基于多性能目标的拖拉机运输机组优化设计

拖拉机运输机组总体参数的设计目标多元,约束条件复杂,传统经验法和单目标优化法难以使机组综合性能达到最优。该文以机组动力性、牵引点受力情况、附着性能和经济性最优为目标设计了目标函数;通过分析拖拉机运输机组动力学模型,确定了优化参数;通过研究拖拉机运输机组使用性能,制定了约束模型;采用改进型非支配排序遗传算法,导出了拖拉机运输机组总体参数多目标优化算法。以东方红150拖拉机运输机组为实例,优化了原有拖拉机和挂车的重力参数、质心位置和变速器传动比。设计试验与已有单目标优化方案和原始机组对比,结果为:运输Ⅰ挡和运输Ⅱ挡下,最大爬坡度分别提高1.35%、1.68%和1.38%、0.57%;牵引点受力分别减少1 222、703和2 792、2 125 N;驱动轮最大滑转率更接近特征滑转率;燃油消耗量分别下降12.9%和15.8%;改善了机组动力性、牵引点受力、附着性能、经济性,可为拖拉机运输机组配重方案和总体参数设计提供参考。     

串联式混合动力拖拉机驱动系设计

针对传统拖拉机存在变速器结构复杂、传动效率低、高油耗、高排放等问题,提出一种基于犁耕工况下串联式混合动力拖拉机驱动系设计方法,包括确定传动方案、匹配牵引电动机和主能源功率参数及设计变速器挡位和辅助能源参数等。基于提出的设计方法,以东方红1804拖拉机为研究对象,对其串联混合动力驱动系主要参数进行了设计计算,分析了其牵引性能,结果表明:混合动力拖拉机特性曲线在有效牵引力范围内完全覆盖原拖拉机的工作特性场,且牵引效率较高;发动机同机械传动装置解耦,等效燃油消耗率平均降低了2.64%;变速器结构得到较大简化,传动效率较高;变速器速比设置合理,可满足拖拉机不同作业工况下对负载的需求,同时实现了无级变速。该研究为混合动力拖拉机能量管理策略、换挡规律及控制系统的设计提供了理论依据。     

基于灵敏度分析的船式拖拉机机架结构优化设计

为提高船式拖拉机的动态性能,针对机架与船壳可分离的船式拖拉机,对其机架进行多目标优化设计。通过模态分析确定优化响应,灵敏度分析确定设计变量,模型建立确定优化目标,多目标优化设计数学模型得到6组非劣解,并基于熵权的模糊物元模型得到最优设计方案。优化前后的对比分析可知,在机架体积只增加2.4%的基础上其第一阶模态频率提高35%,最大静应力减小35%,同时发动机的工作频率远离船式拖拉机机架的固有模态频率。结果表明,优化后的船式拖拉机机架动态性能良好。该研究可为船式拖拉机的设计研究提供参考。     

电动拖拉机田间巡航作业驱动转矩管理模型

针对电动拖拉机整机控制中与驱动转矩相关且通用性较强的功能环节,在驱动系统上层搭建了一种通用型的驱动转矩管理控制模型。以满足田间作业需求、提升作业质量为目标,将输入信号标定为期望作业车速,并进一步转化为电机目标转速。根据实际转速与目标转速的偏差,计算电机目标输出转矩,以使电机需求功率与作业负载相平衡。进一步考虑巡航作业过程中驱动转矩变化引起的整机冲击度、当前转速下电机可用最大转矩以及驱动系统过温、电池放电欠压的影响,依次搭建了针对目标输出转矩的斜坡限制、基于转速的转矩容量限制和极端工况下的比例减载限制模型。搭建了包括电池、驱动电机以及整机纵向动力学在内的电动拖拉机模型。基于驱动转矩管理模型设计了目标控制器,并搭建了dSPACE硬件在环测试平台,分别对转矩管理模型中的各个参数进行了标定,并对牵引作业工况下驱动系统的输出特性进行了测试,结果表明:在牵引作业时,实际车速可平稳跟踪期望作业车速,跟踪误差主要取决于驱动轮的滑转程度,当期望车速改变时,实际车速按标定斜率向期望值平缓过渡;作业过程中,模型输出转矩始终处于电机转矩容量范围以内,且转矩变化率不超过35N·m/s,与未经斜坡限制处理的原始目标转矩相比,转矩变化趋于缓和;当电池输出电压低于欠压报警阈值时,驱动转矩管理模型根据电池欠压程度将模型输出转矩比例缩减10%～27%,确保电池输出电压不低于停机阈值。所搭建的驱动转矩管理模型可为电动拖拉机整机控制器的设计提供技术参考。     

