自动定向大蒜播种机的设计与试验

针对现有大蒜播种机难以满足蒜种"鳞芽朝上、直立栽种"农艺要求的问题,该文设计了一种大蒜自动定向播种机。该播种机主要由底盘、机架、种箱、取种装置、蒜种定向装置、插播装置、气动控制系统和镇压轮组成。采用链勺式取种方式完成单粒取种,利用三级锥形料斗实现蒜种鳞芽定向,通过鸭嘴式插播器实现直立栽种。设计了各关键部件结构,通过试验研究探明了影响取种效果和鳞芽定向效果的主要因素,确定了合理工作参数组合。以兰陵大蒜为试验对象,取种试验表明,当播种机行进速度0.10 m/s、振动机构振动作用力15 N、十字轮转速20 r/min时,单粒取种率为93.50%,多粒率为2.30%,漏取率为4.20%,综合取种效果最优;蒜种定向试验表明,当3级料斗尖锥半顶角依次为45°、40°和30°时,料斗安装间距100 mm、料斗打开间隔时间0.4 s时的鳞芽朝上率为94.44%,综合定向效果最优。大蒜播种机田间试验结果表明,上述参数组合下鳞芽朝上率为89.2%,重播率为3.2%,漏播率为2.0%,播种效率为500～650 m~2/h,满足大蒜播种农艺需求。该文研究结果为推动大蒜播种机械化和自动化发展提供参考。     

基于双侧图像识别的大蒜正芽及排种试验台设计与试验

针对现有大蒜播种机难以满足杂交蒜种"鳞芽朝上、直立栽种"农艺要求的问题,提出了一种基于图像识别的蒜种鳞芽识别与正芽方法,设计了大蒜排种及正芽试验台,实现了蒜种的单粒取种、图像采集、鳞芽方向识别、鳞芽扶正等功能。以杂交大蒜为试验对象,通过试验确定了影响蒜种鳞芽扶正效果的4个主要因素:通道宽度、电动机转速、拍摄距离、识别阈值,建立了蒜种鳞芽扶正率与试验因素之间的回归模型,模型决定系数R2值为0.903 8,分析了各因素对蒜种鳞芽扶正率的影响,各因素对蒜种扶正率影响的显著性顺序从大到小依次为通道宽度、电动机转速、拍摄距离、识别阈值。并对试验因素进行了综合优化。最优工作参数组合为:电动机转速为18 r/min、蒜种通道宽度为38 mm、拍摄距离为8.6 mm、识别阈值为178时,蒜种鳞芽扶正率为90.56%,平均每粒蒜种识别用时0.29 s,满足大蒜播种机播种要求。该文结果可为解决杂交大蒜直立播种问题提供参考。     

双充种室大蒜单粒取种装置设计与试验

针对当前大蒜机械化播种单粒合格率低、漏充率高的问题,该研究设计了一种双充种室大蒜单粒取种装置。通过分析与计算,确定了取种装置关键部件参数,阐述了双充种室结构可降低蒜种漏充的作业机理。采用EDEM软件进行了单因素仿真试验,分析了一级取种勺速度、种层厚度对充种性能及种群规律的影响,得到第二充种室内充入蒜种与被清掉蒜种的速度变化关系,证明了装置设计合理性。运用Box-Behnken中心组合试验方法,以一级取种勺速度、取种速比、种层厚度作为试验因素,以单粒合格率和漏充率作为评价指标,开展了三因素三水平正交试验。利用Design-Export8.0.6数据分析软件,建立各试验因素与评价指标的数学回归模型,并对试验因素进行了参数优化。圆整后一级取种勺速度为0.12 m/s、取种速比为0.75的条件下,种层厚度范围为360～390 mm开展室内验证试验,单粒合格率、漏充率、重播率均值分别为95.38%、1.18%、3.44%,变异系数分别为0.32%、6.11%和4.15%,验证试验结果与模型预测值相对误差小于5%。品种适应性试验试验结果表明取种装置对3类供试大蒜Ⅱ级蒜种适应性较优,蒜种机械损伤率为0.52%,符合标准要求。田间试验结果与优化结果一致,作业效果优于现有爪式循环、勺链式、轮勺式大蒜单粒取种装置,该研究可为解决大蒜播种机取种漏充问题提供指导参考。     

