（机械设计及理论专业论文）超级稻精密播种机离散元分析与试验研究.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名： 闺钎 2 - 0 年d 6 月日 指导教师签名：r 第! m 侔占月f 馅 1 分类号s 2 2 31 2 u d c 密级 公珏 编号 ! q 2 窆窆s q 墨q 3 q 5 2 江荨大擎 硕士学位论文 超级稻精密播种机离散元分析与试验研究 d i s c r e t ee l e m e n ta n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d yo f p r e c i s i o ns e e d e rf o rs u p e rr i c e 申请学位级别 亟 专业名称 扭拯遮i 土盈理诠一 论文提交日期2 q 兰! 生5 月论文答辩日期2 q 兰兰生鱼月 学位授予单位和日期江蒸太堂至q 曼曼生鱼旦 囊窭摹：二：二 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 水稻种植在我国农业生产中起着举足轻重的作用，我国水稻种植 主要采用育秧移栽方式。随着超级稻种植的推广，播种精度要求由原 来每穴播种2 - - 5 粒提升到每穴1 - - - 2 粒，人们对精密播种机的需求日益 增长，因此研制高精度、高效率的精密播种机是当务之急。气吸振动 式精密播种机具有对种子尺寸要求不高、不需精选分级、伤种率低、 对种子适应性强、可靠性高、节约成本、能进行较高速度播种的优点， 该类型播种机已经成为国内外播种装置的主要研究方向之一。本文在 自行研制的精密播种机试验台上进行试验，分析了振动对于种群运动 的影响，研究了振动种盘中种子的运动规律，得出影响吸种精度的主 要因素为种盘的激振装置的振动参数以及吸种部件气流场分布。本文 主要的研究内容如下： ( 1 ) 设计了影响播种机吸种性能的激振装置和吸种部件并对正负 气压源等参数进行了选择。测量了超级稻种子的三轴尺寸、形状特征、 刚度等参数，并建立超级稻种子的三维模型。建立了振动种盘力学模 型并对其进行理论分析，运用a d a m s 软件对激振种盘的曲柄滑块机构 末端运动进行仿真，得出该机构末端近似为简谐运动。 ( 2 ) 基于离散元法的基本思想，采用h e r t z m i n d l i n 接触模型，运 用e d e m 软件对振动种盘中水稻种群运动进行模拟仿真。分析不同频 率、振幅、种层厚度对种群空间分布密度的影响。对仿真区域垂：随于 种盘方向进行均匀分层，得到不同时间种群在每一层的分布情况，仿 真结果表明：种盘振动频率为1l - - , 1 2 h z 、振幅为1 2 1 3 m m 、初始种层 数为3 5 时，种群在振动种盘中的空间离散程度较为理想。 ( 3 ) 在自行研制的播种机试验台上进行试验验证，选取种盘振动 超级稻精密播种机离散元分析与试验研究 频率、振幅、种层数、吸种距离为试验因素进行正交试验，得出振动 频率为l l h z 、振幅为1 2 m m 、初始种层数约为4 、吸种距离为3 0m m 时 吸种效果理想，播种机1 2 粒吸种率超过9 3 ，为气吸振动式播种机振 动种盘参数设计和吸种盘吸种定位装置设计提供了理论基础。 关键词：气吸式，精密播种机，超级稻，种群运动，e d e m 仿真 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t r i c ep l a y e da n i m p o r t a n tr o l e i na g r i c u l t u r eo fc h i n a s e e d l i n g s r a i s i n ga n dt r a n s p l a n t i n gw e r em a i n l yu s e di nr i c ep l a n t i n gi no u rc o u n t r y w i t ht h ee x t e n s i o no fp l a n t i n gs u p e rr i c e ，p l a n t i n gp r e c i s i o nw a sp r o m o t e d f r o m2 5g r a i n sp e rh o l et o1 2g r a i n sp e rh o l e t h ep r e c i s i o ns e e d e r w a sd e m a n d e dm o r ed a yb yd a y s od e v e l o p i n gah i g h - p r e c i s i o na n d h i g h e f f i c i e n c