滑动式开沟器关键结构参数对种床土壤特性的影响

在免耕播种过程中,滑动式开沟器的结构参数对开沟后的种床效果有显著影响,进而影响作物生长和产量。为了分析滑动式开沟器的关键结构参数对表面0~10cm土层土壤特性(土壤容重、土壤水稳团聚体(WSA)和土壤扰动量)和表层秸秆扰动量的影响,设计具有不同结构参数(刃口厚度、刃口曲线、入土隙角和入土角)的滑动式开沟器在免耕条件下进行试验。通过正交试验和单因素试验分析不同结构参数的影响。结果表明,入土角、刃口厚度和刃口曲线对种沟扰动截面积(A_f)和表层秸秆扰动量具有显著影响;入土角对土壤容重有显著影响。土壤类型和作业深度对滑动式开沟器作业时的土壤扰动量具有显著影响。凹线型滑动式开沟器会产生最少的土壤扰动量和种沟内最小的土壤容重,最大的表层秸秆扰动量和0.5mm土壤水稳团聚体(W_(SA))的含量。随着滑动式开沟器入土角的增加,种沟宽度(W_(sb))和种沟扰动截面积(A_f)分别先减小后增加,而抛土宽度(W_(st))和垄起高度(H_r)逐渐增加。入土角为60°的滑动式开沟器分别创造出最小的种沟宽度(W_(sb))和种沟扰动截面积(Af);入土角介于45°与60°间的滑动式开沟器可产生最小的土壤容重。随着入土隙角的增加,0.5mm土壤水稳团聚体(WSA)的含量会减小,而对0.5mm土壤水稳团聚体(W_(SA))含量的影响不明显。刃口厚度(2mm)对种床土壤特性的影响不明显。本文为创造适宜种床环境的滑动式开沟器的结构优化提供参考,有利于促进中小型免耕播种机的推广。     

盐碱地后悬挂随动式打孔通气机的设计与试验

针对现有盐碱土改良措施工程量大,农业生产成本高的问题,设计了一种后悬挂随动式打孔通气机,用于疏松土壤,提高土壤通透性,改善土壤环境。分析了该机器的组成及工作原理,建立了五杆打孔机构运动学模型,研究了打孔轨迹形成的机理,在确立关键部件约束条件的基础上,结合工作原理和运动特性,获得了打孔部件和随动装置的结构参数,及不同打孔深度下的最佳机组前进速度。借助Matlab软件进行了打孔通气机打孔过程仿真分析,结果表明：在最佳机组前进速度下,打孔过程中的打孔针摆动角度在?2.2°～2.3°之间变化,垂直性较好。基于理论与仿真分析,设计了后悬挂随动式打孔通气机样机,并对样机打孔特性进行了试验分析,试验结果表明样机打孔特性与理论分析结果一致,试验结果如下：样机作业速度为3～5 km/h时,成孔与水平方向的夹角均值在86.4°～88.5°之间,变异系数小于1.6%,垂直性较好,同时打孔密度为51～128孔/m2,工作效率为3600～6000 m2/h。该研究可为开展盐碱土机械化改良提供参考。     

基于高光谱成像的玉米收获后根茬行分割方法

在华北一年两熟区，利用联合收获机留茬收获玉米后，玉米根茬行与行间秸秆及裸露地表颜色相近，采用传统的图像检测方法对其进行分割比较困难。针对该问题，采集了利用联合收获机留茬收获玉米后的根茬行高光谱图像，以根茬顶端切口为目标，提出了一种玉米根茬行高光谱图像的分割方法。首先，对黑白校正后的全波段图像进行主成分分析，根据主成分图像权重系数优选出3个特征波长，分别为1260、1658、2131nm；然后，对3个特征波长处的图像再次进行主成分分析，并对所得到的PC2图像进行单阈值分割；最后，通过中值滤波、形态学开运算、根茬行区域外噪声滤除对分割结果进行优化。为验证该分割方法的效果，利用采集的50幅玉米根茬行高光谱图像进行试验，并选取分割准确率、召回率和F1值对分割结果进行定量评价。结果表明：该分割方法下的玉米根茬行图像分割效果较好，分割准确率、召回率和F1值分别为91.85%、90.49%和91.16%。研究结果表明基于高光谱成像技术可对玉米根茬行进行分割。     

