基于计算机视觉的气吸滚筒式精密排种器控制系统

排种器是播种机的关键部件,其作业性能的好坏直接关系到播种的质量,想要实现排种器精确控制必须先对其进行监测,通过监测其排种质量调整排种器的作业过程,以提高排种质量。为此,提出了一种基于机器视觉的气吸滚筒式精密排种器的监测和控制系统,并利用反馈调节实现了排种器的闭环控制。为了验证方案的可行性,将监测实验台安装到了气吸滚筒式播种机上,并对监测控制系统的性能进行了测试。测试结果表明:采用基于计算机视觉的播种质量监测平台可以成功地监测到排种器的重播指数和漏播指数。最后,对不同气吸滚筒负压差下的播种质量进行了检测,并将计算机视觉监测和人工监测的数据进行对比,对比结果表明:采用计算机视觉监测系统得到的结果和人工监测结果基本吻合,且播种的合格率较高,满足精密播种机的作业需求。

精密排种器吸孔吸种半径的理论分析与建模——以气吸滚筒式为例

为了更好地设计气吸滚筒式精密排种器,研究吸孔的吸种半径对播种性能的影响,对其进行了理论分析和推导。通过分析发现,滚筒上吸孔的吸种半径与吸孔直径、负压大小、种子密度及种子大小有关。为了达到较好的播种效果,应选择合适的吸孔大小和负压。

气吸双滚筒式棉花精量排种器的设计与试验

【目的】为提高气吸滚筒式排种器充种性能,降低负压风机能耗,设计了一种气吸双滚筒式排种器。【方法】理论分析排种过程中棉花种子的受力状态,利用Solidworks对排种器进行三维建模,运用流体仿真软件对3.8 mm孔径的滚筒进行内流场模拟,掌握内流场速度及压力变化的规律,对比有无内置滚筒结构对型孔处气体流速的影响。利用Design-expert 13.0软件设计了两因素五水平二次旋转正交组合试验方案,以负压和前进速度为试验因素,建立了漏播率、合格率和重播率等评价指标的响应曲面,进而对工作性能进行评价。【结果】通过优化回归方程得到最佳参数组合,并经台架试验验证。在负压为2.39 kPa、前进速度为4.55 km/h的条件下,排种器播种棉花种子的合格率为91.8%,漏播率为3.3%,重播率为4.9%。【结论】自行设计的排种器可满足棉花种子精量播种的农艺要求,显著降低风机能耗,为机械化播种提供技术性参考。

气吸双行错置式玉米密植精量排种器设计与试验

针对大豆-玉米复合密植播种模式下传统气吸式排种器单行种盘高转速作业导致充种时间短、气流稳定性差,难以实现高速精量密植播种的问题,设计了一种气吸双行错置式玉米密植精量排种器,阐述了排种器结构与工作原理,对其工作过程及关键部件进行理论分析,构建充种和投种环节的种子力学模型,确定排种盘内外环型孔排布、投种轮、气室等关键结构参数,并开展单、双气道内负压分布、型孔内气流场特性分析,基于DEM-CFD耦合方法对排种器的排种过程进行仿真分析,以作业速度、气室结构和负压为试验因素,充种合格指数、重充指数和漏充指数为评价指标,优选出最优气室结构。通过台架试验开展不同气吸式排种器排种性能对比试验。试验结果表明,在作业速度为5~10 km/h的高速密植工况下,气吸双行错置式密植精量排种器排种合格指数均大于88.7%,且作业速度为10 km/h时,相较于常用单圆环气吸式排种器合格指数提高5.5个百分点,漏播指数降低5.6个百分点;田间试验结果表明,在作业速度为5 km/h下,播种合格指数为95.7%,重播指数为1.6%,漏播指数为2.8%。提出的气吸双行错置式玉米密植精量排种器在高速作业时拥有良好的排种性能,能够满足大豆-玉米高速精量密植播种要求。

