农用无人机超低容量旋流喷嘴的雾化特性分析与试验

针对农用植保无人机超低容量喷施作业时,使用液力喷嘴产生的雾滴粒径较大,离心喷嘴结构复杂、价格较高等不足,基于旋流雾化的原理并采用模块化方法,提出了一种超低容量旋流喷嘴结构。通过对旋流喷嘴内流场的流体动力学行为和雾化特性进行数值分析与试验,明确了流体的物理特性和旋流喷嘴的结构参数等对雾化性能的影响规律。研究结果表明,液膜表面的正弦波失稳是导致锥形液膜碎化为雾滴的主要原因,在旋流喷嘴的结构参数中,喷嘴出口直径是喷嘴雾化性能的主要影响因素。当喷嘴出口直径从1增大至1.5 mm,喷雾流量平均增大了46.23%,喷雾角平均增大了29.77%,产生雾滴的索特平均直径平均增大了15%。此外,喷雾流量还与旋流槽数量成比例,旋流槽的螺旋角主要影响喷雾角。喷嘴入口处的流体相对压强则对喷雾角及雾滴粒径有较大的影响,其中喷雾角随着相对压强的增大而增大,而雾滴的索特平均直径随压强的增大呈非线性递减,当流体的相对压强从70增大至160 k Pa时,系列化旋流喷嘴的索特平均直径降低了约25%~35%。此外对于旋流喷嘴而言,流体黏度的增大会导致喷雾角的减小,但适当增加流体的黏度(不超过纯水黏度的200%)可显著降低雾滴的平均粒径,提高喷嘴的雾化质量。该研究可为农用无人机超低容量变量喷洒系统的研发提供参考。     

雾化网格在果树植保喷雾中的应用与试验

针对目前一些植保机械在喷洒农药的过程中难以兼顾低飘移和高沉积的问题,该研究将雾化网格应用在果树植保喷雾作业中,使喷头喷出的大粒径雾滴在接近靶标处撞击网格二次雾化为小雾滴。为了研究雾滴撞击网格后的粒径和速度分布以及沉积特性,以网格孔径、喷头与网格的距离为变量,以二次雾化后雾滴的速度和粒径分布、喷雾角、雾滴覆盖率、沉积量和飘移量为指标进行试验研究。试验结果表明：放置孔径为461、350和227 μm网格时测量点的雾滴平均速度比没有网格时的2.35 m/s分别降低23.40%、13.90%、29.00%,最大平均粒径比没有网格情况下的192.5 μm分别降低19.5%、14%、10%;随着网格孔径的减小,二次雾化后雾滴的喷雾角有逐渐降低的趋势;放置350和227 μm 孔径网格时果树冠层各层内沉积均匀性相近,沉积量变异系数最高分别为88.08%和74.22%,远低于461 μm 孔径网格的162.98%;放置350 μm 孔径网格时雾滴穿透性较好,各层之间沉积量变异系数最高为10.08%,低于461和227 μm 孔径网格的44.09%和18.25%。在该研究试验条件下,350μm 孔径网格的沉积效果优于461和227 μm 孔径网格,喷头与网格的距离对雾滴覆盖率和沉积量没有显著影响,使用雾化网格的雾滴飘移较少,非靶标区平均雾滴飘移量为靶标区沉积量的6.64%。研究结果可为果园无人机喷雾作业优化提供参考。     

