滑推式开沟器设计与作业性能优化试验

针对播种深施肥时,播种开沟器回土能力差,导致播种深度难以控制,结合滑推工作原理,设计出一种新型滑推式开沟器。该开沟器具有上宽下窄的结构,易将扰动土推回沟内,具有良好的回土性能,进而容易控制种子的深度。为探究滑推式开沟器的工作性能,在下宽度和滑推高度固定时,以前进阻力、回土量作为试验指标,以滑推角、开沟器上宽度为试验因素,在室内土槽中进行了单因素试验和中心复合表面组合试验（central composite face-centered design,CCF）,对试验数据进行分析检验,得到可信的回归数学模型,分析因素及其交互作用对滑推式开沟器工作性能的影响规律,利用遗传算法NSGA-Ⅱ对回归数学模型进行多目标优化,获得最优的结构参数组合,并进行试验验证。试验结果表明,滑推角对回土量和前进阻力的影响程度均大于上宽度;滑推式开沟器最优的结构参数组合：下宽度为30 mm、上下宽度高度差为150 mm、上宽度为54 mm和滑推角为48°,该条件下的回土量为8.67 g/cm,前进阻力为925.56 N;对最优结构参数组合进行试验验证,得到平均回土量为7.6 g/cm、平均工作阻力为935.78 N,与优化结果比,其相对误差分别为14.8%、1.1%,表明优化结果可信。该研究为开沟器的设计和应用提供新的思路和借鉴。     

侧深施肥直斜偏置式免耕播种开沟器设计与试验

采用侧深施肥技术,施肥铲作业后播种带两侧土壤高度不一致,易加剧播种机横向偏摆,进而导致播种深度均匀性和播种横向一致性较差。为解决上述问题,该研究设计了一种直斜偏置式免耕播种开沟器。该开沟器主要由切土斜刃、挡土定位板、偏置推土板等组成,作业时滑切土壤并将其推移至肥沟一侧拓宽种沟,避免种子落至肥沟后位置过深,提高播种质量。通过离散元仿真试验,以前进阻力、肥沟回土深度、种沟回土深度为试验指标进行二因素五水平正交旋转组合试验,得到斜刃滑切角为37°、偏置角为15°时开沟器作业性能最好。在最优参数下与双圆盘式、尖角式开沟器进行田间作业性能对比试验,相对于双圆盘式和尖角式开沟器,直斜偏置式开沟器播种深度变异系数分别降低41.12%、19.41%;播种横向变异系数分别降低39.00%、28.41%;前进阻力分别降低7.26%、28.20%;作业后肥沟与种沟回土深度分别提高9.47%、13.68%和33.33%、7.14%。试验结果表明,该开沟器可以减小前进阻力,增加肥沟与种沟回土,提高播种深度均匀性和播种横向一致性,可为播种开沟器的设计提供参考。     

仿蚯蚓运动多功能开沟器设计及参数优化

针对中国东北地区春播时耕种层土壤温度和含水率较低,严重阻碍大豆根系生长,进而影响大豆发育的难题,该文通过仿生结构设计和理论分析的方法,设计了一种集松土、沟底镇压和开沟功能为一体的仿蚯蚓运动多功能开沟器,其设有的仿蚯蚓动态松土开沟机构可模拟蚯蚓的运动方式对种沟上层土壤进行疏松作业,设有的镇压力调节机构可对种沟下方土壤进行镇压作业。通过参数优化试验和回归分析的方法,研究仿蚯蚓运动多功能开沟器关键结构参数和作业速度对平均土壤温度(0~100 mm)、平均土壤含水率(0~100 mm)和大豆出苗时间的影响规律,并运用Design-Expert和Matlab软件对试验结果进行分析,得出最优参数组合为:作业速度8 km/h、松土机构凸起高度6 mm和波纹圆盘波峰数量15。通过对比验证试验,发现仿蚯蚓运动多功能开沟器相较于传统单元盘和双圆盘开沟器,可提升土壤含水率(0~100 mm)5.92%和4.86%,提高土壤温度(0~100 mm)0.5和0.4℃,提前大豆出苗时间0.5和0.92 d。仿蚯蚓运动多功能开沟器可有效改善土壤耕种层结构,使耕种层土壤达到表层松软和下层坚实的状态,有效提高土壤温度和含水率,进而促进大豆发育,可为提高中国大豆产量提供技术装备支撑。     

