基于改进蜘蛛群集算法的木薯收获机块根拔起速度优化

针对挖拔式木薯收获机由于较难获得块根拔起速度控制系统最优化控制参数,造成块根拔起速度控制精度较低,木薯块根收获拔断损失率较大的问题,开展拔起机构块根拔起速度控制系统控制参数优化的算法研究。该文以模糊PI作为块根拔起速度控制算法,采用多领域的动力学仿真技术,构建木薯收获机块根拔起机构控制系统的联合仿真模型,以较优块根拔起速度模型为控制目标,块根拔起阻力为条件,开展结合局部搜索算子的蜘蛛群集算法的模糊PI控制参数的优化研究,且进行了田间木薯块根拔起试验。结果表明,结合局部搜索的蜘蛛群集算法比蜘蛛群集算法具有较快的收敛速度和较高的搜索精度,模糊PI控制参数的优化结果,控制参数K_p为0.841,K_i为0.203 9,在优化的控制参数条件下,块根拔起速度能较好跟随较优块根拔起速度,木薯块根的垂直拔起速度与块根拔起较优速度的平均相对误差为4.5%,滑块位移与理论值的平均相对误差为3.7%。     

木薯块根拔起力的力学模型和数学模型分析

为了探讨不同块根拔起速度和块根生长状况对块根最大拔起力的影响规律,该文采用物理试验方法、ANSYS/LS-DYNA显式动力学仿真技术及土力学理论分析方法进行物理试验和力学分析,建立了考虑拔起速度影响的木薯块根拔起力的力学模型和数学模型,且对模型进行了试验验证。结果表明,假设木薯块根对土壤的作用为一圆盘和圆盘外延对土壤的共同作用的力学模型合理;圆盘最大拔起力的数学模型精度高,理论值与实测值的相对误差小于16%;木薯块根最大拔起力的数学模型对成圆盘状分布生长的木薯块根拔起力有较高的预测精度,对生长分布较不均匀的木薯块根拔起力的预测精度较低,但理论值与实测值的相对误差也小于27%;木薯块根最大拔起力随拔起速度、块根圆盘直径和圆盘深度的增大而增大;块根圆盘深度对木薯块根的最大拔起力的影响最大,其次是圆盘直径,最后是拔起速度。该文为挖拔式木薯收获机械块根拔起机构系统的设计提供依据。     

木薯块根拔起的最大应力数值模拟及试验

为了探明木薯拔起时块根最大应力的影响规律和确定块根不被拔断的允许最大拔起力,论文采用FEM(finite element method)和SPH(smoothed particle hydrodynamics)的耦合方法及二次回归旋转设计方法,通过构建土壤-块根-茎秆系统的数值模拟计算模型,进行木薯块根拔起数值模拟试验,测定各因素组合条件下的块根最大拔起力和块根最大应力,建立块根最大应力与拔起速度、块根的大小、长短和生长深度及土壤的软硬程度的多因素耦合数学模型,研究了各影响因素及交互作用对块根最大应力的影响规律,同时,通过块根最大拔起力和块根最大应力的散点图,研究了块根最大拔起力和块根最大应力的相关性,确定了块根不被拔断的允许最大拔起力,且2014年12月底在广西武鸣县某木薯种植地,采用随机抽样方法,进行了木薯块根最大拔起力和块根拔断率的田间试验和统计分析,对块根不被拔断的允许最大拔起力进行了验证,最大拔起力小于0.98 k N时,块根拔断率为2.5%。结果表明,块根最大应力与各影响因素的多因素耦合数学模型的F检验在0.000 1水平上显著,精度较高,可用于块根最大应力的影响分析;块根最大应力随拔起速度的增大呈先增大,后减小的变化,随生长深度、块根长度和土壤硬度的增大而增大,随块根直径的增大而减小;块根最大应力与最大拔起力相关性不强,块根允许最大拔起力约为0.98 k N。     

