腔盘式精量穴施肥装置设计与试验

施肥方式粗放是造成我国肥料利用率低的主要原因之一。与条状施肥相比,穴式施肥可有效提高肥料利用率。本文设计一种用于颗粒状肥料穴式施用的腔盘式精量穴施肥装置,通过理论分析确定了装置的主要结构和工作参数,并探讨了肥腔形状(圆弧型、直线型-钝角、直线型-锐角和抛物线型)对肥料运动的影响。运用离散元法(EDEM)对不同结构和作业参数下的排肥盘充肥性能和肥群运动进行了仿真分析,结果表明:肥腔形状、前进速度和施肥量对各穴排肥量变异系数均有显著影响,随前进速度的增大和施肥量的减少,变异系数增大,且圆弧型肥腔排肥稳定性最好;前进速度和肥腔形状对肥料扰动度有显著影响,排肥盘经过箱体的时间及其对肥料扰动的形式和扰动量是影响排肥量稳定性的主要原因。在前进速度7 km/h、排肥量300 kg/hm~2的条件下,对4种排肥盘进行台架试验,结果表明,圆弧型肥腔性能最优,排肥量合格率为94%,各穴排肥量变异系数为6.5%,与仿真结果呈现相同规律,且满足作业排肥要求。     

基于EDEM的高精度施肥装置设计与试验

肥料利用率低的主要原因是施肥方式精度不高引起的,将条状施肥改变为穴式施肥,可使肥料的利用率得到提升。为此,基于EDEM采用现代化的离散元模型科技设计,对不同结构和作业参数下的排肥盘进行仿真分析计算,结果表明:肥料腔的形状、施肥装置的前进速度及施肥量均对排肥量的变异系数有着明显的影响,施肥装置的前进速度变快和施肥量的降低最终会导致排肥量的变异系数增大。通过仿真模型对比发现,相比较其他形状的肥料腔来说,整体呈现为圆弧形的肥料腔对于排肥量的稳定性最好,施肥装置在前进过程中对于肥料的扰动情况也最小。在传送带速度为7km/h、排肥量300kg/hm^2的条件下进行了试验验证,结果表明:圆弧形肥腔的稳定性最好,排肥量的合理率为94%,变异系数为6.5%,与仿真实验的结果呈现出了相同的规律,可应用到实际排肥作业当中。     

稻田气力施肥装置设计与试验

针对水稻施肥过程中肥料分布不均、作业效率低、劳动强度大等问题,设计一种稻田气力施肥装置与控制系统,采用气力输送的方式实现肥料的输送,通过电控排肥系统实现机具行驶速度与排肥电机转速实时匹配,最终达到精量施肥的目的。通过对所设计的文丘里管混合腔进行流场分析,确定最优混合腔直径为15 mm,进肥口与进气角度呈锐角;最后,进行田间试验,结果表明,在规定电机转速变化范围内,各行平均排肥量变异系数均小于2.21%,各行排肥量一致性较好,排肥量稳定;在目标施肥量为150 kg/hm²,作业速度为4 km/h时,各区域内施肥量偏差控制在7.47%以内,施肥精确性较好。肥料在排肥管中的滞后时间随着排肥管长度增加而增加,变化范围为0.67~1.81 s。本文设计的稻田气力施肥装置可以满足生产需求。     

圆盘顶出式水田侧深施肥装置设计与试验

为保证水田侧深施肥的作业效率、提高侧深施肥装置的施肥均匀性,结合寒地水稻侧深施肥的农艺要求,设计了圆盘顶出式侧深施肥装置。阐述了该装置的工作原理,并对关键部件圆盘顶出式排肥器和风送系统进行分析,建立了施肥装置排肥过程的运动学模型,得出排肥圆盘转速是施肥性能的重要影响因素,通过EDEM虚拟仿真试验确定排肥圆盘最佳工作转速为10~60r/min;进行了侧深施肥装置施肥性能试验,结果表明：各行排量一致性、施肥稳定性均满足国家施肥机械作业标准要求;以肥槽有效工作长度为因素,以施肥量均值、施肥均匀性变异系数和总施肥量为指标进行施肥均匀性试验,结果表明：当肥料密度为1.15g/cm3、肥槽有效工作长度在5~20mm之间调节时,总施肥量变化范围为137~921kg/hm2,施肥均匀性变异系数为5.96%~12.77%,满足国家施肥机械作业标准要求;与直槽轮式和斜槽轮式侧深施肥装置对比表明,圆盘顶出式侧深施肥装置有效提高了施肥均匀性,在满足施肥量要求的前提下,长时间作业未出现肥料挤压破碎现象;另选择4种不同密度的水田侧深施肥专用肥,验证施肥装置肥量调节性能,结果表明,所设计的侧深施肥装置对常用专用肥料具有良好适应性,获得了肥料密度在0.85~1.40g/cm3之间的肥槽有效工作长度与总施肥量的变化曲线,可应用于田间作业,为机具调试应用及实际施肥作业提供指导和参考。     