犁耕作业大马力拖拉机驱动轮滑转率控制方法

针对犁耕作业时大马力拖拉机驱动轮易产生过度滑转的问题,该研究以大马力拖拉机电液悬挂机组为研究对象,考虑"拖拉机-农具-土壤"系统的强非线性特征,在建立大马力拖拉机犁耕作业机组非线性系统动力学模型的基础上,提出基于滑模变结构控制的大马力拖拉机驱动轮滑转非线性控制方法;并以模糊PID控制为对比,采用Matlab/Simulink验证本文动力学模型的正确性和控制算法的有效性;以Lovol-TG1254型大马力拖拉机为载体,搭建犁耕作业大马力拖拉机驱动轮滑转控制平台,开展田间对比试验,并分析不同控制方法下的滑转控制效果,验证滑模变结构控制算法的控制精度和稳定性。试验结果表明:在2.17m/s的犁耕作业工况下,与模糊PID控制算法相比,滑模变结构控制算法将拖拉机驱动轮滑转率有效控制在最优值0.2,平均绝对值偏差为0.008,减小了约27%,最大偏差为0.028,减小了约49%;耕深、液压缸位移和水平牵引力调节变化量分别减小了27%、36%、42%。该研究提出的基于滑模变结构的大马力拖拉机驱动轮滑转控制方法可实现犁耕作业驱动轮滑转最优目标控制。     

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。     

广义Hough变换在遮挡图像识别中的应用

介绍了一种基于广义Hough变换的空间有部分遮挡的茄子目标识别方法。从生物学的角度,用广义柱近似等效样本茄子形状;通过坐标转换获得了不同位姿的立体目标在平面上的投影边缘,并建立茄子外形的4维参数索引表;采用一种广义Hough变换计算茄子目标的潜在位置,并通过比较各旋转角度下的"面积比",筛选出目标实际的位姿。试验表明:这种广义Hough变换检测目标位置和姿态的相对误差分别约在1.3%和5.5%以下,说明其对空间不同位姿、部分遮挡情况下目标的识别具有良好的效果。     

双线程螺旋导向式产品进化设计

为适应动态变化的需求市场,将生态学的食物链关系引入产品概念设计,从设计认知的高度,系统地总结了产品间的关系,提出了产品分级规则,并构建了产品进化链和产品共生环,为实现双线程螺旋导向奠定了基础。在分析动态进化的产品信息的基础上,提出了以竞争与合作双线协作对产品进化进行导向的双线程螺旋导向式进化模型,同时提出了双线程螺旋导向式产品进化系统体系结构,实现了从产品进化触发机制、系统化建模2个角度来研究产品进化设计。系统构架和产品信息动态进化理论共同构成了双线程螺旋导向式产品创新设计方法,以粮食干燥机为例对该方法的使用过程进行了验证,结果可为产品进化设计进一步的系统化及计算机实现提供参考。     

双线程螺旋导向式产品进化设计

为适应动态变化的需求市场,将生态学的食物链关系引入产品概念设计,从设计认知的高度,系统地总结了产品间的关系,提出了产品分级规则,并构建了产品进化链和产品共生环,为实现双线程螺旋导向奠定了基础。在分析动态进化的产品信息的基础上,提出了以竞争与合作双线协作对产品进化进行导向的双线程螺旋导向式进化模型,同时提出了双线程螺旋导向式产品进化系统体系结构,实现了从产品进化触发机制、系统化建模2个角度来研究产品进化设计。系统构架和产品信息动态进化理论共同构成了双线程螺旋导向式产品创新设计方法,以粮食干燥机为例对该方法的使用过程进行了验证,结果可为产品进化设计进一步的系统化及计算机实现提供参考。     

基于改进CoMOLA模型的镇域土地利用优化

全域土地综合整治是实施乡村振兴战略的重要抓手,也是提升农村土地整治效果的有效途径。为探索服务全域整治目标的土地利用优化配置方法,借助非优势排序遗传算法在进化模拟、全局搜索等多目标决策优化中的优势,从转型条件、面积约束、效益测算等方面构建约束多目标土地利用优化配置模型(Constrained Multi-objective Optimization of Land-use Allocation,CoMOLA),同时借鉴首位度理论改进模型并选取典型研究区进行案例分析。通过设置经济优先、生态优先及生产优先3种不同发展情景优化土地利用土地管理配置,利用中间结果识别未来发展可能的冲突,为规划制定提供依据。研究结果表明:1)经济优先情景下,研究区2030年经济效益较基期年(2018年)增长了12.33%,生态效益和生产产量分别减少了11.41%和3.73%;生态优先和生产优先情景下,生态效益和生产产量分别提高了51.68%、11.63%;2)土地利用数量结构与空间结构在3种情景中均存在一定的极化趋势,绝对冲突地块面积分别为1.98%、3.12%和1.71%。需结合发展目标等多重因素,参考冲突识别结果,因地制宜制定发展方案。综合而言,运用改进约束多目标土地利用优化配置模型进行研究,能同时满足土地利用的时空特征,得到较为客观的土地利用土地管理优化方案,且其中间结果可作为地类发展冲突识别依据,可为多目标优化问题提供新的方法借鉴。     

