气送式油菜飞播装置投种过程分析与试验

针对气送式油菜飞播装置作业时种子在离开投种管末端至到达土壤的过程中运移轨迹易受扰动而出现播种成条效果不佳甚至串行的问题,该研究对折叠式投种装置的投种过程进行了分析和优化。通过理论分析建立种子在投种管内和投种过程中的运动学模型,根据DEM-CFD（Discrete Element Method- Computational Fluid Dynamics, DEM-CFD）气固耦合仿真和高速摄像对种子在输送气流和无人机旋翼气流场中的运动轨迹和速度变化情况进行分析,并以此为基础对投种装置的结构及工作参数进行优化。混合正交仿真试验结果表明：种子在竖直投种管内速度变化的影响因子主次顺序依次为输送气流速度、投种管长度、投种管内径,其中输送气流速度、投种管长度对油菜种子在投种管内速度的变化的影响为极显著（P<0.01）,投种管内径对油菜种子在投种管内速度的影响一般显著（0.05≤P<0.1）。高速摄像及地面泥盒试验结果显示,将原有气固分离器改为种子加速器,即增加输送气流速度参与投种后,投种管末端气流速度为4.5 m/s时,竖直位移30 cm处种子的平均水平分位移为4 cm,投种管正下方30 cm处泥盒内种子落地条带宽度为5.2 cm,比有气固分离器的结构,种子平均水平分位移减少3.1 cm,条带宽度减少7.9 cm,与仿真分析结果基本保持一致,满足油菜成条飞播的作业要求。     

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。     

无人机点射式水稻播种装置控制系统设计与试验

针对当前无人机水稻撒播难以成行成穴、落种易受旋翼风场干扰和播种均匀性不佳等问题,该研究结合点射式水稻播种装置和飞行控制器设计了一套播种控制系统,开发了配套的地面站功能,并制作了样机。控制系统基于PID算法实现排种器步进电机的转速闭环控制,通过标定模型对振动电机激振力和摩擦轮电机转速进行控制,并根据状态机设计播种控制程序。以3倍丸粒化稻种为对象,从播种量准确性、播种成行性和播种均匀性3个方面对样机的播种性能进行验证并优选合适的播种参数。试验结果表明：无人机模拟飞行的播种量准确性测试中,样机以1.0～2.5 m/s的作业速度进行播种时,播种量的平均相对误差小于4%,控制系统具有较好的动态调节能力。实地飞播测试中,样机以1.0和1.5 m的高度播种时,种子分布在12 cm种行宽度内的平均概率超过80%,成行性较好。考虑安全因素,优选1.5 m为样机的适宜作业高度。在作业高度为1.5 m,3倍丸粒化稻种的播种量为90～150 kg/hm2（对应裸种的播种量22.5～37.5 kg/hm2）,作业速度为0.5～2.0 m/s时,播种均匀性变异系数为20.51%～35.52%。进一步分析发现,适当提升作业速度可提高播种均匀性。田间试验结果表明,播种量的相对误差分别为2.47%和4.12%,播种均匀性变异系数分别为22.17%和21.82%,种子破损率分别为0.34%和0.18%,满足相关标准的水稻飞播精度控制要求。研究结果可为无人机水稻直播技术提供参考。     

不同海拔高度下植保无人机旋翼气动性能

针对植保无人机受大气环境影响导致的旋翼气动性能降低、无人机荷载量下降等问题,该研究设计了一种旋翼转速可调且具备实时监控发动机转速、旋翼升力及输出扭矩的植保无人机旋翼试验台,主要包括DLE430型双缸直列两冲程航空发动机、翼型NACA 8-H-12的半径1.51 m旋翼2片、动力输出装置、控制系统和数据采集系统。运用数值模拟、CFD(computational fluid dynamics)方法与台架试验,在海拔0、1、2、3、4 km高度下,分别以800、1 000、1 200 r/min的转速测试旋翼气动性能,通过二次旋转正交组合试验探究桨叶角和旋翼转速对旋翼升力、输出扭矩和功率的影响。结果表明,随着海拔高度的增加,旋翼的升力和功率明显降低,海拔4 km时,旋翼转速1 116 r/min、桨叶角10.44°的升力最大值为356.28 N,扭矩为227.35 N·m,功率为26.54 kW,旋翼试验台效率为85.92%。与海拔134 m相比,海拔1.941 km下的旋翼升力下降22.38%,与数值模拟结果下降的20.22%相吻合,旋翼驱动扭矩下降约24.21%,发动机功率下降约3.99...     