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。     

油菜侧深穴施肥装置设计与试验

为提高肥料利用率、降低肥料施用量、实现油菜根区施肥,结合油菜种植施肥农艺要求,提出了一种油菜侧深穴施肥工艺,设计了一种机械式穴施肥装置,阐述了穴施肥装置的工作过程,确定了穴施肥装置的基本参数,建立了充肥和排肥环节中肥料颗粒群的力学模型,分析了影响穴施肥装置成穴性能的主要因素;应用离散元软件EDEM对穴施肥排肥器的成穴性能进行了仿真试验,分析了排肥轮转速、充肥型孔长度、导肥管材料对穴排肥量误差和穴径长轴长度的影响;利用正交组合试验确定了成穴性能较优的参数组合,排肥轮转速为60r/min、充肥型孔长度为18mm、导肥管材料为ABS塑料管时,穴排肥量误差为7.05%、穴径长轴长度为62.45mm;优选参数组合下的排肥性能试验结果表明,排肥轮转速为30~90r/min时,穴排肥量误差为4.56%~15.69%、穴径长轴长度为76.32~91.50mm、穴径长轴长度稳定性变异系数为4.53%~9.78%、穴距误差为3.24%~7.31%;田间试验表明,排肥轮转速为30~90r/min时,穴排肥量误差为4.73%~16.07%、穴径长轴长度为85.21~101.65mm、穴径长轴长度稳定性变异系数为4.82%~10.63%、穴距误差为3.36%~7.58%、施肥深度稳定性变异系数为6.43%~10.85%,成穴性能较好,满足穴施肥要求。     

玉米空间分层施肥装置结构优化与试验

针对玉米分层施肥作业中开沟宽度大、回土效果差导致的肥料分层效果不明显、各层肥量难以控制等问题，设计了一种各层肥量可调的空间分层施肥装置，肥料可在土壤中形成半包围种子的分布状态。通过理论分析和设计计算确定了空间分层施肥装置的基本结构参数，明确了影响分层施肥装置内肥料颗粒运动的主要因素。运用离散元法对分层施肥装置工作过程进行仿真分析，选取施肥调节片前端宽度、后端宽度和安装角为试验因素，以上层和中层排肥口出肥量为试验指标，进行二次正交旋转组合仿真试验，建立了试验指标与影响因素的回归模型，仿真结果表明，当施肥调节片前端宽度为3.61mm，后端宽度为21.52mm，安装角为43.23°时，上、中、下3层排肥口施肥量比例为最佳施肥比例3∶3∶4。为验证仿真分析结果，在不同作业速度和不同施肥量条件下，进行了空间分层施肥装置的样机性能试验，试验结果表明，空间分层施肥装置能够实现各层肥量的目标施肥配比，在不同作业速度和不同施肥量下各层施肥量变异系数不大于4.3%，各层肥料深度误差在10mm以内，各层肥料横向距离误差在6mm以内，工作性能稳定。     

倾斜梯形孔式穴施肥排肥器设计与试验

为降低肥料施用量、提高肥料利用效率、实现植株根区施肥，设计了一种倾斜梯形孔式定量穴排肥器。阐述了穴排肥器的成穴与工作原理，分析了影响其成穴性能的主要因素，构建了充肥和排肥过程中肥料颗粒群的力学模型；应用离散元软件EDEM和流体分析软件Fluent对穴排肥器的成穴性能进行了仿真分析，研究了作业速度、充肥孔长度和气流速度对穴长、穴排肥量误差的影响，通过全因子试验得到作业速度为3~7km/h时的较优参数组合为充肥孔长度27.0mm、气流速度15.0m/s，对应的穴长和穴排肥量误差分别为62.7~87.5mm和7.4%~8.9%。台架试验表明，在作业速度为3~7km/h、充肥孔长度为27.0mm和气流速度为15.0m/s条件下，穴长、穴长稳定性变异系数、穴排肥量误差和穴距误差分别为98.5~175.5mm、7.42%~14.18%、7.60%~15.17%、2.3%~4.7%；田间试验表明，作业速度为3~7km/h时，穴长、穴长稳定性变异系数、穴排肥量误差和穴距误差分别为104.2~178.4mm、7.55%~14.56%、7.69%~13.80%、2.1%~4.3%，成穴性能较好。     

