施肥无人机槽轮式排肥器槽轮结构参数优选

现有槽轮式排肥器存在低转速下脉动性较强和排量范围较小的问题,较难满足农用无人机低空高速施肥对大排量范围以及排量连续性和准确性的要求。针对以上问题,该研究设计了凹槽形状和凹槽列数不同的排肥槽轮,并利用EDEM仿真模拟和台架试验测试了各槽轮的排量范围以及排肥时的脉动性和准确性,优选出满足无人机施肥要求的排肥槽轮。仿真结果表明,转速为10～40 r/min时,凹槽的截面形状和列数对脉动性影响较大,且直槽槽轮的脉动性较为明显,外切4列和内切5列对脉动的幅度和时间间隔的影响最小。台架试验结果表明,转速为40～120 r/min时,各槽轮排放复合肥和尿素的排量均在17 kg/min以上,且均随转速的增大而增大,能够满足无人机施肥时对排量的需求。方差分析表明凹槽截面形状和凹槽列数的主效应和交互作用对排量的影响均显著（P=0.000）,而且会受到转速的干扰。对于复合肥,外切6列、直槽6列和外切5列槽轮的变异系数波动最小,基本稳定在1%以内;内切4列、内切6列和外切4列槽轮的变异系数波动范围稍大,但均在3%以内。对于尿素,内切4列和直槽4列的变异系数波动较大,排量准确性较差,内切6列和直槽6列槽轮的变异系数波动较小,基本稳定在1%以内;直槽5列、内切5列、外切4列、外切5列和外切6列槽轮的变异系数波动范围基本在1%～2%。综合低转速下的排量脉动性和高转速下的排量准确性,为了确保不同转速下的排肥效果,施肥无人机排放复合肥时可选择外切4列槽轮,排放尿素时可选择外切4列或内切5列槽轮。该研究可为施肥无人机的排肥性能研究提供参考。     

螺旋排肥器排肥口参数对排肥性能影响的试验研究

针对螺旋排肥器在物料输送过程中排肥口物料流量随时间波动变化造成排肥均匀性降低的问题,该研究采用离散元仿真和台架试验相结合的方法,以排肥均匀性变异系数为评价指标,在螺旋转速30r/min下,研究了排肥口长度和排肥口角度对排肥均匀性的影响,通过正交试验分析了单个螺旋转动周期内的排肥特性。试验结果表明:影响螺旋排肥器排肥性能的主次因素分别为排肥口长度、排肥口角度,两者对螺旋排肥器的排肥稳定性和均匀性有非常显著的影响,在排肥口角度为135°、排肥口长度为60mm的组合下取得较优排肥效果,该组合下仿真试验的排肥均匀性变异系数为4.98%,台架验证试验的排肥均匀性变异系数为5.41%,仿真试验和台架试验结果吻合度较好。该研究可为螺旋式排肥器的设计与优化提供参考和理论依据。     

错排齿轮式排肥器优化与试验

为提升双齿轮式排肥器的排肥均匀性，该研究基于原始结构参数对直齿排肥齿轮进行改进，设计错排齿轮式排肥器。在参数化建模和确定轮齿容肥体积的基础上，结合理论分析确定了排肥器的理论排肥量。利用EDEM对排肥过程进行仿真，通过单因素试验分析错排齿轮片数、排肥轮间隙对排肥均匀性的影响，选用L₉(3⁴)正交表进行正交仿真试验。试验结果表明：试验因素对试验指标影响的主次顺序为错排齿轮片数、排肥轮间隙，当错排齿轮片数为3片、排肥轮间隙为5 mm时，排肥均匀性变异系数为4.69%。采用台架试验对双齿轮和错排齿轮式排肥器进行对比试验，结果表明：转速60 r/min时错排齿轮式排肥器的排肥流量变异系数为4.74%，与理论值基本吻合，且比双齿轮排肥器变异系数减小10.68%。基于实测排肥器转速-流量曲线设计电控排肥控制器并进行台架试验，施肥精度偏差为3.1%，优化后的排肥器排肥均匀性良好，且可实现精控排肥。研究结果可为精控排肥器的设计及优化提供参考。     

