智能传感技术在水肥一体系统中的应用研究

以进一步提升水肥一体机系统的作业效率为目标,选取智能传感的监测技术,针对整机的监测控制与信号处理展开应用设计研究。考虑水肥一体机过程作业肥液融合的均匀性及系统各模块之间的协同性功能实现,结合微分补偿的传感数据算法处理方法,进行智能传感的水肥一体机架构布局,并匹配可执行的软件控制程序及硬件实施结构,进行实地传感应用监测与灌施控制作业试验。结果表明:水肥一体机系统的数据监测准确率可达95.25%,系统故障率相对降低3.79%,监测数据准确及时,能够确保系统各环节指令得到有效的调整与反馈,进而保证灌施土壤的含水稳定率相对提升7.87%,对于作物的稳定生长与产量提升有重要的参考价值。

主路式水肥一体机施肥系统的设计与试验

针对现阶段水肥一体化设备存在施肥不均、自动化程度不高及滞后性严重的问题,根据现代化农业节水省肥和减少环境污染的灌溉要求,设计了一款可实现自动混肥、施肥、节水灌溉的主路式水肥一体化施肥机。根据液肥的EC和pH值调节过程的特点,开发了以SIEMENS S7-1200为核心的液肥控制系统硬件,并结合MatLab设计了以模糊PID为控制器的液肥EC和pH值控制系统。为验证施肥机在实际应用中的精确性和鲁棒性,设计了施肥系统动态调节性能试验,结果表明:在施肥阶段,模糊PID控制系统具有较短的稳态时间和较小的超调量,相比于PID控制系统,对EC和pH值进行调节的稳态时间分别减少了37.7%和52.1%,稳态超调量分别降低了1.2%和2.2%,可实现对混肥溶液进行迅速有效的调节,满足现代农业实际生产需要。

大田水肥一体化混肥器设计与试验研究

由于当前市场上没有既适合大田大面积灌溉、混肥精度又高的水肥一体化系统,故在旁路式结构设计中增加静态混合器替换主管道,以提高混肥均匀性为重点进行研究,对混肥部件进行了优化改进。利用混合器自身结构,在不需要外接能源的条件下,使得水肥充分混合,不仅能够满足大面积灌溉要求,而且可以保证混肥精度。基于流体力学及CFD基本原理,通过Fluent软件分析水肥混合过程中SK型静态混合器混合单元数,以及长径比对水肥混合性能和压降的影响,以此找出混合器的最佳结构参数,并对其结构做了改进,设计出了开沟式静态混合器。

基于数值分析法的水肥一体机设计研究

以进一步提升水肥一体机的智能性、数字性作业为目标,针对整机的灌施精准性要求展开设计。充分考虑水肥一体机的运用特点和结构组成,结合水肥的参数融合关系,建立用于水肥一体机准确控制作业的状态方程模型,设计以数值分析处理函数为核心的软件控制模块,搭建同步动作实施的硬件执行平台。展开多作物的灌施作业试验,结果表明:基于数值分析方法的水肥一体机系统架构设计合理,数值分析算法融入有效,整机试验的数值计算准确率可达98.00%以上;水肥混合均匀有度,整体管路灌施顺畅,灌施指令准确率可达99.00%以上,整机灌施效率较高,充分验证了数值分析方法应用的正确性与优越性,可以促进类似农机装备与高等数学多维度融合。

风筛组合式花生秧粉碎除膜机设计与试验

针对覆膜种植的花生收获后的地膜残留于饲料用花生秧严重影响牲畜健康的问题,结合粉碎后的花生秧与地膜的物理特性,设计了一种花生秧粉碎除膜机,可一次完成喂料粉碎、筛分输送、负压除膜、回料输送、出料收集等功能。对整机的关键部件进行了设计与分析,重点确定了粉碎装置、风筛式清选装置等部件的结构与工作参数。利用Design-Expert进行了试验设计,研究了振动筛频率、风机转速对花生秧残膜清选质量的影响,并对花生秧粉碎除膜机的工作参数进行了优化。试验结果表明:振动筛频率、风机转速对除膜率和损失率影响显著;当最优参数振动筛频率3.4 Hz、1号风机转速1000 r/min、2号风机转速1350 r/min、3号风机转速1500 r/min时,花生秧粉碎除膜机除膜率为96.8%,损失率为11.2%,实现花生秧中残膜的清选。