低频弯振超声雾化喷头压电振子基频的预测模型

针对现有基于郎之万夹心振子的低频超声雾化喷头驱动电压高、工作效率低、电路和喷头发热严重、体积较大难以生成超细雾滴等缺点,研发了一种低频弯振超声雾化喷头,该喷头的核心工作部件是轴对称复合弯振压电振子。为了研究轴对称复合弯振压电振子关键结构参数对其基频的影响,在ANSYS平台上,建立了轴对称复合弯振压电振子的虚拟试验系统。采用正交试验设计方法,对试验结果进行了极差分析和回归分析,建立了试验指标轴对称复合弯振压电振子基频与压电陶瓷的外径、内径、厚度及金属圆片直径的回归数学模型。极差分析和回归分析结果表明:压电陶瓷的外径、内径及金属圆片直径对轴对称复合弯振压电振子基频的影响极显著;压电陶瓷厚度对轴对称复合弯振压电振子基频的影响显著;各影响因素对低频弯振超声雾化喷头基频的影响主次顺序依次为压电陶瓷外径、压电陶瓷内径、金属圆片直径、压电陶瓷厚度。轴对称复合弯振压电振子物理样机的基频测试试验结果和回归数学模型预测结果对比表明该回归模型的预测误差基本在5%以内,从而验证了回归模型预测的精准性。该回归模型为轴对称复合弯振压电振子结构参数的优化设计提供了较为实用的数学模型。     

农用运输车制动系优化设计与仿真计算

根据农用运输车在制动时的受力分析,给出了制动力分配比β的极限关系式,并对制动系统主要元器件的参数选取对农用运输车制动性能的影响进行了分析,提出了在各种制动强度下,整车具有良好制动稳定性、较高制动效率的一种优化设计方法。在常用路面附着系数范围内,进行了仿真计算与试验。该方法可明显地减少设计时的计算工作量,且可对设计结果进行初步的预测。     

名优茶连续式理条机参数优化设计与试验

针对传统茶叶理条做形装备主要依靠经验法设计,存在做形质量不佳的问题,该研究运用数值法对连续式茶叶理条机结构与作业参数进行优化,以改善连续式理条机的理条作业性能。通过对连续式理条机进行运动学分析,得到锅槽速度、加速度表达式,并探究锅槽运动与茶叶理条状态之间的关系;通过研究茶叶在连续式理条机锅槽内的运动规律和受力情况,建立茶叶-正U形槽动力学模型,分析了茶叶在锅槽运动周期内各阶段的受力特点及对茶叶成形的作用;运用EDEM软件建立茶叶理条仿真模型,对影响茶叶成形的曲柄转速、锅槽振幅、锅槽倾角、凸棱个数和凸棱高度等关键设计参数进行仿真模拟,得到上述因素作用下茶叶颗粒的平均速度、平均受力与做形时间的关系曲线,并以仿真结果为依据设计三因素三水平正交试验,以成条率、碎茶率为评价指标,利用Design-Expert软件进行数据处理与回归分析,并对优化结果进行验证试验。仿真结果表明：曲柄转速、锅槽振幅和凸棱个数等对理条质量影响较大,茶叶纵向占比率随理条时间增加而升高,促使茶叶主茎脉轴线方向受力形成条状外形;以曲柄转速为195 r/min、锅槽振幅为99 mm、凸棱个数为2的最优参数组合进行验证,成条率为87.39%,碎茶率为1.85%,与优化结果基本一致。研究结果可为连续式茶叶理条机优化设计提供理论参考。     

微型指数振子低频超声雾化喷头的研制及喷雾试验

针对现有低频超声雾化喷头存在驱动电压高、工作效率低、电路和喷头发热严重以及体积较大等缺点,该文研制了一种工作频率为60kHz的微型指数振子超声雾化喷头及喷头的驱动电路。根据频率方程确定了喷头的基本尺寸,建立了喷头的有限单元模型,根据该模型进行了喷头的模态分析和谐响应分析,该喷头的谐振频率计算值为61550Hz,驱动电压为36V时雾化面振幅计算值为8μm;应用阻抗分析仪Pvc70A和激光微位移传感器CD5-L25对该喷头样机的谐振频率和雾化面的振幅进行了测试,喷头谐振频率的测试值为59699 Hz,与设计频率的相差0.5%,与有限元模态计算的频率相差3.0%,驱动电压为36V时振幅的测试值为8.63μm,与有限元谐响应分析结果相差7.8%;应用Winner318B工业喷雾激光粒度分析仪对驱动电压分别为36和30 V喷头所产生的雾滴尺寸进行了测量,测量结果表明,电压对雾滴粒径分布没有显著影响,但是对最大雾化量影响较大;与28 kHz的超声雾化喷头相比,喷头的最大雾化量基本一致,体积和质量分别仅为28kHz超声雾化锥状喷头的5.54%和9.81%,并且其产生的雾滴更细。     

