基于流变分析的玉米去雄抽取式夹持装置研究

针对玉米去雄设备存在喂入困难、去雄率低、叶片损失严重的问题,该研究设计了一种抽取式夹持去雄装置,说明了其主要结构与工作原理。通过对雄穗夹持运动与受力分析,确定了影响去雄作业关键作业参数的取值范围。构建了玉米雄穗的Burgers流变数字模型,根据不同探头速度下雄穗力与变形的曲线拟合了流变数字模型参数,分析了充气夹持轮径向垂直刚度、两轮间距、充气夹持轮转速与抽取式夹持装置夹持力的关系。应用三因素三水平正交试验方法,以充气夹持轮径向垂直刚度、两轮间距、充气夹持轮转速为试验因素,去雄率、叶片损失率为评价指标,结果表明最优参数组合为充气夹持轮径向垂直刚度66.8 N/mm、两轮间距256 mm、充气夹持轮转速100 r/min,在最优参数组合下进行试验验证,得到去雄率为96.7%、叶片损失率为63.3%,较未去雄区域增产5.6%,符合行业标准和农艺要求,该研究为抽取式玉米去雄机提供了理论参考。

振动整流式颗粒饲料尺寸检测仪设计与试验

针对颗粒饲料尺寸检测操作繁琐,自动化水平低的实际问题,为了实现颗粒饲料尺寸的自动测量,设计了基于图像处理技术的振动整流式颗粒饲料尺寸检测仪。利用离散元软件Rocky Dem建立颗粒饲料-槽型整流板相互作用的仿真模型,以槽型整流板的振幅、振动频率、安装倾角和滑槽转向系数为试验因素,颗粒饲料滑移均速和滑移速度变异系数为评价指标,通过单因素仿真试验,分析颗粒饲料在槽型整流板滑槽内的滑移运动特性,结果表明,影响颗粒饲料滑移运动特性的主要因素为振幅、振动频率及安装倾角。采用正交组合仿真试验,建立各试验因素与评价指标间的数学模型,并对模型进行参数优化,当槽型整流板安装倾角为6.33°、振动频率为101.49 Hz、振幅为0.50 mm时,颗粒饲料的滑移均速和滑移速度变异系数综合最优,分别为0.31 m/s和4.10%。分别采集环模孔径为3、4、5 mm的颗粒饲料,对检测仪的测量精度进行验证,通过与人工测量相比较,检测仪对颗粒饲料直径自动测量结果平均绝对误差分别为0.048、0.020、0.012 mm;颗粒饲料长度自动测量结果平均绝对误差分别为0.164、0.162、0.103 mm。研究结果表明,所设计的颗粒饲料尺寸检测仪具有良好的准确性和可靠性,满足实际生产检测需求。

面向复杂田间收获作业的轻量化三七目标检测方法

针对目前三七检测算法在复杂田间收获工况下检测精度低、模型复杂度大、移动端部署难等问题,该研究提出一种基于YOLOv5s的轻量化三七目标检测方法。首先,采用GSConv卷积方法替换原始颈部网络的传统卷积,引入Slim-neck轻量级颈部网络,降低了模型复杂度,同时提升了模型精度;其次,使用ShuffleNetv2轻量型特征提取网络对主干网络进行轻量化改进,提升了模型实时检测性能,并采用角度惩罚度量的损失(SIoU)优化边界框损失函数,提升了轻量化后的模型精度和泛化能力。试验结果表明,改进后的PN-YOLOv5s模型参数量、计算量、模型大小分别为原YOLOv5s模型的46.65%、34.18%和48.75%,检测速度提升了1.2倍,F_(1)值较原始模型提升了0.22个百分点,平均精度均值达到了94.20%,较原始模型低0.6个百分点,与SSD、Faster R-CNN、YOLOv4-tiny、YOLOv7-tiny和YOLOv8s模型相比能够更好地平衡检测精度与速度,检测效果更好。台架试验测试结果表明,4种输送分离作业工况下三七目标检测的准确率达90%以上,F_(1)值达86%以上,平均精度均值达87%以上,最低检测速度为105帧/s,实际收获工况下模型的检测性能良好,可为后续三七收获作业质量实时监测与精准分级输送提供技术支撑。

