气吸型孔组合式小麦精密排种器设计与参数优化

针对当前小麦籽粒小、播量大、形状不规则,传统排种器难以实现精密播种等问题,该文设计了一种气吸型孔组合式小麦精密排种器。排种器采用气流-型孔组合式工作原理,气流负压吸种与型孔充种相结合能够使其获得良好单粒充种性能。根据小麦精密播种的粒距要求和三维尺寸,通过理论分析,确定了排种器的型孔轮半径为50 mm,以6°螺旋升角布置三排型孔,每排30个型孔,型孔为长槽形,长、宽、深分别为8.5、5和2.5mm;通过流场分析,研究了不同吸孔孔径对气流变化的影响,确定了吸孔的孔径范围1.4～1.8 mm。搭建试验台,以气流负压、吸孔直径和型孔轮转速为试验因素,以重复充种率、漏充率和充种合格率为试验指标,进行三因素三水平正交试验,并分析各试验因素对于性能指标的影响显著性。通过极差和方差分析,得到气吸型孔组合式小麦精密排种器较优的组合参数为负压3500Pa、吸孔直径1.6 mm、排种型孔轮转速40 r/min时,进行试验验证,其重复充种率为5.1%、漏充率为4.7%,充种合格率为90.2%。该排种器能够满足小麦的精密排种对充种性能的要求,在一定程度上促进了小麦精密播种的发展。     

新型组合吸孔式小麦精密排种器运动学与动力学特性的研究

以研究适合大田生产的气吸式小麦单粒精密播种机为目标,改进了用于小区播种的组合吸孔式排种器的结构,采用三段圆弧构成螺旋吸槽的曲线方程,分析了种子在此曲线方程上的运动学和动力学特性,从理论上描述了组合吸孔完成吸种、清种和输种的全过程,认为组合吸孔具备清种功能的原因在于组合吸孔的运动速度、面积和形状的变化,种子在吸种区内受到的种子之间的内摩擦力是最大外力,从而确定了组合吸孔式排种器吸室临界真空度的计算方法。     

中草药三七气吸滚筒式精密排种器的设计与试验

因中草药三七种植属于密集型精密种植模式,尚无满足种植要求的播种机,为解决三七机械化精密播种问题,研究设计了一种气吸滚筒式精密排种器。该文阐述了三七气吸滚筒式精密排种器的工作原理,确定了其主要结构参数,构建了充种和投种过程种力学模型。以云南文山三七种子为播种对象,采用二次旋转正交组合试验方法,对排种器进行了排种性能试验研究,并通过投种对比试验验证了零速投种的必要性。建立了负压、前进速度、吸种角度3个主要因素与合格率、漏播率、重播率的数学模型,分析了各个因素及交互作用对合格率的影响规律,并进行了参数优化与验证试验。影响排种合格率的因素主次顺序为负压、前进速度和吸种角度;确定最佳参数组合为吸种角度为20°,负压值660~720 Pa,前进速度在0.72~0.76 m/s,可获得合格率大于90.2%,漏播率小于4.9%,重播率小于5.3%。经试验验证,试验结果与优化结果基本一致,满足三七精密播种的种植要求。试验结果表明此种气吸滚筒式精密排种器对于三七种子具有很好的播种适应性。该研究为应用于田间阴棚内播种的气吸滚筒式精密排种器的设计提供了参考。     

2BF-8型小麦精播机播种均匀性影响因素分析

小麦精播要求最终实现田间种子精确三维定位，其中粒距均匀度最难控制。2BF-8型小麦精密播种机采用了已获国家专利的一器两行“球勺形内窝孔小麦精密排种器”为核心部件，使排种定量、准确、可控、无带动层，优化配置新型张角可调型双圆盘开沟器，播种施肥联合作业，样机性能试验，其均匀性指标优于农业部《精量半精量机械化播种实施技术要点》。该文从整机角度系统分析影响播种机播种均匀性的诸因素，论述了提高均匀性的方法和途径。     

精密播种机粒距分布计算机仿真的研究

研究精密播种机粒距分布是精密播种理论的重要组成部分。本文主要研究绕水平轴旋转精播种子的排种器,因此适用于广泛采用的机械式排种器(型孔轮式、型孔带式)和气力式排种器(气吹式、气吸式)等。基于对精密播种机粒距误差形成的分析,将其工作过程分解为充种和投种两个阶段,并采用数理统计、数理方程、精密播种理论等综合方法,建立了精密播种机在不同参数下的粒距动态分布模型,并对玉米、大豆等作物的粒距分布进行了计算机数字仿真。本文的研究为精密播种机设计方法的改进提供了一种新的途径。     