大蒜果秧分离机构参数优化及试验

为了提高大蒜果秧分离机构的作业质量,降低蒜头的平均留茎长度、伤损率、提高切痕合格率,该文运用Box-Benhnken的中心组合试验设计理论,在构建的大蒜果秧分离试验台上,对主夹持链输送速度、蒜株夹持角度、蒜株夹持高度、夹持株数等影响其作业质量的4个因素进行四因素三水平的响应面试验。建立了响应面数学模型,分析了各影响因素对作业质量的影响,同时,对各影响因素进行了综合优化。结果表明试验因素对果秧分离质量有较大影响,综合优化结果为主夹持链输送速度1.05 m/s,蒜株夹持角度77°,蒜株夹持高度220 mm,夹持株数2株,此时平均留茎长度为36.9 mm、伤损率为2.23%、切痕合格率为98.29%。研究结果可为大蒜果秧分离机构的结构完善设计和作业参数优化提供依据。     

大蒜联合收获切根试验台设计与试验

为了提高大蒜联合收获切根作业性能,解决大蒜切根过程中根系一次清除率低、蒜头损伤率高等问题,该文设计了一种大蒜联合收获切根试验台,该试验台主要由毛刷辊、前旋转切刀、夹持输送机构、排序-对齐机构、浮动切根机构等组成,可一次性完成蒜株的根系清理和预切、蒜株排序和对齐、根系浮动切割等作业工序。该文确定了切根装置关键结构参数和作业参数,并对影响切根作业质量的主要因素开展了试验研究。试验结果表明,影响切根作业质量的主次作用因素为夹持输送速度、夹持角度、浮动切刀转速,较优参数组合方案为夹持输送速度1.05 m/s、夹持角度79°、浮动切刀转速2 200 r/min(切割线速度为17.3 m/s),此时根系去净率为96.1%,蒜头伤损率为2.39%,满足大蒜切根作业质量要求。该文研究结果可为大蒜联合收获切根装置的设计提供参考。     

苎麻茎秆台架切割试验与分析

为了给苎麻收割机的研制提供切割理论基础,该文进行了苎麻茎秆切割参数的试验研究。该文利用自行设计的试验台架进行苎麻茎秆的切割试验,研究往复式单动刀及双动刀切割器不同刀片几何参数(刀片长度、刀刃类型)、不同切割线速度和不同茎秆喂入速度对切割性能(切割功耗、切割质量和综合评分值)的影响。根据各个因素特点,论文采用多因素正交试验的方法确立两水平因素(刀刃类型、刀片长度和动刀组数)的最优水平组合,然后固定两水平因素的最优水平组合,以切割线速度和茎秆喂入速度为试验因素进行二次回归正交旋转设计试验来获得因素的最佳参数。根据多因素正交试验结果,采用往复式双动刀切割器,选用锯齿刃长刀片(120 mm)为最优水平组合。根据二次回归正交旋转设计试验结果,当切割线速度为0.878 9 m/s、茎秆喂入速度为0.862 4 m/s时,单位长度割幅切割功率最小,为281.408 4 W;当切割线速度为1.161 4 m/s、茎秆喂入速度为0.711 7 m/s时,单位面积切割失败株数最少,为5.691 1株;当切割线速度为1.092 0 m/s、茎秆喂入速度为0.722 9 m/s时,评分值最高,为86.7180分。综合试验结果,苎麻切割试验理论最佳水平组合为:切割线速度1.092 0 m/s、茎秆喂入速度0.722 9 m/s,采用往复式双动刀切割器,选用锯齿刃长刀片(120 mm),此时单位长度割幅切割功率为318.814 5 W,单位面积切割失败株数为6.006 4株。研究结果为后续苎麻收割机切割部件的研制以及切割行走速比的选择提供了基础理论数据。     

基于Jetson Nano处理器的大蒜鳞芽朝向调整装置设计与试验

为满足大蒜定向播种的农艺要求,针对现有大蒜鳞芽调整方法对杂交蒜适应性差的问题,该研究设计了一种基于Jetson Nano处理器的大蒜鳞芽朝向自动调整装置。采用双卷积神经网络模型结构,其中一个神经网络模型对大蒜是否被喂入进行实时监测,检测到大蒜喂入调整装置后,一个ResNet-18网络模型对蒜种鳞芽朝向进行判断,当鳞芽朝上时大蒜鳞芽调整机构打开Y型料斗使大蒜以鳞芽朝上的姿态直接落下,当鳞芽朝下时大蒜鳞芽调整机构翻转180°带动大蒜一起翻转后以鳞芽朝上的姿态落下,实现大蒜鳞芽朝向实时调整。神经网络模型推理及舵机控制采用英伟达边缘计算处理器Jetson Nano进行处理。利用离散元分析软件EDEM结合正交试验方法对调整装置的关键结构参数进行优化,并以杂交大蒜为试验对象进行台架试验,试验结果表明:大蒜鳞芽调整成功率为96.25%,模型推理时间0.045 s,平均每粒大蒜调整时间为0.785 s,满足大蒜播种机播种要求。该文研究结果可为解决杂交大蒜直立播种问题及边缘计算在精密播种设备中的应用提供有益参考。     