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。     

基于空间质量平衡法的植保无人机施药雾滴沉积分布特性测试

为了探究飞行方式、飞行参数及侧风等因素对无人机喷雾雾滴空间质量平衡分布和旋翼下旋气流场分布的影响,该文基于无人机施药雾滴空间质量平衡测试方法,测定了3WQF80-10型单旋翼油动植保无人机在不同飞行方式(前进、倒退)、飞行高度和侧风速条件下的喷雾雾滴空间不同部位的沉积率和下旋气流风速。结果表明:对于该型无人机,在飞行高度(3.0±0.1)m、速度(5.0±0.2)m/s、1.2 m/s侧风速条件下,机头朝前与机尾朝前2种飞行方式对雾滴分布有显著影响,机尾朝前的飞行方式底部沉积比例可达60%,作业效果更佳;在2.0~3.5 m高度、(5.0±0.3)m/s速度和0.8 m/s侧风速条件下,空间质量平衡收集装置底部雾滴沉积率变异系数与高度呈现线性负相关,线性回归方程决定系数为0.9178,即高度越高雾滴分布均匀性越好;在(3.0±0.1)m高度和(5.0±0.3)m/s速度条件下,空间质量平衡收集装置底部雾滴加权平均沉积率与侧风风速呈线性正相关,线性回归方程决定系数为0.9684,即侧风速越大雾滴越集中分布在下风向处;飞行方式、高度和侧风3种因素对单旋翼无人机喷雾雾滴产生的影响都是通过改变其旋翼下旋气流场在垂直于地面向下方向的强度,减弱气流对雾滴的下压作用来实现的。研究结果可以为植保无人机设计定型、田间喷雾作业参数确定和作业条件的选择提供理论参考。     

油菜小麦兼用排种盘的排种器充种性能

油菜、小麦籽粒物理机械特性差异大,该文针对前期研究中油菜小麦气力式精量排种器结构中,需对不同类型种子更换排种盘的缺陷,研制了一种兼用型内嵌入导种条式排种盘及其型孔结构,以实现油菜小麦气力式精量排种器兼用。开展了其充种阶段内嵌入导种条上强制带动层种子的运动轨迹及充种区种子充填角的解析,构建了充种区强制带动层种子的力学模型;并结合高速摄像技术,分析阐明了充种区种子层的流动特性,试验研究了充种区油菜、小麦充填角与充种性能、内嵌入导种条对种子机械损伤。研究结果表明:转速范围为10~45 r/min时,排种器充种区种子充填角与转速线性相关,内嵌入导种条时的油菜、小麦充种角随转速的变化率值分别为1.6635、1.9929,相对无导种条式排种器,充填角平均增量分别为10.1°、13.45°,充填弧长平均增量分别为12.29、16.48 mm,充种性能明显提高;发芽率试验表明,排种盘内嵌入导种条对种子无机械损伤。排种器性能试验结果表明:吸种负压为-2 900 Pa、排种盘内嵌入导种条可使小麦排种的平均合格指数相对提高30.76%,漏播指数相对降低38.61%;吸种负压为-900 Pa、投种正压为500 Pa时,排种盘内嵌入导种条可使油菜排种的平均合格指数相对提高3.72%,漏播指数相对降低8.58%;在转速为20~30 r/min时,排种性能均能满足油菜小麦兼用精量播种的要求。该研究可为兼用型精量排种器结构改进及性能优化提供研究依据。     

