油菜无人机飞播装置设计与试验

针对丘陵山区油菜种植面积逐步扩大和平原地区稻油茬口矛盾突出的生产现状,结合无人机飞播作业不受地形限制、作业速度快、工作效率高和适用范围广等优点,该研究开发了与极飞P20四旋翼无人机平台配套的油菜无人机飞播装置和控制系统。分析确定了飞播装置种箱、充种漏斗、槽轮等的结构参数,并研制了相应的控制系统。在分析无人机飞播质量影响要素基础上,建立了无人机旋翼气流场仿真模型,并以充种漏斗长度和槽轮转速为试验因素开展台架试验。仿真分析和台架试验结果表明,旋翼气流场对油菜种子的空中漂移运动轨迹有较大影响,根据获得的无人机飞行速度与槽轮转速关系模型,确定了旋翼气流场对种子影响较小的参数组合：导种管出种口与无人机旋翼距离300 mm,充种漏斗长度53 mm,槽轮转速10～50 r/min、无人机飞行速度2～4 m/s。场地试验表明：导种管出种口横向距离为1.1 m,无人机飞行高度为2～2.5 m时,无人机有效作业幅宽2.15～2.45 m,种子分布均匀性变异系数为32.05%～34.78%,装置作业性能较好,满足油菜农艺种植要求。研究结果可为油菜无人机飞播配套装置设计提供参考。     

基于高速摄像技术的水稻钵盘精量播种装置投种过程分析

摘要：为揭示水稻钵盘精量播种装置投种过程,以水稻钵盘精量播种装置为研究对象,借助高速摄像技术对稻种投种过程和稻种的运动方式进行了观察,通过分析可知,稻种在运动中伴有自转、偏转等现象,运动轨迹符合二次曲线,垂直速度随时间增加而非线性增加,经拟合符合Yield Density模型;稻种水平位移与垂直位移有关。综合考虑投种率和投种效率,确定了垂直位移最大值为31 mm。该结果为提高播种装置的投种率提供理论依据。     

气吸式玉米高速精量排种器直线投种过程分析与试验

为解决气吸式玉米精量排种器在高速作业条件下投种过程种子与导种管碰撞异位造成排种粒距合格率下降和排种粒距变异系数增大的问题,该文提出了一种利用推种装置配合种盘吸孔实现直线投种的方法,并对直线投种原理进行分析,阐明直线投种过程中种子与排种器的运动和力学关系,明确种盘吸孔曲线方程,确定了推种装置结构曲线参数方程。选取投种位置和作业速度为主要因素进行全因素试验,对试验结果进行显著性分析,确定了因素与指标的回归方程,以排种粒距合格率、漏播率以及排种粒距变异系数为寻优条件,确定较优的投种位置为直线推种区角度=15°,直线落种角度=21°,并进行验证试验。试验结果表明,作业速度12 km/h时,排种粒距合格率为98.68%,漏播率为0.69%,排种粒距变异系数为15.03%,与理论优化结果基本一致。进行了直线投种方式与原有阻气投种方式的对比试验,结果表明,各个作业速度下排种器性能指标均有所提升,且提升幅度随着作业速度的提高而增大,在作业速度14 km/h时,直线投种较原有阻气投种排种粒距合格率提高4.22个百分点,漏播率降低4.20个百分点,排种粒距变异系数降低4.55个百分点,采用直线投种方式可大...     

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。     

油麦兼用型气送式集排器供种装置设计与试验

为提高气送式集排器的兼用性和精量控制供种量,设计了一种油麦兼用型倾斜锥孔轮式供种装置。该文阐述了油麦兼用型供种装置的工作原理,确定了其主要结构参数,构建了充种和供种过程种群微段的力学模型;台架试验研究了型孔结构、转速和锥孔轮数量对供种速率及其稳定性变异系数和破损率的影响。结果表明:倾角为20°的锥柱状型孔的供种性能较优,油菜、小麦的供种速率稳定性变异系数分别低于1.0%和1.1%,破损率均低于0.1%;转速为10~60 r/min时,供种速率随转速增加而增加,其稳定性变异系数呈先降后升的趋势,供种油菜、小麦较优转速范围分别为10~40 r/min和20~50 r/min;油菜、小麦的供种速率范围分别为28~450 g/min和95~770 g/min,以锥孔轮数量和转速为自变量建立了二次多元回归供种速率预测模型,模型验证的试验值与理论值的偏差在5%以内。该研究提出的倾斜锥柱状型孔交错排布和组合式锥孔轮的结构可实现油菜、小麦兼用供种及变量调节供种速率,为油麦兼用型气送式集排器适应不同作业幅宽播种提供了依据。     

