变形椭圆齿轮式扎穴机构设计与工作参数试验优化

针对深施型液态施肥机扎穴机构多参数下动力学性能差等问题,探索多工作参数下的变形椭圆齿轮式扎穴机构动力学变化规律,通过建立变形椭圆齿轮行星轮系的节曲线方程,采用Visual Basic 6.0语言,编写了变形椭圆齿轮式扎穴机构运动学仿真与优化软件,调节变形椭圆齿轮的长半轴长度、变形椭圆齿轮偏心率与变形椭圆齿轮变形系数等相关参数,优化并得到一组机构较优参数。搭建了扎穴机构动力学特性测试试验台,进行动力学特性试验。采用旋转中心复合试验设计方案,以行星架转速和土槽车前进速度为试验影响因素,以太阳轮轴所受扭矩和喷肥针入土时受到的拉压力为试验影响指标。在试验台上利用扭矩传感器、信号采集仪和DASP-10处理软件,测得太阳轮轴扭矩和喷肥针入土时受到的拉压力,建立试验影响因素和影响指标的关系模型及响应曲面图,并运用Design-Expert 8.0.10软件对试验数据进行分析。试验结果表明,当行星架转速64.4 r/min,前进速度0.61 m/s时,太阳轮轴扭矩为5.05 N·m,喷肥针受到的拉压力为20.03 N,此时机构动力学性能最优。应用此参数组合进行测试验证,验证了其合理性。该研究结果可保证扎穴机构在多工作参数下工作时,机具具有良好的扎穴性能。     

液肥穴施肥机扎穴针体与土壤互作仿真分析及试验

针对液肥穴施肥机斜置式扎穴机构扎穴时,触土部件-针体所受三向阻力变化规律以及土壤动态行为特性难以直接通过试验获取问题,通过采用Drucker-Prager屈服准则构建穴施土壤有限元模型,运用ADAMS运动学分析模块获得扎穴机构喷肥针扎穴轨迹,利用ANSYS/LS-DYNA显示动力学软件建立喷肥针与土壤互作仿真模型。以Z轴方向针体所受最大压力（均指绝对值）为测量指标,工作参数为影响因素,进行喷肥针单向受力虚拟和台架对比试验。结果表明,压力皆随前进速度和扎穴机构转速的增大先增大后减小,仿真和试验数据接近,变化趋势基本相同。以喷肥针前进速度0.62m/s、扎穴机构转速70r/min及斜置角20°为仿真工作参数,对针体进行三向阻力以及土壤动态行为仿真分析,可知喷肥针在3个方向的阻力先增大后减小。0~0189s内即喷肥针入土过程,针体在X轴方向阻力缓慢上升,说明喷肥针对前进方向土壤扰动较小;针体在Z轴方向上阻力增大较快,说明喷肥针冲击土壤作用较强,土壤受到针尖剪切致使应力主要集中在此方向上,在0.189s阻力达到最大值21.69N;针体在Y轴方向上阻力较小,说明喷肥针挤压土壤作用较弱,在0.189s阻力达到最大值8.56N。0.189~0.214s内即喷肥针原位置自身摆动过程,针体在X轴方向阻力增大趋势变快,说明喷肥针对前进方向土壤产生较大扰动;其他两个方向阻力基本保持不变。0.214~0.350s内即喷肥针出土过程,喷肥针在Z轴和Y轴方向阻力逐渐减小直至变为0;其中在0.214~0.238s内,针体在X轴方向阻力瞬间增大,说明喷肥针对前进方向土壤产生强烈挤压,0.238s达到最大值31.87N。在整个扎穴过程中,穴口形成是喷肥针出土过程自身的摆动姿态与前进方向土壤扰动引起的,因此针体沿X轴方向阻力影响显著,符合实际扎穴规律。     

基于三次拉格朗日曲线拟合轨迹的斜置式扎穴机构研究

为更好地满足斜置式扎穴机构喷肥针的入出土轨迹姿态以及不损伤作物的农艺要求,提出基于三次拉格朗日曲线拟合扎穴轨迹的逆向设计参数优化方法,为得到理想的"杏胡形"扎穴轨迹,通过改变相对轨迹上若干型值点的坐标,控制喷肥针入出土姿态并建立喷肥针的运动学模型,采用Matlab GUI开发平台,编写了斜置式非规则齿轮行星轮系扎穴机构的逆向设计与运动学分析仿真软件,最终得到非规则齿轮行星轮系的节曲线、喷肥针的入出土角及喷肥针尖的速度随行星架转角的变化曲线。通过高速摄影试验,观察和分析了在扎穴机构不同斜置角度下喷肥针尖相对运动轨迹的变化规律。试验结果表明,随着机构斜置角度的增大,喷肥针轨迹横向尺寸不变,纵向尺寸减小,扎穴轨迹段曲线逐渐向里收缩。在保证喷肥针扎入土壤一定深度情况下,喷肥针入出土角逐渐增大,随着机构斜置角度的增大,喷肥针轨迹的穴口宽度逐渐增大。     

