3WF-1300型悬挂式喷杆喷雾机的设计与试验

针对我国目前大田喷雾机仍以中小型机具为主,产品技术含量相对较低,使用可靠性差,施药过程存在雾滴飘移、喷洒不均匀、农药有效利用率低等问题,在分析悬挂式喷杆喷雾机工作原理的基础上设计并研制了一种高效、安全的3WF-1300型悬挂式喷杆喷雾机。该机配套动力为88.2~117.6 kW,药箱容量1 300 L,喷幅18 m,可液压控制喷杆折叠、展开和升降,有效降低了驾驶人员的操控难度,能够实现舒适、精准、高效的农药喷施作业,提高了农药有效利用率、降低了农药施用量、减少了环境污染,极大地保护了操控人员的身体健康。田间试验结果表明:喷雾机结构参数设计合理,喷杆的折叠、展开和升降过程平稳顺滑,无卡顿现象;喷雾均匀,作业效率高,达到了设计指标的要求;田间试验中,沿喷杆方向喷雾分布变异系数为5.3%,结果优于国家标准。

基于CFD的玉米田间吊喷装置仿真设计与试验

为了改善玉米作物生长至中后期时中下层叶片雾滴沉积效果差,不同冠层雾滴分布不均导致植株叶片整体雾滴覆盖率低,喷施农药方式不佳造成药害和环境污染的问题,设计了一种玉米田间吊喷装置。利用数学理论几何关系结合Fluent软件确定了关键参数,即吊杆长度为1950 mm、侧下喷头距吊杆底端高度为50 mm、侧上喷头距植株顶端高度为50 mm、侧下喷头与水平方向上夹角为38.8°、侧上喷头与水平方向上夹角为43.7°。利用Design-Expert软件以吊杆侧上喷口处压强、吊杆侧下喷口处压强、机具行进速度为试验因素,以叶片平均雾滴覆盖率Y为试验指标设计三因素三水平正交试验,经方差分析后得到影响雾滴覆盖率大小因素主次顺序:行进速度>侧下压强>侧上压强。经田间试验后得到最终组合参数为机具行进速度0.8 m/s,侧上压强0.7 MPa,侧下压强0.5 MPa,雾滴覆盖率为26.54%,上、中、下层叶片雾滴覆盖率分别为28.32%、23.54%、27.75%,模型仿真与田间试验相对误差为5.05%。研究结果可为玉米植保机械的研发提供参考。

3WSH-500型喷雾机喷杆高度调控系统设计与试验

针对地面起伏造成喷雾机喷杆高度波动的问题,以永佳3WSH-500型喷雾机为试验平台,电动推杆为喷杆高度调节驱动部件,采用滞环控制原理,设计了基于超声探测的喷杆高度调控系统。首先,对3种路面(水泥地路面、田间未耕路面和田间翻耕路面)下超声波传感器反馈电流信号与喷杆高度的探测曲线进行标定试验,获得3种路面喷杆高度监测曲线。其次,开展喷杆高度调节静态试验,通过改变喷杆高度,获得了静态调节下喷杆高度调节响应曲线,确定静态最优滞环值为10 mm。开展了3种路面下不同车速对喷杆高度调节的性能试验及性能对照试验,根据喷杆高度趋于稳态时的振颤范围,确定动态最优滞环值为50 mm,喷杆高度设定为1 000 mm,车速为2.5、5.0、6.0、8.0 km/h。试验结果表明:车速对系统喷杆高度的调控性能影响较小,而地面起伏对系统喷杆高度调控稳定性具有显著影响,以动态性能对照试验作为对照组,田间未耕地路面的控制合格率由83%~95%提升至93%~97%,在地形波动较大的田间翻耕路面,喷杆高度控制合格率由2%~16%提升至72%~87%。该研究可为喷杆高度调控性能提升提供技术参考。