螺旋扰动锥体离心式排肥器设计与试验

针对现有油菜直播排肥器排肥流畅性、稳定性以及排肥量均匀性不足,从而影响化肥精准施用的问题,设计了一种螺旋扰动锥体离心式排肥器。阐述了排肥器的设计原则和工作原理,基于颗粒化肥的物理机械特性与油菜施肥量要求确定了螺旋扰动杯和弧形锥体圆盘的结构参数。以中国农资复合肥、史丹利复合肥、鄂中复合肥为试验材料,开展排肥器锥体圆盘转速为80~130 r/min时的排肥性能及排肥行数适应性台架试验,验证了排肥器的排肥性能。验证试验结果表明:三种复合肥的各行排量一致性变异系数在11.5%以下,不同转速不同物理机械特性化肥条件下的排肥量稳定性变异系数在6.3%以下,同行排量一致性系数在93%以上;转速较低时,排肥器倾斜状态下各行排量一致性变异系数为9.82%,满足排肥质量要求。田间试验结果表明,各行排量一致性变异系数低于7.9%,排肥量稳定性变异系数在5.3%以下,同行排量一致性系数高于93.5%,符合行业标准性能指标,满足田间排肥质量要求。该研究可为油菜生产过程的化肥减施与精准施用提供有效的技术支撑。     

油菜精量气压式集排器排种性能试验

为提高油菜精量气压式集排器的排种性能,该文通过对充种和清种2个基础过程解析,明确了影响排种性能的主要因素,确定了相关试验因素的范围,并以华油杂62种子为对象,采用L27(313)正交试验设计研究了清种气嘴口截面形状、充填高度、清种气流流速和排种滚筒转速对集排器排种性能的影响。结果表明,清种气嘴口截面形状、充填高度、清种气流流速和排种滚筒转速对排种均匀性影响显著,清种气嘴口截面形状、充填高度和排种滚筒转速对各行排量一致性有显著影响,并确定了其较优参数组合。优化组合试验得出选择矩形截面形状的清种气嘴,充填高度27 mm,清种气流流速10 m/s,排种滚筒转速20 r/min的最佳参数条件下,排种均匀性变异系数为8.07%,各行排量一致性变异系数为1.95%,种子破损率低于0.1%。该研究为油菜精量气压式集排器结构优化与排种性能的提升提供了参考。     

3ZSP-2型甘蔗中耕施肥培土机刮板式排肥装置参数优化

为提高3ZSP-2型甘蔗中耕施肥培土机的排肥均匀度和稳定性,通过单因素及中心组合试验研究了其结构和性能参数对排肥均匀度的影响。以前进速度、刮板宽度和刮板角度为主要影响因素,采用Box-Behnken中心组合试验设计方法,建立了3ZSP-2型甘蔗中耕施肥培土机排肥均匀度的数学模型,通过回归统计方差、响应面和等高线分析了各机构参数对排肥均匀度的影响规律。结果表明:在刮板宽度30~50 mm,刮板角度15°~19°,前进速度为0.7~1.1 m/s试验参数范围内,各因素对排肥均匀度影响程度从高到低依次为刮板宽度、刮板角度、前进速度,排肥均匀度随各因素参数的增加呈先增大后减小的趋势。当刮板宽度为48.4 mm、刮板角度为16.5°、前进速度为1.09 m/s的参数条件下,施肥均匀度由原来的90.1%提高到92.97%,排肥稳定性提高,开沟深度稳定性达92.9%,肥料覆盖率达100%。研究结果为3ZSP-2型甘蔗中耕施肥培土机的设计和改进提供了理论依据。     

再生稻促芽追肥机研制

再生稻再生季促芽肥的用量较小,因此对排肥器排量准确性和排肥均匀性具有较高要求。现有再生稻追肥机械较难满足再生稻促芽肥追施准确性和均匀性要求的问题。该研究综合槽轮排肥器和齿式排肥器的优点,结合具有较好分气性能的导流板式分气装置,设计了一种可与再生稻收割机配合使用的气力式再生稻促芽追肥机。追肥机采用两级排肥器进行排肥,主要由上方槽轮与下方多组齿式排肥轮组成。首先根据常用促芽肥外形尺寸确定了两级排肥器中槽轮、齿式排肥轮的主要结构参数,然后通过理论计算结合离散元仿真试验,确定了槽轮与齿式排肥轮转速的最佳传动比为1∶1.8,此时排肥器排肥最均匀,断条现象发生较少,肥料无堆积。对分气装置进行仿真模拟试验发现,随着导流板开口角度的增大,各排气口流速一致性变异系数先降低后增大,当开口角度为48°时,变异系数最小,为5.65%,此时分气装置各排气口流速差异最小、分气效果最优,各排气口平均风速为19.37 m/s,满足设计要求。对两级排肥器进行离散元仿真试验发现,在10～20 r/min转速范围内,各排肥口排肥量一致性变异系数随转速的增大先减小后增大,最大值为2.57%,满足施肥标准中各行排肥量一致性变异系数小于7%的要求。最后,以小粒径尿素为试验材料,以排肥槽轮转速为试验因素,以排肥速率、各行排肥量变异系数、排肥均匀性变异系数为评价指标,进行样机排肥性能试验。结果表明：在10～20 r/min转速范围内,排肥速率随排肥槽轮转速的增加而增大,排肥速率变化范围为672.9～1447.6 g/min,可与收割机作业速度相匹配;各行排肥量一致性变异系数为2.14%～3.09%,各排肥口排量均匀性变异系数为20.99%～27.01%,均满足NY/T1003-2006追肥机械作业标准要求。研究结果可为再生稻追肥机设计提供重要参考。     

