外槽轮排肥器关键工作参数对排肥量影响的仿真与试验研究

明确排肥器工作参数对排肥量的影响,有助于提高外槽轮排肥器的排肥性能。应用离散元法(EDEM)研究外槽轮排肥器工作过程的基础上,以外槽轮工作长度、排肥轴转速、排肥舌开口角度为试验因素,以排肥量为评价指标,综合应用离散元法、二次正交回归试验、排肥器排肥台架试验,研究排肥器工作参数对排肥量的影响。建立外槽轮排肥器工作参数与排肥量之间的数学模型,明确工作参数对排肥量影响程度大小依次为:外槽轮工作长度、排肥轴转速、排肥舌开口角度。仿真与台架试验排肥量的平均相对误差为10.04%,且试验结果的方差分析结论一致。研究成果可以为施肥机械排肥量的调整和机具设计提供依据。     

稻麦精准变量施肥机排肥性能分析与试验

为提高基于近地光谱技术的稻麦精准变量施肥机排肥性能稳定性,改善变量施肥控制精度,建立了外槽轮式变量施肥机离散元仿真模型,运用离散单元法和EDEM 2.2软件对施肥机排肥过程进行性能分析和数值模拟,研究不同排肥器结构和施肥控制策略对施肥机排肥稳定性的影响,并通过台架试验和田间试验验证仿真模型的准确性。结果表明:改进后的排肥器施肥量变异性系数明显减小,标准差减小14.59 g,变异系数降低9.9%;采用转速优先控制策略,当槽轮开度为19.34 mm时,排肥量稳定性系数最佳为1.09%;采用开度优先控制策略,当槽轮转速为55.75 r/min时,排肥量变异性系数最小为1.85%;与验证试验结果相比,误差最大为14.06%。结果验证了离散元仿真方法分析颗粒运动过程的准确性,表明所设计改进的排肥器能够提高施肥机排肥稳定性,满足稻麦精准变量施肥要求。     

油菜直播机四头螺旋双行排肥器设计与试验

针对油菜直播机常用外槽轮排肥器排肥稳定性和均匀性不足及各行一致性低等问题,设计了一种四头螺旋双行排肥器。分析了肥料颗粒在螺旋排肥中的运动特性,确定了排肥螺旋螺距范围和临界转速,运用EDEM仿真分析得出排肥螺旋头数为四头和螺距为24mm时,排肥器具有最佳的排肥性能;开展了排肥螺旋转速对排肥器排肥性能影响和不同肥料适应性的台架试验,试验结果表明,排肥速率随排肥螺旋转速增大而增加,单行排肥速率为461.19~1328.57g/min,排肥均匀性变异系数随排肥螺旋转速增大而变小,在转速大于30r/min时,排肥均匀性变异系数小于6.5%,总排肥量稳定性变异系数和双行排肥量一致性变异系数均小于2.2%;同时研究表明一器双行四头螺旋排肥器能适应广泛应用的不同类型油菜直播常用复合肥,3种试验肥料排肥均匀性变异系数均满足施肥标准,总排肥量稳定性变异系数和双行排肥量一致性变异系数均低于3.3%。田间试验结果表明,理论施肥量为28.87kg时,一器双行螺旋排肥器实际施用量与理论施用量相对误差为2.33%,排肥均匀性变异系数为6.73%,双行排肥量一致性变异系数为1.98%。试验结果满足油菜直播生产施肥要求,可为油菜直播排肥器的结构改进和优化提供参考。     

基于EDEM的螺旋式排肥器排肥性能研究

为优化改进螺旋式排肥器在热带果园中的施肥效果,在试验统计获得肥料颗粒物理及相关力学仿真参数的基础上建立了颗粒肥料的EDEM模型,并通过对其与螺旋式排肥器数字化模型耦合进行排肥过程仿真分析。通过随机选取料箱左、中和右侧的单个肥料颗粒,获得了不同位置的仿真运动轨迹、速度与受力变化曲线图。数据分析结果表明:不同转速下的排肥螺旋单圈排肥量变异系数均小于2%;螺旋叶片直径对排肥量影响显著(P0.05),呈线性负相关;螺距和排肥轴转速对排肥量影响极显著(P0.01),呈线性正相关。建立的螺旋式排肥器模型结构合理,排肥过程稳定性与均匀性较好,可为螺旋式排肥器的优化设计提供参考。     