缓冲筛式薯杂分离马铃薯收获机研制

针对现有马铃薯收获机薯土分离效果不理想、伤薯率和破皮率较高等问题,该文采用"2级高频低幅振动分离+薯秧分离及侧输出+低位铺放"的薯土分离工艺,研制了一种缓冲筛式薯杂分离马铃薯收获机,该机具主要由挖掘装置、松土限深装置、切土切蔓装置、分离筛、振动调整装置、薯秧分离装置、秧蔓侧输出装置、低位铺放装置以及压实整平装置等部分组成。结合分离筛末端与缓冲筛衔接处的薯杂分离状况,分析了缓冲筛倾角变化对薯块和秧蔓的影响规律,优选出较佳的缓冲筛倾角为36°。试验结果表明,在收获速度为0.88和1.16 m/s时,生产率分别为0.41和0.54 hm~2/h,伤薯率分别为1.47%和1.12%,破皮率分别为1.89%和1.07%,各项性能指标均满足相关标准的规定。随着收获速度的增加,薯块碰撞加速度峰值和碰撞次数均减小,可有效降低伤薯率和破皮率,但明薯率有所降低;反之,碰撞加速度峰值明显增大,明薯率提高的同时伤薯率和破皮率也明显增大。薯块位于分离筛上对应于薯垄边缘位置时,容易产生较大的碰撞加速度峰值(150g)。研究结果可为进一步探讨薯土分离减损控制方法及薯土分离工艺的优化改进提供参考。     

挖拔式木薯收获机的研制与样机试验

摘要：针对木薯块根在土壤中分布的复杂性,为了将木薯块根顺利地从各种松硬程度不同的土壤收获出来,模拟人工收获木薯的机理,借鉴马铃薯、大蒜、红薯等根茎类作物收获机械的基本原理和结构,以木薯生物和物理特性为依据,该文研制出一种可一次性完成薯块的挖掘、分离、输送等工作的挖拔式木薯收获机。该文主要介绍了挖掘铲、夹持输送机构及动力传输机构及关键参数的确定。该栅条式挖掘铲的关键参数为铲平面倾角为20°,铲长为550 mm,铲宽为1 000 mm。计算出整机总传动比为2.29,变速箱传动比为2,输出速度为500 r/min,链传动的传动比为1.15,输出速度为435 r/min。该机与中型拖拉机配套使用,通过样机的试制和田间试验结果表明：挖拔式木薯收获机整机运行平稳,总体达到挖拔结合收获木薯的要求。     

荸荠收获机弹簧辊式泥果分离装置研制

针对荸荠收获泥果分离难、果实损伤率高的问题，根据旱地环境下荸荠采收作业需求，该研究提出一种由正反旋弹簧并排布置的荸荠收获机弹簧辊式泥果分离装置。通过对荸荠与弹簧辊的相对运动过程动力学分析，确定了影响荸荠收获泥果分离的关键因素为弹簧外径、螺距、相邻弹簧间距、高度差及弹簧转速、线径、作业速度。利用EDEM软件建立泥果混合物离散元模型，对弹簧辊结构参数与工作参数进行单因素试验，分析各因素对泥果分离效果的影响。以荸荠筛分率和土壤筛分率为指标进行二次回归正交试验，得到弹簧辊最佳参数组合为外径100 mm、螺距30 mm、间距9 mm、转速420 r/min，该参数组合下荸荠筛分率为80.00%，土壤筛分率为80.69%。进行仿真验证试验，对比试验结果与模型预测值，荸荠筛分率平均相对误差为2.09%，土壤筛分率平均相对误差为2.42%。以明果率、伤果率、破皮率、挖净率为指标开展模拟采挖试验，分析不同线径弹簧辊的泥果分离能力，确定12 mm线径弹簧兼具较好的振动筛分性能和较低的损伤率。通过实际收获试验测得作业速度0.21 m/s，作业效率0.19 m² /s，碎土率75.61%，明果率82.42%，伤果率14.73%，破皮率7.01%。研究结果可为荸荠收获机研制和优化改进提供参考。     