摆杆驱动式残膜回收机的设计与参数优化

针对现有的杆齿式残膜回收机存在拾膜弹齿轴易卡顿、卸膜不可靠等问题,改进设计了摆杆驱动式残膜回收机。在原杆齿式残膜回收机的基础之上增加了起膜装置,改变了拾膜齿轴与支撑盘的连接方式,利用四杆机构将卸膜机构的回转运动转变为摆动往复运动。为确定机具作业时的最优参数组合,优化整机结构,以拾膜齿入土深度、土槽台车前进速度、拾膜齿线速度与土槽台车前进速度比(速比)为主要因素,拾膜率、卸膜率为评价指标,对拾膜机构和卸膜机构进行三因素三水平响应面试验。通过Design-Expert数据分析软件,建立各因素与拾膜率、卸膜率的二次回归模型,分析了各因素对拾膜率、卸膜率的显著性,结果表明各因素影响拾膜、卸膜率的大小顺序为:土槽台车前进速度、拾膜齿线速度与土槽台车前进速度比、拾膜齿入土深度。并对试验参数进行优化,确定了最佳工作参数组合为拾膜齿入土深度为65 mm,土槽台车前进速度为1.2 m/s,速比为1.0。根据优化结果进行验证试验,结果表明拾膜率为85.6%,卸膜率为86.7%,预测模型与试验结果相差较小,优化后的模型可靠。     

齿盘式棉秆收获机的设计

为提高棉花秸秆机械化回收水平,研究不同参数对棉秆机械化回收的影响,解决棉秆收获机漏拔、拔断率高等突出问题,该文研究设计了一种齿盘式棉秆收获机。齿盘式棉秆收获机由悬挂装置、限深轮、拔秆装置、排秆装置、液压系统组成。该机关键部件为齿盘式拔秆装置,作业时通过齿盘将棉秆起出,随后通过排秆装置将棉秆排至地表。棉秆的漏拔率、拔断率是评价齿盘式棉秆收获机作业性能的主要指标,通过Box-Behnken的中心组合试验方法对齿盘式棉秆收获机的工作参数进行研究,设计了三因素三水平二次回归正交试验,以齿盘的直径、齿盘速比、起拔高度为影响因素,建立响应面三维模型。分析得出各因素对作业质量的影响,同时对影响因素进行综合优化。结果表明:起拔高度、齿盘速比对棉秆拔断率影响显著(P0.01),起拔高度、齿盘直径及齿盘速比对棉秆漏拔率影响显著(P0.01),优化后的最优工作参数组合为起拔高度66.2 mm、齿盘直径627.59 mm、齿盘速比0.57。大田试验结果表明,在工作参数为起拔高度70 mm、齿盘直径630 mm、齿盘速比0.57作业条件下,棉秆拔断率达到1.5%,棉秆漏拔率3.0%,与理论推导值对比误差均小于4%。研究结果可为齿盘式棉秆收获机的结构完善设计和作业参数优化提供参考。     

全自动蒜种盒提取投放装置设计与试验

针对目前大蒜播种机械自动化程度低、蒜种鳞芽朝上率低的现状,基于种盒式大蒜播种方式,设计了一种全自动蒜种盒提取投放装置。该装置主要包括机架、地轮、地轮轴、测速编码器、光电传感器、控制箱、输送装置和提取投放装置,能够实现蒜种盒自动给进、准确抓取、平稳输送、精确投放等功能。设计了机械臂和机械手结构,通过理论分析建立了各关键部件参数数学模型,确定了机械臂和机械手工作参数,探明了机组行进速度对各舵机工作参数的影响规律,明确了影响蒜种盒投放间隙的因素。为了测试蒜种盒投放效果影响进行了试验,结果表明当机组行进速度为0.90 km/h,中心舵机、辅助舵机、控距舵机转速分别为26.04、26.04、13.89 r/min时蒜种盒投放后衔接间隙平均值为5.6 mm,投放效果较优,满足大蒜播种要求。该文研究结果可为实现大蒜播种自动化提供参考。     

