小麦免耕播种机开沟器的设计

针对西南丘陵地区保护性耕作模式下小麦免耕播种机尖角型开沟器易缠草,堵塞,使用寿命短等问题,设计了圆弧刃口型开沟器。该文建立了圆弧刃口型开沟器的几何模型,采用离散元法对圆弧刃口型开沟器的工作阻力进行了分析。试验结果表明：平均开沟宽度为40 mm,开沟深度偏差为5 mm,玉米根茬的切断率超过86%,土壤扰动为18%～22%。圆弧刃口型开沟器提高了播种机的通过性,开沟破茬效果好,能够满足西南丘陵地区小麦免耕播种的开沟要求。     

免耕播种机双刀盘有支撑切茬破茬装置的研制与试验

针对小麦收获后玉米免耕播种机作业时工作部件堵塞问题,该文提出了有支撑动力切茬和被动圆盘破土破茬联合作业的切茬方案,并设计了一种双刀盘动力切茬破茬装置,分析和确定了其主要结构参数。田间试验表明,双刀盘动力切茬破茬装置可将播种带地上部分96.2%的秸秆切断,地下的根茬98.7%破开,创造良好的种床条件,有效解决了秸秆堵塞问题,保证了玉米免耕播种机在小麦秸秆覆盖量较大时的通过性。研究结果为免耕播种机设计提供参考。     

免耕播种机驱动圆盘防堵单元体的设计与试验

一年两熟区前茬残留物多为玉米残茬,连同杂草易使免耕播种机播种冬小麦时造成开沟器堵塞。针对该问题,提出了驱动圆盘刀嵌入组合式开沟器联合防堵原理,设计了一种驱动圆盘式防堵单元体,并分析和确定了其主要结构参数。田间试验表明,驱动圆盘防堵单元体能够有效解决秸秆堵塞问题,保证小麦免耕播种机的通过性。与条带粉碎式小麦免耕播种机相比,驱动圆盘式小麦免耕播种机根茬切断率提高了11.2%,土壤扰动量减少了58.8%。在小麦返青期的苗情监测表明,与条带粉碎式小麦免耕播种和传统耕作播种相比,利用驱动圆盘式防堵单元体播种的免耕地,0～20 cm土壤层含水率最高,小麦分蘖数和次生根数最多,较好地满足一年两熟区农艺要求。     

基于离散元法的免耕深施肥分段式玉米播种开沟器研制

针对东北垄作深施肥免耕播种机上开沟器播种深度均匀性差、工作阻力大、土壤扰动大的问题,该研究利用离散元软件(EDEM 2.7)仿真分析不同类型破茬刀-施肥铲装置对土壤的作用机理,设计了一种分段式玉米播种开沟器。首先建立土壤-玉米根系-玉米秸秆离散元仿真模型,然后进行不同类型破茬刀-施肥铲装置离散元仿真试验,以回落土壤最大合外力的位置和方向为依据设计开沟器入土部分曲线,同时结合滑切原理设计开沟器未入土部分斜刃,最后根据土壤回落距离确定施肥铲和开沟器间距为374 mm。田间对比试验结果表明,分段式开沟器比尖角式开沟器、滑刀式开沟器、双圆盘式开沟器的播深变异系数分别降低了14.24%、27.31%、33.63%;工作阻力分别降低了27.56%、16.93%、1.23%;土壤扰动面积分别降低了11.67%、28.34%、49.34%。分段式开沟器播种深度均匀性高、工作阻力小、土壤扰动小,具有较优的作业效果。     

凹形圆盘式玉米垄作免耕播种机的设计与试验

针对东北垄作区免耕播种玉米存在的垄台清理效果差,机具堵塞严重,作业效率低等问题,设计了凹形圆盘式玉米垄作免耕播种机,研究了凹形圆盘式垄台清理装置,通过分析其运动特点,确定了其关键结构参数。在玉米秸秆覆盖的垄作地的试验结果显示,凹形圆盘式玉米垄作免耕播种机垄台清理效果好,能够有效防止秸秆堵塞,形成清洁种床。种肥间距为47 mm,均匀性好。土壤扰动量为22%,播种后种带秸秆覆盖率降低了75.9%,有利于提高苗期地温,改善播种质量,可较好满足东北垄作区玉米免耕播种的要求。     

