马铃薯气力精量播种机设计与试验

针对目前中国马铃薯播种机普遍存在作业速度慢、精度低、重漏播率高等关键问题,根据中国北方马铃薯一季作区大规模、大面积和高效精量播种的农艺要求,该文研制了一种马铃薯气力式精量播种机,该机一次作业可完成马铃薯开沟、侧深分层施肥、高速播种和覆土等多项功能。设计了气吸式马铃薯播种机多臂均布式排种器结构、分体式滑刀开沟器、排种器风机和动态供种装置;确定了包括配气阀、吸种臂及2种(常规薯、微型薯)吸种嘴的排种器关键部件的结构参数。田间生产试验表明,马铃薯气力精量播种机作业速度可达到10.2 km/h,播种早出苗2~3 d,同苗率达到96%。200 hm2的生产应用表明,本文所研制的马铃薯气力精量播种机重播率≤1%,漏播率≤1%,株距变异系数≤10%,同苗率96%,均超过国家标准且满足马铃薯田间种植的农艺要求,为中国马铃薯机械化播种提供了一种新技术、新装备和新方法。     

加装导流板的舀勺式马铃薯播种机排种器性能分析与试验

马铃薯播种机排种器的投种角度、速度、高度以及种薯与土壤接触后的弹跳等对马铃薯排种器播种质量影响较大,针对上述问题,该文研制了舀勺式马铃薯排种器的投种结构,设计加装了导流板。通过对导流板的性能分析、种薯投种过程及种薯与沟底碰撞过程的运动学分析,确定了影响播种效果的因素;以主动轮转速、机组前进速度、投种高度为主要因素,株距变异系数、漏播率、重播率为试验指标进行田间试验,并进行了旋转正交试验回归分析。试验结果表明:经参数优化后的马铃薯排种器具有较好的播种质量,当主动轮转速为42 r/min、前进速度为1.2m/s、投种高度为640mm时,其株距变异系数平均值为12.5%、漏播率平均值为2.21%、重播率平均值为3.56%,其标准均高于传统的舀勺式排种器,播种效果提升显著(P0.01)。该研究为马铃薯排种器技术进步提供了参考。     

马铃薯微型种薯振动排序播种装置播种性能优化

为推动马铃薯微型种薯(简称微型薯)播种机械化的发展,在现有研究的基础上,提出基于受迫振动原理的单列排序机械化播种技术,设计马铃薯微型种薯振动排序播种装置。在对播种装置工作原理进行阐述的基础上,对投种过程进行运动学和动力学分析,阐明了振动排序播种装置播种特性,并明晰了影响播种性能的主要因素及各因素的试验取值范围。以偏心轮偏心距、驱动轴转速和种床带速度为试验因素,以重播率、漏播率和播种合格率为评价指标,对3个不同级别的微型薯为研究对象开展二次回归正交组合试验,建立各个级别下微型薯的各指标与因素间的回归数学模型,分析相关因素对播种性能参数的影响,获得合理的参数组合,并进行验证试验,结果表明:3个不同级别的微型薯在较优的试验组合下,重播率和漏播率均小于5%,播种合格率在90%以上。由此表明,该播种装置满足马铃薯播种机播种性能要求。该研究为微型薯等大颗粒种子相关播种装置的研究、设计和优化以及播种性能的提升提供参考。     

基于双闭环PID模糊算法的玉米精量排种控制系统设计

黄淮海麦玉轮作区秸秆全量还田模式下,小麦秸秆韧性好、粉碎还田效果差以及土壤较为黏重,传统被动式地轮驱动易秸秆缠绕、拥堵及黏土量较大,播种作业易断条。为有效解决这些问题,该文以勺轮式玉米排种器为研究对象,设计一种主动式玉米电控精量排种系统。该系统作业时,通过USART HMI四线制触控串口屏人机界面向控制器输入理论期望株距,由GPS测速传感器采集机具作业速度,结合旋转编码器实时采集排种器作业转速,基于双闭环模糊算法对PID参数进行自整定,得到排种器目标转速,通过控制器调节相应PWM占空比,以实现通过机具作业速度实时控制电机转速,实现精密排种。台架试验结果表明:理论排种转速6~54 r/min时,实际转速的变异系数均小于10.0%,实际转速在理论转速附近波动范围小,符合控制要求;在设定株距值下,车速为3~5 km/h时,株距合格指数94.0%,漏播指数3.0%;车速为6~8 km/h时,株距合格指数≥90.0%,漏播指数≤4.5%。田间验证结果表明该玉米排种控制系统作业时,株距合格指数≥87.75%,平均值为90.89%,漏播指数均小于4%,平均值为2.54%,与市场上常见的勺轮式玉米排种器相比合格指数提高2.12个百分点、漏播指数降低4.32个百分点,播种性能良好,满足玉米农艺种植要求。该文研究的玉米电控精量排种系统可有效提高排种质量并可为研制高速精量主动排种控制系统提供参考。     

