犁旋一体机自动调平系统设计与试验

为了解决犁旋一体机作业过程中调节机具问题,设计了一种犁旋一体机自动调平系统,该系统包括执行机构、控制系统、液压系统。根据犁旋一体机自身的特点,提出了一种确定调平角度范围的方法,并根据实际田间作业情况,运用EDEM仿真软件进行田间作业的虚拟仿真,仿真结果表明:地表平整度小于2 cm,满足农艺要求。在设计和仿真的基础上,进行田间试验,将手动调平的犁旋一体机的作业情况和自动调平的犁旋一体机的作业情况进行对照,分析了作业过程中机具的角度变化和作业后的耕深及其稳定性,地表平整度。结果表明:自动调平犁旋一体机相对于手动调平犁旋一体机,在耕深的稳定性和耕后地表平整度上有较为明显的提高,前者耕深稳定系数达到87.31%,后者为84.76%。前者地表平整度为1.97 cm,后者为2.56 cm。     

联合整地机匀土旋平刀辊设计与试验

为解决联合整地机破茬翻埋作业后地表平整度低、土壤分布不均匀的问题，该研究设计了分段反螺旋式匀土旋平刀辊，提出田口法结合离散元仿真的刀辊参数设计思路。首先定性分析并确定了影响刀辊轴向运土和抛土的关键因素及水平；然后以作业后地表平整度为优化目标，以沙壤土和黏壤土为噪声因子，利用田口法设计试验并进行离散元仿真，得出适应不同土壤类型的最优参数组合为：刀轴转速300 r/min、螺旋升角70°、旋耕刀型号IT245、刀轴直径80 mm、刀座间距62 mm、旋耕刀双螺旋排布，此时地表平整度仿真值为14.2 mm。以最优参数组合制造样机并进行田间验证试验，作业后地表平整度为11.6 mm、土壤分布均匀度为92.6%、耕深稳定性系数为93.2%、破土率为86.4%，优于小麦种植对耕整地的要求，所设计的刀辊有效。研究结果可为联合整地机刀辊设计提供参考。     

水旱两用秸秆还田耕整机关键部件设计与试验

为增加土壤的有机质含量,改善土壤的团粒结构,同时有效缓解秸秆焚烧难题,针对长江中下游地区麦-稻、油-稻等水旱作物交替种植的特点,设计了一种水旱两用型秸秆还田耕整刀辊。阐述了新刀辊的结构和工作原理,分析并确定了关键部件的结构参数,重点对传统旋耕刀的布置及其破茬理论进行了详细的分析。田间试验结果表明:水旱两用型秸秆还田耕整刀辊旋耕一遍即可实现水田和旱地秸秆埋覆、旋耕碎土、平整地表等多项功能,水田和旱地耕深分别为181.6~200.4和151.2~173.8 mm,耕深稳定性分别为92.4%~94.8%和92.4%~93.4%,耕后地表平整度均小于12 mm,植被埋覆率分别为96.3%~96.4%和90.6%~97%,碎土率为87.3%~89.6%和64.5%~90.2%,作业效果满足水稻播栽对耕整地的农艺要求。     

水旱两用秸秆还田组合刀辊作业性能试验

为了检测水旱两用秸秆还田组合刀辊的田间作业质量和功率,采用无线遥测技术,利用动力输出轴一体化扭矩传感器,对安装组合刀辊的耕整机进行了田间作业质量和作业功耗优化参数性能测试试验,并与传统旋耕刀辊、螺旋刀辊进行田间作业质量及功耗对比试验。田间试验结果表明:组合刀辊性能检测试验中,水田和旱地植被埋覆率分别为94.3%和96.5%,耕深分别为20.8和20.3 cm,耕深稳定性分别为92.3%和90.6%,耕后地表平整度分别为0.9和1.2 cm,功率消耗分别为27.6和31.2 k W,均达到了设计目标;与其他刀辊对比试验中,组合刀辊作业质量优于螺旋刀辊和传统旋耕刀,作业功耗稍高。该研究可为实现水田和旱地高茬秸秆埋覆还田和土壤耕整提供参考。     