阿基米德螺线型破茬开沟和切拨防堵装置的设计与试验

针对东北保护性耕作区玉米垄作农业技术对研发免耕播种机的要求,该文以阿基米德螺线为基础,分析了缺口圆盘刀破茬性能和理想种床对破茬刀的技术要求,进行了阿基米德螺线型缺口圆盘破茬刀的结构优化以及最优参数的优选,研制了破茬开沟和切拨防堵装置。田间试验表明,破茬开沟装置能开出"V"形沟,2片螺线型缺口圆盘刀直径为350 mm、入土深度为40 mm时,播种开沟宽度为28 mm;切拨防堵装置单片圆盘破茬装置质量为113 kg、破茬深度为70~100 mm时,开沟宽度为40~50 mm,清垄部件清垄宽度为210 mm,均达到了农业技术要求。同时,确定提高破茬率切拨防堵装置的最佳工作参数:机器前进速度为2.22 m/s,配质量为113 kg,破茬圆盘刀入土深度为7.50 cm;得出各因素对破茬率影响的主次顺序为机器配质量机器前进速度入土深度。该研究为高留茬模式和高留茬碎杆覆盖模式的保护性耕作地区的免耕播种作业提供了参考。     

免耕播种机圆盘破茬刀工作性能分析与试验

针对圆盘破茬刀切茬速度影响破茬质量、切茬阻力难以定性分析、缺乏破茬刀实际应用的工作参数等问题,该文分析了破茬刀滑移对切茬速度的影响,建立了破茬刀垂直阻力和牵引阻力模型,以破茬深度和牵引阻力为试验指标进行了田间试验。结果表明:破茬刀滑移对切茬速度产生不利影响,牵引阻力在切割土壤时变化不大,在切割根茬时呈先增加后减小的变化趋势,破茬深度随配重和机组前进速度的增加而增大,牵引阻力影响因素的主次顺序为:配重、机组前进速度、破茬刀类型。为了保证破茬深度达到80 mm,田间作业时分配到破茬刀的最小质量及牵引阻力和破茬刀类型有关:平面圆盘为148 kg,最小牵引阻力为2.52 N;波纹圆盘为172 kg,最小牵引阻力为2.75 N;涡轮圆盘为160 kg以上,最小牵引阻力为2.65 N。该研究可为圆盘破茬刀及免耕播种机的设计和应用提供参考。     

主动旋转集行式清秸装置设计与试验

针对东北地区在秸秆全量粉碎还田条件下玉米免耕播种作业时,被动分茬式清秸装置清秸率低,主动条旋式清秸装置草土混埋造成出苗率低的问题,该研究设计了一种主动旋转集行式清秸装置,首先通过理论分析与参数计算确定了清秸弹齿关键部件结构和工作参数。进一步运用土槽试验的方法,选取机组前进速度、清秸弹齿转速和清秸弹齿渗透量为试验因素,以种带清秸率为试验指标,进行二次旋转正交组合试验,建立了试验指标与影响因素回归模型,确定清秸装置最优作业参数组合为机具前进速度1.4 m/s,清秸弹齿转速400 r/min,弹齿渗透量19 mm。并通过田间试验对该装置作业性能进行验证。试验结果表明,最优参数组合下,20 cm宽度种带清秸率为98.3%,平均作业功率为605 W,满足东北地区玉米免耕播种作业农艺和技术要求。该研究可为免耕作业机具清秸装置设计提供参考。     

免耕播种机玉米根茬处理装置作业功耗试验研究（简报）

为找出影响免耕播种机玉米根茬处理装置的功率消耗的主次因素,对新研制的免耕播种机玉米根茬处理装置进行了室内土槽试验研究,对影响作业功耗的因素采用二次旋转回归正交试验,建立了玉米根茬处理装置的功耗模型.分析表明,在影响功率消耗的主要因素中,入土深度影响最大,其次是刀轴转速;机组前进速度、刀轴转速以及入土深度之间的交互作用对功率消耗的影响较小,单组根茬处理装置单组工作时功率消耗为1.55～2.35 kW.研究结果为开发新型免耕播种机以及选择配套动力提供理论依据.     

免耕播种机播种带玉米根茬处理装置研究

针对在有玉米根茬的未耕地上进行免耕直播时，播种机开沟器入土困难和容易堵草等问题，提出了新的切挖处理方案，研制出免耕播种机播种带玉米根茬处理装置，并对结构的关键参数进行了设计，提出了合理的工作参数。整机性能经田间生产试验结果表明，在有玉米根茬的未耕地上直接播种时，破茬入土能力强，扰土量少，可创造无根茬的良好种床条件，有利于种子生长发芽。     

