滑切防缠式香蕉秸秆还田机设计与试验

针对香蕉秸秆富含纤维且含水率高等物理特性,现有的秸秆与根茬粉碎还田机田间作业时存在着切割阻力大,秸秆纤维易缠绕等问题。采用理论建模方法确定了秸秆滑切刀片的刀刃曲线方程;设计阐述了还田机的关键结构参数,该文研制出一种滑切防缠式香蕉秸秆还田机,并阐述了还田机械的总体机构与工作原理,同时对其秸秆粉碎率以及功耗进行田间试验。结果表明:各因素对香蕉秸秆粉碎率和功耗影响的显著性顺序从大至小依次均为秸秆粉碎刀辊转速、灭茬刀辊转速、机器前进速度。当机器前进速度为1.39 m/s、秸秆粉碎刀辊转速为1 600 r/min、灭茬刀辊转速为500 r/min时,香蕉秸秆粉碎率为95.2%,功耗为4.96 k W。在最优工作参数情况下,实际香蕉秸秆粉碎率为94.9%,实际功耗为5.1 k W,与软件分析值(95.2%、4.96 k W)间的误差分别为0.31个百分点、0.27%,验证了分析的可信性。通过与甩刀式立式香蕉秸秆粉碎还田机进行性能对比试验,得出所研制的滑切防缠式香蕉秸秆还田机秸秆粉碎率提高1.94个百分点,功耗降低11.3%。该机器的设计为中国南方热带地区香蕉秸秆还田技术的推广与应用提供了基础。     

异速对辊式玉米秸秆粉碎还田装置设计与试验

针对玉米秸秆量大、韧性强,导致还田后秸秆粉碎不均匀影响后续整地和播种等问题,该研究提出了一种异速对辊及动态双支撑形式的玉米秸秆粉碎还田方式,并研制了相应的玉米秸秆还田装置,主要由捡拾粉碎单元、对辊滑切支撑单元、支撑板和机壳等组成。在异速动态双支撑条件下,通过对作业过程中玉米秸秆动力学分析和秸秆漏捡面积分析,对捡拾粉碎刀和对辊滑切支撑刀进行设计,建立了影响秸秆粉碎合格率的数学模型。以捡拾粉碎刀转速、L型甩刀折弯角、L型甩刀刃口长度和滑切支撑刀滑切角为因素,秸秆粉碎合格率为试验指标进行Box-Behnken试验。田间试验结果表明:当滑切支撑刀滑切角45°、捡拾粉碎刀转速1 700 r/min、L型甩刀刃口长度45 mm和L型甩刀折弯角40°时,玉米秸秆粉碎合格率为92.58%,与预测值误差5%,满足国家标准要求。该研究提出的秸秆粉碎还田方式和研制的秸秆粉碎装置为玉米秸秆粉碎还田机设计和优化提供新的方案和技术支撑。     

V-L型秸秆粉碎还田刀片设计与试验

针对秸秆粉碎还田刀片工作过程中存在的刀片易磨损、粉碎效果不理想和稳定性差等问题,通过分析现有刀片的优缺点,设计了一种V-L型秸秆粉碎还田刀片,具有延长刀片的使用寿命、提高秸秆粉碎效果和作业效率等优点。通过分析拖拉机前进速度、刀辊转速以及二者相互作用对秸秆粉碎率的影响,确定了刀片工作参数的最佳组合:拖拉机进速度为1 m/s,刀辊转速为1 400 r/min。通过2因素3水平正交试验,确定了刀片结构参数的最佳组合:刀片前倾角为10°,刃线与地面夹角为14°。对安装V-L型刀片的秸秆粉碎还田机整机作业效果进行了田间试验,结果表明各项指标均达到了国家相关标准的技术要求。该研究可为秸秆粉碎还田刀片设计提供参考。     