农机部件数字化设计软件平台AgriDEM开发

为解决农机产品开发周期长、工作量大和成本高等问题,研制了集设计和性能分析评价为一体的农机部件数字化设计软件平台AgriDEM(agricultural discrete element method)。该平台通过将CAD软件与自主研发的基于DEM-CFD-MBK(discrete element method,computational fluid dynamics,multi-body kinematics)耦合的分析软件集成,可在设计阶段由农机部件的CAD模型(CAD软件设计图),进行农机部件工作过程的动态仿真和工作性能的分析评价,由此实现农机部件结构方案和尺寸参数的优化。该文详细介绍了该平台的架构和关键技术实现方法,包括农机部件分析模型的建模方法、颗粒的建模方法、基于OpenMP的并行计算方法、基于DLL的模块封装及原型系统开发等,最后通过一个实例验证了该平台的可行性和有效性,可为农机部件的优化设计和数字化设计提供参考。     

面向大批量定制生产的小型农业作业机客户需求模型的构建研究

从小型农业作业机的市场需求出发，建立了大批量定制生产下产品的客户需求模型，并采用关联分析、模糊聚类等技术将大批量定制生产模式下的属于客户视角的、模糊的市场需求转换为产品设计视角的、量化的、具有工程意义的技术参数和指标。最后以SF系列温室管理机的产品族规划实例进行了上述方法和模型的验证，结果表明上述方法和模型为企业提供了客户群体需求倾向分析，为大批量定制生产产品的产品族规划、功能模块化以及产品快速设计中及时响应客户群体需求倾向技术奠定了基础。     

考虑无形磨损的拖拉机残值系数预测模型

针对当前随着农机设备更新速度加快,无形磨损对农机折旧影响加重的问题,该文在传统拖拉机残值系数预测模型的基础上引入无形磨损系数,构建了考虑无形磨损的拖拉机残值系数预测模型。以来自于农机服务中心农机及农具拍卖结果的25台拖拉机拍卖数据为研究样本,以机龄、年平均工作时长、无形磨损系数为变量参数,分析其价值变化规律;同时,为了进一步综合对比改进模型与原模型的残值系数预测精度,引入基于几何学的"弗雷歇距离"度量法。结果表明,改进模型与原模型相比,预测偏差较小,预测精度大幅度提高,达到24.9%及以上,能够显著地提高拖拉机残值预测准确度,该研究为折旧成本的计算和农机设备的更新决策提供了科学、准确的决策依据。     

信息技术提升农业机械化水平

为适应中国现代农业建设的需要,保持中国农业机械化水平持续增长,实现中国农业可持续发展,该文提出,应将先进的信息技术融入中国农业机械的设计、制造、作业和管理等环节,使农业机械装备实现信息化和智能化,从而整体提升农业机械化水平。文中介绍了参数化设计、基于知识工程的农机产品设计、基于产品数据管理的并行协同设计等农机产品设计的关键技术;柔性制造、计算机集成制造、虚拟与网络制造等农机产品制造的关键技术;农情信息采集、农业机械导航、田间管理等农业机械作业的关键技术;农业机械管理、农业机械调度等关键技术。分析了这些关键技术信息化的不足,总结了世界各国的发展趋势,指出了用信息技术提升中国农业机械化水平应解决的核心问题。为加强农机装备的信息技术创新,该文建议,应突破一批智能农业装备数字化设计技术、自动导航协调控制技术及农业装备现场总线技术等关键技术;研发一批大田和设施农业生产作业系统、果园作业智能装备和畜禽水产精准生产装备等重大技术产品;构建一批水肥药田间精准作业系统、畜禽水产自动饲喂系统和自动化加工生产线等农业机械精准作业系统,从而进一步用信息技术提升农业机械化水平。     

基于实际作业工况的拖拉机能效评价

为深入了解拖拉机实际作业的能效情况，该研究提出基于实际作业工况的拖拉机能效评价方法，对拖拉机整体能效进行全面度量。基于距离最短分区原理，通过K-means聚类与成对比较矩阵方法进行拖拉机发动机常用工况点提取；通过对186台162 kW的拖拉机能效分析，提出拖拉机能效等级划分标准，确定能效限值和各级能效比限值，并对不同作业环节的平均能效进行分析。研究结果显示：拖拉机发动机实际8工况点和ISO稳态8工况点区别较大；不同拖拉机能效差异较大， 50%的拖拉机能效值分布在3.20～3.65 (kW·h)/kg区间；162 kW拖拉机实际能效合格限值为3.07 (kW·h)/kg；拖拉机不同作业环节的平均能效值差异大，旋耕作业的平均能效值最高，最低是行走模式。研究结果可为发动机节能减排技术升级提供数据基础，也可为农机节能考核、与绿色化作业水平挂钩的应用补贴方法研究等提供参考。     

