油菜无人机飞播装置设计与试验

针对丘陵山区油菜种植面积逐步扩大和平原地区稻油茬口矛盾突出的生产现状,结合无人机飞播作业不受地形限制、作业速度快、工作效率高和适用范围广等优点,该研究开发了与极飞P20四旋翼无人机平台配套的油菜无人机飞播装置和控制系统。分析确定了飞播装置种箱、充种漏斗、槽轮等的结构参数,并研制了相应的控制系统。在分析无人机飞播质量影响要素基础上,建立了无人机旋翼气流场仿真模型,并以充种漏斗长度和槽轮转速为试验因素开展台架试验。仿真分析和台架试验结果表明,旋翼气流场对油菜种子的空中漂移运动轨迹有较大影响,根据获得的无人机飞行速度与槽轮转速关系模型,确定了旋翼气流场对种子影响较小的参数组合:导种管出种口与无人机旋翼距离300 mm,充种漏斗长度53 mm,槽轮转速10～50 r/min、无人机飞行速度2～4 m/s。场地试验表明:导种管出种口横向距离为1.1m,无人机飞行高度为2～2.5 m时,无人机有效作业幅宽2.15～2.45 m,种子分布均匀性变异系数为32.05%～34.78%,装置作业性能较好,满足油菜农艺种植要求。研究结果可为油菜无人机飞播配套装置设计提供参考。     

基于空间质量平衡法的植保无人机施药雾滴沉积分布特性测试

为了探究飞行方式、飞行参数及侧风等因素对无人机喷雾雾滴空间质量平衡分布和旋翼下旋气流场分布的影响,该文基于无人机施药雾滴空间质量平衡测试方法,测定了3WQF80-10型单旋翼油动植保无人机在不同飞行方式(前进、倒退)、飞行高度和侧风速条件下的喷雾雾滴空间不同部位的沉积率和下旋气流风速。结果表明:对于该型无人机,在飞行高度(3.0±0.1)m、速度(5.0±0.2)m/s、1.2 m/s侧风速条件下,机头朝前与机尾朝前2种飞行方式对雾滴分布有显著影响,机尾朝前的飞行方式底部沉积比例可达60%,作业效果更佳;在2.0~3.5 m高度、(5.0±0.3)m/s速度和0.8 m/s侧风速条件下,空间质量平衡收集装置底部雾滴沉积率变异系数与高度呈现线性负相关,线性回归方程决定系数为0.9178,即高度越高雾滴分布均匀性越好;在(3.0±0.1)m高度和(5.0±0.3)m/s速度条件下,空间质量平衡收集装置底部雾滴加权平均沉积率与侧风风速呈线性正相关,线性回归方程决定系数为0.9684,即侧风速越大雾滴越集中分布在下风向处;飞行方式、高度和侧风3种因素对单旋翼无人机喷雾雾滴产生的影响都是通过改变其旋翼下旋气流场在垂直于地面向下方向的强度,减弱气流对雾滴的下压作用来实现的。研究结果可以为植保无人机设计定型、田间喷雾作业参数确定和作业条件的选择提供理论参考。     

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。     

机收水稻留茬地紫云英双圆盘开沟撒播组合作业机设计

为解决机收水稻地留茬对紫云英机械化播种的影响,针对目前紫云英开沟、播种环节独立作业时存在的作业质量不高、生产效率低等问题,该文研制了适用于机收水稻留茬地的紫云英开沟撒播机。设计了撒播高度可调装置,根据田间稻茬留量情况将撒播部件升降至适当位置;研制了紫云英专用排种轮和定量匀播装置,实现精量播种的同时提高撒播均匀性;采用双圆盘式开沟组件,确定圆盘直径为900 mm,测得平均开沟深度为22.3 cm,平均开沟宽度为31.2 cm,田间试验测定开沟宽度、深度变异系数均小于6%,满足紫云英种子生长期间的排水要求。通过多因素试验和回归分析,得出机具前进速度、排种轮转速、匀种圆柱直径等因素对撒播效果有显著影响,方差分析可知影响紫云英出苗率和播种均匀性变异系数的主次因素均为:排种轮转速匀种圆柱直径机具前进速度;影响排种量一致性变异系数的主次因素依次为:匀种圆柱直径机具前进速度排种轮转速;确定影响紫云英开沟撒播机撒播质量的因素最佳参数组合为:机具前进速度4.6 km/h,排种轮转速44 r/min,匀种圆柱直径6 mm。通过田间试验验证,最优参数组合条件下紫云英出苗率为95.87%,排种量一致性变异系数12.7%,播种均匀性变异系数8.07%,与模型预测优化结果的相对误差均小于3%,验证了所建模型与优化参数的合理性;与已有紫云英播种方式相比,本文所设计的双圆盘开沟撒播组合作业机作业效率可达1 hm~2/h,优于人工撒播作业效率0.1～0.125 hm~2/h、手摇撒播作业效率0.2～0.3 hm~2/h和机动喷播作业效率0.5～0.8 hm~2/h,低于无人机飞播作业效率3～4 hm~2/h,在撒播质量和组配方式上也明显优于其他播种方式,具有较好的推广应用前景。     

