玉米行间滚轮式穴施排肥器设计与试验

针对玉米在大喇叭口时期追肥机械化水平低的问题,结合黄淮海地区玉米播种行距、株距的农艺要求,本文设计了一种滚轮式穴施排肥器。为满足穴施排肥器稳定深施要求,基于Abaqus建立成穴器动力学模型,对穴施排肥器进行成穴性能和扎穴压力分析,利用分析结果对液压系统进行设计选型;针对穴施排肥器排肥稳定性能要求,应用EDEM建立机具-土壤-肥料离散元模型,进行3种作业速度下其抛土特性和穴施量分析,确定滚轮式穴施排肥器作业速度1.5m/s时,排肥效果最佳;试验结果表明：该排肥器在1.5m/s的速度作业时,平均穴排肥量为9.01g,穴施量偏差为11.2%,施肥均匀变异系数为4.17%;施肥深度合格率92%,施肥深度变异系数6.75%,符合设计要求。     

玉米行间滚轮式穴施排肥器设计与试验

针对玉米在大喇叭口时期追肥机械化水平低的问题,结合黄淮海地区玉米播种行距、株距的农艺要求,设计了一种滚轮式穴施排肥器。为满足穴施排肥器稳定深施要求,基于Abaqus建立成穴器动力学模型,对穴施排肥器进行成穴性能和扎穴压力分析,利用分析结果对液压系统进行设计选型;根据穴施排肥器排肥稳定性要求,应用EDEM建立机具-土壤-肥料离散元模型,进行3种作业速度下的抛土特性和穴施量分析,得出当滚轮式穴施排肥器作业速度为1.5m/s时,排肥效果最佳。试验结果表明：该排肥器以速度1.5m/s作业时,平均穴排肥量为9.01g,穴施肥量偏差为11.2%,施肥均匀性变异系数为4.17%;施肥深度合格率92%,施肥深度变异系数6.57%,符合设计要求。     

偏心弹射式排肥器设计与仿真试验

针对目前穴施排肥器存在易伤作物、喷肥均匀性差、喷肥可靠性低等问题,设计一种偏心弹射式排肥器。根据颗粒肥穴施特性,基于盛肥腔体积压缩而形成压力差的原理,借助人机交互平台,设计关键部件弹射机构和偏心机构,优化机构的结构与工作参数,分析肥料在腔体内的受力状况和运动轨迹。该排肥器主要由排肥装置、偏心轮装置、弹射部件等组成。通过Soildworks三维建模,运用离散元法(EDEM)和动力学(RecurDyn)耦合仿真分析技术对排肥器的成穴性进行仿真,并进行台架试验。试验表明:该机构弹射性能稳定可靠,对农作物无机械损伤。在排肥器角速度为6.2 rad/s、6.7 rad/s,7.2 rad/s时,每穴排肥量一致性变异系数分别为2.8%、3.3%、4.0%,肥料喷射均匀性较好。作业效率等各项指标与预期目标差异性小。离散元仿真值与台架试验相对误差值接近,表明台架试验结果真实可靠。     

油菜侧深穴施肥装置设计与试验

为提高肥料利用率、降低肥料施用量、实现油菜根区施肥,结合油菜种植施肥农艺要求,提出了一种油菜侧深穴施肥工艺,设计了一种机械式穴施肥装置,阐述了穴施肥装置的工作过程,确定了穴施肥装置的基本参数,建立了充肥和排肥环节中肥料颗粒群的力学模型,分析了影响穴施肥装置成穴性能的主要因素;应用离散元软件EDEM对穴施肥排肥器的成穴性能进行了仿真试验,分析了排肥轮转速、充肥型孔长度、导肥管材料对穴排肥量误差和穴径长轴长度的影响;利用正交组合试验确定了成穴性能较优的参数组合,排肥轮转速为60r/min、充肥型孔长度为18mm、导肥管材料为ABS塑料管时,穴排肥量误差为7.05%、穴径长轴长度为62.45mm;优选参数组合下的排肥性能试验结果表明,排肥轮转速为30~90r/min时,穴排肥量误差为4.56%~15.69%、穴径长轴长度为76.32~91.50mm、穴径长轴长度稳定性变异系数为4.53%~9.78%、穴距误差为3.24%~7.31%;田间试验表明,排肥轮转速为30~90r/min时,穴排肥量误差为4.73%~16.07%、穴径长轴长度为85.21~101.65mm、穴径长轴长度稳定性变异系数为4.82%~10.63%、穴距误差为3.36%~7.58%、施肥深度稳定性变异系数为6.43%~10.85%,成穴性能较好,满足穴施肥要求。     