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。     

气吸式排种器带式导种装置的设计与试验

针对免耕播种机双圆盘式开沟器投种点高,种子播入土壤中粒距变异系数大,合格指数低的缺陷,该文在对气吸式排种器成穴时间平衡分析的基础上,设计开发了一种与取种盘转速、播种机行走速度相关,且传动与投种机构一体的带式导种装置,并确定了该气吸式排种器带式导种装置的主要结构参数。在综合试验因素对株距合格率,重播率和漏播率影响不同的基础上,确定影响排种质量的主次顺序为投种点高度、取种盘转速和负压室压力,较优参数组合为投种点高度100mm,取种盘转速30r/min和负压室压力3.5kPa。此时粒距合格率为98.50%、漏播率为0.48%、重播率为1.02%。通过试验验证,试验值与理论值误差分别为0.11%、0.17%和0.08%,符合试验要求。该文为气吸式排种器的参数优化与排种质量进一步提升提供了理论依据。     

气吸式排种装置排种性能理论分析与试验

为了探讨提高气吸式排种装置排种性能的方法,该文从理论上分析了气吸式排种器的吸附机理,建立了气吸室空气流场方程,并通过对种子在气吸状态下的受力情况及种子脱离吸种孔后的运动进行分析计算,建立了种子运动方程。利用移动式排种器试验台分别以排种盘转速、气吸室真空度为试验因素,对气吸式排种装置排大豆时的影响进行了单因素试验,结果表明：排种盘转速、气吸室真空度对气吸式排种器的排种性能影响显著,与粒距合格率的相关系数均在0.96以上;当排种盘转速为21.7 r/min、气吸室真空度为2.5 kPa时排种效果最好,合格率达到91.26%。     

气吸式马铃薯排种器正压吹种零速投种性能优化试验

为提高马铃薯排种精度,弥补现有零速投种技术存在的不适合高速作业、投种点高等缺点,提出利用正压气流为下落的种薯沿播种机前进方向反向加速以实现零速投种。对投种过程进行基础解析,获悉影响零速投种性能的主要因素及各因素的试验取值范围。以吹种正压、投种角和排种器转速为试验因素,合格指数、重播指数、漏播指数及变异系数为评价指标,进行二次正交旋转回归试验,建立各指标与因素间的回归数学模型,分析各因素对评价指标的影响规律,可知当排种器转速为25～31 r/min时,影响排种性能的主要因素是排种器转速,当排种器转速>31～40 r/min时,随着吹种正压的升高,合格指数上升、变异系数下降,此时零速投种对提升排种质量效果明显。根据回归模型进行参数优化,当吹种正压15 kPa、投种角57°、排种器转速35 r/min时,排种合格指数、重播指数、漏播指数、变异系数分别为95.22%、3.51%、1.27%和9.43%,满足马铃薯排种作业要求。该研究为优化气吸式马铃薯排种器、提升马铃薯等大粒种子作物及其他作物排种精度提供技术支持。     

气吸滚筒式花生穴播器投种性能分析与试验

针对气吸滚筒式花生穴播器投种过程中种子不能准确落入导种机构而造成漏播、重播的问题,该研究提出了一种通过调整穴播器盖边缘开口位置和导种机构安装角度的方法寻求最佳投种轨迹,对种子脱离穴播器盖进入导种机构阶段建立动力学模型,明确了投种轨迹变化机理,确定了穴播器盖和导种机构的安装参数。借助EDEM仿真软件研究了穴播器盖和导种机构在不同安装角度下的投种性能,得出种子在与分种盘挡片接触状态下脱离穴播器盖边缘的投种性能最佳。选取穴播器盖安装角度、导种机构安装角度和机具前进速度为试验因素,以排种粒距合格率、漏播率、重播率为试验指标,在排种试验台上进行三因素三水平组合试验。结果表明：在穴播器盖安装角为17.10°、导种机构安装角为11.18°、机具前进速度为3.85 km/h的条件下投种性能最优,此时排种粒距合格率为95.37%。田间试验结果表明,调节穴播器盖安装角为17.10°、导种机构安装角11.18°,机具前进速度在3.05～4.65 km/h范围内,试验结果与台架试验结果基本相符,排种粒距合格率大于89%、漏播率小于7%,重播率小于5%,满足花生单粒精量播种要求。     

