玉米行间滚轮式穴施排肥器设计与试验

针对玉米在大喇叭口时期追肥机械化水平低的问题，结合黄淮海地区玉米播种行距、株距的农艺要求，设计了一种滚轮式穴施排肥器。为满足穴施排肥器稳定深施要求，基于Abaqus建立成穴器动力学模型，对穴施排肥器进行成穴性能和扎穴压力分析，利用分析结果对液压系统进行设计选型；根据穴施排肥器排肥稳定性要求，应用EDEM建立机具-土壤-肥料离散元模型，进行3种作业速度下的抛土特性和穴施量分析，得出当滚轮式穴施排肥器作业速度为1.5m/s时，排肥效果最佳。试验结果表明：该排肥器以速度1.5m/s作业时，平均穴排肥量为9.01g，穴施肥量偏差为11.2%，施肥均匀性变异系数为4.17%；施肥深度合格率92%，施肥深度变异系数6.57%，符合设计要求。     

倾斜梯形孔式穴施肥排肥器设计与试验

为降低肥料施用量、提高肥料利用效率、实现植株根区施肥，设计了一种倾斜梯形孔式定量穴排肥器。阐述了穴排肥器的成穴与工作原理，分析了影响其成穴性能的主要因素，构建了充肥和排肥过程中肥料颗粒群的力学模型；应用离散元软件EDEM和流体分析软件Fluent对穴排肥器的成穴性能进行了仿真分析，研究了作业速度、充肥孔长度和气流速度对穴长、穴排肥量误差的影响，通过全因子试验得到作业速度为3~7km/h时的较优参数组合为充肥孔长度27.0mm、气流速度15.0m/s，对应的穴长和穴排肥量误差分别为62.7~87.5mm和7.4%~8.9%。台架试验表明，在作业速度为3~7km/h、充肥孔长度为27.0mm和气流速度为15.0m/s条件下，穴长、穴长稳定性变异系数、穴排肥量误差和穴距误差分别为98.5~175.5mm、7.42%~14.18%、7.60%~15.17%、2.3%~4.7%；田间试验表明，作业速度为3~7km/h时，穴长、穴长稳定性变异系数、穴排肥量误差和穴距误差分别为104.2~178.4mm、7.55%~14.56%、7.69%~13.80%、2.1%~4.3%，成穴性能较好。     

穴施肥排肥器设计与试验

穴播作物采用对穴施肥的方法可以提高肥料利用率、降低生产成本。为此,设计了一种勺轮式穴施肥排肥器。运用EDEM离散元仿真技术对排肥器的成穴性进行仿真试验,对每穴施肥量均匀性进行了测试,并且分别测定了排肥部件角速度为100°/s、150°/s和200°/s时,每穴施肥量一致性变异系数分别为2.66、3.10和4.18。随后在排种器试验台上进行了验证试验,验证试验中测得的相应变异系数分别为4.2 6、4.8 7和6.1 6,变化趋势与仿真试验相同,整体试验结果与仿真试验结果相似。设计的穴施肥排肥器性能可以满足生产要求,为穴施肥精密播种机的设计打下了基础。     

集排风送式玉米分层追肥机设计与试验

针对玉米追肥机械化程度低、追肥作业效率和肥料利用率不高等问题，根据玉米分层施肥农艺要求，设计了一种多行集中排肥、气流输肥以及分层深施肥方式的玉米追肥机。对追肥机关键部件进行了理论分析与参数确定，并对各行之间排肥量一致性、施肥精度以及施肥深度进行了试验研究。试验结果表明：排肥转速对各行之间排肥量一致性影响较小，在相同转速下，深、浅层之间排肥量一致性差异较小，排肥量比较均匀；随着转速的增加，各行之间排肥量变异系数有所减小，最大变异系数为2.64%。在试验速度范围内，随着工作速度的增加，追肥机械施肥精度呈减小趋势，施肥精度最小值为95.42%；深层施肥深度变化量不大，施肥深度均值最小为11.04cm，变异系数不超过5.35%；浅层施肥深度稳定性有所降低，施肥深度均值最小为6.9cm，变异系数不超过9.36%；追肥机性能达到设计目标，能够较好地满足玉米追肥机械作业标准要求。     