滩涂土壤离散元接触模型优化与现场铲削试验

为解决现有离散元接触模型对滩涂土壤特性表征准确性差的问题,该研究基于离散元仿真软件EDEM的API二次开发功能,以Hertz-Mindlin接触模型为基础,通过增加塑性、粘附特征并更改切向滑动摩擦力,得到优化后的高湿黏弹塑性(moist elasto-plastic adhesion,MEPA)模型。通过模拟活塞拔出试验,结合Plackett-Burman试验筛选出影响标定指标的显著参数,完成接触模型参数标定。搭建了铲削试验平台进行现场铲削试验,对比分析了MEPA模型、JKR模型、EEPA模型以及Bonding模型的土壤特性表征效果。试验结果表明,在铲削阻力方面,MEPA模型较JKR模型、EEPA模型和Bonding模型的仿真精度分别提升约65.957%、74.206%和59.326%;相较于现场试验结果,MEPA模型的堆积厚度与侧边距相对误差分别为5.598%和6.362%,两者均保持在10%以内,能够较好地模拟滩涂土壤,对滩涂工作装置的工况模拟和优化设计具有重要意义。

有机无机混合肥料离散元参数标定方法研究

[目的]在有机无机混合肥料仿真试验中,传统参数标定方法待标定参数多,标定过程复杂。本文根据有机肥对无机肥颗粒黏附特性,提出一种新的离散元仿真接触参数标定方法。[方法]利用自由落体碰撞试验、静摩擦试验、滚动摩擦试验对复合小球和钢的接触参数进行校准;设计Plackett-Burmen Design试验、爬坡试验和Box-Behnken响应面试验,得到混合肥料接触模型最优参数,通过堆积角对比试验、有机肥和无机肥混合比例预测试验、撒肥盘颗粒分布对比试验验证最优参数。[结果]复合小球与钢的最优碰撞恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数分别为0.323、0.776、0.255;有机肥肥料之间最优碰撞恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数分别为0.40、0.70、0.14;有机肥与钢板之间的最优碰撞恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数分别为0.44、0.70、0.15;Hertz-Mindlin with JKR模型参数为0.017。最优参数进行对比验证堆积角的相对误差为1.05%,最优参数能预测不同混合比例肥料的堆积角,撒肥盘抛撒试验列分布最大相对误差为35.95%,平均误差15.86%。[结论]试验结果验证了标定方法正确性,同时为后续有机肥-无机肥-机械互作系统研究提供依据。

自分级挤压式核桃破壳机关键部件作业参数优化与试验

通过分析不同作业参数对自分级挤压式核桃破壳机破壳性能的影响规律,优化关键部件的作业参数,提高破壳性能。以核桃在辊板间的运动学分析为基础,确定影响核桃破壳取仁的关键因素为破壳角度和轧辊转速,并以破壳率、整仁率和能耗为试验指标,开展两因素五水平二次正交旋转中心组合试验。利用Design-Expert软件进行数据分析,建立各因素和试验指标之间的回归模型并进行方差分析,得到影响破壳率、整仁率和能耗的主次因素。利用响应面法分析两个因素的交互作用,根据优化目标的重要程度对回归模型进行多目标优化。试验结果表明:最优工作参数组合为破壳角度0.47°,轧辊转速108 r/min,在此条件下,得出破壳率为97.24%,整仁率为92.03%,能耗为1.88 kJ/kg,验证试验结果与模型预测值相对误差小于5%。品种适应性试验结果表明:最优工作参数对3个品种核桃(温185、新温179、扎343)的适应性较佳,表现为破壳率均大于96%,整仁率均大于90%,能耗均小于2 kJ/kg。为相关破壳取仁设备改进与优化以及不同品种核桃破壳加工参数的选取提供理论参考。

油菜抗倒伏测试风洞关键部件仿真与试验

为解决现有油菜抗倒伏品种选育周期长、难度大等问题,依托计算流体力学软件Fluent建立油菜抗倒伏测试风洞模型,对风洞扩散段、稳定段、收缩段等关键部位进行参数设计及仿真试验,分析该模型对风洞流场品质的影响,最终通过正交试验选择最佳设计方案。结果显示,单因素试验中,收缩段长度Lc增加,风洞出口风速变异系数增加,气流品质下降;随稳定段长度Lw增加,风洞出口风速变异系数先减小后增加,稳定段长度1000 mm时,风速变异系数最低,气流品质最佳;阻尼网距稳定段出口长度增加,风洞出口风速变异系数先降低后增加,阻尼网距稳定段出口0.65Lw时,风速变异系数最小。正交试验结果显示,收缩段长度600 mm、稳定段800 mm、阻尼网距风洞出口0.65Lw时,对应风洞试验区风速平均变异系数为0.139,风速较其他方案更稳定,气流品质最佳。实测验证发现,与仿真结果相比,实测风速大小无明显差别,且实测结果中各截面风速变异系数略优于仿真值,整体仿真结果与实测效果拟合较好。