基于变前视距离的四轮同步转向农机改进纯跟踪控制

路径跟踪控制是提高自主导航系统控制精度的关键。针对在复杂农田作业环境下转弯时纯跟踪算法跟踪精度不高的问题,本文提出了一种基于改进纯追踪模型的四轮同步转向农机路径跟踪控制算法。建立了基于四轮同步转向农机的运动学模型和纯跟踪模型,在此基础上考虑航向误差得到改进纯跟踪模型,进行RTK定位坐标修正,根据量化误差的评价函数搜索前视区域最优目标点,得到最优前视距离。本文算法能实时确定四轮同步转向农机改进纯跟踪模型中的前视距离,使航向误差和横向误差最小化,实现目标点的自适应优化。仿真结果表明,本文方法转弯时平均绝对横向误差减至0.035 m,平均绝对航向误差减至0.212°;水田实验结果表明,当四轮同步转向农机作业速度为3.6 km/h时,四轮转向农机轨迹跟踪平均绝对横向误差减至0.109 m,平均绝对航向误差减至2.799°,转弯跟踪精度显著提高。

基于无人机果树冠层卷吸效应的窄弧扇形防漂移喷嘴设计

针对植保无人机对果树冠层喷洒易产生的药液漂移问题,结合植保无人机对果树喷洒时产生的卷吸效应和扇形喷嘴雾化原理,设计了一种窄弧扇形喷嘴结构,并通过对不同冠层压力损失系数下的喷洒过程进行仿真分析,得到最佳防漂移的窄弧扇形喷嘴结构参数。研究结果表明:喷嘴内径增大,液膜与液带结构趋于稳定,液滴分布均匀,沉积率呈先降后升趋势;冠层压力损失系数降低,粒径频谱宽度减小,但沉积率总体提高;对较厚冠层果树植保时,选择内径1.3 mm、狭缝宽度0.15 mm的喷嘴,防漂移性能较好;对较薄冠层果树植保时,选择内径1.03 mm、狭缝宽度0.2 mm的喷嘴,防漂移性能较好;采用窄弧扇形喷嘴的液滴频谱宽度>0.7,沉积率>94.1%。

烟草喷雾机雾滴均匀性及沉积特性研究

烟草喷雾机作业效果的好坏是决定烟叶质量与产量高低的重要因素,雾滴均匀性及沉积特性是判定烟草喷雾机作业效果的重要指标。选取3种喷雾压力、风机风速和样机行驶速度进行喷雾试验,探究不同条件对雾滴均匀性及沉积特性的影响。试验结果表明:雾滴均匀性随喷雾压力和风机风速增大略微变好,基本不随样机行驶速度增大变化;雾滴覆盖率随喷雾压力增大覆盖率最大值不变,随风机风速增大覆盖率最大值减小,随样机行驶速度增大覆盖率整体减小。试验结果为后续烟草喷雾机优化设计提供参考。

脉动燃烧器研究进展及其在病虫害防治中的应用

目前,Helmholtz型脉动燃烧器被广泛应用且前景良好。其具有环保节能、燃烧效率高、传热特性佳、热效率高以及排放污染少等诸多优点。将Helmholtz型脉动燃烧器应用于病虫害防治装备的研制,对稳定作物生产、提高作物品质、增加种植效益以及发展科学植保和绿色植保具有重要意义,有助于保障生态可持续。概述Helmholtz型脉动燃烧器的工作原理,梳理脉动燃烧器的研究发展现状,总结Helmholtz型脉动燃烧器在病虫害防治方面的应用研究。目前便携式脉动燃烧病虫害防治装备存在人机工程学缺陷、土壤蒸汽消毒机热动力源耦合关系不明确、脉动燃烧机理研究不够深入且脉动燃烧器结构简单、装备智能化程度低等问题。提出应用现代化技术研究脉动燃烧机理,研制脉动燃烧病虫害防治装备新型结构与机型,运用智能化、现代化技术开发大型车载式病虫害防治机械,发展脉动燃烧病虫害防治机械智能控制模块的发展对策。

在线混药技术的发展与优势

施药是保证农作物健康生长的重要手段,当前我国人工预混药对操作人员和生态环境存在危害,且易造成剩余药液浪费,更无法随时调整药液浓度。在线混药技术,可以解决上述问题。论述了在线混药优势,分析了射流式、水力比例泵注入式、直接注入式几种在线混药的方式以及优缺点,随着施药方式的不断升级换代,必将会促进生态农业的进一步健康发展,也必将为我国的环境保护和农业可持续发展作出更大的贡献。

