离散元法在农业工程研究中的应用现状和展望

现代农业装备数字化设计是农业工程领域的主要研究方向之一,农业机械与各类农业物料的接触作用及其对农业机械设计工作的影响是现代农业装备数字化设计重要内容和难点。离散元法是一种基于不连续性假设的计算机数值模拟方法。研究表明,离散元法可以用于仿真分析农业散体物料与机械装备间的相互作用关系,为现代农业装备数字化设计提供了新手段,在农业工程领域具有良好的应用前景。本文对离散元法的基本概念、发展历程及常见程序软件进行了概述,归纳分析了离散元法在模拟农业土壤与农业物料接触时的模型确定及其参数标定方法,重点阐述了各作业环节典型农业机械的离散元法应用现状和发展动态。对基于离散元的数值模拟仿真及其工业化应用推广所面临的主要问题进行了分析和总结,指出通用参数标定方法缺失和模型过度简化是离散元法进一步发展的制约因素,加强接触模型和参数标定的基础研究工作,推动专业、通用的软件平台开发,提高计算机计算和存储能力及改进离散元算法结构,从而提升模型计算效率将是今后的研究方向和工作重点。     

南方水田根茬-土壤复合体的剪切试验研究

针对南方免少耕水田土壤根茬含量高,开沟刀具不易切割的问题,在摆锤式冲击试验台架上,对根茬-土壤复合体进行了剪切试验。试验结果表明:切割5 cm厚的南方免少耕水田土壤大约需要消耗能量6.6 J,此时切割刃的线速度为2.90 m/s,扭矩为18.44 N·m。该试验结果可为南方水田土壤免少耕驱动式开沟器的设计与改进提供依据。     

蔬菜穴盘育苗播种漏播检测及智能补种装置设计与试验

为保证植物工厂蔬菜穴盘育苗高质量作业要求,该研究在气吸滚筒式蔬菜穴盘育苗精密播种器的基础上,优化设计了在线漏播检测与智能补种装置,以可编程逻辑控制器（programmable logic controller, PLC）为控制核心,实时进行播种器吸孔漏吸检测及穴盘穴孔漏播位置预报,并完成漏播穴孔的定点定穴补种。采用光电检测技术检测播种器吸孔漏吸位置,构建漏吸吸孔与育苗穴盘穴孔的对应动态补种矩阵,实现穴盘穴孔漏播位置精准预报;优化设计了智能补种装置,根据预报的穴盘穴孔漏播位置实现定点定穴精准补种。以中双11号菜心种子为对象,开展播种器吸孔漏吸检测与穴孔漏播位置预报试验,得到吸孔漏吸平均检测准确率为98.82%,穴孔漏播位置预报准确率为100%。采用Box-Behnken试验设计方法,对智能补种装置开展作业性能试验,构建主要性能指标（单粒合格指数、重播指数和漏播指数）与主要影响因素（吸针负压、吸针孔径和种室振动压力）的关系,并进行多目标优化,确定智能补种装置最优工作参数组合为吸针负压10.19 kPa、吸针孔径0.67 mm、种室振动压力0.07 MPa,此时补种装置播种的平均单粒合格指数为94.80%、重播指数为2.94%、漏播指数为2.26%。开展整机性能试验,在生产率为100盘/h条件下,整机的单粒合格指数由补种前的93.96%提高到98.18%;在生产率为300盘/h条件下,单粒合格指数由补种前的93.18%提高到97.89%。试验结果满足植物工厂和大田蔬菜穴盘育苗播种装置高精密播种作业要求,可提高蔬菜穴盘育苗的播种性能。     

水稻育秧生产线秧盘播种量智能调控装置设计与试验

水稻工厂化育秧过程中,秧盘播种量的精准控制能有效保证育秧质量。为解决水稻工厂化育秧中秧盘播种量调控操作繁琐和效率低等问题,该研究研究设计了一种水稻育秧生产线秧盘播种量智能调控装置,该系统以STM32F429微处理器为控制核心,利用双漫反射光电传感器检测连续输送秧盘的准确到达位置,设计了秧盘质量称量机构,建立了常规稻和杂交稻芽种秧盘播种量与排种轮电机转速（频率）的关系模型,基于统计分析、信息反馈技术与秧盘播种量变化规律模型,实现不同水稻品种秧盘播种量的智能精准调控。试验结果表明,在500盘/h的生产效率下,装置的平均检测精度为94.84%,经调控后的杂交稻秧盘播种量的平均变异系数为2.5%,常规稻秧盘播种量的平均变异系数为4.04%。所设计的水稻育秧生产线智能调控装置具有较高的播种量检测精度,满足当前育秧播种量调控的使用要求,对提高水稻秧盘育秧播种生产线智能化水平、保证秧苗质量具有实际应用价值。     

