外，直接影响排种性能的还有气室的真 空度、吸孔孔径及排种盘线速度等。由于气吸式排种器主要是靠吸力完成种子从 种室内分离出来及充种、携种的，因此需要依据小麦种子精密播种的要求及种子 尺寸参数，对气吸式排种器各区域进行动力学分析，分析气室真空度，即排种盘 吸孔所需吸力的大小与种子运动有关因素的相互关系对排种性能的影响。 种子从被吸附到脱落，其受力大致分为三个阶段：充种区、携种区和投种区。 在充种区，种子从种子堆中分离被吸附到排种盘上：在携种区，种子被吸孔吸住 并转动至投种区；在投种区，吸附种子的吸孔隔离负压与大气相通，在投种装置 的作用下落入种沟。气室与排种盘的接触面为弧状圆环形，被分为充种区和携种 区两部分，结构示意图如图2 1 所示。而投种区是在气室之外，两侧没有压力差， 从而有利于种子的投种。通过对种子在各区域的受力和运动情况进行理论分析， 得出种子合格率的主要影响因素，建立气室压力与排种盘转速、吸孔孔径的力学 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 模型，从而为参数的优化设计提供有力的依据。 图2 1 种子在排种盘上运动的区域划分 在充种区，由于需要将种子吸到吸孔上必须克服种子之间的摩擦力，而有时 种子之间的摩擦力数倍于种子的重力，因此需要的最大真空度产生在吸种区。为 此需对充种区内的种子进行受力分析，推导出种子充种所需的压力与吸孔大小以 及排种盘转速之间的关系，并求出能保证吸种的临界真空度。研究表明，在充种 区能保证顺利吸种的真空度，可以作为保证排种器正常工作所需要的最小的临界 真空度。 种子在气孔趋近之前呈静止状态，当气流孔运动进入种子群时，临近气流孔 的种子在吸气流场的作用下，产生向吸孔推进的力，使种子产生向气孔方向运动 的趋式。同时种子受到其它种子的摩擦力作用、重力作用以及上层种子的压力作 用。因此种子在被吸附在气孔上之前的受力和运动过程复杂。以下就对种子的运 动过程和规律进行分析。 2 2 气吸式小麦精密排种器种子动力学分析 2 2 1 排种盘吸孔处的流场分析 从摄像观察气吸式排种器吸种过程发现，绝大多数吸孔是从种子堆的表层吸 取种子的。原因是因为吸种孔位于吸种区种子层内部时，气流要通过较厚的种子 层才能抵达吸种孔，而在这一段路程阻隔之后，已经发生了较大的气压降，不能 8 一 青岛理工大学工学硕士学位论文 保证足够的吸种、固种能力。因此气吸式排种器分离种子的过程只能在吸种区种 子堆的表层进行。由于受气室内负压的作用吸种孔外侧的空气流入吸种孔，在吸 种孔附近形成气流速度场，种子受气流作用克服自身重力和种子间摩擦力而被吸 种孔吸住。 图2 2 为理想状态下，在没有种子阻挡吸孔时，吸孔处流场的分布示意图。 吸种孔内侧为气室通道，吸种孔外侧为以吸种孔中心线上一点为球心，以变量r 为半径，形成无数个同心似球面的等势面，在这些等势面上气流能量之和为常数， 即动静压之和为常数，即： 足+ 去麻= c 3 盛 ， ， 2 一 翅 7 j f 一 1 一吸种盈2 - 吸种孔3 - 能量等值面 图2 2 吸孔处流场的分布示意图 对于四周有边的圆形吸气口，周围点的吸入速度与吸气口的平均流速之间的 关系 1 0 】： 造：o 7 5 坐 叫s ) ( 2 2 ) v 4 式中： 一吸种孔的平均气流速度( m s ) ； 屹一周围控制点的吸入气流速度( 州s ) ； x 一控制点至吸气口的距离( m m ) ： 卜吸种孔面积， 么2 言万d 2 ( d 为吸种孔直径，单位为m m ) 。 