稻田气力式变量施肥机肥料喷撒器设计与试验

目前水稻施追肥以离心圆盘式撒肥机为主,虽具有幅宽大、作业效率高的特点,但是变量控制精度差。为了满足水稻变量施肥的作业要求,设计了一种气力式变量施肥机,在满足幅宽要求的基础上,还能够实现在幅宽方向上的变量控制施肥。设计了用于该机的肥料喷撒器,对该喷撒器的肥料运动进行了理论分析,并对不同挡板结构的喷撒器进行气流流场模拟分析,对在不同转速下各排肥口的施肥量和不同挡板类型的施肥喷撒器在各自施肥范围内的施肥均匀性进行了试验。试验结果表明：转速对各排肥口的排肥量没有显著性影响,各排肥口的排肥量误差在均值的5%以内;转速和喷撒器的挡板结构类型对单一喷撒器施肥范围内的施肥均匀性具有显著性影响,以施肥均匀性变异系数为指标,排肥轮转速在30r/min左右时,整体排肥均匀性变异系数优于其他转速;而圆锥形挡板喷撒器在所有转速下其排肥均匀性变异系数均优于其他挡板结构的喷撒器,且当排肥轮转速大于30r/min时,该喷撒器的施肥均匀性变异系数小于8%。就挡板结构对喷撒器出口气流场的影响和施肥均匀性进行了比较研究,发现二者具有相似性,初步断定气流场对施肥均匀性具有一定影响。在实际作业过程中为了使单个排肥口的排肥均匀性更好,应当采用圆锥挡板喷撒器,并且在确定作业区域的施肥量下,尽可能调整车速,使排肥轮转速达到30r/min以上,以最大程度保证施肥区域的施肥均匀性。     

斜口螺旋精控排肥器优化设计与试验

为解决螺旋排肥器排肥流量不均匀影响精控施肥的问题,在通过排肥过程肥料运动状态仿真分析确定其排肥不均原因的基础上,采用倾斜排肥口的结构设计以提升排肥均匀性。利用EDEM建立斜口螺旋排肥器仿真模型,以斜口长度x1、斜口角度x2、开口宽度x3试验因素,排肥流量变异系数为试验指标,进行二次通用旋转组合设计试验研究。试验结果表明：试验因素对试验指标的影响主次顺序为x3、x2、x1,且当x1为105mm、x2在30°~44°范围内、x3在40.05~55.00mm范围内时,排肥流量变异系数σ小于15%,排肥均匀性较佳。采用台架试验对传统及斜口螺旋排肥器进行对比试验,结果证明：转速60r/min时斜口螺旋排肥器排肥流量变异系数σ为13.59%,与理论优化值相吻合,且斜口螺旋排肥器均优于传统螺旋排肥器。同时基于实测的排肥器排肥转速流量曲线,设计一种排肥控制器并进行台架试验,结果表明其可实现精控施肥。     

基于EDEM的有机肥排肥性能分析与试验

有机肥由于吸水性较强,在存储过程中易潮解、粘连结块,导致含水率增加,从而影响施肥机的排肥性能。为了探明有机肥含水率对施肥机排肥性能造成的影响,对不同含水率有机肥物理性质进行测定,利用EDEM离散元分析软件,对有机肥参数进行标定,确定其力学特性,并对前期研制的双料箱施肥机在施用不同含水率有机肥时的排肥性能进行仿真分析。结果表明:施肥机在施用不同含水率有机肥时,单位时间施肥量随着含水率的增加而减少;有机肥含水率小于16.61%时,施肥稳定性高,波动性小;有机肥含水率大于16.61%时,施肥机出现排肥堵塞现象。田间试验表明:试验结果与仿真结果变化趋势基本一致,施肥机能施用含水率高达13.35%的有机肥。研究结果可为双料箱施肥机设计及改进提供参考。     

偏置式果园施肥机的研制与试验

针对目前果园施肥劳动强度大、作业效率低、不能联合作业等问题,研制出一种以履带拖拉机为动力源、适用于联合作业的偏置式果园施肥机。履带拖拉机的动力输出轴与传动箱连接,动力经传动箱、链传动依次传递给开沟装置、搅拌装置和回填装置,履带拖拉机行走轮通过链传动带动有机肥排肥器和化肥排肥器排肥,从而完成开沟施肥、搅拌回填的联合作业。田间试验结果表明：机具性能稳定、作业良好,施肥宽度均值为30.9cm,施肥宽度稳定性系数为97.6%,施肥深度均值为48.7cm,施肥深度稳定性系数为98.0%,满足果园施肥深度与宽度的要求。     