气吸板式超级稻精密排种器设计与试验

针对现有水平吸盘式排种器种盘结构复杂、整体气腔体积大、气压分布不均匀、气流不稳定、受风量和压力因素影响大等问题,该文设计了一种多气道气吸板式排种器。排种器吸种板采用分气道组合气腔结构,依靠吸种板的来回翻转和种箱的上下移动来实现充种和排种;按超级稻每个取秧面积2±1粒的机插育秧播种要求,吸种板采用在单位取秧面积内双孔对角布置的吸种气孔设计方案;对研制的排种器,以两优培九超级稻为试验对象,选取真空度、种箱移动速度、充种角度以及吸孔直径作为试验因素,进行充种性能的正交试验,通过试验得出充种性能最优参数组合为种箱移动速度0.12 m/s、真空度1.5 kPa、充种角度120°、吸孔直径1.0 mm,最优参数组合下的充种合格率94.26%、漏播率2.47%、重播率3.27%;在充种性能最优参数组合下,选择不同播种效率作进一步播种性能试验,当播种效率为300盘/h时,合格率达到90.52%,满足了超级稻精密育秧播种要求。研究结果对保证超级稻育苗质量、实现机械化种植、增加产量和收益具有重要意义。     

气吸板式超级稻精密排种器设计与试验

针对现有水平吸盘式排种器种盘结构复杂、整体气腔体积大、气压分布不均匀、气流不稳定、受风量和压力因素影响大等问题,该文设计了一种多气道气吸板式排种器。排种器吸种板采用分气道组合气腔结构,依靠吸种板的来回翻转和种箱的上下移动来实现充种和排种;按超级稻每个取秧面积2±1粒的机插育秧播种要求,吸种板采用在单位取秧面积内双孔对角布置的吸种气孔设计方案;对研制的排种器,以两优培九超级稻为试验对象,选取真空度、种箱移动速度、充种角度以及吸孔直径作为试验因素,进行充种性能的正交试验,通过试验得出充种性能最优参数组合为种箱移动速度0.12 m/s、真空度1.5 k Pa、充种角度120°、吸孔直径1.0 mm,最优参数组合下的充种合格率94.26%、漏播率2.47%、重播率3.27%;在充种性能最优参数组合下,选择不同播种效率作进一步播种性能试验,当播种效率为300盘/h时,合格率达到90.52%,满足了超级稻精密育秧播种要求。研究结果对保证超级稻育苗质量、实现机械化种植、增加产量和收益具有重要意义。     

磁吸滚筒式精密排种器试验及参数优化

基于磁吸式排种原理，设计了一种新型滚筒式穴盘育苗精密排种器，分析了影响排种器工作性能的主要参数，利用均匀设计法进行了穴盘播种台架试验，通过对试验结果的回归分析和参数优化，得出了排种器的最佳工作参数组合。经对油菜种子穴盘播种试验，在滚筒转速、电磁线圈匝数和通电电流优化值下的单粒精播率为94.3%，漏播率为0，播种效率达330盘/h，满足了精密播种要求。     

气吸滚筒式花生穴播器投种性能分析与试验

针对气吸滚筒式花生穴播器投种过程中种子不能准确落入导种机构而造成漏播、重播的问题,该研究提出了一种通过调整穴播器盖边缘开口位置和导种机构安装角度的方法寻求最佳投种轨迹,对种子脱离穴播器盖进入导种机构阶段建立动力学模型,明确了投种轨迹变化机理,确定了穴播器盖和导种机构的安装参数。借助EDEM仿真软件研究了穴播器盖和导种机构在不同安装角度下的投种性能,得出种子在与分种盘挡片接触状态下脱离穴播器盖边缘的投种性能最佳。选取穴播器盖安装角度、导种机构安装角度和机具前进速度为试验因素,以排种粒距合格率、漏播率、重播率为试验指标,在排种试验台上进行三因素三水平组合试验。结果表明：在穴播器盖安装角为17.10°、导种机构安装角为11.18°、机具前进速度为3.85 km/h的条件下投种性能最优,此时排种粒距合格率为95.37%。田间试验结果表明,调节穴播器盖安装角为17.10°、导种机构安装角11.18°,机具前进速度在3.05～4.65 km/h范围内,试验结果与台架试验结果基本相符,排种粒距合格率大于89%、漏播率小于7%,重播率小于5%,满足花生单粒精量播种要求。     