梨树风送喷雾关键作业参数优化与试验

针对目前不同叶面积体密度果树风送喷雾关键作业参数设置缺少可操作性依据,该文通过叶面积体密度、出口风速、穿透距离对雾滴在树冠中的穿透率、沉积率及飘移率的影响试验,并以穿透率、沉积率和飘移率为评价指标,分析得出不同叶面积体密度果树喷雾的最佳出口风速。同时,根据叶单位面积所需药量标准,提出了估算喷雾机行驶速度的方法,从而优化了梨树风送喷雾的关键作业参数。该文还在试验基础上,建立了树冠内的雾量衰减模型。经检验,雾量衰减模型决定系数R2在0.90以上,平均预测误差在20%以内,有较高预测精度,能较好地预测树冠内各点雾量的分布,可对出口风速、行驶速度等参数的优化作进一步的定量分析。该文为实际喷雾作业参数的优化设置提供了参考。     

农用荷电喷雾雾滴粒径与速度分布的试验研究

为研究荷电喷雾场的空间运动结构及其对植株界面的影响,该文运用PDPA测试系统对不同条件下的农用静电喷雾场进行了测试,结合荷质比、喷雾宽度测量结果,对雾滴的粒径分布、主流平均速度分布及平均速度与粒径的关系进行了分析和讨论.结果表明:在机械力和电场力的前后作用下,喷嘴压力愈大,荷电雾滴的粒径愈小且分布愈均匀;雾滴的粒径值随充电电压的增加而下降且粒径均匀分散;在较高的充电电压下,单个雾滴动能损耗的降低和雾滴粒径分布的均匀性又促使其主流平均速度分布趋于均匀.在较大粒径时,随着平均速度的增加,非荷电雾滴不易粘附于植株标靶界面;与非荷电相比,小粒径荷电雾滴群又因具有较大动能而提高了抗漂移能力.     

秸秆热解炭气联产热解焦油雾化试验

热解焦油作为秸秆热解炭气联产过程中的副产物,直接排放会造成严重的环境污染,通过雾化燃烧的方式能实现清洁利用。为探究热解焦油雾化规律,优化雾化工艺参数,该研究基于双流体空气雾化技术和散射谱粒度分析技术,设计了热解焦油雾化试验系统,并开展了单因素试验和正交试验,对比研究热解焦油温度、气体温度、气体压力对热解焦油稳态自由喷雾粒度及粒度分布的影响。结果表明,随着热解焦油温度、气体温度和气体压力的增加,热解焦油的索特平均直径不断减小并且均匀性更好。各因素对雾化效果的影响强弱顺序分别为热解焦油温度、气体压力、气体温度,最优雾化参数为热解焦油温度100 ℃,气体温度120 ℃,气体压力0.5 MPa,在此条件下热解焦油雾化液滴平均粒径为81 μm,粒径200 μm以下颗粒占比85%以上,雾化均匀性较好,该结果为热解油后续充分燃烧提供数据支持。     