倾斜梯形孔式穴施肥排肥器设计与试验

为降低肥料施用量、提高肥料利用效率、实现植株根区施肥,设计了一种倾斜梯形孔式定量穴排肥器。阐述了穴排肥器的成穴与工作原理,分析了影响其成穴性能的主要因素,构建了充肥和排肥过程中肥料颗粒群的力学模型;应用离散元软件EDEM和流体分析软件Fluent对穴排肥器的成穴性能进行了仿真分析,研究了作业速度、充肥孔长度和气流速度对穴长、穴排肥量误差的影响,通过全因子试验得到作业速度为3~7km/h时的较优参数组合为充肥孔长度27.0mm、气流速度15.0m/s,对应的穴长和穴排肥量误差分别为62.7~87.5mm和7.4%~8.9%。台架试验表明,在作业速度为3~7km/h、充肥孔长度为27.0mm和气流速度为15.0m/s条件下,穴长、穴长稳定性变异系数、穴排肥量误差和穴距误差分别为98.5~175.5mm、7.42%~14.18%、7.60%~15.17%、2.3%~4.7%;田间试验表明,作业速度为3~7km/h时,穴长、穴长稳定性变异系数、穴排肥量误差和穴距误差分别为104.2~178.4mm、7.55%~14.56%、7.69%~13.80%、2.1%~4.3%,成穴性能较好。     

扎穴施肥单体仿真分析与试验

为改进高秆作物传统撒播、条播施肥方式肥料利用率低问题,设计一种高地隙穴施肥作业车,该作业车扎穴施肥单体两侧安装有探针传感器,可以根据作物植株位置进行精准穴施肥。基于RecurDyn-EDEM、EDEM-ANSYS对扎穴施肥机构进行多体动力学—离散元、离散元—有限元仿真分析,并进行扎穴排肥试验,仿真试验明确扎穴施肥单体的运动机理和土壤成穴情况,量化施肥量与排肥器开度之间的函数关系;在扎穴施肥过程中,鸭嘴总变形为0.005 mm,等效应力最大为4.142 2 MPa,远小于结构钢屈服强度,鸭嘴不会发生应力变形。扎穴排肥试验进一步确定施肥单体的实用性,修正施肥量与排肥器开度之间的函数关系,可以针对不同农作物调节排肥轮开度进行精准施肥。     

免耕播种机精量穴施肥系统设计与试验

为实现玉米精量穴施肥农业技术要求,提高穴施肥质量,设计了一种穴施肥控制系统。应用颗粒系统仿真软件EDEM对穴施肥控制装置成穴性能进行了仿真研究,表明穴施肥装置在播种速度3~7 km/h时,鸭嘴阀成穴性能较好,成穴性能随着播种机速度增加逐渐减弱。通过穴施肥控制算法,调节种子脱离排种口与肥料脱离排肥口的时间间隔t_3,控制穴施肥料与穴播种子水平距离a,实现穴施肥位置控制;调节排肥轴转速和鸭嘴阀开合频率,实现穴施肥量控制。采用正交旋转组合试验,以播种机行进速度、鸭嘴阀旋转角、穴施肥装置安装高度为试验因素,穴距精度和穴施肥量精度为试验指标,应用响应面分析法,进行三因素五水平正交试验,结果表明,在播种机行进速度为7 km/h,最佳参数组合为:旋转角33.37°,安装高度17.30 cm。田间试验结果表明,在播种机行进速度3~7 km/h,旋转角33.37°,安装高度17.30 cm时,穴距精度可达84.76%,穴施肥量精度可达87.20%,满足玉米精量穴施肥控制技术农业要求。     