双齿轮式排肥器设计与试验

为了提高颗粒肥料的施肥均匀性,设计了双齿轮式排肥器。利用离散元软件对排肥过程进行仿真分析,以排肥轮压力角、排肥轮间隙为试验因素,以排肥均匀度变异系数为排肥效果评价指标,分析因素对指标的影响。单因素试验结果表明,排肥轮压力角在15°～25°,排肥轮间隙在4～6 mm,排肥效果较好;通过二次通用旋转组合试验,建立了两个因素与评价指标的回归方程,试验结果表明,随排肥轮压力角、排肥轮间隙的增大,排肥均匀度变异系数均呈现先增大、后减小的趋势,当排肥轮压力角为19. 52°、排肥轮间隙为4. 7 mm时,排肥器具有最优的排肥效果,此时理论计算和仿真试验的排肥均匀度变异系数分别为15. 30%和14. 58%,两者偏差为0. 72个百分点,说明回归模型准确。最优结构参数组合下双齿轮式排肥器的台架试验结果表明,排肥量可通过排肥轮转速线性调节,排肥均匀度变异系数为15. 42%,与仿真值及理论值基本一致;同等条件下外槽轮排肥器的排肥均匀度变异系数为20. 29%,试验排肥器排肥均匀度变异系数提高了31. 58%,排肥均匀性得到明显改善。     

基于颗粒肥料运动模型的排肥器优化与试验

针对螺旋锥体离心式排肥器排肥性能需提升、各参数对排肥性能影响规律不明确及相关理论和解析模型研究不深入的问题,建立了颗粒肥料在排肥器内的运动模型,通过理论分析确定了弧形锥体圆盘的母线方程及影响排肥器性能的主要结构参数和范围。采用EDEM离散元仿真软件,开展了以排肥器锥盘离送段水平倾角δ、推板径向偏角γ及锥盘转速n为试验因素,以排肥量稳定性变异系数CV1、各排肥管道排出肥料的一致性变异系数CV2及随机选取的某一路排肥管道的同行排肥量一致性变异系数CV3作为响应指标的二次回归正交旋转组合试验,应用Design-Expert软件分析了各参数对排肥性能的影响规律,确定了排肥器最优结构参数为水平倾角30.4°、推板径向偏角3.2°、锥盘转速130r/min。为验证所优化排肥器的排肥性能,基于排肥器最优参数组合,开展排肥器在100、110、120、130r/min的排量标定及性能验证试验,试验结果表明,排肥器行最大供肥速率为1.6kg/min,排肥量稳定性变异系数不大于3.12%,各行排肥量一致性变异系数不大于5.29%,同行排肥量一致性变异系数不大于2.05%,各指标均满足施肥量要求。田间试验表明,排肥器排肥量稳定性变异系数不大于4.57%、各行排肥量一致性变异系数不大于6.98%、同行排肥量一致性变异系数不大于3.56%,满足行业标准要求。该研究可为进一步提高排肥器性能及排肥器设计提供理论参考。     

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%。     

螺旋锥体离心式排肥器扰动防堵机理分析与试验

针对传统排肥器因肥料架空结拱堵塞而影响排肥性能的问题,通过构建螺旋锥体离心式排肥器排肥过程颗粒化肥的运动模型及扰动破拱防堵机理分析,阐明了螺旋扰动叶片破拱防堵作用机理。采用EDEM离散元软件,进行了有、无螺旋扰动杯的排肥器排肥过程仿真对比分析,螺旋叶片能够为肥箱出肥口与排肥器连接处及扰动杯内的颗粒化肥提供卷携扰动作用,同时可增大颗粒化肥下移速度,防止肥料架空结拱堵塞。高速摄像试验表明：肥箱出肥口与有螺旋扰动杯排肥器连接处的颗粒化肥做与弧形锥体圆盘转速相同方向的向下运动,颗粒化肥运动流畅,无断层下落问题;无螺旋扰动杯排肥器与肥箱出肥口连接处的颗粒化肥做缓慢的向下运动,且运动过程中出现了颗粒化肥断续下落问题。台架试验表明：有螺旋扰动杯的排肥器排肥频率稳定性系数在96%以上,排肥量稳定性变异系数不超过5.57%,满足施肥质量要求,明显优于无螺旋扰动杯的排肥器。     