yp r e c i s i o ns e e d e ri s a nu r g e n tm a t t e r v a c u u m - v i b r a t i o n p r e c i s i o n s e e d e rh a db e c o m eo n eo ft h er e s e a r c hd i r e c t i o ns i n c ei t s a d v a n t a g e so fl o w e rr e q u i r e m e n to fs e e ds i z e ，l o w e rh a r m f u lt os e e d ，h i g h e r u n i v e r s a l i t y ，w i d e ra d a p t a b i l i t y ，l o w e rc o s t ，e a s i e rt oi m p r o v et h ew o r k e f f i c i e n c ya n dr e a l i z ea u t o m a t i cc o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r ，t a k i n gs e l f - m a d e p r e c i s i o nt e s t r i g a s e x p e r i m e n t a l s e e d e ra n d s u p e r r i c es e e d sa s e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l s ，b o t ht h ei n f l u e n c eo fv i b r a t i o nt os e e d sm o t i o na n d t h em o t i o no fs e e d si nt h ev i b r a t i o np l a t ew e r ea n a l y z e d t h em a i nf a c t o r s w h i c hi n f l u e n c e dt h ep r e c i s i o no fs e e d e rw e r et h ev i b r a t i o np a r a m e t e r so f e x c i t i n gd e v i c eo fp l a t ea n df l o wf i e l dd i s t r i b u t i o no fa i r - s u c t i o np a r t s t h e r e s e a r c hc o n t e n ta n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 a3 - dr a p es e e dm o d e lw a se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h eg e o m e t r y s i z e ，s h a p ef e a t u r e sa n dr i g i d i t y v i b r a t i o nd e v i c ea n da i r - s u c t i o np a r t st h a t i n f l u e n c e dt h es e e ds u c t i o n p e r f o r m a n c ew e r ep a r t i c u l a r l yd e s i g n e d p o s i t i v e n e g a t i v ep r e s s u r e s o u r c e sa n do t h e rs t r u c t u r ep a r a m e t e r sw e r e c h o s e n t h ef o r c em o d e lo f v i b r a t i n gp l a t e w a se s t a b l i s h e da n d t h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d t h em o t i o n o ft h et e r m i n u so fs l i d e r - c r a n k m e c h a n i s mw h i c he x c i t i n gv i b r a t i o np l a t ew a ss i m u l a t e db ya d a m sa n d g o tt h em o