基于轻量化PointNet网络的林果园喷雾作业靶标实时识别方法

为了进一步提高喷雾机器人靶标检测的精准性、实时性和应用部署的实用性,该研究提出一种基于轻量化PointNet网络的林果园喷雾作业靶标实时识别方法。首先通过区域提取降采样、地面分割和改进DBSCAN聚类等点云预处理方法提取原始点云中的靶标;然后通过移动最小二乘上采样将靶标点云转化为满足点云识别网络输入要求的点云数据;最终通过在PointNet网络中引入残差模块和改进循环剪枝算法轻量化PointNet网络,完成林果树靶标的实时识别。试验结果表明,在ModelNet40数据集上,轻量化PointNet网络可达89.7%的准确率;在实际苗圃环境的试验中,该研究方法对靶标的识别准确率可达92.49%,同时误识率与拒识率分别为13.4%和6.47%,相较PointNet网络识别准确率提升了4.38个百分点,误识率和拒识率分别降低了7.2和4.07个百分点;轻量化PointNet网络识别准确率仅比PointNet++网络低1.14个百分点,误识率和拒识率分别高了0.9和1.12个百分点。但是轻量化PointNet网络的模型参数量较PointNet网络和PointNet++网络的模型参数量显著减少,仅为PointNet网络的11.5%,PointNet++网络的27.02%;运算量相较PointNet网络、PointNet++网络分别减少13.3和76.79个百分点。该研究提出的轻量化PointNet网络具有较高的实时性、精确性和鲁棒性,能够满足林果园喷雾作业的靶标识别需求,可为林果园喷雾作业靶标实时识别提供参考。

我国土壤消毒机械的研发与应用

土壤处理机械是土壤消毒的核心技术。综述了在国家重点研发计划等项目的资助下,我国突破了一系列技术瓶颈,研发了固态、液态和火焰消毒技术。土壤消毒秸杆还田一体机采用偏心结构和反旋土壤提升技术,作业深度可至40 cm土层,在相同用量下,相比手撒棉隆,草莓增产60.4%,生姜增产26.9%~53.1%。采用土壤消毒秸杆还田一体机相同构造的土壤提升技术,研发了以天然气或丁烷作为燃料的火焰消毒机,箱体温度400~600℃,持留2~3 s,处理后对土壤根结线虫防效可达到100%,对杂草的防效在86.6%以上。火焰消毒对土壤病原真菌的防效为63.2%~80.8%,研发的小型广角电喷式注射消毒机,具有左右摇摆结构,使土壤消毒机械转弯时仍能均匀施药。我国独创的这3种施药机械在山东、安徽、河北、云南等地得到了广泛的应用,取得了良好的经济效益和社会效益。

变量喷药技术及装备研究进展

变量喷药技术是基于精准农业理念而发展的技术,旨在通过针对性地调整农药施用量和施用位置,提高农药使用效率,降低环境影响,并减少生产成本。论文综述了变量喷药的主要技术以及最新研究进展,并提出了未来的发展建议。旨在通过对变量喷药技术的研究进展进行系统梳理,为相关领域的研究者和从业者提供参考,并促进该技术在农业生产中的广泛应用。

基于相邻争夺算法的无人机多架次植保作业路径规划

为了提高植保无人机作业效率,减少无人机作业损耗,该研究针对传统粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)算法在规划植保作业路径时容易陷入局部最优,能耗最优方案的搜索能力低下等问题,该研究提出一种基于相邻争夺(adjacent competition, AC)算法的植保无人机作业路径规划算法。首先,对所有粒子设置作业距离范围,以防止单次作业距离过长或过短的极端情况;其次,在作业距离范围内随机分配每个粒子的作业距离,作为搜索的初始值;最后,相邻粒子相互争夺作业距离间接改变各架次作业距离,搜索出最优路径。相邻争夺算法保证了植保无人机作业总距离一定,对搜索方向进行先验且保证特殊点不被遗漏,避免算法陷入局部最优解。使用Matlab软件对420 m×200 m的模拟植保场地进行算法仿真验证,传统粒子群算法常陷入局部最优解,在10次规划中相较于遍历出的能耗最优规划方案增加了16.16%~38.14%的能耗,本文提出的相邻争夺算法规划结果的能耗远低于传统粒子群算法,算法具有更强的搜索能力。使用RflySim仿真平台搭建植保无人机模型和420 m×200 m的作业场地,在虚拟环境下比较传统粒子群算法与相邻争夺算法规划结果的模拟跟踪情况,相邻争夺算法规划结果的能耗相较传统粒子群算法减少了25.15%。420 m×200 m作业场地实际飞行试验中,相邻争夺算法规划结果的能耗相较传统粒子群算法减少了34.48%,更适应多架次植保作业。