一种玉米收获机控制系统的机器学习算法应用

为进一步提升我国玉米收获机的作业水平、降低其籽粒损失率,基于机器学习算法理念,针对其控制系统展开优化研究。以玉米收获机控制系统的结构组成为基础,恰当地选择对象与目标明确的机器学习算法为应用核心,建立系统的控制模型,同步实施系统的硬件配置以满足机器学习算法在进行收获作业时各功能要求的实现,并展开此机器学习算法应用下的玉米收获机作业试验。试验结果表明:经机器学习算法应用前后对比,应用后的玉米收获机控制系统的控制精度相对可提升7.92%,在保证了秸秆切断合格率与苞皮去除率的前提下,实现了籽粒损失率相对降低2.32%的良好控制作业效果,整机作业效率比机器学习算法应用前提升了5.12%,并提高了收获控制精度及收获籽粒完整性。

一种稻田自主播种机的路径跟踪方法的研究

为了克服自主式水稻播种机在水田应用中的障碍,基于一种高精度的路径跟踪算法,结合侧向偏差和航向角偏差作为反馈,建立了非线性转向控制模型,对在泥泞不平的水田中直线行驶时的转向控制进行路径跟踪,且为了避免倾斜引起的位置误差,考虑了车辆倾斜时侧倾角和俯仰角对位置坐标的影响。田间试验表明:该算法的平均绝对横向偏差小于2.9cm,航向角偏差小于0.03°,能将横向偏差减小到0.5m以内的短距离,且超过95%的测量横向偏差绝对值小于0.01m,能够满足我国水田自主式水稻播种机的精度及农艺要求。

水稻种子浸种催芽机的优势与应用

水稻种子催芽是后期种植时节种、壮苗、抗病、增产的基础。由于传统人工浸种催芽方式自动化水平低、环境控制精确度差,已严重影响稻种发芽效果。随着我国现代农业机械化发展,水稻种植集中化作业的热点逐渐突显,传统浸种催芽将逐渐被取代,水稻种子浸种催芽机的研发和制造能够在各环节保障种芽萌发“快、齐、匀、壮”。论述水稻种子浸种催芽机的优势、研究现状及应用,旨在为实现催芽过程全程自动化、智能化,得到高品质芽种提供参考,使水稻浸种催芽生产朝着机械化、高速化、高效率方向发展。

三七种植土壤离散元仿真模型参数标定

[目的]获取三七Panax notoginseng种植土壤与触土部件相互作用的离散元仿真模型参数。[方法]基于Hertz-Mindlin with JKR接触模型建立三七种植土壤离散元模型并进行参数标定。首先,以土壤颗粒间及土壤-65Mn钢板间的JKR表面能、恢复系数、静摩擦系数、动摩擦系数为试验因素,以土壤堆积角、土壤在65Mn板上的滚动距离为评价指标。其次,采用基于Box-Behnken的响应面优化方法建立土壤堆积角、滚动距离回归模型。[结果]对回归模型进行寻优,得到仿真标定的土壤颗粒间JKR表面能、恢复系数、静摩擦系数和动摩擦系数的最优值分别为14.88 J/m2、0.53、0.46和0.150,标定的土壤-65Mn板间JKR表面能、恢复系数、静摩擦系数和动摩擦系数的最优值分别为7.02 J/m2、0.59、0.57和0.058。通过三七挖掘铲仿真试验与土槽试验对比分析得到,挖掘铲受X、Y轴方向平均阻力仿真值与实测值相对误差分别为9.91%、8.78%。[结论]标定的离散元土壤模型参数准确度高,研究可为三七收获机触土部件及装备优化提供理论参考。

玉米种子静摩擦系数测定及离散元法验证

为玉米相关农机具设计和改进提供基础参考,通过斜面法和直接接触法测定玉米的静摩擦系数。由斜面法测定结果可知,玉米种间的静摩擦系数为0.3468、玉米种子与不锈钢材料间的为0.3824、玉米种子与有机玻璃的为0.4213。直接接触法测定的玉米种间的静摩擦系数为0.3358、玉米种子与不锈钢材料间的为0.3794、玉米种子与有机玻璃的为0.4234,两种方法测定的玉米种间静摩擦系数相对误差为3.17%。借助离散元法EDEM验证试验结果,由仿真结果可知:玉米种间的静摩擦系数为0.312,玉米与不锈钢材料之间的为0.364、玉米与有机玻璃之间的为0.388,仿真结果与直接接触法测定的静摩擦系数接近,其最大相对误差约为8.36%。