气力集排式精量配混施肥装置设计与试验

为满足玉米生长中后期的追肥需求,本文设计一种气力集排式精量配混施肥装置。电机驱动叶片旋转进行混肥,将肥料分配器内部设计成锥形结构。基于流体动力学和离散元耦合法对分配器排肥口倾角、分配器上端波纹管的结构和布置方式进行研究;以排肥口倾角、输送气速和波纹管长度为试验因素,以各行排肥量变异系数为试验指标,进行三元二次回归正交组合设计试验。试验结果表明,当排肥口倾角45°、输送气速35m/s、波纹管长度568mm时,性能最优。混肥器进口采用中心布置方式,叶片数量为8。田间试验结果表明,该机施肥量误差小于2%,总施肥量稳定性变异系数为2%,施肥断条率低于2%,满足国家标准。     

圆锥盘推板式水田侧深施肥双行排肥器设计与试验

为提高水田侧深施肥排肥器稳定性与均匀性,增强肥量调节能力,保证水田侧深施肥作业效率与质量,结合黑龙江地区水田施肥农艺要求,设计了一种圆锥盘推板式双行排肥器。阐述了排肥器工作原理,构建了肥料不同阶段的力学模型,确定了圆锥转盘结构参数与临界转速;应用离散元软件EDEM仿真分析推板数量对肥料填充能力与排肥性能的影响规律,得出推板数量为8时,排肥器具有最佳排肥性能;采用全因子试验方法开展圆锥转盘转速为15～45 r/min、排肥口开度为5～25 mm条件下排肥器排肥量和排肥性能的台架试验,试验结果表明,排肥量范围为122～934 kg/hm²,与圆锥转盘转速和排肥口开度均具有较高的线性相关性,且与圆锥转盘转速相关性最高;双行排肥量一致性变异系数、总排肥量稳定性变异系数和排肥均匀性变异系数范围分别为1.01%～3.88%、1.05%～3.81%、6.64%～15.79%,排肥器倾斜状态下双行排肥量一致性变异系数最大值为6.17%,试验结果满足水田侧深施肥性能要求。     

四槽轮配肥器肥料颗粒碰撞掺混离散元分析与优化设计

为解决精准施肥过程中变比配肥施肥机械搅拌掺混效率低、掺混均匀度一致性差等问题,设计了一种带有二次碰撞掺混锥形体的四槽轮变比配肥器,可根据4种肥料的需肥量控制4个槽轮以不同转速排肥,二次碰撞掺混腔实现变比配肥的非机械搅拌均匀掺混。测定了4种肥料颗粒的物料特性及在不同含水率条件下的破碎力和粘附力。采用离散元法,选用Hertz-Mindlin无滑动接触模型,分析4种肥料排料运动和碰撞掺混规律。通过正交试验和方差分析,发现槽轮转速在20～80 r/min范围内时,转速对掺混偏离度标准差影响不显著,四槽轮变比配肥器可以实现变比配肥均匀掺混;优化设计二次碰撞掺混锥形体在圆柱形掺混腔内最优高度为12.1 mm,在此高度下二次碰撞掺混锥形体锥角为57.9°。利用力链分析肥料颗粒在槽轮排肥器工作时受力分布,解算4种肥料颗粒所受到的挤压力均小于其破碎力,变比配肥时不会造成肥料颗粒破碎。另外,利用高速摄影分析不同频率、振幅的振动对肥料颗粒碰撞掺混的影响,发现振动对碰撞掺混均匀度影响很小;进行变比配肥碰撞掺混试验,试验结果表明,各组配肥掺混均匀度基本一致,实现了多种肥料的变比配肥和非机械搅拌均匀掺混。     

水平涡轮叶片式精量排肥器设计与试验

为提高排肥均匀性,以大颗粒尿素为研究对象,设计了一种水平涡轮叶片式精量排肥器,对关键参数进行了设计与机理分析,确定了影响排肥均匀性的影响因素和参数范围,并基于离散元仿真软件确定了对数螺旋线叶片曲面参数。以涡轮叶片数量、涡轮转速和排肥口开度为试验因素,进行了排肥量的单因素试验和排肥均匀性的Box-Behnken多因素试验,结果表明,排肥量与转速呈良好的线性关系,决定系数R2不小于0.96,对于确定叶片数量的排肥涡轮,可匹配不同排肥口开度的涡轮底盘并实时控制排肥涡轮转速来调节排肥量,易于实现变量施肥作业,且排量范围内排肥均匀性较好;涡轮叶片数和排肥口开度的交互作用对排肥均匀性影响高度显著,各因素影响的主次顺序为涡轮叶片数、涡轮转速和排肥口开度;当涡轮叶片数为8个、涡轮转速为98r/min、排肥口开度为40°时,排肥均匀性系数为97.24％,实际试验验证结果与优化结果相吻合;对磷酸二胺颗粒肥料的适应性验证试验结果表明,两种颗粒肥料排肥器排肥均匀性系数接近97%,排肥量稳定性变异系数小于2%,排肥器具有较好的排肥均匀性和排量稳定性;对比分析目前常用外槽轮排肥器,设计的水平涡轮叶片式精量排肥器有效地提高了颗粒肥料的排肥均匀性。     

