水田机械式强制排肥装置设计与试验

目前水田机械施肥均匀性差，且作业时在施肥开沟器末端容易出现肥料粘结、架空、堵塞开沟器等现象。针对以上问题，本文设计了一种水田机械式强制排肥装置，并对其关键部件进行了结构设计及性能试验。将水田机械式强制排肥部件的工作过程分为3个阶段，通过运动学和动力学研究方法分析了各工作阶段肥料在螺旋强制排肥部件内的状态，以及影响排肥部件工作性能的关键因素，对螺旋强制排肥部件的直径、转速、螺距3个因素进行了设计计算。以排肥均匀性变异系数为响应指标，进行了螺旋强制排肥部件的单因素台架试验，通过对最小显著性差异进行统计分析，确定了各因素的取值范围；安排了二次正交旋转组合试验，并对试验结果进行了方差分析和响应面分析，确定了影响排肥性能指标因素的影响由大到小为转速、螺距、直径，建立了排肥性能指标与各因素之间的回归方程，运用Design-Expert软件对试验因素优化求解，确定了较优工作参数组合为螺旋输送器转速120.09r/min、直径23.90mm、螺距21.54mm，此时施肥装置台架试验的排肥均匀性变异系数为7.18%。将所设计的强制排肥部件分别安装在水稻插秧机及水稻气力式施肥播种机上，进行了田间验证试验，试验结果表明，机械式强制螺旋排肥装置工作稳定、堵塞率低，水田防堵塞效果优于无该部件的施肥机械。     

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。     

双变量螺旋外槽轮排肥器控制序列对排肥性能的影响

施肥稳定性是评价变量施肥机作业性能的重要指标，为了研究排肥口开度（L）和排肥轴转速(n)的组合对排肥性能的影响规律，本文基于离散单元方法，对同一目标施肥量下，不同L和n组合下的施肥过程进行仿真。首先，通过标定试验，构建了基于广义回归神经网络GRNN的排肥量预测模型，经过验证，其决定系数达到0.9994，预测平均相对误差（MRE）为3.56%。其次根据螺旋外槽轮排肥装置的等排肥量曲线，选择3个排肥量1067.37、2323.04、4206.56g/min为目标排肥量，并利用差分进化算法（DE）确定同一目标施肥量下的控制序列(L,n)的组合。最后，利用离散元仿真软件EDEM 2.8分别对3个目标施肥量，不同控制序列下的排肥过程进行仿真。采用排肥均匀性变异系数σ作为评价排肥稳定性的指标，仿真结果表明，在目标排肥量Q1下，当控制序列为(25mm,17.78r/min)时，σ最小，为5.27%；在其他控制序列，σ均高于20%，排肥稳定性较差，且出现断条现象。在目标排肥量Q2下，当控制序列为(65mm，17.12r/min）时，σ最小，为3.46%。在目标排肥量Q3下，σ均小于4%，且在控制序列(65mm，32.85r/min），σ达到最小，为2.08%。当目标施肥量较小时，控制序列的选择对排肥稳定性影响显著，工作时，应尽量避免开度、转速的边界量。当目标施肥量较大时，控制序列选择对外槽轮排肥稳定性的影响较小。结果表明，螺旋外槽轮排肥器具有较好的排肥稳定性。     

叶片式排肥器参数优化设计与分析

为解决带有纵向螺旋钢丝的水田深施肥机具施肥量调节问题,设计了一种叶片式排肥器。同时,建立叶片式排肥器的数学模型,将结构轻巧和叶片间无间隙、排肥口近圆形确定为优化目标、排肥器结构要求作为约束条件,应用Visual Basic 6.0编写叶片式排肥器肥量调节软件对叶片式排肥器进行运动学优化。软件得到优化参数范围为:调节叶片及圆弧槽数量8个;叶片连接座销孔分布半径47mm;调节叶片销轴间距离13mm;形成圆弧槽曲线参数φ和θ分别为30°~40°和60°~75°。根据优化结果,应用Visual Studio 2010编写的叶片式排肥器参数化平台,可实现三维实体模型在Pro/E中快速生成,通过仿真对比分析对参数优化结果进行验证,并确定了圆弧槽曲线参数φ和θ分别为40°和60°。仿真结果表明:排肥器结构轻巧,排肥口变化均匀且叶片运动良好,设计的叶片式排肥器能够满足预期的设计要求。     