玉米秸秆覆盖对坡面产流产沙过程的影响

通过室内土槽模拟试验,研究不同降雨条件下玉米秸秆覆盖对沙坡地产流时间和产流产沙过程的影响。处理分为8种降雨强度和5个水平的秸秆覆盖度:0、15%、30%、60%和90%。40组模拟降雨结果表明:华北保护性耕作研究区域沙壤土条件下的产流时间与降雨强度符合幂函数关系;秸秆覆盖能延缓地表径流的产生,自然降雨(雨强10~80 mm/h)过程中,15%、30%、60%和90%秸秆覆盖较无覆盖分别推迟产流时间1.0~15.4、2.1~22.1、3.4~48.2和5.9~73.6 min;秸秆覆盖对地表径流和产沙影响显著,降雨历时1 h,30%秸秆覆盖减少径流总量17.9~/o~38.7%,减少产沙总量34.1%~48.0%0 30%秸秆覆盖水土保持效果显著,考虑到过多的秸秆覆盖(80%)会造成播种机堵塞,所以在保护性耕作研究实践中,建议保持30%~60%(1 400~3 100 kg/hm~2)的玉米秸秆覆盖,以达到较好的水土保持效果和播种质量,该研究可为保护性耕作研究区域适宜的玉米秸秆覆盖量提供依据。     

基于离散元的土壤模型参数标定方法

离散元法(EDEM)建立土壤模型过程中部分土壤颗粒参数直接测量难度较大,若基于间接测量的土壤参数值建立离散元土壤模型进行仿真,导致仿真结果误差较大。本文结合代理模型基本理论,提出一种离散元土壤模型的参数标定及优化方法,步骤如下:根据基本试验测定的参数建立离散元土壤模型;结合堆积角及剪切试验,利用模型仿真进行模型参数敏感性分析;以敏感性参数为变量,以真实试验测量值为目标值构造代理模型;通过高斯-牛顿迭代法进行参数优化。由敏感性分析结果知,代理模型自变量为土壤颗粒半径、颗粒间静摩擦因数及滚动摩擦因数,目标量为土壤堆积角、黏聚力、内摩擦角。以涿州保护性耕作试验站土壤(砂壤土)为原型,经优化建立的土壤模型变量参数值分别为:颗粒半径5.7 mm,颗粒间静摩擦因数0.45,滚动摩擦因数0.21。将建立的离散元土壤模型进行轮胎-土壤相互作用仿真模拟,分析轮胎-土壤接触面最大应力、平均应力,并通过田间试验进行验证,将接触面最大应力值、平均应力的仿真值与实际测量值进行比较,结果表明:虚拟仿真与实测值之间数值差异在5.1%以内,标定优化后的土壤模型能够近似代替真实土壤进行仿真。     

华北玉米秸秆覆盖对砂土、壤土水土保持效应的影响

通过野外径流场模拟降雨试验,研究玉米秸秆覆盖对砂土和壤土产流产沙过程的影响,探索不同土壤质地下水土保持的临界秸秆覆盖条件。处理分为2种土壤质地类型和5个水平的秸秆覆盖度:0、10%、20%、30%和40%。结果表明:壤土抗侵蚀能力优于砂土,但透水性弱于砂土;不同土壤质地条件下秸秆覆盖效益存在差异,相同的秸秆覆盖时,砂土条件下的土壤侵蚀防治效果优于壤土;2种土壤质地条件秸秆覆盖度30%时可显著提高土壤入渗总量(25.7%~33.9%),减少产沙总量(22.2%~46.4%),对水土流失具有良好的防治效果。考虑到过大的秸秆覆盖度(大于80%)会造成播种机堵塞,在华北保护性耕作研究实践中,建议砂土和壤土质地下的农田地表保持1 600~3 000 kg/hm2(30%~60%)的玉米秸秆覆盖,以达到较好的水土保持效果和播种质量。     