滚筒集排式油菜精量排种器排种过程分析(英文)

为探明气力滚筒式油菜精量集排器结构与运行参数对排种性能高低的影响,提出了气力滚筒式油菜精量集排器的基本结构组成和工作原理,建立了排种过程中吸种、携种、投种等主要环节的种子运动学和动力学模型,并运用离散元分析软件开展了吸种过程的仿真计算,获得了排种过程中所需的负压值、正压值与结构参数、运行参数的关系模型。利用JPS-12型排种器性能检测试验台开展了单因素试验研究,试验表明:当滚筒转速20 r/min、正压区压力值2 200 Pa、负压区压力值为-2 200 Pa时,集排器合格指数可达89.1%以上,变异系数为3.76%。结果表明排种过程力学模型分析计算结果与试验结果一致。该研究为集排器的结构和运行参数优化提供了理论依据。     

油菜集排器供种装置侧向倾斜排种性能试验与分析

针对油菜机械化播种中地表不平引起集排器供种装置倾斜,导致排种稳定性不足的问题,该研究以油菜集排器供种装置为对象,构建排种过程中侧向倾斜时种子与供种装置型孔间的力学模型,应用EDEM仿真开展供种装置侧向倾斜角度和供种装置转速对排种过程中型孔中的种子种量及种子运移轨迹影响的双因素试验。仿真结果表明：在0°～5°范围内,沿播种机作业方向侧向倾斜角度逐渐增大时,充种、携种过程中倾斜一侧型孔中的种子数量相对无倾斜状态时的平均增加量在0～36.55%内逐渐增加,另一侧型孔中的种子数量相对无倾斜状态时的平均减少量在0～26.68%内逐渐增加。利用智能种植机械测试平台开展供种装置转速为20～40 r/min时不同侧向倾斜和摆动对供种装置排种性能影响的试验。结果表明：投种口Ⅰ、投种口Ⅱ排种量与仿真试验中投种口Ⅰ、投种口Ⅱ排种量比值的平均误差为3.86%;随侧向倾斜、侧向摆动、侧向往复摆动角度的增加,总排种速率相对无倾斜状态时的增加量在0～9.02%内逐渐增大;通过提高供种装置转速,可减少侧向倾斜和摆动对排种性能的影响。研究结果可为供种装置的结构改进和性能提升提供参考。     

正负气压组合油菜精量排种器锥孔盘排种性能

为进一步提升正负气压组合式油菜精量排种器性能,该研究提出了一种可增加种群扰动、降低被吸附种子运移阻力的圆锥型孔排种盘。通过理论分析和离散元仿真试验阐明倒角截顶圆锥孔排种盘排种性能提升机理,并通过台架试验对排种性能提升效果进行了验证。理论分析表明,在排种盘上采用圆周密布的圆锥型孔,排种盘型孔临近吸种区域种群横向扰动增大,型孔上被吸附种子随排种盘运移时的切向阻力降低,利于提高充种成功率和携种稳定性。离散元仿真分析表明,相同型孔数条件下倒角截顶圆锥孔盘较圆直孔盘在充种室种群平均速度增大66.72%;在型孔附近临近吸种区种子切向运移速度提高90.45%,轴向运移速度增加83.90%,径向运移速度提高165.60%,吸附在型孔上的种子运动阻力下降35.60%。台架试验表明,在工作负压800～4 800 Pa、转速10～50 r/min条件下,倒角截顶圆锥孔排种盘较圆直孔排种盘单粒排种合格指数提高5.49%、重播指数及漏播指数分别降低68.62%和3.79%,在卸种正压200 Pa、工作负压2 100 Pa、转速25 r/min条件下,其合格指数、重播指数、漏播指数最高可达98.13%、1.25%和0.62%。倒角截顶圆锥孔排种盘在不增加附属搅种和充种装置的基础上,可有效提高单粒排种性能,降低排种器重播指数和漏播指数,提升排种器作业性能,研究结果可为正负气压组合式油菜精量排种器结构优化提供参考。     