篱架式葡萄藤冬季埋土清除与防寒布回收机研制

针对中国新疆地区篱架式葡萄春季清土作业中存在的机械清土不彻底、防寒布回收困难以及效率低等问题,该文设计了一种葡萄埋土清除与防寒布回收机,由机架、清土部件、卷布部件和液压系统等组成。在EDEM软件中建立土垄和清土部件的仿真模型,以清土距离作为清土效果的评价指标,以刮土板工作面曲率半径、清土叶轮叶片数及其转速为试验因素,在行进速度为2 km/h的条件下设计并实施三因素五水平仿真正交试验,得到最优参数组合:曲率半径680 mm、叶片数4片、转速500 r/min,此时清土距离为294.27 mm。加工样机并对最优参数组合进行田间验证试验,得到清土距离为271 mm,与仿真试验结果的相对误差为8%,埋土基本清理干净,且对葡萄藤和防寒布的损伤小,作业效率高,为人工清土效率的10倍以上。研究结果可为新疆地区篱架式葡萄埋土清除作业提出新的思路,为后续葡萄清土机械的研制提供参考。     

葡萄防寒布平整卷收速度控制系统设计与试验

针对中国新疆地区葡萄防寒布平整卷收难的问题,该研究分析了防寒布平整卷收原理,并设计了葡萄防寒布平整卷收速度控制系统。该系统可自动检测防寒布的卷收状态,在平整卷收状态时采用增量式PID算法输出PWM(Pulse Width Modulation)信号,基于机具前进速度和布辊半径实现防寒布卷收速度的实时调节;在偏斜卷收状态时通过调节卷布辊轴转速改变卷布辊轴实时转速相对于目标转速的超前或滞后关系,使防寒布恢复平整卷收状态。通过在Simulink中建立电机PID控制模型进行仿真。通过直流电机转速静态标定试验得到电机转速与PWM信号占空比的对应关系。防寒布自动调偏性能试验验证了本文方法的可行性,优化得到激光开关传感器与防寒布边缘的距离为20mm。由直流电机转速调节性能试验对仿真试验结果进行校验,得到优化后的稳态响应时间约为0.4 s,响应延迟约为0.1 s。田间试验结果表明,防寒布卷收平整度均大于90%,平均为92.78%,满足防寒布卷收作业要求。研究结果可为葡萄防寒布回收机的设计与优化提供技术参考。     

沟栽葡萄防寒布覆土卧式刷辊清除装置设计与试验

针对中国西北地区沟栽葡萄春季防寒布上方大量覆土影响防寒布回收的问题,该研究设计了一种水平卧式刷辊清土装置,用于清除防寒布上方埋土。首先,通过理论分析确定了清土总成结构和工作参数取值范围。进一步,基于EDEM-RecurDyn耦合仿真建立柔性清土总成-土壤作用模型,模拟清土作业过程。以清土率和清土总成的转动扭矩为试验指标,设计Plackett-Burman和Box-Behnken仿真试验,以清土率最大和扭矩最小为优化目标,获得最优参数组合为：机具前进速度0.3 m/s、转速550 r/min、安装角30°、叶片偏角0°,清土率和扭矩预测值分别为86.72%、73.36 N·m。最后,采用最优参数组合进行田间试验,结果表明,清土率和扭矩分别为84.12%和78.62 N·m,与仿真优化结果的相对误差分别为3.0%和7.2%。研究结果可为防寒布辅助埋土防寒模式下清土机械研究提供技术参考。     

自动避障式葡萄藤防寒土清土机研制

针对目前葡萄藤防寒土清土机自动化程度低、清土不彻底和易伤藤等问题,该研究基于多体动力学软件RecurDyn和离散元软件EDEM耦合仿真的方法,面向中国北方砂壤土地区葡萄园内的葡萄藤防寒土清除,提出采用柔性刷子与橡胶组合的清土作业部件,并设计了一种自动避障式葡萄藤防寒土清土机,主要由机架、避障摆动机构、避障信号采集机构、控制器、清土部件、挡土板、传动部件和限深轮等部分组成,在机具前进作业过程中,通过触杆感知自动避开水泥柱,并将葡萄藤上覆盖的防寒土清除干净。采用耦合仿真试验,模拟整机避障清土的作业过程,以机具前进速度、避障油缸速度、清土部件转速和触杆转动角度阈值为试验因素,以土壤清除率为试验指标,进行四因素二次回归正交旋转中心组合模拟试验,采用Design-Expert软件对试验数据进行回归显著性分析,确定了对试验结果影响显著的因素,以土壤清除率最大为优化目标,获得了机具的最佳作业参数组合:机具前进速度0.43 m/s、避障油缸速度60 mm/s、清土部件转速550 r/min、触杆转动角度阈值10°,此时仿真优化的土壤清除率为54.65%。加工物理样机并进行田间验证试验,得到田间试验的土壤清除率为59.73%,与仿真试验的土壤清除率相对误差约为8.50%,田间试验结果与仿真优化结果基本一致,满足自动避障式葡萄藤防寒土清土作业要求。研究结果可为触土机具避障机构的整体设计及优化提供理论依据和技术支撑。     