农业机器完好率的灰色建模与预测

现有农机配备理论的一个重大缺陷——未考虑农业机器完好率,利用灰色理论建立起农业机器完好率的ＧＭ（１,１）模型,并阐述了其研究意义。此模型具有很高的精度,可用于预测。     

基于个性化特征的无公害农产品目录智能服务系统

从促进无公害农产品流通,提高认证产品信息服务质量出发,该文以无公害农产品目录为研究对象,以实现认证产品信息的个性化检索与推荐为目标,进行产品目录智能服务的关键技术研究。以产品概念、属性和语义关系为主体,设计产品目录本体模型,建立产品目录领域本体,形成无公害农产品电子化目录;基于产品目录领域本体,从本体概念层面进行用户兴趣特征建模,采用语义清晰度与用户兴趣度的综合值设置概念权值,建立个性化产品目录加权本体模型,并设计个性化产品目录加权本体建立算法,实现用户兴趣的动态、准确和全面描述;通过个体过滤、综合过滤、概念映射、语义查询扩展和查询结果优化,构建个性化产品目录信息推荐与检索算法,建立产品目录智能服务系统。在检索结果用户满意度对比试验中,相比于基于领域本体检索、基于语义相似度优化检索和基于个性化本体优化检索3种方式,分别提高了31%、21%和14%,结果表明可在一定程度上提高无公害农产品目录信息检索推荐的质量和满意度,满足个性化的需求,同时也可为无公害农产品推广、品牌化销售和电子化交易提供技术支撑,具有较好的应用前景。     

Protecting young workers in agriculture: participation in tractor certification training

Tractor-related injuries among youth are an important public health problem. The major objectives of this study were to (1) provide a rigorous estimate of the number of youth operating tractors in Ohio and (2) assess the extent to which these youth are participating in federally mandated tractor safety training. A self-administered questionnaire was completed by approximately 4,000 students ages 14 or 15 years who were enrolled in a stratified cluster sample of 99 Ohio schools. Almost one-third of the youth (30%) reported having operated tractors, with 19% having operated a tractor on a farm not owned by a parent or guardian. More than half of the youth (52%) reported having operated a tractor and/or other hazardous machinery, with 25% having operated the machinery on a farm not owned or operated by a parent or guardian. Extrapolating from 4-H records and Ohio census data, fewer than 1% of the youth who are operating tractors or other hazardous machinery have participated in tractor certification training. Increasing participation in mandated training may be an important step in protecting the health of our nation's young agricultural workers.     

1GSZ-350型灭茬旋耕联合整地机的设计与试验

为了适应大马力拖拉机对配套农机具的需求,在分析研究中小型单一和组合作业模式整地机的基础上,设计研制出一种集灭茬、旋耕和深松于一体的宽幅联合整地机,并进行了单一和联合作业的试验。试验表明,该机具在作业时能够充分发挥大马力拖拉机的作业效率,减少拖拉机的功率消耗,节能约14.3%;机具配置的灭茬刀、深松铲和旋耕刀排列合理,保墒效果明显,碎土率和灭茬率高达95%。该机属于高效节能型机具,为研究大型农机具提供了参考。     

机耕道自动驾驶农机局部路径规划

针对机耕道场景下自动驾驶农机行驶的安全性、平稳性与规划实时性的实际需求，该研究提出了一种基于二次规划的局部路径规划方法。首先基于有限状态机构建农机机耕道行驶模式，其次采用横纵向解耦的方法，通过改进状态栅格法分别对农机速度行为和轨迹行为进行决策，随后利用二次规划方法生成满足多目标、多约束条件的农机轨迹和速度，得到最优路径，最后在多种行驶环境中进行仿真和实车试验，行驶参考速度为2 m/s。实车试验结果表明，在绕行静态障碍物场景中，规划轨迹的平均绝对曲率为0.021 m^-1，最大绝对曲率为0.056 m^-1，平均绝对横向误差为3.23 cm，最大绝对横向误差为8.69 cm，农机与障碍物外轮廓的距离大于0.76 m；在规避相向行驶、同向行驶和横穿机耕道的动态障碍物场景中，规划速度的平均绝对速度误差为0.08～0.12 m/s，绝对速度误差小于0.38 m/s，加速度变化范围为-0.38～0.44 m/s²。在规划周期为200 ms的仿真试验中，本文算法平均耗时48 ms，最大耗时75 ms，相比采用静态状态栅格法平均耗时减少38 ms，算法效率提升44%。研究结果可为机耕道场景下的农机局部路径规划提供技术支持。