油麦兼用型气送式集排器匀种涡轮设计与试验

针对油麦兼用型气送式免耕播种机宽幅播种时各行排量一致性受地表坡度变化影响的问题,设计了一种利用输送气流驱动转动、安装于分配装置的匀种涡轮,分析了匀种涡轮进口工作角和出口工作角对输送气流速度的影响,确定了影响3种匀种涡轮工作特性的关键参数。应用CFD仿真中的6自由度动网格模型及台架试验,对比分析3种匀种涡轮对输送气流分布及匀种涡轮转速的影响,结果表明：进口工作角和出口工作角均为锐角的匀种涡轮可提高种子的输送及搅拌性能。选择叶片数量为4、6、8、10的匀种涡轮进行了分配装置内流场分布仿真试验,结果表明,增加匀种涡轮叶片数量可提高匀种涡轮出口处输送气流分布的稳定及均匀性。利用智能种植机械测试平台模拟田间作业不同地表坡度时,安装不同数量叶片的匀种涡轮对各行排量一致性的影响,结果表明：转速为20～50 r/min,沿播种机作业方向的前后与侧向单向组合摆动、前后与侧向往复组合摆动角相对平整地表在-5°～5°变化,叶片数量为8时,油菜及小麦各行排量一致性变异系数最小,分别为4.99%～5.82%和3.85%～4.92%;前后与侧向单向组合摆动角绝对值为5°时,叶片数量为8的匀种涡轮比无匀种涡轮排种油菜和小麦时各行排量一致性变异系数分别降低7.53、11.98个百分点,满足地表坡度变化时油菜及小麦的排种要求。     

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。     

基于EDEM的螺旋式排肥器排肥性能研究

为优化改进螺旋式排肥器在热带果园中的施肥效果,在试验统计获得肥料颗粒物理及相关力学仿真参数的基础上建立了颗粒肥料的EDEM模型,并通过对其与螺旋式排肥器数字化模型耦合进行排肥过程仿真分析。通过随机选取料箱左、中和右侧的单个肥料颗粒,获得了不同位置的仿真运动轨迹、速度与受力变化曲线图。数据分析结果表明:不同转速下的排肥螺旋单圈排肥量变异系数均小于2%;螺旋叶片直径对排肥量影响显著(P0.05),呈线性负相关;螺距和排肥轴转速对排肥量影响极显著(P0.01),呈线性正相关。建立的螺旋式排肥器模型结构合理,排肥过程稳定性与均匀性较好,可为螺旋式排肥器的优化设计提供参考。     

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。     

无管式小麦播种机电控排肥装置设计与试验

为实现变量施肥和提高施肥的均匀性、准确性,设计一种电控排肥装置。该装置可根据机组的作业速度、输入的目标施肥量和外槽轮有效工作长度自动调整外槽轮转速。搭建电控排肥装置试验平台,完成对系统参数的标定,通过试验得出外槽轮排肥器有效工作长度和平均每转排肥量的函数关系,在20～40 r/min转速区间内,排肥稳定性较好。田间试验结果表明,在25～40 r/min转速区间内,各行排肥量变异系数小于1.72%,排肥均匀性良好;在目标施肥量为150、200和250 kg/hm~2时,实际施肥量与目标施肥量的偏差均小于7.68%,可以为精准施肥技术提供参考。     

几种圆盘驱动破茬开沟性能的土槽试验比较

针对我国北方旱区在留有玉米根茬的未耕地上进行免耕播种时根茬不易破除且易挂茬等问题,设计了一种驱动圆盘破茬装置,并对常用的4种破茬圆盘刀的开沟性能进行土槽试验比较.试验结果表明,大波纹圆盘刀的功率消耗和土壤扰动量最大,能开出沟宽68mm的播种带,种床条件最好;缺口圆盘刀功率消耗最小,仅能开出宽14mm的窄缝.4种圆盘刀在不同地表状况下的功率消耗均随刀轴转速和小车前进速度的增加而增加,转速达到一定值时,4种圆盘刀均能有效切断结构和破除根茬.试验同时显示出不同地表覆盖量下的功率消耗差异较大,随地表覆盖量的增加,功率消耗也增加.     