粳稻穴播排种器直线型搅种装置设计及排种精度试验

为提高具有成群分布小孔的水稻气力式精量穴播排种器对粳稻种子的排种精度,设计了一种直线型搅种齿,并采用二次回归正交旋转组合试验的方法,以吸种真空度、吸种盘转速、直线型搅种齿与吸孔边沿间距离以及搅种齿高度为影响因素对排种器排种精度进行了试验研究,依据试验结果建立了该排种器对粳稻种子的不同穴粒数的排种回归模型。结果显示:以(3~4)粒/穴率、3粒/穴率、4粒/穴率和≥5粒/穴率为评价指标建立的回归方程均拟合很好,并且均在0.05水平显著;基于生产需要对比确定最优吸附条件为真空度2.40 kPa、吸种盘转速30 r/min、直线型搅种齿距吸孔边沿8 mm且搅种齿高度3 mm。以含水率21.30%~21.79%的粳稻盐丰47号破胸芽种为对象,在吸孔直径1.8 mm、吸孔之间距离6.5 mm以及有清种装置时,进行了该排种器吸附精度验证试验,结果表明该排种器排出(3~4粒)/穴种子的概率为77.28%;≤2粒/穴种子的概率为3.04%,≥5粒/穴种子的概率为19.67%;试验结果与回归模型模拟结果接近,表明所获得的排种回归模型正确,并可用来预测排种效果。该研究结果可为水稻气力式排种器精量播种粳稻芽种时的结构、运动参数设计与优化以及排种性能预测提供重要参考依据。     

玉米免耕播种施肥机精准作业监控系统

为了解决玉米播种和施肥时种子和肥料利用率低、投入高、产出低的问题,研制了玉米免耕播种施肥机精准作业监控系统。针对土壤墒情、肥力以及不同地区玉米播种农艺,研制玉米变粒距自动控制系统,通过控制伺服电机,结合拖拉机行走速度,对排种轴的转速进行反馈控制,实现播种粒距的自动调节。根据作业处方图和GPS信息,结合肥箱肥料质量和机具前进速度,得到施肥控制量,输出到伺服电机驱动器,调节排肥轴的转速,实现按处方图施肥作业。试验结果表明,肥料控制精度在3.31%以内,对玉米点播,实现播种粒距10～20 cm在线无级调整,最大控制误差不高于4.48%。该研究实现了玉米免耕播种施肥机变量施肥和精密播种。     

油菜机械离心式集排器排种量控制系统设计与试验

为提升油菜机械离心式集排器的排种性能,实现排种量稳定可控可调,该研究设计了一套机械离心式集排器排种量控制系统。该系统以STM32F103C8T6单片机作为微控制器,利用以光电传感器PG-602为检测元件的落粒检测模块实时检测流经导种管的排种粒数,通过基于霍尔传感器的测速模块实时获取机具前进速度,结合排种粒数和机具前进速度反馈信息构建排种量控制策略,通过动态调节机械离心式集排器工作转速实现排种量均匀稳定控制。搭建了台架测试平台,确定了排种量调控模型为线性关系模型,系统对排种粒数的检测精度不低于96.17%,系统反馈时间为4 s。台架测试结果表明,该系统能够有效降低机具前进速度、内锥筒充种量、种子尺寸和播种株距变化对排种性能的影响。田间试验结果表明,该系统控制下的最大排种量误差为10.00%,平均排种量误差为5.77%,调控合格率为90.68%,田间出苗效果好。研究结果可为离心式集排器精量播种控制系统设计提供技术参考。     

大籽粒作物漏播自补种装置设计与试验

针对大籽粒作物精量播种机普遍存在漏播现象,改进现有排种与补种相互独立的补种位置不准确等问题,提出了一种基于超越离合器的大籽粒作物漏播自补种方法,采用激光光电传感器和霍尔传感器分别监测漏种和排种器速度,依靠排种器自身的超越旋转实现位置无偏差补种并能够故障报警,并设计制作了排种与补种一体化的漏播自补种试验装置。试验结果表明,排种速度2~5 km/h、连续漏播数≤3粒时,补种时间间隔误差≤1.37%,补种粒距合格指数为100%,合格粒距变异系数≤14.48%,平均成功补种率为92.98%,综合漏播率≤0.8%,播种率达到99.2%。该研究可为大籽粒作物精量播种机改进设计提供参考。     

