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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

水稻精量穴直播机电驱式侧深穴施肥系统设计与试验

针对水稻直播施肥过程中存在肥料用量大、化肥利用率低等问题,根据水稻精量穴直播与侧深穴施肥的农艺要求,开发了一套水稻精量穴直播机电驱式侧深穴施肥系统。采用液压自平衡方式设计全方位仿形系统,对机具在作业环境中实时自动调节,保证播种、施肥作业质量;采用圆弧函数曲线优化设计施肥沟开沟器,在距垄台上芽种行水平距离30 mm处开出宽50 mm、沟型平整的施肥沟;采用电力驱动方式设计电动式外槽轮排肥器,根据需要对每个排肥器独立调节,与配套的电动部件相连,将肥料成穴施入施肥沟底。田间试验表明,在机具前进速度为2.48 km/h,排种器、排肥器工作转速均为29 r/min,施肥深度为50 mm的最优工作条件下,穴播种量、穴施肥量合格率分别为86.73%、87.49%,施肥与播种穴距匹配,各行播种、施肥穴距合格率均为100%,播种、施肥穴距变异系数分别为17.2%、16.5%,芽种破损率为0.31%;并对排种器、排肥器在14~36 r/min工作转速范围内进行可行性验证试验,施肥系统可与水稻精量穴直播机配套,同步完成开沟、侧深穴施肥、覆泥、起垄和精量穴直播多项作业工序,各项性能指标均满足水稻直播、施肥的农艺要求。该研究可为水稻精量穴直播机及其施肥关键部件的设计和评价提供参考。     

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。     

稻田气力式变量施肥机关键部件的设计与试验

目前在水稻的机械追肥作业中以离心圆盘式撒肥机为主,该方式在作业幅宽方向上的撒施均匀性不稳定,且难以实现作业幅宽方向上的变量施肥。为了满足水稻变量追肥作业的需要,达到化肥减施增收的目的,设计了一种外槽轮式排肥、以空气流为肥料输送和撒播动力的稻田气力式变量施肥机。文章对该机器的关键部件进行了仿真和测试试验,研究了排肥轮转速与排肥量之间的相关关系,并对排肥管道长度对排肥出口风速与排肥滞后时间的影响、排肥管出口相对高差对排肥滞后时间的影响进行了试验。试验结果表明:排肥轮转速与排肥量之间存在极显著的线性相关关系,相关系数R2=0.998,调节排肥轮转速可以较精确的调节施肥量的大小,在变量作业时,结合施肥量的需求及施肥机具的前进速度,对排肥轮的转速进行实时调节,从而达到变量施肥的目的。当机具前进速度为1 m/s,排肥轮转速在10~40 r/min之间变化时,单凭转速调节可实现每公顷施肥量在40~200 kg范围内的变量调节,此外,各排肥口的排肥量误差小于±5%,基本上达到了施肥均匀性的要求。文章还研究了排肥管道长度及安装高差对排肥滞后时间的影响,结果表明:排肥管道长度对排肥出口风速有显著影响,排肥管长度和出口安装的高差对排肥滞后性亦有显著的影响,因此,为了尽可能减小因排肥滞后对排肥均匀性的影响,应避免排肥管过长,并尽量使排肥管出口不高于入口。该研究为进一步的样机制造和优化提供了依据。     

颗粒化肥水平气送式螺旋组合可调定量供肥装置设计与试验

为适应不同施肥量要求和实现水平气送式集中排肥器定量变量排肥,该文设计了一种颗粒化肥螺旋组合式集中供肥装置。阐述了颗粒化肥螺旋组合式集中供肥装置的工作原理,基于颗粒化肥的机械物理特性和施肥量要求,提出了倾斜螺旋状型孔结构,确定了其主要结构参数,构建了颗粒化肥组合体在肥料充填区和投肥区的力学模型。应用台架试验研究了螺旋式排肥轮数量和转速对供肥速率及供肥稳定性变异系数的影响。结果表明:倾斜螺旋状型孔结构有利于充肥和排肥;螺旋式排肥轮数量和转速分别为1~4个和10~40 r/min条件下,供肥速率随螺旋式排肥轮数量与转速增加而增加,供肥速率范围为912.67~13 164.26 g/min。螺旋组合式集中供肥装置能适应不同机械物理特性参数的颗粒化肥,3种颗粒化肥的供肥速率之间的差值低于5%。构建了螺旋式排肥轮数量和转速与供肥速率的回归预测模型,在目标施肥量150~750 kg/hm2和拖拉机前进速度2.52~5.88 km/h条件下,供肥速率试验值与模型预测值的偏差在3%以内,供肥稳定性变异系数低于1.0%。田间试验结果表明,颗粒化肥实际施用量与模型预测值相对误差为3.54%。该研究提出的倾斜螺旋状型孔和组合排肥轮结构可满足农业生产的变量、定量集中供肥要求,可为颗粒化肥水平气送式集中排肥器结构设计提供参考。     

