双变量螺旋外槽轮排肥器控制序列对排肥性能的影响

施肥稳定性是评价变量施肥机作业性能的重要指标,为了研究排肥口开度（L）和排肥轴转速(n)的组合对排肥性能的影响规律,本文基于离散单元方法,对同一目标施肥量下,不同L和n组合下的施肥过程进行仿真。首先,通过标定试验,构建了基于广义回归神经网络GRNN的排肥量预测模型,经过验证,其决定系数达到0.9994,预测平均相对误差（MRE）为3.56%。其次根据螺旋外槽轮排肥装置的等排肥量曲线,选择3个排肥量1067.37、2323.04、4206.56g/min为目标排肥量,并利用差分进化算法（DE）确定同一目标施肥量下的控制序列(L,n)的组合。最后,利用离散元仿真软件EDEM 2.8分别对3个目标施肥量,不同控制序列下的排肥过程进行仿真。采用排肥均匀性变异系数σ作为评价排肥稳定性的指标,仿真结果表明,在目标排肥量Q1下,当控制序列为(25mm,17.78r/min)时,σ最小,为5.27%;在其他控制序列,σ均高于20%,排肥稳定性较差,且出现断条现象。在目标排肥量Q2下,当控制序列为(65mm,17.12r/min）时,σ最小,为3.46%。在目标排肥量Q3下,σ均小于4%,且在控制序列(65mm,32.85r/min）,σ达到最小,为2.08%。当目标施肥量较小时,控制序列的选择对排肥稳定性影响显著,工作时,应尽量避免开度、转速的边界量。当目标施肥量较大时,控制序列选择对外槽轮排肥稳定性的影响较小。结果表明,螺旋外槽轮排肥器具有较好的排肥稳定性。     

油菜直播机四头螺旋双行排肥器设计与试验

针对油菜直播机常用外槽轮排肥器排肥稳定性和均匀性不足及各行一致性低等问题,设计了一种四头螺旋双行排肥器。分析了肥料颗粒在螺旋排肥中的运动特性,确定了排肥螺旋螺距范围和临界转速,运用EDEM仿真分析得出排肥螺旋头数为四头和螺距为24mm时,排肥器具有最佳的排肥性能;开展了排肥螺旋转速对排肥器排肥性能影响和不同肥料适应性的台架试验,试验结果表明,排肥速率随排肥螺旋转速增大而增加,单行排肥速率为461.19~1328.57g/min,排肥均匀性变异系数随排肥螺旋转速增大而变小,在转速大于30r/min时,排肥均匀性变异系数小于6.5%,总排肥量稳定性变异系数和双行排肥量一致性变异系数均小于2.2%;同时研究表明一器双行四头螺旋排肥器能适应广泛应用的不同类型油菜直播常用复合肥,3种试验肥料排肥均匀性变异系数均满足施肥标准,总排肥量稳定性变异系数和双行排肥量一致性变异系数均低于3.3%。田间试验结果表明,理论施肥量为28.87kg时,一器双行螺旋排肥器实际施用量与理论施用量相对误差为2.33%,排肥均匀性变异系数为6.73%,双行排肥量一致性变异系数为1.98%。试验结果满足油菜直播生产施肥要求,可为油菜直播排肥器的结构改进和优化提供参考。     