基于加热均匀性的射频干燥系统结构优化与试验

针对现有射频干燥系统存在装料量大时射频加热不均匀、干燥过程无法实时称重等问题,该文设计了一种热风对流加热装置、装料装置和称量装置。热风对流加热装置主要由热源供给系统、风温风速控制系统和气流分配室组成;装料装置由特制的多层料盘组成;称量装置由称量传感器、称量托盘和支柱等组成。采用计算流体力学软件对气流分配室进行模拟,结果显示改变气流分配室为喇叭口形状及增加分流圆柱体后,条形出风口处风速均匀性提高,其速度偏差比从31%降为10.5%,速度不均匀系数从19%降为7.6%。以玉米种子为例进行了优化后的性能验证试验,结果表明:热风对流加热装置可以提供均匀的温度和风速;自动称量装置能够实时监测物料的质量,其最大量程为24 kg,分层后的薄层物料最大处理量为18 kg,偏差范围为1~5 g;在热风和射频合适的匹配参数下,采用射频干燥结合热风对流技术,以及分层装料的方法,可解决射频干燥大装载量玉米种子产生的热偏移问题和边角效应问题,进而提高射频加热均匀性。该研究避免了干燥过程中外界温湿度的影响,减少了10%的干燥时间,为改善射频加热均匀性提供了参考。     

无人机点射式水稻播种装置控制系统设计与试验

针对当前无人机水稻撒播难以成行成穴、落种易受旋翼风场干扰和播种均匀性不佳等问题,该研究结合点射式水稻播种装置和飞行控制器设计了一套播种控制系统,开发了配套的地面站功能,并制作了样机。控制系统基于PID算法实现排种器步进电机的转速闭环控制,通过标定模型对振动电机激振力和摩擦轮电机转速进行控制,并根据状态机设计播种控制程序。以3倍丸粒化稻种为对象,从播种量准确性、播种成行性和播种均匀性3个方面对样机的播种性能进行验证并优选合适的播种参数。试验结果表明：无人机模拟飞行的播种量准确性测试中,样机以1.0～2.5 m/s的作业速度进行播种时,播种量的平均相对误差小于4%,控制系统具有较好的动态调节能力。实地飞播测试中,样机以1.0和1.5 m的高度播种时,种子分布在12 cm种行宽度内的平均概率超过80%,成行性较好。考虑安全因素,优选1.5 m为样机的适宜作业高度。在作业高度为1.5 m,3倍丸粒化稻种的播种量为90～150 kg/hm2（对应裸种的播种量22.5～37.5 kg/hm2）,作业速度为0.5～2.0 m/s时,播种均匀性变异系数为20.51%～35.52%。进一步分析发现,适当提升作业速度可提高播种均匀性。田间试验结果表明,播种量的相对误差分别为2.47%和4.12%,播种均匀性变异系数分别为22.17%和21.82%,种子破损率分别为0.34%和0.18%,满足相关标准的水稻飞播精度控制要求。研究结果可为无人机水稻直播技术提供参考。     

基于EDEM的离心甩盘撒肥器性能分析与试验

为提高颗粒肥料撒施均匀性,该文对离心甩盘式撒肥器进行甩盘转速、喂入量、喂入角和喂入位置角对抛撒均匀性单因素离散元仿真分析,完成多元回归正交旋转仿真试验和目标参数优化并进行台架试验,分析结果表明,喂入位置角与转速及喂入位置角与喂入角间交互作用对撒肥均匀性影响均高度显著;各因素影响主次顺序为甩盘转速、喂入角、喂入量、喂入位置角;当甩盘转速900 r/min、喂入量4 275颗/s、喂入角110°、喂入位置角64°时均匀性变异系数为12.48%,仿真验证和实际试验验证结果与优化结果相吻合。机器前进速度为5.4 km/h时实际工况动态仿真得到工作幅宽内均匀性变异系数为11.43%,满足田间撒肥作业要求。研究结果可为颗粒肥撒施机设计提供参考。     

