基于高速摄像的玉米种子滚动摩擦特性试验与仿真

玉米种子的滚动摩擦系数是排种器设计计算和仿真分析的重要依据,但其测量目前尚无成熟的理论与方法。该文基于能量守恒原理,借助高速摄像技术对玉米种子与有机玻璃、镀锌钢板以及玉米种子间的滚动摩擦特性进行了试验研究,得到玉米种子与有机玻璃、镀锌铁板以及玉米种子间的滚动摩擦系数分别为0.0931、0.0531和0.0782。通过玉米种子休止角试验和离散元分析软件EDEM仿真结果的对比,对所得试验数据进行了验证,结果表明所得数据准确性较高,可为排种器的设计计算与仿真分析提供理论依据。     

基于EDEM-RecurDyn的指夹式取苗爪仿真优化与试验

为了实现自动移栽机高效、高质量取苗,提出整排取苗、同时投苗的工作方式。以指夹式取苗爪为研究对象,阐述了取苗爪的结构组成及工作原理。建立了取苗爪的运动数学模型,结合钵体力学特性及根系分布特点,对组成取苗爪的各构件进行尺寸参数优选,并在RecurDyn中建立其虚拟样机模型。通过试验进行钵体力学性能测量,对试验所得数据进行处理,得出钵体物理特性参数,进而在EDEM中建立钵体颗粒模型。通过EDEM-RecurDyn耦合仿真取苗爪插入、夹取、提离过程。分析取苗爪插入钵体苗深度、开始夹苗深度对取苗时钵体的影响,仿真优化得到当取苗爪插入钵体深度I_d=34 mm,插入钵体平均速度I_v=280 mm/s,开始夹苗深度C_i=4 mm,夹苗平均速度C_v=250 mm/s时,可以获得较好的钵体完整性。在16、20、24次/min的取苗速率下进行取苗爪取投苗试验,结果表明,所设计的指夹式取苗爪取苗成功率均在96%以上,钵体破碎率小于1%,具有良好的取苗、投苗效果,在取苗作业中可以保持良好的钵体完整性。     

有机基质臭氧消毒设备设计与试验

为实现有机基质的绿色、高效消毒,设计了有机基质臭氧消毒设备。基于离散元软件EDEM建立了有机基质颗粒模型,根据有机质物料输送及抛撒动力学特性与臭氧消毒工艺流程,利用Solid Works软件构建了有机基质臭氧消毒设备结构模型,并对两种模型进行接触参数标定。以有机基质倾尽角为评价指标,以抄板弯折角、转筒转速、填充率为试验因素,进行了三因素五水平正交旋转组合仿真试验。根据仿真结果,利用Design-Expert软件回归分析法建立倾尽角回归数学模型,对有机基质臭氧消毒设备模型中的抄板弯折角、转筒转速、填充率进行了参数优化与试验验证。结果表明,在各因素取值范围内,抄板弯折角对有机基质倾尽角影响极显著,转筒转速对倾尽角影响显著,填充率对倾尽角影响不显著;有机基质臭氧消毒装置最优作业参数组合为:抄板弯折角124.23°、转筒转速6.29 r/min,此时物料倾尽角仿真值为89.3°。臭氧消毒灭菌性能试验验证结果为:臭氧初始质量浓度64.2 mg/m~3,消毒60 min后,细菌灭菌率88.9%,真菌灭菌率97.9%,能够满足有机基质消毒生产要求。     