精密播种智能监测仪的研制

应用单片机技术，研制出一种精密播种机智能监测仪，该仪器与大型宽幅精密播种机配套使用，可实现播种作业的全过程监测。当播种机发生漏播时仪器发出声音警报并有屏幕提示漏播行，同时还可为播种作业提供实时的作业指导。几年来经过较大范围的实际使用表明，该监测仪具有较高的监视可靠性及测量精度。     

舀勺式马铃薯播种机排种器的设计与试验

为提高马铃薯种植机械化水平,针对目前马铃薯播种机排种器普遍存在的重漏播率高、人工劳动强度大、通用性差等问题,研究设计了一种舀勺式马铃薯排种器。阐述了该排种器主要结构、工作原理和相关结构参数;对排种器关键部件进行结构设计,理论分析主动轮和振动清种装置的性能特点;对排种器的排种性能进行台架试验,以主动轮转速、排种器倾角、清种装置的清种强度为试验因素,排种性能为试验指标进行正交试验,分析相关因素对排种性能参数的影响,获得合理参数组合,结果表明：电机驱动凸轮的清种系统较其它清种装置结构简单,作业状态更稳定,破拱装置增加种薯的流动性,提高充种率;主动轮转速为42 r/min,排种器倾角为0o,清种强度为0.75时,排种合格指数为92.6%,重播指数为4.5%,漏播指数为2.9%,排种质量较好,田间试验表明该作业参数组合下排种器性能满足马铃薯播种机播种性能要求,该研究为马铃薯播种机排种器的研究和设计提供了理论及技术参考。     

振动与波浪二级分离马铃薯收获机改进

针对当前马铃薯机械化收获环节存在的破皮率和伤薯率较高等问题,通过设置振动分离段和波浪分离段、基于振动与波浪二级分离改进了一种马铃薯收获机,并分析了振动与波浪二级分离条件下的分离筛及薯块运动特征。单因素试验表明,收获速度为0.726 m/s时,单位时间内挖掘的薯土混合物较少,易导致薯块疲劳累积损伤,当收获速度为1.167m/s时分离筛的分离负担加大,土壤和杂质分离效率降低,导致明薯率下降;分离筛运行速度从1.52提高至2.80 m/s时,破皮率和伤薯率呈先降低后增大的趋势,但明薯率自99.8%下降至96.4%;振动强度由无振动增加到强烈振动时,明薯率提高3.3%,但破皮率和伤薯率均有较大幅度的增加;峰谷高差自40~40 mm增大到200~200 mm时,明薯率由97.2%升高至99.8%,但其破皮率和伤薯率均有所升高。正交试验表明:破皮率和伤薯率受收获速度和振动强度的影响规律基本一致;收获速度和振动强度对破皮率和伤薯率的影响较显著(P0.05),振动强度和峰谷高差对明薯率的影响较显著(P0.05)。该文为马铃薯收获机的研发优化以及薯土分离效率和收获品质的综合控制提供了技术参考。     

勺夹式花生小区单粒精量播种单体设计与试验

针对花生小区播种机播种尺寸差异较大种子时存在适应性差、单粒精播粒距合格率低等问题,该研究设计了一种基于STM32单片机控制的勺夹式花生小区单粒精量播种单体。采用先充种后投种的模式,利用夹持空间可调节的勺夹式排种器向双格盘播种总成内单粒排种,由STM32单片机控制光电传感器、增量式编码器以及步进电机等元件,实现有序充种和投种。根据播种时花生种子的运动轨迹,确定影响机具作业性能的主要参数为机具作业速度和投种口离地高度。以提高单粒精播粒距合格率,降低播种漏播率、重播率、破损率为目标,对机具作业参数进行单因素与双因素数值模拟分析,探究了机具作业速度、投种口离地高度以及二者交互作用对播种性能的影响。试验结果表明,机具作业速度0.9 m/s、投种口离地高度15 cm时的播种效果最佳：粒距合格率为96.20%、重播率为2.97%、破损率为0.50%、漏播率为0.33%,整机通过性和适用性良好,能够满足小区育种试验要求。该研究可为花生小区精量播种技术研发提供参考。     