仿形滑刀式开沟器设计与试验

为了改善种床质量、提高播种分布直线性及播深一致性,通过"V"形种沟成因分析,设计了一种适用于大豆垄上双行种植模式的仿形滑刀式开沟器。该开沟器具有滑刀和仿形压土轮机构,可实现开沟、压沟和仿形功能,进而构建底部紧实、覆盖土壤松软的优良种床。通过土槽试验,以回土量为指标,采用响应面优化法分析得出最优参数组合,即载荷大小为689.66 N,开沟角度为40.43°,前进速度为2.12 m/s,开沟深度为51.62 mm。在最优工况下进行田间验对比试验,仿形滑刀式开沟器、双V型筑沟器、圆盘开沟器的横向偏移离散度分别为4.42、4.34、6.55,播深变异系数分别为6.06%、6.80%、11.52%,在50~75 mm土层开沟镇压后土壤紧实度分别为0.261、0.248、0.165 MPa,仿形滑刀式开沟器作业效果优于双V型筑沟器和圆盘开沟器,可以提高种床质量和播深一致性,且使种床紧实,利于种子出苗。     

三七育苗播种压轮仿形开沟装置的设计与试验

为满足三七行株距小、播深浅且对播种深度一致性要求高的特殊播种农艺,该研究依据二力杠杆原理设计了一种适于三七育苗播种的压轮仿形开沟装置。该装置能实现横、纵向仿形且对疏松土壤有一定的紧实作用。借助ANSYS软件对压轮连接板进行应力、应变分析,验证该结构的可靠性。以土壤紧实度、播种机前进速度、弹簧预拉力为试验因素,以开沟深度稳定性为试验指标,开展二次正交旋转组合试验,建立试验因素与开沟深度稳定性之间的回归数学模型并进行显著性检验。借助Design Expert 10.0.3软件对试验因素进行响应曲面分析,并对参数进行系统优化,得到开沟深度稳定性最佳的工作参数组合为:土壤紧实度259.50 kPa,播种机前进速度6.40 m/min,弹簧预拉力211.90 N,此时,开沟深度稳定性为89.41%。用最优工作参数进行土槽试验验证,验证结果表明:试验开沟深度稳定性平均值与优化模型求解结果基本一致。该研究设计的压轮仿形开沟装置满足三七育苗播种要求,且开沟深度稳定性较好,该研究可为三七育苗播种开沟装置的设计提供依据。     

马铃薯播种机分体式滑刀开沟器参数优化与试验

针对马铃薯播种机的铧靴式和圆盘式开沟器存在的种薯株距分布不均、播种效果质量差、回土量小等问题,研制出分体式滑刀马铃薯开沟器,并进行关键参数优化,分析开沟和回土过程中土壤颗粒在开沟器上的运动规律,研究种薯落入垄沟后的运动过程,确定影响土壤覆盖种薯效果的因素。采用旋转正交的试验设计方法,以机具前进速度、开沟器侧面夹角、开沟器长度及开沟深度为试验因素,以种薯的横向偏移系数、株距变异系数和回土量为试验指标,分析实施田间试验结果,优化分体式滑刀开沟器的结构参数与最优运动参数：在前进速度为0.95 m/s、开沟器侧面夹角为60°、开沟器长度为500 mm、开沟深度为115 mm时,株距变异系数为10.8%、种薯的横向偏移系数为3.83 mm、回土量为24.1%,满足马铃薯播种作业的要求。该研究结果可为马铃薯开沟播种装置设计与应用提供参考。     

甘草倾斜移栽开沟器的设计与试验

为解决机械化倾斜移栽甘草苗,设计甘草倾斜移栽机,融合甘草移栽的农艺要求,提出一种针对甘草秧苗倾斜移栽开沟器。建立了开沟器结构参数、工作参数与倾斜V型断面沟倾斜角度、沟底长度间的数学模型,通过改变开沟器切角、开沟器翼板间距、土壤休止角、开沟器速度、开沟器作业深度等因素对所设计的开沟器进行多因素正交设计。试验结果表明:所建数学模型可用于实现特定要求的倾斜V型断面沟的开沟器参数设计,理论和试验结果误差小于4%。在倾斜移栽角度30°农艺条件下,当滞后投苗系数小于1时,甘草秧苗的角度随滞后投苗系数的减小而减小,随开沟器速度的增大而减小;当滞后投苗系数大于等于1时,甘草秧苗的倾斜角度在28°~31°之间波动,开沟器具有稳定的工作性能。该研究可为甘草倾斜移栽机的设计提供参考。     