气吸式杂交稻单粒排种器研制

针对气力式水稻精量排种器充种不稳定、单粒播种精度不高和播种量大的问题,该研究设计了一种具有矩形吸种孔和辅助充种装置的气吸式杂交稻单粒排种器。根据“吉田优”型杂交稻的长短轴重力分布情况,确定排种盘吸种孔形状;基于CFD-DEM(Computational fluid dynamics,Discrete element method)流固耦合理论,以吸附力为指标,进行5类具有相同面积的吸种孔单因素仿真试验,确定吸附力最大的吸种孔规格为0.8 mm×2.25 mm;以该型吸种孔为基础,选取辅助充种角、工作转速和工作负压为试验因素,以单粒率S、多粒率M和漏播率L为试验指标,开展Box-Bhnken台架试验,对试验结果进行响应曲面分析和多目标优化,得到排种盘辅助充种角为80.90°、工作转速为42.65 r/min、工作负压为621 Pa时,排种器的单粒率为86.91%,漏播率为3.63%。验证试验结果的排种器单粒率为86.36%、漏播率为3.41%,与优化结果吻合。研究结果可为后续气吸式杂交稻单粒排种器的优化设计和直播机整机作业精度的提高提供指导。

正负压气吸式精量排种器设计与试验

为了更好地适配非圆小籽粒种子的播种,解决机械式排种器易伤种,对种子尺寸适应性差的问题,设计了1种正负压气吸式精量排种器。根据农艺要求对排种器整体进行了设计;同时以小麦为研究对象,通过单因素试验,分析了吸种负压、排种器转速以及投种高度3个因素对排种器性能的影响;通过响应面试验,得到了较优的参数组合:吸种负压为-3.5 kPa,排种器转速为19 r/min,投种高度为180 mm;对最优参数下精量排种器进行台架试验,结果表明,合格率为80.62%,重播率为9.22%,漏播率为10.16%。符合JB/T—10293—2013《单粒(精密)播种机技术条件》的要求。

花生气吸滚筒式穴播器分种盘设计与试验

针对花生气吸滚筒式穴播器因一次投种性能不稳定造成单粒率低的问题,通过在气吸滚筒式穴播器的取种盘和二次投种机构之间增设分种盘,将种子限定在一个较小的齿形空间内,并拨动种子沿着预定轨道运动,提高了气吸滚筒式穴播器投种的准确性和精度。设计并分析了分种盘的分种齿齿形和分种盘与取种盘的位置关系,确定了分种盘结构和位置参数。借助DEM-CFD耦合方法研究了气吸滚筒式穴播器的工作过程,分析了携种区种子的运动轨迹,阐明了漏播和重播产生机理。以单粒率、漏播率和重播率为评价指标进行三因素二次旋转正交组合试验,分析了齿形方向角、安装角、作业速度对投种性能的影响,结果表明:当齿形方向角为-4.55°、安装角为14.99°和作业速度为4.01 km/h时,气吸滚筒式穴播器的排种性能最优,此时单粒率为94.99%,漏播率为2.49%,重播率为2.52%。以最优组合为基础进行田间试验,当作业速度为3.51~4.51 km/h时,试验结果满足花生单粒精量播种机械技术要求,且安装分种盘比未安装分种盘的单粒率提升超过1.46个百分点,排种优势明显。

苜蓿小区育种气吸式排种器设计与试验

为提高苜蓿小区育种播种机械化水平,设计了一种苜蓿小区育种气吸式排种器。首先,阐述了排种器的结构和工作原理;接着,对排种器的主要结构参数进行理论计算,并分析排种器充种过程力学特性,找出影响排种效果的关键因素。为得到排种器的最佳性能参数,进行二次回归正交试验设计,以排种盘转速、工作压强、吸种孔数量为试验因素,以合格率、重播率、漏播率为性能指标,采用Design-Expert软件对试验数据进行回归方程分析和响应曲面分析,获得影响试验指标的各试验因素主次关系。研究结果表明:在排种器的最佳参数,排种盘转速24.2 r/min、吸种孔数量36个、工作压强3.7 kPa时,合格率92.81%,重播率3.35%,漏播率3.42%。验证试验表明:该排种器可以实现有效排种,可为后续研究提供理论基础,具有参考价值。