大蒜播种机种植机构的设计

为了满足大蒜在栽植过程中保持蒜瓣鳞芽朝上垂直入土且蒜瓣弓背面朝向一致的农艺要求,该文根据蒜瓣的外形特征,设计了一种大蒜播种机种植机构并对该机构进行详细的理论分析,运用Solidworks软件对该机构进行建模并通过3D打印机打印出零件,然后组建试验台对该种植机构进行试验。试验数据显示采用该种植机构不但可以确保大蒜弓背面朝向一致,而且播种机前进速度的变化对蒜瓣垂直度的影响较小。该文为大蒜种植机械种植机构的设计提供了一种设计方法,为研究大蒜播种机和同类机具提供了参考。     

电驱式小区玉米膜上直插穴播机的研制与试验

为解决西北地区制种玉米机械化播种问题,针对制种玉米播种条件和农艺要求,设计了电驱式小区玉米膜上直插穴播机。重点对构成该机的核心部件前进速度补偿机构、限深机构、后轮高度调节机构等进行了设计、仿真。前进速度补偿机构是由转动导杆机构驱动平行四杆机构进行机具前进速度补偿来实现成穴器入土播种和出土期间水平位移差接近零;限深机构可保证穴播机播深合格率;后轮高度调节机构可根据平铺膜和垄作铺膜前轮与后轮的行走情况使机器保持水平,非作业时升高后轮可避免鸭嘴接触地表或撕裂地膜。并进行了大田试验,试验结果表明:前进速度补偿机构运行平稳可靠、振动较小,驱动的排种器鸭嘴插膜口小,穴孔和膜孔无错位,播深合格率较高;整机空穴率为1.1%,穴粒数合格率为93.2%,膜下播种深度合格率为90.1%,三项核心指标均达到了NY/T987—2006《铺膜穴播机作业质量》标准的指标;膜孔合格率为98.5%,可满足制种玉米播种的农艺技术要求和玉米播种机的基本作业质量标准要求。     

不同油菜品种适栽期机械化移栽植株形态特征研究

油菜机械化移栽效果取决于移栽机栽植执行器结构和运动参数与移栽苗植株形态特征的耦合度。该文针对当前油菜移栽机械化程度低植株形态特征与栽植机构不匹配的实际问题,选择8个甘蓝型杂交油菜品在播种后28～40 d的适栽期内,应用LA-S系列植物图像分析仪进行了植株形态特征（苗长、苗幅宽、株形锥角、根长和根直径）的系统试验研究,并根据试验结果分析确定了油菜移栽机鸭嘴式栽植器部分结构参数和工作参数的合理设计区间。试验结果表明：不同油菜品种苗长、苗幅宽、株形锥角和根长差异显著;油菜苗播种后28～40 d适载期内植株形态特征服从正态或偏态分布;所构建的播种后28～40 d的适栽期内植株形态特征的生长模型表明,不同油菜品种的植株苗长、苗幅宽、根长和根直径等特征随生长时间增加呈正线性关系,平均相关系数为0.9736;株型锥角呈负线性关系,平均相关系数为0.9818。研究表明,油菜移栽应优选适应机械化移栽的品种,并根据植株发育形态调整油菜苗移栽时间,实现油菜机械化移栽的农机农艺融合。该研究可为油菜移栽机结构设计和优化提供依据。     

斜插式免耕穴播机设计与试验

该文针对现有免耕播种机存在的机具防堵效果差、种肥深度精准度低、播种均匀性差等问题,设计了一种斜插式免耕穴播机.该机器播种施肥采用45°斜插入土方式,入土器的凸轮推杆开合机构,能够有效防止夹土、粘土、堵塞等问题;入土器的平行四杆仿形机构配合曲柄滑块入土机构,可保证播种深度一致、种肥同步、种肥侧深距离精确度高以及播种均匀性好;45°倾斜角易实现自动覆土功能.另外增设了可调链轮变速机构,充分弥补了现有免耕穴播机株距调整困难问题;改进了原有排种器和排肥器适应性差的缺点,采用多窝眼轮排种器,能够满足不同作物品种的播种需求.该机的工作参数(行距、株距、播深、肥位等)皆为可调,适应性更强.依据设计研制样机并进行玉米播种田间试验,结果表明:播种覆土均匀,播种深度和施肥深度合格率分别为90.52％和91.23％,变异系数分别为5.91％和6.26％,种肥水平距离和垂直间距合格率分别为95.71％和91.65％,变异系数分别为4.64％和8.01％;株距合格率92.13％,重播率4.60％和空穴率3.27％,满足JB/T 10293-2001《单粒(精密)播种机技术条件》中播种合格指数≥80％,重播指数≤15％,漏播指数≤8％的农艺要求.该研究可为精准免耕穴播机的设计提供参考.     