基于离散元的包膜肥料Bonding模型参数标定

包膜肥料是在粒状水溶性肥料表面涂覆半透水性或不透水性物质，养分通过包膜的微孔、缝隙慢慢释放出来，节肥增效作用显著。包膜肥料的养分释放特性与包膜层材料、结构紧密相关，目前常用的排肥器在排施肥料过程中会对肥料颗粒造成不同程度的机械损伤，导致包膜层破坏。为设计适用于包膜肥料无损排施的排肥器，同时缩短研发周期，采用离散元软件中的Bonding模型建立肥料颗粒仿真模型。为提高仿真精度，需对Bonding模型进行参数标定。首先通过单轴压缩试验得到包膜肥料颗粒的实际极限破碎位移和极限破碎载荷，在离散元软件中以此为目标依次通过Placket-Burman试验、Steepest ascent试验和Box-Behnken试验确定最优的Bonding模型参数组合。最优条件下单轴压缩试验表明，极限破碎位移和极限破碎载荷与实际值的相对误差分别为0.222%、0.554%。借助外槽轮排肥器验证所得标定参数组合的可靠性，以肥料颗粒破碎率为指标，得到实际与仿真中肥料颗粒破碎率相对误差不大于11.40%,满足施肥机械设计参数优化需求，可为研究包膜肥料颗粒机械破碎机理、优化设计无损排施的新型排肥器提供参考。     

精准变量排肥器结构优化设计与试验

为解决小麦播种粗放式施肥方式,符合未来精准农业对现代化农业生产的技术要求,本文建立排肥器几何体模型和颗粒离散元仿真模型,对排肥器进行离散元分析,改进导流槽结构;同时运用离散元方法分析外槽轮排肥器不同尺寸和不同运动参数下种群运动规律,分别探讨排肥器槽深和施肥速度优先控制策略对排肥稳定性影响,并应用正交试验对双变量进行方差分析,得出这两个变量对排肥性能影响力的大小。台架试验和田间试验结果表明:改进后的排肥器各行变异系数降低1.3%,总排肥量稳定性变异系数降低3.5%。采用排肥轴转速优先控制策略,当轮槽深度为8mm时,总排肥量稳定性变异系数小于6.5%;采用轮槽深度优先控制策略,当排肥轴转速20r/min时,总排肥量稳定性变异系数小于5.3%。     

双变量螺旋外槽轮排肥器控制序列对排肥性能的影响

施肥稳定性是评价变量施肥机作业性能的重要指标，为了研究排肥口开度（L）和排肥轴转速(n)的组合对排肥性能的影响规律，本文基于离散单元方法，对同一目标施肥量下，不同L和n组合下的施肥过程进行仿真。首先，通过标定试验，构建了基于广义回归神经网络GRNN的排肥量预测模型，经过验证，其决定系数达到0.9994，预测平均相对误差（MRE）为3.56%。其次根据螺旋外槽轮排肥装置的等排肥量曲线，选择3个排肥量1067.37、2323.04、4206.56g/min为目标排肥量，并利用差分进化算法（DE）确定同一目标施肥量下的控制序列(L,n)的组合。最后，利用离散元仿真软件EDEM 2.8分别对3个目标施肥量，不同控制序列下的排肥过程进行仿真。采用排肥均匀性变异系数σ作为评价排肥稳定性的指标，仿真结果表明，在目标排肥量Q1下，当控制序列为(25mm,17.78r/min)时，σ最小，为5.27%；在其他控制序列，σ均高于20%，排肥稳定性较差，且出现断条现象。在目标排肥量Q2下，当控制序列为(65mm，17.12r/min）时，σ最小，为3.46%。在目标排肥量Q3下，σ均小于4%，且在控制序列(65mm，32.85r/min），σ达到最小，为2.08%。当目标施肥量较小时，控制序列的选择对排肥稳定性影响显著，工作时，应尽量避免开度、转速的边界量。当目标施肥量较大时，控制序列选择对外槽轮排肥稳定性的影响较小。结果表明，螺旋外槽轮排肥器具有较好的排肥稳定性。     