气吸滚筒式油菜穴盘育苗精密排种器设计与试验

为满足油菜穴盘育苗移栽作业要求,解决油菜机械化种植茬口紧张难题,该研究设计了一种气吸滚筒式穴盘育苗精密排种器,利用光电传感器和正压投种机构实现同步整排投种。阐述了排种器基本结构与工作原理,对关键部件结构进行设计,应用Fluent软件模拟分析了3种不同正压进气孔间距条件下滚筒内壁和吸种孔与正压气室的流场特征;采用二次旋转正交组合试验方法,对排种器作业性能的主要影响因素(吸种负压、投种正压和吸种孔直径)与播种指标(单粒合格指数、漏播指数和重播指数)的关系进行研究,分析了各因素及其交互作用对各指标的影响规律,并采用多目标优化方法进行参数优化;在优化参数条件下,设定排种器生产率分别为600、700和800盘/h时,对3个品种油菜种子和1个蔬菜种子(茄子)进行排种性能试验。结果表明:当正压进气孔间距为144 mm时,整个正压气室无回流情况,各吸种孔处气流速度相对均匀;影响单粒合格指数的因素主次顺序为投种正压、吸种孔直径和吸种负压,最优参数组合为吸种负压3.73 kPa,投种正压0.23 MPa,吸种孔直径1.28 mm,此时单粒合格指数、漏播指数和重播指数分别为95.13%、2.80%和2.07%。生产率为600~800盘/h时,油菜种子的单粒合格指数均高于93%,漏播指数和重播指数均小于5%;茄子的单粒合格指数高于90%,漏播指数和重播指数均低于5%。该排种器的排种性能适应性较好且精准高效,能够满足油菜及部分蔬菜穴盘育苗播种作业要求。研究结果可为油菜等穴盘育苗播种机研发提供参考。     

基于YOLOv5改进模型的杂交稻芽种快速分级检测

目的 提高杂交稻种子活力分级检测精度和速度。方法 提出了一种基于YOLOv5改进模型(YOLOv5-I)的杂交稻芽种快速分级检测方法,该方法引入SE (Squeeze-and-excitation)注意力机制模块以提高目标通道的特征提取能力,并采用CIoU损失函数策略以提高模型的收敛速度。结果 YOLOv5-I算法能有效实现杂交稻芽种快速分级检测,检测精度和准确率高,检测速度快。在测试集上,YOLOv5-I算法目标检测的平均精度为97.52%,平均检测时间为3.745 ms,模型占用内存空间小,仅为13.7 MB;YOLOv5-I算法的检测精度和速度均优于YOLOv5s、Faster-RCNN、YOLOv4和SSD模型。结论 YOLOv5-I算法优于现有的算法,提升了检测精度和速度,能够满足杂交稻芽种分级检测的实用要求。     

基于DEM-MBD耦合预破土组合深松铲仿真研究

为了研究在振动深松条件下深松铲预破土对深松碎土的作用效果,利用DEM-MBD耦合技术对振动深松时深松铲和土壤颗粒之间的相互作用进行模拟研究.在试验台模型及连接不改变的条件下,探讨不同破土器半径大小以及安装位置与土壤颗粒的扰动情况,采用土壤扰动云图和运动副采集力来量化深松效果.仿真试验结果表明,在振幅振频条件相同、前进速度0.4 m/s时,破土器圆内弧半径150 mm,安装位置在3号组位的土壤扰动较好,深松效果较好;带有圆弧形破土器的深松铲对深松减阻具有显著作用,可以减少耕作阻力.该研究对研制结构简单、深松减阻高效的深松机具设备提供了理论依据,也为不同土质深松作业研究提供了一种有效的计算方法.     