弹性揉搓式马铃薯联合收获机设计与试验

针对现有马铃薯联合收获机薯土分离与清土除杂效果不够理想，伤薯率、破皮率和含杂率较高等问题，该研究采用“双重振动分离+弹性揉搓除杂+缓冲减损集薯输送”收获工艺，设计了一种弹性揉搓式马铃薯联合收获机，主要部件包括挖掘装置、液压调控薯土分离装置、弹性揉搓清土除杂装置和缓冲减损集薯输送装置等。在阐述整机结构、收获工艺特点和工作原理的基础上，分析马铃薯运行轨迹、碰撞过程及土块破碎透筛过程，确定双重振动薯土分离段、弹性揉搓清土除杂段和缓冲减损集薯输送段的结构及运行参数，以满足高效分离除杂和减损防损需求。通过田间试验验证，在挖掘深度为220 mm，作业速度分别为3.17和4.16 km/h时，损失率分别为1.17%和1.43%，伤薯率分别为1.30%和1.27%，破皮率分别为1.98%和1.84%，生产率分别为0.41 和0.54 hm²/h，各项性能指标均满足相关标准的要求，可为装备研发和优化改进提供参考。     

单垄单行甘薯联合收获机薯秧分离机构设计与参数优化

针对中国甘薯联合收获机作业薯秧分离机构分离不彻底、甘薯损伤数量多、茎秆缠绕机具部件等亟待解决的问题,该文基于自走式甘薯联合收获机设计了一种结构简单、摘净率高、伤薯率低以及防茎秆缠绕的薯秧分离机构。根据设计计算确定了分离机构结构参数,其中挖掘输送装置总长度为2050mm,水平倾角为24°;主动轴和摘辊半径分别为18、36 mm;输送装置下层杆条与摘辊间距为27 mm,最上端与摘辊之间距离为251 mm。经过理论分析明确了甘薯的运动特性及其影响作业质量的主要工作参数机具前进速度、主动轴转速、输送装置水平倾角。通过薯秧分离试验发现在甘薯收获期薯秧分离力与其含水率变化规律符合二次函数关系,进一步开展田间试验借助Box-BenhnKen的中心组合设计方法选取主要工作参数对摘净率和损伤率的影响并作试验设计,以此为基础开展三因素三水平一次回归正交试验。在DESIGNEXPERT中使用响应曲面法分析各因素对摘净率和损伤率影响效应并对回归模型的参数进行优化。当田间试验取最优参数组合机具前进速度1.2 m/s、主动轴转速895 r/min、输送装置水平倾角24°时,摘净率和损伤率分别为98.14%、2.76%,分离效果满足甘薯收获要求。该研究也为其他土下果实联合收获作业果秧分离机构提供思路。     

4UFD-1400型马铃薯联合收获机的研制

针对目前国内条铺式马铃薯挖掘机存在的人工拣拾薯块费工费时、效率低等突出问题,研制了一种44～58.8kW拖拉机半悬挂式中型马铃薯联合收获机。该机主要由仿形碎土装置、挖掘装置、土薯分离输送装置、薯秧分离装置、薯块输送、分级、装袋装置、传动系统、液压操纵装置以及机架、地轮等部分组成,幅宽1400mm,纯工作时间生产率0.3～0.5hm2/h,可一次完成马铃薯挖掘、土薯分离、茎秆、杂草及地膜分离、薯块输送、分级、装袋等作业,收获过程耗用人工少,显著提高了生产效率。田间收获试验表明:该机对旱地尤其是全覆膜旱地马铃薯的收获质量好,土薯分离、茎秆及地膜分离良好,损失率、伤薯率、含杂率分别小于1.38%、4.2%和3.42%。适用于土质松软、无板结的旱地(覆膜)种植马铃薯的联合收获。     