油菜直播机四头螺旋双行排肥器设计与试验

针对油菜直播机常用外槽轮排肥器排肥稳定性和均匀性不足及各行一致性低等问题,设计了一种四头螺旋双行排肥器。分析了肥料颗粒在螺旋排肥中的运动特性,确定了排肥螺旋螺距范围和临界转速,运用EDEM仿真分析得出排肥螺旋头数为四头和螺距为24mm时,排肥器具有最佳的排肥性能;开展了排肥螺旋转速对排肥器排肥性能影响和不同肥料适应性的台架试验,试验结果表明,排肥速率随排肥螺旋转速增大而增加,单行排肥速率为461.19~1328.57g/min,排肥均匀性变异系数随排肥螺旋转速增大而变小,在转速大于30r/min时,排肥均匀性变异系数小于6.5%,总排肥量稳定性变异系数和双行排肥量一致性变异系数均小于2.2%;同时研究表明一器双行四头螺旋排肥器能适应广泛应用的不同类型油菜直播常用复合肥,3种试验肥料排肥均匀性变异系数均满足施肥标准,总排肥量稳定性变异系数和双行排肥量一致性变异系数均低于3.3%。田间试验结果表明,理论施肥量为28.87kg时,一器双行螺旋排肥器实际施用量与理论施用量相对误差为2.33%,排肥均匀性变异系数为6.73%,双行排肥量一致性变异系数为1.98%。试验结果满足油菜直播生产施肥要求,可为油菜直播排肥器的结构改进和优化提供参考。     

弧槽双螺旋式排肥器优化设计与试验

为实现排肥器的精量排肥,对采用错位叠加单螺旋排肥曲线原理的弧槽双螺旋式排肥器的排肥性能进行理论分析,确定其排肥量及影响其排肥性能的因素,以螺距S、弧槽半径Rp、中心距a为试验因素,并以均匀性变异系数、施肥精度为试验指标,进行了三因素三水平Box-Behnken试验,得到最优参数：螺距S为35mm,弧槽半径Rp为17.5mm,中心距a为35mm,在最优参数组合下制作排肥器并进行台架验证试验与对比试验,试验结果表明：台架试验的均匀性变异系数、施肥精度与仿真试验相对误差分别为5.07%、4.69%,仿真与台架试验吻合度较好,对比试验结果表明：优化后弧槽双螺旋式排肥器施肥精度为3.35%,施肥精度较高,优化后弧槽双螺旋式排肥器较未优化弧槽双螺旋式排肥器、单螺旋排肥器均匀性变异系数分别降低7.26、15.48个百分点,优化后的弧槽双螺旋式排肥器排肥性能良好。     

支持故障报警的果园对靶变量排肥系统

针对果园条开沟连续施肥造成肥料浪费,而挖穴施肥作业过程繁琐的问题,基于普通条开沟施肥机具设计了果园对靶变量排肥系统,该系统主要包括果园穴施肥精量排肥器和对靶变量施肥控制器。利用高速摄影技术获得了不同排肥口截面积排肥下落时间,使用间歇旋转机构实现定量穴排肥,提出了扇叶旋转落肥感知方法并设计了排肥故障监测装置,进而设计了果园穴施肥精量排肥器。使用光电传感器实时感知果树树干以获得排肥位置,利用接近开关感知地轮转速计算行进速度,以STC12C5A60S2单片机为核心设计了对靶变量施肥控制器。搭建了试验平台,进行了实验室试验,结果表明,1~5排肥量挡位下,平均排肥量与理论排肥量最大误差为10 g,最大变异系数为4.6%;平均排肥长度为20.2~40.9 cm;偏移距离绝对值最大为5.5 cm,最小为0.6 cm,偏移距离标准差平均值为4.26 cm;单次排肥故障监测装置最少感知落肥通断信号次数为2次,故障监测准确率达到100%。果园试验表明,针对100棵枸杞树进行对靶施肥,其排肥准确率为97%。该系统实现了果园靶标实时探测、对靶精量排肥控制和排肥故障报警功能,达到了条开沟对靶穴施肥的果园作业要求。     