秸秆还田施肥点播机粉碎抛撒装置结构设计与优化

针对小麦秸秆粉碎还田免耕播种过程中出现的堵塞、架种与晾籽问题,该文对秸秆粉碎还田施肥点播机秸秆粉碎抛撒装置结构进行设计,采用理论分析、ADAMS仿真方法对切茬甩刀、切茬定刀、切茬粉碎机构与开沟器配合尺寸等秸秆粉碎抛撒装置关键参数进行设计,通过田间优化试验最终确定开沟器前侧至切茬甩刀水平位置端面距离为2.3 cm,秸秆挡板倾斜角为22°,此时晾籽率最低,为1.65%。作业性能验证试验表明:当整机的粉碎抛撒装置采用设计参数进行作业时,播深合格率为81.3%,秸秆粉碎长度合格率为96.6%,秸秆抛撒范围合格率为90.2%,秸秆抛撒不均匀度为11.9%,均优于标准要求,满足作业要求,试验过程全程无堵塞,点播机切茬粉碎抛撒装置可使秸秆全量还田同时保持机具良好通过性,实现免耕地无残茬播种并完成高质量秸秆粉碎抛撒盖种。本研究可为从秸秆粉碎抛撒角度解决堵塞问题、为免耕播种环境的相关机具研发提供参考。     

喂入式立轴甩刀香蕉秸秆粉碎还田机设计与试验

由于香蕉秸秆粗大、含水率高,现有的粉碎还田机大多操作繁琐、作业不稳定。针对上述问题,研制了一种喂入式立轴甩刀香蕉秸秆粉碎还田机,描述了该机的总体设计方案及主要部件的结构,分析了各部件之间的相互关系,确定了其关键参数的最优值。试验结果表明:该机在前进速度为2.16~3.60 km/h、压辊进料转速为127.39 r/min、立轴甩刀旋转速度为1 080 r/min时,秸秆粉碎质量合格率达94.9%、田间覆盖率达88.61%、茎杆留茬高度为30~35 mm,一次作业可将秸秆粉碎成丝状残渣,且残渣抛洒还田均匀。试验结果对解决因秸秆难处理而制约农村合作社小规模种植的难题具有重要意义。     

差速锯切式水稻秸秆粉碎还田机设计与试验

为解决东北稻区秸秆粉碎质量不达标、影响后期作业的问题,该文基于差速锯切原理,设计了一种秸秆粉碎还田机,可实现锯盘刀与粉碎刀同向差速配合,提高切削秸秆的摩擦力及相对线速度,以达到支撑锯切的目的,改善秸秆粉碎效果。通过理论分析,对粉碎刀和锯盘刀等关键部件进行设计;利用Fluent仿真分析,得到正扇叶型粉碎刀能够提高粉碎腔内风速;对秸秆切碎过程进行动力学分析,确定影响粉碎效果的主要因素为粉碎刀转速及其与锯盘刀间的倾斜角度。选取粉碎刀转速和倾斜角度作为试验因素,以秸秆粉碎平均长度和秸秆粉碎长度合格率为评价指标,进行二因素三水平田间试验,结果表明:粉碎刀转速和倾斜角度对秸秆粉碎平均长度和秸秆粉碎长度合格率均有显著影响。综合考虑秸秆粉碎效果和功耗等因素,最终确定优化组合为粉碎刀转速1800 r/min,倾斜角度65°,相应的锯盘刀转速为600 r/min。优化组合条件下的田间试验结果为:秸秆粉碎平均长度9.58cm,长度10cm以下的秸秆占93.23%,秸秆抛撒不均匀度20.89%,满足东北稻区秸秆粉碎抛撒质量要求。通过与现有秸秆粉碎还田机进行性能对比试验,得出研制的差速锯切式水稻秸秆粉碎还田机秸秆粉碎效果更优,后期翻耕秸秆掩埋率达98.92%。机具的设计对解决东北稻区秸秆还田关键技术问题具有重要意义和应用价值。     