残膜回收机逆向膜土分离装置的设计与参数优化

针对土壤耕层多年沉积的残膜力学性能差、膜土分离困难、残膜碎片回收率低的问题,设计了一种链齿式残膜回收机。该机具主要工作部件有捡拾装置和膜土分离装置。机具的作业深度为0～150mm,捡拾装置完成起膜并对膜土进行输送,随后通过逆向膜土分离装置进行分离,最终把残膜运送至集膜箱。以捡拾装置角速度、膜土分离装置角速度、膜土分离装置角度为试验因素,以残膜回收率和含土率为响应值对链齿式残膜回收机进行三因素三水平的二次回归正交试验。通过试验得到了各因素的响应面模型,分析了各因素对作业效果的影响并对各因素进行了优化。结果表明,试验因素对残膜回收率的影响显著顺序为:膜土分离装置角度捡拾装置角速度膜土分离装置角速度;试验因素影响含土率的顺序为:膜土分离装置角度膜土分离装置角速度捡拾装置角速度;对优化结果进行试验验证得,捡拾装置角速度42 rad/s、膜土分离装置角速度57rad/s、膜土分离装置角度37°时,此时残膜回收率为81.12%,含土率为34.83%;且各个评价指标的试验值与模型优化值的相对误差均小于5%。该机具利用逆向膜土分离装置可以解决膜土分离困难、残膜碎片回收率低的问题,可为后续残膜回收机膜土分离装置机构的研究和优化提供参考。     

Performance evaluation of three pre-lift soil loosening devices for cassava root harvesting

Loosening the soil in the root zone before lifting the tubers out of the soil is a function critical for efficient harvesting of cassava (Manihot esculenta, Crantz) both in terms of lifting force reduction and prevention of tuber damage. Therefore, three soil loosening devices were modified for pre-lift soil loosening in cassava harvesting, and evaluated for performance in terms of soil disturbance and soil forces acting on them in a laboratory soil bin and in the field under similar soil characteristics. The devices include an L-tine, an A-blade, and a combination of a curved chisel tine working at a depth of 0.1 m ahead of a L-tine. Results show that of the three devices, the A-blade had the least soil forces and specific resistance followed by the L-tines. Furthermore, results indicate that the L-tines are most suitable for pre-lift soil loosening in cassava harvesting due to their simplicity of fabrication, reduced damage to cassava roots and adjustable width. The results show that a harvester incorporating L-tines as the pre-lift soil loosening device (requiring draught force of 18.6 kN/m) is technically feasible.     

收获期马铃薯块茎碰撞恢复系数测定与影响因素分析

为了建立马铃薯块茎在土薯分离机构和振动筛上发生碰撞时的碰撞模型,该文基于质点对固定面的碰撞动力学理论在自制测定装置上对马铃薯块茎碰撞恢复系数进行了试验测定。对块茎碰撞恢复系数的主要影响因素碰撞材料、下落高度、块茎质量、含水率、跌落方向和马铃薯品种等进行了混合正交试验和单因素试验。混合正交试验结果表明,各因素对马铃薯块茎碰撞恢复系数的影响顺序为:碰撞材料、下落高度、块茎质量、含水率、跌落方向和马铃薯品种,其中碰撞材料、下落高度、块茎质量和含水率影响较为显著。单因素试验结果表明,马铃薯与65Mn钢、橡胶、马铃薯和土块间块茎碰撞恢复系数依次减小,其中新大坪的值分别为0.791 2、0.710 5、0.663 2、0.525 3,陇薯7号的值分别为0.762 7、0.695 2、0.690 4、0.563 1;马铃薯块茎碰撞恢复系数随着下落高度、块茎质量和含水率的增加而减小,回归方程决定系数均大于0.9。研究结果可为马铃薯收获机挖掘及土薯分离装置关键部件的优化设计提供参考。     