基于UG动画仿真的喷雾机喷杆形变控制优化

在植保作业领域,为预防大田作物的病虫害,传统农业生产存在农药使用粗放、滥用问题,对农村生产、生活、生态“三生同步”工作开展造成了十分不利的影响。为进一步提高农药使用合理性,顺应绿色农业、精确农业、生态农业的发展理念,宽幅喷杆喷雾机逐渐具备了变量喷雾的技术特征。在生产实践中,耕地表面的地形、地势等不确定因素对喷杆喷雾机喷药架造成的振动、歪斜、变型等影响会明显降低喷雾覆盖精度,导致植保质量降低。为此,以我国生产常用的28m幅宽喷药架为研究对象,分析了喷药架的形变类型,利用UG软件仿真了喷药架变形后对喷雾质量的影响,并在分析动画仿真数据基础上有针对性地进行了喷药架结构优化与技术升级,且优化后的喷药架对于多种地形的适应性均得到提升。

农药喷雾系统建模与仿真技术研究综述

农药使用效果与农药喷雾过程密切相关,农药喷雾过程的建模与仿真可弥补因植物生长周期差异、病虫害发生程度不同以及田间作业自然环境不可控等造成的试验研究困难。分析农药施用的抗性、再增猖獗、残留(resistance,resurgence,residue,3R)/效果、效率、生态(efficacy,efficiency,eco-environment,3E)/方法、模型、测试(method,model,measurement,3M),重点综述农药喷雾过程的雾化、输运、沉积等关键环节的模拟仿真研究状况。根据模拟仿真技术发展趋势,提出农药喷雾半实物仿真系统设计的建议,并提出雾化模型及新型喷头雾化机理、群体农药雾滴多相流场模拟、靶标定制与识别模型、综合农药雾滴飘移模型、植物生长模型与农药喷雾系统耦合等建议,以促进原创农药精确喷雾技术研究和高质量植保机械研发。

电动自走式玉米-花生带状复合种植模式施药机设计与试验

针对玉米-花生带状复合种植模式施药农艺要求,设计了一款基于STM32单片机控制系统的电动自走式玉米-花生带状复合种植模式施药机。对施药机的驱动电机、转向机构、喷杆及防飘装置、施药管路等关键部件进行了选型与设计;采用流量传感器和速度传感器实时采集管路药液流量和底盘行驶速度,通过增量式PID算法实时调节比例控制阀开度,实现了变量施药控制;开发了基于Android手机的APP控制软件,实现了对施药机的远程控制。流量控制精度试验表明,调控后单个喷头目标流量与实际流量的相对误差η≤4.0%;变量施药试验表明,施药系统平均超调量为2.7%,施药量与理论值相差2.1%;雾滴沉积试验表明,雾滴沉积个数极差为4个/cm^(2),单位面积最低沉积量为35个/cm^(2),符合国家标准。