稻田气力式变量施肥机肥料喷撒器设计与试验

目前水稻施追肥以离心圆盘式撒肥机为主,虽具有幅宽大、作业效率高的特点,但是变量控制精度差。为了满足水稻变量施肥的作业要求,设计了一种气力式变量施肥机,在满足幅宽要求的基础上,还能够实现在幅宽方向上的变量控制施肥。设计了用于该机的肥料喷撒器,对该喷撒器的肥料运动进行了理论分析,并对不同挡板结构的喷撒器进行气流流场模拟分析,对在不同转速下各排肥口的施肥量和不同挡板类型的施肥喷撒器在各自施肥范围内的施肥均匀性进行了试验。试验结果表明：转速对各排肥口的排肥量没有显著性影响,各排肥口的排肥量误差在均值的5%以内;转速和喷撒器的挡板结构类型对单一喷撒器施肥范围内的施肥均匀性具有显著性影响,以施肥均匀性变异系数为指标,排肥轮转速在30r/min左右时,整体排肥均匀性变异系数优于其他转速;而圆锥形挡板喷撒器在所有转速下其排肥均匀性变异系数均优于其他挡板结构的喷撒器,且当排肥轮转速大于30r/min时,该喷撒器的施肥均匀性变异系数小于8%。就挡板结构对喷撒器出口气流场的影响和施肥均匀性进行了比较研究,发现二者具有相似性,初步断定气流场对施肥均匀性具有一定影响。在实际作业过程中为了使单个排肥口的排肥均匀性更好,应当采用圆锥挡板喷撒器,并且在确定作业区域的施肥量下,尽可能调整车速,使排肥轮转速达到30r/min以上,以最大程度保证施肥区域的施肥均匀性。     

水田侧深施肥装置关键部件设计与试验

针对水田侧深施肥装置施肥均匀性低、作业性能不稳定、输肥管路堵塞等问题,结合水田侧深施肥的农艺特点,对水田侧深施肥装置关键部件排肥器和气力输送系统进行设计与分析,通过运动学和动力学的方法得出排肥轮转速越大越有利于提高施肥均匀性,计算得出排肥轮转速的最大理论值为150 r/min,并设计了适宜输送颗粒肥的气力输送系统。采用二次正交旋转组合设计试验,以排肥轮转速、插秧机前进速度、风机风速为影响因素,以施肥均匀性施肥量均值和施肥均匀性变异系数为响应指标,利用JPS-12型排种器检测试验台对施肥装置的排肥性能进行台架试验,运用Design-Expert软件对试验数据进行方差分析和响应面分析,得到影响因素与响应指标之间的数学模型,并对数学模型进行优化及验证。试验结果表明:在排肥轮转速21.96 r/min、前进速度0.93 m/s、风机风速22.93 m/s条件下,施肥装置的施肥均匀性变异系数为28.25%,且满足黑龙江省寒地稻作区侧深施肥最小施肥量150 kg/hm2的农艺要求。     

外槽轮式播种机播量控制系统设计与试验

为提高外槽轮式排种器播量调节范围与控制精度,设计了一种外槽轮式播量自动控制系统,该系统通过采集机组行进速度信号,同时控制槽轮转速与槽轮长度,实现播量调节与控制。通过试验,建立了播量与槽轮转速、有效工作长度的数学模型,分析了槽轮转速、有效工作长度对播量变异系数与模型精度的影响。结果表明:模型最大误差小于5%,平均误差为3. 2%,满足精度要求;槽轮有效工作长度在14～30mm范围内、转速为40～60 r/min时,变异系数小于0. 5%。上述参数范围是所设计外槽轮式排种器播量自动控制系统适宜的控制范围。研究为外槽轮排种器的播量自动控制策略提供了理论依据。     