油菜机直播颗粒肥分流有序并行检测装置设计与试验

针对油菜机直播作业中因施肥农艺要求及高速作业产生的肥料颗粒流量大而无序导致检测精度不高的问题，该研究提出一种“碰撞离散+筛式分流+螺管约束”的高通量颗粒流离散化及分流序列化方法，基于离散分流有序机制设计了颗粒肥分流有序并行检测装置。根据油菜施肥农艺要求和颗粒肥排量精准检测要求，确定了传感检测结构、匀肥管、筛式分流结构、螺管的关键参数。根据多通道并行检测原理，设计了多通道信号同步采集系统。为验证离散分流序列化效果，利用螺旋扰动锥体离心式排肥器搭建试验台架，开展装置性能试验。结果表明：排肥器转速为100～130 r/min（排肥频率361.80～631.60 Hz）时，随转速增加，倾斜状态下检测装置的各通道分流一致性变异系数逐渐减小。正常田间作业0°～5°倾斜状态下各通道分流一致性变异系数不超过6.08%；单通道排肥频率为30～80 Hz时，使用螺管的检测装置准确率相较直管提升7.3个百分点；经排量补偿修正后，检测准确率不低于90.11%，较补偿前提高9.3个百分点。振动试验表明，低频振动（0～30 Hz）提升颗粒肥离散化效果，检测准确率提高；中频振动（30～110 Hz）检测准确率趋于稳定；高频振动（110～150 Hz）破坏颗粒肥序列化约束，检测准确率降低。不同振动频率对检测装置的分流均匀性无明显影响，各通道分流一致性变异系数不超过4.98%。田间试验表明，正常田间作业速度4.3～7.0 km/h下，光照、振动、灰尘对检测装置无明显影响，检测准确率不低于90.05%。检测装置能够监测机具施肥作业状态，有助于提高施肥作业质量。     

基于脉宽调制的文丘里变量施肥装置设计与试验

为利用文丘里施肥器实现变量施肥,基于脉宽调制(pulse width modulation,PWM)技术设计了一种水肥一体化变量施肥装置,它主要由压力变送器、文丘里施肥器、脉冲电磁阀及控制器组成。通过改变PWM的占空比对脉冲电磁阀进行控制以改变文丘里施肥器进出口压力差,从而改变文丘里施肥器的吸肥量。以压力变送器检测管道入口压力,通过试验标定的方法将入口压力转化为相应的流量信息,从而获得施肥量和施肥质量分数。在多个入口压力水平下进行了试验,试验结果表明:电磁阀PWM控制的最佳频率为6 Hz;入口流量与入口压力呈线性正相关关系,决定系数为0.9936;施肥装置的最佳入口压力范围为0.15～0.25 MPa,在此压力范围内改变PWM的占空比对电磁阀进行控制,可实现施肥质量分数在1.25%～9.13%范围内可调。     

水稻穴播同步侧位深施肥技术试验研究

根据水稻种植的农艺要求,在同步开沟起垄水稻精量穴播技术的基础上进一步提出了一种水稻穴播同步侧位深施肥技术。调查了在不同种植方式条件下不同品种的水稻根系在稻田中的分布情况,根据根系的分布情况研究了深施肥技术参数,确定了深施肥深度以不超过10 cm为宜,研究了培杂泰丰、玉香油占2种品种水稻施入0~5 cm土层与5~10 cm土层中的肥料比例关系。试验结果表明华南农业大学研制的同步开沟起垄侧位深施肥水稻精量穴播机能满足水稻穴播同步侧位深施肥技术的要求,可以作为实施水稻穴播同步侧位深施肥技术的载体。生产试验表明:水稻穴播同步侧位深施肥技术具有增产、节本的效用。在同等的施肥条件下,机械播种及深施肥处理的有效穗、穗平均实粒数、结实率均高于机械播种人工撒施肥和人工撒直播人工撒施肥,增产418.5~957 kg/hm2,增幅5.86%~13.41%。该文研究可为深施肥机具的设计提供参考依据。     

锥盘式颗粒肥撒施机构抛撒性能分析与试验

为了提高颗粒肥撒施的均匀性和一致性,该文设计了一种锥盘式撒肥机构,通过对锥盘式撒肥机构工作性能的分析,建立了肥料颗粒的受力方程。通过撒肥试验,研究喂入区大小、甩盘转速、甩肥高度对撒肥区域内肥料分布规律的影响。试验结果表明：喂入区大小对肥料颗粒的横向幅宽分布影响较大,对纵向分布影响较小,施肥作业中合理的喂入角为75°;随着甩盘转速的增加,有效施肥区域的横向幅宽和纵向距离均逐渐增大,而且施肥的均匀性和一致性也不断提高,合理转速为600 r/min;施肥高度对施肥幅宽分布和一致性没有显著影响。研究结果可为颗粒肥撒施机的设计提供参考。     

玉米行间定点扎穴深施追肥机的设计与试验

为解决玉米生长中后期追肥机械化水平低且追肥困难的问题,结合追肥农艺要求,设计了一种玉米行间定点扎穴深施追肥机,能够在行距为600 mm的玉米行间进行追肥作业,1次完成2行玉米追肥。该机采用植株位置探测机构和棘轮离合机构确定扎穴深施追肥的位置,采用水平位移补偿装置和曲柄连杆机构共同控制扎穴施肥机构的运动轨迹,实现玉米定点扎穴深施追肥与扎穴施肥机构在入土排肥过程中垂直运动,满足零速排肥要求,减少肥料滚动。该文采用理论计算与经验设计,对凸轮、探测杆等关键零部件进行了参数设计,采用MATLAB软件对扎穴器尖部运动轨迹进行了仿真分析。追肥机田间追肥性能试验结果表明,排肥轴含肥腔长度为20 mm时的穴追肥量为2.3 g,总排肥量稳定性变异系数为3.2%,平均追肥深度和平均追肥距离分别为91.3和127.5 mm,追肥深度合格率和追肥距离合格率分别为88.3%和96.7%,漏追率为2.7%,相关指标均达到技术要求。该研究为应用于玉米中后期行间精确追肥机械的设计提供了参考。