1JHL-2型秸秆深埋还田机设计与试验

为了改善土壤耕层结构,协调土壤水、肥、气矛盾,有机养分消耗与积累矛盾,实现秸秆深埋还田,研制了1JHL-2型秸秆深埋还田机,主要由秸秆粉碎装置、螺旋开沟装置、输送装置、落料装置和覆土装置等组成。该机具收集两垄秸秆埋于一条垄沟,可实现秸秆垄沟隔行交替深埋,一次完成秸秆粉碎、收集、开沟、深埋、镇压等多项作业,适用于东北平原中南部棕壤土区合理耕层构建的秸秆深埋还田的技术要求。通过对秸秆在输送装置上的斜抛运动分析和土壤颗粒相对于螺旋式开沟器动力学分析,确定了机具的结构参数与性能参数:秸秆粉碎装置的作业幅宽为120 cm,输送装置的工作宽度为80 cm,螺旋式开沟器开沟宽度为40 cm;秸秆粉碎轴转速为1 620 r/min,Y型甩刀的刀尖线速度为40 m/s,输送带带速为1.416 m/s。通过田间试验得到,在机具前进速度为3 km/h,开沟装置转速为270 r/min,开沟深度为28 cm的情况下,秸秆切碎合格率为93.5%,秸秆深埋率为92%。达到了秸秆深埋还田、增强土壤有机质的要求,实现虚实并存的耕层结构,为秸秆深埋还田机的设计和评价提供参考。     

滚割喂入式卧轴甩刀香蕉假茎粉碎还田机设计与试验

由于香蕉假茎粗大、含水率高,且富含纤维素与半纤维素,现有的粉碎还田机大多存在秸秆粉碎不彻底、刀具易磨损、机器作业效率低等问题。针对上述问题,该文设计了一种滚割喂入式卧轴甩刀香蕉假茎粉碎还田机,描述了该机推倒装置、滚割喂入装置、粉碎装置以及整平装置等主要部件的结构,并对粉碎刀进行了运动和受力分析,确定了其关键参数。田间试验表明:该机器在拖拉机前行速度为2.16~3.60 km/h、后动力输出轴转速为720 r/min时,工作效率为0.42~0.46 hm2/h、油耗量为21.4 L/hm2、香蕉假茎粉碎合格率为96.6%、香蕉假茎平均切碎长度为57 mm,均满足秸秆粉碎还田农艺要求。该研究为中国南方香蕉种植区秸秆粉碎还田机的发展与推广提供了参考。     

抛送式棉秆粉碎还田机的设计与试验

抛送式棉秆粉碎还田机采用高速旋转的甩刀将棉秸秆粉碎，并以一定的高度和距离向后抛出机体越过残膜回收机，实现膜上棉秆的清理，为残膜回收机膜秆分离创造条件。在理论分析的基础上，通过试验研究确定了抛送式棉秆粉碎还田机的基本结构和主要参数，获得了刀辊转速与机组前进速度的合理配比关系，从而降低棉秆根茬高度，提高了棉田秸秆粉碎还田机的作业效果。试验证明改进后的样机性能有较大提高，基本能够满足秋后棉田秸秆粉碎还田与残膜回收联合作业的技术要求。     

油菜秸秆对置双螺旋埋覆还田装置设计与优化

为提升油菜秸秆还田埋覆均匀性，该研究结合油菜秸秆留茬高、秆茎粗、腐解难的特点，采用粉碎-旋耕-埋覆还田组合工艺，设计油菜秸秆还田对置双螺旋埋覆装置。以埋覆秸秆质量分布变异系数和不同深度秸秆质量占比作为还田均匀性评价指标，采用4因素4水平正交试验，分析对置双螺旋埋覆装置螺旋升角、转速、机具前进速度等参数及秸秆粉碎长度对评价指标的影响。试验结果表明：各因素对埋覆秸秆质量变异系数影响的显著程度从大到小依次为秸秆粉碎长度、螺旋升角、转速、机具前进速度；上层土壤0～50 mm中的秸秆质量占比最高，随着土层深度的加深秸秆质量逐渐减少；当螺旋升角为60°、埋覆辊转速为210 r/min、机具前进速度为0.6 m/s、秸秆长度为6 cm时，≥0～50、≥50～100和≥100～150 mm土层单位体积土壤秸秆含量分别为15.34、11.61和7.9 kg/m³，秸秆质量占比分别为43.97%、33.28%和22.75%，秸秆质量分布变异系数为26.43%，与优化前相比，上层土壤中秸秆质量占比降低2.36个百分点，下层秸秆质量占比提高7.18个百分点，秸秆质量分布变异系数降低12.6个百分点，秸秆还田均匀性和种床质量均有提高。研究结果为提高油菜秸秆还田均匀性提供了新的方法与思路。     