t i o no ft h ee n dw a ss i m p l eh a r m o n i cm o t i o n 2 r i c es e e d sm o t i o no nav i b r a t i n gp l a t ew a ss i m u l a t e du s i n gd i s c r e t e 超级稻精密播种机离散元分析与试验研究 e l e m e n tm e t h o ds o f t w a r ee d e m t h em e c h a n i c a li n t e r a c t i o nf o r c e s ，b o t h b e t w e e ns e e da n dt h ep l a t ea n da m o n gt h es e e d sw e r em o d e l e db y h e r t z - m i n d l i n ( n os l i p ) w i t h t h ev a r i a t i o no fv i b r a t i o n f r e q u e n c y ， a m p l i t u d ea n ds e e d s i n i t i a lt h i c k n e s s ，t h e i re f f e c t so nt h es e e d ss p a t i a l d i s t r i b u t i o nw e r ea n a l y z e d t h es i m u l a t i o na r e aw a sd i v i d e di n t ou n i f o r m l a y e r si nv e r t i c a ld i r e c t i o na n dt h es e e d ss p a t i a ld i s t r i b u t i o ni nl a y e r sa t d i f f e r e n tt i m ew a so b t a i n e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h ep l a t e v i b r a t i o nf r e q u e n c yo fl l - - 。1 2 h z ，v i b r a t i o na m p l i t u d eo f1 2 - - 。1 3 m ma n d s e e d si n i t i a lt h i c k n e s so f3 5 ，t h ei d e a ls e e d ss p a t i a ld i s t r i b u t i o nw h i c hi s b e n e f i c i a lt oi m p r o v es u c t i o np r e c i s i o nc a nb er e c e i v e d 3 p l a t ev i b r a t i o n f r e q u e n c y ，v i b r a t i o na m p l i t u d e ，s e e d s i n i t i a l t h i c k n e s sa n ds u c k i n gd i s t a n c ew e r es e l e c t e da si n f l u e n c i n gf a c t o r s ，t h e n o r t h o g o n a le x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u to ns e l f - m a d et e s t r i ga n dr e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h ep r e c i s i o ns u c t i o nr a t i ow a sg r e a t e rt h a n9 3 w i t ht h e p l a t ev i b r a t i o nf r e q u e n c yo fl lh z ，v i b r a t i o na m p l i t u d eo f1 2 m ma n ds e e d s i n i t i a lt h i c k n e s so f4 t h es t u d yp r o v i d e sab a s i sf o rt h es t r u c t u r a l a d j u s t m e n ta n dw o r k i n gp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o