弧槽双螺旋式排肥器优化设计与试验

为实现排肥器的精量排肥,对采用错位叠加单螺旋排肥曲线原理的弧槽双螺旋式排肥器的排肥性能进行理论分析,确定其排肥量及影响其排肥性能的因素,以螺距S、弧槽半径Rp、中心距a为试验因素,并以均匀性变异系数、施肥精度为试验指标,进行了三因素三水平Box-Behnken试验,得到最优参数：螺距S为35mm,弧槽半径Rp为17.5mm,中心距a为35mm,在最优参数组合下制作排肥器并进行台架验证试验与对比试验,试验结果表明：台架试验的均匀性变异系数、施肥精度与仿真试验相对误差分别为5.07%、4.69%,仿真与台架试验吻合度较好,对比试验结果表明：优化后弧槽双螺旋式排肥器施肥精度为3.35%,施肥精度较高,优化后弧槽双螺旋式排肥器较未优化弧槽双螺旋式排肥器、单螺旋排肥器均匀性变异系数分别降低7.26、15.48个百分点,优化后的弧槽双螺旋式排肥器排肥性能良好。     

叶片调节式水田侧深施肥装置设计与试验

为提高水田深施肥的施肥质量,设计了一种叶片调节式水田侧深施肥装置。应用水田侧深施肥肥量调节装置计算机优化软件V1.0优化求解施肥量调节机构结构参数,通过施肥量调节机构受力分析,确定步进电动机的输出扭矩应大于680 N·mm。建立叶片调节式侧深施肥装置仿真模型,应用离散元EDEM软件进行排肥虚拟试验,分析螺旋钢丝和毛刷在工作时受到肥料颗粒的作用力,从而确定肥箱直流电动机和防堵装置直流电动机的输出扭矩应分别大于5 345 N·mm和8 N·mm。通过JPS-12型排种性能检测试验台对槽轮式和叶片调节式水田侧深施肥装置进行施肥性能研究,获得了槽轮式水田侧深施肥装置的槽轮转速和前进速度对施肥稳定性和均匀性影响规律,以及叶片调节式水田侧深施肥装置的开口直径和前进速度对施肥稳定性和均匀性影响规律。对比试验结果表明:叶片调节式水田侧深施肥装置施肥稳定性和施肥均匀性指标满足国家标准要求,在施肥质量上优于槽轮式水田侧深施肥装置,施肥能力满足农艺要求。     

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。     

刮板式有机肥条铺与旋耕混合施肥机设计与试验

针对果园有机肥人工施肥量不准确、施肥不均匀等问题,本文根据施肥农艺要求,设计了一种有机肥条铺与旋耕混合施肥机。该装置采用刮板式结构,通过圆环链带动刮板向前排肥,将有机肥呈条状铺撒在地表,通过旋耕装置将其与土壤混合。通过计算确定了施肥装置最大开口高度、肥箱容积等结构参数,分析了上、下层有机肥排肥过程。以排肥口开口高度、前进速度、链轮转速和刮板间距为试验因素进行离散元仿真试验,以有机肥相对误差和变异系数为评价指标,对排肥过程工作参数进行优化求解,得到最优参数组合：开口高度为53.17mm、前进速度为2.8km/h、链轮转速为15.96r/min、刮板间距为160mm。在最优工作条件下进行试验验证,得到有机肥平均排肥量为5.099kg/m2,与理论施肥量相对误差为4.5%,变异系数为8.8%,表明仿真优化结果可靠,排肥量准确且排肥均匀性较好,该施肥装置施肥性能较优。在旋耕混合试验中,通过测定得到上层有机肥混合比例为11.83%,下层有机肥混合比例为6.29%,表明经过旋耕后,能够实现土肥混合效果,上层土肥混合比例高于下层。     

