锥盘式撒肥装置的性能分析与试验

针对目前大多数撒肥机在作业过程中存在抛撒不均问题,该文设计了一种锥盘式撒肥装置。通过对该装置结构和工作原理的阐述及肥料颗粒在撒肥盘、叶片上和空气中的动力学和运动学分析,建立了肥料颗粒的运动模型。以叶片长度、叶片水平投影倾角、撒肥盘转速、肥箱落肥口位置和面积为试验因素,以肥料抛撒的横向变异系数为试验指标进行了台架试验。试验表明,当落肥口位置(落肥口中心点在以叶片旋转中心在地面的投影为坐标原点的空间直角坐标系中的坐标值)为(70 mm,0,800 mm),叶片长度为150 mm,落肥口面积为2456 mm2,叶片水平投影倾角为1°,撒肥盘转速为1090 r/min时,横向撒肥变异系数为5.215%,此时肥料抛撒的均匀性最好,满足施肥作业要求。该装置基本上解决了肥料抛撒不均方面的不足,为锥盘式撒肥机的设计与优化提供了参考。     

链条输送式变量施肥抛撒机的设计与试验

针对国内变量施肥机作业幅宽小,变量施肥抛撒机缺乏的问题,该文应用变量施肥技术,设计了一种基于处方图的链条输送式变量施肥抛撒机。通过分析肥料颗粒在撒肥盘上的运动和受力,建立了肥料颗粒在脱离撒肥机圆盘过程中的运动方程,设计并确定了变量抛撒控制系统、肥箱、肥门自动开启装置等关键部件的结构及参数。并进行了不同施肥量和抛撒均匀性的试验,结果表明:链条输送式变量施肥抛撒机变量效果较好,且具有较好的抛撒均匀性,在拖拉机速度1.5m/s,实际施肥量与预置施肥量相对误差最大值为7.53%;拖拉机速度2m/s,目标施肥量225kg/hm2,抛撒幅宽设定30m,有效幅宽抛撒变异系数为14.90%,能够较好的满足实际生产要求。     

离心侧抛式藕田撒肥器设计与试验

针对藕田机械化施肥实际需求,该研究设计了一种离心侧抛式撒肥器。通过建立单个肥料颗粒在叶片上受力的理论模型,确定影响颗粒运动特性的主要参数为撒肥盘转速、叶片倾角和叶片偏角。以肥料喂入速率以及上述因素为影响因素,利用EDEM软件进行单因素仿真试验,结果显示以撒肥器中心为原点,沿抛撒方向,肥料在单个统计区域的分布量变化趋势为先升高后降低。定义肥料分布最多的单个统计区域与撒肥器间的距离为峰值距离,以肥料分布均匀性变异系数和峰值距离为评价指标进行正交旋转仿真试验,根据试验结果利用Design-Expert软件对撒肥器结构进行优化,求取峰值距离为10、21m且均匀性变异系数最小的两种叶片各自对应的叶片倾角和叶片偏角分别为8.5°、17.5°和11.5°、–1.9°。以上述结构撒肥器开展仿真与实际撒肥试验。仿真结果显示:撒肥盘转速1 250 r/min、喂入速率0.316 kg/s时,肥料分布均匀性变异系数、峰值距离、作业幅宽分别为19.43%、21 m和29 m,实际试验结果分别为21.95%、18.6 m和24.5m。以藕田追肥中常用肥料尿素、复合肥、磷肥为对象开展撒肥性能试验,结果显示,撒肥盘转速、喂入速率、肥料种类、肥料种类与转速的交互项、肥料种类与喂入速率的交互项对肥料分布均匀性变异系数影响极显著(P0.01),转速、喂入速率、种类对作业幅宽影响极显著(P0.01)。该研究结果可为藕田撒肥机械设计提供重要参考。     