no ft h es e e d e r k e yw o r d s ：a i r s u c t i o n ，p r e c i s i o ns e e d e r ，s u p e rr i c e ， s e e d s m o t i o n ，e d e ms i m u l a t i o n 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 1 1 1 研究目的及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 播种机的分类2 1 2 2 国外研究现状2 1 2 3国内研究现状。3 1 3 本课题研究的主要内容、技术路线、预期效果及创新点5 1 3 1 本课题研究的主要内容5 1 3 2 本课题技术路线5 1 3 3 本课题预期效果及创新点。6 第二章精密播种机试验台主要结构参数设计 7 2 1 精密播种机试验台总体结构及工作原理7 2 1 1 总体结构7 2 1 2 工作原理8 2 2 曲柄滑块机构设计8 2 2 1 连杆、曲柄长度设计8 2 2 2 可调节曲柄装置设计9 2 3 吸种部件设计参数1 0 2 4 超级稻种子物理特性及力学特性1 1 2 4 1 超级稻种子三轴尺寸测量1 1 2 4 2 刚度1 1 2 5 本章小结1 4 第三章基于触叫蝴s 种盘运动分析一一1 5 3 1 振动台振动分析1 5 3 1 1 无阻尼振动台振动分析1 5 3 1 2 含粘性阻尼振动台振动分析1 7 3 2a d a m s 简介1 9 3 3a d a m s 静力学分析、运动学分析和初始条件分析1 9 3 3 1 静力学分析2 0 3 3 2 运动学分析2 0 3 3 3 初始条件分析2 0 3 4 基于a d a m s 振动机构运动仿真2 3 3 4 1 振动机构a d a m d s 运动学仿真结果2 3 3 4 2 仿真结果分析2 5 v 超级稻精密播种机离散元分析与试验研究 3 5 第四章 本章小结2 5 种盘内种群运动分析 4 1 离散元软件e d e m 介绍一2 6 4 1 1 离散单元法简介2 6 4 1 2e d e m 软件介绍2 7 4 2 接触力学模型2 8 4 2 1h e r t z m i n d l i n 无滑动接触模型。2 8 4 2 2h e r t z m i i l d l i i l 黏结接触模型。3 0 4 2 3 线性黏附接触模型3 1 4 2 4 运动平面接触模型。3 1 4 2 5 线弹性接触模型3 2 4 3 振动种盘中水稻种群运动规律研究3 3 4 3 1 频率对种群运动影响3 6 4 3 2 振幅对种群运动影响3 7 4 3 3 种层厚度对种层运动影响3 8 4 3 4 理想参数下种群在各仿真区域层分布情况3 9 4 4 单粒种子运动分析4 0 4 4 1单粒种子侧向运动分析4 0 4 4 2 单粒种子竖直方向运动分析4 1 4 5 本章小结4 1 第五章播种器吸种性能试验一4 3 5 1 试验目的4 3 5 2 试验效果评价指标4 3 5 3 试验方案选择4 4 5 4 影响播种机吸种性能参数4 5 5 4 1 极差分析4 6 5 4 2 方差分析4 7 5 5 最佳参数组合试验4 8 5 6 本章小结4 9 第六章总结与展望。5 0 6 1 全文总结5 0 6 2 前景展望5 1 参考文献。5 2 j 【谢5 6 攻读硕士学位期间参加的科研项目与科研成果。5 7 v i 江苏大学硕士学位论文 1 1研究目的及意义 第一章绪论 水稻是我国主要的粮食作物之一，其种植面积约占全国粮食作物总面积的 2 7 9 ，总产量约为全国粮食总产量的3 8 7 。水稻种植技术主要有两种模式，即 水稻直播和育秧移栽技术，美国、澳大利亚及欧美国家主要采用直播种植，而亚 洲地区则以能实现高产的育秧移栽种植为主，育秧移栽是我国水稻种植的主要形 式瞳1 ，秧盘的质量是影响移栽性能的主要因素之一，排种器是实现秧盘均匀播种的 关键部件。随着超级稻种植的推广，对播种技术提出更高的要求，要求每穴播种1 2 粒。气吸式排种器具有对种子尺寸要求不高、不需精选分级、伤种率低、对种子 适应性强、可靠性高、节约成本、能进行较高速度的播种的优点口呵1 。 按照农艺要求，传统的播种方式可以分为撒播、条播和穴播三种。随着科学 技术的进步，农作物品种不断改良，育种技术的持续发展，人们对播种精度提出 了更高的要求，由此诞生了精密播种技术，即将精确数量的种子从种箱内分离出 来，按确定的行距和粒距播入田问或穴盘孔内。精密播种使作物植株分布均匀， 通风透光性好，能充分利用土壤的营养面积和水分，苗期发育健壮，群体长势均 衡，有利于扩大良种覆盖面积，达到提高产量的目的。