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。     

高茬黏重稻茬田油菜直播埋茬防堵深施肥复合装置研究

针对长江中下游稻油轮作区油菜直播作业时,因土壤黏重板结,地表前茬水稻留茬高、留存秸秆量大,导致旋耕部件易缠绕,秸秆埋覆率低,致使深施肥铲易挂草壅堵,作业厢面拖堆不平,难以实现深施肥作业。本文设计一种适应高茬黏重稻茬田的油菜直播埋茬防堵深施肥复合作业装置,确定埋茬防堵部件深旋弯刀、浅旋弯刀、防堵直刀和深施肥铲的结构参数及刀片和深施肥铲排列安装方式。利用EDEM仿真分析了机具作业后的秸秆埋覆、空间分布及颗粒肥料深施后的分布深度,结果表明：作业速度为2.5 km/h、耕作深度为150 mm、埋茬防堵部件刀辊转速为345 r/min时,秸秆埋覆率为86.53%、施肥深度为83～106 mm。开展了油菜直播机4种田间作业工况验证试验,结果表明：埋茬防堵深施肥复合作业装置田间作业性能良好,实现了肥料深施,秸秆埋覆率为86.69%～90.35%、厢面平整度为16.48～22.65 mm、施肥深度为87.4～109.5 mm、碎土率为81.24%～92.13%。     

前置式大垄原茬地种床整备装置设计与试验

为解决东北寒区部分播种机在秸秆重度覆盖还田地区无法正常播种作业问题,基于2BMFJ-DL4型原茬地免耕精量播种机侧向清秸覆秸原理,结合玉米大豆1.1m大垄轮作宽窄行种植模式,设计了一种前置式原茬地种床整备装置。通过理论分析和计算机仿真,设计了装置结构和液压系统,确定了其作业关键参数范围,液压系统分析结果表明,液压悬挂系统和液压驱动系统各执行元件的同步性能、转速和扭矩均满足作业技术要求。应用Design-Expert 8.0.6软件和三因素三水平正交试验方法,以作业速度、种床整备单元组刀轴转速和种床整备刀齿入土深度为试验因素,以清秸率、覆秸均匀度和每个种床整备单元组刀轴旋转功耗为评价指标,实施参数组合优化田间试验。结果表明,在参数组合为作业速度7.2km/h、种床整备单元组刀轴转速600r/min、种床整备刀齿入土深度30mm时,清秸率为91.03%,覆秸均匀度为92.61%,每个种床整备单元组刀轴旋转功耗为7.96kW,性能满足生产农艺技术要求;研究结果为提高播种机利用率和原茬地免耕覆秸播种机械化技术模式在玉米秸秆全量还田地区的推广应用提供了技术支持。     

基于EDEM的有机肥撒施机抛撒性能试验研究

为解决有机肥流动性差、机械抛撒难的问题,基于自制的卧式有机肥撒施机,建立了有机肥在抛撒过程中的运动模型,分析了影响抛撒均匀度的主要因素;采用SolidWorks软件建立了有机肥和卧式有机肥撒施机的三维模型,运用EDEM软件以输肥速比（作业速度与刮板输肥速度比值）、抛撒辊转速、螺旋叶片螺距为试验因素进行了响应面设计试验;采用Design-Expert 8.0.5软件优化了作业参数,并进行仿真试验验证和田间试验验证。仿真结果表明:影响抛撒均匀度横向变异系数的主次顺序为螺旋叶片螺距＞抛撒辊转速＞输肥速比;当输肥速比为-16.42、抛撒辊转速为557.90 r/min、螺旋叶片螺距为365.40 mm时,抛撒均匀度横向变异系数为14%,仿真验证值与预测值误差≤5%,响应面模型合理。田间试验表明,当输肥速比为-16.6、抛撒辊转速为560 r/min、螺旋叶片螺距为360 mm时,抛撒均匀度横向变异系数为14.5%,与EDEM仿真值误差≤5%,满足有机肥撒施机的田间作业标准,仿真模型及优化参数合理。该研究可为有机肥撒施机的优化设计及抛撒性能提升提供参考。      

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。