锥盘式颗粒肥撒施机构抛撒性能分析与试验

为了提高颗粒肥撒施的均匀性和一致性,该文设计了一种锥盘式撒肥机构,通过对锥盘式撒肥机构工作性能的分析,建立了肥料颗粒的受力方程。通过撒肥试验,研究喂入区大小、甩盘转速、甩肥高度对撒肥区域内肥料分布规律的影响。试验结果表明：喂入区大小对肥料颗粒的横向幅宽分布影响较大,对纵向分布影响较小,施肥作业中合理的喂入角为75°;随着甩盘转速的增加,有效施肥区域的横向幅宽和纵向距离均逐渐增大,而且施肥的均匀性和一致性也不断提高,合理转速为600 r/min;施肥高度对施肥幅宽分布和一致性没有显著影响。研究结果可为颗粒肥撒施机的设计提供参考。     

基于EDEM的离心甩盘撒肥器性能分析与试验

为提高颗粒肥料撒施均匀性,该文对离心甩盘式撒肥器进行甩盘转速、喂入量、喂入角和喂入位置角对抛撒均匀性单因素离散元仿真分析,完成多元回归正交旋转仿真试验和目标参数优化并进行台架试验,分析结果表明,喂入位置角与转速及喂入位置角与喂入角间交互作用对撒肥均匀性影响均高度显著;各因素影响主次顺序为甩盘转速、喂入角、喂入量、喂入位置角;当甩盘转速900 r/min、喂入量4 275颗/s、喂入角110°、喂入位置角64°时均匀性变异系数为12.48%,仿真验证和实际试验验证结果与优化结果相吻合。机器前进速度为5.4 km/h时实际工况动态仿真得到工作幅宽内均匀性变异系数为11.43%,满足田间撒肥作业要求。研究结果可为颗粒肥撒施机设计提供参考。     

四轮独立电驱动高地隙喷雾机辅助转向系统设计与试验

针对四轮独立电驱动高地隙喷雾机因轮毂电机控制器遇到较大扰动无法及时响应而导致的转向不稳定问题,该研究提出了一种液压辅助转向方法。通过对四轮独立电驱动高地隙喷雾机的自转向底盘结构原理的分析,设计了液压辅助转向系统,在此基础上建立了简化二自由度车辆转向模型,用于对辅助转向系统转角控制进行分析,并通过仿真分析和试验验证自转向和辅助转向协调控制性能。四轮电驱动喷雾机分别在自转向系统单独作业以及自转向系统和辅助转向系统协同作业的工况下,以1 m/s的速度分别进行了坡度为15°的下坡转向对比试验和水田转向对比试验。试验结果表明:在下坡试验中,单独自转向系统作业的最大跟踪偏差为6.1°,自转向和辅助转向协同作业的最大跟踪偏差为0.9°;水田试验中,单独自转向系统作业的最大跟踪偏差为10.3°,自转向和辅助转向协同作业的最大跟踪偏差为1.5°。研究结果表明该文所设计的液压辅助转向系统具有可行性和较好的稳定性,能够满足实际作业需求。     

稻田气力式变量施肥机关键部件的设计与试验

目前在水稻的机械追肥作业中以离心圆盘式撒肥机为主,该方式在作业幅宽方向上的撒施均匀性不稳定,且难以实现作业幅宽方向上的变量施肥。为了满足水稻变量追肥作业的需要,达到化肥减施增收的目的,设计了一种外槽轮式排肥、以空气流为肥料输送和撒播动力的稻田气力式变量施肥机。文章对该机器的关键部件进行了仿真和测试试验,研究了排肥轮转速与排肥量之间的相关关系,并对排肥管道长度对排肥出口风速与排肥滞后时间的影响、排肥管出口相对高差对排肥滞后时间的影响进行了试验。试验结果表明:排肥轮转速与排肥量之间存在极显著的线性相关关系,相关系数R2=0.998,调节排肥轮转速可以较精确的调节施肥量的大小,在变量作业时,结合施肥量的需求及施肥机具的前进速度,对排肥轮的转速进行实时调节,从而达到变量施肥的目的。当机具前进速度为1 m/s,排肥轮转速在10~40 r/min之间变化时,单凭转速调节可实现每公顷施肥量在40~200 kg范围内的变量调节,此外,各排肥口的排肥量误差小于±5%,基本上达到了施肥均匀性的要求。文章还研究了排肥管道长度及安装高差对排肥滞后时间的影响,结果表明:排肥管道长度对排肥出口风速有显著影响,排肥管长度和出口安装的高差对排肥滞后性亦有显著的影响,因此,为了尽可能减小因排肥滞后对排肥均匀性的影响,应避免排肥管过长,并尽量使排肥管出口不高于入口。该研究为进一步的样机制造和优化提供了依据。     