牵引式液态肥喷洒机设计与试验

针对目前国内缺乏专业的液态肥喷洒机,设计了主要由罐体、吸料系统、排料系统和喷洒器等部件组成的牵引式液态肥喷洒机,建立了喷洒作业理论模型,并对真空泵排量、罐体结构、喷嘴喷射速度等关键参数进行了设计与计算.采用仿真软件对喷洒器散射挡板形状、散射挡板朝向、喷嘴形状和喷嘴喷射速度等关键因素进行了仿真分析,结果表明,为达到较好的...     

油菜直播机四头螺旋双行排肥器设计与试验

针对油菜直播机常用外槽轮排肥器排肥稳定性和均匀性不足及各行一致性低等问题,设计了一种四头螺旋双行排肥器。分析了肥料颗粒在螺旋排肥中的运动特性,确定了排肥螺旋螺距范围和临界转速,运用EDEM仿真分析得出排肥螺旋头数为四头和螺距为24mm时,排肥器具有最佳的排肥性能;开展了排肥螺旋转速对排肥器排肥性能影响和不同肥料适应性的台架试验,试验结果表明,排肥速率随排肥螺旋转速增大而增加,单行排肥速率为461.19~1328.57g/min,排肥均匀性变异系数随排肥螺旋转速增大而变小,在转速大于30r/min时,排肥均匀性变异系数小于6.5%,总排肥量稳定性变异系数和双行排肥量一致性变异系数均小于2.2%;同时研究表明一器双行四头螺旋排肥器能适应广泛应用的不同类型油菜直播常用复合肥,3种试验肥料排肥均匀性变异系数均满足施肥标准,总排肥量稳定性变异系数和双行排肥量一致性变异系数均低于3.3%。田间试验结果表明,理论施肥量为28.87kg时,一器双行螺旋排肥器实际施用量与理论施用量相对误差为2.33%,排肥均匀性变异系数为6.73%,双行排肥量一致性变异系数为1.98%。试验结果满足油菜直播生产施肥要求,可为油菜直播排肥器的结构改进和优化提供参考。     

自走式果园有机肥条铺机设计与试验

为扩展果园秸秆覆盖机作业功能,解决丘陵山地果园缺少有机肥施肥机械的问题,基于秸秆覆盖机,设计了自走式果园有机肥条铺机。整机主要由车体和条铺装置组成,其中条铺装置采用伸缩式结构,条铺间距为1.8～2.7 m,适应在行距为3.0～4.5 m的果园进行有机肥对沟施肥或行间双侧条铺,也可用于大田作物对行施基肥或条铺栽培基质。运用离散元法对条铺装置的排肥口结构进行优化,确定了最优斜口形排肥口结构。条铺试验结果表明,腐熟牛粪施肥量29.40～53.10 t/hm²,变异系数小于等于15.48%;菌渣施肥量21.45～75.00 t/hm²,变异系数小于等于6.57%;腐熟牛粪、菌渣施肥量模型的决定系数分别为0.871 3和0.963 1。果园实地试验中作业效果良好。     

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。     

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。     

基于EDEM的高精度施肥装置设计与试验

肥料利用率低的主要原因是施肥方式精度不高引起的,将条状施肥改变为穴式施肥,可使肥料的利用率得到提升。为此,基于EDEM采用现代化的离散元模型科技设计,对不同结构和作业参数下的排肥盘进行仿真分析计算,结果表明:肥料腔的形状、施肥装置的前进速度及施肥量均对排肥量的变异系数有着明显的影响,施肥装置的前进速度变快和施肥量的降低最终会导致排肥量的变异系数增大。通过仿真模型对比发现,相比较其他形状的肥料腔来说,整体呈现为圆弧形的肥料腔对于排肥量的稳定性最好,施肥装置在前进过程中对于肥料的扰动情况也最小。在传送带速度为7km/h、排肥量300kg/hm^2的条件下进行了试验验证,结果表明:圆弧形肥腔的稳定性最好,排肥量的合理率为94%,变异系数为6.5%,与仿真实验的结果呈现出了相同的规律,可应用到实际排肥作业当中。