玉米变量播种机单体驱动器的设计

国内电驱式玉米精量播种机所用电机驱动器和各类监测传感器大都直接连接在主控制器上,功能单一、播种行数难以拓展,无法满足变量播种作业对各个播种单体独立控制的要求。针对上述问题,搭建了基于STM32F103的单体驱动器硬件和软件架构,实现了排种器驱动电机的平稳驱动、转速调节、过流保护以及合格率、重播率、漏播率的播种质量检测;单体驱动器集成了CAN总线通讯模块,可通过增减单体驱动器便捷地实现播种机行数拓展。系统整体试验表明,单体驱动器和主控制器可以通过CAN总线完成转速指令和播种质量数据的交互;当作业速度在3～9 km/h之间时,单体驱动器驱动排种器播种合格率大于95.7%,重播率小于4.3%,漏播率小于1.4%,高于国标要求;播种质量检测模块与现有排种器性能检测仪的对比试验结果显示,在3km/h的作业速度,两者的检测结果最大差值为0.1个百分点,当前进速度逐渐上升时,两者的偏差逐渐增大,单体驱动器测得的3项指标都小于排种器检测仪,但在不同的速度梯度下,两者合格率相差不超过2个百分点,重播率不超过1.1个百分点,漏播率不超过0.9个百分点。综合而言,单体驱动器的整体功能良好。     

膜下播种机的设计及排种装置的室内性能试验

传统铺膜播种机在地膜上打孔播种容易形成板结,不利于发芽破土能力弱的作物生长。该文针对这一问题,分析了膜下播种机设计的要求,对主要工作部件排种装置的结构进行了分析并给出了结构参数,采用参数化造型软件Pro_E设计该膜下播种机。参照铺膜播种机试验方法,对玉米播种就机器前进速度和取种器个数进行了单因素试验。试验结果表明：当排种筒转速高于72 r/min时,空穴率明显增加;根据相关参数,推出排种筒的最佳转速为57 r/min;对于播种大株距作物,作业速度可加快;播种小株距作物,作业速度应放慢。     

矮砧密植苹果树连续开沟定距栽植机研制

针对现有果树栽植劳动强度大、株距控制精度低的现状,该文开展了基于标准化栽培模式的农机农艺融合技术研究,设计了矮砧密植苹果栽植机,解决了果树幼苗栽植作业中存在的机械化关键技术难题:连续宽深开沟、果苗直立栽植、株距精确控制。采用V型双圆盘开沟器实现连续宽深开沟;通过人工辅助喂苗、栅杆定位装置辅助定位、夹持输送装置扶苗、刮板式覆土器回土及橡胶镇压轮压实土壤等系列环节,完成果苗直立栽植;定距栽植控制装置通过光电传感器感应前一棵树苗位置后启动下一棵树苗夹持运行并完成栽植,实现了株距的精确控制。该机开沟深度为0～40 cm可调,开沟宽度为30～37 cm,作业速度为0.8～1.5 km/h。田间试验结果表明:该机工作稳定,栽植效果良好,平均栽植合格率为93.79%,平均栽植深度合格率为91.43%,平均株距变异系数为5.03%,栽植效率720株/h,是人工栽植效率的36倍,满足现代标准果园机械化生产要求。种植环节机械化的实现,可为后续管理环节及收获环节的机械化提供可行性保障。     