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。     

航空施药旋转液力雾化喷头性能试验

无人机航空喷雾将会在未来几年的植物病虫害防治作业中发挥重要作用。为实现无人机低空、低量、高功效的喷洒需求,该文针对兼备液力雾化和离心雾化优点的旋转液力雾化喷头进行了性能试验研究,利用喷头雾化性能测试系统对喷孔直径、喷雾压力、电机转速因素对喷头雾滴粒径、沉积分布、喷幅和功率消耗的影响进行了试验研究。结果显示,喷头旋转电机电压相比喷孔直径、喷雾压力参数对雾滴粒径影响更显著,随着电机电压增加,雾滴粒径变小,雾化效果好;电机电压对幅宽也有明显影响,随着电极电压增加,喷雾角度变大,幅宽明显增加,雾滴沉积量在喷幅范围内呈现正态分布。通过试验结果优选出适合无人机的旋转液力雾化喷头的最佳工作参数:电机电压为10 V,喷雾压力为0.35 MPa,喷嘴孔径是0.7 mm,该工作参数下,液泵功率消耗率最低,雾滴平均粒径为112.35μm,喷幅为3.88 m,电机功率消耗为8.6 W。该文的研究结果为开发适用于无人机的新型喷洒雾化装置,提高无人机作业质量和喷洒功效提供理论依据和技术支持。     

进风位置对纵向通风叠层鸡舍气流和温度影响CFD模拟

为提高鸡舍夏季通风效率,改善舍内环境条件,该文通过计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)模拟分别探究了进风口内侧加设导流板及不加设导流板时,进风位置对叠层笼养鸡舍舍内及笼内气流、温度及分布的影响。鸡舍模型通过现场试验进行验证。结果表明:在进风口内侧不加设导流板时,近进风口区域(距首个笼17.5 m之内鸡笼区域)笼内平均风速随着进风位置与鸡笼间距离增加而增大,最大增幅为0.54m/s。而当进风口内侧加设导流板时,不同进风位置时对笼内平均风速相对差异小于10%。同时,随着进风位置与鸡笼间距离增加,近进风口处笼内气流分布均匀性增加,笼内温度呈降低趋势且其分布趋于均匀。但进风位置对笼内环境影响范围有限,文中研究显示,进风位置对气流速度的影响范围为距首个笼27 m之内笼内区域,对气流分布均匀性的影响范围为距首个笼45 m之内笼内区域,对温度分布的影响范围为距首个笼18 m之内笼内区域。研究表明,在叠层鸡舍夏季通风系统进风位置设计中,应尽量设计在山墙,及保证进风口与鸡笼区域无重合,使得进风气流充分发展后进入鸡笼,有助于减少笼内通风弱区及涡流区域。     

油菜成条飞播装置设计与试验

为解决常见地面播种机器无法进入或进入经济效益不高场景下的油菜播种问题,基于极飞P20商用植保无人机平台,设计一种基于电驱离心条播式排种器的无人机油菜飞播装置,以实现类似地面机器条播而非撒播的效果。首先对已有倒置锥筒离心式排种器进行改进,设计上凸锥筒离心式排种器结构,并确定排种盘和排种口等关键部件的结构参数。在分析该款无人机下洗气流场分布规律的基础上,提出了一种与该离心排种器配合使用的辅助导种装置。排种性能台架试验表明,当排种转速在40~220 r/min范围逐渐增加时,单位时间总排量呈现先持续增加后趋于稳定,且在排种转速为190 r/min时达到最大单位时间总排量179.65 g/min,可满足无人机作业速度5 m/s所需的排量要求;各行排量一致性变异系数和总排量稳定性变异系数先减小后增大,分别分布在4.5%~12.6%和0.7%~6.2%范围内;种子籽粒破损率随排种转速增大逐渐增大,但均在2%以内。样机场地测试试验表明,导种装置高度在1.5~2.5 m范围内变化时,成条指数与其没有显著相关性(P=0.0769>0.05),且成条宽度不到设定行距的1/4。进一步的田间试验结果显示,成条指数为35.0%,播种均匀性变异系数为19.26%,满足油菜条播农艺技术要求。     