甘蔗横向种植机施肥机构设计与试验

针对甘蔗横向种植机施肥机构易出现堵塞的问题,结合农艺要求,设计一种端面反向螺旋施肥机构。为降低螺旋轴扭矩和提高肥料质量流速,通过理论分析选取螺旋轴叶片螺距、叶片厚度、叶片直径和螺旋轴轴径为变量,螺旋轴扭矩和肥料质量流速为目标,基于EDEM软件进行正交仿真试验得到各个因素与目标之间的回归方程,并求解得到最优参数组合:螺旋轴叶片螺距、叶片厚度、叶片直径和轴径分别为67 mm、2.5 mm、76 mm和32 mm。对最优参数组合模型进行仿真验证,结果表明螺旋轴扭矩和肥料质量流速的均值分别为6.3 N·m和0.055 kg/s,与回归方程求解结果基本一致。对端面反向螺旋设计进行仿真试验,确定反向螺距为33.5 mm时,可有效避免肥料堵塞在料槽端部。田间试验结果表明:螺旋轴扭矩和肥料质量流速的均值分别为4.3 N·m和0.0615 kg/s,该施肥机构满足农艺要求,负载扭矩较低,可有效减少肥料堵塞情况,为螺旋施肥机构开发提供参考。

玉米籽粒收获机脱粒-玉米芯回收机构数字孪生系统构建与应用

农业籽粒收获机回收玉米芯机构,工况恶劣,机械设计结构复杂,在田间进行现场试验时间材料成本过高。采用数字孪生系统可以实时观测脱粒-玉米芯回收机构工作过程及状态,记录实时产生的数据并预先提供可发生的问题。通过对脱粒-玉米芯回收机构的数字孪生系统的研究表明,可以通过选取脱粒滚筒转速、扭矩、玉米芯输送机电机转速等关键参数,来判断脱粒-玉米芯回收机构物理实体工作状态的精确情况。运用Unity软件和Amesim软件构建物理实体的数字孪生模型可用于虚拟仿真,使用ZigBee无线通信方式进行数据交互能够满足数字孪生数据交互的需求。

机械除草技术研究现状及作业模式选择

介绍了机械除草技术的基本原理、分类及现状,通过机械除草作业模式应用案例,分析机械除草作业和影响因素。结果表明,机械除草作业模式具有高效、省力等优点,选择机械除草作业模式需要考虑土壤类型、种植方式和品种特性、地形和除草设备性能等因素。同时,还需要根据具体的农田情况进行合理的作业模式设计和参数调整,以获得最佳的除草效果,促进农业环境保护与作物产量、质量的双重提升。

气吸双行错置式玉米密植精量排种器设计与试验

针对大豆-玉米复合密植播种模式下传统气吸式排种器单行种盘高转速作业导致充种时间短、气流稳定性差,难以实现高速精量密植播种的问题,设计了一种气吸双行错置式玉米密植精量排种器,阐述了排种器结构与工作原理,对其工作过程及关键部件进行理论分析,构建充种和投种环节的种子力学模型,确定排种盘内外环型孔排布、投种轮、气室等关键结构参数,并开展单、双气道内负压分布、型孔内气流场特性分析,基于DEM-CFD耦合方法对排种器的排种过程进行仿真分析,以作业速度、气室结构和负压为试验因素,充种合格指数、重充指数和漏充指数为评价指标,优选出最优气室结构。通过台架试验开展不同气吸式排种器排种性能对比试验。试验结果表明,在作业速度为5~10 km/h的高速密植工况下,气吸双行错置式密植精量排种器排种合格指数均大于88.7%,且作业速度为10 km/h时,相较于常用单圆环气吸式排种器合格指数提高5.5个百分点,漏播指数降低5.6个百分点;田间试验结果表明,在作业速度为5 km/h下,播种合格指数为95.7%,重播指数为1.6%,漏播指数为2.8%。提出的气吸双行错置式玉米密植精量排种器在高速作业时拥有良好的排种性能,能够满足大豆-玉米高速精量密植播种要求。