水平涡轮叶片式精量排肥器设计与试验

为提高排肥均匀性,以大颗粒尿素为研究对象,设计了一种水平涡轮叶片式精量排肥器,对关键参数进行了设计与机理分析,确定了影响排肥均匀性的影响因素和参数范围,并基于离散元仿真软件确定了对数螺旋线叶片曲面参数。以涡轮叶片数量、涡轮转速和排肥口开度为试验因素,进行了排肥量的单因素试验和排肥均匀性的Box-Behnken多因素试验,结果表明,排肥量与转速呈良好的线性关系,决定系数R2不小于0.96,对于确定叶片数量的排肥涡轮,可匹配不同排肥口开度的涡轮底盘并实时控制排肥涡轮转速来调节排肥量,易于实现变量施肥作业,且排量范围内排肥均匀性较好;涡轮叶片数和排肥口开度的交互作用对排肥均匀性影响高度显著,各因素影响的主次顺序为涡轮叶片数、涡轮转速和排肥口开度;当涡轮叶片数为8个、涡轮转速为98r/min、排肥口开度为40°时,排肥均匀性系数为97.24％,实际试验验证结果与优化结果相吻合;对磷酸二胺颗粒肥料的适应性验证试验结果表明,两种颗粒肥料排肥器排肥均匀性系数接近97%,排肥量稳定性变异系数小于2%,排肥器具有较好的排肥均匀性和排量稳定性;对比分析目前常用外槽轮排肥器,设计的水平涡轮叶片式精量排肥器有效地提高了颗粒肥料的排肥均匀性。     

离散元模拟外槽轮排肥器排量分析

排肥装置作为免耕播种机的重要组成部分,其排肥性能直接影响播种的出苗率、作物的长势及粮食的产量。为得到外槽轮排肥器不同槽轮工作长度的单位圆周排出质量和质量流率,本文采用离散元软件,对外槽轮排肥器转速为35r/min,槽轮工作长度为15、30、55mm时的排肥过程进行了模拟。模拟结果表明:外槽轮工作长度为15、30、55mm时,单位圆周排出质量分别为0.036 9、0.069 4、0.135 5kg/r;质量流率分别为0.0215、0.0405、0.0790kg/s。     

外槽轮排肥器关键工作参数对排肥量影响的仿真与试验研究

明确排肥器工作参数对排肥量的影响,有助于提高外槽轮排肥器的排肥性能。应用离散元法(EDEM)研究外槽轮排肥器工作过程的基础上,以外槽轮工作长度、排肥轴转速、排肥舌开口角度为试验因素,以排肥量为评价指标,综合应用离散元法、二次正交回归试验、排肥器排肥台架试验,研究排肥器工作参数对排肥量的影响。建立外槽轮排肥器工作参数与排肥量之间的数学模型,明确工作参数对排肥量影响程度大小依次为:外槽轮工作长度、排肥轴转速、排肥舌开口角度。仿真与台架试验排肥量的平均相对误差为10.04%,且试验结果的方差分析结论一致。研究成果可以为施肥机械排肥量的调整和机具设计提供依据。     

滑槽回转式水田侧深施肥装置设计与试验

针对现有施肥机械出现的堆积堵塞、肥量调节困难以及施肥均匀性差的问题,设计了一种易于调节肥量、挡板推肥防堵塞的侧深施肥装置,阐述了该装置工作原理,参考水田侧深施肥农艺要求和插秧机空间结构,确定了施肥装置基本结构参数;对侧深施肥装置工作过程进行理论分析,确定了影响装置施肥性能的工作参数主要为排肥圆盘转速和肥槽高度;利用EDEM离散元仿真软件建立滑槽回转式施肥装置仿真模型,探究了排肥圆盘转速和肥槽高度对施肥装置充肥和排肥效果的影响,确定了排肥圆盘的最佳工作转速为10~50r/min;为验证施肥性能,通过台架试验对滑槽回转式水田侧深施肥装置进行试验研究,获得了排肥圆盘转速、肥槽高度对施肥稳定性影响规律和排肥圆盘转速、插秧机速度对施肥均匀性影响规律,各指标均满足国家施肥作业机械标准;通过与常见施肥结构装置进行对比,证明滑槽回转式水田侧深施肥装置在一定程度上提高了施肥均匀性。     