立式有机肥螺旋撒肥装置设计与试验

针对有机肥黏度大、流动性差、粘结成块后抛撒困难的问题,该研究设计了一种带撒肥叶片的立式有机肥螺旋撒肥装置。通过建立有机肥在抛撒过程中的运动学模型,对撒肥距离、撒肥幅宽进行分析,确定影响撒肥效果的主要因素。以撒肥均匀度和撒肥幅宽为试验指标,以螺旋轴转速、撒肥圆盘倾斜角度、螺旋叶片螺距为试验因素进行旋转正交试验。运用Design-Expert软件对试验结果进行参数优化,通过验证试验对优化后的参数进行验证,结果表明：当螺旋轴转速为385.0 r/min,撒肥圆盘倾斜角度为16.0°,螺旋叶片螺距为360.0 mm时,撒肥均匀度横向变异系数为14%,撒肥幅宽为8.1 m,满足有机肥撒肥机作业标准及田间作业要求。该研究可为有机肥撒肥机的设计和优化提供参考。     

高地隙自走式玉米去雄机驱动系统设计与特性分析

针对中国高地隙自走式玉米去雄机研究起步晚、技术基础薄弱等问题,该文提出了一种静液压驱动系统方案并对驱动系统特性进行了仿真分析和试验研究。根据去雄机的结构特点,建立了包含四轮独立悬架系统及驱动系统的高地隙自走式玉米去雄机整机数学模型。利用Matlab/Simulink建立了仿真模型并进行了仿真分析,利用去雄机样机进行了实车试验研究,得到去雄机在I挡、II挡和III挡时能达到的最高车速分别约为15、19和24 km/h,稳态压力分别为6.361、7.286和8.717 MPa左右,可分别满足不同的作业工况需求,驱动系统动态响应快,性能良好。通过对比分析有无悬架去雄机驱动系统压力对地面激励的响应,得出有悬架去雄机压力波动小、变化平稳,悬架有效地缓解了地面冲击、改善了驱动系统性能。研究结果表明该文所建整机模型是正确的。该文可为中国高地隙自走式玉米去雄机的研发提供参考。     

高地隙施药机自动驾驶系统研制与试验

针对农业自动导航、电动自动转向、农机自动控制、精量施药控制等关键技术的集成应用问题,该研究以高地隙喷杆喷雾机为平台,基于机电液一体化控制与软硬件标准化,研制了用于高地隙施药机的自动驾驶系统。根据底盘机构和工作原理设计了电控执行机构,实现发动机启停、转向、油门调节、车速调节、液泵启停、喷杆伸缩的自动控制。设计了基于CAN总线的整车通信控制网络,实现手动遥控和自动导航2种模式的自由切换。设计了基于姿态测量的定位误差校正方法,补偿导航定位过程中因机体倾斜造成的位置测量误差,提出地头转弯过程中的直线作业路径规划方法,以提高调头的准确性并保证邻接行的上线精度。在验证自动操控机构和通信控制网络稳定性的基础上进行了手动遥控和自动导航的对比试验。结果表明:作业速度3.6km/h时,遥控操作和自动导航2种模式下横向偏差最大值分别为20.81和8.84 cm,航向偏角最大值为7.86°和2.48°、横向偏差的均方根误差最大值为7.47和4.66 cm。该研究设计的高地隙施药机自动驾驶系统能够实时准确执行手动遥控和自动导航2种模式下的操作指令,自动导航模式下的路径跟踪精度较高,满足田间施药作业需求。     