由式( 2 2 ) 可知，控制点至吸气口的距离x 越小，即越接近吸种孔，气流 速度v 越大，吸附种子的动能越大；反之，z 越大，气流速度v 越小，而静压增 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 大，直至接近大气压。在吸种孔内侧气流速度达最大值时，静压却为最小值。 2 2 2 充种前种子动力学模型的建立 在充种区，作用在种子上的力及其变化是复杂的，为便于分析，做如下假设： ( 1 ) 吸孔之间距离远大于吸孔直径，因此忽略吸孔之间相互影响，研究单 粒种子在吸孔附近的受力情况； ( 2 ) 由于小麦种子的形状为椭球体，其位置不确定性决定了其在流体方向 上投影面积的不确定，经过分析研究，假设其面积为小麦种子长度方向上的投影， 也为定常值4 【1 1 】。 假设种箱中种子均匀排列，且与水平方向种子接触力受力平衡。种子所受压 力为其上方所有种子重力之和。在充种阶段，被吸孔吸住的种子都是在种箱上层 的种子，以第四层的种子为对象对所受压力进行分析，得到被吸附的种子受到上 层种子向下的压力l 在理想的状态下取不大于单粒种子重力的3 倍。另外，由 于种子在吸孔流场中的升力不可能大于种子的重力以及上层种子对下层种子的 压力，因此还存在下面种群对种子的支持力，由于水平方向的受力平衡，为 了简化计算把支持力的方向设为垂直向上。种子除了受到以上所说的重力g 、压 力l 、支持力m 以及种子之间的摩擦力f r 外，还受到流体作用在种子上的绕流 阻力和绕流升力凡。种子在吸孔处流场受力示意图如图2 3 所示。 为了使种子能充入吸孔，必须保证种子在特定的时间内能到达吸孔即在特定 的时间内能被吸孔吸附。通过受力分析建立运动学平衡方程： 了x = o ，一 昂一弓一所警= 。 ( 2 - 3 ) y y = o f + ，g 1 ：o ( 2 4 ) j o1 种子受到的支持力m 也是种子对下面种群的压力，因此由摩擦力计算公式 得出： = ( l + g e ) 培y ( 2 - 5 ) 式中：聊一一粒种子的质量；g 一一粒种子的重量；y 一种子的自然休止角 l 一种子受到的压力；2 一种子受到的支持力；三一种子前端距吸孔的距离。 1 0 一 青岛理工大学工学硕士学位论文 图2 3 种子在吸孔处的受力示意图 取l = 3 g 得出： = ( 4 g 一五) 留y 孔口处的气流速度与压力差却之间的关系： v o 2 妒俘 协6 ， 式中： 叩一孔板速度系数；p 一空气的密度。 由以上分析得出种子所产生加速度的表达式：粤：兰 曼 隹种子产生向吸孔运动趋势的必要条件是：警 。，即：昂一。 。， 则： 尼= 户譬4 ( g + 川一e ) x 留y 将公式代入上式，整理得出在距吸孔距离为工处，种子被吸附所需的流场流 速坎的临界值： 匕 2 由式( 2 - 2 ) 的关系代入上式醌 吾( 宰) 隔 吸孔流速和压差之间的关系式( 2 6 ) 得出： 眇扣警，2 蔬啬丽 协7 ， 青岛理工大学工学硕士学位论文 以上仅仅是产生种子向吸孔运动力的必要条件，要使种子吸附到吸孔上，还 与排种盘的转速以及种子距吸孔的距离有关。随着排种盘转速的提高，对气流速 度的要求更高，如果要使距吸孔稍远处的种子能被吸孔吸住，这就要求种子运动 到吸孔的时间( 乃) 小于排种盘转过吸孔距离的时间( 昂) ，即：乃乙。