稻田气力施肥装置设计与试验

针对水稻施肥过程中肥料分布不均、作业效率低、劳动强度大等问题,设计一种稻田气力施肥装置与控制系统,采用气力输送的方式实现肥料的输送,通过电控排肥系统实现机具行驶速度与排肥电机转速实时匹配,最终达到精量施肥的目的。通过对所设计的文丘里管混合腔进行流场分析,确定最优混合腔直径为15 mm,进肥口与进气角度呈锐角;最后,进行田间试验,结果表明,在规定电机转速变化范围内,各行平均排肥量变异系数均小于2.21%,各行排肥量一致性较好,排肥量稳定;在目标施肥量为150 kg/hm²,作业速度为4 km/h时,各区域内施肥量偏差控制在7.47%以内,施肥精确性较好。肥料在排肥管中的滞后时间随着排肥管长度增加而增加,变化范围为0.67~1.81 s。本文设计的稻田气力施肥装置可以满足生产需求。     

对辊差速式块状有机肥破碎施肥装置设计与试验

针对现有施肥装置对有机肥肥块的破碎效果不佳,农田条施排肥难度大等问题,提出对辊差速式肥块破碎施肥方式,通过施肥辊相对转动咬合喂入,将肥块破碎的同时实现强制排肥,增大排肥率。对施肥辊齿辊尺寸、齿形及辊齿布置方式等关键部件及参数进行设计,建立肥块破碎受力模型和施肥量的理论模型,得到影响破碎力和施肥量的主要因素。利用离散元分析软件建立肥块破碎模型,通过仿真试验明确施肥装置的上置施肥辊转速、下置施肥辊转速、施肥辊中心高度差、施肥量对破碎率的影响规律;设计四因素正交旋转试验,对破碎施肥装置的作业参数进行优化,当上置施肥辊转速为238r/min、下置施肥辊转速为374r/min、两施肥辊中心高度差为71mm、施肥量为797g/s时,优化所得破碎率为80.3%,排肥率为99.2%;搭建对辊差速式破碎施肥装置试验台,对机施有机肥含水率8%~40%的4种肥块进行验证试验,试验所得的肥块破碎率分别为90.7%、80.8%、79.6%、76.9%,排肥率分别为95.6%、97.8%、98.2%、98.6%,与优化所得结果的平均误差分别为4.66%、1.66%,误差较小,表明对辊差速式块状有机肥破碎施肥装置满足施肥要求。     

稻麦精准变量施肥机排肥性能分析与试验

为提高基于近地光谱技术的稻麦精准变量施肥机排肥性能稳定性,改善变量施肥控制精度,建立了外槽轮式变量施肥机离散元仿真模型,运用离散单元法和EDEM 2.2软件对施肥机排肥过程进行性能分析和数值模拟,研究不同排肥器结构和施肥控制策略对施肥机排肥稳定性的影响,并通过台架试验和田间试验验证仿真模型的准确性。结果表明:改进后的排肥器施肥量变异性系数明显减小,标准差减小14.59 g,变异系数降低9.9%;采用转速优先控制策略,当槽轮开度为19.34 mm时,排肥量稳定性系数最佳为1.09%;采用开度优先控制策略,当槽轮转速为55.75 r/min时,排肥量变异性系数最小为1.85%;与验证试验结果相比,误差最大为14.06%。结果验证了离散元仿真方法分析颗粒运动过程的准确性,表明所设计改进的排肥器能够提高施肥机排肥稳定性,满足稻麦精准变量施肥要求。     

电控液压双变量施肥机排肥试验研究

为了分析各因素对外槽轮排肥器排肥量的影响,通过标定试验,利用线性回归方程得出排肥轴驱动信号与排肥轴转速的关系,并得到一个合理的排肥轴转速区间。同时,采用正交试验设计的研究方法,确定排肥轴转速(N)、槽轮开度(L)、肥料种类对双变量施肥机排肥量的影响,并对正交试验结果进行了极差分析和方差分析。研究结果表明,影响排肥量大小的因素依次为槽轮开度、排肥轴转速、肥料种类。由此,可为减弱外槽轮排肥器脉动性等后续研究提供重要理论参考。     