液滴在柔性辣椒叶片表面撞击行为研究

液滴撞击叶片时会使叶片发生弯曲变形,这种变形会对液滴的撞击行为产生影响。基于前人液滴撞击刚性表面的理论模型,探究了液滴撞击柔性辣椒叶片时叶片弹性系数对液滴撞击行为的影响,考虑叶片弹性势能、液滴和叶片重力势能,建立了液滴撞击柔性辣椒叶片最大扩散因子数学预测模型。以液滴粒径、撞击速度、撞击点到叶尖距离占比为试验因素,对数学模型进行了合理性验证。结果表明:3个因素对液滴粘附和飞溅均有显著性影响(P<0.05)。数学模型对液滴撞击柔性辣椒叶片最大扩散因子预测误差在10%以内,但此误差会随着叶片弹性系数的增加而减小。液滴撞击柔性辣椒叶片没有发生反弹,和理论模型预测结果一致。液滴粘附时,叶片弹性系数与液滴达到最大扩散的时间呈负相关,与撞击刚性固定叶片相比,达到最大扩散的时间增加量在0.5 ms以内,最大扩散因子减小率在25%以内,传递给叶片弹性势能占初始总能量的比随着叶片弹性系数的增加呈现先减小后增大趋势。液滴飞溅时,在到叶尖距离占比的20%、40%、60%、80%处,与刚性叶片相比,飞溅临界值Kcrit分别增加16.202%、10.515%、6.508%、4.467%,说明叶片越靠近弹性系数小的区域,液滴越不容易飞溅。本文为液滴在柔性植物叶片上的撞击行为研究和喷雾参数选择提供了一种方法。

双目视觉三维重建下的植保机作业优化研究

以喷雾植保机自动化作业路径规划为研究对象,利用双目视觉摄像机对作业环境区域内的障碍物进行检测,并基于三维重建技术构建障碍物空间位置坐标,根据检测到的障碍物位置信息对喷雾植保机的避障路径进行规划,以保证喷雾植保机作业过程可实时避障。试验结果表明:喷雾植保机能够按照预先设定的作业路径行进,遇到障碍物时能够及时进行障碍检测,并根据规划路径进行避障,保证了喷雾作业的有效实施。

温室中颗粒肥搅拌器数值模拟及性能分析

针对我国农业用水较大、颗粒肥溶解不完全易对灌溉系统造成堵塞及混合液体混合不均等问题,设计一种新型混肥搅拌器。利用ANSYS对搅拌器的应力及模态进行分析;在FLUENT模块中,采用多重参考系(MRF)方法建立基础模型,利用欧拉方程与k-ɛ方程对混肥区域流场、流速和湍流动能进行模拟分析。结果表明:搅拌器变形区域主要集中在圆筒支撑上,其变形较小;搅拌器最低频率为30.536 Hz,外部激励与固有激励比值为1.7,则搅拌器与外部结构不会发生共振。对不同搅拌速度下的吸入及排出性能进行分析,对比搅拌器混合时间。当搅拌速度为800 r/min时,圆筒式搅拌器可表现出最优性能。

鹅颈式远射程苗圃风送喷雾机设计与试验

苗圃种植呈现“密植、连片”的特点,传统风送式喷雾机难以兼顾“气流射程远、雾滴沉积均匀”的双重要求,导致药液附着率低、雾滴飘移等问题。针对上述问题,该研究基于CFD仿真与自由淹没射流理论设计“鹅颈式三出风口”分流结构并通过计算获得其关键参数,研制出鹅颈式远射程苗圃风送喷雾机,并开展了气雾流场分布规律测试与田间试验。试验结果表明,风机转速大于等于2 200 r/min时,3个出风口的气流速度满足射程20.0 m的喷施要求,轴向上气流能量衰减速度缓慢且均匀;风机转速为2 400 r/min,喷雾机行驶速度为1.0 m/s时,雾滴沉积量随喷施距离增大呈现少-多-少的趋势,雾滴沉积量较为均匀,变异系数为28.87%;田间试验冠层上部叶片正反面雾滴覆盖率分别为51.93%、24.38%,下部分别为42.99%、19.26%;冠层上部叶片正反面平均雾滴沉积量分别为13.34和2.82μL/cm^(2),下部分别为5.44和2.63μL/cm^(2),满足植保喷雾作业需求。研究结果可为苗圃风送式远射程施药装备研发提供新思路。

烟草喷雾机气流场数值仿真及试验验证

为了探究烟草喷雾机风送系统气流分布情况,利用数值仿真与试验验证相结合的方法分析气流场分布规律。结果表明:1)该喷雾机气流场中气流在喷筒内导流柱两侧分布均匀,喷筒出风口截面处气流分布的仿真结果与实测结果之间相对误差较小且分布趋势一致,证明了仿真模型的合理性和有效性;2)风速与测量位置到出风口截面距离的线性回归方程为y=13.29-9.49x,相关系数为0.721。仿真及试验结果为后续风送系统的优化设计提供了参考。