基于微生物燃料电池供能的无线温度传感系统设计

微生物燃料电池(microbial full cell,MFC)是利用微生物作为生物催化剂将碳水化合物转化为电能的装置。针对MFC输出电压低、功率小、内阻大的特点,该文研制了一种具有最大功率点跟踪(maximum power point tracking,MPPT)功能的能量收集电路和两级升压电路;基于MSP430和CC2500芯片设计了环境温度传感系统。测试结果表明,MFC的输出电压维持在316～390 mV范围内,实现了最大输出功率的跟踪,MPPT电路和升压电路分别输出1.1和3.5 V电压;无线温度传感器以每13ms的周期将环境温度无线传输到远程终端,验证了环境温度传感系统在最大功率点处对无线传感器网络节点供电工作的可行性,可为实现MFC主动式能量收集提供参考。     

农业面源污染防治的难点、问题及对策

实现农业绿色发展,提升农产品品质是破解新时代社会主要矛盾在农业领域表现的重要途径,其前提是对农业面源污染进行有效防治,以提升农业生产系统环境质量。本文在系统梳理农业面源污染领域研究文献的基础上,剖析了农业面源污染防治的难点及问题,一是化肥施用总量（折纯量）大与施用强度高并存;使用效率低与流失严重同在;二是农药使用量的增加以及包装物带来的面源污染呈现加重态势;三是农用薄膜造成的"白色污染"短期内难以从根本上解决;四是畜禽废弃物产生量大,污染严重;同时,兽用抗生素的环境影响不容忽视。在农业面源污染防治中,存在着防治对象具有多源性、防治主体多元性以及防治技术有效性不足、机制缺失等问题。为此,应以绿色发展理念为指导,提升全社会对农业面源污染防治重要性的认识;强化农业面源污染防治行动计划的实施监督,并注重实施效果的监测与评价;实施多维创新,保障农业生产系统的健康,以更好地推进农业面源污染防治。     

楔形减阻旋耕刀设计与试验

为解决旋耕整地作业阻力大、能耗高等问题,该文基于旋耕刀理论受力模型设计了一种楔形减阻旋耕刀。采用Inventor和HyperMesh软件分别创建国标旋耕刀及楔形减阻旋耕刀的三维模型和切削土壤模型,分析了楔形减阻旋耕刀的应力强度,对比了国标旋耕刀与楔形减阻旋耕刀的切削阻力。通过田间试验对比了国标旋耕刀与楔形减阻旋耕刀的扭矩、功耗与碎土率。结果表明:楔形减阻旋耕刀所受最大应力为29.49 MPa,远小于材料的屈服强度430 MPa,在保证刀身强度的前提下,与国标旋耕刀相比,楔形减阻旋耕刀质量减轻8.3%;平均切削阻力较国标旋耕刀下降10.65%。在相同工况条件下,楔形减阻旋耕刀的平均扭矩为648.916 N·m,较国标旋耕刀下降11.35%;楔形减阻旋耕刀的平均功耗为67.3kW,较国标旋耕刀下降9.29%,碎土率提高4%,耐磨性能与国标旋耕刀持平,能够达到在降低作业功耗的同时,提高耕作质量并保证刀具使用寿命。     

切流式花生全喂入联合收获机清选机构设计

针对切流式花生全喂入联合收获机清选环节果杂分离不清、损失率高、缠膜挂秧、筛面堵塞等难题,该文设计了一种风筛组合、无阻滞、大小杂并除的清选机构,其主要由上层筛(杆筛)、下层筛(多阶弹性筛和后筛)、抖草轮、偏心套、风机等组成。该文运用动态静力学方法研究了筛面物料的相对运动,分析了物料相对筛面上滑、下滑、从筛面跃起的极限条件,确定了振动筛主要运动参数的理论值域;运用达朗伯原理开展了交变载荷下筛体的受力分析,确定了筛体关键结构参数。该文对影响清选作业质量主要因素开展了试验研究,试验结果表明:影响清选机构综合作业质量的主次作用因素为主风机转速、振动筛振幅、振动频率,较优参数组合为主风机转速2 100 r/min、振动筛振幅12.5 mm、振动频率9Hz,此时清选损失率5.03%、荚果含杂率5.39%;清选机构作业顺畅性较好,较少出现缠膜挂秧、筛面堵塞现象。研究结论可为切流式花生全喂入联合收获机清选机构的设计提供理论参考。     