油菜侧深穴施肥装置设计与试验

为提高肥料利用率、降低肥料施用量、实现油菜根区施肥,结合油菜种植施肥农艺要求,提出了一种油菜侧深穴施肥工艺,设计了一种机械式穴施肥装置,阐述了穴施肥装置的工作过程,确定了穴施肥装置的基本参数,建立了充肥和排肥环节中肥料颗粒群的力学模型,分析了影响穴施肥装置成穴性能的主要因素;应用离散元软件EDEM对穴施肥排肥器的成穴性能进行了仿真试验,分析了排肥轮转速、充肥型孔长度、导肥管材料对穴排肥量误差和穴径长轴长度的影响;利用正交组合试验确定了成穴性能较优的参数组合,排肥轮转速为60r/min、充肥型孔长度为18mm、导肥管材料为ABS塑料管时,穴排肥量误差为7.05%、穴径长轴长度为62.45mm;优选参数组合下的排肥性能试验结果表明,排肥轮转速为30~90r/min时,穴排肥量误差为4.56%~15.69%、穴径长轴长度为76.32~91.50mm、穴径长轴长度稳定性变异系数为4.53%~9.78%、穴距误差为3.24%~7.31%;田间试验表明,排肥轮转速为30~90r/min时,穴排肥量误差为4.73%~16.07%、穴径长轴长度为85.21~101.65mm、穴径长轴长度稳定性变异系数为4.82%~10.63%、穴距误差为3.36%~7.58%、施肥深度稳定性变异系数为6.43%~10.85%,成穴性能较好,满足穴施肥要求。     

腔盘式精量穴施肥装置设计与试验

施肥方式粗放是造成我国肥料利用率低的主要原因之一,与条状施肥相比,穴式施肥可有效提高肥料利用率,但目前尚缺乏成熟的穴式施肥装备。为此,本文设计一种用于颗粒状肥料穴式施用的腔盘式精量穴施肥装置,通过理论分析确定了装置的主要结构和工作参数,并探讨了肥腔形状(圆弧型、直线型-钝角、直线型-锐角和抛物线型)对肥料运动的影响。运用离散元法(EDEM)对不同结构和作业参数下排肥盘充肥性能和肥群运动进行了仿真分析,结果表明:肥腔形状、作业速度和施肥量对各穴排肥量变异系数均有显著影响,随作业速度的增大和施肥量的减少,变异系数增大,且圆弧型肥腔排肥稳定性最好;作业速度和肥腔形状对肥料扰动系数有显著影响,排肥盘经过箱体的时间及其对肥料扰动的形式和大小是影响排肥量稳定性的主要原因。在作业速度7 km/h,排肥量300 kg/hm2的条件下对4种排肥盘进行台架试验,结果表明圆弧型肥腔性能最优,排肥量合格率为94%,各穴排肥量变异系数为6.47%,与仿真结果呈现相同规律,且满足排肥要求。     

腔盘式精量穴施肥装置设计与试验

施肥方式粗放是造成我国肥料利用率低的主要原因之一。与条状施肥相比,穴式施肥可有效提高肥料利用率。本文设计一种用于颗粒状肥料穴式施用的腔盘式精量穴施肥装置,通过理论分析确定了装置的主要结构和工作参数,并探讨了肥腔形状(圆弧型、直线型-钝角、直线型-锐角和抛物线型)对肥料运动的影响。运用离散元法(EDEM)对不同结构和作业参数下的排肥盘充肥性能和肥群运动进行了仿真分析,结果表明:肥腔形状、前进速度和施肥量对各穴排肥量变异系数均有显著影响,随前进速度的增大和施肥量的减少,变异系数增大,且圆弧型肥腔排肥稳定性最好;前进速度和肥腔形状对肥料扰动度有显著影响,排肥盘经过箱体的时间及其对肥料扰动的形式和扰动量是影响排肥量稳定性的主要原因。在前进速度7 km/h、排肥量300 kg/hm~2的条件下,对4种排肥盘进行台架试验,结果表明,圆弧型肥腔性能最优,排肥量合格率为94%,各穴排肥量变异系数为6.5%,与仿真结果呈现相同规律,且满足作业排肥要求。     

偏心弹射式排肥器设计与仿真试验

针对目前穴施排肥器存在易伤作物、喷肥均匀性差、喷肥可靠性低等问题,设计一种偏心弹射式排肥器。根据颗粒肥穴施特性,基于盛肥腔体积压缩而形成压力差的原理,借助人机交互平台,设计关键部件弹射机构和偏心机构,优化机构的结构与工作参数,分析肥料在腔体内的受力状况和运动轨迹。该排肥器主要由排肥装置、偏心轮装置、弹射部件等组成。通过Soildworks三维建模,运用离散元法(EDEM)和动力学(RecurDyn)耦合仿真分析技术对排肥器的成穴性进行仿真,并进行台架试验。试验表明:该机构弹射性能稳定可靠,对农作物无机械损伤。在排肥器角速度为6.2 rad/s、6.7 rad/s,7.2 rad/s时,每穴排肥量一致性变异系数分别为2.8%、3.3%、4.0%,肥料喷射均匀性较好。作业效率等各项指标与预期目标差异性小。离散元仿真值与台架试验相对误差值接近,表明台架试验结果真实可靠。     