世界农业工程学科研究进展及发展趋势

为准确了解世界农业工程学科的演进发展过程,把握学科未来发展方向,为中国农业工程学科发展提供借鉴,为农业强国建设和中国式现代化提供学科支撑,该研究基于Web of Science核心数据,精选世界农业工程领域的30种期刊,采用文献计量学方法和可视化图谱软件,绘制了1965-2021年6个时段(1965-1970年、1971-1980年、1981-1990年、1991-2000年、2001-2010年、2011-2021年)的世界农业工程学科研究相关图谱。结果表明:世界农业工程学科主要研究内容经历了从水、土壤、多孔介质、畜禽粪污处理及环境污染控制等传统学科领域到生物质资源生产、预处理、厌氧消化,藻类培养,木质纤维素利用,人工神经网络、人工智能、物联网、计算机信息、光谱、大数据、“3S”等技术在农业中应用(精准农业、智慧农业、垂直农业等)等学科交叉研究的深度转化。从研究产出量看,20世纪,美国在世界农业工程研究领域处于领先地位,其次为加拿大和英国;21世纪,中国、印度和巴西跻身前列,2011-2021年中国跃升至首位。农业工程交叉学科的特点日趋突出,相关学科交叉研究期刊的载文量和影响力逐渐提升。基于这种发展趋势,对中国农业工程学科未来发展提出建议:根据中国式现代化发展需求和农业强国建设需求,系统布局和规划学科整体发展;加强与发达国家和新兴发展中国家在农业、生物系统工程、环境工程、水土资源、计算机、电子信息技术等领域合作;以农业强国建设目标引领农业工程学科发展。研究为新时期中国农业工程学科创新发展提供了重要参考,为中国式农业现代化提供了有力的科技与人才支撑。

液压冲击抑制方法研究现状与展望

液压设备在工作时由于负载突然增大,液压系统受到阶跃响应引起液压冲击,强烈的液压冲击会导致液压元器件损坏,降低工作效率。从液压系统动力元件、执行元件、控制元件以及辅助元件四个方面进行阐述,其中动力元件主要采用信号反馈的手段使泵在系统进行换向工作时降低转速,减少输出流量以达到抑制液压冲击的目的;对执行元件中的液压缸通常是通过设置缓冲装置用来减缓冲击,而对液压马达转速波动的研究主要是用来解决脉动问题,客观上对冲击抑制也有效果;对控制元件的研究主要集中在多种阀类零件相互配合作用以及通过提高阀类零件响应速度减缓液压冲击;对辅助元件的研究主要集中在对蓄能器结构的优化和设计,同时介绍仿生管道和阻尼器吸收液压冲击的应用特点。最后提出在应对高压、大流量等极端工况下,可以通过利用多学科创新对液压传统元件进行分析与改进用来抑制液压冲击。

蒜种离散元建模方法的研究

针对目前蒜种建模存在形状相对规则、与实际蒜种相比差异率较大等问题,通过三维扫描仪快速精确获得蒜种三维外形轮廓数据,进行拼接、修复等处理建立蒜种三维实体模型并作为模板,采用三种填充方法生成蒜种离散元模型,依据三种蒜种离散元模型与实际蒜种相比的差异率以及填充球形颗粒的数量和大小,对三种蒜种模型对比分析,得出适用于不同应用场合的蒜种离散元模型。针对直立种植过程中蒜种底部与土壤接触时的仿真场合,提出一种新型组合建模方法优化蒜种模型,蒜种底部采用XML建模法自动填充,其余部分采用划分网格单元建模法自动填充,该模型体积差异率为2.1%,外轮廓差为0.2 mm,填充球形颗粒的数量为1147个,既提高了蒜种仿真模型的准确度,又满足了仿真对计算机运算能力的要求,为蒜种及形状不规则农业物料的离散元模型提供了一种更精确、更高效的建模方法。

秸秆切割问题研究综述

切割是农业机械领域无法回避的重要作业环节,切割系统的性能直接影响到整机作业效率和作业质量。作为切割对象的农作物秸秆特性各异,难以表征,且与钢铁材料的机械特性显著不同,因此秸秆切割问题更为复杂。针对秸秆切割过程中存在的切割能耗高、切割质量不理想及刀具磨损严重等问题,从切割理论、一般切割过程、切割试验方法和主要研究结论四个方面对国内外研究进行了综合阐述。指出了目前切割研究中存在的问题,并提出了继续推进切割研究的相关建议。