新疆果园有机肥条施机设计与试验

针对目前果园有机肥施肥过程中,有机肥易结拱、堵塞,导致施肥效率低、肥料利用率低等问题,结合果园的施肥农艺要求,设计一种集输肥装置、施肥装置、液压驱动装置、料箱及机架等为一体的适于新疆果园的有机肥施肥机,可将有机肥均匀稳定的条施在果树根侧。该机以液压驱动装置作为动力源,采用刮板输送机构将有机肥由料箱输送至施肥装置上,最终施肥装置将肥料输送到果树一侧,具有减轻人工施肥强度,提高作业效率与肥料利用率等特点。以刮板运动速度、输送带速度为变量因素,以施肥量、输肥稳定性为因变量进行田间性能试验,试验结果表明:最优试验组合水平为A3B2,即刮板速度为0.1m/s,输送带速度为120r/min,在该组合下的施肥量变异系数为0.056 5,且整机施肥量变异系数平均值为0.112 4,有机肥条施机施肥作业稳定性较好,能够满足施肥作业要求。     

蕉园自走式压穴施肥机设计与试验

为实现香蕉根部肥料深施的机械化作业,设计了一种可变位、变深、变量施肥的蕉园自走式压穴施肥机。压穴性能试验结果表明:压头的直径和锥度均对峰值压穴阻力的影响极显著,呈正相关关系,减少锥度能有效降低施肥机作业能耗,构建的多元线性回归模型可用于压穴作业决策;压头的沉降速度对峰值压穴阻力无显著影响,增大沉降速度有利于提高施肥机工作效率。最后,试验研究了外槽轮的螺旋升角和转速对施肥机排肥稳定性的影响,建立了施肥量变异系数的多元回归方程,为变量施肥控制提供了参考。     

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。     

集排风送式玉米分层追肥机设计与试验

针对玉米追肥机械化程度低、追肥作业效率和肥料利用率不高等问题，根据玉米分层施肥农艺要求，设计了一种多行集中排肥、气流输肥以及分层深施肥方式的玉米追肥机。对追肥机关键部件进行了理论分析与参数确定，并对各行之间排肥量一致性、施肥精度以及施肥深度进行了试验研究。试验结果表明：排肥转速对各行之间排肥量一致性影响较小，在相同转速下，深、浅层之间排肥量一致性差异较小，排肥量比较均匀；随着转速的增加，各行之间排肥量变异系数有所减小，最大变异系数为2.64%。在试验速度范围内，随着工作速度的增加，追肥机械施肥精度呈减小趋势，施肥精度最小值为95.42%；深层施肥深度变化量不大，施肥深度均值最小为11.04cm，变异系数不超过5.35%；浅层施肥深度稳定性有所降低，施肥深度均值最小为6.9cm，变异系数不超过9.36%；追肥机性能达到设计目标，能够较好地满足玉米追肥机械作业标准要求。     

稻田气力式变量施肥机肥料喷撒器设计与试验

目前水稻施追肥以离心圆盘式撒肥机为主,虽具有幅宽大、作业效率高的特点,但是变量控制精度差。为了满足水稻变量施肥的作业要求,设计了一种气力式变量施肥机,在满足幅宽要求的基础上,还能够实现在幅宽方向上的变量控制施肥。设计了用于该机的肥料喷撒器,对该喷撒器的肥料运动进行了理论分析,并对不同挡板结构的喷撒器进行气流流场模拟分析,对在不同转速下各排肥口的施肥量和不同挡板类型的施肥喷撒器在各自施肥范围内的施肥均匀性进行了试验。试验结果表明：转速对各排肥口的排肥量没有显著性影响,各排肥口的排肥量误差在均值的5%以内;转速和喷撒器的挡板结构类型对单一喷撒器施肥范围内的施肥均匀性具有显著性影响,以施肥均匀性变异系数为指标,排肥轮转速在30r/min左右时,整体排肥均匀性变异系数优于其他转速;而圆锥形挡板喷撒器在所有转速下其排肥均匀性变异系数均优于其他挡板结构的喷撒器,且当排肥轮转速大于30r/min时,该喷撒器的施肥均匀性变异系数小于8%。就挡板结构对喷撒器出口气流场的影响和施肥均匀性进行了比较研究,发现二者具有相似性,初步断定气流场对施肥均匀性具有一定影响。在实际作业过程中为了使单个排肥口的排肥均匀性更好,应当采用圆锥挡板喷撒器,并且在确定作业区域的施肥量下,尽可能调整车速,使排肥轮转速达到30r/min以上,以最大程度保证施肥区域的施肥均匀性。     