基于香蕉根系分布形态的变量排肥器参数优化与试验

香蕉的生产环节存在大量盲目施用化肥,导致肥料浪费、环境污染等问题。该文根据香蕉根系分布形态,设计了一种转盘式变量排肥器,并通过仿真分析对排肥器参数进行优化。通过对香蕉根部形态的图像处理、分区面积像素统计,分析了香蕉根系在水平方向的面积分布规律,以根系面积分布特点为依据,设计变量施肥模式为正态分布式,即在主根位置排肥量最大,按照正态规律在两侧相应递减,依此设计了转盘式变量排肥器,并采用虚拟仿真试验方法确定排肥器最优参数组合为:前进速度0.25 m/s、转盘周期10.00 s、圆心角90.00°、曲槽开口大小20.00 mm;并进行了田间试验,田间试验的排肥长度平均合格率为96%;排肥量平均合格率95.33%。排肥长度的模型与试验误差、仿真与试验误差分别为4.98%和3.30%;排肥量的模型与试验误差、仿真与试验误差分别为11.15%和6.68%。排肥器作业性能良好。     

气力集排式变量排肥系统分层施肥量调节装置研制

为提高分层施肥作业中肥料分配的精确性和稳定性,实现化肥按比例分层施用,该文设计了一种气力集排式变量排肥系统分层施肥量调节装置,通过理论分析与参数计算确定了分层施肥量调节装置关键部件的结构和基本工作参数。运用离散元法与计算流体动力学耦合仿真方法,选取拨齿旋转锥的转速、入口风速和施肥速率为试验因素,以各出肥口出肥量的变异系数为试验指标,进行二次旋转正交组合仿真试验,建立了试验指标与影响因素的回归模型。在旋转锥转速735r/min、入口风速36 m/s、施肥速率0.42kg/s、分肥比例1:2条件下,对分层施肥量调节装置进行了台架试验,试验结果表明,各出肥口出肥量变异系数均小于5.18%,分肥比例误差小于2.68%,与仿真试验优化所得结果相吻合,满足施肥作业要求。研究结果可为气力集排式排肥装置的设计与优化提供技术参考与理论支撑。     

气送式排肥系统分配装置结构型式对排肥性能的影响

针对油麦兼用型气送式播种机宽幅、高速播种同步施肥时,气送式排肥系统采用不同结构型式分配装置排肥过程中各行排肥量一致性和破损率具有明显差异的生产实际,该研究以平顶式、平顶倒锥式、穹顶式、穹顶倒锥式分配装置为研究对象,确定了分配装置的主要结构参数,基于Hertz理论构建了颗粒肥料与分配装置主体间的弹性碰撞模型。应用DEM-CFD气固耦合分析了4种型式分配装置对肥料颗粒运动特性及排肥性能的影响,结果表明:每秒生成肥料颗粒量相同时,穹顶式、平顶式、平顶倒锥式、穹顶倒锥式分配装置内肥料颗粒的各时刻最大速度、最大碰撞法向力、各行排肥量一致性变异系数均逐渐增加,穹顶式分配装置内肥料颗粒最大碰撞法向力大于30 N的比例最小,为1.56%。利用智能种植机械测试平台开展气送式排肥器排肥性能验证试验,结果表明:台架试验中不同型式分配装置内肥料颗粒破损率变化规律与仿真试验中肥料颗粒最大速度、最大碰撞法向力变化规律一致;穹顶式分配装置内肥料颗粒各行排肥量一致性变异系数为6.35%～7.52%、破损率为2.97%～3.26%,其排肥性能总体优于平顶式、平顶倒锥式、穹顶倒锥式分配装置,满足排肥性能要求,为分配装置结构改进提供参考。     