精密排种器是实现精密播 种技术的核心部件，其工作性能的好坏直接影响播种精度、均匀性、种子的出苗 率。 由于超级稻相对于常规稻具有株型高大、茎秆粗壮、分蘖力强、穗大粒多等 优点，在全国范围内得到迅速推广，截止2 0 1 0 年全国超级稻示范推广面积超过水 稻种植面积的3 0 阳1 。基于超级稻的这些优点，均采用稀疏种植，利于超级稻的单 株生长以及分蘖，要求排种器的精度能够有质的提高，需由原来的3 - 5 粒穴提 高至1 - 2 粒穴，即精密播种。 随着机械化生产技术的发展，农民对精密播种机的需求伴随着超级稻在国内 的推广以及机插秧技术的普及日益增长。国内已研制的水稻精密播种机主要有机 械式、气力式和电磁振动式等类型，能够满足常规稻3 5 粒穴和合格率 8 5 的 要求；但要满足超级稻1 - 2 粒穴的要求，仍是水稻精密播种技术的难点。因此， 研制出播种精度高且价格适宜的精密播种机对于超级稻种植的推广，节约优良种 超级稻精密播种机离散元分析与试验研究 子，节省间苗人工，保证苗齐、苗壮和合理的种植密度，提高产量以及对于国民 生产生活具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 播种机的分类 播种机按其工作原理主要可以分为机械式和气力式。 机械式排种器又可以分为槽轮式、圆盘式、窝眼轮式、指夹式等。外槽轮式 播种机工作时，种子靠重力充满槽轮凹槽，适用于外表光滑的种子的播种，但其 采用的是强制排种，影响了排种的均匀性。窝眼轮式适用于丸粒化的种子，容易 堵塞窝眼，造成种子漏播。机械式播种机结构相对简单，成本低，但对种子几何 尺寸要求比较严格，充种及排种过程中易损伤中子，作业速度不高，难以实现精 密播种。 气力式播种机主要有气吸式、气吹式、气压式三种形式，其中，气吸式播种 机结构相对复杂，相对机械式播种机而言，它对种子几何尺寸要求不严，不需要 精选分级，易实现单粒点播，通用性好，更换不同大小和数量的吸孔可以适应不 同作物的要求，具有作业速度高、种子损伤率小的优点，是一种先进的播种技术。 气吸式精密播种技术目前使用比较广泛，其机型主要有滚筒式、吸针式、吸盘式。 1 2 2 国外研究现状 欧美等国家对精密播种机的研发从2 0 世纪4 0 年代开始，起初主要研发了机械 式播种机睁1 。1 ，其结构形式主要有窝眼轮式、垂直圆盘式、水平圆盘式、倾斜圆盘 式，例j t n f l e x i 、m a x e m e r g e 、k l e i n eu n i c o r n 等机型。从5 0 年代后期开始出现气力 式精密排种器，较早的机型如欧美的b l a c k m o r e 、s y s t e m 、m a r k s m a n 、s p e e d i n g s y s t e m 、g a s p a r d o 、v a n d a n a 以及日本井关、东洋、久保田、三菱等。德国研制了 g s 2 3 气吸式小麦精密播种机，其排种器是由种子室和真空室组成，播种均匀度 不理想，易造成重播，难以实现单粒播种。近十年来，欧美国家着重对气力式精 密排种器进行了研究，新机型不断涌现，通用性、播种精度和效率不断提高。奥 地利i 拘w i n t e r s t e i g e r 自走式小麦精播机属于气吸式精量播种机，该机的排种器是 一对组合吸缝盘和驱动格轮，由两个不同形状隙缝的交叉形成一系列不同形状的 吸孔。它没有输种管，排种器与开沟器融于一体，投种点低，有利于精密粒距的 2 江苏大学硕士学位论文 形成。该机型主要用于田间小区试验，在许多国家和地区得到推广应用。德国 a m a z o n e 公司2 1 世纪最新研制生产的e d 系列气吸式单粒精密播种机能够满足不同 土壤条件、不同作物和不同农艺要求的播种作业，具有较高的生产率及可靠性， 播种机上的吸风机除了使用动力输出轴驱动外还可用液压马达驱动。j o h nd e e r e 公 司在2 0 世纪9 0 年代末生产的m a x e m e r g ep l a n t e r s 系列高速气吸式精密播种机装备了 “精准农业”高新技术系统，将卫星定位、地理信息、专家智能和遥感技术相融 合，可根据土壤肥力和含水量等条件的变化，实施变量播种和施肥，达到节约种 肥、优化生态环境和降低成本的目的，它采用了高性能、低噪音的液压马达驱动 风机，实现了风机转速的无级调速，可适应不同作物、不同压差的播种需要，提 高了排种器的吸排种性能。英 雪f e r g u s o n 公司生产的m f 5 4 3 型通用机架式播种机采 用了机械式与气力式相结合的独特设计，机械式侧充型孔轮在室内转动时，种子 被囊入型孔中，当型孔转到种室上方时，低压气流将型孔内多余的种子吹落到种 室内，在型孔内只保留一粒种子，当型孔转到种室下方时，种子靠自重和气流吹 送作用经过导种管落入种沟内，完成播种过程。