白萝卜气吸式精量排种器结构设计与分析

为满足白萝卜机械种植要求,解决我国西南地区缺乏相关种植机械问题,设计了一种气吸式精量排种器。通过计算与理论分析,设计了排种器关键结构参数;对充种、携种和投种阶段种子受力进行分析,确定了影响播种性能的主要因素。利用Fluent软件仿真模拟不同型孔尺寸参数对负气压室气流影响,确定了最佳型孔直径参数,其型孔直径范围为2.079~2.178 mm。通过参数优化得到最佳参数组合为:排种盘直径200 mm、型孔分布直径160 mm、型孔个数16个、型孔直径2.2 mm。排种性能台架试验结果表明,在工作转速为30.54 r·min^(-1),负气压室气压为6.58 kPa,排种器单粒合格指数95.61%,漏播指数为0.64%,重播指数为2.04%。该研究结果有助于提高播种器性能,为白萝卜精量播种机器设计与制造提供可靠参考。

气吸滚筒式油菜穴盘育苗精密排种器设计与试验

为满足油菜穴盘育苗移栽作业要求,解决油菜机械化种植茬口紧张难题,该研究设计了一种气吸滚筒式穴盘育苗精密排种器,利用光电传感器和正压投种机构实现同步整排投种。阐述了排种器基本结构与工作原理,对关键部件结构进行设计,应用Fluent软件模拟分析了3种不同正压进气孔间距条件下滚筒内壁和吸种孔与正压气室的流场特征;采用二次旋转正交组合试验方法,对排种器作业性能的主要影响因素(吸种负压、投种正压和吸种孔直径)与播种指标(单粒合格指数、漏播指数和重播指数)的关系进行研究,分析了各因素及其交互作用对各指标的影响规律,并采用多目标优化方法进行参数优化;在优化参数条件下,设定排种器生产率分别为600、700和800盘/h时,对3个品种油菜种子和1个蔬菜种子(茄子)进行排种性能试验。结果表明:当正压进气孔间距为144 mm时,整个正压气室无回流情况,各吸种孔处气流速度相对均匀;影响单粒合格指数的因素主次顺序为投种正压、吸种孔直径和吸种负压,最优参数组合为吸种负压3.73 kPa,投种正压0.23 MPa,吸种孔直径1.28 mm,此时单粒合格指数、漏播指数和重播指数分别为95.13%、2.80%和2.07%。生产率为600~800盘/h时,油菜种子的单粒合格指数均高于93%,漏播指数和重播指数均小于5%;茄子的单粒合格指数高于90%,漏播指数和重播指数均低于5%。该排种器的排种性能适应性较好且精准高效,能够满足油菜及部分蔬菜穴盘育苗播种作业要求。研究结果可为油菜等穴盘育苗播种机研发提供参考。

气吸滚筒式棉花精密排种器的设计与试验

针对气吸滚筒式排种器能耗大、吸孔易堵塞等问题,采用气流清种、隔压板隔开气室减小负压气室空间及滚轮式清堵装置对吸孔进行清理等方式,设计了一种基于气流吸种的滚筒式精密排种器,对其工作原理与主要部件结构参数进行了介绍,并进行了相关台架试验。试验以滚筒转速、吸孔直径、负压大小为影响因子,进行正交试验,并通过极差分析与方差分析确定了影响排种性能的主次因素与最佳参数组合。试验验证表明:滚筒转速10 r/min、负压-4.5kPa、吸孔直径3.5mm时、合格率为93.2%,漏播率为2.1%,重播率为4.7%,排种性能最好,满足棉花精密播种的种植要求。

气吸倾斜圆盘式蚕豆精密排种器设计与试验

针对蚕豆播种机械化程度低、精密播种效果差的问题,结合倾斜圆盘式排种器与气吸式排种器的优点,设计一种气吸倾斜圆盘式蚕豆精密排种器。首先,阐述排种器结构及原理,根据蚕豆的种植农艺要求及种子物理特性,对排种圆盘直径、型孔数量及形状等关键部件进行设计;然后,利用Fluent软件对不同形状气孔对气室流速及压力影响进行仿真分析,确定最佳的气孔形状;最后,以转速、型孔直径和气孔负压为试验因素,合格率、漏播率和重播率为试验指标,在JPS-12型视觉排种器性能试验台上进行正交试验。试验结果表明:当转速为78 r/min、气孔负压为2 kPa、型孔直径为23 mm时,排种试验合格率为93.67%,重播率为4.33%,漏播率为2%。

