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。     

气力集排式变量排肥系统分层施肥量调节装置研制

为提高分层施肥作业中肥料分配的精确性和稳定性,实现化肥按比例分层施用,该文设计了一种气力集排式变量排肥系统分层施肥量调节装置,通过理论分析与参数计算确定了分层施肥量调节装置关键部件的结构和基本工作参数。运用离散元法与计算流体动力学耦合仿真方法,选取拨齿旋转锥的转速、入口风速和施肥速率为试验因素,以各出肥口出肥量的变异系数为试验指标,进行二次旋转正交组合仿真试验,建立了试验指标与影响因素的回归模型。在旋转锥转速735r/min、入口风速36 m/s、施肥速率0.42kg/s、分肥比例1:2条件下,对分层施肥量调节装置进行了台架试验,试验结果表明,各出肥口出肥量变异系数均小于5.18%,分肥比例误差小于2.68%,与仿真试验优化所得结果相吻合,满足施肥作业要求。研究结果可为气力集排式排肥装置的设计与优化提供技术参考与理论支撑。     

油菜精量气压式集排器的设计与试验

为有效解决型孔轮式排种器用于油菜排种时难以精确控制播量,清种、护种环节易剪切破坏种子的问题,采用气流清种与气压护种组合作用技术,设计了一种具有"倒方锥"型孔的油菜精量气压式集排器。该文对气压式集排器的工作原理进行了阐述,确定了其主要结构参数,并建立了油菜籽在清种区和护种区的力学模型,以总排量稳定性变异系数、各行排量一致性变异系数以及种子破损率为评价指标,以清种压差、护种压差及排种滚筒转速为试验因素在室内台架与田间条件下开展了排种性能试验研究,试验结果表明设计的集排器排种性能较优、种子破损率低,在清种压差250 Pa、护种压差150 Pa、排种滚筒转速以20~40 r/min时,其总排量稳定性变异系数≤2%:各行排量一致性变异系数≤2%;种子破损率0.3%。田间试验结果表明该集排器播种性能良好,满足油菜种植农艺要求。该研究证明采用气流清种与气压护种组合技术的"倒方锥"型孔油菜精量气压式集排器可用于小粒径、易破损种子的精量播种,为型孔轮式集排器结构改进与优化提供了依据。     

油菜小麦兼用气送式直播机集排器参数优化与试验

为提高油菜小麦兼用气送式集排器的排种性能,该文针对集排器具有较长导种管和气流扰动影响种子迁移轨迹的问题,通过构建导种过程力学模型确定了影响排种性能的主要因素,分析了导种管材料、直径、长度组合、角度布置、气流压强和供种转速对排种性能的影响。试验结果表明:导种管材料、直径、材料与直径的交互作用、长度组合对平均行排种量和各行排量一致性变异系数均有显著(P0.05)或极显著(P0.01)影响,角度布置影响不显著,导种管材料和直径分别为PVC钢丝软管和20 mm的排种性能较优,且应尽量布置导种管长度一致。气流压强和供种转速对各行排量一致性变异系数影响显著(P0.05);供种转速为20~40 r/min时,排种油菜、小麦时气流压强分别为1 200和1 600 Pa时具有较好的排种均匀性,总排量稳定性变异系数和各行排量一致性变异系数分别低于1.0%和4.00%;油菜、小麦的排种均匀性变异系数分别低于19.0%和12.5%,种子破损率低于0.1%。田间试验表明油菜种植密度为40~68株/m2时,稳定性变异系数低于20%;小麦单位面积植株数量为129和252株/m2时,稳定性变异系数分别为8.34%和8.12%,达到油菜、小麦的农艺种植要求。该研究为气送式集排器结构优化和排种性能提升提供了参考。     

排肥单体独立控制的双变量施肥控制系统研制

针对当前变量施肥机无法根据实际田块尺寸调整作业行数,进而调节作业幅宽的问题,该研究通过改造玉米播种施肥机的排肥驱动方式,设计了一种排肥单体独立控制的双变量施肥控制系统。首先通过二次多项式拟合方法,构建了排肥单体的双变量控制模型;然后对排肥单体的定位方法进行了分析,提出排肥单体独立控制系统;最后对各行排肥量一致性、不同车速下的排肥量控制准确性以及各行独立控制性能进行试验研究。结果表明,在排肥轴转速为10～60 r/min的区间内,各行平均排肥量一致性变异系数为3.35%;在目标排肥量为350 kg/hm~2,作业车速为7 km/h的条件下,排肥量控制精度达到97.6%;对于凸、凹和S形3种不同形状的施肥边界,各行排肥滞后距离相对于作业幅宽的变化率均小于15%。系统具有较高的控制准确性和稳定性,能够适应复杂施肥边界,可为玉米基肥变量施用装备的创新性研发提供技术参考。     