复式耕整机耕深与耕宽稳定性分析与试验

针对设计的复式耕整机出现的耕作稳定性问题,结合复式耕整机整体结构及工作原理,从牵引、水平面内受力、机器振动3个角度分析影响耕作稳定性因素,确定影响耕作稳定性关键因素为牵引角、犁体配置斜角、旋耕刀升角。以牵引角、犁体配置斜角、旋耕刀升角为试验因素,以工况耕深稳定系数和工况耕宽稳定系数为性能评价指标进行二次正交旋转组合试验。正交试验结果表明:试验因素对评价指标影响程度从高到低皆为:犁体配置斜角、牵引角、旋耕升角,当各影响因素分别取值为17.3°、27.8°、72.6°时,工况耕深稳定系数和工况耕宽稳定系数分别为91.8%、93.4%。以影响因素最优参数组合为基础进行的验证试验结果表明:试验后工况耕深稳定系数和工况耕宽稳定系数为91.5%、93.1%,与软件分析结果基本一致,且其他耕作指标均达到农艺要求。该研究可为复式整地机械的耕作稳定性研究提供技术参考。     

鼹鼠多趾结构特征仿生旋耕刀设计与试验

为减小旋耕刀切土扭矩来降低旋耕机功耗,同时提高旋耕机耕作质量,该文分析了鼹鼠前肢手掌多趾组合结构和趾尖轮廓曲线特征,利用二次高斯方程拟合五个趾尖轮廓曲线(R2 0.95和SSE 0.05),并基于拟合曲线,设计了具有鼹鼠多趾结构特征的仿生旋耕刀。通过田间试验,分析传统型和仿生型旋耕刀在不同机组前进速度、转速和耕深条件下的整机功耗、土壤破碎率和沟底压实情况,得到仿生结构特征对整机田间耕作性能的影响。结果表明,当前进速度从1 km/h增加到5 km/h时,仿生型旋耕刀的整机功耗平均减小16.88%;当转速从254 r/min增加到267 r/min时,仿生型旋耕刀的整机功耗平均减小17.00%;当耕深从80 mm增加到160 mm时,仿生型旋耕刀的整机功耗平均减小21.80%。传统型旋耕刀耕后的沟底有压实现象,且沟脊高而宽,耕作效果不佳;而仿生型旋耕刀可以显著地降低耕后沟底被压实的风险,沟底平整,可进一步减小耕作功耗。2种类型旋耕刀在不同耕作条件下的整机土壤破碎率耕深稳定性、耕宽稳定性、耕后地表植被覆盖率、耕后地表平整度和土壤蓬松度在数值上相差不大,且均满足国标要求。研究结果对实现旋耕刀减阻降耗和改善耕作质量具有一定的启发。     

深松旋耕碎土联合整地机设计与试验

为减少耕作阻力、改善土壤耕层结构、提高碎土率,该文对联合整地机的深松部件、碎土机构进行设计,设计了入土角度可控的自激振动深松铲,并建立了自激振动深松铲的运动学模型和力学模型,确定弹簧行程为15mm、负载为7 500～15 000 N,并确定了弹簧的结构参数。设计了具有二次碎土功能的笼状碎土辊,并依据农艺要求确定了其结构参数。通过室内土槽试验,验证了自激振动深松铲的减阻效果和耕作质量,并对整机的作业质量进行了田间测试。土槽试验结果表明:与对照相比,自激振动深松铲平均减阻9.22%,土壤蓬松度和土壤扰动系数分别为26.16%和77.21%,减阻效果明显,作业效果较好。田间试验结果表明:联合整地机的深松深度稳定系数、旋耕深度稳定系数、地表平整度和植被覆盖率分别为94.92%、92.50%、1.17 cm和93.36%;笼状碎土辊在整个试验过程中未出现土壤粘附和拥堵现象,碎土率为84.18%,加装普通齿状碎土辊机具的碎土率为71.41%,笼状碎土辊的碎土率提高了12.77个百分点,碎土效果明显改善。深松旋耕碎土联合整地机减阻效果明显、整地质量好,可有效改善土壤的耕层结构,降低土壤容重,提高蓄水保墒能力。     