油菜机械直播作业厢面地表粗糙度测量与分析

油菜机械直播后种床整理质量是影响油菜成苗率的关键要素。针对目前油菜机械直播种床厢面粗糙度测量和数据处理方法不能完全反映地表真实情况的现实问题,该文提出一种基于激光雷达扫描技术的区域地表粗糙度现场测量和量化方法,通过测量装置可快速获取油菜直播厢面幅宽内的地表高程三维数据。基于油菜机械直播作业特性,对采集的作业厢面高程数据进行去倾斜趋势和去边坡趋势处理,降低了厢面倾斜和边坡特征对粗糙度计算的影响。对不同空间采样间隔和不同采样角度截面数据的粗糙度统计结果表明:170 mm采样间隔下的平均均方根高度和均方根高度平均误差均高于5 mm采样间隔下的计算结果;在垂直机组前进方向0°、45°和90°三个方向上地表截面高程数据的均方根高度最大差值和相关长度最大差值分别为7.69 mm和25.14 mm,且带有种沟等结构化特征的油菜种床厢面存在明显的各向异性。以不同大小区域的滑动取样窗口进行局部粗糙度量化的统计结果表明:当窗口宽度为厢面幅宽和0.5倍时,窗口长度大小不低于1.2 m可使均方根高度的标准差稳定在0.27 mm以内,而通过对每个取样窗口进行单独去倾斜趋势处理可消除地表局部倾斜对粗糙度计算的影响。研究结果可为油菜机械直播作业厢面粗糙度测量和量化方法提供参考依据。     

油菜高速免耕直播机驱动型开畦沟装置设计与试验

针对长江中下游稻油轮作区现有油菜直播开畦沟装置高速作业（≥10 km/h）时存在沟形稳定性较差、畦沟两侧厢面质量较差而导致油菜直播作业速度无法提高的问题,该研究研制了一种主动型开畦沟并同步厢面匀土的类螺桨高速开畦沟装置。基于运动学和动力学分析确定了影响减阻性能的关键因素及参数范围,并依此设计和确定了类螺桨低阻开畦沟刀片及其刀组排列方式;为降低阻力和保证抛土效率,开展了基于刀盘-土壤离散元模型的刀片旋切特性仿真试验,结果表明：随螺距角增大,阻力扭矩先减小后增加,且后磨刃的切削阻力小于前磨刃;最佳螺距角、刀刃结构参数组合下类螺桨刀组在作业速度12 km/h、刀盘转速810 r/min时,阻力扭矩较直勺刀组减小176.6 N·m,牵引阻力减小447.7 N。基于动力学分析确定了影响匀土板匀土性能的因素及其参数范围,匀土仿真试验结果表明：左、右匀土板拱度为0.19,下倾角分别为10°、7°时匀土性较好。田间试验结果表明,在作业速度9～12 km/h时,畦沟沟深169.1～188.6 mm,沟深稳定系数92.5%～95.6%、厢面平整度22.2～23.0 mm,两侧匀土变异系数分别为14.3%、17.2%,埋茬率81.96%～87.46%,碎土率93.26～95.33%;作业速度12 km/h时的作业功耗为66.84 kW,满足油菜种植农艺要求。研究结果可为长江中下游稻油轮作区油菜高速免耕直播开畦沟及高质种床制备提供新方法。     

滑片型孔轮式水稻精量排种器排种性能数值模拟与试验

针对现有水稻旱直播机排种器适应性差和排种精度低的问题,该文设计了一种滑片型孔轮式排种器。引用球度表示水稻种子三轴尺寸,利用EDEM软件对3种球度水稻种子在6种排种轮转速下的排种器排种过程进行仿真试验,得到不同球度水稻种子在不同排种轮转速下的排种性能变化规律,分析了排种轮转速和种子球度对排种性能的影响。仿真结果表明：当排种轮转速在15～40 r/min时,冈优898种子的排种性能优于国丰一号种子和冈优3551种子的排种性能;当排种轮转速在15～30 r/min时,3种球度水稻种子的排种合格率在84.01%～87.91%之间;当排种轮转速大于30 r/min时,随着排种轮转速增加,排种合格率显著下降。在此基础上,选用不同球度的5个水稻品种种子为试验材料,选取排种轮转速和种子球度为试验因素,以排种合格率、漏播率和重播率为评价指标,采用二次回归正交旋转组合设计,进行排种器台架试验。利用Design-Expert 8.0.6软件对试验结果数据进行分析,建立排种性能指标与排种轮转速和种子球度之间的回归方程,得到响应面图,并对仿真结果进行验证。根据回归方程进行优化,得到最佳工作参数：排种轮转速为27.12 r/min、种子球度为44.61%,此时,排种合格率为83.90%、漏播率为5.43%、重播率为10.67%,排种性能最佳;排种器台架试验结果与仿真结果基本相同,排种性能随排种轮转速和种子球度的变化规律一致。田间试验结果表明,排种器对各尺寸等级水稻种子的排种性能皆满足水稻精量穴直播的播种要求。研究结果可为滑片型孔轮式精量排种器的结构优化及排种性能提升提供参考。     