预切种式木薯排种机构设计与试验

针对当前预切种式木薯播种器存在充种效果差、合格指数低的问题，该研究设计了一种由落种滑板、主动辊筒、型孔摩擦带、支撑辊组、从动辊筒及储种箱等组成的预切种式木薯型孔摩擦带式精密排种机构。阐述了排种机构的基本结构和工作原理。对关键部件参数进行设计，通过理论分析确定影响排种机构充种性能的主要因素为型孔摩擦带型孔形状、型孔数量、型孔摩擦带安装倾角、型孔摩擦带速度以及种茎层厚度。基于离散元法（discrete element method,DEM）建立种茎群-型孔摩擦带仿真模型，通过单因素仿真分析各因素对充种性能及种茎群规律的影响。以充种合格指数和漏充指数为评价指标，通过二次回归正交旋转组合仿真分析确定最优参数，利用Design-Expert数据软件，建立各试验因素与评价指标的数学回归模型，并进行参数优化。结果表明，影响充种合格指数和漏充指数的因素主次顺序为型孔摩擦带速度、型孔摩擦带安装倾角和种茎层厚度，圆整后的最优参数为型孔摩擦带速度0.6 m/s、型孔摩擦带安装倾角45°，种茎层厚度250 mm，此时的模型预测充种合格指数为94.63%，漏充指数为3.42%，重充指数为1.95%。在最优参数下...     

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。     

清种补种上提式甘蔗排种器设计与试验

针对甘蔗横向排种器因无序排种导致漏播指数高、排种合格指数低,致使出芽率低影响甘蔗总产量的问题,该研究设计了一种具有清种补种功能的上提式甘蔗排种器。首先对排种过程进行动力学分析,确定排种器的关键结构和工作参数。然后采用EDEM-RecurDyn耦合仿真分析,模拟蔗段与弹性板间的碰撞,分析蔗段的受力及运动,并通过推压试验确定弹性板的参数。为获得排种器的最佳性能参数,在单因素试验基础上,进行二次回归正交旋转组合试验。结果表明：一级清种补种区长度、二级清种补种区长度对漏播指数、重播指数、合格指数具有显著影响（P<0.01）;排种带速度对漏播指数具有显著性影响（P<0.01）,而对重播指数、合格指数影响不显著（P>0.05）。利用多目标优化方法确定最佳参数组合为：一级清种补种区长度13 cm、二级清种补种区长度16 cm、排种带速度97 mm/s。此时,漏播指数为1.7%,重播指数为3.5%,合格指数为94.8%;与常规上提式排种器的漏播指数6.9%对比,该排种器漏播指数降低了75%。该排种器可有效减少甘蔗播种的漏播指数、提高排种的合格指数,有利于实现甘蔗的精准种植。     

批次式种子清选机橡胶球清筛装置激振力模拟分析

橡胶球清筛装置清筛性能对批次式种子清选机作业效率与质量具有重要影响,橡胶球对筛面的激振力是决定清筛性能的关键因素。针对橡胶球随机弹性碰撞清筛过程理论解析困难、橡胶球激振力难以精准获取等问题,该研究介绍了橡胶球清筛装置结构与工作原理,分析了橡胶球弹跳产生条件与激振力作用机制;采用Hertz-Mindlin接触模型建立了筛分装置EDEM-MBD耦合仿真模型,并搭建了橡胶球激振力测定装置,单个橡胶球平均激振力、最大激振力模拟值与实测值相对误差分别小于5%、10%,形成了橡胶球激振力模拟方法;采用四因素三水平Box-Behnken试验模拟了不同工况下清筛装置激振力,建立了平均激振力、最大激振力与振幅、振动频率、筛面倾角、球格球数等参数的数学关系;以筛面卡种数量为指标开展了玉米种子清选清筛性能试验,获得了不同振动频率下筛面卡种数量与清筛装置激振力的对应关系。试验结果表明：振动频率为7.2 Hz时筛面无卡种,清筛装置平均激振力8.87 N、最大激振力18.78 N;批次式玉米种子清选作业各工况清筛装置激振力应满足条件：平均激振力≥9 N、最大激振力≥19 N。研究结果可为橡胶球清筛装置清筛机理研究及其结构参数优化提供研究方法与设计参考。