带阶梯型谐振腔的Hartmann低频超声雾化喷嘴设计及试验

针对目前雾化栽培领域所用喷嘴无法兼具雾滴粒径细小及大雾化量特性的问题,该文设计了一种带阶梯型谐振腔的流体动力式Hartmann低频超声雾化喷嘴,为了使喷嘴喷雾方向可控,对雾化区域进行了流场主动控制,即在喷雾出口区域设置了圆锥罩,通过数值模拟研究了小尺寸阶梯型谐振腔的振动特性,对其雾化效果进行了试验对比。结果表明:在相同参数条件下,当阶梯型谐振腔第二级阶梯孔与第一级阶梯孔深度比超过2时,其谐振频率达到了传统圆柱型谐振腔谐振频率的1.6~1.7倍;圆锥罩的加入使得腔内流体压力振幅变大,初段起振特性更优;阶梯型谐振腔两级阶梯孔孔径比是影响阶梯腔谐振特性的重要因素,阶梯孔孔径比的改变会使阶梯型谐振腔的谐振模式由"回流模式"转变为"尖声模式"或使谐振现象消失;带阶梯型腔体的低频超声雾化喷嘴比带普通圆柱型腔体喷嘴的雾化效果更好,在0.1 MPa~0.5 MPa的进气压力下,前者比后者雾滴粒径小2~6?m;阶梯型谐振腔式超声雾化喷嘴在加装圆锥罩之后,低压时的雾滴粒径随供气压力变化更大,而在高压时,其雾化效果与没有加装圆锥罩的阶梯型谐振腔式超声雾化喷嘴相比基本一致;索太尔平均粒径SMD(Sauter mean diameter)随Laval管出口与谐振腔之间的距离的变大呈现出先变小后变大的趋势,SMD的变化趋势与腔内声压级SPL的变化趋势基本一致。雾化量为2 L/h下时,阶梯腔式超声雾化喷嘴的最小雾滴粒径为42μm。该研究可为阶梯腔式超声雾化喷嘴在雾化栽培领域的应用提供参考。     

基于微粒子群优化算法的差速器壳体轻量化设计

针对汽车差速器的轻量化,提出了基于微粒子群优化算法和参数化模型相结合进行优化的设计方法.通过计算模态和试验模态相结合,验证了差速器壳体有限元模型的准确性;基于微粒子群算法,建立了以质量最小和安全系数均方根值最大为目标的优化模型,进行了轻量化设计.优化结果显示:壳体质量由优化前的6.26 kg下降到5.67 kg,减轻了10.4%;优化后壳体的最大应力、最大应变和最小安全系数等性能指标均有不同程度的提高,验证了轻量化是成功的.     

小麦小区条播机离心分种器参数优化与试验

为了对离心分种器进行结构改进和参数优化以提高小麦小区播种机的分种均匀性,该文对小麦离心分种过程进行运动分析,得出小麦籽粒的运动受到离心分种器转速、分种面夹角和分种距离的影响;采用离散元仿真软件,建立仿真模型,以离心分种器转速、分种面夹角和分种距离为试验因素,以分种均匀性变异系数为试验指标,进行不同播量下的三因素三水平正交试验,研究各个因素对分种均匀性的影响规律,以获得较优的参数组合。仿真试验结果表明,在播量为2 000、3 000粒时影响分种均匀性的主次因素为离心分种器转速、分种距离和分种面夹角,在播量为1 000粒时为离心分种器转速、分种面夹角、分种距离;通过仿真试验和台架试验,确定离心分种器较优参数组合为离心分种器转速1 250 r/min、分种面夹角120°、分种距离17.5 mm,台架试验条件下3种播量的分种均匀性变异系数分别为5.18%、4.45%和3.98%,与仿真试验结果相差0.36%、0.14%和0.55%,两者基本一致,且籽粒破碎率为0.17%、0.13%和0.14%,具有较小的籽粒破碎。该研究可为小麦小区条播机的离心分种器优化改进以及分种性能提升提供参考。     

农机部件数字化设计软件平台AgriDEM开发

为解决农机产品开发周期长、工作量大和成本高等问题,研制了集设计和性能分析评价为一体的农机部件数字化设计软件平台AgriDEM(agricultural discrete element method)。该平台通过将CAD软件与自主研发的基于DEM-CFD-MBK(discrete element method,computational fluid dynamics,multi-body kinematics)耦合的分析软件集成,可在设计阶段由农机部件的CAD模型(CAD软件设计图),进行农机部件工作过程的动态仿真和工作性能的分析评价,由此实现农机部件结构方案和尺寸参数的优化。该文详细介绍了该平台的架构和关键技术实现方法,包括农机部件分析模型的建模方法、颗粒的建模方法、基于OpenMP的并行计算方法、基于DLL的模块封装及原型系统开发等,最后通过一个实例验证了该平台的可行性和有效性,可为农机部件的优化设计和数字化设计提供参考。     