双齿轮式排肥器设计与试验

为了提高颗粒肥料的施肥均匀性,设计了双齿轮式排肥器。利用离散元软件对排肥过程进行仿真分析,以排肥轮压力角、排肥轮间隙为试验因素,以排肥均匀度变异系数为排肥效果评价指标,分析因素对指标的影响。单因素试验结果表明,排肥轮压力角在15°～25°,排肥轮间隙在4～6 mm,排肥效果较好;通过二次通用旋转组合试验,建立了两个因素与评价指标的回归方程,试验结果表明,随排肥轮压力角、排肥轮间隙的增大,排肥均匀度变异系数均呈现先增大、后减小的趋势,当排肥轮压力角为19. 52°、排肥轮间隙为4. 7 mm时,排肥器具有最优的排肥效果,此时理论计算和仿真试验的排肥均匀度变异系数分别为15. 30%和14. 58%,两者偏差为0. 72个百分点,说明回归模型准确。最优结构参数组合下双齿轮式排肥器的台架试验结果表明,排肥量可通过排肥轮转速线性调节,排肥均匀度变异系数为15. 42%,与仿真值及理论值基本一致;同等条件下外槽轮排肥器的排肥均匀度变异系数为20. 29%,试验排肥器排肥均匀度变异系数提高了31. 58%,排肥均匀性得到明显改善。     

腔盘式精量穴施肥装置设计与试验

施肥方式粗放是造成我国肥料利用率低的主要原因之一,与条状施肥相比,穴式施肥可有效提高肥料利用率,但目前尚缺乏成熟的穴式施肥装备。为此,本文设计一种用于颗粒状肥料穴式施用的腔盘式精量穴施肥装置,通过理论分析确定了装置的主要结构和工作参数,并探讨了肥腔形状(圆弧型、直线型-钝角、直线型-锐角和抛物线型)对肥料运动的影响。运用离散元法(EDEM)对不同结构和作业参数下排肥盘充肥性能和肥群运动进行了仿真分析,结果表明:肥腔形状、作业速度和施肥量对各穴排肥量变异系数均有显著影响,随作业速度的增大和施肥量的减少,变异系数增大,且圆弧型肥腔排肥稳定性最好;作业速度和肥腔形状对肥料扰动系数有显著影响,排肥盘经过箱体的时间及其对肥料扰动的形式和大小是影响排肥量稳定性的主要原因。在作业速度7 km/h,排肥量300 kg/hm2的条件下对4种排肥盘进行台架试验,结果表明圆弧型肥腔性能最优,排肥量合格率为94%,各穴排肥量变异系数为6.47%,与仿真结果呈现相同规律,且满足排肥要求。     

腔盘式精量穴施肥装置设计与试验

施肥方式粗放是造成我国肥料利用率低的主要原因之一。与条状施肥相比,穴式施肥可有效提高肥料利用率。本文设计一种用于颗粒状肥料穴式施用的腔盘式精量穴施肥装置,通过理论分析确定了装置的主要结构和工作参数,并探讨了肥腔形状(圆弧型、直线型-钝角、直线型-锐角和抛物线型)对肥料运动的影响。运用离散元法(EDEM)对不同结构和作业参数下的排肥盘充肥性能和肥群运动进行了仿真分析,结果表明:肥腔形状、前进速度和施肥量对各穴排肥量变异系数均有显著影响,随前进速度的增大和施肥量的减少,变异系数增大,且圆弧型肥腔排肥稳定性最好;前进速度和肥腔形状对肥料扰动度有显著影响,排肥盘经过箱体的时间及其对肥料扰动的形式和扰动量是影响排肥量稳定性的主要原因。在前进速度7 km/h、排肥量300 kg/hm~2的条件下,对4种排肥盘进行台架试验,结果表明,圆弧型肥腔性能最优,排肥量合格率为94%,各穴排肥量变异系数为6.5%,与仿真结果呈现相同规律,且满足作业排肥要求。     