芦苇笋采收机研制

针对芦苇笋采摘无机械化采摘设备,人工采摘劳动强度大,作业环境泥泞,湿地行驶通过性和稳定性要求高等问题,该研究设计了一种自走式芦苇笋采收机。该机包括采摘装置、升举机构、收集装置、履带自行走底盘等部分,可实现满足农艺要求的芦苇笋自动化采摘和收集作业。整机由柴油机驱动,传动系统分为机械传动部分和液压传动部分,机械传动部分提供整机行走和收集纵向输送动力,液压传动部分提供采摘装置动力调整、横向收集调速和升举机构升降。首先,根据芦苇笋采摘掰扯受力特点设计了同步带牵引拖曳采摘装置,其俯仰角度0°～60°可调,前端最大离地高度600 mm,采收宽度876 mm;同时,根据通过性能和作业要求,采摘装置加装变幅升举机构,离地最大升举高度200 mm;之后,根据芦苇笋的生物特性设计了芦苇笋输送收集装置,纵向输送装置皮带速度为0.5 m/s,横向收集装置皮带速度为1m/s;最后,基于各个模块分布和传动关系,设计了履带自行走底盘,配套动力13.3kW。通过对整机动力和行驶性能进行分析计算,确定满负载动力需求,获得整机横、纵向极限倾角及横向滑移角。采摘试验表明,采摘机作业效果良好,采摘效率为71kg/h,损伤率为8%,漏采率7.6%;整机行驶性能稳定,行驶速度范围为0～9 km/h,采摘装置前端离地高度调节范围为0～638mm,可适应地势采摘芦苇笋;整机极限纵向俯角、仰角和横向倾翻角分别为50°、63°和45°,纵向极限滑移角和横向极限滑移角分别为42°和38°,湖区作业通过性和稳定性强。试验结果对自走式芦苇笋采收机的结构优化和智能化升级提供了可靠的技术支撑。     

自走式棉田打顶定向施药管理机的设计与试验

为解决棉田机械打顶施药效率低的问题,设计了一种基于自走式高地隙通用底盘的棉田打顶施药作业机。该机由高地隙通用底盘提供动力,通过传动系统带动药液泵、液压马达和离心风机等工作。该文重点论述了高地隙通用底盘、液压系统、风送系统、打顶装置以及定向施药装置等关键部件的设计。田间试验结果表明:当该机工作速度为1.5 km/h时,有风送时雾滴沉积量比无风送时提高60.38%,变异系数降低25.64%,机械百株打顶率是人工打顶的7~8倍,百株漏打率比人工打顶提高了30%,雾滴沉积性能和定向喷雾性能良好,整机作业时棉田通过性较强。该研究为提高棉田机械的作业效率,实现农机、农艺相结合的作业要求提供了参考。     

两级螺旋排肥装置的设计与试验

为了改变现有排肥装置对肥料形态特征要求高的缺陷及改善排肥效果,该文设计了一种两级螺旋排肥装置,研究了装置的排肥原理,建立了排肥螺旋的单圈排肥量的数学模型,分析了两级螺旋排肥装置的相关参数,并通过试验测试与分析了两级排肥装置的排肥性能。试验结果表明,在10~200 r/min转速范围内,对于芭田复合肥、水稻专用肥及吸潮后的芭田复合肥和水稻专用肥,两级螺旋排肥装置每分钟内的排肥量随转速的增加而增大,并呈线性关系,整体决定系数大于0.998,排肥螺旋的单圈排肥量的极差、标准差及变异系数较小,对于含水率2%的芭田复合肥和含水率5.6%的水稻专用肥的单圈排肥量的变异系数小于0.025;吸潮后含水率较高的芭田复合肥和水稻专用肥的单圈排肥量的变异系数整体上不大于0.040。同时,通过数学模型计算出的单圈排肥量与实际单圈排肥量一致较好,该模型能准确表达此类两级螺旋排肥装置的单圈排肥量。因此,该研究能有效地改善排肥效果,降低对肥料形态特征的要求,为同步播种施肥机具及变量施肥机具的研究与设计提供了参考依据。     