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。     

小麦播种实时监控系统设计与试验

为实现小麦播种作业性能实时监控,设计了一种基于CAN总线的小麦精密播种机播种实时监控系统,阐述了系统总体结构,设计了系统硬件和软件,并进行了田间试验。该系统包括传感器信号采集单元、播种监测模块、CAN 模块和播种监测终端,能够实时监测种管状态、机具前进速度和排种轴转速。采用光电传感器和霍尔传感器分别检测排种管落种状态和地轮转速并输出电压或脉冲信号,播种监测模块根据传感器输出的信号,判断排种管播种状态（正常、堵塞和空管）,计算出地轮转速和排种轴转速,并计算出机具前进速度,以上信息通过CAN总线传输给播种监测终端并实时显示。试验结果表明,该系统故障状态监测准确率为>98%,堵塞响应时间<0.2 s,空管报警响应时间<0.5 s。系统工作稳定可靠,抗尘、抗震能力强,能够有效监测小麦播种作业性能。该研究成果能满足小麦播种性能实时监测要求,有助于提高小麦播种作业质量。     

转轴型孔式精量排种器充种性能仿真分析与试验

针对转轴型孔式棉花精量排种器在充种过程中由于型孔未囊取种子而造成漏播的问题,该研究通过建立棉种充填过程的运动学模型对相互抢位的棉种进行力学分析,研究取种轮运动参数与排种器转速对充种性能的影响。应用离散元仿真软件分析落入型孔的棉种速度的变化趋势,并分析取种轮振动频率对种群扰动的影响,以取种轮振动频率、取种轮振动偏移角、排种器转速为试验因素,以排种粒距合格率、重播率、漏播率为试验指标,进行三因素五水平的正交通用旋转组合试验,探究各因素对排种性能的影响,运用Design Expert 8.0.6软件对试验结果进行分析,并对回归模型进行优化验证。仿真分析结果表明,棉种瞬时速度随着排种轮转速的提高而增加,仿真标记的棉种在充入型孔时的瞬时速度小于取种轮速度,而相对取种轮速度较小的棉种具有更好的充种性能;在7 Hz时,种群法向力平均值最小,即种群的内摩擦力最小,棉种易于被型孔囊取;当排种器转速为12.59 r/min,取种轮振动偏移角度为8.06°,振动频率为6.08 Hz时,排种器的排种粒距合格率达到最大值94.5%。在此基础上,以新陆早61号棉花种子为试验对象进行台架验证试验,试验结果表明,当排种器转速为12 r/min时,排种器的排种粒距合格率达到最大值94.65%,漏播指数随着排种器转速的增加呈上升趋势,重播率随着转速的增加呈现下降趋势,与优化结果基本吻合,验证了仿真结果的准确性。该研究可为转轴型孔式棉花精量排种器关键部件结构优化设计提供参考。     

植草带对红壤坡耕地面源污染物输出的削减效果

为探讨植草带对红壤坡耕地面源污染输出的削减效果,以植草带和裸露红壤坡面作对照,根据野外观测数据拟定降雨强度和N,P等面源污染物浓度,室内模拟产流产沙及N,P输出过程.结果表明,雨强越小,植草带的减流和减沙效果越明显;在同一雨强条件下,植草带的减沙效果比减流效果明显.与裸地比较,植草带对全N的削减率随雨强和全N输入量增大而逐渐减小;在20 mm/h和35 mm/h雨强条件下,植草带对全P的削减率随着全P输入量的增大而增大,在同一全P输入浓度条件下削减率随雨强增大而逐渐减小;在50 mm/h雨强条件下,植草带径流中全N输出量大于裸地对照.     

油菜机械离心式集排器排种量控制系统设计与试验

为提升油菜机械离心式集排器的排种性能,实现排种量稳定可控可调,该研究设计了一套机械离心式集排器排种量控制系统。该系统以STM32F103C8T6单片机作为微控制器,利用以光电传感器PG-602为检测元件的落粒检测模块实时检测流经导种管的排种粒数,通过基于霍尔传感器的测速模块实时获取机具前进速度,结合排种粒数和机具前进速度反馈信息构建排种量控制策略,通过动态调节机械离心式集排器工作转速实现排种量均匀稳定控制。搭建了台架测试平台,确定了排种量调控模型为线性关系模型,系统对排种粒数的检测精度不低于96.17%,系统反馈时间为4 s。台架测试结果表明,该系统能够有效降低机具前进速度、内锥筒充种量、种子尺寸和播种株距变化对排种性能的影响。田间试验结果表明,该系统控制下的最大排种量误差为10.00%,平均排种量误差为5.77%,调控合格率为90.68%,田间出苗效果好。研究结果可为离心式集排器精量播种控制系统设计提供技术参考。     