油菜直播组合式埋茬防堵装置设计与试验

针对长江中下游地区油菜机械化种植时土壤黏重板结、前茬秸秆留茬高、残留量大,致使油菜直播机旋耕及深施肥部件易出现秸秆缠绕、壅土堵塞等问题,导致秸秆埋覆率低、种床厢面起伏不平,影响种床质量的生产现状,该研究设计了一种适用于高茬黏重稻茬田的油菜直播机组合式埋茬防堵装置。该装置主要包括埋茬弯刀和双刃旋耕刀,刀片在筒状刀轴上整体呈人字型排布,通过埋茬弯刀和双刃旋耕刀配合作业,可防止旋耕及深施肥部件秸秆缠绕和黏附堵塞,实现黏重土壤细碎、高茬秸秆埋覆和厢面平整。开展理论分析与EDEM仿真,确定了埋茬弯刀回转半径为245 mm,正切面弯折线角为27 °、弯折角为125 °,作业幅宽为75 mm,防堵直刀回转半径为275 mm,刃磨角为15 °。田间对比试验结果表明：装有组合式埋茬防堵装置的油菜直播机在高茬黏重地表作业通过性好,未出现秸秆缠绕和黏土堵塞,厢面平整度为19.19～22.14 mm,相较于普通旋耕装置,秸秆埋覆率至少提高27.19个百分点,埋茬防堵性能良好,种床质量满足油菜直播农艺要求。研究结果可为高茬黏重工况下的种床整备装置开发提供参考。     

基于EDEM-ADAMS仿真的稻茬地双轴破茬免耕装置研制

针对长江中下游稻麦轮作区的稻茬地根茬量大韧性强、土壤黏度高不宜粉碎等问题，该研究基于仿真试验研制双轴破茬免耕装置。通过EDEM软件建立破茬开沟装置-秸秆-土壤离散元模型，采用正交试验得到破茬开沟装置的刀型、排列方式以及刀具数量，基于EDEM-ADAMS联合仿真，采用单因素试验、正交试验、二次回归正交旋转试验和响应曲面法对甩刀、粉碎装置以及双轴破茬免耕装置进行动力学分析，得到甩刀具参数、旋耕刀轴和粉碎刀轴转速以及双轴轴心水平与垂直高度，得到机具最佳参数：破茬装置选用30把旋耕刀采用双螺旋排列，刀轴转速为286 r/min；粉碎装置选用L型（32把）和直刀（8把）采用双螺旋排列，刀轴转速为605 r/min；双轴水平距离548 mm、垂直高度168 mm。根据最佳参数试制样机并进行田间性能测试。田间试验结果表明，秸秆和稻茬以0.93 kg/m2全量覆盖时，双轴破茬免耕装置对水稻秸秆、根茬的平均切断率以及切茬率分别为95.09%和95.16%，机具通过性良好，田间平均出苗率为95.29%，符合当地农艺要求，适用于秸秆覆盖量大的作业情况。所设计的双轴破茬免耕装置满足长江中下游稻麦轮作区小麦免耕播种作业要求，可为双轴旋转型耕作装置以及根茬不易粉碎、土壤黏度高条件下的免耕播种提供参考。     

分层交错式葡萄防寒土弧形清土叶轮的设计与试验

针对目前中国北方葡萄防寒土清土部件作业功耗高和相关理论研究较少的问题,设计了一种葡萄防寒土弧形清土叶轮,主要由花键连接轴套、叶轮轴、弧形叶轮片和叶轮片连接板等组成,采用分层交错式结构,以十字交叉形式排布。首先,依据中国北方葡萄防寒土清除农艺要求,确定弧形清土叶轮的外形尺寸和叶轮片数量。通过理论分析弧形清土叶轮的运动和受力,确定影响其作业功耗的主要因素。并基于EDEM软件,以弧形清土叶轮前进速度、转速和叶轮片弯曲角为试验因素,以叶轮扭矩和水平前进阻力为试验指标,进行三因素二次回归正交旋转中心组合模拟试验,以扭矩和水平前进阻力最小为优化目标,获得最优参数组合;进一步基于土槽试验,验证弧形清土叶轮仿真优化结果的准确性,并与直板式清土叶轮作业进行对比分析。仿真优化结果表明,当弧形清土叶轮前进速度为0.38m/s,转速为450r/min,叶轮片弯曲角为18°时,其扭矩和水平前进阻力最小,分别为9.99 N·m和27.09 N;土槽试验结果表明,弧形清土叶轮扭矩和水平前进阻力分别为11.56N·m和31.82N,与仿真优化结果的相对误差分别为13.58%和14.86%,同时,与直板式清土叶轮作业对比,弧形清土叶轮扭矩和水平前进阻力分别降低了9.40%和15.37%。研究结果可为后续葡萄藤防寒土清土机的整体设计提供理论依据和技术支撑。     

