马铃薯组培苗气力引导式移植手设计与试验

多手并行移植作业可有效提高接种效率,而现有组培苗接种移植手结构复杂、占用空间大,不适于狭小空间内多移植手并行接种作业,且对组培苗个体差异适应性较差,存在夹苗不稳或伤苗的情况,针对上述问题该文设计了一种负压引导式气力把持移植手,通过负压气流对马铃薯组培苗进行引导与把持,强化对组培苗个体差异的适应能力,实现组培苗的柔性容偏把持。该文对移植手吸嘴进行了三维建模及流体仿真分析,确定移植手吸嘴形式为外径5 mm、内径4 mm圆管状,前端设置90°夹角引导翅,引导翅顶点间距为10 mm。针对移植手引导性能进行正交试验,结果表明:对于平均苗径为(1.23±0.21)mm接种期马铃薯组培苗,当吸嘴真空度为8.6×10~(-3) MPa时,对组培苗容偏引导半径为4 mm。在移植手吸嘴真空度为8.6×10~(-3) MPa条件下进行茎段切割及扦插作业性能试验,结果表明:当利用厚度0.3 mm、直径45 mm圆盘切割刀以7 r/s以上转速切割茎段时,保证正常切割效果的进给速度可达0.03 m/s;对于直径为(0.7±0.1)、(1.1±0.1)、(1.5±0.1)mm条件下茎段,扦插速度为0.01 m/s时,茎段扦插成功率可达100%。该研究可为马铃薯组培苗自动移植设备开发提供技术参考。     

条状组培苗负压拾取手设计与试验

目前,组培苗移植设备中针对组培苗抓取主要采用尺寸定位方式夹持,夹持手结构复杂,占用空间大,且对幼嫩的组培苗会有一定的损伤,影响后期成活率。为克服以上问题,该研究设计了一基于负压吸附的力定位单株条状组培苗拾取手,并对负压拾取手吸嘴内腔体,吸嘴材料及吸嘴口尺寸进行了设计。该论文对吸嘴内腔体形式采用CFD(computational fluid dynamic)软件进行了仿真分析,并通过拾取对比试验验证,确定吸嘴内腔体采用变形腔体结构为宜;对吸嘴材料及吸嘴口尺寸进行正交试验、单因素试验及交互作用试验,试验结果表明在组培苗吸嘴采用厚度为0.5 mm,内径为6 mm硅胶管,吸嘴口处长圆形半径为0.7 mm,吸嘴口唇高为1.5 mm的组合下,拾取手吸嘴对苗径在1.2~2.0 mm范围内的单株条状组培苗拾取效果稳定。在较优组合条件下,整体性能试验证明组培苗负压拾取手拾取系统吸附成功率可达到98%,能够满足下一步的移植插入作业要求。     

砧木上苗定位机构吸附块仿真设计与性能试验

为解决嫁接机人工上苗过程中砧木子叶损伤和叶柄劈裂问题，采用正压气流压苗和负压吸附定位原理，设计一种辅助自动上苗作业的砧木上苗定位机构。通过建立机构有限元分析模型，在给定边界约束条件下利用CFD软件对吸附块内部气流场进行动力学仿真，获得气室内部流场分布情况及各因素对砧木子叶吸附力的影响。采用仿真正交试验对吸附块结构参数进行优化设计，确定吸附块各因素对吸孔平均吸力影响的主次顺序依次为出口负压、吸孔直径、吸孔深度；当吸附块出口负压3 kPa，吸孔直径1 mm和吸孔深度4 mm时，吸附块对子叶具有较好的吸附能力。上苗试验结果表明：该机构对白籽南瓜子叶吸附成功率为96.67%，压苗成功率为99.33%，综合上苗成功率为96.03%，伤苗率仅为0.67%，作业性能满足嫁接机自动上苗作业要求。子叶吸附失败原因是子叶方向和上苗高度控制不准确，以及子叶展角过小导致叶柄劈裂。吸附块作业面仿形和结构参数仿真试验对提高砧木柔性和安全上苗具有重要意义，大幅缩短了吸附块设计周期，研究结果为解决嫁接机自动上苗问题提供理论依据和设计参考。     