基于数值模拟和风洞试验的分流对冲式集沙仪结构优化设计

集沙仪是研究土壤风蚀必不可少的仪器之一,为提高集沙效率和自动采集数据的准确性,需要不断地对集沙仪进行优化设计.该文以FLUENT软件和微型风洞为试验平台,对分流对冲式集沙仪风沙分离器的排气管直径、排气管长度、排沙口直径、排沙口收缩高度进行了优化设计.数值模拟和风洞试验的结果显示:改进型风沙分离器排气口和排沙口的降速性能与原风沙分离器相比有了明显的提高,强风条件(13.8 m/s)下,排气管直径、长度均为25 mm,排沙口直径、收缩高度分别为75、15ram时,气流对集沙仪自动采集传感器的冲击力最小,排气口最高风速比原风沙分离器降低了7.47％,排沙口最高风速比原风沙分离器降低了35.59％,改进后的集沙仪集沙效率比原集沙仪提高了1.56％.     

手持式风送授粉机工作参数优化与试验

针对果树授粉作业普遍存在授粉量大、授粉作业不均匀等现象,采用Box-Benhnken的中心组合试验设计理论对风送式授粉作业工作参数作优化研究。以手持式风送授粉机为研究对象,以喷管直径、收缩管直径、电机电压等工作参数为影响因素,以花粉授粉量、喷管出口固相质量浓度、花粉覆盖率为目标函数,建立两者之间的多元数学回归模型,探索各因素之间的影响规律及最佳水平组合。利用Design-Expert 8.0.6软件的回归分析法和响应面分析法对模型进行优化分析,得到风送式授粉机最优工作参数。性能试验结果表明:喷粉量、固相质量浓度影响因素显著顺序依次为喷管直径、电机电压、收缩管直径;覆盖率影响因素显著顺序依次为电机电压、收缩管直径、喷管直径;最优参数组合为喷管直径为5 mm、收缩管直径为7.5 mm、电机电压为8.0 V,对应的花粉喷粉量、固相质量浓度、覆盖率分别为1.70 g/min、17.28 g/m3、77.71%,且各性能指标与理论优化值相对误差均小于6%。田间试验结果表明:猕猴桃花朵柱头的覆盖率为67.11%,与性能试验结果相比相对误差小于16%。研究结果可为进一步完善风送授粉机的结构设计和作业参数优化提供参考。     

基于离散元法的杂交稻振动匀种装置参数优化与试验

杂交稻栽培要求少本稀植、利用分蘖能力提高产量,现有的机械化播种技术不能满足此要求,亟需进行杂交稻精密播种技术的机理探讨。为探明振动匀种装置匀种过程中V-T型振盘的振频和振幅对杂交稻种群运动规律的影响,以及种群流动特性对播种性能的影响,该文基于离散元法,采用Hertz-Mindlin无滑动接触模型,实现了V-T型振盘工作过程模拟,得到振盘振频为57~59 Hz时,种群在振盘中分布均匀,播种效果较好。试验验证表明,利用离散元法模拟振动匀种装置匀种过程具有较高的准确性。在仿真结果的基础上,选取振盘振动臂材料、振动器安装角、气动振动器进气压强作为试验因素,进行了振动匀种装置参数优化试验,获得了杂交稻种子低播量下的最佳工作参数组合为振盘振动臂材料为60Si2Mn,振动器安装角度为47.5°,进气压强为0.26 MPa;此时播种合格指数为92.86%,空穴指数为1.14%,有效地提高了现有播种装置的性能。该研究对提高杂交稻精密播种技术提供了参考。     

粒子群算法在农业工程优化设计中的应用

运用改进型粒子群算法对农村的两个应用实例，农村泵房钢结构数学模型和农村电站无功补偿优化数学模型进行了优化计算，采用MATLAB语言编制了泵房钢结构优化、配电网络无功补偿的计算机仿真程序。通过两个实例的计算机仿真，优化后的泵房钢结构质量比原设计减少了27.37%；有效地搜寻到电站无功补偿费用最低的优化补偿点，结果符合实际应用情况，表明粒子群算法应用于农业工程优化设计计算切实可行，为复杂的农业工程优化设计问题提供了新的思路和方法。