水田风送施肥参数检测试验台设计与试验

水田侧深施肥田间试验受插秧作业季短、作业性能不稳定等多种因素影响，而传统室内土槽无法进行风送式水田施肥试验，设计了一种可进行风送水田施肥排肥参数检测的试验台。试验台主要由机械部分、测控部分、风送排肥部分和软件部分组成。综合采用自动控制技术、多传感器技术和液压传动技术模拟水田工况，实现风送排肥过程中风压、风速等参数实时采集和显示，可灵活控制排肥轮转速和转停频率。试验台性能验证试验表明，试验台行进速度可在0~1.62m/s内调节，误差1.5%；输肥气流速度在0~30m/s之间，满足风送排肥需求；排肥系统最大排肥变异系数为5.79%，施肥效果良好。对该试验台进行侧深施肥系统测试，结果表明，对施肥均匀性变异系数的影响因素由大到小依次为：排肥轮转速、台车前进速度、风机风速。试验台能够在实验室环境进行风送式水田施肥机构参数检测，缩短了水田风送施肥关键部件的研发周期，为实现水田施肥智能控制打下基础。     

支持故障报警的果园对靶变量排肥系统

针对果园条开沟连续施肥造成肥料浪费,而挖穴施肥作业过程繁琐的问题,基于普通条开沟施肥机具设计了果园对靶变量排肥系统,该系统主要包括果园穴施肥精量排肥器和对靶变量施肥控制器。利用高速摄影技术获得了不同排肥口截面积排肥下落时间,使用间歇旋转机构实现定量穴排肥,提出了扇叶旋转落肥感知方法并设计了排肥故障监测装置,进而设计了果园穴施肥精量排肥器。使用光电传感器实时感知果树树干以获得排肥位置,利用接近开关感知地轮转速计算行进速度,以STC12C5A60S2单片机为核心设计了对靶变量施肥控制器。搭建了试验平台,进行了实验室试验,结果表明,1~5排肥量挡位下,平均排肥量与理论排肥量最大误差为10 g,最大变异系数为4.6%;平均排肥长度为20.2~40.9 cm;偏移距离绝对值最大为5.5 cm,最小为0.6 cm,偏移距离标准差平均值为4.26 cm;单次排肥故障监测装置最少感知落肥通断信号次数为2次,故障监测准确率达到100%。果园试验表明,针对100棵枸杞树进行对靶施肥,其排肥准确率为97%。该系统实现了果园靶标实时探测、对靶精量排肥控制和排肥故障报警功能,达到了条开沟对靶穴施肥的果园作业要求。     

免耕播种机精量穴施肥系统设计与试验

为实现玉米精量穴施肥农业技术要求,提高穴施肥质量,设计了一种穴施肥控制系统。应用颗粒系统仿真软件EDEM对穴施肥控制装置成穴性能进行了仿真研究,表明穴施肥装置在播种速度3~7 km/h时,鸭嘴阀成穴性能较好,成穴性能随着播种机速度增加逐渐减弱。通过穴施肥控制算法,调节种子脱离排种口与肥料脱离排肥口的时间间隔t_3,控制穴施肥料与穴播种子水平距离a,实现穴施肥位置控制;调节排肥轴转速和鸭嘴阀开合频率,实现穴施肥量控制。采用正交旋转组合试验,以播种机行进速度、鸭嘴阀旋转角、穴施肥装置安装高度为试验因素,穴距精度和穴施肥量精度为试验指标,应用响应面分析法,进行三因素五水平正交试验,结果表明,在播种机行进速度为7 km/h,最佳参数组合为:旋转角33.37°,安装高度17.30 cm。田间试验结果表明,在播种机行进速度3~7 km/h,旋转角33.37°,安装高度17.30 cm时,穴距精度可达84.76%,穴施肥量精度可达87.20%,满足玉米精量穴施肥控制技术农业要求。     