剥皮机挤压揉搓机构中曲沟球轴承的试制及其承载能力

为了满足剥皮机的挤压揉搓作业效果,简化机械结构,设计了一种曲沟球轴承。建立曲沟球轴承受力分析模型,分析了不同加载力下滚动体与外圈滚道的峰顶到谷底之间5个接触点的接触应力,得到滚动体与外圈之间的接触应力从峰顶到谷底逐渐减小、随着加载力的增大而增加的趋势;在此基础上,试制了外圈为三维正弦曲线环形圆弧滚道,内圈为定点窝眼滚珠结构的曲沟球轴承,用自制的试验台对试制的曲沟球轴承进行了测试。结果表明:加载力增大,轴承外圈的温升幅度增高,温升速度加快,经过10 min后,温升曲线趋于平缓,基本达到了热平衡状态。研究成果为曲沟球轴承的结构优化、定型生产及后续的推广应用提供了参考。     

设施果园自动对靶精准变量施肥控制系统

针对目前果园条施肥过程中缺乏精准变量对靶施肥装置的问题,该研究研制了一种排肥轮槽口体积可根据果树目标施肥量及冠层直径大小自动调节,排肥轮转速随施肥车速自动变化的果园精准变量自动对靶施肥装置与控制系统。该装置采用外槽轮式结构,槽口体积可连续调节自动变化。采用激光雷达传感器实时探测果树冠层位置,使用霍尔传感器检测施肥车行驶速度,以STM32F407VET6单片机为核心设计了控制器。分别以尿素、复合肥、有机复合肥3种颗粒肥料为试验材料,标定了不同排肥轮槽口开度在不同排肥轮转速下的排肥量,单个槽口排肥量与排肥轮转速呈负线性关系,决定系数R2不小于0.93;建立了单棵果树目标施肥量与排肥轮转速、施肥车速、槽口体积以及果树冠层直径4个变量之间的关系及排肥轮转速控制规则。室内台架试验结果表明,单棵柑橘树实际施肥量与给定目标施肥量相对误差最大为5.17%,变异系数最大为1.47%,可在施肥车速变化情况下准确施用不同颗粒肥料。大棚柑橘果园自动对靶施肥试验结果表明,单棵柑橘树实际施肥量与给定目标施肥量相对误差最大为4.83%,变异系数最大为6.96%,且施肥均在果树冠层直径范围内完成。该装置能够根据果树冠层直径大小对靶按需施肥,适应不同种类颗粒肥的少量或较大量定量施肥,满足不同大小果树不同需肥量的精准变量自动施肥要求。     

2FHF-4.56型宽行距作物基肥对行分层深施机设计与试验

针对当前西北干旱地区宽行距作物种植过程中施肥方式不科学,传统撒施肥料用量大、利用率低,该研究结合作物种植农艺特点,提出在作物行方向进行基肥分层深施措施,并研制了基肥对行分层深施机,对仿形单体进行设计,分析了仿形单体的运动学和力学特性,确定了仿形单体质量和仿形弹簧型号。同时研制了一种基于雄性蜣螂头部角状突起的仿生开沟铲,得到仿生开沟铲刃轮廓曲线拟合方程,确定了仿生开沟铲结构及工作参数。通过土槽试验优化了仿生开沟铲前刃角,得出前刃角最佳角度为65°,此时仿生铲相对传统铲的开沟阻力减小42.6%,对土壤的扰动明显减小。样机田间试验表明,分层施肥作业对行精度偏差平均值为2.7 cm,6组施肥铲浅层肥料深度平均值为12.44 cm,浅层施肥深度一致性变异系数为6.12%;深层肥料深度平均值为20.49 cm,深层施肥深度一致性变异系数为4.98%。施肥模式对比试验表明,对行分层施肥的植株长势更好,棉果枝数和单株铃数更多,根系发育更为良好,肥料减施25%,同时棉花平均每公顷增产8.9%,玉米平均每公顷增产8.6%,研究结果表明,对行分层深施肥具有较好的减肥增效作用,对推进棉花生产科学施肥具有重大价值和现实意义。     