山地果园开沟机倾斜螺旋式开沟部件设计与优化

为缓解中国山地果园开沟施肥作业中,可用开沟机型短缺、已有开沟机型普遍存在开沟功耗高、开沟稳定性差的问题,该文设计并优化了山地果园开沟机倾斜螺旋式开沟部件,进行了直刃刀、曲刃刀与齿形刀对比试验和齿形刀开沟刀片结构参数优化仿真试验。为验证优化效果及分析作业参数对开沟功耗的影响,进行了开沟作业参数对开沟功耗影响试验。试验结果表明:开沟功耗方面曲刃刀与齿形刀较优且差异不大,直刃刀较差;开沟沟深稳定性方面3者比较接近。利用响应面分析方法和EDEM软件建立了齿形刀结构参数优化仿真模型,仿真结果表明:对开沟功耗影响显著顺序为折弯角刃角安装角齿形。优化后结构参数为安装角4.5?,折弯角49?,刃角21?,原齿倍数1.25,对应开沟功耗为9.73kW。对开沟功耗影响显著顺序为沟深前进速度开沟转速;转速为566r/min时,开沟功耗较低。优化后开沟功耗降低12.80%,沟深稳定性系数提高1.18%。对比现有开沟机,开沟功耗降低22.22%,沟深稳定性系数提高7.2%～8.5%。研究结果可为山地果园开沟机开沟部件结构设计和开沟刀片结构参数优化提供参考。     

收获开沟埋草一体机双圆盘开沟机构设计与参数优化

为提高己研制的稻麦联合收获开沟埋草多功能一体机免耕播种时的开沟播种质量,设计双圆盘开沟机构与一体机相结合.为获取影响双圆盘开沟机构作业质量因素的最优参数,以机器前进速度、开沟器入土深度、开沟器排种管固定装置固定孔中心点至排种管出口中心点横向距离为试验因素,以种子入沟率、各行播种量稳定性变异系数、播种均匀性变异系数为试验指标,进行三因素五水平二次正交旋转组合试验.试验结果表明:各试验因素对于种子入沟率与各行播种量稳定性变异系数影响程度从大到小皆依次是:固定孔横向距离、开沟器入土深度、机器前进速度;各试验因素对于播种均匀性变异系数的影响程度从大到小依次是:机器前进速度、开沟器入土深度、固定孔横向距离.优化所得双圆盘开沟机构开沟播种作业最佳参数组合为机器前进速度为0.46 m/s;开沟器入土深度为3.25 cm;固定孔横向距离为16.16 mm,验证试验表明各指标试验结果与理论优化结果相对误差均小于4％,验证了所建模型与优化参数的合理性.     

仿旗鱼头部曲线型开沟器设计与性能试验

为了减小播种开沟器的工作阻力,降低其对土壤的扰动,根据旗鱼头部的流线型曲线,建立了拟合曲线的数学模型,设计了仿旗鱼头部曲线型开沟器。为获得该开沟器工作时工作阻力及其对土壤扰动情况,进行离散元仿真和室内土槽试验。在前进速度为0.5 m/s时,分别以3种土壤含水率、3种开沟器开沟深度为因素进行仿真及室内试验。仿真结果:在含水率为12%±1%时,工作阻力、对土壤扰动宽度和回土深度随开沟深度的增加呈增加趋势;在开沟深度为60 mm时,工作阻力随含水率的增加而增加,但对土壤扰动宽度、回土深度影响不明显。工作阻力仿真与试验结果对比,两者变化趋势大致相同,相对误差在5.04%~27.08%之间。土壤扰动情况仿真与试验结果对比:回土深度的仿真与试验结果接近,而土壤扰动宽度的仿真与试验结果差别较大,可能是土壤颗粒粒径较大引起的,但变化趋势基本一致。由此说明了采用离散元法模拟开沟器的工作阻力及其对土壤扰动情况的可行性。该文可为开沟器的设计与优化提供参考。     

水稻气力式播量可调排种器设计与参数优化

为了满足杂交水稻播种量不同的要求,该文设计了一种水稻播量可调气力式排种器,对其工作原理进行了分析,对关键部件进行了参数设计,该排种器采用多个相互独立的负压流道对吸种精度进行控制。利用ANSYS-FLUENT有限元流体分析软件对负压流道结构的吸孔负压影响规律进行了分析,优选了最佳流道结构。选取超级杂交稻Y-2优900为试验材料,进行了不同播种量下吸室负压、排种盘转速与排种盘吸孔组数对播种精度的影响试验研究,试验结果表明:当吸孔组数为12、吸种负压为1.6k Pa和排种盘转速为20r/min时,1孔播种达到最佳效果,合格率为82.41%;当吸孔组数为12、吸种负压为1.6k Pa和排种盘转速为40r/min时,2孔播种达到最佳效果,合格率为96.36%;当吸孔组数为12、吸种负压为1.6k Pa和排种盘转速为20r/min时,3孔播种达到最佳效果,合格率为92.79%;当吸孔组数为16、吸种负压为1.2k Pa和排种盘转速为20r/min时,4孔播种达到最佳效果,合格率为91.93%;当吸孔组数为12、吸种负压为1.6 kPa和排种盘转速为30 r/min时,5孔播种达到最佳效果,合格率为87.88%。说明水稻气力式播量可调排种器可满足杂交稻在采用直播式时不同播量的要求,相比于原有的排种器更佳适应水稻的多样性。该研究可为水稻机械化穴直播技术提供了参考。     

