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。     

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。     

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。     

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。     

多功能集成式播种开沟器的设计与试验

针对播种作业时土壤扰动大、种床土壤紧实度不足、播种深度均匀性差等问题,设计了一种集开沟、回土、镇压一体化的多功能集成式播种开沟器,其滑刀、挡土板、镇压轮相互配合能够实现开出种沟,种子落至沟底,湿土回流沟内,镇压轮镇压种沟,种子与土壤紧密接触。通过土槽试验,以土壤扰动量、土壤紧实度为试验指标进行三元二次回归正交试验得到开沟器各参数最优组合为滑刀滑切角44.6°、挡土板倾角3.2°、弹簧形变量11.8 mm。在最优参数下与双圆盘播种开沟器、尖角式进行田间对比试验,多功能集成式播种开沟器播深变异系数比双圆盘开沟器播深变异系数低了32.4%,比尖角式开沟器低了25.2%;集成式开沟器作业后的土壤紧实度比双圆盘开沟器紧实度高38.6%,比尖角式开沟器紧实度高62.9%;多功能集成式播种开沟器作业产生的土壤扰动量比双圆盘开沟器降低16.3%,比尖角式开沟器降低36.5%,其回土量比双圆盘开沟器提高29.9%,比尖角式开沟器提高61.5%。试验结果表明该开沟器可以改善种床环境,增强土壤紧实度,提高播种深度均匀性,可为播种开沟器的设计提供参考。     

仿生波纹形开沟器减黏降阻性能测试与分析

针对现有普通开沟器在工作过程中易粘土、阻力大等问题,提出一种仿生波纹形开沟器。该仿生开沟器依据土壤动物与生俱来的减黏脱土特性和超高分子量聚乙烯优异的减黏性能,在原有普通开沟器基础上进行设计制造。该文通过田间试验,将牵引阻力设为试验指标,使用正交设计检验仿生开沟器相对于普通开沟器减黏降阻的效果和探究仿生开沟器非光滑表面形态的减黏降阻机理。试验表明,仿生开沟器减黏降阻的效果高于普通开沟器9%左右;入土深度是影响开沟器牵引阻力的主要因素,其次是土壤湿度,工作速度影响最小;通过3因素4水平正交组合试验得出使用仿生开沟器的最优条件:土壤湿度达到16.3%,入土深度有6 cm,工作速度为1.8 km/h。仿生波纹形开沟器具有良好的减黏降阻效果,为后续的仿生开沟器或其他触土部件研究提供参考。     

小麦免耕播种机开沟器的设计

针对西南丘陵地区保护性耕作模式下小麦免耕播种机尖角型开沟器易缠草,堵塞,使用寿命短等问题,设计了圆弧刃口型开沟器。该文建立了圆弧刃口型开沟器的几何模型,采用离散元法对圆弧刃口型开沟器的工作阻力进行了分析。试验结果表明：平均开沟宽度为40 mm,开沟深度偏差为5 mm,玉米根茬的切断率超过86%,土壤扰动为18%～22%。圆弧刃口型开沟器提高了播种机的通过性,开沟破茬效果好,能够满足西南丘陵地区小麦免耕播种的开沟要求。     

水稻精量穴直播机开沟装置的设计与试验

为解决人工撒播与机械条播表土播种方式存在的苗难齐、产量不稳等问题,根据"精量穴播"、"开沟起垄"的技术思路,对水稻精量穴直播机同步开沟起垄装置的关键部件播种沟开沟器和蓄水沟开沟器进行了研究。根据同步开沟起垄的农艺要求确定适宜直播机水田作业的土壤(壤土和黏土)含水率为50%~58%,并确定了播种沟开沟器及蓄水沟开沟器的外形尺寸分别为50 mm×35 mm×30 mm、80 mm×50 mm×50 mm(上宽×下宽×高度)。对不同开沟方式对水稻出苗、水稻产量及其构成因素的影响进行了对比试验,试验设3个处理:开水沟+开播种沟+机械穴播(W1)、开播种沟+机械穴播(W2)、不开沟+机械穴播(W3),选用杂交稻品种培杂泰丰和常规稻品种玉香油占为试验材料。研究结果表明,与"不开沟+穴播"播种方式相比,开播种沟的播种方式不仅可以保证穴播方式的成行成穴齐苗生长,还可提高水稻出苗率(培杂泰丰提高了13.4%~17.8%,玉香油占提高了12.3%~16.0%);结实率与产量极显著相关,有效穗数与产量亦具有显著相关性。综合考虑3者的变化程度及趋势,"播种沟+水沟+穴播"播种方式总体优势明显,较不开沟播种方式,在水稻产量方面最高可提高8.10%,且始终保持相对最高产量的效果。开沟装置的设计以及大田试验的验证对水稻机械化穴直播技术的推广应用有重要的指导意义。     

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。     

非对称式大小圆盘开沟装置设计与试验

为解决东北一年一熟区玉米秸秆覆盖地免耕播种玉米存在的秸秆覆盖量大导致机具堵塞严重和双圆盘开沟器入土困难等问题,该文设计了一种非对称式大小圆盘开沟装置,该装置采用大、小圆盘一前一后非对称设置,大圆盘预先切割秸秆、残茬,小圆盘完成秸秆拨离并开出种沟,为玉米免耕播种提供清洁种床。无秸秆覆盖下的EDEM离散元仿真试验和田间试验,预先验证了开沟装置的作业性能。秸秆覆盖下的田间试验表明:该装置在秸秆覆盖条件下仍可实现较为稳定可靠的开沟效果,平均开沟深度为71.41 mm,平均开沟宽度为38.27 mm,满足玉米免耕播种作业要求;不同秸秆覆盖条件下,该装置作业流畅、种沟整洁,无明显堵塞和连续晾仔、断条现象,切茬、入土性能良好。该研究可为玉米少免耕播种开沟装置的改进及研发提供理论支持和技术基础。     