它也采用了液压马达驱动中央吹 送和集流腔式风机，并安装了流量控制阀及空气压力表，通过更换不同规格型号 的型孔轮，可以满足多种作物和不同行数的播种要求。韩国大东机电株式会社生 产的真空气吸式播种机，适用于各类蔬菜种子及花卉种子，分为全自动和半自动 两种机型，全自动机型的工作程序包括基质混拌、装盘、挖穴、播种、覆土、喷 水等，半自动机型包括挖穴、覆土两项程序。 国外播种机由前期机械式转变为现在的气力式，说明气力式具有其独特的优 点，能够满足精确播种的要求。 1 2 3 国内研究现状 我国精密播种机研制开始于2 0 世纪7 0 年代，主要为机械式精密播种机，气 吸式精密播种机的研制始于2 0 世纪8 0 年代，近年来发展较为迅速渺2 5 | 。例如农业 部南京农机化研究所和江苏大学利用气力和振动技术研制出2 q b 一3 3 0 型气吸振动 式秧盘精量播种机，实现了对工厂化育秧中秧盘的机械化精量对靶播种，能实现 每穴播种1 - - 2 粒的播种要求。李耀明、陈进等研制了气吸振动式盘式排种器，该 装置主要通过曲柄连杆式激振机构激振种盘运动，使得种盘内种子处于“沸腾 状态，同时使用吸尘器吸除吸盘中气体，使得吸盘内气压为负压，将其对准种盘 3 超级稻精密播种机离散元分析与试验研究 进行吸种，在激振基频为1 0 h z ，吸种l 3 粒穴合格率超过9 5 。播种时将吸种 盘对准需要播种的区域，切断气源，种子依靠自重下落至播种区域。刘彩玲等提 出了往复摆动式气吸精量播种装置的设计方案，由曲柄摇杆机构和平行四杆机构 组成，曲柄的连续回转运动转变为摇杆的往复运动的两个极限位置完成吸种和投 种。同时，从理论上分析了影响气力吸种部件吸种性能的主要因素为吸嘴直径、 吸嘴端部结构形式、气室真空度。该装置结构复杂、价格高，效率提高并不显著， 通常生产率 2 0 0 盘l l 。气力滚筒式播种机能够实现连续播种，具有高精度排种、 高效率播种的优点，且具有同主流水线保持同步、运动平稳、筒内气体流场稳定、 真空度低、耗量小等优点。庞昌乐等研制了气吸式双层滚筒水稻播种器，分析了 影响该播种器性能的因素。通过试验得到满足播种性能要求的滚筒最佳参数为： 内层吸孔孔径为4 0 r a m ，外层孔径为1 2 m m ，壁厚为0 0 2 m m 。 2 b q 系列气吸式精密播种机采用气吸式垄上双行排种器啪3 ，具有播量准确、 省种、不损伤种子并对种子分级要求不严等特点，在高速作业时仍能保证良好的 可靠性，是目前较受欢迎且很有发展前途的播种机械。但其在实际使用中还存在 一些结构上的问题，通过佳木斯大学机械工程学院科研人员的改进和调整已收到 了良好的效果。王建政等研制的2 b x - 6 型小杂粮播种机乜铂可一次实现破茬、开沟、 侧深位施肥、播种、覆土、镇压等功能。配套动力选择合理，调整方便，传动可 靠，生产效率高，施肥播种均匀，通用性好，适合种型为小颗粒的杂粮作物的播种 作业。马永财等研制的2 b m j 7 型高速气吸式精密播种机心踟是在吸收美国、法国和 意大利最新推广应用的气吸式播种技术的基础上，结合我国大功率配套农机具的 生产要求而研制成功的玉米和大豆通用型高速气吸式免耕精密播种机。应用了电 液自控仿形技术，将液压缸与平行四连杆结合在一起，利用所研制的播种单体的 电液自控仿形机构，实现了单体的精确仿形，最大仿形量为2 0 0 m m ，仿形精度 1 0 r a m 。在播种机上应用了电液自控仿形机构和电子监测装置，对种肥进行了精量 控制，使精密播种和分层精量施肥得以实现。该机能次完成破茬、开沟施肥、 播种和覆土镇压等项作业。 可以看出，我国研制的精密播种机机型多样，运用的原理也有不同，在这个 领域已经取得了不错的成绩，但是与国外先进的精密播种机相比，作业速度、排 种的精确程度、播种的均匀性、播种机本身的制造精度以及满足农艺要求等方面 4 江苏大学硕士学位论文 还有较大的差距。 1 3 本课题研究的主要内容、技术路线、预期效果及创新点 1 3 1 本课题研究的主要内容 ( 1 ) 超级稻精密播种机试验台的结构设计。主要对精密播种试验台振动机构 起关键作用的曲柄滑块机构以及吸种部件的吸种孔形状、数量及其分布进行选择 设计。选择某一品种具有典型特征的超级稻种子作为研究对象，研究种子的几何 尺寸、形状特征、刚度等，并建立种子的三维模型。 ( 2 ) 运用a d a m s 软件对激振种盘的曲柄滑块机构木端运动进行仿真，得出 该机构末端运动情况，为后续种群运动模拟所需种盘运动参数提供依据。 ( 3 ) 超级稻在振动种盘上的流化以及分离理论的研究。基于离散元的基本思 想，采用h e r t z m i n d l i n 接触模型，运用e d e m 软件对振动种盘中水稻种群运动进行 模拟仿真。