旋耕-碎茬仿生刀片田间作业性能的试验研究

为检测旋耕-碎茬仿生刀片的田间作业功耗和作业质量,利用应变片型扭矩传感器对安装仿生刀片的两行耕整机进行田间作业功耗电测试验,依照国标测试方法测定作业质量,并与国标旋耕刀和常用碎茬刀进行了对比。田间试验结果表明:旋耕试验中,旋耕-碎茬仿生刀片的单位切土面积功耗小于国标旋耕刀,且作业质量优于国标旋耕刀;碎茬试验中,仿生刀片单位切土面积功耗小于常用碎茬刀,作业质量较碎茬刀稍差,但依旧满足国标要求。该研究工作为实现只应用一种刀片来完成旋耕和碎茬2种不同作业的目标提供了参考。     

作业次序对深松旋耕联合作业机作业质量及功耗的影响

该文选用华北平原壤土区常用的深松旋耕联合作业机作为试验设备,分析深松、旋耕作业次序对其作业质量及功耗的影响。运用离散元仿真分析结果表明,旋耕深松作业次序比深松旋耕作业次序的工作紧凑、刀辊受力均匀。随着作业深度的增加,深松旋耕作业次序作用的深层土壤较多。建立以旋耕深度、深松深度为因素,以2种作业次序功耗为指标的回归方程综合分析得出,作业深度较浅时,深松旋耕作业次序功耗、地表平整度、植被覆盖率优于旋耕深松作业次序;作业深度较大时,旋耕深松作业次序功耗明显小于深松旋耕作业次序,且两者作业质量差异不显著。田间试验表明,离散元仿真建立的2种作业次序作业深度与作业功耗的回归方程及测量的地表平整度、土壤膨松度及植被埋覆率基本能真实反映田间作业情况。     

基于灭茬圆盘驱动旋耕刀多功能耕整机设计与试验

针对玉米作物根茬难清除、制约后续标准作业的问题,结合北方寒地保护性耕作工艺,设计了一种与大马力拖拉机配套的茬地耕整机。该机采用联合作业方式,能够一次完成起茬、破茬碎土、垄体深松、灭茬旋耕、起垄、垄体整形等多项作业。设计了自驱动式弧形齿盘破茬器和螺旋碎土装置,破茬器转速为33～37r/min,旋耕刀转速为350～390r/min,深松深度为30cm左右。田间试验表明,该机工作性能良好,灭茬旋耕效果显著。与传统耕作机具和进口联合整地机相比,破土率提高2.4%～6.9%,破茬率提高6.3%～12.9%,节省油耗26.3%～40.4%。     

斜置潜土逆转旋耕抛土仿真及试验

斜置潜土逆转旋耕是一种新的旋耕方式,研究其抛土机理对于优化设计斜置潜土逆转旋耕机有重要意义。该文在 LS-DYNA 平台上建立了斜置逆转旋耕抛土 SPH(smoothed particle hydrodynamics,即光滑粒子流体动力学方法)仿真模型,通过该模型对不同工况下的斜置潜土逆转旋耕抛土模拟仿真,得出了不同参数条件下斜置逆转旋耕时不同层的后抛土率,将相同条件下仿真得到的不同层的后抛土率和室内土槽试验得到的不同层的后抛土率进行了对比分析,验证结果表明,最大仿真误差为 12.50%,最小仿真误差为 0.20%,平均误差为 3.09%。应用校正的仿真模型,以斜置角、前进速度、潜土深度以及刀辊转速作为试验的 4 个因素,并对每个因素取 3 个水平,以后抛土率为试验指标,进行了斜置潜土逆转旋耕抛土虚拟正交试验。采用极差分析法、方差分析法以及回归分析法对试验结果进行了分析,数据分析结果表明,影响后抛土率的主次顺序依次为潜土深度、斜置角、前进速度和刀辊转速,后两者对后抛土率影响不显著,并且得出了潜土深度、斜置角与后抛土率的数学关系模型。根据虚拟试验结果优化了斜置潜土逆转旋耕机物理样机并且进行了田间试验,田间试验结果表明,斜置潜土逆转旋耕成功解决了旋耕机支架和中央传动箱体潜土的难题,并且用 R175 标准旋耕刀达到了 20 cm 的耕深,实现了短刀大深耕。     