3ZSP-2型甘蔗中耕施肥培土机刮板式排肥装置参数优化

为提高3ZSP-2型甘蔗中耕施肥培土机的排肥均匀度和稳定性,通过单因素及中心组合试验研究了其结构和性能参数对排肥均匀度的影响。以前进速度、刮板宽度和刮板角度为主要影响因素,采用Box-Behnken中心组合试验设计方法,建立了3ZSP-2型甘蔗中耕施肥培土机排肥均匀度的数学模型,通过回归统计方差、响应面和等高线分析了各机构参数对排肥均匀度的影响规律。结果表明:在刮板宽度30~50 mm,刮板角度15°~19°,前进速度为0.7~1.1 m/s试验参数范围内,各因素对排肥均匀度影响程度从高到低依次为刮板宽度、刮板角度、前进速度,排肥均匀度随各因素参数的增加呈先增大后减小的趋势。当刮板宽度为48.4 mm、刮板角度为16.5°、前进速度为1.09 m/s的参数条件下,施肥均匀度由原来的90.1%提高到92.97%,排肥稳定性提高,开沟深度稳定性达92.9%,肥料覆盖率达100%。研究结果为3ZSP-2型甘蔗中耕施肥培土机的设计和改进提供了理论依据。     

螺旋扰动锥体离心式排肥器设计与试验

针对现有油菜直播排肥器排肥流畅性、稳定性以及排肥量均匀性不足,从而影响化肥精准施用的问题,设计了一种螺旋扰动锥体离心式排肥器。阐述了排肥器的设计原则和工作原理,基于颗粒化肥的物理机械特性与油菜施肥量要求确定了螺旋扰动杯和弧形锥体圆盘的结构参数。以中国农资复合肥、史丹利复合肥、鄂中复合肥为试验材料,开展排肥器锥体圆盘转速为80~130 r/min时的排肥性能及排肥行数适应性台架试验,验证了排肥器的排肥性能。验证试验结果表明:三种复合肥的各行排量一致性变异系数在11.5%以下,不同转速不同物理机械特性化肥条件下的排肥量稳定性变异系数在6.3%以下,同行排量一致性系数在93%以上;转速较低时,排肥器倾斜状态下各行排量一致性变异系数为9.82%,满足排肥质量要求。田间试验结果表明,各行排量一致性变异系数低于7.9%,排肥量稳定性变异系数在5.3%以下,同行排量一致性系数高于93.5%,符合行业标准性能指标,满足田间排肥质量要求。该研究可为油菜生产过程的化肥减施与精准施用提供有效的技术支撑。     

3SFBQ-500型果园气爆松土注肥机的优化设计与试验

针对目前果园开沟施肥存在的易伤树木根系、耕作能耗大、施肥不均等问题,该文研制了3SFBQ-500型果园气爆松土注肥机,采用液力辅助气铲激振的钻杆结构,建立液力辅助气铲钻土的力学模型及运动学方程,分析了钻杆的土力学关系,优化了钻头构型参数,优化后的钻头锥角60°、钻杆圆柱半径12.5 mm;设计了一种基于PLC控制的经济型多旋钮式开关操控系统,实现了机具手动、自动控制作业,一键操作可完成钻杆钻土、气爆松土、液肥注射、钻杆回升四步操作;在SolidWorks软件中建立了样机模型,并完成了样机的试制与田间试验工作。样机田间试验结果表明,气爆作用可在土体内部产生裂隙并扩散,300 mm钻深、0.8 MPa气爆压力下的土体最大裂隙宽约3~4 mm,裂隙扩展扰动半径约400 mm;土壤在气爆下发生扰动,扰动系数达50.11%;液肥在注肥机构作用下可在深土层中无堵塞喷射,并均匀扩散;样机操作简便,运行稳定,工作效率至少0.048 hm~2/h,满足果园施液肥农艺要求,适用于果树、园林、绿化地的施肥作业。     