基于模糊PID控制的玉米精量播种机单体驱动器设计与试验

为提升新疆地区玉米精量播种机作业效率、稳定高速工况下播种质量，该研究以气吸圆盘式玉米排种器为研究对象，设计了一种基于模糊PID控制的玉米精量播种机单体驱动器。基于电机驱动排种控制系统硬件构成及工作原理，搭建了以STM32F103C8T6单片机为核心的功能电路。该单体驱动器工作时，由霍尔传感器采集播种机的作业速度，通过高精度光电旋转编码器实时反馈电机转速，利用增益调整型模糊PID算法使调速系统根据转速偏差和偏差变化率实时修正PID控制参数，使电机转速快速精准地跟随作业速度的变化。通过转速控制特性试验可知：脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）频率为60 kHz时，电机具有良好的启动特性；电机转速在307～10 441 r/min范围内，电机实际转速变异系数均小于6.29%，具有较好的稳定性和线性度。电机调速试验结果表明：在设定电机目标转速为1 500 r/min时，模糊PID调速系统相比传统PID调速系统超调量降低0.4%，上升时间和调节时间分别缩短0.12和0.49 s，稳态误差减小0.3%；在种床带速度反馈周期T=1.0 s时，模糊PID动态调速精度较高、鲁棒性好。电机驱动排种台架试验结果表明：作业速度为8、10 km/h时，两种控制方式的播种性能指标差异较小；作业速度为12 km/h时，模糊PID控制的播种合格指数大于93.04%，重播指数小于5.13%，漏播指数小于1.83%；与传统PID控制方式相比合格指数均值提高2.50个百分点，重播指数均值降低0.85个百分点，漏播指数均值降低0.88个百分点，各播种性能指标均优于传统PID控制方式，适于高速播种作业。研究结果可为玉米高速精量播种机的研发设计提供参考。     

苹果树栽植机幼苗夹持装置改进与试验

为了解决现行矮砧密植栽培模式下苹果树幼苗栽植过程所存在的人工栽植效率低、树苗直立度不理想、夹持皮带滑移导致株距变异系数高等问题,该研究以农机农艺融合技术为指导,研制了两点夹持式苹果树幼苗栽植机。该机具在现有连续开沟定距栽植机的基础上,对树苗实施上、下两点夹持,克服了原来一点夹持使得高株苗木相对地面初始角度难以保证的问题,以提高栽植后的直立度;对夹持输送形式进行改进,采用2条同步带代替原来V型带夹持输送苹树苗木以降低滑移率和株距变异系数;对动力匹配进行优化,加装限深轮提高栽植深度稳定性。根据不同品种苹果苗木栽植要求,开沟深度及宽度可调,栽植株距也可按需调节。田间试验表明:栽植后的苹果苗木直立度合格率由原来的90.63%提高至97.14%,平均栽植深度合格率由91.43%提升为93.33%,平均栽植株距变异系数由原来的5.03%降为3.74%,栽植效率由11.89株/min提升到12.26株/min,是人工栽植的37倍。对比现有机具,该研究改进机具的各项性能指标得到改善提升,为后续苹果生产全程机械化打下坚实的基础。     

基于Voronoi图的单粒播玉米产量效果的蒙特卡罗模拟

为了明确在单粒播种条件下田间出苗率对玉米产量的影响,以蒙特卡罗二项分布作缺苗模拟,以Voronoi图分配缺苗土地,通过对产量-密度方程进行数学恒等变换计算产量补偿,模拟了2种单粒播策略的玉米产量随出苗率(75%~95%)的变化。结果表明,缺苗斑数目与出苗率呈单峰曲线关系,缺苗斑大小随出苗率呈负指数下降;单粒播造成0.06%~16.78%的减产,且减产率随出苗率下降而增加;两种单粒播策略的产量大小和产量稳定性均有差异,且差异随出苗率下降而扩大。该研究推荐的玉米单粒播策略是:在千方百计提高出苗率基础上,播种的种子数目应当等于目标种植密度除以出苗率、保证出苗的植株数目达到推荐种植密度。该结论对于在玉米生产上广泛采用单粒精量播种具有重要参考价值。