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。     

机械式自清洁播种头设计与试验

为解决现有针式穴盘播种机的吸嘴易发生堵塞影响播种质量的问题,该文基于气吸-气吹的播种原理,设计了一种机械式自清洁播种头,结构包括吸嘴头、固定部、清洁活塞、顶针和复位弹簧等,通过清洁活塞和顶针对吸嘴头进行疏通和排种作业。建立了负压吸种、正压机械排种的力学模型,分析结果显示,吸种气流速度与吸嘴的吸附孔直径成正比,与吸种高度成反比;排种压力取决于种子重力、复位弹簧压缩力和种子吸附力。在吸种高度一定的条件下,吸种负压与吸附孔直径负相关;在吸附孔直径一定的条件下,吸种负压与吸种高度正相关。试验结果表明,在播种速度为40排/min,吸种真空度为35 kPa,排种压力为50 kPa时,自清洁播种头播种的单粒率为95.31%,空穴率为1.56%,重播率为3.13%,各指标与传统针式吸嘴相比分别提高了7.81%、6.25%、1.56%,播种质量和防堵效果均有显著提高。该文为自清洁播种头的参数优化与排种质量进一步提升提供了理论依据。     

幼苗气力拾取弹性苗托的设计与试验

幼苗气力拾取机构是育苗生产装备的关键机构,拾取机构采用气力拾取方法捡拾刚性平台上的幼苗时,由于幼苗存在个体差异,气力拾取手固定的吸附位置难以同时适应幼苗的尺寸和形态变化,存在损伤幼苗、作业耗时长耗能多的问题。针对以上问题,该文提出了一种由气力拾取手与弹性苗托构成的幼苗气力柔性拾取方法,设计了采用直径为0.32 mm钢丝进行缓冲的弹性苗托,对弹性苗托的结构参数进行了优化试验,并对刚性平台与弹性苗托的拾取性能进行了对比试验。试验结果表明:弹性苗托的两根缓冲钢丝支撑间距为9 mm,苗托槽口深度为6 mm,钢丝固定边距为4 mm的条件下,可保证对2.8~5.1 mm范围内茄子接穗苗的吸附成功率达到90%以上。在保证吸附直径4 mm茄子接穗苗成功的情况下,采用刚性平台时,平均幼苗损伤率为21%,平均吸附响应时间为0.08 s;采用结构参数优化后的弹性苗托时,平均幼苗损伤率降至5%,相对于刚性平台时损伤率减少16%,平均吸附响应时间减少至0.03 s,相对于刚性平台时作业时间减少62.5%。该研究结果为农业机器人幼苗拾取装置的开发提供了参考。     

盆花包装机开袋机构设计与试验

为进一步提高现有盆花包装机的作业性能,针对现有盆花包装机开袋作业环节中存在负压吸盘吸附包装袋不稳定易脱落的问题,该文设计了增设钩袋装置的开袋机构,确定了负压吸盘、开袋运动装置和钩袋装置的主要结构参数,并对无钩袋开袋机构与有钩袋装置的开袋机构分别进行了开袋作业性能试验。试验结果表明:无钩袋开袋机构为保证作业成功率大于等于90%,开袋速度小于0.30 m/s;有钩袋装置开袋机构为保证作业成功率≥95%,当钩袋爪与吸盘的间距为2 mm、钩袋爪宽为4 mm时,开袋速度可提高到0.41 m/s,据此,可使盆花包装机整机作业生产率提高7.3%,生产率达到1 287盆/h。该研究结果为盆花包装机的开发提供重要技术参考。     