卵形——全正圆齿轮行星系变速扎穴机构设计与试验

针对深施型液态施肥机扎穴机构始终无法满足喷肥针垂直姿态入出土问题,分别根据卵形非圆齿轮与全正圆齿轮行星轮系的组合啮合特性,设计了一种实现变速垂直扎穴的新型卵形—全正圆齿轮行星系扎穴机构。采用卵形齿轮相互啮合原理,控制扎穴机构在工作周期内的瞬时角速度变化,实现变速扎穴,满足喷肥针在入土与出土过程中水平绝度速度趋近于0的特定要求,达到穴口最小。以喷肥针垂直姿态扎穴并满足小穴口为设计目标,建立机构数学模型,以扎穴机构转速120r/min、前进速度1.2m/s和扎穴深度80mm为约束条件,得到机构的结构参数为卵形齿轮长半轴距离39.9mm、偏心率0.15、正圆齿轮节曲线直径68mm和喷肥针长度140mm,并运用ADAMS软件进行虚拟试验验证。通过高速摄像与扎穴试验,得到喷肥针在前进速度1.2m/s、扎穴转速120r/min与扎穴深度80mm下的轨迹形状、水平绝对速度曲线以及穴口宽度。结果表明,卵形—全正圆齿轮行星系扎穴机构在高转速与前进速度下,喷肥针始终保证垂直姿态入出土,实现了小穴口的目标。     

卵形-全正圆齿轮行星系变速扎穴机构设计与试验

针对深施型液态施肥机扎穴机构始终无法满足喷肥针垂直姿态入出土问题,分别根据卵形非圆齿轮与全正圆齿轮行星轮系的组合啮合特性,设计了一种实现变速垂直扎穴的新型卵形-全正圆齿轮行星系扎穴机构。采用卵形齿轮相互啮合原理,控制扎穴机构在工作周期内的瞬时角速度变化,实现变速扎穴,满足喷肥针在入土与出土过程中水平绝度速度趋近于零的特定要求,达到穴口最小。以喷肥针垂直姿态扎穴并满足小穴口为设计目标,建立机构数学模型,以扎穴机构转速120 r/min、前进速度1.2 m/s和扎穴深度80 mm为约束条件,得到机构的结构参数为卵形齿轮长半轴距离39.9 mm、偏心率0.15、正圆齿轮节曲线直径68 mm和喷肥针长度140 mm,并运用ADAMS软件进行虚拟试验验证。通过高速摄像与扎穴试验,得到喷肥针在前进速度1.2 m/s、扎穴转速120 r/min与扎穴深度80 mm下的轨迹形状、水平绝对速度曲线以及穴口宽度。结果表明,卵形-全正圆齿轮行星系变速扎穴机构在高转速与前进速度下,喷肥针始终保证垂直姿态入出土,实现了小穴口的目标。     

液态施肥机椭圆齿轮扎穴机构优化设计与仿真

为减少深施液态肥时土壤回带现象,建立了扎穴机构数学模型,利用VB编写了计算机辅助分析软件,并仿真得到影响施肥效果的因素以及喷肥针长度、摇臂长度、喷肥针与摇臂的夹角、行星架的初始位置等有关参数。其中一组优化后参数为：摇臂长度197mm,喷肥针长度180mm,喷肥针与摇臂的夹角76°,行星架的初始角度31°,行星轮轴心和喷肥针尖D的连线与行星架中心连线的初始夹角-70°。通过验证,优化后扎穴机构大大减少了喷肥针土壤回带现象。     

深施型液态施肥装置施肥过程高速摄像分析

在行星架转速110 r/min、液泵压力0.3 MPa、分配器阀芯孔直径3 mm和喷肥针孔直径2 mm的条件下,采用高速摄像对扎穴机构扎穴和喷肥工作过程进行拍摄。借助高速摄像及图像处理技术对扎穴和喷肥的运动规律进行分析后得出：喷肥针入土后开始喷肥到离土前停止喷肥的时间为0.1 s、液态肥施肥损失率为0.48%、喷肥针真实运动轨迹宽度变化256 mm和高度变化502 mm。结果表明：扎穴机构扎穴过程和喷肥过程具有较好的同步性,且施肥损失率远小于3.5%的作业要求。     