立式驱动浅旋耙设计与参数优化

针对中国黄淮海地区保护性耕作少免耕作业、表土耕作时对地表平整度、表层碎土效果要求较高的特点。研究设计了一种立式驱动浅旋耙,通过对由作业机构参数进行设计优化、刀具的运动学分析与动力学分析,得出了影响土壤受力的因素为机具前进速度与刀具转速,并采用离散元仿真分析对影响因素进行进一步分析。通过田间验证试验,以碎土率、土壤容重、地表平整度为试验指标,对立式驱动浅旋耙进行性能优化试验。结果表明:在前进速度为1.4 m/s,刀具转速为350 r/min时,其碎土率为95.4%,土壤容重为0.82 g/cm~3,土壤平整度为16.3 mm,满足少免耕作业前碎土及秸秆覆盖要求。该研究为少免耕播种前的地表浅旋作业机具提供了参考。     

Development of vineyard ditcher with reversal twin rotary tillage wheels

开沟施肥是葡萄园生产过程中的重要环节。传统的葡萄园开沟施肥通常是人工挖掘填埋,劳动强度大,工作效率低。为了提高开沟效率,通过对葡萄园环境及其开沟农艺要求的分析,设计制造了一种驱动型葡萄园小型开沟机,该机为旋耕刀以反转方式进行开沟工作,抛出的土由挡土导流板引导落在沟的两旁。对开沟机进行的性能试验结果表明：该开沟机2次作业开出的沟深可达500 mm左右,沟宽超过200 mm,且沟壁光滑、沟型整齐平直、沟中残留碎土少,满足葡萄园农艺要求;该机开沟部件碎土、抛土性能好,整机操作灵活,能适应葡萄园管理要求,也可用于其他果园、茶园、农田等开沟作业;该开沟机成本低,经济效益较好。     

葡萄园反转双旋耕轮开沟机的研制

开沟施肥是葡萄园生产过程中的重要环节。传统的葡萄园开沟施肥通常是人工挖掘填埋,劳动强度大,工作效率低。为了提高开沟效率,通过对葡萄园环境及其开沟农艺要求的分析,设计制造了一种驱动型葡萄园小型开沟机,该机为旋耕刀以反转方式进行开沟工作,抛出的土由挡土导流板引导落在沟的两旁。对开沟机进行的性能试验结果表明:该开沟机2次作业开出的沟深可达500mm左右,沟宽超过200mm,且沟壁光滑、沟型整齐平直、沟中残留碎土少,满足葡萄园农艺要求;该机开沟部件碎土、抛土性能好,整机操作灵活,能适应葡萄园管理要求,也可用于其他果园、茶园、农田等开沟作业;该开沟机成本低,经济效益较好。     

不同耕整地方式对甘蔗耕层结构特性及产量的影响

为探讨不同耕整地方式对甘蔗地耕层土壤结构特性和产量的影响,以1.4 m和1.6 m两种种植行距为主处理,以深松35 cm+旋耕25 cm、深翻50 cm+旋耕25 cm、不深松(旋耕25 cm)3种耕整地作业方式为副处理,对甘蔗产量性状,土壤容重、紧实度、孔隙度、三相容积率、田间持水量、土壤贯入阻力和抗剪强度等土壤结构特性进行研究。结果表明:1.6 m行距处理甘蔗蔗茎产量显著低于1.4 m行距处理;1.6 m行距处理土壤紧实度显著小于1.4 m行距,容重显著高于1.4 m行距处理,1.6 m行距处理显著改善土壤贯入阻力和抗剪强度。与对照不深松(旋耕25 cm)相比,深松35 cm+旋耕25 cm及深翻50 cm+旋耕25 cm处理通过增加土壤耕作深度,显著改善了耕层土壤紧实度和耕层土壤容重,改善了耕层的整体疏松程度;深松作业通过提高耕层土壤总孔隙度,尤其增加了30~40 cm土层的毛管孔隙度,提高了深层土壤的保水能力,对甘蔗中后期株高伸长和茎径增粗产生显著的促进效应。深松35 cm+旋耕25 cm与深翻50 cm+旋耕25 cm均显著降低了耕层土壤贯入阻力,但对土壤抗剪强度的改善效果不显著;深松35 cm+旋耕25 cm的固相容积率最小,气相容积率最大,不深松(旋耕25 cm)耕作措施的固相容积率最大,气相容积率最小,3种耕作措施的液相容积率没有显著差异。深松35 cm+旋耕25 cm和深翻50 cm+旋耕25 cm均对土壤物理结构的改善具有积极作用,能显著提高甘蔗产量,在具有大马力拖拉机和高质量深松器的蔗区建议采用深松35 cm+旋耕25 cm的耕整地方式,在缺乏大马力拖拉机和高质量深松器的蔗区,可以采用铧式犁深翻50 cm+旋耕25 cm的耕整地方式来代替深松,以达到增厚耕层的目的。     