气力滚筒式水稻直播精量排种器排种性能分析与田间试验

为了提高气力滚筒式水稻直播精量排种器的排种性能,该文运用单因素和中心组合试验设计理论,借助JPS-12型排种器性能检测试验台,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4个主要运行参数对其排种性能的影响规律。单因素试验结果表明:排种滚筒转速、负压气室真空度、清种气流速度对排种器合格率、漏播率等指标的影响显著;正压气室清堵正压对排种器合格率、漏播率等指标的影响不显著;3个影响显著因素的三因素五水平回归正交旋转组合设计试验结果表明:各试验因素及因素交互作用对主要评价指标的影响主次顺序不同,影响排种器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;对所建回归方程进行综合优化,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 k Pa,清种气流速度21.88 m/s。此时,排种器的合格率为87.73%、漏播率为2.93%、空穴率为0.53%、重播率为9.34%、破损率为0.91%、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3.07%、总排量稳定性变异系数为2.08%。田间播种试验结果为合格率79.42%、漏播率15.11%、空穴率3.88、重播率5.47%、穴距平均值175.61 mm、穴距变异系数为20.03%。研究结果为气力滚筒式水稻直播精量排种器结构参数优化及排种性能提升提供参考。     

穴盘苗吹叶补苗机构设计与试验

针对叶片遮挡穴盘苗空穴机械补苗作业时存在损伤待补空穴周围穴盘苗叶片的问题,该研究提出一种使用射流气管吹开遮挡叶片进行机械补苗的吹叶补苗方法。作业时,射流气管内通高压气流,由待补空穴底端渗水孔向上移动,吹开遮挡叶片,到达穴盘苗叶片顶部后,补苗机械手夹持待补苗使基质块底部靠近射流气管顶端,并与射流气管同步下移完成补苗作业。吹叶机构射流气管内径5 mm,顶端封闭,靠近顶端的水平截面均布开设8个直径1.2 mm的射流孔。搭建由吹叶机构与挂接于Denso机械手臂的补苗机械手组成的试验装置,对72穴穴盘培育的红掌、白掌、芥蓝、菜心、白菜和生菜6种不同叶片遮挡程度的穴盘苗进行单穴吹叶补苗性能试验。结果表明,吹叶机构与补苗机械手协同作业的补苗成功率与穴盘苗初始叶片遮挡率(穴盘待补空穴被相邻穴盘苗叶片遮挡的面积与穴孔面积的比值)、遮挡叶片倾角和射流气管压力有关。在射流气管射流孔数为8,射流孔直径1.2 mm条件下,射流气管压力为0.28 MPa时,初始叶片遮挡率59.4%的红掌穴盘苗的补苗成功率可达92%;射流气管压力为0.22 MPa时,初始叶片遮挡率56.2%的白掌穴盘苗的补苗成功率可达94%;射流气管压力为0.22～0.31 MPa时,初始叶片遮挡率35.4%的芥蓝穴盘苗的补苗成功率均可达90%;射流气管压力为0.16～0.31 MPa时,初始叶片遮挡率29.7%～35.8%的菜心、白菜和生菜穴盘苗的补苗成功率均可达90%。研究结果可为叶片遮挡穴盘苗空穴的机械补苗设备开发提供技术参考。     

振动气吸式精密穴播机的排种性能

为了研究振动气吸式精密穴播机的排种性能,根据空气动力学理论,结合水稻的物料特性,分析了稻种的吸种过程及穴播机的吸种性能;根据振动理论,分析了薄层种子和厚层种子在种盘上的运动。种子抛掷条件与振动频率、种盘振幅和种层厚度有关,种层越厚,振动部件所要求的振动强度越大。对于杂交水稻种子精密穴播,当吸种高度大于1 mm时,气室负压随吸种高度的增加而迅速增大,当吸嘴口直径小于1 mm时,气室负压随吸嘴口直径的减小而迅速增大,较优的气室负压为10～15 kPa。试验研究表明,该穴播机播种合格率达97.7%,能完全满足杂交水稻精密穴播农艺要求。     

吸盘式水稻育秧播种器吸孔气流场仿真分析

为分析吸盘式水稻育秧播种器工况参数和吸孔结构参数对种子吸附性能和吸孔堵塞的影响,运用ANSYS12.0/Fluent软件对3种形式的吸孔在不同边界条件下的气流场进行仿真分析。数值模拟正交试验和单因素试验分析表明吸孔导程对吸孔吸种空穴率和重吸率的影响较小,但减少吸孔导程有利于减少吸孔堵塞;吸种孔最大吸种距离在2mm左右;仿真结果与室内试验结果吻合。该研究对吸盘式水稻育秧播种器吸种孔优化设计和工作参数选择有参考价值。     