气力集排式排肥系统结构优化与试验

针对气力集排式排肥系统与分层深施肥铲配合作业时,进肥口处肥料落入不顺畅以及排肥口处气流速度过大导致肥料弹跳和地表扬尘等问题,该研究通过分析排肥系统各部件结构参数与工作参数之间的关系,对排肥系统进行结构优化,并设计了一种气-肥分离装置,将部分输送气流提前从排肥系统排出,从而降低排肥口处的气流速度,提高进肥口的进料稳定性。通过理论分析和参数计算,确定了排肥系统各组成部件的结构和基本工作参数,分析确定了影响排肥口和进肥口处气流速度的主要因素,并以排肥口和进肥口处的气流速度为试验指标,以气-肥分离装置的排气口面积、排肥系统入口气流速度和施肥速率为试验因素,进行二次正交旋转组合台架试验,建立了试验指标与各影响因素的数学回归模型。通过对试验结果的拟合和优化分析,得到气-肥分离装置排气口面积为798.0mm~2。排肥系统入口气流速度为28.10 m/s,施肥速率为0.28 kg/s时,排肥系统排肥口气流速度为5.91 m/s,进肥口气流速度为3.94 m/s,以得到的优化参数进行试验验证,测得排肥系统排肥口气流速度为6.02 m/s,进肥口气流速度为4.11 m/s,排肥系统进肥口肥料落入顺畅,工作稳定。     

再生稻促芽追肥机研制

再生稻再生季促芽肥的用量较小,因此对排肥器排量准确性和排肥均匀性具有较高要求。现有再生稻追肥机械较难满足再生稻促芽肥追施准确性和均匀性要求的问题。该研究综合槽轮排肥器和齿式排肥器的优点,结合具有较好分气性能的导流板式分气装置,设计了一种可与再生稻收割机配合使用的气力式再生稻促芽追肥机。追肥机采用两级排肥器进行排肥,主要由上方槽轮与下方多组齿式排肥轮组成。首先根据常用促芽肥外形尺寸确定了两级排肥器中槽轮、齿式排肥轮的主要结构参数,然后通过理论计算结合离散元仿真试验,确定了槽轮与齿式排肥轮转速的最佳传动比为1∶1.8,此时排肥器排肥最均匀,断条现象发生较少,肥料无堆积。对分气装置进行仿真模拟试验发现,随着导流板开口角度的增大,各排气口流速一致性变异系数先降低后增大,当开口角度为48°时,变异系数最小,为5.65%,此时分气装置各排气口流速差异最小、分气效果最优,各排气口平均风速为19.37 m/s,满足设计要求。对两级排肥器进行离散元仿真试验发现,在10～20 r/min转速范围内,各排肥口排肥量一致性变异系数随转速的增大先减小后增大,最大值为2.57%,满足施肥标准中各行排肥量一致性变异系数小于7%的要求。最后,以小粒径尿素为试验材料,以排肥槽轮转速为试验因素,以排肥速率、各行排肥量变异系数、排肥均匀性变异系数为评价指标,进行样机排肥性能试验。结果表明：在10～20 r/min转速范围内,排肥速率随排肥槽轮转速的增加而增大,排肥速率变化范围为672.9～1447.6 g/min,可与收割机作业速度相匹配;各行排肥量一致性变异系数为2.14%～3.09%,各排肥口排量均匀性变异系数为20.99%～27.01%,均满足NY/T1003-2006追肥机械作业标准要求。研究结果可为再生稻追肥机设计提供重要参考。     

地表坡度对油菜宽幅精量免耕播种机排种性能的影响

针对油菜种植区域作业方向的地表坡度变化影响气送式油菜宽幅精量免耕播种机排种性能的问题,该研究以播种机及气送式集排器为研究对象,构建了不同地表坡度下种子与外切圆弧型孔、种子-气流与集中分配器间的力学模型,建立了气送式集排器供种速率和排种速率的随机过程模型,应用EDEM仿真开展了作业方向的地表坡度、供种装置转速对供种装置供种速率影响的双因素试验,建立了地表坡度、供种装置转速对供种速率影响的数学模型;利用DEM-CFD耦合仿真分析了地表坡度对集中分配器排种性能的影响规律。仿真试验结果表明:以平整地表为基准,供种速率随地表坡度在-5°~5°内先增大而后逐渐减小;地表坡度绝对值为3°~5°时,供种速率的变化量达到50%;各行排种粒数一致性变异系数随地表坡度的增加而增大,变化区间为4.95%~14.91%。利用智能种植机械测试平台模拟播种机田间作业时不同地表坡度下的作业效果,结果表明,随着作业方向的地表坡度、前后往复摆动角度、前或后单向摆动角度的增大,各行排种量一致性变异系数均逐渐增大;仿真模型计算的各地表坡度下的供种速率与台架试验的平均误差为4.28%。根据试验结果建立播种机沿作业方向前后往复摆动的供种速率与地表坡度和供种装置转速、沿作业方向前或后单向摆动的供种速率与地表坡度和供种装置转速的数学模型,确定了不同地表坡度下,排种量与作业方向地表坡度和供种装置转速的匹配关系,以实现有坡度地表的排种量与平整地表的排种量趋同,为满足不同地表坡度下的播种作业提供参考。     