气吸滚筒式排种器吸种过程的动力学分析

为了分析工作参数对气吸滚筒式排种器吸种性能的影响,建立了种子和滚筒的三维模型,在恒压力边界条件下,运用Fluent软件计算种子在真实吸种气流场中的受力,并采用中心差分法求解种子运动方程,得到种子吸附瞬态运动轨迹为:首先在轴向吸力的作用下,种子沿种盘作水平运动;随着滚筒的转动,种子受到的径向吸力迅速增大,并从种盘上被吸起,与滚筒发生碰撞后,沿壁面向着吸孔中心滑移,最终被吸孔吸附。排种器的吸种性能随滚筒转速的提高而降低,随负压差的升高而增强。以油菜种子为对象,在自制的排种器上进行性能试验,结果表明,当负压差为3～4kPa、滚筒转速在15r/min附近时,排种器的播种合格指数超过95%,为排种器的结构调整和工作参数优化提供了依据。

气吸滚筒式垄上三行大豆密植排种器设计与参数优化

针对1.1 m大垄垄上三行密植大豆栽培技术配套播种机不得不采用单行播种单体前后错排使用,导致播种机结构复杂、通过性差等问题,研究设计了一种与垄上三行大豆密植栽培模式配套的气吸滚筒式大豆排种器。通过理论分析初步确定其主要结构参数并建立充种过程力学模型,运用三因素五水平二次正交旋转中心组合试验方法,以真空度、作业速度、型孔孔径为试验因素,以粒距合格指数、重播指数、漏播指数、各行排量一致性变异系数为目标函数,参照国标GB6973-2005《单粒(精密)播种机试验方法》实施参数优化试验。结果表明:当参数组合为型孔孔径4.5 mm、真空度4.7~5.9 k Pa、作业速度低于9.1 km/h时,该排种器的合格指数≥95%、重播指数≤3%、漏播指数≤2%、各行排量一致性变异系数≤6.5%。研究结果为气吸滚筒式三行大豆排种器的开发奠定了基础。

磁吸滚筒式精密排种器设计与试验

针对蔬菜、花卉类小颗粒种子精密播种问题,利用磁吸式排种原理,设计了一种磁吸滚筒式精密排种器。通过分析比较单排磁吸头不同极性排列方式下的磁路及磁感应强度,确定了滚筒内磁吸头沿周向4排阵列,各排磁吸头按N、S极间隔排列的设计方案。对研制的排种器,以磁粉包衣油菜籽为试验对象,滚筒转速及磁吸头工作电流为试验因素,进行了正交试验,通过方差分析确定了影响排种性能的主次因素及优化组合。试验结果表明,磁吸头工作电流是影响排种性能的主要因素,在磁吸头工作电流230 mA、滚筒转速15 r/min条件下,排种器单粒精播指数可达93.6%,重播指数为2.2%,排种速率达3 600排/h,能够满足精密播种的精度和效率要求。

气力滚筒式排种器种子吸附边界模型及验证

为了探索气力滚筒式播种机对不同规格小粒蔬菜种子吸附性能的影响,该文对种子在吸种孔外部气流场中处于临界运动时与吸种孔的位置关系进行了理论分析。通过分析吸种孔外部气流场的气体的流动状态以及种子在气流场中的绕流阻力与其到吸种孔距离的关系,并对种子在气流场中运动临界状态进行受力分析,从而推导出种子吸附边界的数学模型。分析吸附边界大小对种子吸附性能的影响,以菜心种子、芥兰种子、辣椒种子为试验对象,排种器真空度在1 k Pa^12 k Pa变化,吸种孔半径为0.25 mm,导种板为无振动和振幅为0.4 mm。试验结果与模型分析结果一致:种子吸附的前提条件是种子持续不断的进入吸附边界内,种子的吸附性能与种子边界的大小和种子形状和大小有关;对于小粒蔬菜种子,扁平种子的单粒率低于球形种子,球形种子的直径越小,越难获得高的单粒率。对于小粒扁平种子和直径较小的小粒球形种子,合理的供种方法和增大排种器真空度使吸种孔不空种,再清除吸种孔上的多余种子,是实现排种器精密播种的一种途径。研究结果为气力滚筒式播种机的精密播种研究提供参考。