由于吸 孔的直径小，可用吸孔直径d 除以吸孔处排种盘的线速度v 来计算乃，得出： 正j 盎呤导棚：晶中等 将昂= c d 4 竿；最= q 4 竿；毋= ( 4 g 一瓦) 留y 代入上式得出： 屹2 压磊 ( 2 8 ) 将式( 2 - 2 ) 的关系代入式( 2 - 8 ) 黜v o 吾( 半) j 杀杀豫 最后由式( 2 6 ) 关系式化简得出，保证吸孔能吸附种子的气室真空度的关系式 为： 卸扣孚，2 意稳 协9 ， 式中：q 广绕流阻力系数；q 一绕流升力系数； 么l 一种子在流体方向上投影面积；卜排种盘吸孔处的线速度； 拉吸孔的直径，卜种子前端距吸孔的距离。 从上式看出，在种子位置x 与排种盘转速v 相同的条件下，吸孔的孔径越大 所需要的真空度相对越小；而在种子位置x 与孔径d 相同的条件下，随着转速的 增大所需的吸室真空度越大。种子能被吸孔吸附的条件是吸孔处的压力满足上式 的要求。 由吸孔的设计参数可知，其直径的变化范围为1 8 2 8 m m ，当直径和x 为固 定值时，设口o = 4 妒2 d 2 ( c d + q 增y ) ；口。= 三( 1 + 等) 2 删；口：= 詈( 1 + 等) 2 d 2 g 留y ， 则上式可化简成： 幻旦1 ，2 + 垒 n o口0 由于排种盘转速有其最大值，z l ，在超过这个转速时，就不可能吸住种子，因 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 此压力随着转速达到最大也有其最大值p l ，从上式可以看出压力却与吸孔处的 转速，z 之间的取值关系如图2 4 所示，压力和转速的可选值为阴影的区域。 妒ji 日 ( 刀斗旦 口 o 一 疗l ，z 图2 _ 4 压力和转速的关系图 在相同吸孔直径d 和v 的情况下，随着x 距离的增大，满足吸种条件所需要 的压力值就会急剧增大，而x 距离的大小与搅种盘的搅动作用密切相关，因此， 搅种盘的大小和凸辊的多少对排种器的合格率也起到关键重要的作用。 试验采用“青丰一号”种子，种子的千粒重测定为4 2 9 ，外形尺寸的长、宽、 高的均值依次为7 1m m 、3 5m m 、3 2 m m 。以2 8 孔，2 4 m m 孔径的排种盘进行 计算，为了保证播种的效率和合格率的性能要求，排种盘的转速取为2 5 r m i l l ， 则v ：掣：o 2 2 3 m s ，平= o 9 7 ，f 2 8 。，4 ：车：8 o 1 0 一6 肌2 。由于搅种盘不断 6 0 。1 4 。一 旋转的搅动种子箱中的种子，使种子和搅种盘的间距很小，经高速摄像机观察， 被吸孔吸住的种子都是和吸孔距离最近的种子，设工的最大值为2 珊m 。由计算 并查表得出q _ 0 4 8 ，q = 0 3 2 ，估算真空度p 的吸种范围为0 8 4 2 l 【p a 。但是 实际的最优吸种压力值介于此范围之间，需要进行试验研究来确定。图2 6 所示， 在气室压力为2 8 l ( p a 时，已经能达到9 9 6 的吸种率，但是也存在重播率增加的 问题。 1 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 图2 5高速摄像观察吸孔吸附种子的瞬间 图2 6 小麦精密排种器的临界真空度p 充种试验 2 2 3 充种区种子被吸附时的力学模型 种子被吸附后，其受力状况与被吸附前不同。上面己分析了吸孔处种子的受 力及运动情况，下面进一步分析种子被吸附后的受力及运动。在充种区，种子受 到自身的重力g ；由提供的通过吸孔的吸力尸；种子在吸力的作用下随排种盘旋 转引起的离心惯性力山其方向随转角口而改变；种子受到摩擦力勖( 包括种子 离开种子堆时的瞬间阻力和被吸孔吸住以后移动时，排种盘与种子之间的摩擦 力) ，离开种子堆后此力消失：排种盘上吸孔对种子的反力，由1 和2 组成， 但是其存在受到条件的限制。种子被吸附到排