稻麦油兼用高速气送式集排器型孔轮设计与试验

针对水稻、小麦、油菜种子播量要求和外形尺寸差异大且稻麦种子流动性不足，导致气送式集排器兼用性不足、高速供种稳定性不佳的问题，该研究设计了一种稻麦油兼用型孔轮。阐述了高速供种工作原理，开展了供种环节充种、携种、投种阶段力学分析，基于最速降线原理设计了型孔壁面曲线，运用EDEM仿真对比分析了不同转速条件下种群运动状态。通过台架试验明确供种速率和供种稳定性较优的转速范围，并构建了稻麦油供种速率回归模型。台架试验结果表明：对于水稻和小麦种子，型孔轮个数16、供种转速30～50 r/min和50～70 r/min时，供种速率稳定性变异系数小于1%，水稻、小麦的供种速率分别为1050.62～1535.87 g/min和4171.82～5073.76 g/min；对于油菜种子，型孔轮个数为1，供种转速为20～30 r/min时，供种速率稳定性变异系数小于0.5%，供种速率为160.42～227.45 g/min；稻麦油供种速率回归模型预测值与试验值相对误差小于2%。水稻旱直播、小麦、油菜田间播种试验表明，作业速度在8～10 km/h时，集排器总排量稳定性变异系数分别为1.32%、1.16%和1.07%，满足稻麦油兼用播种作业标准要求。研究结果可为高速兼用气送式集排器结构改进提供参考。     

旋翼无人机气流特征及大田施药作业研究进展

旋翼植保无人机近年发展迅速,已出现大量施药作业的相关研究成果。针对目前研究现状中基础作业体系不清晰、关键问题研究不深入的问题,该文聚焦旋翼无人机施药目的,明确指出旋翼气流的存在是旋翼植保无人机大田作业的典型特征。围绕该特征,提出旋翼无人机大田施药作业基础体系,依照农药装载搬运-农药转化雾滴-雾滴空间运动-雾滴植株扩散-施药作业方法的主线,分别对旋翼无人机的机体、药箱、雾滴物理状态、运动状态、旋翼气流、对靶沉积、脱靶飘移、气流与作物互作、雾滴附着、机体控制、喷施量控制及作业模式等基本要素的研究现状进行归纳总结,梳理旋翼无人机施药作业体系的内在逻辑关系,探寻施药作业体系中待深入研究的基础科学问题。指出目前旋翼无人机大田作业亟需解决作业体系内容研究不均衡、机理研究不深入的问题;亟需解决作业参数关联性不强、大田试验条件精准性有待提高的问题;亟需解决作业模式无法直接表征作业效果、高精度飞行参数难转化为作业参数的问题,并给出深入研究的相关建议。期待广大学者提高对旋翼气流相关研究的关注度,围绕旋翼无人机大田作业体系中的实践与技术难点,寻找出具有旋翼气流特征的物理参数,提炼基础科学问题,加强工程应用研究。     

精准变量施肥机的研制与试验

该文针对传统均匀施肥，没有考虑土壤肥力不一致的特点，介绍了一种可与国产拖拉机配套实现变量施肥的施肥机，该施肥机在GPS导航系统的帮助下可以按照预先设计的处方图实现变量施肥。机械采用国产的普通外槽轮作为变量施肥机的肥料计量装置，通过调整外槽轮的转动速度达到调整肥料量的目的。对变量施肥机械在田间的作业原理和机械的基本结构进行了详尽的介绍。针对变量施肥机施用肥料的种类不同，试验了在不同槽轮转速情况下，使用不同肥料排肥数量的变化情况。试验证明在施用尿素时要增加槽轮的排肥槽长度，在施用磷酸二铵等不规则的肥料时，应力求减少排肥槽轮的长度，通过增加槽轮转速达到提高排肥计量系统的精度。     

气吸型孔组合式小麦精密排种器设计与参数优化

针对当前小麦籽粒小、播量大、形状不规则,传统排种器难以实现精密播种等问题,该文设计了一种气吸型孔组合式小麦精密排种器。排种器采用气流-型孔组合式工作原理,气流负压吸种与型孔充种相结合能够使其获得良好单粒充种性能。根据小麦精密播种的粒距要求和三维尺寸,通过理论分析,确定了排种器的型孔轮半径为50 mm,以6°螺旋升角布置三排型孔,每排30个型孔,型孔为长槽形,长、宽、深分别为8.5、5和2.5mm;通过流场分析,研究了不同吸孔孔径对气流变化的影响,确定了吸孔的孔径范围1.4～1.8 mm。搭建试验台,以气流负压、吸孔直径和型孔轮转速为试验因素,以重复充种率、漏充率和充种合格率为试验指标,进行三因素三水平正交试验,并分析各试验因素对于性能指标的影响显著性。通过极差和方差分析,得到气吸型孔组合式小麦精密排种器较优的组合参数为负压3500Pa、吸孔直径1.6 mm、排种型孔轮转速40 r/min时,进行试验验证,其重复充种率为5.1%、漏充率为4.7%,充种合格率为90.2%。该排种器能够满足小麦的精密排种对充种性能的要求,在一定程度上促进了小麦精密播种的发展。     