提高冬油菜播种量和施氮量抑制杂草生长的机理研究

【目的】草害是影响油菜产量主要因素之一,研究大田条件下直播油菜播种量和施氮量对油菜和杂草生物量的调控作用,揭示其氮素竞争规律,为提高直播油菜产量提供种植管理依据。 【方法】于2014年10月至2015年4月在华中农业大学校内试验基地开展田间试验,试验设置三个播种量为1.5、4.5、7.5 kg/hm2和五个氮梯度为0、60、120、180、240 kg/hm2,在油菜地上部生物量最大时,调查了杂草和油菜的生物量、氮素含量和氮素积累量,运用Shannon指数分析杂草均匀度,计算不同处理油菜与杂草在生物量和氮素积累上的竞争关系。 【结果】增加油菜播种量和施氮量可以提高油菜生物量和氮素积累量,与播种量1.5 kg/hm2相比,播种量为4.5和7.5 kg/hm2的所有氮用量处理油菜平均生物量分别提高了23.3%和45.2%,平均氮素积累量分别提高了21.2%和39.2%;与不施氮相比,用量从低到高各施氮处理油菜生物量平均分别增加了0.9、1.7、2.2和2.7倍,氮素积累量平均分别增加了1.0、2.0、3.5和4.4倍。杂草的生物量和氮素积累量随油菜播种量的增加而降低,播种量4.5和7.5 kg/hm2的各氮肥处理平均生物量比播种量1.5 kg/hm2的杂草平均生物量分别降低了16.8%和25.8%,杂草氮素积累量分别降低了17.3%和29.4%;而杂草生物量和氮素积累量随氮肥用量的增加而提高,但提高的幅度远低于油菜。相同处理的杂草氮含量高于油菜,且二者的氮含量均随施氮水平提高而增加,但油菜对氮肥的响应大于杂草,最高施氮处理油菜平均含氮量比对照增加了46.2%,相应的杂草氮含量增幅只有24.1%。油菜与杂草的氮素积累量比值在播种量为1.5 kg/hm2时均小于1,增加播种量,比值增大,在7.5 kg/hm2处理中施氮处理比值均大于1,施氮240 kg/hm2处理高达2.2,说明高密高氮可以提高油菜的氮素竞争力。施氮会改变杂草种群结构,杂草群落的均匀度随氮肥用量增加而降低。 【结论】油菜生物量和氮素积累量对施氮量和播种量的敏感度大于杂草,通过增施氮肥和提高播种量可以提高油菜的氮素竞争力,抑制杂草的生长。     

气吸滚筒式油菜穴盘育苗精密排种器设计与试验

为满足油菜穴盘育苗移栽作业要求,解决油菜机械化种植茬口紧张难题,该研究设计了一种气吸滚筒式穴盘育苗精密排种器,利用光电传感器和正压投种机构实现同步整排投种。阐述了排种器基本结构与工作原理,对关键部件结构进行设计,应用Fluent软件模拟分析了3种不同正压进气孔间距条件下滚筒内壁和吸种孔与正压气室的流场特征;采用二次旋转正交组合试验方法,对排种器作业性能的主要影响因素(吸种负压、投种正压和吸种孔直径)与播种指标(单粒合格指数、漏播指数和重播指数)的关系进行研究,分析了各因素及其交互作用对各指标的影响规律,并采用多目标优化方法进行参数优化;在优化参数条件下,设定排种器生产率分别为600、700和800盘/h时,对3个品种油菜种子和1个蔬菜种子(茄子)进行排种性能试验。结果表明:当正压进气孔间距为144 mm时,整个正压气室无回流情况,各吸种孔处气流速度相对均匀;影响单粒合格指数的因素主次顺序为投种正压、吸种孔直径和吸种负压,最优参数组合为吸种负压3.73 kPa,投种正压0.23 MPa,吸种孔直径1.28 mm,此时单粒合格指数、漏播指数和重播指数分别为95.13%、2.80%和2.07%。生产率为600~800盘/h时,油菜种子的单粒合格指数均高于93%,漏播指数和重播指数均小于5%;茄子的单粒合格指数高于90%,漏播指数和重播指数均低于5%。该排种器的排种性能适应性较好且精准高效,能够满足油菜及部分蔬菜穴盘育苗播种作业要求。研究结果可为油菜等穴盘育苗播种机研发提供参考。