水稻高速插秧机固体颗粒肥料变量施肥装置设计与试验

变量施肥技术是实施科学施肥的重要手段，可使施肥更精准、更有针对性，有效减少农田污染。在水稻高速插秧与同步施肥作业时，施肥量的调节主要采用提前标定方式调控，其调控费时、精度不稳定。为快速准确地调节施肥量，实现变量施肥作业，本文设计了一种自动控制的固体颗粒肥料变量施肥装置，阐述了变量施肥装置总体结构和工作原理，进行了关键部件设计与试验；以单片机STM32为控制核心，构建了施肥量在线检测及智能调控系统。采用试验设计优化方法，对肥料流量在线检测系统性能与主要影响因素进行试验，确定了最佳因素组合；通过试验分别构建了3种主要固体颗粒肥料检测流量与压电片电压之间的关系模型、3种主要固体颗粒肥料实际流量与排肥轴转速之间的关系模型、排肥轴转速与电动推杆工作长度和插秧机前进速度之间的关系模型，并对模型进行试验验证与分析。开展了排肥轴转速分别为20、25、30 r/min肥料质量检测精度试验，当插秧机前进速度为1 m/s匀速条件下，3种肥料总体质量检测精度平均值分别为94.45%、93.85%和93.15%;进行了复合肥施肥量为200、250、300 kg/hm²和尿素施肥量为165、...     

基于回归拟合的深松耕作阻力测试系统改进设计

了解深松阻力、合理配置深松动力是提高深松作业效率重要环节之一。为此,针对现有普遍使用的深松阻力测量系统因需要通过两台拖拉机串联工作的方式而增加了对测试田块要求和测试系统安装的难度,还会存在应力贴片粘接不牢、数据采集样本不足等问题,提出了通过测定振动系统对深松铲的振动力变化来计算深松阻力的方法。将拉压传感器安装在深松铲受振端,以回归拟合为基本工具,借助传感器的标定获取单位压力和电信号回归拟合关系式,通过负载力与采集力之间拟合函数近似替代深松中的耕作阻力,并将结果与传统测试方法进行验证对比,结果表明:改进后测试系统与传统测试方法相比的误差为0.721%~3.60%,克服了传统测试方法的局限性,提供了更准确、更便捷的深松阻力测定方法。     

杂交稻精密条播育秧底土开沟装置设计与试验

为解决杂交稻精密条播育秧种子成条性和均匀性不足导致秧苗素质差和栽插均匀合格率低等问题，该研究基于滚压开沟原理设计了一种杂交稻精密条播育秧底土开沟装置，利用压辊在秧盘底土上压制出种沟，并开展耦合栽插对比试验。阐述了底土开沟装置主要结构与工作原理，开展了压辊、载荷调节机构、秧盘和育秧土之间的动力学分析以及土壤下陷量标定试验，对开沟装置关键部件结构及其参数进行设计与优化；采用Box-Behnken试验方法进行离散元仿真试验，应用多目标优化方法对压辊关键参数进行优化，并通过验证试验，得到最优参数组合为：压辊直径100 mm，V型齿角度45°、种沟深度9 mm，此时开沟条播的均匀合格率为85.68%，成条合格率为87.18%，与优化结果基本一致。田间生产试验表明，与不开沟条播相比，开沟条播的均匀合格率和成条合格率分别平均提高5.78和17.17个百分点，最高均匀合格率和成条合格率分别为86.80%和87.60%；开沟条播能明显提高秧苗的整齐一致性；耦合栽插时，开沟条播比不开沟的漏插率平均减少1.95个百分点，1～3株/穴的比例平均提高7.14个百分点，根系损伤率平均降低2.27个百分点；50、70和90 g/盘播量下开沟条播比不开沟条播理论产量分别增加234.90、245.55和57.15 kg/hm²，增产比例为3.12%、3.53%和0.80%，实际产量比相同播种密度下不开沟条播分别增加381.60、365.85和180.15 kg/hm²，增产比例为5.00%、5.33%和2.52%。研究结果表明该开沟装置的作业性能良好，开沟条播育秧能有效提升精密条播育秧与精准耦合栽插的技术水平，可为杂交稻精密条播育秧装备的研发提供参考。