入射角度对气力射播小麦种粒入土参数影响的试验研究

针对稻麦轮作区黏湿土壤条件下的小麦机械化播种,为避免传统接触式小麦播种技术存在的粘附堵塞严重和作业阻力、功耗大等问题,该文采用非接触式小麦气力射播技术理论,通过自制的小麦气力射播试验台,开展整洁种床土壤条件下入射角度对气力射播小麦种粒入土参数影响的试验研究。试验结果表明:随着入射角度的增加,相同加速气压下小麦种粒的射播速度垂直分量和射播深度不断增加,小麦种粒触土后产生水平滑移和弹跳的几率变小,且各入射角度下射播深度与射播速度呈正相关关系,不同入射角度下小麦种粒呈现出不同射播深度和土壤冲击效果,小麦种粒未产生损坏情况;当入射角度≥45°和射播速度垂直分量≥25 m/s时,小麦种粒可被完全射播入土壤中且出苗率大于86%,90°入射角度下的射播效果最好。同时,为实现田间作业时小麦种粒的垂直射播入土,应使射播速度水平分量与机具作业速度相等且射播速度垂直分量≥25m/s。试验结果可为非接触式小麦射播装备的研制提供基础数据和技术支撑。     

辊刷式蓖麻收获机采摘机构优化设计与试验

针对蓖麻机械化采收时采净率低、破损率高等难题,结合蓖麻物理特性和种植模式,研究设计了辊刷式蓖麻收获机采摘机构。首先在分析采摘机构总体结构的基础上阐述了辊刷式采摘原理,阐明了辊刷、螺旋输送器、传动系统等关键部件的设计。进一步地,为探究采摘机构相关参数的最优组合,提高蓖麻采摘质量,采用Box-Benhnken响应面试验设计理论,以前进速度、辊刷转速、刷丝长度为影响因素,以采净率、籽粒破损率及含杂率为作业质量评价指标,进行参数优化试验。建立各影响因素与指标之间的回归数学模型,并分析各因素对响应值的交互影响,同时对模型进行了综合优化,获得最优参数组合为:前进速度0.72 m/s、辊刷转速371.69 r/min、刷丝长度56.60 mm,对应的采净率、籽粒破损率、含杂率分别为90.81%、0.17%、11.27%。对优化结果进行验证试验,试验结果表明在最优参数组合下,采净率为91.36%、籽粒破损率为0.18%、含杂率为11.67%,各评价指标与预测值均很接近。研究结果可为辊刷式蓖麻收获机进一步完善结构设计和工作参数优化提供参考。     

中小粒径种子播种检测技术研究进展

播种检测技术是实现播种智能化的关键技术之一,可为变量播种提供基本的技术支撑。该研究分析了国内外中小粒径种子播种检测技术进展及相应检测装备,重点阐述了中小粒径种子感知方法,主要包括机械机电报警检测法、机器视觉检测法、光电传感检测法、电容传感检测法、压电传感检测法,并对不同检测方法优劣进行分析;同时围绕播种机故障监测、播量、播种频率、行距、株距、漏播、重播等评价指标,明确了播种检测的主要内容,结合精准农业要求为不同播种模式提出对应播种检测指标;进一步分析了为解决漏播问题的变量补种技术和播种检测信息传输技术的研究概况。在系统总结和分析播种检测相关技术的基础上,提出在精准农业背景下对中小粒径种子播种检测的发展要求,展望未来中小粒径种子播种检测技术发展趋势。     