离心式高速玉米精量排种器T形槽型孔设计与试验

针对离心式高速玉米精量排种器双粒种子并排填充导致重播严重的问题,该研究提出利用型孔槽对称凸台结构降低玉米种子并排填充概率的方法,设计了一种T形槽型孔。通过构建充种阶段玉米种子的力学模型,并结合玉米种子的形状特征确定了T形槽型孔基本结构参数。借助EDEM离散元仿真软件,以型孔槽前端长度、型孔槽后端面倾斜角以及型孔槽底部倾斜角为因素,以合格指数、重播指数与漏播指数为评价指标,设计二次正交旋转回归组合仿真试验。仿真试验结果表明：在作业速度18 km/h条件下,型孔槽前端长度为9.31 mm,型孔槽后端面倾斜角为43.37°与型孔槽底部倾斜角为70.5°时,排种质量最优,排种合格指数、重播指数与漏播指数分别为94.03%、1.72%与4.25%。台架验证试验结果表明：作业速度18 km/h时,T形槽型孔的合格指数为94.54%,与仿真试验结果的相对误差为0.54%,仿真优化试验结果可靠;作业速度为15 km/h时,排种器作业性能最佳,合格指数为95.16%,重播指数为1.42%,漏播指数为3.42%,满足高速精量播种要求;作业速度范围在12 ～ 21 km/h内时,T形槽型孔相较于矩形槽型孔的合格指数提升2.1个百分点以上,重播指数降低2.1个百分点以上,相较于蹄形槽型孔的合格指数提升1.4个百分点以上,重播指数降低2.1个百分点以上。该研究可为离心式高速玉米精量排种器优化提供参考。     

基于EDEM的小麦精量排种器设计与试验

为实现小麦的精量排种,设计了一种精量小麦排种器。对排种器进行设计计算,最终确定排种器为锥盘式,型孔数量为50个,锥角为30°。采用EDEM软件进行仿真分析,结果显示:当转盘转动速度为19.38r/min、型孔长度平均值为7.95mm、小麦种子外层厚度为8.20mm时,作业合格率为89.55%,单粒率可达到50.80%,符合排种器的作业要求。试验结果表明:排种器具有行间的排量较足和一致性好的特质,在小麦的播种过程中,系数的变异已经控制在10%以内。根据测量的秧苗数量计算面积,小麦每667m 2可达到4万株,分蘖的数量为3~10株,分蘖完成后每667m 2达25万株,可以满足小麦种植的实际需求。     

小麦分引组合式双行宽条带导种装置设计与试验

针对稻茬田小麦机械化带状播种时受黏重土壤与秸秆还田耦合作用制约存在导种装置壅堵导致断条的问题，该研究设计了一种分引组合式双行宽条带导种装置，导种过程中利用球面弹籽部件对下落种群左右均匀分种、借助坡度斜面对分流种群宽带引种。运用质点运动学理论建立了小麦分种、引种过程的力学模型，明确了球面弹籽部件直径和斜面坡度对导种均匀性有影响。运用EDEM软件对小麦导种装置关键结构参数进行优化设计，以球面弹籽部件直径和斜面坡度为试验因素，以各行排量一致性变异系数和行内横向均匀度变异系数为评价指标，通过单因素和二次正交旋转组合试验获取相关试验数据，应用Design-Expert软件对试验数据进行回归分析，建立了试验因素与试验指标之间的回归方程。结果表明，球面弹籽部件直径对各行排量一致性影响显著（P＜0.05），斜面坡度对行内横向均匀度有极显著影响（ P＜0.01 ），斜面底板导种装置最优结构参数为球面弹籽部件直径40 mm、斜面坡度10°。并与市场上已有的波浪底板、弧面底板、平面底板3种型式导种装置进行3种播量下的仿真对比试验。仿真试验结果表明，各播量下的各行排量一致性变异系数和行内横向均匀度变异系数由大到小均为平面底板、弧面底板、波浪底板和斜面底板型导种装置，在播量450 kg/hm²下，斜面底板型导种装置播种效果最佳，各行排量一致性变异系数为2.92%，行内横向均匀度变异系数为14.19%。台架与田间对比试验表明，斜面底板型导种装置的各行排量一致性变异系数和行内横向均匀度变异系数均最小，此时各行排量一致性变异系数均不大于4.0%，行内横向均匀度变异系数均不大于16%；田间对比试验中，在播量450 kg/hm²下，斜面底板型导种装置较其他3种导种装置各行排量一致性变异系数最低下降了2.73个百分比，行内横向均匀度变异系数最低下降了10.61个百分点。试验结果与仿真结果误差不超过5%，表明装置结构参数优化结果可靠，满足国家播种机质量评价技术规范及大田播种农艺要求。研究结果可为稻茬黏壤土环境下小麦宽条带导种装置优化设计提供参考。     