组合型孔排种器双充种室结构对充种性能的影响

为研究组合型孔排种器的双充种室结构对充种性能的影响,该文对组合型孔排种器的充种起始角和限种机构参数进行了理论计算和试验验证。理论计算和以充种起始角为单因素变量的试验结果表明,组合型孔排种器在-40°左右的位置开始充种。以型孔大小、充种起始角度和排种器工作转速为变量的多因素试验结果表明,最佳充种起始角为-20°;与-10°和0相比,充种起始角为-20°的平均穴粒数受排种器工作转速影响的变化更小,变异系数也更小。限种机构距离排种轮中心40 mm时最佳,解决了毛刷甩种的情况;以型孔大小、水稻品种、限种板调节位置和排种器工作转速为变量的多因素试验结果表明,限种调节板与型孔轮的距离在0~22 mm范围内可调,对大、小型孔以及不同类型的稻种都能实现对播种量的微调节。     

薄面激光-硅光电池中小粒径种子流监测装置研制

针对油菜、小麦等中小粒径种子在播种过程中难以兼容监测的问题,该文采用光层厚度约为1 mm的薄面激光发射模组和硅光电池的光伏效应原理设计了一种中小粒径种子流监测装置。根据薄面激光模组发射角度与硅光电池对角线长度计算出种子监测区域大小以及监测区域的具体位置,明确了监测装置的导管内径、导管中心线位置、薄面激光发射模组与硅光电池的相对位置等结构参数。对种子穿越薄面激光层所需时间进行分析,油菜种子的穿越响应信号在3 ms以内完成,小麦种子的穿越响应信号在7 ms以内完成。对种子的穿越响应信号进行隔直通交、双级放大、半波整流、电压比较、单稳态触发转化为单脉冲信号,作为单片机外部中断源进行计数,获得播量信息,实现了中小粒径种子流无碰撞检测。油菜精量排种器台架试验和小麦数粒仪试验表明:在排种频率8.4～32.1 Hz范围内,油菜种子的监测准确率不低于98.1%,在排种频率21.5～31.2 Hz范围内,小麦种子的监测准确率不低于95.1%。田间播种试验结果表明:在田间正常排种频率范围内,油菜种子的监测准确率不低于98.6%,小麦种子的监测准确率不低于95.8%,光照条件、机具振动对监测精度无影响。     

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。     

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。     

蔬菜气吸轮式精量排种器设计与试验

蔬菜类型多,种子尺寸差异大,为扩大排种器的适用范围,该研究提出一种基于扰种条辅助充种的蔬菜气吸轮式精量排种器。通过理论分析确定了排种器的关键结构参数,设计了一种带有坡度的扰种条结构,最薄处厚度为0.5 mm、最厚处厚度为1.0mm,并对充种阶段种子在扰种条上和清种阶段的受力情况分别进行分析,确定了扰种条和清种装置结构。选取菜心、萝卜和辣椒种子为试验对象,利用台架试验获得扰种条倾角和厚度的较优值;开展较优结构参数下的排种器充种性能试验,以工作负压、排种转速和清种距离为试验因素,进行三因素三水平正交试验。试验结果表明,对于菜心种子,工作负压为0.92 kPa,排种转速为13.3 r/min,清种距离为0.70 mm时,充种合格率为99.20%,漏吸率为0.13%;对于萝卜种子,工作负压为4.47 kPa,排种转速为25.5r/min,清种距离为1.20mm时,充种合格率为97.34%,漏吸率0.53%;对于辣椒种子,工作负压为1.49 kPa,排种转速为16.9 r/min,清种距离为0.69 mm时,充种合格率为88.27%,漏吸率为2.67%,满足菜心、萝卜、辣椒的种植农艺要求,研究结...