超大颗粒肥水田气力深施加速器设计及参数优化

为解决水稻撒施追肥存在的肥料流失、利用率低及机械深施肥工作部件易堵塞、伤根等问题,该研究设计了一种用于水田深施追肥机的超大颗粒肥气力式加速器。该加速器利用双螺旋高压气流,在其与肥料上端构成的近封闭空间内加速超大颗粒肥,实现其高速射入泥壤,并可避免肥料颗粒与管壁碰撞;出口设置渐扩管扩散气流,可减轻对泥壤的冲击,提高施肥位置的稳定性。根据超大颗粒肥参数与加速器功能要求,确定了加速器的结构参数,并根据肥料入泥深度所需的射出速度,分析确定了加速器的工作参数。在此基础上,基于Fluent软件的六自由度重叠动网格建立了加速器仿真模型,以进口气流速度、螺旋角和加速管直径为试验因素,进行单因素仿真试验与三因素三水平Box Behnken组合仿真试验,研究各因素对肥料射出速度与气流扩散率的影响。多因素试验分析及响应面分析结果表明,加速器的最佳工作参数为进口气流速度47 m/s、加速管直径21 mm、螺旋进气口螺旋角43°。在此条件下进行台架验证试验,得到肥料射出速度均值为12.61 m/s,出口气流扩散率均值为85.5%,肥料入泥平均深度为4.68 cm,达到了水稻追肥要求。该研究可为超大颗粒肥水田气力深施追肥机设计提供参考。     

水稻秸秆收集与连续打捆复式作业机设计

针对单体打捆机捡拾联合收获后田间滞留的水稻"站秆"及"残茬"收净率较低,以及圆捆打捆机绕线卸捆时需停机导致作业效率低等问题,该文将现有水稻联合收获机的脱粒清选和粮箱等装置与圆捆打捆装置置换,在输送槽出口与打捆装置集料口处设置集料装置作为缓存区,采用自动控制技术控制各功能部件连续作业,最终研发出集切割、捡拾、收集、打捆、集捆等功能于一体的田间水稻秸秆收集与连续打捆复式作业机。田间性能试验表明:在作业档的工况条件下,作业速度越快,成捆效率越高,但圆柱规范度程度越差;经测定,整机以中速档(1.1 m/s)连续作业3.4 h后,其成捆率为98%,生产率为0.4 hm2/h,秸秆收净率为95%。该研究为机械化收获后有效提高秸秆利用率以及实现农业生产中农机具的一机多用提供了参考。     

水稻精量穴直播机电驱式侧深穴施肥系统设计与试验

针对水稻直播施肥过程中存在肥料用量大、化肥利用率低等问题,根据水稻精量穴直播与侧深穴施肥的农艺要求,开发了一套水稻精量穴直播机电驱式侧深穴施肥系统。采用液压自平衡方式设计全方位仿形系统,对机具在作业环境中实时自动调节,保证播种、施肥作业质量;采用圆弧函数曲线优化设计施肥沟开沟器,在距垄台上芽种行水平距离30 mm处开出宽50 mm、沟型平整的施肥沟;采用电力驱动方式设计电动式外槽轮排肥器,根据需要对每个排肥器独立调节,与配套的电动部件相连,将肥料成穴施入施肥沟底。田间试验表明,在机具前进速度为2.48 km/h,排种器、排肥器工作转速均为29 r/min,施肥深度为50 mm的最优工作条件下,穴播种量、穴施肥量合格率分别为86.73%、87.49%,施肥与播种穴距匹配,各行播种、施肥穴距合格率均为100%,播种、施肥穴距变异系数分别为17.2%、16.5%,芽种破损率为0.31%;并对排种器、排肥器在14~36 r/min工作转速范围内进行可行性验证试验,施肥系统可与水稻精量穴直播机配套,同步完成开沟、侧深穴施肥、覆泥、起垄和精量穴直播多项作业工序,各项性能指标均满足水稻直播、施肥的农艺要求。该研究可为水稻精量穴直播机及其施肥关键部件的设计和评价提供参考。