叶轮旋转式葡萄藤埋土单边清除机研制

针对目前春季中国北方葡萄种植主产区人工进行葡萄藤清土作业效率低、机械化程度低等问题,该文设计了一种适应于单边清土的叶轮旋转式葡萄藤清土机,主要由机架、刮土部件、叶轮部件和平土搅龙部件组成。刮土部件和叶轮部件能够分别将葡萄藤上方和侧面土壤清除,平土搅龙部件能够将清除的土壤进一步向行间输送并使其均匀地平铺在葡萄行正中间。以机器前进速度、叶轮转速和搅龙转速为因素,以清土中心距为指标,在离散元软件EDEM中对葡萄藤清土机作业进行仿真试验,得到最佳工作参数:前进速度1.2 m/s、叶轮转速420 r/min、搅龙转速300 r/min,此时清土中心距为44 mm。加工物理样机并进行田间试验,田间试验结果与仿真结果基本一致,两者清土中心距的相对误差约为15%,满足葡萄藤清土机单边清土的作业要求。该研究可为后续其他类型葡萄藤清土机的研制提供参考。     

土壤-水稻前茬离散元仿真参数标定及其旋耕轨迹分析

在进行稻油轮作区域水稻收获后旋耕作业中的前茬运动、受力仿真分析时,由于缺乏可靠的离散元仿真参数难以准确计算土壤-水稻前茬运动规律和相互间受力。该研究采用EDEM软件对土壤-水稻前茬混合物内部各物质的物理与接触参数进行离散元仿真标定。首先测定了土壤-水稻前茬混合物内各物质物理与相互间接触参数,以堆积角作为评价指标,利用仿真试验分析进行了显著因素筛选、最优水平取值范围确定及二阶回归模型下最佳参数寻优对参数进行了标定,得到土壤-水稻前茬混合物模型极显著参数的最优组合为土壤-土壤恢复系数0.407、土壤-土壤动摩擦系数0.123、土壤-水稻前茬静摩擦系数0.596、土壤表面能1.860 J,此时与试验堆积角误差为0.58%。并进行了土壤-水稻前茬间的直剪试验与仿真,得到了稳定后不同垂直应力下试验与仿真的直剪切应力误差分别为：5.4%（50 kPa）,4.1%（100 kPa）,3.1%（150 kPa）。最后在最优参数组合下,开展了基于MBD-DEM的旋耕土壤-水稻前茬轨迹分析试验,分析得到前茬跟随旋耕刀及直接被掩埋两种埋覆场景,仿真与土槽试验轨迹的Spearman秩相关系数分别为0.91,0.84,验证了仿真模型标定参数的准确性。研究结果可为水稻前茬旋耕轨迹调控过程的离散元仿真分析提供可靠的接触参数。     

葡萄分层旋抛式清土起藤机高效旋抛刀设计与试验

针对我国西北地区酿酒葡萄清土作业单层旋抛清土方法效率低,凭经验设计,缺乏与土壤颗粒群相互作用的研究等问题,对分层旋抛式清土起藤机旋抛刀与土壤相互作用进行研究。首先,根据中国西北地区酿酒葡萄种植的农艺及清土的农艺要求,完成分层旋抛刀的设计,然后对旋抛式清土起藤机的运动进行理论分析,确定影响旋抛刀功耗和抛送距离的主要因素,并通过EDEM-Recurdyn耦合仿真,以不同焊接角度的旋抛刀、旋抛刀转速及整机的前进速度为试验因素,以清土率、旋抛刀扭矩以及抛送距离的影响为评价指标,分析土壤离散颗粒群与旋抛刀之间的相互作用,得到最优参数组合,进一步基于台架试验对仿真试验进行验证。结果表明当旋抛刀焊接角度为30°,刀具转速为270 r/min,前进速度为0.5 m/s时,剩余土壤质量最少为159.32 kg,旋抛刀平均扭矩为13.09 N·m,土壤抛送距离集中在1.52～1.75 m之间,与仿真结果一致,研究结果可为后续研制分层旋抛式清土起藤机提供理论依据及技术参考。