油菜深施肥播种机动态倾斜工况排肥性能试验

针对油菜播种机同步深施肥作业中肥料条带集中，机具受地表坡度变化等因素作用发生倾斜时，各条带施肥量变化情况不明确的问题，以油菜深施肥播种机排肥系统为研究对象，构建不同倾斜工况下肥料颗粒的动力学模型，分析机具动态倾斜对肥料颗粒流动特性的影响，利用测试平台模拟播种机在1°~5°动态倾斜作业工况，开展外槽轮排肥器各行排量一致性和总排量稳定性影响试验，并建立倾斜状态对施肥均匀性影响的数学模型。试验结果表明，播种机处于水平状态理想工况时，排肥器各行排量一致性变异系数和总排量稳定性变异系数平均为8.75%和0.89%；当播种机沿作业方向前后动态单向倾斜或俯仰，随着角度增大，排肥器各行排量一致性和总排量稳定性变异系数逐渐减小，最低可达8.35%和0.41%，说明沿作业方向的前后俯仰摆动对外槽轮排肥性能具有增益效应；而播种机沿垂直作业方向左右动态单向倾斜或往复摆动角逐渐增大时，排肥器各行排量一致性和总排量稳定性变异系数逐渐增大，往复摆动最大倾角为5°时达到最大值11.41%和2.16%。研究结果为油菜机械化播种同步深施肥作业和播种机施肥性能优化提供了参考。     

偏心弹射式排肥器设计与仿真试验

针对目前穴施排肥器存在易伤作物、喷肥均匀性差、喷肥可靠性低等问题,设计一种偏心弹射式排肥器。根据颗粒肥穴施特性,基于盛肥腔体积压缩而形成压力差的原理,借助人机交互平台,设计关键部件弹射机构和偏心机构,优化机构的结构与工作参数,分析肥料在腔体内的受力状况和运动轨迹。该排肥器主要由排肥装置、偏心轮装置、弹射部件等组成。通过Soildworks三维建模,运用离散元法(EDEM)和动力学(RecurDyn)耦合仿真分析技术对排肥器的成穴性进行仿真,并进行台架试验。试验表明:该机构弹射性能稳定可靠,对农作物无机械损伤。在排肥器角速度为6.2 rad/s、6.7 rad/s,7.2 rad/s时,每穴排肥量一致性变异系数分别为2.8%、3.3%、4.0%,肥料喷射均匀性较好。作业效率等各项指标与预期目标差异性小。离散元仿真值与台架试验相对误差值接近,表明台架试验结果真实可靠。     

无管式小麦播种机电控排肥装置设计与试验

为实现变量施肥和提高施肥的均匀性、准确性,设计一种电控排肥装置。该装置可根据机组的作业速度、输入的目标施肥量和外槽轮有效工作长度自动调整外槽轮转速。搭建电控排肥装置试验平台,完成对系统参数的标定,通过试验得出外槽轮排肥器有效工作长度和平均每转排肥量的函数关系,在20～40 r/min转速区间内,排肥稳定性较好。田间试验结果表明,在25～40 r/min转速区间内,各行排肥量变异系数小于1.72%,排肥均匀性良好;在目标施肥量为150、200和250 kg/hm~2时,实际施肥量与目标施肥量的偏差均小于7.68%,可以为精准施肥技术提供参考。     

电控液压双变量施肥机排肥试验研究

为了分析各因素对外槽轮排肥器排肥量的影响,通过标定试验,利用线性回归方程得出排肥轴驱动信号与排肥轴转速的关系,并得到一个合理的排肥轴转速区间。同时,采用正交试验设计的研究方法,确定排肥轴转速(N)、槽轮开度(L)、肥料种类对双变量施肥机排肥量的影响,并对正交试验结果进行了极差分析和方差分析。研究结果表明,影响排肥量大小的因素依次为槽轮开度、排肥轴转速、肥料种类。由此,可为减弱外槽轮排肥器脉动性等后续研究提供重要理论参考。     

反转啮合齿轮式排肥器的设计与仿真分析

针对排肥器排肥流量均匀性不高的问题,设计了一种反转啮合齿轮式排肥器,利用反向啮合齿轮连续交替排出肥料,提高排肥流量均匀性。对排肥器排肥量和流量均匀性进行理论分析,确定对排肥量和流量均匀性产生影响的因素,利用EDEM建立排肥器离散元仿真模型,进行仿真验证试验。结果表明:反转啮合齿轮式排肥器较外槽轮式排肥器排肥流量均匀性有较大提高,且反转啮合齿轮式排肥器排肥流量均匀性随转速的增加而增加。     