基于ANSYS/LS-DYNA的螺旋刀辊土壤切削有限元模拟

为揭示秸秆还田耕整机的螺旋刀辊与土壤之间的关系特性,根据螺旋刀辊切削土壤的工作特点,利用ANSYS/LS-DYNA971软件对螺旋刀辊土壤切削过程进行模拟,得出了螺旋刀辊切削土壤的功率消耗、切削阻力的大小以及土壤等效应力的变化规律.模拟结果表明,螺旋刀辊转速为300 r/min,机组行进速度为1.1 m/s 时,单组螺旋刀辊切削土壤的最大功耗为6.4 kW,最大切削阻力为2820.7 N,且土壤最大等效应力发生在横刀刚入土时的内侧面,所得功耗值与经验推导值相符.研究结果为双轴型水田高茬秸秆还田耕整机的系统参数优化设计提供参考.     

高茬秸秆还田耕整机功耗检测系统设计与试验

为检测高茬秸秆还田耕整机田间作业功耗,根据功耗检测原理,采用LabVIEW软件,并结合NI数据采集卡、动态扭矩传感器和电感式接近开关等组成的硬件平台,设计了功耗检测系统。标定试验表明,该系统所检测的0~2 000 N·m范围内扭矩:最大绝对误差为5.367 N·m,此时相对误差为0.27%;所检测的转速:最大绝对误差为0.261 r/min,此时相对误差为0.073%。以耕深、刀辊转速、机组前进速度为影响因子设计了田间正交试验,结果表明:影响高茬秸秆还田耕整机作业功率消耗的首要因素为耕深,其次为机组前进速度,刀辊转速对功率消耗的影响较小;在满足耕整质量的前提下,同时考虑耕整机作业效率,其较优作业参数为:刀辊转速330 r/min,耕深185 mm,机组前进速度3.36 km/h,其平均作业功耗为52.52 kW,秸秆埋覆率达到96.2%。研究结果为高茬秸秆还田耕整机的节能降耗、动力合理匹配和结构优化设计等工作提供参考依据。     

基于旋耕覆土的冬小麦基肥分层定深施用装置设计

针对中国黄淮海地区冬小麦主产区基肥的无序、过量施用和利用率低等问题,该文在基肥分层施用农艺研究基础上,基于旋耕机覆土原理,提出了土壤后覆盖方式下的冬小麦基肥精准分层定深投送方法,并设计了冬小麦基肥分层定深施用装置,该装置可一次完成旋耕、分层施肥和镇压作业。其中旋耕机构配备变速齿轮传动箱,可以进行高、中、低3种转速之间的转换,选用国标IT245型号旋耕刀,在刀辊上按对称螺旋线布置;肥料分层投送机构配深层和浅层排肥管,用于深层和浅层肥料的投送作业。在北京小汤山精准农业示范基地进行了装置的田间作业性能试验,结果显示:装置在120、150和180 mm的3种耕深作业工况下,耕深最大误差为5 mm,耕深稳定性系数最小为93.84%,满足旋耕机构的作业性能技术要求;设置浅层和深层肥料的目标施用深度分别为80和150 mm,实际肥料施用深度稳定性系数分别为92.38%和95.11%、合格率分别为83.33%和90%,满足旋耕施肥装置的作业性能指标要求。该研究可以为冬小麦基肥的机械化精准分层定深施用技术提供装备支撑。