基于颗粒缩放理论的生石灰粉离散元参数标定

为获得生石灰粉离散元仿真的接触参数,结合物理试验与仿真试验对生石灰粉进行参数标定;将形状不规则生石灰颗粒简化为软质球形颗粒,运用颗粒缩放理论将平均粒径放大至2mm,便于利用离散元仿真软件EDEM进行接触参数的虚拟标定;通过Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验和Box-Behnken试验获得3个显著性参数,即生石灰-生石灰滚动摩擦系数、生石灰-钢恢复系数、 JKR(Johnson Kendall Roberts)表面能;建立显著性参数与休止角的数学回归模型,再以预测休止角与实际休止角相对误差最小为目标,寻优求解该数学回归模型。结果表明:物理属性测试得到生石灰粉基本物理参数,即堆密度为1.127 g/cm^(3),平均粒径为0.126 mm,休止角为48.76°;回归模型得到最优参数组合,生石灰-生石灰滚动摩擦系数为0.165、生石灰-钢恢复系数为0.215、 JKR表面能为0.113 J/m^(2);最优参数组合仿真得到的休止角为48.39°,与实际休止角相对误差为0.76%,仿真试验结果与物理试验结果高度一致。

基于离散元的玉米种子颗粒模型种间接触参数标定

由于EDEM(离散元法)中建立的玉米种子颗粒模型与实际玉米种子在外形、表面粗糙度等方面存在差异,若直接将实际测量的物性参数引入EDEM中进行仿真,会出现仿真失真的情况。针对此问题,该文提出一种建立数学回归模型主动寻找目标参数的方法,简化标定过程,将仿真试验和真实试验相结合,对玉米种子颗粒模型的种间静摩擦系数和滚动摩擦系数两个关键参数进行标定,使其在EDEM中建立的玉米种子颗粒重新获得与真实颗粒相近的物理特性。利用两种接触材料(有机玻璃板与铝质圆筒)进行玉米种子堆积角仿真试验,建立两个自变量为种间静摩擦系数、种间滚动摩擦系数的二元回归方程。以实际测量种群堆积角作为已知目标量进行数值求解,求得EDEM中玉米种间静摩擦系数和滚动摩擦系数这两个目标参数:玉米种间静摩擦系数为0.0338,玉米种间滚动摩擦系数为0.0021。将标定的玉米种子物性参数输入EDEM中进行仿真试验,通过提取关键特征尺寸和图像边界将试验结果与实际试验结果进行对比,结果表明:关键特征尺寸数值差异在4.70%以内,标定后的玉米种子堆积角边界与实际情况更接近,提高了仿真结果的可靠性。

基于GPS和机器视觉的组合导航定位方法

准确、可靠的位置信息是进行农业机械自动导航的前提。该文构建了一个基于GPS和机器视觉的多传感器组合导航定位系统。在此系统中,采用GPS获取导航车的绝对位置信息、航向角度和行驶速度;机器视觉通过图像处理获取导航基准线,并得到代表作物行特征的点;UKF(unscented kalman filter,无迹卡尔曼滤波)滤波器用来对上述传感器获取的信息进行滤波,并以电瓶车为平台,对滤波前后的定位效果进行对比。试验结果表明,使用UKF滤波后的定位精度和稳定性得到了改善,X方向和Y方向标准偏差分别为2.43、0.07m,定位曲线得到了平滑,克服了使用单一传感器进行定位的弊端,能够满足自动导航系统的要求。

花生起挖晾晒后的果柄机械特性

基于农机农艺结合的观点与理论，以辽宁西部地区的主栽花生品种为研究对象，应用万能材料物理试验机和红外线快速水分测定仪等仪器设备，研究了两段式收获条件下的花生秸秆与果柄水分变化及其力学性质，揭示了花生果柄抗拉强度、质量含水率与田间晾晒时间的内在关系；得到了含水率在8．48％-65．68％范围内的花生果柄自身与2个节点的抗拉强度及变化规律，获得了花生果柄抗拉强度与含水率变化的回归方程；初步确定了试验条件下辽西地区花生捡拾前的最佳晾晒时间为3～5d，此时花生植株各部位水分基本降至10％-20％，秧柄节点及柄自身的抗拉强度为10～15N，果柄节点抗拉强度为7～9N。研究结果可为设计两段式花生收获机的花生捡拾装置与摘果装置、确定两段式花生收获最佳捡拾摘果时间提供必要的参考依据，同时也为深入研究花生捡拾与摘果损失与损伤机理提供必要的参考。