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。     

颗粒化肥水平气送式螺旋组合可调定量供肥装置设计与试验

为适应不同施肥量要求和实现水平气送式集中排肥器定量变量排肥,该文设计了一种颗粒化肥螺旋组合式集中供肥装置。阐述了颗粒化肥螺旋组合式集中供肥装置的工作原理,基于颗粒化肥的机械物理特性和施肥量要求,提出了倾斜螺旋状型孔结构,确定了其主要结构参数,构建了颗粒化肥组合体在肥料充填区和投肥区的力学模型。应用台架试验研究了螺旋式排肥轮数量和转速对供肥速率及供肥稳定性变异系数的影响。结果表明:倾斜螺旋状型孔结构有利于充肥和排肥;螺旋式排肥轮数量和转速分别为1~4个和10~40 r/min条件下,供肥速率随螺旋式排肥轮数量与转速增加而增加,供肥速率范围为912.67~13 164.26 g/min。螺旋组合式集中供肥装置能适应不同机械物理特性参数的颗粒化肥,3种颗粒化肥的供肥速率之间的差值低于5%。构建了螺旋式排肥轮数量和转速与供肥速率的回归预测模型,在目标施肥量150~750 kg/hm2和拖拉机前进速度2.52~5.88 km/h条件下,供肥速率试验值与模型预测值的偏差在3%以内,供肥稳定性变异系数低于1.0%。田间试验结果表明,颗粒化肥实际施用量与模型预测值相对误差为3.54%。该研究提出的倾斜螺旋状型孔和组合排肥轮结构可满足农业生产的变量、定量集中供肥要求,可为颗粒化肥水平气送式集中排肥器结构设计提供参考。     

狭缝型分布板流化床提高核桃壳颗粒的流化效果

为了提高Geldart D类大颗粒物料在流化床中的流化效果,该文设计了一种结构简单的狭缝型气体分布板,进行了核桃壳颗粒(2~2.8 mm)的流态化试验,结果表明狭缝型分布板比传统多孔分布板提高床层膨胀率约5%,降低最小流化速率约8%。在欧拉-欧拉法的双流体模型和颗粒动力学理论基础上,建立流化床内气固两相流的数学模型并对模型进行验证,模拟值与试验值的误差在8%以内。利用数学模型对2种分布板流化床内大颗粒流化过程进行数值模拟,比较了2种分布板结构对流化床内床层压降、床层膨胀率、颗粒相体积分数及气固两相的流化速度的影响。模拟结果表明:狭缝型分布板的"V"型气流通道结构,使得气流易于集束向上运动,形成大气泡对床层造成扰动,从而增大床层压降波动幅度,提高床层膨胀率,并在流化床内形成4个小环流,促进气体相和颗粒相之间的混合,使得核桃壳颗粒流化均匀。该研究为大颗粒物料处理过程中流化床分布板的设计和选用提供参考。     

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。     

国内外施肥机械的发展概况及需求分析

肥料是农业生产的基础物资,施肥机械是合理施用肥料的基本手段。本文分析了国外固体肥料施用机械的原理与发展情况,包括离心圆盘式撒肥机、桨叶式撒肥机、锤片式撒肥机、液体肥料施肥机械、变量施肥机械、灌溉施肥机械的发展应用情况,指出了大型化、智能化是目前国际施肥机械的发展方向。本文还分析了我国施肥机械的发展情况,我国除撒肥机外,很少有专用的施肥机械,播种施肥机在我国发展很快,主要有两大类,一类是圆盘式小麦播种施肥机,另一类是玉米播种施肥机。近年来灌溉施肥机械在我国发展很快,但使用较少。由于我国农业高度分散和高强度开发,施肥机械的研制难度大、成果转化率低。根据我国农业的发展趋势,提高肥料利用率、减少肥料损失的施肥机械是发展的重点,主要需求有肥料深施机械、追肥机械、变量施肥机械、近根施肥机械和液体肥料施肥机械等。     

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。     

玉米行间定点扎穴深施追肥机的设计与试验

为解决玉米生长中后期追肥机械化水平低且追肥困难的问题,结合追肥农艺要求,设计了一种玉米行间定点扎穴深施追肥机,能够在行距为600 mm的玉米行间进行追肥作业,1次完成2行玉米追肥。该机采用植株位置探测机构和棘轮离合机构确定扎穴深施追肥的位置,采用水平位移补偿装置和曲柄连杆机构共同控制扎穴施肥机构的运动轨迹,实现玉米定点扎穴深施追肥与扎穴施肥机构在入土排肥过程中垂直运动,满足零速排肥要求,减少肥料滚动。该文采用理论计算与经验设计,对凸轮、探测杆等关键零部件进行了参数设计,采用MATLAB软件对扎穴器尖部运动轨迹进行了仿真分析。追肥机田间追肥性能试验结果表明,排肥轴含肥腔长度为20 mm时的穴追肥量为2.3 g,总排肥量稳定性变异系数为3.2%,平均追肥深度和平均追肥距离分别为91.3和127.5 mm,追肥深度合格率和追肥距离合格率分别为88.3%和96.7%,漏追率为2.7%,相关指标均达到技术要求。该研究为应用于玉米中后期行间精确追肥机械的设计提供了参考。