大豆作为主要粮油饲和经济作物之一,是国家重要战略资源,对维护中国粮食安全和社会长治久安具有重要意义。民以食为天,农以种为先,通过大豆育种试验培育、选育出高产大豆品系是实现大豆增产增收的先决条件,缓解中国大豆供不应求局面有效途径。目前,中国大豆育种试验过程中的播种环节多为人工播种和半机械化播种方式,无法实现小区间不停机自动清种、换种和快速充种功能,且试验误差大,严重影响了大豆育种试验的准确性和科学性,制约着优良大豆品系的问世。排种系统是播种机械最为关键的核心部件,其作业性能的优劣直接决定育种试验播种精度和作业质量,高精度排种系统的研发能够有效保证育种试验的科学进行和精准度,因此,研发配合育种试验的专用自动化排种系统尤为重要。本研究在现代农业产业技术体系建设专项资金项目(GARS-04)、国家重点研发计划项目(2018YFD0201004)的支持下,深入生产实践了解中国大豆育种农艺要求,检索国内外育种机械相关文献,总结分析现有设备的优劣特性,针对传统大豆育种排种器作业效率低、播种精度差、不具备不停机自动清种、换种和快速充种功能等问题,研制了一种满足中国大豆育种模式的育种自动清换种排种系统,以理论分析、离散元仿真及试验研究为基础,完成虚拟样机的设计和试验样机的加工,主要研究内容及成果如下:(1)深入分析国内外育种机械和专用排种系统研究现状,结合中国大豆育种农艺要求,确定大豆育种自动清换种排种系统总体设计方案,阐述其工作原理和确定技术路线。(2)北方寒区主栽品种(吉育202号、黑河43号、黑农45号)种子物料特性分析。测量其百粒重、等效直径、密度、休止角、摩擦系数、弹性碰撞恢复系数等物料特性。在含水率为14.5～15.5%情况下,吉育202种子、黑河43种子、黑农45号种子特性测量结果:百粒重分别为17.54 g、19.85 g、21.25 g,等效直径分别为6.62 mm、7.29 mm、6.79 mm,密度分别为1114.3 kg/m~3、1117.2 kg/m~3、1119.36 kg/m~3,休止角分别为28.6°、34.7°、31.9°,弹性模量分别为56.2 MPa、55.7 MPa、56.1 MPa,大豆与大豆、大豆与树脂、大豆与45号钢之间的最大静摩擦系数分别为0.44、0.41、0.27,碰撞恢复系数分别为0.45、0.53、0.76。(3)三叶式气吸排种器关键部件设计和工作过程理论分析。针对育种试验过程中频繁清种、换种和每个小区种子数量较少需要辅助充种等问题,研制了三叶式辅助充种清换种机构,辅助排种器完成小区间不停机清种换种和快速充种工作。建立种子在气流场中和辅助充种过程的数学模型,明确影响排种性能的主要因素。确定了排种盘直径为170 mm、啮合齿数为113、型孔数为27、型孔直径为4.5 mm,并通过理论分析得到组合式刮种机构最佳结构及工作位置。(4)自动控制系统硬件设计和软件开发。分析相关元器件的性能参数与性价比,选取了控制系统微处理器为STC89C52单片机,系统动力源为5DGU-C型号无刷直流电机,作业速度测速传感器为3806增量式光电旋转编码器,并开发基于GUI模块的人工交互界面,完成整个控制系统的协同工作。确定了软件系统的设计语言和基于windows的keil u Vision5.1平台的开发环境,并开发了主程序、测速子程序、排种电机驱动程序及作业状况显示程序相应的程序算法,系统程序运行零警告、零错误。(5)实施基于离散元法的辅助充种过程分析。在三叶式辅助充种清换种机构不同叶片倾角的情况下,通过EDEM软件仿真观察大豆种子在种腔内的运动规律,分析不同叶片倾角下的辅助充种效果,确定辅助充种效果最佳时叶片倾角为13.5°。(6)针对大豆育种自动清换种排种系统实施作业速度、真空度、清换种时间的单因素试验和多因素组合试验,明确因素取值范围,探究试验因素对排种系统性能指标的影响规律。试验结果表明:各试验因素对排种系统性能的影响显著,各因素对合格指数影响顺序由强到弱为:作业速度、真空度、清换种时间;对重播指数影响顺序由强到弱为:真空度、作业速度、清换种时间;对漏播指数影响顺序由强到弱为:作业速度、真空度、清换种时间;对清换种距离影响顺序由强到弱为:作业速度、真空度、清换种时间。排种系统最佳工作参数组合为:真空度4.6 k Pa、作业速度5.3 km/h、清换种时间0.3 s,此时合格指数为95.29%、重播指数3.29%、漏播指数1.42%、清换种距离554.6 mm。