配比变量施肥中多肥料掺混模拟与掺混腔结构优化

提出3种配比变量施肥中掺混腔结构设计方案,应用散粒体离散元法对多种肥料颗粒的排肥、掺混和撒播过程进行了数值模拟,分析了多肥料掺混特性和掺混腔的不同结构对颗粒掺混均匀度的影响。计算结果及机理分析表明:掺混腔碰撞壁面形状影响颗粒碰撞后的反弹角度与水平速度分量,两者又进而影响碰撞后颗粒在掺混腔中的散布面积;设计的B型掺混腔结构能得到最佳的掺混均匀度;当掺混颗粒流量增加时,多肥料掺混均匀度也相应提高。     

桑园自走式变比配肥定向撒肥机设计与试验

为实现桑园内氮、磷、钾和有机肥按需均衡施肥,保障桑叶产量、质量,减小肥料不合理使用造成的面源污染,设计了一种能够变比配肥和定向撒肥的桑园自走式变比配肥定向撒肥机。根据桑园农艺要求设计的整机长为1450mm、宽为655mm、高为1141mm,并对履带行走系统、变比配肥掺混机构进行设计。通过离散元法对变比配肥掺混过程和撒肥盘撒肥效果进行仿真分析,发现槽轮转速在20~80r/min范围内,配肥偏离度标准差低于0.4,掺混均匀性较好;抛撒肥料时,曲线形叶片撒肥盘肥料分布呈对称形状,撒肥效果较好。通过正交试验优化设计定向撒肥板长度为450mm、高度为80mm、折弯角为100°。通过响应面法分析因素对撒肥分布变异系数的影响,主次顺序为：撒肥盘转速、碰撞掺混腔收料口与撒肥盘中心距离、整机作业速度,并确定较优工作参数：撒肥盘转速为290.1r/min、碰撞掺混腔收料口与撒肥盘中心距离为88.2mm、整机作业速度范围为0.5~0.7m/s。通过田间试验验证,桑园自走式变比配肥定向撒肥机工作时撒肥分布变异系数低于40%,试验表明自走式桑园变比配肥定向撒肥一体机田间工作时具有较高的可靠性。     

多肥料变比变量施肥过程模拟与排落肥结构优化

变比变量施肥中,排肥管和落肥管结构对多种肥料的掺混性能和排肥滞后有重要影响。在已完成掺混腔结构优选的基础上,使用离散元法对变比变量施肥和撒播过程加以仿真,分析不同排肥管高度与落肥管三角波纹形状对颗粒运动的影响,依据提出的性能评价指标,优化排肥管和落肥管结构。计算结果及机理分析表明:排肥管高度越大,颗粒在下落、碰撞及混合各阶段的速度越大,颗粒与掺混腔壁面碰撞后形成的散布面积越大,颗粒混合均匀性越好,颗粒混合配比标准差越小;落肥管三角波纹高度在4~6 mm范围内,相对于无波纹情况,可增加颗粒与落肥管间和颗粒间的碰撞次数进而促进颗粒均匀掺混,但高度过大会延缓与其接触的颗粒下落。当落肥管三角波纹高度约为2 mm时,即为肥料颗粒直径的40%~60%,最有利于促进肥料颗粒之间的混合,同时三角波纹对颗粒下落的滞后影响较小。     

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和3D打印成型的外槽轮排肥器排肥性能研究

外槽轮排肥器是使用最广泛的排肥器之一,目前外槽轮排肥器结构和几何尺寸单一,无法适用不同肥料颗粒排肥需求,直接影响了排肥效果。EDEM为目前对于颗粒类仿真最有效的方法之一。采用测量和统计学方法获得肥料颗粒的三轴尺寸,以近似球体假设肥料颗粒形状,建立肥料颗粒和外槽轮排肥器的EDEM模型,通过改变槽轮的结构尺寸等,对其排肥过程进行仿真,分析外槽轮排肥器的排肥特性;3D打印成型设计槽轮,通过台架试验验证仿真结果的准确性。结果表明:凹槽半径、槽轮转速对施肥量影响较大,满足线性正相关,螺旋升角对施肥量影响不显著(P0.05),仿真结果与试验结果的相对误差为0.85%~15.98%,平均相对误差为7.21%。本文所建立的EDEM仿真模型准确,具有实际工程应用价值。     

基于离散元的包膜肥料Bonding模型参数标定

包膜肥料是在粒状水溶性肥料表面涂覆半透水性或不透水性物质,养分通过包膜的微孔、缝隙慢慢释放出来,节肥增效作用显著。包膜肥料的养分释放特性与包膜层材料、结构紧密相关,目前常用的排肥器在排施肥料过程中会对肥料颗粒造成不同程度的机械损伤,导致包膜层破坏。为设计适用于包膜肥料无损排施的排肥器,同时缩短研发周期,采用离散元软件中的Bonding模型建立肥料颗粒仿真模型。为提高仿真精度,需对Bonding模型进行参数标定。首先通过单轴压缩试验得到包膜肥料颗粒的实际极限破碎位移和极限破碎载荷,在离散元软件中以此为目标依次通过Placket-Burman试验、Steepest ascent试验和Box-Behnken试验确定最优的Bonding模型参数组合。最优条件下单轴压缩试验表明,极限破碎位移和极限破碎载荷与实际值的相对误差分别为0.222%、0.554%。借助外槽轮排肥器验证所得标定参数组合的可靠性,以肥料颗粒破碎率为指标,得到实际与仿真中肥料颗粒破碎率相对误差不大于11.40%,满足施肥机械设计参数优化需求,可为研究包膜肥料颗粒机械破碎机理、优化设计无损排施的新型排肥器提供参考。     