蒜种盒机械投放过程运动学分析与参数优化试验

针对种盒式大蒜播种方案,为检验倾斜输送带式蒜种盒投放方式的可行性,设计了预植蒜种的可降解蒜种盒和输送带式种盒投放试验台。对蒜种盒投放过程进行了运动学分析,建立了蒜种盒运动速度、输送带倾角与投放后相邻蒜种盒间隙等相关参数间的数学模型,明确了蒜种盒投放间隙的影响因素及变化规律。通过蒜种盒投放过程的受力分析,确定了蒜种盒触地后不与地面产生滑动的条件和方法。为了验证理论分析结果和大蒜播种方案的可行性,进行了输送带倾角、行驶速度等单因素试验和正交试验,结果显示,输送带倾角为30°、试验台运动速度为0.75 km/h,投放效果较好。输送带倾角对前后蒜种盒投放后的间隙影响显著,通过优化蒜种盒长度两端尺寸,可有效消除投放后蒜种盒衔接间隙,保持播种株距稳定。     

双层种箱式马铃薯排种装置设计与试验

为了提高链勺式马铃薯排种装置排种性能,该研究基于离散单元法理论,使用EDEM软件建立了排种装置数值模型,在对排种过程中种薯运动规律仿真分析的基础上,设计了具有双层种箱结构的排种装置,以空种率和重种率为性能指标,试验研究了排种速度、种勺直径和充种高度对充种性能的影响规律,利用回归方程和多目标优化方法对双层种箱式排种装置进行了参数的优化设计,结果为:1)排种速度0.67 m/s、种勺直径48.6 mm、充种高度0.28 m时,空种率和重种率分别是3.8%和8.8%;2)排种速度0.36 m/s≤v≤0.96 m/s、种勺直径44 mm≤d≤56 mm、充种高度0.15 m≤h≤0.28 m时,空种率小于10%,重种率小于20%。种薯运动规律表明:增大高效充种区、增强种薯流动性可以有效提高充种成功率。试验结果表明:与单层种箱式排种装置相比,双层种箱式排种装置空种率降低50%,重种率降低24.5%;排种速度提高92%时,仍可保证排种性能。该研究为链勺式马铃薯排种装置的优化设计提供指导。     

防堵和播深控制机构提高玉米免耕精量播种性能

免耕播种技术能够提高土壤的蓄水保墒能力、增加土壤有机质含量,因此在华北平原农作区被广为接受。该地区的耕作制度为小麦与玉米周年轮作,冬小麦在6月份收获,随后在小麦秸秆覆盖地上直接进行玉米免耕播种作业。受小麦秸秆的影响,播种后玉米种子的粒距均匀性和播种深度一致性很难保证,另外,玉米苗由于被小麦秸秆覆盖容易发生病虫害。为了解决以上问题,发明了一种安装防堵机构和播深控制单体的玉米免耕精量播种机,对该播种机和不带防堵机构和播深控制单体的普通播种机在4、6和8 km/h 3个播种速度下的播种性能进行了对比试验,测量并得出了拨草性能、播种深度、出苗率和粒距分布均匀性（合格率、重播率和漏播率）等指标参数。试验结果表明：防堵机构和播深控制单体能显著提高播种机的拨草性能、播种深度一致性、出苗率和粒距分布均匀性;防堵机构使播种机不易堵塞,播种速度为8 km/h时的凉籽率仅为1.8%;播深控制单体使播种机在所有播种速度下平均播深接近理论播深,播种速度为8 km/h时的播深变异系数仅为9.2%,使得出苗时间更集中,出苗整齐度高。以上结果说明：设计的安装防堵机构和播深控制单体的玉米免耕精量播种机能够满足小麦秸秆覆盖田玉米免耕精量播种的要求。