半自动压缩基质型西瓜钵苗移栽机成穴器参数优化

在圆饼状压缩基质型西瓜钵苗移栽时,由于栽植机形成的穴形质量不佳,会造成钵苗倾斜。根据西瓜钵苗的移栽农艺要求,结合旱地移栽机械作业的特点,开展了半自动压缩基质型西瓜钵苗移栽机的成穴器参数优化研究。分析了成穴器的运动机理,建立了栽植穴的参数方程,得出理论成穴深度是影响穴口上部纵长的主要因素;利用离散元法对成穴器成穴过程进行仿真分析,验证成穴器结构参数与运动参数的合理性,探明了小端直径不同的成穴器在不同理论成穴深度的成穴效果;结合田间试验对成穴器参数进行优化,试验结果表明,成穴器小端直径为60 mm,理论成穴深度为65 mm时,所成穴形有利于圆饼状压缩基质型西瓜钵苗栽植;仿真及试验结果表明,穴口上部纵长、穴口上部宽度和有效成穴深度的仿真结果与试验结果之间的误差最小值、最大值和平均值分别为0.34%、12.78%、6.7%;7.23%、20.87%、12.33%;1.79%、17.92%、10.46%。该研究为成穴器的优化改进提供参考。     

油菜成条飞播装置设计与试验

为解决常见地面播种机器无法进入或进入经济效益不高场景下的油菜播种问题,基于极飞P20商用植保无人机平台,设计一种基于电驱离心条播式排种器的无人机油菜飞播装置,以实现类似地面机器条播而非撒播的效果。首先对已有倒置锥筒离心式排种器进行改进,设计上凸锥筒离心式排种器结构,并确定排种盘和排种口等关键部件的结构参数。在分析该款无人机下洗气流场分布规律的基础上,提出了一种与该离心排种器配合使用的辅助导种装置。排种性能台架试验表明,当排种转速在40~220 r/min范围逐渐增加时,单位时间总排量呈现先持续增加后趋于稳定,且在排种转速为190 r/min时达到最大单位时间总排量179.65 g/min,可满足无人机作业速度5 m/s所需的排量要求;各行排量一致性变异系数和总排量稳定性变异系数先减小后增大,分别分布在4.5%~12.6%和0.7%~6.2%范围内;种子籽粒破损率随排种转速增大逐渐增大,但均在2%以内。样机场地测试试验表明,导种装置高度在1.5~2.5 m范围内变化时,成条指数与其没有显著相关性(P=0.0769>0.05),且成条宽度不到设定行距的1/4。进一步的田间试验结果显示,成条指数为35.0%,播种均匀性变异系数为19.26%,满足油菜条播农艺技术要求。     

双仓转盘式棉花竖直圆盘穴播排种器设计与试验

针对棉花竖直圆盘穴播排种器充种性能差、破损率高等问题,结合棉花穴播农艺,设计了一种双仓转盘式棉花竖直圆盘穴播排种器。介绍了穴播排种器结构组成及工作原理,设计计算了取种盘结构参数,对充种区和转运区临界状态棉种进行受力分析,建立力学模型,分析说明了窝孔安置角和取种盘转速对充种性能的影响,得出棉种临界破损状态时,取种盘和种子间隔圈的最小配合间隙为1.47 mm。以取种盘转速、窝孔安置角、排种间隙为试验因素,单粒率、破损率为响应指标,利用穴播器试验台开展响应面试验,并利用Design-Expert8.0进行多目标寻优。结果表明,3个因素对单粒率的影响大小顺序依次为窝孔安置角,排种间隙,取种盘转速。对破损率影响的大小顺序依次为取种盘转速,排种间隙,窝孔安置角。最优排种组合为取种盘转速23.9 r/min,窝孔安置角31.7°,排种间隙2.08 mm。对最优排种组合进行田间验证试验,分别将取种盘转速、窝孔安置角、排种间隙修定为24 r/min、32°、2.0 mm,得到单粒率为94.3%,破损率0.09%,试验指标满足国家标准,该研究可为棉花双仓转盘式竖直圆盘穴播排种器的结构设计、优化提供参考。