分析不同频率、振幅、种层厚度、吸种距离对种群空间分布密度的影 响，对仿真区域垂直于种盘方向进行均匀分层，得到不同时间种群在每一层的分 布情况，为气吸振动式播种机振动种盘参数设计和吸种盘吸种定位装置设计提供 理论基础。 ( 4 ) 室内试验台搭建及试验研究。在研究过程中对振动参数、种群运动、种 子间的相互作用和种子与种盘的相互作用进行理论分析。试验中通过调节电机频 率、偏心距控制种盘的振动频率、振幅，以种盘振动频率、振幅、种层、吸种距 离为试验因素选取四个水平进行四因素四水平正交试验，从而得到理想的参数组 合以及吸种率。将试验结果与理论分析结果进行比较，验证两者结果是否吻合。 1 3 2 本课题技术路线 ( 1 ) 通过农业物料机械特性试验机等仪器设备，测量种子的刚度以及种子的 三轴尺寸等参数，建立超级稻种子的力学模型。 ( 2 ) 研究分析振动参数对种子运动的影响，应用a d a m s 软件对振动机构运 动进行模拟仿真，得出种盘运动规律。 ( 3 ) 根据种子的力学模型以及a d a m s 仿真结果，运用e d e m 软件对种群 运动进行模拟仿真。分析种盘振动频率、振幅、种层初始层数、吸种距离等对种 群运动的影响。 5 超级稻精密播种机离散元分析与试验研究 ( 4 ) 结合理论分析设计研制精密播种机试验台，以每穴1 - - 2 粒种子为标准， 在试验台上进行多因素多水平正交试验，将得出的试验结果与理论分析结果进行 比较，选择播种机试验台最佳工作参数。 1 3 3 本课题预期效果及创新点 设计精密播种机试验台，能够实现每穴排种1 2 粒。提出与超级稻田间育苗 技术相配套的气吸振动盘式精密播种机构的思想，振动机构和正负气压源安装在 田间移动小车上，并采用手持式吸种部件，能够满足田间作业要求。采用单风机 正负气压装换设计，解决播种过程中可能存在的吸孔堵塞问题，降低播种机设计 成本。将离散元法和实验分析相结合，建立种子在振动种盘的运动力学模型，分 析种盘振动参数对种群运动状态的影响，通过运动仿真及试验得出理想的参数组 合，使播种机处于最佳工作状态，提高播种精度。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章精密播种机试验台主要结构参数设计 2 1精密播种机试验台总体结构及工作原理 2 1 1总体结构 该播种机试验台结构如图2 1 所示，主要由田间行走机架、动力源、正负气压 源、振动种盘机构、手持式仿形吸盘和控制单元组成。振动种盘机构和正负气压 源安装在田间行走机架上，采用电机提供动力，种子在振动种盘的激振下产生向 上的抛掷运动而相互分离，通过合理调节种盘振动参数，种子呈现“沸腾 运动 状态，可以显著增强流动性，减小吸种阻力，采用手持式仿形吸盘设计，吸盘与 正负气压源连接，通过控制器实现吸排种时正负气压的转换，吸盘面板上加工仿 形吸孔，可以根据播种对象要求的不同，改变吸孔的形状和排列方式。 1 播种机台架2 汽油机3 正负压风机4 电磁换向阀一5 电磁换向阀二6 电源7 软管 8 吸盘罩9 吸盘面板1 0 手柄1 1 电源按钮1 2 限位螺栓1 3 种盘1 4 支撑弹簧1 5 导向套 1 6 垂直推杆1 7 连杆1 8 轴承座一1 9 轴承座二2 0 支撑轴2 1 皮带盘一2 2 偏心调节盘 2 3 偏心杆2 4 偏心螺栓2 5 皮带一2 6 皮带盘二2 7 皮带二2 8 皮带盘三2 9 行走轮 图2 1 精密播种机试验台总体结构图 7 超级稻精密播种机离散元分析与试验研究 2 1 2 工作原理 超级稻精密播种机工作原理：电机驱动气泵以及曲柄滑块机构，曲柄滑块机 ， 构激振种盘。气泵吸气口通过气管连接两位三通电磁阀，气泵排气口同样连接两 位三通电磁阀。吸种时，连接吸气口的电磁阀接通电源，吸气口与种盘之间的气 管处于导通状态，电磁阀另一口与大气相通，连接排气口的电磁阀断开电源，排 气口连接吸种盘的导管处于关闭状态，另一口与大气相通并与排气口导通，此时 吸种盘内部形成负压，将吸种盘移至振动种盘上方进行吸种；排种时，吸气口电 磁阀处于断电状态，原本与吸种盘导通的口不导通，另一口与吸气口相通，排气 口连接电磁阀处于工作状态，排气口与吸种盘导通，此时吸种盘内部形成正压， 将吸种盘移至田间，进行排种。其工作过程如图2 2 所示。 吸种 图2 2 播种机工作过程示意图 2 2 曲柄滑块机构设计 2 2 1连杆、曲柄长度设计 曲柄滑块机构如图2 3 所示，由机械原理陟驯相关知识可知，滑块3 的绝对速 度瞬心段，在此瞬时该点相当于滑块3 与机架4 组成的“转动副 中心d 。若要 使杆a b 为曲柄，则l a b 应为最短杆长度，并且通过与a d 重合的图示位置，在直 角三角形b 1 c 1 e 中有 k + e k ( 2 - 1 ) 考虑到b l c l 与b 1 e 重合的极限情况，得到曲柄滑块机构有曲柄的条件如式 ( 2 2 ) 所示： k 3 。 