气力式授粉喷气管道参数优化与试验验证

杂交水稻制种气力式辅助授粉时,花粉随气流场运动,喷气管道多个喷孔的气流场叠加,表征气流场特性的射流极角、出孔动压对花粉分布均匀性、传播距离起决定性作用,为探索射流极角、出孔动压与管道参数之间的影响关系,获得较理想的气力授粉管道参数组合。该研究首先分析喷气管道气流场的叠加原理,采用消防烟雾弹发出有色气体经喷气管道的喷孔喷射并拍摄气流场图片,选取喷管直径、喷管壁厚、喷孔直径三因素为影响因子,以射流极角、出孔动压为评价指标,进行三因素五水平的单因素和多因素正交试验,通过对试验结果进行极差分析、矩阵分析,获得各因素对气流场特性的影响规律,找出较理想的因素组合并进行验证试验。结果表明,喷孔直径对射流极角和出孔动压的影响显著,3个因素的影响顺序为喷孔直径、喷管直径、喷管壁厚,较优的因素组合为喷管直径63 mm、喷管壁厚5 mm、喷孔直径12 mm,此时的射流极角为13.38°,出孔动压为31.6 Pa。验证试验表明,优化的因素组合明显提高花粉分布均匀性,花粉分布不均匀度（方差）降为1.33,花粉能形成覆盖母本行呈正态分布特性的单峰分布,能够满足气力辅助授粉对授粉管道的作业要求,研究结果为气力式授粉喷气管道的设计提供参考。     

劣质钵苗气吸式剔除装置参数优化及试验验证

温室育苗穴盘中劣质钵苗的存在会影响后期种苗移栽成活率,在出厂前急需将这些劣质钵苗基质块剔除,现有机械式剔除往往存在基质颗粒散落遗漏现象,而气吸式剔除方式则可以很好地弥补这一缺陷。为深入研究基质气吸式剔除方案的可行性以及分析负压作用下管路设计与吸附效率之间的关系,该研究进行了相关参数的优化与试验验证。以单因素试验为基础,初步筛选得到管径26 mm、管距6 mm、管长2 000 mm为优选值,以此为基础,以200孔穴盘钵苗为对象,分析管型、管径、管距和管长4种因素对基质剔净率的影响,并进行响应面分析。试验结果表明,除管长以外其余因素对基质的剔净率均有显著影响。各因素的较优组合为:方管、管径26 mm、管距3 mm和管长1 000 mm,当负压22 kPa,基质剔净率为95%左右,相比优化之前平均提高2.94%。该研究可为温室育苗中劣质钵苗基质气力剔除装备的设计提供参考。     

马铃薯气力精量播种机设计与试验

针对目前中国马铃薯播种机普遍存在作业速度慢、精度低、重漏播率高等关键问题,根据中国北方马铃薯一季作区大规模、大面积和高效精量播种的农艺要求,该文研制了一种马铃薯气力式精量播种机,该机一次作业可完成马铃薯开沟、侧深分层施肥、高速播种和覆土等多项功能。设计了气吸式马铃薯播种机多臂均布式排种器结构、分体式滑刀开沟器、排种器风机和动态供种装置;确定了包括配气阀、吸种臂及2种(常规薯、微型薯)吸种嘴的排种器关键部件的结构参数。田间生产试验表明,马铃薯气力精量播种机作业速度可达到10.2 km/h,播种早出苗2~3 d,同苗率达到96%。200 hm2的生产应用表明,本文所研制的马铃薯气力精量播种机重播率≤1%,漏播率≤1%,株距变异系数≤10%,同苗率96%,均超过国家标准且满足马铃薯田间种植的农艺要求,为中国马铃薯机械化播种提供了一种新技术、新装备和新方法。