精准变量排肥器结构优化设计与试验

为解决小麦播种粗放式施肥方式,符合未来精准农业对现代化农业生产的技术要求,本文建立排肥器几何体模型和颗粒离散元仿真模型,对排肥器进行离散元分析,改进导流槽结构;同时运用离散元方法分析外槽轮排肥器不同尺寸和不同运动参数下种群运动规律,分别探讨排肥器槽深和施肥速度优先控制策略对排肥稳定性影响,并应用正交试验对双变量进行方差分析,得出这两个变量对排肥性能影响力的大小。台架试验和田间试验结果表明:改进后的排肥器各行变异系数降低1.3%,总排肥量稳定性变异系数降低3.5%。采用排肥轴转速优先控制策略,当轮槽深度为8mm时,总排肥量稳定性变异系数小于6.5%;采用轮槽深度优先控制策略,当排肥轴转速20r/min时,总排肥量稳定性变异系数小于5.3%。     

油菜侧深穴施肥装置设计与试验

为提高肥料利用率、降低肥料施用量、实现油菜根区施肥,结合油菜种植施肥农艺要求,提出了一种油菜侧深穴施肥工艺,设计了一种机械式穴施肥装置,阐述了穴施肥装置的工作过程,确定了穴施肥装置的基本参数,建立了充肥和排肥环节中肥料颗粒群的力学模型,分析了影响穴施肥装置成穴性能的主要因素;应用离散元软件EDEM对穴施肥排肥器的成穴性能进行了仿真试验,分析了排肥轮转速、充肥型孔长度、导肥管材料对穴排肥量误差和穴径长轴长度的影响;利用正交组合试验确定了成穴性能较优的参数组合,排肥轮转速为60r/min、充肥型孔长度为18mm、导肥管材料为ABS塑料管时,穴排肥量误差为7.05%、穴径长轴长度为62.45mm;优选参数组合下的排肥性能试验结果表明,排肥轮转速为30~90r/min时,穴排肥量误差为4.56%~15.69%、穴径长轴长度为76.32~91.50mm、穴径长轴长度稳定性变异系数为4.53%~9.78%、穴距误差为3.24%~7.31%;田间试验表明,排肥轮转速为30~90r/min时,穴排肥量误差为4.73%~16.07%、穴径长轴长度为85.21~101.65mm、穴径长轴长度稳定性变异系数为4.82%~10.63%、穴距误差为3.36%~7.58%、施肥深度稳定性变异系数为6.43%~10.85%,成穴性能较好,满足穴施肥要求。     

刮板式有机肥条铺与旋耕混合施肥机设计与试验

针对果园有机肥人工施肥量不准确、施肥不均匀等问题,本文根据施肥农艺要求,设计了一种有机肥条铺与旋耕混合施肥机。该装置采用刮板式结构,通过圆环链带动刮板向前排肥,将有机肥呈条状铺撒在地表,通过旋耕装置将其与土壤混合。通过计算确定了施肥装置最大开口高度、肥箱容积等结构参数,分析了上、下层有机肥排肥过程。以排肥口开口高度、前进速度、链轮转速和刮板间距为试验因素进行离散元仿真试验,以有机肥相对误差和变异系数为评价指标,对排肥过程工作参数进行优化求解,得到最优参数组合：开口高度为53.17 mm、前进速度为2.8 km/h、链轮转速为15.96 r/min、刮板间距为160 mm。在最优工作条件下进行试验验证,得到有机肥平均排肥量为5.099 kg/m²,与理论施肥量相对误差为4.5%,变异系数为8.8%,表明仿真优化结果可靠,排肥量准确且排肥均匀性较好,该施肥装置施肥性能较优。在旋耕混合试验中,通过测定得到上层有机肥混合比例为11.83%,下层有机肥混合比例为6.29%,表明经过旋耕后,能够实现土肥混合效果,上层土肥混合比例高于下层。     