基于改进多父辈遗传算法的农机调度优化方法

农机装备跨区作业存在作业任务重、转移范围大、作业时效性强等问题,传统的农机调度缺乏科学合理的调配方案。该研究开展了基于改进遗传算法的多机协同作业任务调度方法研究。首先对多块农田需连续进行多种生产任务的问题进行分析,建立在农机数量、转移距离、作业准备时间及作业时间等约束条件下的时间窗农机作业调度模型;然后以最小化作业时间为优化目标,提出改进多父辈遗传算法(Improved Multi-parent Genetic Algorithm, IMPGA)的优化方法求解农机作业规划方案;最后根据新疆塔城地区的农田数据及随机生成的农田任务进行模拟与仿真,并与标准遗传算法(Genetic Algorithm, GA)进行对比。结果表明:IMPGA和GA均能有效解决多任务多农机作业分配问题,IMPGA算法总体上优于GA,调度的最优时间和平均时间分别缩短2.47%和2.70%。该研究可为农机跨区作业提供合理的调度方案,也为规模化无人农场的生产经营提供科学依据。     

乡村振兴与农业工程学科创新

乡村振兴作为农业农村现代化的长期目标和全方位发展过程,为涉农学科提供了空前巨大的创新与调整空间。该文旨在探讨农业工程学科在这一新的历史机遇与挑战面前,如何确定学科调整与优化的方向,为乡村振兴战略的实施提供有力的科技与人才支撑。近年来,以新工科、新农科建设为标志的新一轮学科布局调整,十分注重引入新技术与产业革命成果,用信息、数字技术和人工智能改造、提升传统工科和农科;相对而言,针对乡村振兴引发的农业农村现代化道路扩展与发展形态变革对学科创新的需求则重视程度不足。农业工程因其对农业农村现代化的特殊与关键性作用,理应更重视社会经济发展模式与结构调整对学科创新的影响及其对应关系。当前形势下,农业工程学科创新应重点关注以下几方面的问题:1)乡村振兴战略的实施为农业工程学科的创新与拓展开辟了新空间,提出了新要求;2)农业工程技术体系的开发推广将从以农业生产领域为主向依托农业农村资源而形成的多产业融合领域延伸;3)农业工程人才培养与科研体系建设要面向乡村生产生活和生态系统构建的全领域全过程;4)农业农村各产业及区域系统性建设要与城乡融合发展和推进农村治理体系与治理结构现代化的需求对接。现阶段,关于农业工程学科创新与扩展的新领域和新方向,在下述几个方面存在十分紧迫的现实需求:1)农村电子商务工程;2)乡村景观营造与维护工程;3)乡村新业态生产空间营造;4)乡村生态环境工程;5)乡村社会经济管理与治理体系和治理结构系统工程。     

双充种室大蒜单粒取种装置设计与试验

针对当前大蒜机械化播种单粒合格率低、漏充率高的问题,该研究设计了一种双充种室大蒜单粒取种装置。通过分析与计算,确定了取种装置关键部件参数,阐述了双充种室结构可降低蒜种漏充的作业机理。采用EDEM软件进行了单因素仿真试验,分析了一级取种勺速度、种层厚度对充种性能及种群规律的影响,得到第二充种室内充入蒜种与被清掉蒜种的速度变化关系,证明了装置设计合理性。运用Box-Behnken中心组合试验方法,以一级取种勺速度、取种速比、种层厚度作为试验因素,以单粒合格率和漏充率作为评价指标,开展了三因素三水平正交试验。利用Design-Export8.0.6数据分析软件,建立各试验因素与评价指标的数学回归模型,并对试验因素进行了参数优化。圆整后一级取种勺速度为0.12 m/s、取种速比为0.75的条件下,种层厚度范围为360～390 mm开展室内验证试验,单粒合格率、漏充率、重播率均值分别为95.38%、1.18%、3.44%,变异系数分别为0.32%、6.11%和4.15%,验证试验结果与模型预测值相对误差小于5%。品种适应性试验试验结果表明取种装置对3类供试大蒜Ⅱ级蒜种适应性较优,蒜种机械损伤率为0.52%,符合标准要求。田间试验结果与优化结果一致,作业效果优于现有爪式循环、勺链式、轮勺式大蒜单粒取种装置,该研究可为解决大蒜播种机取种漏充问题提供指导参考。