深松旋耕全层施肥联合整地机施肥量影响因素分析

针对深松旋耕全层施肥联合整地机在作业过程中存在施肥不均、精度较低等现象,对影响施肥量因素进行分析,确定排肥轴转速、排肥器开度以及肥箱料位高度为影响因素,设计三因素五水平正交试验,以施肥量变异系数为评价指标,进行极差分析和方差分析得出影响因素主次顺序:肥箱料位高度>排肥轴转速>排肥器开度,其中料位高度对施肥量变异系数的影响高度显著,为后续肥箱肥料监测系统提供理论基础。施肥量变异系数在0.19%~3.12%之间,满足试验要求。运用最小二乘法建立施肥量关于排肥轴转速、排肥器开度和肥箱料位高度之间的数学模型。经检验:数学模型值与实测值的相关系数达到0.889,可以作为施肥精量控制相关技术参数的选择依据。     

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。     

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。     

水田侧深施肥装置关键部件设计与试验

针对水田侧深施肥装置施肥均匀性低、作业性能不稳定、输肥管路堵塞等问题,结合水田侧深施肥的农艺特点,对水田侧深施肥装置关键部件排肥器和气力输送系统进行设计与分析,通过运动学和动力学的方法得出排肥轮转速越大越有利于提高施肥均匀性,计算得出排肥轮转速的最大理论值为150 r/min,并设计了适宜输送颗粒肥的气力输送系统。采用二次正交旋转组合设计试验,以排肥轮转速、插秧机前进速度、风机风速为影响因素,以施肥均匀性施肥量均值和施肥均匀性变异系数为响应指标,利用JPS-12型排种器检测试验台对施肥装置的排肥性能进行台架试验,运用Design-Expert软件对试验数据进行方差分析和响应面分析,得到影响因素与响应指标之间的数学模型,并对数学模型进行优化及验证。试验结果表明:在排肥轮转速21.96 r/min、前进速度0.93 m/s、风机风速22.93 m/s条件下,施肥装置的施肥均匀性变异系数为28.25%,且满足黑龙江省寒地稻作区侧深施肥最小施肥量150 kg/hm2的农艺要求。     

支持故障报警的果园对靶变量排肥系统

针对果园条开沟连续施肥造成肥料浪费,而挖穴施肥作业过程繁琐的问题,基于普通条开沟施肥机具设计了果园对靶变量排肥系统,该系统主要包括果园穴施肥精量排肥器和对靶变量施肥控制器。利用高速摄影技术获得了不同排肥口截面积排肥下落时间,使用间歇旋转机构实现定量穴排肥,提出了扇叶旋转落肥感知方法并设计了排肥故障监测装置,进而设计了果园穴施肥精量排肥器。使用光电传感器实时感知果树树干以获得排肥位置,利用接近开关感知地轮转速计算行进速度,以STC12C5A60S2单片机为核心设计了对靶变量施肥控制器。搭建了试验平台,进行了实验室试验,结果表明,1~5排肥量挡位下,平均排肥量与理论排肥量最大误差为10 g,最大变异系数为4.6%;平均排肥长度为20.2~40.9 cm;偏移距离绝对值最大为5.5 cm,最小为0.6 cm,偏移距离标准差平均值为4.26 cm;单次排肥故障监测装置最少感知落肥通断信号次数为2次,故障监测准确率达到100%。果园试验表明,针对100棵枸杞树进行对靶施肥,其排肥准确率为97%。该系统实现了果园靶标实时探测、对靶精量排肥控制和排肥故障报警功能,达到了条开沟对靶穴施肥的果园作业要求。     

倾斜刮板式固态有机肥施肥机设计

长期大量使用无机肥会降低土壤有机物存量,影响土壤微生物生存,破坏土壤肥力,最终降低作物产量。有机肥中含有大量微生物及各种微生物分泌的酶、激素等活性物质,施用有机肥能有效提高土壤微生物的数量和种类,改善土壤肥力,为作物生长提供有利的条件。目前,大型有机肥施肥机仅能在平原地区工作,无法应用于丘陵山区。为提高有机肥在丘陵地区的利用率和作业效率,促进农业可持续性发展,结合我国丘陵地区施肥作业现状,设计了一种倾斜刮板式固态有机肥施肥机,建立了刮板的力学模型,分析了施肥机的工作原理。施肥机作业时,控制系统检测施肥机的行走速度,CPU通过算法运算出相应的施肥速度,通过控制排肥器的偏转速度及刮板的旋转速度来对排肥量进行控制。试验结果表明:控制系统工作稳定可靠,施肥量准确,实际施肥量与设定施肥量最大偏差小于6%;施肥均匀性好,均匀性变异系数小于7%,单位面积实际施肥量及施肥均匀性与施肥机的作业速度无关。