由于设计的曲柄长度为可调的，长度范围为0 2 0 m m ，因此连杆长度应大于 6 0 r a m ，设计连杆长度为1 9 5 - - 2 3 5 m m ，连杆与曲柄长度比值大于3 。 2 2 2 可调节曲柄装置设计 播种机需要进行大量的试验验证得到理想的参数组合，种盘振动频率、种盘 振幅、弹簧刚度、种层厚度、吸种距离、气压、吸孔大小、形状等是影响播种机 吸种性能的重要参数。 因此种盘振幅应当在一定范围内可调节，种盘振幅与曲柄滑块机构中曲柄长 度密切相关，在设计过程中通过改变曲柄长度来实现种盘振幅在一定范围内变化， 便于试验过程中进行多组试验得出理想的振幅利于播种机吸种，可调曲柄装置结 构如图2 4 所示。 9 超级稻精密播种机离散元分析与试验研究 2 3 吸种部件设计参数 图2 4 可调节曲柄装置 播种机吸排种原理如图2 5 所示，吸种部件主要由吸种盘、气管、电磁阀、管 接件和气泵等组成。气源选用h g 1 5 0 0 型增氧机，功率为1 5 k w ，最大风压1 9 k p a ， 最大风量2 0 0 m 3 h ，该气压能够满足吸种所需气压要求。选用两位三通电磁阀， 直流阀用电磁铁m f z l 4 5 ，额定电压为2 4 v ，额定吸力为4 5 n ，额定行程为6 m m ， 通电率为6 0 。吸种盘几何参数由播种农艺要求确定，与育苗盘相匹配，因此吸 种盘吸附表面尺寸应当与现有的育秧盘尺寸一致。吸附表面材料选用厚度为 5 6 0 x 3 2 5 l m m 薄钢板，并在表面开有直径为2 r a m 、间距为1 5 m m 均匀分布的圆 形孔，各孔应当吸力均匀，尽量避免重吸以及漏吸情况发生。 1 0 图2 5 播种机吸种原理图 江苏大学硕士学位论文 2 4 超级稻种子物理特性及力学特性 2 4 1 超级稻种子三轴尺寸测量 超级稻籽粒几何形状是吸盘吸种孔形状设计以及超级稻籽粒模型建立的重要 指标之一。由m r i 口卜3 2 3 提出并得到认可的水稻品种粒形分类标准是依据粒长和粒形 长宽比两要素对糙米的粒形进行分类的。按照前种分类方法可分为极长、长、中 和短4 类；按照后种分类方法分为细、中、中圆和圆4 类。我国依据水稻谷粒形 状将其分为短圆形、阔卵形、椭圆形和细长形。根据粒长分为短、中、长和特长 等几种类型。 随机选取淮稻9 号种子1 0 0 粒，在室温1 1 使用游标卡尺分别对长、宽、高 进行测量，水稻长、宽、高在各区间分布百分比如图2 6 所示。 3 0 2 5 萎2 0 求1 5 宅l o 5 o ( a ) 印 5 0 芝4 0 差3 0 缸2 0 1 0 0 ( b ) ( c ) 图2 6 超级稻三轴尺寸图 由三轴尺寸分布图2 6 可知，超级稻种子长度8 6 0 m m 、宽度3 2 2 m m 、高度 2 2 8 m m ，该水稻可看作椭圆形。 2 4 2 刚度 刚度指材料在受外力作用下的抵抗弹性变形的能力，是水稻种子重要的力学 超级稻精密播种机离散元分析与试验研究 性能参数，在种群运动模拟仿真时需要运用刚度进行计算得到一些参数的值。对 于加载在试验材料上的载荷，根据加载情况，将载荷分为静载荷、冲击载荷( 高 速加载载荷) 和变载荷。前两者区别在于加载的速度不同，变动载荷指所加载荷 的大小和方向做周期性变化或无规则的变化。通常，把静载荷下材料的力学性能 称为材料的静载力学性能或材料的静态力学性能；把冲击载荷和变动载荷下材料 的力学性能称为动载荷下材料的力学性能或材料的动态力学性能。工程材料力学 中一般把应变率小于0 1 s j n 载载荷称为静载荷或者准静载荷口3 q 训。水稻种子一般处 于低速运动状态，可将其动态状态所受载荷看作静载荷来分析研究。 测量水稻刚度采用长春新科试验仪器有限公司制造生产的w d w 3 0 0 0 5 型微 机控制农业物料机械特性试验机进行试验主要工作参数如表2 1 所示，试验机及试 验原理如图2 7 所示。 表2 1w d w 3 0 0 0 5 型微机控制农业物料机械特性试验机主要工作参数 江苏大学硕士学位论文 1 支架2 移动横梁3 力传感器4 压头5 水稻种子6 底座 图2 7w d w 3 0 0 0 5 型微机控制农业物料机械特性试验机 试验过程中采用直径为5 m m 的试验压头，压头与种子有实际接触时，其加 载速度为2 m m m i n 硼1 。随机抽取2 0 粒水稻种子，将种子分别放在试验机底座中 央，压头距离种子有一定距离，起初压头加载速度为1 0 0 m m m i n ，当压头距离种 子5 m m 左右时，将压头加速度转换为5 m m m i n ，压头即将接触种子时，按停止按 钮接着将压头加载速度变换为2 m m m i n ，将各项数据清零，然后继续让压头运动， 此时需要观察电脑显示的压力位移曲线，待曲线超过种子的屈服强度后，按停止 键，结束力的加载。由不同种子