韭菜培土机设计与试验

根据农艺需求,韭菜进入动态生长期后要进行2~3次培土工作,且随着韭菜假茎不断长高,培土高度也不断增加。为此,针对国内外现有中耕培土机培土易损伤韭菜茎叶、扶苗困难、不适合韭菜多次培土的问题,设计了一种韭菜培土机,经过对扶苗装置、培土刀的理论研究,确定了工作参数,并采用离散元法模拟了韭菜培土过程,分析了培土装置作业参数对土壤颗粒各轴向运动速度和垄上颗粒数量的影响。通过数据处理软件对田间试验结果进行分析,得到了最优组合参数,即刀具转速为370r/min、内挡土板展开角为93°、外挡土板展开角为68°、培土宽度为365mm、培土厚度为94mm、韭菜真叶土壤覆盖量为72g。

茶园仿生往复式开沟松土机设计与试验

丘陵山区茶园土壤板结、石砾较多,使用传统旋转或移动式开沟机会出现打石跳刀、刀具无法入土、开沟不深、作业阻力大的问题。为此,依据人工铲土具有自发性以最低功耗完成最优作业路径的特点,设计仿人工铲土动作的曲柄摇杆式开沟装置,并研制小型茶园往复式开沟松土机。通过分析人工使用铁锹铲土的动作,建立入土、切土、抛土的运动模型,基于Matlab软件分析得到人工铲土时铁锹锹尖运动轨迹的拟合方程,以此方程为基准,建立曲柄连杆机构的目标函数,结合约束条件解出曲柄摇杆机构结构参数,同时对开沟铲进行开沟阻力分析,确定开沟铲的结构参数。建立Recurdyn和EDEM耦合的开沟铲-土壤互作仿真模型,并进行三因素三水平正交试验,对作业和结构参数进行优化,得到最优参数组合:机器前进速度v为0.06 m/s、曲柄转速n为42 r/min、入土倾角φ为80°。田间试验结果表明,茶园往复式开沟松土机作业平均开沟深度为211.5 mm,开沟功率为0.119 kW,沟深稳定性系数为90.9%,相较于传统旋转式开沟机,开沟功率降低6.3%,沟深稳定性系数提高3.1个百分点,整机作业质量满足茶园农艺要求。

丘陵山地果园全液压遥控式履带动力底盘设计与试验

针对目前丘陵山地果园作业农用底盘整机体积大、行驶作业操作繁琐和通过性差等问题,结合丘陵山地果园开沟、除草和修剪等农艺管理环节的实际需求,设计了一款全液压遥控式履带动力底盘。首先,对动力底盘的整机结构和工作原理进行了阐述;其次,对前置挂载机构、行走系、变幅宽底盘、液压系统、遥控系统等关键部件进行设计和相应的匹配选型;最后,对整机进行了性能试验。试验结果表明:动力底盘在最小幅宽(1220 mm)和最大幅宽(1620 mm)的直线行驶偏移率分别为2.24%和2.2%,均满足相应国家标准(≤6%)要求。底盘的转向机动性能良好,最小幅宽原地转弯半径为905 mm,可适应丘陵山地果园相对狭窄的坡地作业环境。遥控操作上下斜坡、翻越田埂、跨越畦沟等过程平稳,满足丘陵山地果园非结构化地形行走要求。挂载链式开沟器进行开沟作业时,沟深稳定系数为88.5%,沟宽稳定系数为92.5%,满足国家标准(≥85%)要求。整机工作性能满足丘陵果园复杂坡度地形管理作业要求,可为丘陵山地果园田间管理作业的有效实施提供综合应用平台和技术支撑。

玉米秸秆混埋联合作业机的研制与试验

秸秆粉碎还田是一种环保且高效的农业技术,能够改善土壤结构,提高土壤的透气性和保水性,减少化肥和农药的使用量,降低农业生产成本,减轻对环境的压力。以秸秆粉碎后混埋地下技术为核心,设计一种玉米秸秆混埋联合作业机,通过田间试验来验证机具的性能和作业效果。结果表明,秸秆粉碎混埋作业机可以提高玉米秸秆资源化利用效率,为推动农业可持续发展提供参考。