缺株玉米行中心线提取算法研究

无人驾驶农机自主进行行驶路径检测和识别系统需要具备环境感知能力。作物行的中心线识别是环境感知的一个重要方面,已有的作物行中心线识别算法在缺株作物行中心线提取中存在检测精度低的问题。该研究提出了一种能够在缺株情况下提取玉米作物行中心线的算法。首先采用限定HSV颜色空间中颜色分量范围的方法将作物与背景分割,通过形态学处理对图像进行去噪并填补作物行空洞;然后分别在图像底部和中部的横向位置设置条状感兴趣区（Region of Interest,ROI）,提取ROI内的作物行轮廓重心作为定位点。在图像顶端间隔固定步长设置上端点,利用定位点和上端点组成的扫描线扫描图像,通过作物行区域最多的扫描线即为对应目标作物行的最优线;将获取的最优线与作物行区域进行融合填充作物行中的缺株部位;最后设置动态ROI,作物行区域内面积最大轮廓拟合的直线即为目标作物行中心线。试验结果表明,对于不同缺株情况下的玉米图像,该算法的平均准确率达到84.2%,每帧图像的平均检测时间为0.092 s。该研究算法可提高缺株情况下的作物行中心线识别率,具有鲁棒性强、准确度高的特点,可为无人驾驶农机在作物行缺株的农田环境下进行作业提供理论依据。     

膜杂捆料多级破碎机设计与试验

针对棉田机收膜杂捆料中膜-土-秆分布不均、相互裹绕且体积过大，无法直接进行有效破碎的问题，通过分析膜杂捆料的破碎过程，确定了一种先破捆、再破碎的破碎方案，并设计了一种包含均匀喂料装置、直刀破捆装置、Y型甩刀破碎装置的膜杂捆料多级破碎机。以破碎刀辊转速、喂入速度、定刀数量作为主要影响因素，以残膜破碎合格率作为评价指标，进行三因素三水平试验，确定优化参数指标为试验在破碎刀辊转速1125 r/min；喂入速度为0.012 m/s；定刀数量1个的因素水平下，此时膜杂捆料破碎合格率达到 75.15%，满足后续加工工艺要求。该装置的研究对残膜资源化利用关键技术问题具有重要意义和应用价值。     

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.     

洁区播种思路下麦茬全秸秆覆盖地花生免耕播种机研制

针对黄淮海花生主产区常规机播多种机具多次下田、生产成本高问题,以及传统免耕播种不适宜全秸秆覆盖地作业,存在缠绕壅堵、架种、晾种问题,研制了基于“洁区播种”思路的麦茬全秸秆覆盖地花生免耕播种机。该机配套75 k W以上拖拉机,作业幅宽2 400 mm,可一次完成碎秸清秸、苗床整理、施肥播种、均匀覆秸,整个施肥、播种、覆土作业在无秸秆影响、相对“洁净”的区域内完成,纯生产率大于0.53 hm2/h,适宜麦收后秸秆未作任何处理的全秸秆覆盖地。田间试验及测产表明,该机作业顺畅、可靠、播种质量高,作业后麦秸秆平均长度115 mm,秸秆覆盖均匀率83%,播种施肥平均深度分别为46和59 mm,合格率分别达到98%和89%,每公顷产量约为5 749.5 kg,各项作业指标均符合主产区花生生产要求。该研究提出的“洁区播种”思路亦可实现全秸秆覆盖地免耕播种小麦、玉米、大豆等不同旱地作物,为推进机械化秸秆禁烧提供了适宜装备。     

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。