粉末状有机肥条施排肥器设计与试验

针对粉末状有机肥湿度大、流动性差、条施困难等问题,设计了一种粉末状有机肥排肥器。该装置主要由肥箱、排肥拨轮、防自流挡板和排肥轴组成。为了提高排肥器的适用性,以不同含水率（（28±1）%、（32±1）%、（36±1）%）的粉末状有机肥为研究对象进行排肥器设计。对拨轮推动过程中的有机肥进行力学分析,将排肥拨轮设计成摆线型。为了防止有机肥直接通过肥箱底板的排肥口产生自流现象,以及破碎结块的有机肥,设计了防自流挡板。以排肥指数和排肥口宽度为试验因素,排肥稳定性变异系数为性能指标,进行二次正交旋转组合试验,建立排肥器离散元仿真模型,得到排肥指数为6个、排肥口宽度36.36mm时排肥稳定性最好;以断条率、各行排肥量一致性变异系数、排肥稳定性变异系数与排肥均匀性变异系数为评价指标对设计的排肥器进行性能测试试验,试验结果表明：排肥器对不同含水率有机肥以5~8km/h的速度施用时各性能指标均在规定范围内,工作性能稳定,满足技术要求。     

基于颗粒肥料运动模型的排肥器优化与试验

针对螺旋锥体离心式排肥器排肥性能需提升、各参数对排肥性能影响规律不明确及相关理论和解析模型研究不深入的问题,建立了颗粒肥料在排肥器内的运动模型,通过理论分析确定了弧形锥体圆盘的母线方程及影响排肥器性能的主要结构参数和范围。采用EDEM离散元仿真软件,开展了以排肥器锥盘离送段水平倾角δ、推板径向偏角γ及锥盘转速n为试验因素,以排肥量稳定性变异系数CV1、各排肥管道排出肥料的一致性变异系数CV2及随机选取的某一路排肥管道的同行排肥量一致性变异系数CV3作为响应指标的二次回归正交旋转组合试验,应用Design-Expert软件分析了各参数对排肥性能的影响规律,确定了排肥器最优结构参数为水平倾角30.4°、推板径向偏角3.2°、锥盘转速130r/min。为验证所优化排肥器的排肥性能,基于排肥器最优参数组合,开展排肥器在100、110、120、130r/min的排量标定及性能验证试验,试验结果表明,排肥器行最大供肥速率为1.6kg/min,排肥量稳定性变异系数不大于3.12%,各行排肥量一致性变异系数不大于5.29%,同行排肥量一致性变异系数不大于2.05%,各指标均满足施肥量要求。田间试验表明,排肥器排肥量稳定性变异系数不大于4.57%、各行排肥量一致性变异系数不大于6.98%、同行排肥量一致性变异系数不大于3.56%,满足行业标准要求。该研究可为进一步提高排肥器性能及排肥器设计提供理论参考。     

基于行星轮系的玉米穴施肥自动对种系统设计与试验

玉米播种同步穴施肥是提高肥料利用率的有效手段，本文针对现有穴施肥装置用于精量播种作业时种肥相对位置无法实时检测和控制的难题，设计了一种玉米自动对种穴施肥装置。提出了基于行星轮系的自动对种方法，在确保种距和肥距相等的前提下实时调节排种盘和排肥盘相位差，实现播种作业过程中种肥相对位置的实时调控。通过分析机具前进速度、排种器排肥器间距、株距等对落种落肥位置的影响，得到种肥相对位置计算方法，设计了穴施肥自动对种控制算法。搭建了基于STM32F103的控制系统，并完成硬件系统和软件系统的设计，可完成落种落肥等信息的检测和种肥相对位置的实时调控。验证试验结果表明，当前进速度分别为3、4、5、6 km/h时，种肥纵向平均间距分别为8.6、6.1、11.7、8.5 mm,满足对种穴施肥需求。     

反转啮合齿轮式排肥器的设计与仿真分析

针对排肥器排肥流量均匀性不高的问题,设计了一种反转啮合齿轮式排肥器,利用反向啮合齿轮连续交替排出肥料,提高排肥流量均匀性。对排肥器排肥量和流量均匀性进行理论分析,确定对排肥量和流量均匀性产生影响的因素,利用EDEM建立排肥器离散元仿真模型,进行仿真验证试验。结果表明:反转啮合齿轮式排肥器较外槽轮式排肥器排肥流量均匀性有较大提高,且反转啮合齿轮式排肥器排肥流量均匀性随转速的增加而增加。     