插板式叶轮排肥器安装角度的优化与试验

为改进插板式叶轮排肥器的肥料填充性能,针对插板式叶轮排肥器的安装角度,采用离散元仿真技术进行了试验研究。以体积确定的叶轮槽轮单圈排肥量作为基准,在叶轮转速30r/min、开度40mm的条件下,对安转角度从0°~90°开展7组离散元仿真试验。结果表明:安装倾角为36.4°时,排肥器单圈排肥量与基准值一致,且在该角度±10°范围内均满足相对误差小于5%的施肥要求。在该安装角度下开展了3种肥料的验证试验,结果表明:安装角度为36.4°时,不同肥料单圈排肥量与开度呈线性关系,开度全调节范围内单圈排肥量线性回归的R 2为0.995以上,满足插板对工作长度调节的需求,与仿真结果基本吻合。本研究为插板式叶轮排肥器的设计优化提供了参考和理论依据。     

穴施肥排肥器设计与试验

穴播作物采用对穴施肥的方法可以提高肥料利用率、降低生产成本。为此,设计了一种勺轮式穴施肥排肥器。运用EDEM离散元仿真技术对排肥器的成穴性进行仿真试验,对每穴施肥量均匀性进行了测试,并且分别测定了排肥部件角速度为100°/s、150°/s和200°/s时,每穴施肥量一致性变异系数分别为2.66、3.10和4.18。随后在排种器试验台上进行了验证试验,验证试验中测得的相应变异系数分别为4.2 6、4.8 7和6.1 6,变化趋势与仿真试验相同,整体试验结果与仿真试验结果相似。设计的穴施肥排肥器性能可以满足生产要求,为穴施肥精密播种机的设计打下了基础。     

螺旋锥体离心式排肥器扰动防堵机理分析与试验

针对传统排肥器因肥料架空结拱堵塞而影响排肥性能的问题，通过构建螺旋锥体离心式排肥器排肥过程颗粒化肥的运动模型及扰动破拱防堵机理分析，阐明了螺旋扰动叶片破拱防堵作用机理。采用EDEM离散元软件，进行了有、无螺旋扰动杯的排肥器排肥过程仿真对比分析，螺旋叶片能够为肥箱出肥口与排肥器连接处及扰动杯内的颗粒化肥提供卷携扰动作用，同时可增大颗粒化肥下移速度，防止肥料架空结拱堵塞。高速摄像试验表明：肥箱出肥口与有螺旋扰动杯排肥器连接处的颗粒化肥做与弧形锥体圆盘转速相同方向的向下运动，颗粒化肥运动流畅，无断层下落问题；无螺旋扰动杯排肥器与肥箱出肥口连接处的颗粒化肥做缓慢的向下运动，且运动过程中出现了颗粒化肥断续下落问题。台架试验表明：有螺旋扰动杯的排肥器排肥频率稳定性系数在96%以上，排肥量稳定性变异系数不超过5.57%，满足施肥质量要求，明显优于无螺旋扰动杯的排肥器。     

基于颗粒肥料运动模型的排肥器优化与试验

针对螺旋锥体离心式排肥器排肥性能需提升、各参数对排肥性能影响规律不明确及相关理论和解析模型研究不深入的问题,建立了颗粒肥料在排肥器内的运动模型,通过理论分析确定了弧形锥体圆盘的母线方程及影响排肥器性能的主要结构参数和范围。采用EDEM离散元仿真软件,开展了以排肥器锥盘离送段水平倾角δ、推板径向偏角γ及锥盘转速n为试验因素,以排肥量稳定性变异系数CV1、各排肥管道排出肥料的一致性变异系数CV2及随机选取的某一路排肥管道的同行排肥量一致性变异系数CV3作为响应指标的二次回归正交旋转组合试验,应用Design-Expert软件分析了各参数对排肥性能的影响规律,确定了排肥器最优结构参数为水平倾角30.4°、推板径向偏角3.2°、锥盘转速130r/min。为验证所优化排肥器的排肥性能,基于排肥器最优参数组合,开展排肥器在100、110、120、130r/min的排量标定及性能验证试验,试验结果表明,排肥器行最大供肥速率为1.6kg/min,排肥量稳定性变异系数不大于3.12%,各行排肥量一致性变异系数不大于5.29%,同行排肥量一致性变异系数不大于2.05%,各指标均满足施肥量要求。田间试验表明,排肥器排肥量稳定性变异系数不大于4.57%、各行排肥量一致性变异系数不大于6.98%、同行排肥量一致性变异系数不大于3.56%,满足行业标准要求。该研究可为进一步提高排肥器性能及排肥器设计提供理论参考。     