外槽轮排肥器关键工作参数对排肥量影响的仿真与试验研究

明确排肥器工作参数对排肥量的影响,有助于提高外槽轮排肥器的排肥性能。应用离散元法(EDEM)研究外槽轮排肥器工作过程的基础上,以外槽轮工作长度、排肥轴转速、排肥舌开口角度为试验因素,以排肥量为评价指标,综合应用离散元法、二次正交回归试验、排肥器排肥台架试验,研究排肥器工作参数对排肥量的影响。建立外槽轮排肥器工作参数与排肥量之间的数学模型,明确工作参数对排肥量影响程度大小依次为:外槽轮工作长度、排肥轴转速、排肥舌开口角度。仿真与台架试验排肥量的平均相对误差为10.04%,且试验结果的方差分析结论一致。研究成果可以为施肥机械排肥量的调整和机具设计提供依据。     

烟田挖坑施肥机的试制与试验研究

对国内外烟草生产现状进行分析,提出加快烟草种植以及生产系列配套机械研究和推广,尤其是烟田挖坑施肥机的研制和生产的必要性;设计开发了一种简单、高效的机械化机具来进行挖坑施肥专用作业,以代替人工挖坑施肥,提高了烟草种植的效率和烟农种植烟草的积极性。该机采用专用间歇式外槽轮式排肥器,其排肥器外槽轮采用两槽结构,排肥槽中的装肥量就是每次的排肥量,依靠外槽轮的转动,槽轮中的肥料被直接丢入坑中,真正实现了间歇排肥。施肥的位置靠链传动的传动比确保穴施位置准确与散开,保证施肥量均匀一致,既解决了肥料的浪费问题,又提高了肥料的有效利用率。     

螺旋槽轮式排肥器对肥料块破碎效果的仿真试验与研究

为解决排肥过程中因肥料结块导致排肥不均与堵塞的问题,本研究基于离散元方法建立肥料块Bonding模型,依照Box-Behnken试验设计原理,以转速、截面形状、螺旋升角为自变量,以排肥均匀度变异系数和肥料块粘结键断裂率为响应值,采用三因素三水平响应面分析方法,对各因素及其相互作用进行分析。仿真结果表明：3个因素对肥料块粘结键断裂率影响的主次顺序分别为螺旋升角、截面形状、槽轮转速;对排肥均匀度变异系数影响的主次顺序分别为槽轮转速、截面形状、螺旋升角;螺旋槽轮最佳工作参数组合为：槽轮转速为21r/min、截面形状为勺型、螺旋升角为70°,最佳工作参数组合下的肥料块粘结键断裂率为97.67%,排肥均匀度变异系数为8.56%。     

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。     

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。     

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。     

滑槽回转式水田侧深施肥装置设计与试验

针对现有施肥机械出现的堆积堵塞、肥量调节困难以及施肥均匀性差的问题,设计了一种易于调节肥量、挡板推肥防堵塞的侧深施肥装置,阐述了该装置工作原理,参考水田侧深施肥农艺要求和插秧机空间结构,确定了施肥装置基本结构参数;对侧深施肥装置工作过程进行理论分析,确定了影响装置施肥性能的工作参数主要为排肥圆盘转速和肥槽高度;利用EDEM离散元仿真软件建立滑槽回转式施肥装置仿真模型,探究了排肥圆盘转速和肥槽高度对施肥装置充肥和排肥效果的影响,确定了排肥圆盘的最佳工作转速为10~50r/min;为验证施肥性能,通过台架试验对滑槽回转式水田侧深施肥装置进行试验研究,获得了排肥圆盘转速、肥槽高度对施肥稳定性影响规律和排肥圆盘转速、插秧机速度对施肥均匀性影响规律,各指标均满足国家施肥作业机械标准;通过与常见施肥结构装置进行对比,证明滑槽回转式水田侧深施肥装置在一定程度上提高了施肥均匀性。     

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。     

SYJ-2型液肥变量施肥机设计与试验

变量施肥技术是精准农业的重要组成部分,依据农业生产要求设计了与轮式拖拉机配套的SYJ-2型三点悬挂式液肥变量施肥机。以单片机作为核心处理器,以电磁比例调节阀为执行部件,设计编写了液肥变量控制系统以及与硬件配套的上位机软件,用于采集数据与发送命令;关键部件内腔式旋转扎穴机构采用5个全等椭圆齿轮传动,液肥在内腔流动,在减少外部连接软管的同时,防止了管路缠绕;液肥分配器的功能是适时开启和关闭,实现液肥的不连续射出,进而完成穴施作业;同时对内腔式旋转扎穴机构和液肥分配器进行了结构设计。田间试验结果表明,施肥深度为地表12~15 cm,施肥精度为99.1%,满足液态变量施肥作业要求。     

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。