垂直螺旋式定量施肥机的设计与试验

针对目前机械式施肥机排肥量控制精度和排肥均匀性较差的问题,设计了一种垂直螺旋式定量施肥机。该施肥机由垂直螺旋排肥装置、行走检测装置和控制系统组成,控制系统包括硬件电路和软件程序,行走检测装置检测施肥机行走信号,控制系统根据行走轮行走速度,并结合当前设置施肥量控制排肥电机转速,从而达到定量施肥的目的;安装于垂直螺旋和排肥管之间的排肥口挡板避免了不施肥时漏肥的情况。试验表明:垂直螺旋式定量施肥机施肥量与行走速度无关,仅取决于设置施肥量,施肥量控制误差在4%以内,施肥量控制精度高;变速行走时,排肥量均匀性变异系数不超过3%,排肥均匀性好。该施肥机为定量施肥机的设计提供了参考,提高了农业机械的机电一体化程度。     

三轮高架作业车玉米变量施肥系统设计与试验

针对玉米追施肥机械田间作业通过性及施肥量精确控制问题,设计了一种三轮高架作业车变量施肥系统,该系统由机械排肥系统、液压传动系统和电控调速系统3部分组成。电控调速系统采用闭环控制,以STM32F103R8T6微处理器为控制核心,结合设置的施肥参数和检测到的速度信号,采用增量式PID算法控制施压系统中的电液比例流量阀来调节排肥轴的转速,实现对施肥量的控制,并显示施肥参数、作业车前进速度和排肥轴转速。室内试验表明,排肥槽工作长度为30mm,排肥量平均变异系数最小,确定了该工作长度下排肥量和排肥轴转速的拟合方程;整定PID控制参数,确定了Kp为1.2,Ki为0.02,Kd为0.4。田间试验表明,施肥量平均偏差为0.84%,平均变异系数为1.852%,实现了对玉米机械化精确追肥。     

圆锥盘推板式水田侧深施肥双行排肥器设计与试验

为提高水田侧深施肥排肥器稳定性与均匀性,增强肥量调节能力,保证水田侧深施肥作业效率与质量,结合黑龙江地区水田施肥农艺要求,设计了一种圆锥盘推板式双行排肥器。阐述了排肥器工作原理,构建了肥料不同阶段的力学模型,确定了圆锥转盘结构参数与临界转速;应用离散元软件EDEM仿真分析推板数量对肥料填充能力与排肥性能的影响规律,得出推板数量为8时,排肥器具有最佳排肥性能;采用全因子试验方法开展圆锥转盘转速为15～45 r/min、排肥口开度为5～25 mm条件下排肥器排肥量和排肥性能的台架试验,试验结果表明,排肥量范围为122～934 kg/hm²,与圆锥转盘转速和排肥口开度均具有较高的线性相关性,且与圆锥转盘转速相关性最高;双行排肥量一致性变异系数、总排肥量稳定性变异系数和排肥均匀性变异系数范围分别为1.01%～3.88%、1.05%～3.81%、6.64%～15.79%,排肥器倾斜状态下双行排肥量一致性变异系数最大值为6.17%,试验结果满足水田侧深施肥性能要求。     

双级振动精密排种器外槽轮式定量供种装置设计与试验

针对现有外槽轮式排种装置存在充种不均匀现象的不足,从定量供种理论与试验研究角度,深入探讨定量供种技术。设计了一种电磁振动勺型外槽轮式定量供种装置,对勺型外槽轮、振动板和橡胶弹性板等关键部件进行了结构设计,并结合该装置的结构特点,推导了定量供种的理论模型,同时在振动频率保持不变的情况下,对该装置进行了定量供种试验,得到电磁振动振幅和排种轮转速对实际供种量的影响规律。试验结果表明,当排种轮转速在0.8~6.6r/min、6.6r/min以上,电磁振动振幅分别选择10μm、15μm时,实际供种量接近于理论模型,定量供种的相对误差小于4%,该研究成果可为精密排种器的数字化设计提供参考依据。