玉米变量穴施肥试验台的设计与试验

为了提高玉米种植中化肥的利用率、减少资源浪费,基于玉米穴播穴施肥的理论设计了一台玉米变量穴施肥的试验台。在前人研究运用外槽轮排肥器实现变量施肥的基础上,通过控制步进电机精准的启动停止运转与排肥口的挡片设计来实现玉米穴施肥,同时配合玉米排种器监测装置实现种肥同步。玉米穴施肥装置主要由外槽轮排肥器、步进电机、排肥口挡片和光电检测装置构成,具有结构简单、体积小的优点,控制系统操作简单,易于推广。试验结果表明:总排肥变异性系数为4.39%,在开度10mm下排肥效果最佳,排肥变异性系数为0.28%,符合国家标准≤7.8%,且实际穴距与种肥距离符合相关农艺要求。     

水田侧深施肥装置关键部件设计与试验

针对水田侧深施肥装置施肥均匀性低、作业性能不稳定、输肥管路堵塞等问题,结合水田侧深施肥的农艺特点,对水田侧深施肥装置关键部件排肥器和气力输送系统进行设计与分析,通过运动学和动力学的方法得出排肥轮转速越大越有利于提高施肥均匀性,计算得出排肥轮转速的最大理论值为150 r/min,并设计了适宜输送颗粒肥的气力输送系统。采用二次正交旋转组合设计试验,以排肥轮转速、插秧机前进速度、风机风速为影响因素,以施肥均匀性施肥量均值和施肥均匀性变异系数为响应指标,利用JPS-12型排种器检测试验台对施肥装置的排肥性能进行台架试验,运用Design-Expert软件对试验数据进行方差分析和响应面分析,得到影响因素与响应指标之间的数学模型,并对数学模型进行优化及验证。试验结果表明:在排肥轮转速21.96 r/min、前进速度0.93 m/s、风机风速22.93 m/s条件下,施肥装置的施肥均匀性变异系数为28.25%,且满足黑龙江省寒地稻作区侧深施肥最小施肥量150 kg/hm2的农艺要求。     

轮盘式液态肥穴播深施机设计与试验研究

液态肥穴播深施是利用高压液柱冲击土壤,通过精确控制流体喷射进行肥料定向深施的一种农机农艺新方法。为此,设计并研制了一种轮盘式液态肥穴播深施机,并通过土槽试验研究了液态肥穴播深施的可行性、成穴的基本规律及合适的工作参数范围。设计的开穴施肥轮上分布着多个导流开穴器,当导流开穴器插入土壤后,端面凸轮控制其开启,经过增压的高压液态肥沿导流开穴器射入土壤,解决了液态肥施肥过程中作业速度低、喷肥孔易堵塞及施肥量调节复杂等问题。研制了施肥机工作参数的试验测试系统,通过正交试验确定了其工作压力、流量和转速的最佳参数。试验表明:当压力取0.3MPa、节流阀开度为50%、转速为30r/min(对应机具速度0.86m/s)时,施肥量可满足设计要求。田间试验表明:轮盘式液态肥穴播深施机对覆膜、秸秆覆盖地、免耕地等作业环境有很强的适应性,比普通喷洒施肥节约肥料42%、提高作业效率30%以上。本研究为液态肥的深施肥作业机具研究和田间追肥农艺改进提供了参考。     

手扶式玉米精量播种机的设计与试验

针对南方山地丘陵玉米种植区,受地域条件限制,大型农业机械作业困难,而小型农机发展相对不足,设计一种由电机驱动,能调节株距满足玉米不同的种植密度要求的手扶式玉米精量播种机,该播种机主要由铲式穴播器、塔型链轮、调速手把、操作面板、电机驱动装置等组成。对铲式穴播器进行一体化结构参数设计,使排种器、成穴铲、鸭嘴拨块协调工作完成排种、打穴和投种的穴播过程,通过调速手把和操作面板对成穴铲和播种机进行速度匹配,从而实现株距可调功能。田间试验结果表明:漏播率为1.1%,重播率为10.1%,平均株距合格率为96.4%,平均株距变异系数为10.1%,工作性能稳定,满足精量播种的要求。     

机械式小麦射播排种器设计与试验

针对现阶段小麦播种机接触式播种形式存在的覆土后种子深度均匀性差，播种效果易受播种部件影响的问题，同时为简化播种工艺，设计了一种适用于华北地区壤土的非接触式小麦机械射播排种器。阐述了对排种器整体结构和射播工作原理，对排种器关键部件尺寸进行设计，分析了小麦种子在排种器内部携种加速过程及投种过程，得出影响小麦射播效果的因素，并进行仿真与试验台试验。选取排种器转速、前进速度、射播高度为试验因素，播种深度变异系数、排种量变异系数、射播速度、射播深度为指标进行单因素试验与正交试验，并进行了验证试验。试验结果表明，机具前进速度为1.0m/s，排种器转速为1100r/min，射播高度为100mm时，播种深度变异系数为8.3%，排种量变异系数为13.9%，射播速度为35.2m/s，射播深度为34mm。试验验证了所设计的机械式射播排种器在华北平原地区壤土作业时，满足小麦播种的作业要求。     