固定道小麦免少耕播种机设计与试验

为了减少农机作业对农田土壤的压实,改善作物生长环境,加强农机与农艺融合,该文结合固定道和保护性耕作技术要求,开发了固定道小麦免少耕播种机,设计了一种楔刀型开沟器与“Y”型、“L”型刀具相结合的防堵开沟装置,并确定了“Y”型、“L”型刀具等关键部件的参数,田间对比试验表明,所设计的固定道小麦免少耕播种机通过性能良好,各项指标满足免耕播种机设计要求。固定道模式下机具各项性能指标均略优于非固定道,种、肥深度合格率均达到84%以上,且一致性好,种肥间距加大5 mm,合格率达到85.2%,有效减少了烧种现象。固定道免少耕作业实施2年后,与非固定道作业模式相比,作业油耗降低22.01%,节油效果显著。因此,固定道免少耕播种技术能够提高播种质量,降低作业功耗。另外,随着中国土地流转政策地推进,研究成果将对土地规模化种植、高效化管理具有一定指导意义。     

基于遗传算法和阈值滤噪的玉米根茬行图像分割

作物行的识别是农业机械视觉导航系统的一项重要研究内容,针对华北一年两熟区玉米利用联合收获机留茬收获后,农田原始图像中背景目标多(行间秸秆、裸露地表等),且背景目标与玉米根茬颜色接近,难以实现玉米根茬行准确快速分割的问题,该文采用RGB颜色空间,以根茬顶端切口为目标,提出了一种基于遗传算法和阈值滤噪的玉米根茬行图像分割方法。首先,为了降低图像分割难度,选取图像中间位置包含一条完整玉米根茬行的矩形区域作为感兴趣区域(region of interest,ROI);然后,利用经过遗传算法优化得到的灰度化算子对ROI进行灰度化,采用单阈值法分割ROI;最后,通过形态学腐蚀处理去除孤立点、毛刺等误分割情况,同时利用基于连通域面积阈值和偏距阈值的滤噪方法滤除根茬行两侧噪声,实现玉米根茬行的有效分割。为评价该分割方法,利用从农业部河北北部耕地保育农业科学观测实验站采集到的200幅玉米根茬行图像进行试验。结果表明:该方法能够较好的适应晴天光照条件变化,从含有裸露地表、玉米行间秸秆等复杂背景下,准确快速地分割出玉米根茬行,平均相对目标面积误差率为24.68%,处理一幅1280像素×1 024像素的彩色图像平均耗时为0.16 s,具有较好的鲁棒性、实时性和准确性。研究结果验证了基于遗传算法和阈值滤噪方法实现玉米利用联合收获机留茬收获后根茬行图像分割的可行性,并为玉米根茬行直线检测提供良好的基础。     

玉米行间定点扎穴深施追肥机的设计与试验

为解决玉米生长中后期追肥机械化水平低且追肥困难的问题,结合追肥农艺要求,设计了一种玉米行间定点扎穴深施追肥机,能够在行距为600 mm的玉米行间进行追肥作业,1次完成2行玉米追肥。该机采用植株位置探测机构和棘轮离合机构确定扎穴深施追肥的位置,采用水平位移补偿装置和曲柄连杆机构共同控制扎穴施肥机构的运动轨迹,实现玉米定点扎穴深施追肥与扎穴施肥机构在入土排肥过程中垂直运动,满足零速排肥要求,减少肥料滚动。该文采用理论计算与经验设计,对凸轮、探测杆等关键零部件进行了参数设计,采用MATLAB软件对扎穴器尖部运动轨迹进行了仿真分析。追肥机田间追肥性能试验结果表明,排肥轴含肥腔长度为20 mm时的穴追肥量为2.3 g,总排肥量稳定性变异系数为3.2%,平均追肥深度和平均追肥距离分别为91.3和127.5 mm,追肥深度合格率和追肥距离合格率分别为88.3%和96.7%,漏追率为2.7%,相关指标均达到技术要求。该研究为应用于玉米中后期行间精确追肥机械的设计提供了参考。     

我国玉米追肥机械发展现状与前景展望

玉米从播种到成熟,经历若干个生育阶段和生育时期,在每个生育时期对养分的需求不同,总体呈先增长后下降的趋势,在大喇叭口期达到最大。根据玉米不同生长阶段的需肥特点,有针对性地施加追肥,是玉米高产与稳产的重要保障。本文对我国玉米追肥机械的研究现状进行梳理和总结,对不同种类追肥机械的工作原理和结构特点进行分析,并列出各类机型中具有代表性的机具和生产厂家。对我国玉米追肥机械的发展前景进行展望。