免耕播种机无轴螺旋排肥输肥装置设计与试验

针对西南地区坡度较大、免耕地表秸秆及根茬等造成耕地平整度较差,驱动式破茬防堵免耕播种机作业时机具整体产生振动较大,导致排肥器排肥及导肥管导肥作业性能差的问题,基于螺旋输送原理,设计了一种柔性无轴螺旋排肥输肥装置。通过对肥料的螺旋输送以及物料临界输送速度分析,得出螺旋叶片最佳充肥尺寸以及转速范围。采用EDEM仿真进行二次回归正交旋转试验和响应曲面法分析无轴螺旋排肥输肥装置最佳工作参数：螺旋叶片内半径3mm、螺旋叶片外半径12.8mm、螺旋叶片转速319r/min以及螺旋间距24.5mm。田间测试结果表明,在地表平整度平均值以及地表坡度分别为8.9cm、16.1°时,无轴螺旋排肥输肥装置在作业速度1.5 m/s时,排肥精度误差、均匀性变异系数分别为1.87%、2.52%,满足国家施肥标准,播肥符合当地农艺要求。所设计的无轴螺旋排肥输肥装置满足免耕播种施肥要求,可为在地表平整度较差时排肥和振动较大条件下排肥器以及导肥管的设计与改进提供参考。     

马铃薯播种机两段式组合起垄装置设计与试验

起垄有利于增加土壤的透气性及保水能力,是马铃薯种植环节中重要的一环。针对目前马铃薯播种机起垄装置功能单一、效率低、作业效果差等问题,提出一种适用于山东地区的两段式组合起垄装置,通过覆土圆盘和翼面铲的配套作业,同时完成覆土、起垄和整形作业,有利于种薯扎根稳定、生长发达,提高马铃薯播种机的作业效率和质量。通过分析覆土圆盘、翼面铲的作业过程以及土壤的运动过程,对翼面铲的总体尺寸及铲尖、铲面、翼板等主要部件进行参数设计。利用EDEM仿真软件建立土壤与两段式组合起垄装置的联合仿真模型并进行试验,对两段式组合起垄装置的起垄量模拟曲线进行分析,得出装置的作业质量相比仅依靠覆土圆盘作业有显著提升。田间试验表明,当马铃薯播种机前进速度为0.25m/s时,两段式组合起垄装置所起土垄平均高度为251mm,平均垄底宽为698mm,平均垄距为902mm,平均垄体土壤紧实度可达到390.33kPa,作业效果良好,满足山东地区马铃薯起垄农艺要求。     

基于EDEM数值模拟的沙棘滚筒筛设计

为解决沙棘浆果中含有杂质,导致浆果筛分含杂较高的问题,设计三层结构滚筒筛装置,并确定振动电机、减震弹簧等关键部件参数。其激振力为7 644 N,功率为3.24 kW,减震弹簧刚度8 047.3 N/m。使用EDEM离散元软件对滚筒筛的转速、倾角进行模拟分析。模拟结果表明:当滚筒筛转速、倾角为38 r/min、8°时,其筛分效率、含杂率为84.2%、6.98%。以转速、倾角两个因素为自变量,筛分效率、含杂率为指标进行方差分析,当滚筒筛转速为38 r/min、倾角为8°时是最优参数组合解,且筛分效率、含杂率分别为82%、8.7%。实测值与仿真试验的筛分效率相差2.2%,含杂率的相差1.72%。     

齿盘式秸秆移位装置设计与试验

针对江苏地区油菜免耕播种机作业时存在易堵塞、种床清洁率低等问题,设计一种齿盘式秸秆移位装置,通过运动力学分析确定秸秆移位的重要影响因素,使用离散元仿真软件进行仿真试验,得出秸秆移位装置工作时的最佳参数组合,最后进行台架试验验证仿真试验准确性。仿真试验结果表明秸秆清除率与位移偏角以及前进速度均呈现正相关的关系,当前进速度一定时,位移偏角越大,装置的秸秆清除效果越好;当位移偏角一定时,前进速度越大,装置的秸秆清除效果越好。当前进速度为0.6 m/s、位移偏角为30°时,秸秆清除率达到最大值64.70%。台架验证试验表明,当机具前进速度为0.6 m/s、齿盘位移偏角为30°时秸秆清除效果较好,此时秸秆清除率为60.69%。试验结果表明齿盘式秸秆移位装置的设计基本满足油菜播种的要求。