仿鼹鼠足趾排列的旋耕-秸秆粉碎锯齿刀片设计与试验

随着保护性耕作的不断发展,实际作业中对旋耕刀性能要求愈发严格,该文在国标旋耕刀基础上,将正、侧切削刃上设计成锯齿状,然后考察实际作业过程中功耗、受力以及作业质量,检测仿鼹鼠足趾排列的旋耕-秸秆粉碎锯齿刀片的田间作业功耗和作业质量。针对该锯齿刀片和国标旋耕刀片在有秸秆颗粒和无秸秆颗粒下进行仿真分析,对比可知:在有秸秆颗粒下,由于刀具要与秸秆接触并发生挤压和剪切作用,从而导致受力以及扭矩值较大。结合理论分析,利用扭矩传感器对仿生锯齿刀和国标旋耕刀进行田间试验。根据0.5 m×0.5 m地表设置不同质量秸秆,分别为0、0.375和0.75 kg(0%、50%、100%),测定拖拉机输出扭矩以及功耗,并依照国标测试方法测定作业质量。田间试验得到扭矩与仿真变化趋势一致。当地表无秸秆和地表含50%秸秆时,锯齿刀片扭矩分别为404.05和438.33 N·m;国标旋耕刀片上扭矩分别为389.27和443.79 N·m。当地表秸秆质量分数为100%时,锯齿刀和国标旋耕刀片上扭矩分别为557.92和507.34 N·m。耕作后地表秸秆和土壤评价结果显示:不同质量含量秸秆覆盖下,仿生锯齿刀耕作后的秸秆掩埋率、土壤破碎率、长度≤15 cm秸秆比例等方面都优于国标旋耕刀。田间试验和仿真结果都显示当地表覆盖秸秆量为0%和100%时,仿生锯齿刀的扭矩高于国标旋耕刀。虽然仿生锯齿刀只在秸秆覆盖量为50%时扭矩与功耗优于国标旋耕刀,但在3种秸秆覆盖量下仿生锯齿刀的耕后地表质量都明显优于国标旋耕刀。综上考虑,在实际作业中,可适当收集田间秸秆。该研究为实现只应用一种刀片来完成旋耕和秸秆粉碎2种不同作业目标提供了参考。     

吹扫式仿生嗅觉检测装置的设计与性能试验

为研究仿生嗅觉检测装置的检测性能,该文研制了一种吹扫式仿生嗅觉检测装置,选取传感器阵列灵敏度、响应时间和恢复时间作为装置性能指标,分析了传感器加热电压、待检气体湿度以及流量等控制参数对嗅觉检测性能的影响,并进一步验证优化控制参数的仿生嗅觉检测装置对气味检测的可行性和检测性能。试验结果表明:传感器阵列灵敏度随加热电压增大而增大,其响应和恢复时间随加热电压增大而减小,加热电压为5.0 V时,装置性能较佳,其传感器阵列灵敏度分布范围为2.260~4.823,响应和恢复时间分布范围分别为46~53 s、44~70 s;增加气体湿度会使传感器阵列灵敏度减小,同时也会延长响应和恢复时间,气体相对湿度为30%时,装置性能较佳;传感器阵列灵敏度随载气流量的增加先递增后减小,其响应和恢复时间随流量的增加先减小后递增,流量为100 m L/min时,装置性能较佳,其传感器阵列灵敏度分布范围为2.853~7.559,响应和恢复时间分布范围分别为35~50 s、30~50 s;在优化控制参数下,待检气体体积分数范围控制在0.002%~0.020%时,装置检测灵敏度较高,范围为3 577.1~6 700.7;线性特性和重复性较好,决定系数范围为0.901~0.997,变异系数范围为0.832%~9.696%,能满足仿生嗅觉气味检测的要求,可为后续开展仿生嗅觉的应用性研究提供数据参考与技术支撑。     

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。     

挖掘机獾爪趾仿生斗齿提高其入土性能仿真与试验

为解决挖掘机斗齿入土阻力大,易断裂的问题,该文利用Handyscan700扫描仪获取獾右前爪中趾表面的三维点云,提取獾爪趾的侧面轮廓曲线,并进行拟合得到曲线方程,将获取的曲线方程运用到斗齿的设计中,利用三维软件建立斗齿模型。运用有限元分析软件对仿生斗齿和80型斗齿的力学性能和切土过程进行数值模拟,对比分析了力学性能的差异以及能量损耗与切土深度的关系。采用快速成型加工技术加工出了仿生斗齿与80型斗齿试样。利用电子万能试验机对2种试样进行了楔土试验,测定了楔入阻力与楔入深度的关系。结果表明：在施加相同载荷的情况下,仿生斗齿所产生的最大等效应力小于80型斗齿的,破坏的可能性小,比较安全;当斗齿的入土深度相同时,仿生斗齿的消耗的能量总小于80型斗齿;在同样条件下,仿生斗齿的楔入阻力较80型斗齿低11.9%～12.6%。该文以獾爪趾为仿生原型设计的挖掘机斗齿不仅解决了工程中遇到的问题,还为减阻部件的开发提供了新思路,具有重要的参考价值。