基于气吹扰动供种方式的扁平种子气吸式排种器精密取种机理研究

The project researches high-speed precision seeding of large irregular flat seeds (watermelon, sunflower, maize, etc.). Air-suction metering device can not complete high-speed precision seeding of flat seeds because of poor adsorption posture. Adsorption posture must be controlled in order to improve seed metering performance. It was found that the movement posture of flat seeds would change under the action of airflow in the preliminary experiment. An air-suction metering device was designed, which disturbs seeds by positive pressure airflow. The hydrodynamic theory and the calculation method of fluid-solid two-phase flow will be applied to research the dynamic characteristics of seeds in the air-blown flow field. The mathematical model of the seed movement law in the suspension process will be constructed to identify the main factors affecting the suspension characteristics of seeds. The dynamic characteristics of seed sorption process under the coupling action of positive pressure disturbance airflow and negative pressure suction airflow will be analyzed. The dynamic model of instantaneous seed sorption will be established to clarify the mechanism of seed sorption under the coupling flow field. Physical experiments, virtual simulation experiments, high-speed camera technology and graphical analysis methods will be used to research the changes of seed adsorption posture and trajectory under coupled flow field. The effects of system parameters on seed metering performance will be researched through the Multivariate Orthogonal Rotation Combination Tests. Response surface methodology will be used to obtain the optimum parameters. High-speed precision metering device for flat seed with universal application significance will be developed. The results of this project have important reference significance for the precision seed metering of flat seeds and the control method of seed posture.

项目以大颗粒不规则扁平种子为研究对象，针对因吸附姿态不佳而难以实现高速精密播种的技术难题，从吸附姿态的有效调控入手，依据预试验中发现的扁平种子悬浮过程中的姿态变化规律，提出基于气吹扰动供种方式的气吸式排种器初步方案。采用流体力学、刚体动力学和气固两相流计算理论，结合数值模拟方法，研究扁平种子在气吹扰种流场中的动力学特性，探明影响种群气吹悬浮性能的主次因素，明确种子悬浮姿态的稳定控制机理；建立扁平种子在气吹扰种和负压吸附流场复合作用下吸附过程的运动方程及吸附瞬间的动力学模型，揭示扁平种子在复合流场中的吸附姿态调控方法和取种机理。利用虚拟仿真、物理试验和高速摄像分析方法，探明复合流场中扁平种子的运动轨迹和姿态变化规律，确定系统各参数对排种性能的影响规律，通过优化分析得到满足扁平种子高速精密作业需求的排种系统参数组合。项目的成果对扁平种子精密排种技术及种子姿态的控制理论与方法研究具有重要意义。

大颗粒扁平种子由于形状不规则、各向尺寸差异大的特征，导致气吸排种器取种作业时吸附不稳定、排种效果不佳。本项目从扁平种子的吸附姿态入手，设计一种基于气吹扰动供种的气吸排种器。选取打瓜、玉米作为扁平种子代表，测定其三轴尺寸、千粒重、密度和滑动摩擦角等物料特性。依据流体力学和刚体动力学理论，构建扁平种子在气吹扰种流场和负压吸附流场复合作用下的运动方程和种子吸附瞬间的动力学模型。搭建气吹扰种试验平台，利用高速摄像机对种子的沸腾强度、运动轨迹和姿态变化规律进行研究分析，明确了影响扁平种子悬浮姿态稳定性的主要因素为吹种气流的速度和角度。加工气吹扰种气吸排种器物理样机并与传统排种器进行对比试验，结果表明气吹扰种能够改善种子的吸附姿态，显著提升扁平种子的取种性能，但是在高速时吸附性能还有较大提升空间。为进一步优化扁平种子的吸附姿态，在吸孔上方设计一种倾斜凸台式姿态调控结构，对倾斜凸台的籽粒姿态调控过程进行理论分析和设计计算。三种排种盘的离散元仿真对比试验表明：倾斜凸台对种群有较强的扰动能力，增加种群离散程度，增强籽粒的姿态变化强度；仿真分析明确了倾斜凸台对种子姿态的调控原理，增加种子扁平面与吸孔表面间的平行吸附几率；加工物理样机并进行室内台架和田间试验，验证了倾斜凸台式调姿结构能够对扁平种子吸附姿态进行有效调整，提高吸附稳定性和排种性能。融合气吹扰种和倾斜凸台设计复合排种系统，通过气力、机械复合对吸附姿态进行耦合调控；设计三因素三水平正交组合试验方案，进行排种性能试验，试验结果的方差分析表明：作业速度、气流速度和负压对合格率和漏播率影响显著，且因素之间存在交互作用；建立各性能指标与影响因素间的回归方程，利用响应曲面法对回归方程进行综合优化，得到排种性能最优时排种器的工作参数组合：作业速度9.71km/h、气流速度为5.14m/s和负压为3.21kPa，此时合格率为97.99%、漏播率为0.67%。本项目的研究通过气力与机械作用对扁平种子的吸附姿态进行耦合调控，改善气吸排种器的吸附性能，解决扁平种子高速精密排种这一技术难题，为国内外开展精密播种技术研究的人员提供新的思路、结构和理论参考。