基于EDEM的深施肥器排肥与阻力影响因素分析

为解决深施肥的施肥口堵塞问题,设计了一种鸭舌型深施肥器,并建立了深施肥器的离散元仿真模型,模拟了不同工作参数下的排肥过程,探索了施肥器类型、施肥深度、前进速度和土壤含水率对排肥量和工作阻力的影响。仿真及台架试验结果表明:鸭舌型深施肥器肥料堵塞时间短,排肥均匀,综合性能最优;施肥深度越大,工作阻力越大,排肥量稍少;含水率影响初期的排肥流畅性,肥料堵塞程度含水率25%的比15%的要严重;前进速度对工作阻力和稳定后的排肥均匀性影响不大,而对排肥滞后和排肥量的影响较大。工作阻力仿真值与台架试验值的误差在11.5%以内,变化趋势基本一致,证明采用离散元法对深施肥器排肥影响因素进行仿真分析具有可行性。该研究结果为深施肥器的设计及其田间作业参数的确定提供了参考。     

精准变量排肥器结构优化设计与试验

为解决小麦播种粗放式施肥方式,符合未来精准农业对现代化农业生产的技术要求,本文建立排肥器几何体模型和颗粒离散元仿真模型,对排肥器进行离散元分析,改进导流槽结构;同时运用离散元方法分析外槽轮排肥器不同尺寸和不同运动参数下种群运动规律,分别探讨排肥器槽深和施肥速度优先控制策略对排肥稳定性影响,并应用正交试验对双变量进行方差分析,得出这两个变量对排肥性能影响力的大小。台架试验和田间试验结果表明:改进后的排肥器各行变异系数降低1.3%,总排肥量稳定性变异系数降低3.5%。采用排肥轴转速优先控制策略,当轮槽深度为8mm时,总排肥量稳定性变异系数小于6.5%;采用轮槽深度优先控制策略,当排肥轴转速20r/min时,总排肥量稳定性变异系数小于5.3%。     

免耕播种机无轴螺旋排肥输肥装置设计与试验

针对西南地区坡度较大、免耕地表秸秆及根茬等造成耕地平整度较差,驱动式破茬防堵免耕播种机作业时机具整体产生振动较大,导致排肥器排肥及导肥管导肥作业性能差的问题,基于螺旋输送原理,设计了一种柔性无轴螺旋排肥输肥装置。通过对肥料的螺旋输送以及物料临界输送速度分析,得出螺旋叶片最佳充肥尺寸以及转速范围。采用EDEM仿真进行二次回归正交旋转试验和响应曲面法分析无轴螺旋排肥输肥装置最佳工作参数：螺旋叶片内半径3mm、螺旋叶片外半径12.8mm、螺旋叶片转速319r/min以及螺旋间距24.5mm。田间测试结果表明,在地表平整度平均值以及地表坡度分别为8.9cm、16.1°时,无轴螺旋排肥输肥装置在作业速度1.5 m/s时,排肥精度误差、均匀性变异系数分别为1.87%、2.52%,满足国家施肥标准,播肥符合当地农艺要求。所设计的无轴螺旋排肥输肥装置满足免耕播种施肥要求,可为在地表平整度较差时排肥和振动较大条件下排肥器以及导肥管的设计与改进提供参考。     

扎穴施肥单体仿真分析与试验

为改进高秆作物传统撒播、条播施肥方式肥料利用率低问题,设计一种高地隙穴施肥作业车,该作业车扎穴施肥单体两侧安装有探针传感器,可以根据作物植株位置进行精准穴施肥。基于RecurDyn-EDEM、EDEM-ANSYS对扎穴施肥机构进行多体动力学—离散元、离散元—有限元仿真分析,并进行扎穴排肥试验,仿真试验明确扎穴施肥单体的运动机理和土壤成穴情况,量化施肥量与排肥器开度之间的函数关系;在扎穴施肥过程中,鸭嘴总变形为0.005 mm,等效应力最大为4.142 2 MPa,远小于结构钢屈服强度,鸭嘴不会发生应力变形。扎穴排肥试验进一步确定施肥单体的实用性,修正施肥量与排肥器开度之间的函数关系,可以针对不同农作物调节排肥轮开度进行精准施肥。