油麦兼用型气送式集排器供种装置设计与试验

为提高气送式集排器的兼用性和精量控制供种量,设计了一种油麦兼用型倾斜锥孔轮式供种装置。该文阐述了油麦兼用型供种装置的工作原理,确定了其主要结构参数,构建了充种和供种过程种群微段的力学模型;台架试验研究了型孔结构、转速和锥孔轮数量对供种速率及其稳定性变异系数和破损率的影响。结果表明:倾角为20°的锥柱状型孔的供种性能较优,油菜、小麦的供种速率稳定性变异系数分别低于1.0%和1.1%,破损率均低于0.1%;转速为10~60 r/min时,供种速率随转速增加而增加,其稳定性变异系数呈先降后升的趋势,供种油菜、小麦较优转速范围分别为10~40 r/min和20~50 r/min;油菜、小麦的供种速率范围分别为28~450 g/min和95~770 g/min,以锥孔轮数量和转速为自变量建立了二次多元回归供种速率预测模型,模型验证的试验值与理论值的偏差在5%以内。该研究提出的倾斜锥柱状型孔交错排布和组合式锥孔轮的结构可实现油菜、小麦兼用供种及变量调节供种速率,为油麦兼用型气送式集排器适应不同作业幅宽播种提供了依据。     

油电混合机械液压式拖拉机动力系统节能性

针对大马力拖拉机在道路运输与田间作业过程中由于工况复杂、作业环境恶劣导致油耗高、节能效果差的问题,该研究采用油电混合动力匹配液压机械无级变速器（Hydro-Mechanical Continuously Variable Transmission, HMCVT）的方式,设计了一种油电混合-机液复合拖拉机动力系统,探讨了该系统的驱动模式与传动方式的实现原理并得到液压机械无级变速器的调速曲线;建立了动力系统的数学模型。为实现动力系统最佳性能,制定了整车控制架构,在此基础上提出HMCVT经济性速比控制策略、基于规则的工作模式划分策略和基于自适应等效因子的燃油消耗最小功率分配策略。为验证所提控制策略的可行性,在SimulationX仿真软件中建立系统动力学仿真模型,并基于测功机搭建试验台架进行测试,分别对拖拉机在犁耕、收获和运输3个典型工况下进行仿真与试验。结果表明,所设计的控制策略能够兼顾混合动力源的最佳扭矩分配与电池电量平衡,且动力系统能保持较高的系统效率（40%以上）,犁耕、收获和运输3个工况下油耗仿真值（2.59、6.56和1.69 L）与试验值（2.72、6.80和1.77 L）的误差均不超过5%,模型可靠。与德国农业协会公布的相近功率动力换挡拖拉机和无级变速拖拉机油耗数据相对比,本文所提的控制策略在3种工况下节油9%～20%。研究结果可为多工况作业条件下降低拖拉机能耗提供解决方案。     

拖拉机液压机械无级变速器综合模式切换规律

为兼顾装备液压机械无级变速器（Hydro-mechanical Continuously Variable Transmission,HMCVT）的拖拉机动力性及经济性,该研究制定了一种同时考虑动力性与经济性的综合模式切换规律。针对采用液压机械无级变速器的拖拉机,分别建立了发动机模型、HMCVT模型以及考虑驱动轮滑转率的拖拉机动力学模型。在分析了其经济性与动力性模式切换规律的基础上,引入动力性与经济性权重系数,采用模糊推理和基于分解的多目标进化算法（Multi-objective Evolutionary Algorithm Based on Decomposition,MOEA/D)制定了拖拉机液压机械无级变速器综合模式切换规律。仿真与试验结果表明：与动力性模式切换规律相比,综合模式切换规律在纯液压模式（H模式）切换至液压机械模式1（HM1模式）时驱动力降低了11.13%,在HM1切换至液压机械模式2（HM2模式）时驱动力降低了7.29%,较H切换至HM1模式时减少了3.84个百分点;与经济性模式切换规律相比,综合模式切换规律在H切换至HM1模式时燃油消耗率增加了0.46%,在HM1切换至HM2模式时燃油消耗率增加了0.85%,较H切换至HM1模式时增加了0.39个百分点,使拖拉机能够在保持良好经济性的同时能获得较好的动力性。表明所制定的综合模式切换规律能根据油门开度识别出驾驶员的操作意图,满足驾驶员在不同工况下对动力性实际需求的同时,也能表现出较好的经济性。研究结果可为拖拉机液压机械无级变速器模式切换规律制定提供一定的理论参考。     