基于贝塞尔曲线的液肥扎穴机构动力学分析与试验

采用贝塞尔理论推导出了非圆齿轮节曲线方程,进而设计了一种贝塞尔节曲线齿轮行星轮系扎穴机构。以扎穴机构为研究对象建立了动力学模型,利用Visual Basic 6.0软件编写动力学软件,得到单位工作周期内各齿轮轴心及啮合点处受力随行星架转角变化的规律。搭建动力学土槽试验台,在工作转速40、60、80 r/min,土槽移动速度0.8 m/s及土壤硬度0.4~1.0 MPa工况下,测定扎穴机构及支撑底座的动力学特性。试验结果表明,随行星架转速增加扎穴机构振动增强;单位工作周期内支撑底座所受反力的变化规律以旋转角180°为中心对称分布。测试结果与理论分析一致,验证了理论模型的正确和试验方法的可行,该研究为施肥机高速作业时的动平衡控制提供了理论依据,为进一步设计高速化轻型化的液态施肥机奠定了基础。     

斜置式非规则齿轮行星轮系扎穴机构工作参数试验优化

为探明深施型液态施肥机扎穴机构工作参数对作物损伤率、穴口宽度以及穴距的影响机理,设计了一种斜置式非规则齿轮行星轮系扎穴机构。通过联轴器使扎穴机构满足斜置式扎穴状态,使其扎穴轨迹平面与垄面呈一定角度变化,实现斜入式扎穴。采用二次回归正交旋转组合设计进行最佳工作参数试验,以行星架转速、前进速度和斜置角度为试验影响因素,以穴口宽度、穴距和作物损伤率为优化指标,利用响应曲面方法进行优化,运用DesignExpert 8.0.10软件对试验数据进行分析,得到因素与指标之间的回归方程及响应曲面图。试验结果表明,当行星架转速75.0 r/min、前进速度0.48 m/s、斜置角度23.3°时,穴口宽度为40.2 mm,穴距为220 mm,作物损伤率为0.33%,此时机构性能最优,应用此参数组合进行斜入式扎穴测试验证,验证了其合理性。     

深施型液态施肥机扎穴机构优化设

为实现液态施肥机高速作业,设计了一种结构简单、运动平稳的椭圆齿轮行星系作为液态施肥机的扎穴机构.对该机构进行运动学分析,建立了数学模型,以穴距200mm和入土深度120～150mm为寻优目标,应用Visual Basic 6.0软件编程得出满足机构运动要求的最优参数范围为:喷肥针尖和行星轮轴连线与行星架的初始夹角-45°～-40°、行星架初始角位移40°～50°、喷肥针尖与行星轮轴心距离280～300mm,此时椭圆齿轮长半轴29.364mm、齿数23、短半轴与长半轴比0.958,正圆齿轮半径25mm.从优化工作参数中选择一组参数设计扎穴机构,应用Pro/E软件进行仿真.结果表明,根据优化参数设计的扎穴机构能够满足穴距和入土深度的设计要求.     

肥料抛撒机颗粒肥料抛撒运动分析

为探讨肥料抛撒机的撒肥性能,从理论上分析了颗粒肥料在撒肥盘和脱离撒肥盘后的运动机理和颗粒肥料脱离撒肥盘的条件,并通过分析颗粒肥料在撒肥盘和脱离撒肥盘后运动过程中的受力情况,建立了相应的运动方程,进一步得到了颗粒肥料离开撒肥盘时速度的函数关系以及颗粒抛撒幅宽的函数关系,可为肥料抛撒机设计优化和研究提供较好的参考。     

粉末状有机肥条施排肥器设计与试验

针对粉末状有机肥湿度大、流动性差、条施困难等问题,设计了一种粉末状有机肥排肥器。该装置主要由肥箱、排肥拨轮、防自流挡板和排肥轴组成。为了提高排肥器的适用性,以不同含水率（（28±1）%、（32±1）%、（36±1）%）的粉末状有机肥为研究对象进行排肥器设计。对拨轮推动过程中的有机肥进行力学分析,将排肥拨轮设计成摆线型。为了防止有机肥直接通过肥箱底板的排肥口产生自流现象,以及破碎结块的有机肥,设计了防自流挡板。以排肥指数和排肥口宽度为试验因素,排肥稳定性变异系数为性能指标,进行二次正交旋转组合试验,建立排肥器离散元仿真模型,得到排肥指数为6个、排肥口宽度36.36mm时排肥稳定性最好;以断条率、各行排肥量一致性变异系数、排肥稳定性变异系数与排肥均匀性变异系数为评价指标对设计的排肥器进行性能测试试验,试验结果表明：排肥器对不同含水率有机肥以5~8km/h的速度施用时各性能指标均在规定范围内,工作性能稳定,满足技术要求。     

沼肥与其它肥料用于草莓生产的试验对比

本文针对目前我国草莓生产中普遍存在的大量使用化肥、农药、植物生长调节剂等物质致使农产品质量下降,农药及激素类物质残留超标等问题,结合北方地区沼气池和农村能源生态模式推广应用的实际情况,以日本草莓品种"北辉"为供试品种,利用沼气池中的沼液,在草莓的无公害生产中进行沼液施肥与使用化肥、有机肥(豆饼液肥)的试验效果对比,探讨在不同的施肥条件下,对草莓植株性状、品质指标、产量的影响,并对沼液应用于草莓的无公害生产进行对比效益分析.     