气吸滚筒式自动清堵粳稻排种器的改进设计与性能试验

为进一步提高北方优质粳稻营养钵育苗播种精度,针对原设计的气吸滚筒式自动清堵排种器在播种过程中存在种箱内芽种的流动性差、伤种芽和每钵粒数不均等问题,改进了种箱结构设计,增加了二次清种部件和补种区。改进后排种器依靠窝眼自动充种、气力辅助吸种,通过2次清种、1次补种以及自动清除吸孔堵塞物等措施,提高了每钵2-3粒芽种的播种概率。以空育131催芽种子为试验对象,采用四因素三水平正交试验设计方法,研究了喂入口开度、清种间隙、辊刷转速和吸室真空度对空穴率、损伤率和每钵2-3粒率等排种性能的影响。正交试验结果表明：影响改进后排种器排种性能的主次因素依次为清种间隙、喂入口开度、吸室真空度和辊刷转速。在喂入口开度为40 mm、吸室真空度为5 k Pa、辊刷转速为55 r/min、清种间隙为6 mm较优参数组合下,改进前、后排种器对外形尺寸相近的空育131和龙粳26以及有一定差异的龙洋16粳稻芽种进行了播种适应性试验与性能对比试验。对比试验结果表明：对于尺寸相近的空育131和龙粳26粳稻,改进后排种器具有较好的适应性能,并且每钵2-3粒率的概率分别达到83.23%和85.01%,较改进前分别提高了3.77和6.14个百分点,损伤率分别降低了5.73和6.44个百分点,空穴率分别降低了0.51和0.57个百分点;该研究表明,改善充种室芽种的流动性,能够有效降低芽种损伤率,提高排种器每穴2-3粒的充种性能。该研究为粳稻气吸滚筒式排种器结构优化与性能的进一步提高提供参考。

三七气吸滚筒式排种器充种性能模拟与试验

为了提高气吸滚筒式排种器充种性能,以云南文山三七种子为研究对象,采用DEM-CFD耦合方法,以种子平均法向力方差和供种高度为指标,对气吹风压、振动频率、振动角度分别进行数值模拟,并对上述因素进行单因素试验,试验现象及效果与仿真分析结果一致。结果表明:气吹风压可以打破种群原有的稳定状态,从而降低种子瞬态的法向力即减小内摩擦力;振动频率增加种子平均法向力方差,即对种子的扰动性增强;合适的振动角度可以有效提高供种高度。减小内摩擦、增强种群扰动性、提高供种高度均可有效提高排种器充种性能。为寻找最佳参数组合,采用三因素五水平正交试验方法,对排种器排种性能进行试验,并对试验结果进行优化与验证。结果表明:在振动频率85 Hz、气吹风压3 k Pa、振动角度45°时,效果最佳,试验指标合格指数、漏播指数、重播指数可达93.02、1.42、5.56。

气吸滚筒式玉米排种器充种性能仿真与试验优化

为了提高气吸滚筒式排种器充种性能,采用离散元分析的方法,对种层高度、振动频率、振动角度分别进行数值模拟,结果表明:在相同条件下提升种层高度,可以增长充种区弧长,增加充种时间,降低排种器的漏充率;振动频率增加,种子平均法向应力方差增大,即对种子的扰动性增强;合适的振动角度可以有效提高供种高度。减小内摩擦、增强种群扰动性、提高供种高度均可有效提高排种器充种性能。为寻找最佳参数组合,以郑单958玉米种子为播种对象,采用二次旋转正交组合试验方法,对排种器进行了排种性能试验,建立了种层高度、振动频率、振动角度3个主要因素与合格率、漏播率、重播率的数学模型,分析了各个因素及交互作用对合格率的影响规律,并进行了参数优化与验证试验。当最佳参数组合为振动角度45°,振动频率116~122 Hz,种层高度96~117 mm时,合格率大于90%,漏播率小于5%,重播率小于5%。经试验验证,试验结果与分析结果基本一致。试验结果表明该气吸滚筒式精密排种器对于玉米种子具有很好的播种适应性。

水稻机摆钵育苗气吸滚筒式自动清堵排种器

针对水稻机摆钵育苗气吸滚筒式排种器精播催芽种子过程中吸孔堵塞严重,较难清堵这一问题,研制了气吸滚筒式自动清堵排种器,并进行了吸排种试验,试验结果表明,该排种器在球型窝眼半径为4.2mm和气源流量为38、35L/s的情况下,每穴1～2粒充种率较易达到97%以上。该排种器具有自动清堵功能,而且有利于充、排种子,适用于水稻机摆钵育苗。