水平涡轮叶片式精量排肥器设计与试验

为提高排肥均匀性,以大颗粒尿素为研究对象,设计了一种水平涡轮叶片式精量排肥器,对关键参数进行了设计与机理分析,确定了影响排肥均匀性的影响因素和参数范围,并基于离散元仿真软件确定了对数螺旋线叶片曲面参数。以涡轮叶片数量、涡轮转速和排肥口开度为试验因素,进行了排肥量的单因素试验和排肥均匀性的Box-Behnken多因素试验,结果表明,排肥量与转速呈良好的线性关系,决定系数R2不小于0.96,对于确定叶片数量的排肥涡轮,可匹配不同排肥口开度的涡轮底盘并实时控制排肥涡轮转速来调节排肥量,易于实现变量施肥作业,且排量范围内排肥均匀性较好;涡轮叶片数和排肥口开度的交互作用对排肥均匀性影响高度显著,各因素影响的主次顺序为涡轮叶片数、涡轮转速和排肥口开度;当涡轮叶片数为8个、涡轮转速为98r/min、排肥口开度为40°时,排肥均匀性系数为97.24％,实际试验验证结果与优化结果相吻合;对磷酸二胺颗粒肥料的适应性验证试验结果表明,两种颗粒肥料排肥器排肥均匀性系数接近97%,排肥量稳定性变异系数小于2%,排肥器具有较好的排肥均匀性和排量稳定性;对比分析目前常用外槽轮排肥器,设计的水平涡轮叶片式精量排肥器有效地提高了颗粒肥料的排肥均匀性。     

圆锥盘推板式水田侧深施肥双行排肥器设计与试验

为提高水田侧深施肥排肥器稳定性与均匀性,增强肥量调节能力,保证水田侧深施肥作业效率与质量,结合黑龙江地区水田施肥农艺要求,设计了一种圆锥盘推板式双行排肥器。阐述了排肥器工作原理,构建了肥料不同阶段的力学模型,确定了圆锥转盘结构参数与临界转速;应用离散元软件EDEM仿真分析推板数量对肥料填充能力与排肥性能的影响规律,得出推板数量为8时,排肥器具有最佳排肥性能;采用全因子试验方法开展圆锥转盘转速为15～45 r/min、排肥口开度为5～25 mm条件下排肥器排肥量和排肥性能的台架试验,试验结果表明,排肥量范围为122～934 kg/hm²,与圆锥转盘转速和排肥口开度均具有较高的线性相关性,且与圆锥转盘转速相关性最高;双行排肥量一致性变异系数、总排肥量稳定性变异系数和排肥均匀性变异系数范围分别为1.01%～3.88%、1.05%～3.81%、6.64%～15.79%,排肥器倾斜状态下双行排肥量一致性变异系数最大值为6.17%,试验结果满足水田侧深施肥性能要求。     

基于离散元法的施肥机排肥性能分析

为提高温室设施中施肥机排肥性能,对施肥机运动参数与几何参数的最优组合开展研究,对其排肥量进行研究分析并建立施肥机排肥机构的离散元模型。采用二次回归正交旋转组合试验设计,运用离散元软件EDEM对施肥机排肥性能进行正交虚拟试验,以各行排肥量一致性变异系数、总排肥量稳定性变异系数、施肥断条率作为排肥性能评价指标,对试验结果进行回归分析并应用SPSS软件得到各个试验因素的回归方程,利用Matlab绘制三维等值线图,确定各参数对性能指标的影响规律。对试验因素进行优化计算,得出最优参数组合:当进速度为7.35 km/h,转速为48.76 r/min,槽轮外径为53.28 mm时,各行排肥量一致性变异系数分别为1.08%,总排肥量稳定性变异系数为0.93%,施肥断条率为0.14%。采用台架试验验证仿真结果,证明应用离散元法研究温室设施中施肥机排肥性能的可行性。