沼肥与其它肥料在甜玉米上的应用效果试验

本文对甜玉敉施用沼肥效果进行了研究。结果表明,施用沼肥效果优于化肥。沼肥能显著提高产量和改善品质,尤其能提高甜玉米的新时期品尝品质。     

水肥一体化施肥机吸肥器结构优化及试验

为探究水肥一体化施肥机吸肥器结构对吸肥量的影响及吸肥通道吸肥量差值较大的问题,运用SolidwWorks设计并联1条、2条、3条射流泵的吸肥器模型;并利用FloEFD对3种吸肥器的吸肥量进行分析。综合对比数值模拟结果可知:吸肥器的最优结构为并联3条射流泵。此外,通过改变主管道长度和射流泵间距对吸肥器结构进行优化并分析每条射流泵吸肥量,结果表明:吸肥器结构优化后,每条射流泵的吸肥量趋于相同且吸肥量高于优化前。样机试验表明:每条射流泵的吸肥量差值较小,试验得到的吸肥量数据与数值模拟数据的误差在合理范围内;样机长时间运行具有很好的稳定性,可满足实际的农业灌溉施肥要求。     

深施型液态肥变量施肥控制系统

以深施型液态施肥机为依托,采用单片机作为核心处理器,以电磁比例调节阀为执行部件,设计了深施型液态变量施肥控制系统.设计了与硬件配套的上位机软件,用于采集数据与发送命令.喷肥针施肥量控制误差台架试验结果表明,该系统可实现深施型液态变量施肥,施肥误差不超过0.5 mL/次,满足液态变量施肥作业要求.     

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。     

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。     

施肥播种机肥料流量分段式PID控制系统设计与试验

施肥稳定性是评价变量施肥系统性能的重要指标,针对常规外槽轮式排肥器排肥时脉动性明显导致排肥均匀性差的问题,提出了基于肥料流量反馈的分段式PID控制方法,并设计了施肥播种机高精度肥料流量控制系统,系统采用肥料流量检测模块获取实时肥料流量并作为反馈输入,结合目标肥料流量,根据分段式PID控制算法得到控制输出量,驱动施肥电机,实现肥料流量的准确控制。搭建了施肥试验台,进行了肥料流量变化阶跃响应与施肥精度的台架试验,结果表明,肥料流量控制系统的阶跃响应时间最大值为1.42 s,均值为0.98 s,超调量最大值为3.49%,均值为2.82%,稳态误差最大值为0.89%,均值为0.64%,施肥量控制精度最小值为97.83%,均值为98.14%。在不同试验条件下,肥料流量控制系统的肥料流量控制精度与施肥精度均优于恒定转速系统。田间试验表明,当车速为4、6、8 km/h时,肥料流量控制系统的施肥量控制精度分别为97.84%、97.78%和97.82%,施肥量控制精度平均值为97.81%,标准偏差为0.28%,能够满足高精度施肥需求。     

炭—肥互作对芥菜产量和肥料利用率的影响

进行了生物质炭-化肥互作试验,探究炭-肥互作对红壤养分、芥菜产量、肥料利用率的影响。采用盆栽试验,设置空白对照组CK(不加炭,不施肥)、加炭组(施加5%的稻壳炭),按照化肥投入量的递减率为0、15%、30%、45%,依次标记为RFC0、RFC1、RFC2、RFC3,对应的不加炭处理依次记为RF0、RF1、RF2、RF3。结果表明,添加5%的稻壳炭、化肥施用量为常规施肥量的55%(RFC3)时,氮肥表观利用率最高,炭-肥互作处理的氮肥利用率均显著高于常规施肥处理,平均提高161.42%,而加炭处理(RFC0、RFC1、RFC2、RFC3)的芥菜产量分别比对应的不加炭处理平均提高79.28%。炭-肥互作组的红壤有机质含量比单施化肥组平均高出241.42%;RFC3处理的红壤碱解氮、有效磷含量均高于RF0处理,说明炭可以增加土壤养分,当施肥量为常规施肥量的55%时,生物质炭与化肥互作,保持了土壤的有效养分。另外,炭-肥互作的种植模式也促进了芥菜对氮、磷、钾养分的吸收和贮藏。在本试验条件下,降低肥料投入时,生物质炭发挥其对红壤的综合改良效应及其对养分的吸收和固持作用,从而表现出显著的增产效应;炭-肥互作模式可以在低肥料投入时通过提高肥料表观利用率、氮肥利用率来保证作物的养分供给,保持土壤的肥力,使作物增产。