随着社会产业结构的调整,农村劳动力由季节性短缺向周年性短缺转变,耗时费力的育秧移栽水稻种植模式成本大幅提高,同时伴随着农用淡水资源匮乏等实际问题。相比水稻育秧移栽种植模式,水稻直播种植所具有的省工节本、节水高效的优点日益凸显,水稻直播种植面积逐年扩大,同时适宜直播种植的杂交稻品种不断推广,对先进可靠、性能优良、适宜于杂交水稻精量穴直播的播种装备需求更加迫切。针对目前水稻直播种植装备无法实现杂交水稻每穴2~4粒稻种的精量穴播要求的生产实际问题,创新性地提出了一种集窝眼囊种、多吸孔吸种、柔性绳辅助气吹清种、随动护种带护种及气力清堵组合式水稻精量穴直播排种器,利用大尺寸窝眼囊种,多个吸孔定量吸种,气吹清种固种的排种方式,能够满足杂交水稻大田精量穴直播对穴粒数、穴距合格率的要求;其“一器多行”的排种功能有利于改善单体式排种器带来的直播机整体“臃肿”、气力分布系统庞杂及风机功率要求高等问题。本文在系统分析和总结国内外气力式排种器研究的基础上,针对杂交水稻的直播种植农艺要求,采用理论与试验相结合的方法,对气力滚筒式水稻精量排种器进行了相关探索和研究,主要研究内容如下:(1)以适宜长江中下游种植的杂交稻品种:黄华占、汕优63、冈优364为研究对象,对其正常生长含水率下的主要物料特性进行了测试,分别测得3种水稻破胸芽种的三轴尺寸、千粒重、滑动摩擦角、休止角、悬浮速度,并对芽种受力压缩后的存活率进行了试验研究,为排种器关键部件的设计及工作参数的选择提供了理论参考依据。(2)根据杂交稻的直播种植农艺要求,研制了一种可实现“一器多行”排种功能的气力滚筒式精量穴直播排种器,首次提出了利用大尺寸窝眼囊种,多个吸孔定量吸种,气吹清种固种的排种方式;理论分析并确定了排种器关键部件的结构参数及其排种时主要的工作参数;设计了适宜于不同水稻品种进行囊种的三种窝眼形状,并对其进行了排种性能试验,比较分析出排种性能较优的窝眼形状,并对优选出的窝眼进行了不同杂交稻品种的播种适应性试验研究。(3)运用工程力学、流体力学及空气动力学等相关理论,对气力滚筒式精量排种器的囊种、吸种、清种、携种、投种及清堵过程进行了理论分析和相关试验研究,构建了水稻芽种在排种过程中的动力学与运动学模型,明确了排种器的排种机理;分析确定了排种器排种时的临界吸种负压、临界清堵正压等主要工作参数;借助高速摄像技术研究了柔性绳的清种过程及排种器的投种过程,获得了柔性绳对芽种进行“碰撞”清种的作用时间,分析得出了柔性绳的清种过程对芽种不会造成损伤的结论;明确了排种器的投种轨迹,并参考芽种的实际投种轨迹,设计并确定了导种装置的主要结构及尺寸。(4)通过理论分析确定了排种器正、负压区及清种分流管内气流场均为湍流形式,其场内流动气体均为不可压缩流体,运用cfd仿真分析软件cfx,以气流场的平均湍动能及关键部件处的平均压强或气流速度为试验评价指标,对排种器上述三个主要气流场进行仿真优化研究:(1)排种器负压区气流场的响应面仿真试验研究表明:影响窝眼内三吸孔端面平均压强的主次因素依次为:气室出气口直径、吸孔直径、窝眼轴向间距;影响气流场平均湍动能的主次因素依次为:吸孔直径、气室出气口直径、窝眼轴向间距;构建了响应指标与试验因素的全因子二次回归模型方程,经方差分析确定了试验因素对响应指标影响的显著性;通过对回归方程在试验参数约束范围内的优化求解,得到负压区的最优结构参数为:吸孔直径1.4mm,气室出气口直径22mm,窝眼轴向间距34mm;仿真验证试验结果与优化求解结果相吻合,在最优结构参数组合下,当负压气室出气口处的压强为-3000pa时,窝眼内三吸孔端面平均压强为-1428.14pa,负压区气流场平均湍动能为0.472m2·s-2;仿真试验气流场的压力、速度云图表明三个吸孔的分布位置和方式设计合理;(2)开展了排种器正压区气流场的全因子试验研究,明确了正压气室大小和气室进气口直径两个试验因素及其交互作用,对正压区气流场平均湍动能和气室内三吸孔端面平均压强两个试验评价指标影响的显著性;分析并确定了排种器正压气室的最佳结构参数组合为:正压气室大小为l型、进气口直径为22mm,当正压气室进气口处的压强为500pa时,对应的气室内三吸孔端面平均压强为194.75pa,气流场的平均湍动能为0.129m2·s-2;(3)排种器清种气流分流管的结构形式仿真对比试验表明,相比i型和iv型,ii型和iii型分流管内清种气流多经历了一次垂直分流,虽然管内气流的沿程损失增加,导致风嘴出气口的平均流速偏小,但其能显著提高4个风嘴出气口平均流速的均匀一致性,对提高排种器各排的清种效果更为有利;通过对i型和ii型分流管的3d实物打印及风嘴出气口实际流速的测试结果表明,仿真分析结果与实际工况相吻合;为获得4排较为均匀稳定、强弱基本一致的清种气流,确保排种器各排的清种效果,应优先采用具有二次枝状分流结构特征的ii型清种分流管。(5)开展了气力滚筒式水稻精量排种的室内台架试验,研究了排种滚筒转速、负压气室真空度、清种气流速度及正压气室清堵正压四个主要因素对排种器排种性能的影响:(1)四个因素的单因素试验表明:排种滚筒转速、负压气室真空度、清种气流速度对排种器的播种合格率、漏播率、重播率有着显著性影响;正压气室清堵正压对合格率、漏播率、重播率、播种穴距平均值及穴距变异系数的影响均为不显著。在排种器的排种滚筒转速为10~20 r/min,负压气室真空度为3~5 kPa,清种气流速度为12.22~22.98 m/s,清堵正压为750~1250 Pa时,排种性能良好,其合格率均能达到80%以上。在排种滚筒转速为10 r/min,负压气室真空度为4 kPa,清种气流速度为17.60 m/s,清堵正压为750~1250 Pa时,排种器的排种性能较优,合格率均能达到85%以上,漏播率均低于6%,重播率均低于10%。(2)排种器的三因素五水平二次回归正交旋转组合设计多因素寻优试验明确:影响排种器播种合格率的主次因素依次为:排种滚筒转速、负压气室真空度、清种气流速度;影响漏播率的主次因素依次为:负压气室真空度、排种滚筒转速、清种气流速度;经方差分析确定了试验因素对性能评价指标影响的显著性;通过对性能评价指标的全因子二次回归模型方程在试验参数约束范围内的优化求解,得出排种器最佳工作参数组合为:排种滚筒转速10.00 r/min,负压气室真空度4.6 kPa,清种气流速度21.88 m/s。验证试验结果与优化求解结果基本一致,在最佳工作参数组合下,气力滚筒式精量排种器的播种合格率为87.73%、漏播率为2.93%、空穴率为0.53%、重播率为9.33%、破损率为0.89%、穴距平均值为200.07 mm、穴距变异系数为4.75%,各行排量一致性变异系数为4.24%,总排量稳定性变异系数为4.11%,满足水稻穴直播的种植农艺要求。