1K-50型果园开沟机开沟部件功耗影响因素分析与试验

为探明1K-50型果园开沟机工作参数和双旋耕刀辊结构参数对作业功耗的影响规律,该文建立了分析开沟部件功耗的切土,运、抛土力学模型,得到了开沟部件功耗与整机工作参数、刀辊结构参数以及土壤力学性能之间的函数关系。搭建了基于土槽试验台的开沟部件功耗测试装置,模拟坚实度为950k Pa的葡萄园土壤环境,以刀辊转速、前进速度、开沟深度和刀辊型式为试验因素,进行单因素试验和多因素正交试验,测得旋耕刀辊在不同结构和工作参数下的功率消耗,得到影响开沟部件功率消耗的因素主次顺序为刀辊型式前进速度刀辊转速开沟深度,其功耗较优参数组合为采用D3型刀辊,刀辊转速为150 r/min,前进速度为0.06 m/s,开沟深度为0.15 m,测得此时开沟部件平均功耗值约为1.22 kW。将装置正交试验表中各因素值代入功耗解析式,利用MATLAB软件进行数值计算与分析,得到影响功率消耗因素的主次顺序与台架试验结果相同,求得功耗理论值与试验值的相对误差百分比最大为12.86%,最小为2.00%,验证了功耗理论模型具有较高的准确性。该研究可为机具改进和小型林果园开沟机的设计提供参考。     

水稻直播机气流式分层施肥系统设计与试验

针对水稻不同生长期施肥劳动强度大和肥料易堵塞的问题,该文提出了一种水稻分层施肥技术,根据水稻种植农艺要求和根系分布特点,在水稻直播时将整个生长期所需肥料一次性分层施入土壤中,浅层施肥深度为30～40 mm,距离水稻行距离为50 mm,为水稻苗期生长提供养分;深层施肥深度为70～100 mm,深层施肥沟在2行水稻中间,为水稻的后期生长提供养分。设计了一种气流式分层施肥系统,根据分层施肥要求确定肥料分配器结构及分层施肥量调节比例;利用Solid Works软件对肥料混合器变截面处不同截面高度的进肥口风速和出口处的负压进行仿真分析和试验验证,确定气流肥料混合器变截面通道高度为20 mm;对气流式分层施肥系统进行性能试验,以风速、肥量分配比例调节板开度和施肥管道长度为主要因素进行正交试验。试验结果表明,当风速为18 m/s、肥量分配比例调节板开度为30°、施肥管道长度为1 000 mm时,浅层施肥量变异系数为1.61%、深层施肥量变异系数为1.58%、2个浅层施肥量和深层的施肥量分配比例误差为1.91%。将气流式分层施肥系统安装在2BDH-10型水稻直播机上进行田间作业性能试验,田间试验结果表明,2个浅层施肥量与深层施肥量分配比例最大误差为7.76%,浅层施肥量最大变异系数为3.98%,深层施肥量最大变异系数为4.41%,满足水稻种植分层施肥的要求。研究结果可为水稻气流式分层施肥技术研究提供重要参考。     

小麦宽苗带撒播器弹籽板结构设计与优化

为了对小麦宽苗带撒播器进行结构改进和参数优化,该文以鸭掌型宽苗带撒播器弹籽板为研究对象,建立了以球面半径、安装倾角和跨度作为变量的球面型弹籽板数学结构模型,搭建了离散元仿真平台,以小麦籽粒横向均匀度变异系数作为作业效果评价指标,分析3个变量对宽苗带撒播器工作性能的影响,并根据试验结果对弹籽板的结构进行优化。单因素试验结果表明,球面半径在130～150 mm、安装倾角在30?～40?、跨度在80?～100?区间时,宽苗带撒播器具有较好的横向匀种效果;通过二次回归正交旋转组合试验,建立了3个变量与横向均匀度变异系数的回归方程,结果表明,影响小麦籽粒横向均匀度变异系数的主次因素依次为安装倾角、球面半径、跨度和安装倾角×跨度,其中安装倾角和跨度之间存在一定的交互作用,当球面半径、安装倾角和跨度分别为141.26 mm、35.53?和90.72?时,宽苗带撒播器具有较优的横向匀种效果,此时理论计算和仿真试验的横向均匀度变异系数分别为10.58%和9.21%,两者偏差仅为1.37个百分点,说明建立的回归模型准确;弹籽板最优结构参数组合下宽苗带撒播器台架和田间应用试验结果显示,小麦籽粒的横向均匀度变异系数的平均值分别为13.40%和12.10%,台架和田间应用试验的结果与仿真试验基本吻合,证明应用离散元法对宽苗带撒播器弹籽板结构参数进行优化的结果是可信的。该研究可以为宽苗带撒播器的弹籽板结构参数优化以及提升其横向匀种效果提供理论参考。