基于5G通信技术农作物喷洒浇灌行走机器人的设计

结合农业灌溉和喷洒技术现状,设计了一种集灌溉功能和喷洒功能于一体的基于5G通信技术的作物喷灌行走机器人。该机具有体积小、适应性强、技术要求低、操作方便、成本低等特点,既能精准浇灌,又能立体、全方位地喷洒农药,减少水资源浪费,具有一定的推广应用价值。

2BP-2000型水稻育秧播种机分盘装置研制

针对现有育秧播种机分盘装置生产效率较低、高速作业时易出现卡盘和秧盘输送不连续等问题,该研究设计了一种生产效率不低于2000盘/h的机械气动式自动分盘装置,可快速、准确完成分盘和供盘,适配2BP-2000型水稻育秧播种机高速播种。阐述了分盘装置的基本结构和工作原理,开展分盘、接盘过程分析,确定装置稳定分盘、接盘作业的关键机构与工作参数。分盘稳定性试验结果表明,生产率为1600~2000盘/h时,分盘稳定性不低于98.67%。开展以层叠秧盘数、生产率和秧盘质量为试验因素,以接盘成功率为试验指标的三因素三水平正交旋转组合试验,得到影响接盘成功率的因素主次关系为生产率、层叠秧盘数、秧盘质量,其中生产率、层叠秧盘数对接盘成功率影响显著(P<0.05),秧盘质量对接盘成功率影响不显著(P≥0.05),表明分盘装置对不同质量的秧盘适应性较好,其最优参数组合为:生产率2000盘/h、层叠秧盘数6盘/层、秧盘质量750 g/盘,该条件下分盘装置的接盘成功率均值为98.43%,与预测值仅相差0.29个百分点。研究结果对提高水稻硬盘育秧播种机械化水平具有实用价值。

智慧农业下的水肥一体机精准化作业研究

针对我国农业水资源和化肥资源的利用率较低的问题,在智慧农业下对水肥一体机的精准化作业进行了研究。水肥一体机的主要组成包括控制系统、监测系统、灌溉施肥系统、网络传输系统和数据中心。将粒子群算法与PID控制算法结合,对粒子群-模糊PID控制器进行设计,并对水肥溶液的EC值和pH值进行控制,提高了水肥一体机的控制精度,减少了控制时间。为了验证水肥一体机的性能,进行了数据采集准确性分析试验和精准化作业控制试验,结果表明:数据采集较为准确,且可以精准地配比水肥溶液,满足作物的灌溉要求。

基于YOLO v5的直播油菜激光间苗系统设计与试验

间苗是保证直播油菜增产的一项关键技术措施,为解决人工间苗劳动强度大、机械间苗不精确的问题,采用机器视觉的方式,基于深度学习算法YOLO v5平台,设计并搭建自动间苗装置。机器视觉系统评估幼苗种群的合理密植情况,间苗算法以间距和幼苗叶展为评估标准,实现控制幼苗间距和筛选优质苗的功能。选用遗传算法对间苗行进路径进行规划,相较于未规划路径可缩短最低为50%的行进距离,最终采用激光器高温烧除的方式完成间苗作业。选取油菜苗作为试验材料,间苗阈值α是划定幼苗最小间距的参数,设置不同的间苗阈值α进行试验。结果表明,间除苗的数量随着间苗阈值α的增加而增加,幼苗平均密度下降的同时种群分布趋于均匀,对间除苗的叶展长度分类统计,α为0~75 mm时,间除苗叶展长度全部在0~20 mm范围;α为75~200 mm时,间除苗叶展长度为0~40 mm,其中叶展长度为20~40 mm的最高占比约为76%;α为200~350 mm时,间除苗叶展长度在40 mm以上的幼苗开始增加,最高占比约为14%,间除苗叶展长度梯次分布证明了间苗算法具备筛选优质苗的性能。间苗执行阶段耗时占据间苗作业总耗时的90%以上,以激光走线参数L、激光器功率P、间苗距离阈值为试验因素,三因素三水平正交试验结果表明:选择合适的激光走线参数L能有效提高间苗死亡率、降低间苗误伤率和减少间苗耗时,在参数L为30 mm、P为7.5 W、α为250 mm下开展土槽台架性能验证试验,激光间苗平均死亡率为93.29%,平均误伤率为5.19%,平均总耗时为15.19 min,为开发基于机器视觉的激光自动间苗机提供了理论基础和技术支撑。