地表坡度对油菜宽幅精量免耕播种机排种性能的影响

针对油菜种植区域作业方向的地表坡度变化影响气送式油菜宽幅精量免耕播种机排种性能的问题,该研究以播种机及气送式集排器为研究对象,构建了不同地表坡度下种子与外切圆弧型孔、种子-气流与集中分配器间的力学模型,建立了气送式集排器供种速率和排种速率的随机过程模型,应用EDEM仿真开展了作业方向的地表坡度、供种装置转速对供种装置供种速率影响的双因素试验,建立了地表坡度、供种装置转速对供种速率影响的数学模型;利用DEM-CFD耦合仿真分析了地表坡度对集中分配器排种性能的影响规律。仿真试验结果表明:以平整地表为基准,供种速率随地表坡度在-5°~5°内先增大而后逐渐减小;地表坡度绝对值为3°~5°时,供种速率的变化量达到50%;各行排种粒数一致性变异系数随地表坡度的增加而增大,变化区间为4.95%~14.91%。利用智能种植机械测试平台模拟播种机田间作业时不同地表坡度下的作业效果,结果表明,随着作业方向的地表坡度、前后往复摆动角度、前或后单向摆动角度的增大,各行排种量一致性变异系数均逐渐增大;仿真模型计算的各地表坡度下的供种速率与台架试验的平均误差为4.28%。根据试验结果建立播种机沿作业方向前后往复摆动的供种速率与地表坡度和供种装置转速、沿作业方向前或后单向摆动的供种速率与地表坡度和供种装置转速的数学模型,确定了不同地表坡度下,排种量与作业方向地表坡度和供种装置转速的匹配关系,以实现有坡度地表的排种量与平整地表的排种量趋同,为满足不同地表坡度下的播种作业提供参考。     

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。     

锥体帆布带式排种器参数优化与试验

为使锥体帆布带式排种器性能达到育种试验播种要求,该文对设计的锥体帆布带式排种器相关结构进行了分析与参数优化试验。通过对该排种器的泄种、分种、携种环节中种子的力学、运动学及空间排布情况分析,选取出对锥体帆布带式排种器作业性能有显著影响的参数,通过单因素试验和图表分析将参数影响程度进行量化,确定了影响排种性能的主要参数有:锥体转速、锥体倾角和楔形环域单位排布量。通过三因素二次正交旋转设计试验,建立了因素与试验指标(排种均匀性变异系数)的回归方程;经优化计算得出:当锥体转速为3.46 rad/s,锥体倾角为45.8°,楔形环域单位排布量为7粒/cm时,排种器的性能综合评价指标达到育种试验最佳水平。该排种技术在2BZH-6型株行育种条播机上进行了推广应用,经田间试验验证,最佳参数组合下锥体帆布带式排种器不存在伤种和存种现象,作业性能与锥体格盘式排种器相比提升明显。该研究为现有育种条播机排种部件的改进设计提供了参考。     

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。     

柔性梳刷式牧草排种器设计与试验

为了解决牧草播种时因部分牧草种子流动性差和种子细长形状带来的种子架空或堵塞的问题,并提高播种均匀性,提出采用梳刷原理改善种子排列姿态,并研制了柔性梳刷式牧草排种器试验台。通过试验确定了充种口长度应在48～55mm。试验表明羊草和苇状羊茅平均播种均匀性变异系数分别为28.54%和21.28%,达到了国家标准要求。试验表明柔性梳刷装置能使牧草顺利排种并避免造成种子破损。为同类排种器和牧草播种机的设计研制提供了参考。     

小区播种机存种装置参数试验及优化

为了提高小区播种机存种装置对作物种子的分散均匀性,该文以小区播种机存种装置为研究对象,采用正交旋转组合试验设计方法,研究与存种装置相关的试验因素—存种装置直径d、存种装置提升高度h、前进速度v对黑芝麻、白菜、油菜、小麦、大豆种子分散均匀性的影响。通过DPS 7.05数据处理系统获得了存种装置直径、存种装置提升高度、前进速度对小区播种机存种装置分散种子均匀性的影响回归方程,获得了试验因素的影响大小次序,并通过分析确定了5种作物对存种装置结构及工作环境的最佳参数,在各自最佳工作条件下,黑芝麻、白菜、油菜、小麦、大豆种子分散均匀性变异系数分别为2.2121%、1.0388%、0.9198%、2.6328%、2.7188%。在权重相同的条件下,5种种子整体最佳试验参数为：存种装置直径0.0634 m,存种装置提升高度0.013 m,前进速度1.4524 m/s。在该条件下,黑芝麻、白菜、油菜、小麦、大豆种子分散均匀性变异系数分别为2.4741%,1.3008%,1.1818%,2.6415%,2.9808%。该研究对改进存种装置对作物种子的适应性,提高小区播种均匀性有一定的实用价值。     

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。