秸秆粉碎覆盖与施肥播种联合作业的实现及机具设计

针对国内外在发展和推广秸秆覆盖保护性种植技术过程中，现行分阶段作业给施肥播种作业(特别是象小麦一类的小行距作物的施肥播种)所带来的因秸秆缠、堵而使机具无法正常工作的问题，提出了“乘被锤爪打碎的高速秸秆沿风道越过种肥箱向斜后上方抛出、未落地前地面处于洁净裸露之机，及时进行开沟施肥播种，随后碎秸秆再自然撒覆于种后地表之上”的联合作业方式，并依此开发研制出9QBF-150/8型秸秆覆盖免耕施肥播种联合作业机。大田应用试验结果表明：机具工作正常、性能良好，作为主要技术指标的茎秆切碎长度合格率不低于96.3%、种肥播深变异系数分别小于8.47%和6.54%，作业中基本不出现秸秆缠堵的问题，所用与同等1.5 m幅宽秸秆粉碎还田机相同的36.8 kW拖拉机，工作负荷无明显增加，证明了联合作业原理的可行性和合理性。样机目前尚存在机体质量偏大、重心置后、靠近两侧地轮处偶尔会发生夹挂秸秆等问题，还有待进一步改进和完善。     

采用滑转率-阻力区间划分法的拖拉机双流传动系统调速控制

为解决拖拉机作业过程中因作业阻力波动而导致生产效率降低的问题,该研究以自主开发设计的液压机械无级变速器(Hydraulic Mechanical Continuously Variable Transmission, HMCVT)为研究对象,通过对滑转率区间划分确定了滑转率控制和车速控制的优先级;通过对作业阻力范围划分确定了适合当前阻力状态下的HMCVT传动模式,并以拖拉机最高生产效率为目标制定了HMCVT系统在液压机械传动(HydraulicMechanicalTransmission,HMT)和静液压传动(HydrostaticTransmission,HST)模式下的变速规律,确定了HMT和HST传动模式下的排量比调节曲面。针对油压波动会影响液压泵排量调节精度的问题,提出了基于前馈补偿的滑模控制算法,搭建了HMCVT传动系统和调速策略模型。结果表明,提出的基于滑转率-阻力区间划分的调速控制策略能够在负载或路面条件发生变化时,将驱动轮滑转率约束在容许滑转率区间内;本文制定的变速规律相比于传统动力性变速规律能使拖拉机车速和加速度分别由5.06km/h和0.05 m/s2提升至5.3 km/h和0.15 m/s2,加速度能力更强,可保证拖拉机的生产效率,提高拖拉机对复杂多变作业环境的适应性。     

基于速度自适应的拖拉机自动导航控制方法

针对速度因素对拖拉机自动导航系统稳定性的影响,提出了基于横向位置偏差和航向角偏差的双目标联合滑模控制方法,在建立两轮拖拉机-路径动力学模型和直线路径跟踪偏差模型的基础上,应用Matlab/Simulink进行整体系统仿真,验证了控制方法的可靠性;以雷沃TG1254拖拉机为载体搭建了自动导航控制系统田间试验平台,分别在定速和变速条件下,进行了拖拉机直线路径跟踪控制的田间试验;分析了不同速度条件下的动态跟踪控制效果,验证了设计的自动导航控制系统的稳定性和控制精度。试验结果表明:在拖拉机田间作业常见的定速直线行驶工况下,采用基于速度自适应的双目标联合滑模控制方法,拖拉机直线路径跟踪控制的横向位置偏差最大值为10.60 cm,平均绝对偏差在3.50 cm以内;航向角偏差最大值为3.87°,平均绝对偏差在1.70°以内;在进入稳态以后,前轮转向角最大摆动幅度为3°,摆动标准差为0.80°。结论表明,该文提出的基于速度自适应的拖拉机自动导航控制系统,能基本实现不同速度下的直线路径自动跟踪控制。