斜口螺旋精控排肥器优化设计与试验

为解决螺旋排肥器排肥流量不均匀影响精控施肥的问题,在通过排肥过程肥料运动状态仿真分析确定其排肥不均原因的基础上,采用倾斜排肥口的结构设计以提升排肥均匀性。利用EDEM建立斜口螺旋排肥器仿真模型,以斜口长度x1、斜口角度x2、开口宽度x3试验因素,排肥流量变异系数为试验指标,进行二次通用旋转组合设计试验研究。试验结果表明：试验因素对试验指标的影响主次顺序为x3、x2、x1,且当x1为105mm、x2在30°~44°范围内、x3在40.05~55.00mm范围内时,排肥流量变异系数σ小于15%,排肥均匀性较佳。采用台架试验对传统及斜口螺旋排肥器进行对比试验,结果证明：转速60r/min时斜口螺旋排肥器排肥流量变异系数σ为13.59%,与理论优化值相吻合,且斜口螺旋排肥器均优于传统螺旋排肥器。同时基于实测的排肥器排肥转速流量曲线,设计一种排肥控制器并进行台架试验,结果表明其可实现精控施肥。     

双齿轮式排肥器设计与试验

为了提高颗粒肥料的施肥均匀性,设计了双齿轮式排肥器。利用离散元软件对排肥过程进行仿真分析,以排肥轮压力角、排肥轮间隙为试验因素,以排肥均匀度变异系数为排肥效果评价指标,分析因素对指标的影响。单因素试验结果表明,排肥轮压力角在15°～25°,排肥轮间隙在4～6 mm,排肥效果较好;通过二次通用旋转组合试验,建立了两个因素与评价指标的回归方程,试验结果表明,随排肥轮压力角、排肥轮间隙的增大,排肥均匀度变异系数均呈现先增大、后减小的趋势,当排肥轮压力角为19. 52°、排肥轮间隙为4. 7 mm时,排肥器具有最优的排肥效果,此时理论计算和仿真试验的排肥均匀度变异系数分别为15. 30%和14. 58%,两者偏差为0. 72个百分点,说明回归模型准确。最优结构参数组合下双齿轮式排肥器的台架试验结果表明,排肥量可通过排肥轮转速线性调节,排肥均匀度变异系数为15. 42%,与仿真值及理论值基本一致;同等条件下外槽轮排肥器的排肥均匀度变异系数为20. 29%,试验排肥器排肥均匀度变异系数提高了31. 58%,排肥均匀性得到明显改善。     

玉米行间滚轮式穴施排肥器设计与试验

针对玉米在大喇叭口时期追肥机械化水平低的问题，结合黄淮海地区玉米播种行距、株距的农艺要求，设计了一种滚轮式穴施排肥器。为满足穴施排肥器稳定深施要求，基于Abaqus建立成穴器动力学模型，对穴施排肥器进行成穴性能和扎穴压力分析，利用分析结果对液压系统进行设计选型；根据穴施排肥器排肥稳定性要求，应用EDEM建立机具-土壤-肥料离散元模型，进行3种作业速度下的抛土特性和穴施量分析，得出当滚轮式穴施排肥器作业速度为1.5m/s时，排肥效果最佳。试验结果表明：该排肥器以速度1.5m/s作业时，平均穴排肥量为9.01g，穴施肥量偏差为11.2%，施肥均匀性变异系数为4.17%；施肥深度合格率92%，施肥深度变异系数6.57%，符合设计要求。     

玉米行间滚轮式穴施排肥器设计与试验

针对玉米在大喇叭口时期追肥机械化水平低的问题，结合黄淮海地区玉米播种行距、株距的农艺要求，本文设计了一种滚轮式穴施排肥器。为满足穴施排肥器稳定深施要求，基于Abaqus建立成穴器动力学模型，对穴施排肥器进行成穴性能和扎穴压力分析，利用分析结果对液压系统进行设计选型；针对穴施排肥器排肥稳定性能要求，应用EDEM建立机具-土壤-肥料离散元模型，进行3种作业速度下其抛土特性和穴施量分析，确定滚轮式穴施排肥器作业速度1.5m/s时，排肥效果最佳；试验结果表明：该排肥器在1.5m/s的速度作业时，平均穴排肥量为9.01g，穴施量偏差为11.2%，施肥均匀变异系数为4.17%；施肥深度合格率92%，施肥深度变异系数6.75%，符合设计要求。