摇枝式加工型苹果采摘振动参数仿真优化与试验

为探究不同振动参数组合对苹果采摘效果的影响,建立苹果树二级树枝振动力学模型,解析分析得到影响苹果脱落的主要因素为振动频率、振幅及夹持位置。测量苹果树形态特征并基于矮砧密植整形原理建立纺锤形苹果树三维模型,利用ANSYS软件对苹果树模型进行有限元仿真分析,仿真结果表明,振动频率4~8 Hz、振幅20~30 mm、夹持位置0.35l~0.65l(l为二级树枝长度)时,对果树损伤较小且苹果易脱落。设计四因素三水平振动采摘试验,以确定苹果树不同位置树枝最佳的振动参数组合,利用Design-Expert软件对试验数据进行分析和响应面优化,参数优化结果为:采摘苹果树上层苹果时,振动频率为5 Hz,振幅为28 mm,夹持位置为0.40l;采摘苹果树中层苹果时,振动频率为4 Hz,振幅为30 mm,夹持位置为0.43l;采摘苹果树下层苹果时,振动频率为8 Hz,振幅为20 mm,夹持位置为0.65l;通过验证试验得到苹果树上层、中层、下层摘净率为96.4%、94.8%、93.2%,与优化值相近,表明优化模型可靠。

基于EDEM-Fluent耦合仿真的射流式挖藕机设计与优化

为解决大面积的浅水藕田地区的莲藕采收机执行部件高压喷头的个数较多,容易出现各喷头间流速差过大的现象,导致莲藕采收率的下降和莲藕品质的参差不齐的问题,对莲藕采收机射流系统执行部件进行优化。喷头作为执行机构的重要组件,其射流的稳定性对莲藕采收的效率以及冲刷效果有着重大的影响。为揭示高压喷头的连接工艺和喷头形状、口径对射流稳定性的影响,基于EDEM-Fluent软件对内部流场进行环境建模以及对执行部件的喷头进行耦合仿真模拟。试验发现:改变喷头的形状增加倒角,调整各喷头出水口直径到恰当的差值对喷头出水稳定性有明显的改观,流速波动标准差由0.164 m/s改变为0.020 m/s;平均挖掘深度由33.50 cm改变为36.07 cm,挖掘深度标准差由1.71 cm改为0.69 cm。

双定刀滑切防缠式香蕉秸秆粉碎还田机设计与试验

针对我国香蕉秸秆粉碎还田作业过程中香蕉秸秆粉碎质量差,秸秆缠绕堵塞等问题,设计了一种双定刀滑切防缠式香蕉秸秆粉碎还田机。基于滑切定理,解析了粉碎刀随轴转动过程中的动态滑切角和粉碎定刀滑切角的相对作用原理,以等速螺线设计L形粉碎定刀刀刃曲线,确定了粉碎刀结构参数;对香蕉秸秆缠绕粉碎刀辊进行受力分析,设计防缠绕板并确定装配数量与结构参数;以装置前进速度、粉碎刀辊转速、防缠绕板高度为试验因素,以香蕉秸秆粉碎合格率、抛撒不均匀度和香蕉秸秆缠绕数量为评价指标进行三因素三水平正交试验,建立因素与指标的响应面数学模型。试验结果表明,最优参数组合为作业机前进速度1.5 m/s、防缠绕板高度41.6 mm、粉碎刀辊转速1800 r/min,此时香蕉秸秆粉碎合格率为93.8%,香蕉秸秆缠绕数量为26,香蕉秸秆抛撒不均匀度为12.1%。以最优组合进行田间试验验证,试验结果表明双定刀滑切防缠式香蕉秸秆粉碎还田机整机防缠性能优越,满足设计要求。