深松铲对砖红壤扰动行为影响的仿真与试验

针对香蕉地深松作业相关研究较少,深松铲-土壤耦合机理尚未明确等问题,结合海南热区香蕉地砖红壤土的物理特性,利用离散元虚拟仿真试验,堆积生成了耕作层、犁底层和心土层3层土壤模型,建立了滑切深松铲-土壤耕作模型,并通过对比虚拟仿真试验,研究了滑式深松铲和国标深松铲对海南香蕉地土壤的扰动情况。结果表明:在相同的作业条件下,滑式深松铲作用下的土壤颗粒在x、y和z方向的最大运动速度均明显大于国标深松铲对土壤颗粒的作用,且滑式深松铲的扰动轮廓要明显大于国标深松铲作业的扰动轮廓,同时滑式深松铲作用下土壤蓬松度和土壤扰动系数均大于国标深松铲作用产生的深松效果,进一步验证了所设计的滑式深松铲更适用于海南香蕉地的深松作业。

南方双季稻区水田高留茬秸秆还田机作业效果研究

为考察自行研制的南方双季稻区水田高留茬秸秆还田机大田作业效果,以原谷珍香为供试品种进行大田试验,并设置现有的常规秸秆还田机作业进行对照,通过对早稻不同高度的留茬秸秆进行还田作业,考察了该机具的耕作效果,并研究了对后茬晚稻机插质量、群体质量构建及产量和产量构成等指标的影响。结果显示,较对照,同一留茬高度时,经自行研制的南方双季稻区水田高留茬秸秆还田机处理的效果显著,其耕深、耕深稳定性、埋茬深度、耕后地面平整度和植被覆盖率分别平均提升5.18%、4.64%、20.85%、21.61%和4.43%,漏插率、漂秧率、伤秧率和翻倒率分别平均降低28.79%、23.17%、29.84%和45.02%,均匀度合格率和插秧深度合格率分别平均提高1.40%和1.65%,茎蘖数平均提高2.52%~6.62%,SPAD值(移栽后27d始)平均提高3.59%~6.53%,地上部干物质重(插秧后34 d始)平均提高1.78%~4.81%,穗干重和收获指数分别平均提高3.39%和2.16%,有效穗、穗粒数、千粒重、结实率和理论产量分别平均提高2.52%、1.34%、0.08%、1.41%和5.47%,实际产量平均增产268.86 kg·hm^(-2),平均增产率4.09%。该机具对秸秆的留茬高度适应性强,作业效果好,适宜在南方双季稻区水田进行推广应用。

基于RTK测速的油菜直播机随速可控可调排种控制系统研究

针对油菜精量直播机连续作业过程中设定作业速度条件下,作业速度波动导致排种量与目标播量不一致的问题,设计了一种基于“RTK测速+落种检测+电机实时调控”的油菜精量直播机随速可控可调排种控制系统,确定了影响调速性能的关键参数,构建了步进电机调速模型;运用GNSSToolKitLite上位机开展ZED-F9P GNSS模块静态速度漂移试验,得到该模块静态速度漂移量服从均值为0.054 m/s、方差为0.029 m^(2)/s^(2)的正态分布。利用自动数粒仪与JPZS-16型排种性能试验台进行试验,得到正负气压组合式排种器转速为5~60 r/min时,落料计数器播种量检测值与实际值平均绝对误差小于10%;通过台架试验确定了不同排种器调速模型,得到不同排种器最佳工作转速、电机转速与目标播量的函数关系。不同排种器随速控制适应性台架试验结果表明:当作业速度为3~12 km/h时,系统搭载高速机械离心式与油麦兼用气送式排种器总排量稳定性变异系数小于1.21%。田间试验结果表明:当作业速度为5~12 km/h时,本系统搭载高速机械离心式与窝眼轮式排种器总排量稳定性变异系数小于9.7%,满足随速播种要求,可为油菜精量播种控制系统结构改进提供参考。

1LF-5型液压翻转犁的设计与试验

为推动玉米秸秆还田保护性耕作农艺的发展,设计了一种集土壤耕作技术、玉米秸秆还田技术于一体的1LF-5型液压翻转犁,一次作业既翻转了土层、松碎了土壤,又可将土壤表层的玉米秸秆与作物残茬翻入土层下,形成隔层进行还田;同时,犁体受到突发外力冲击时,安全装置自动生效,使犁柱绕固定轴栓旋转,从而保护犁体与犁柱的安全。田间试验表明:1LF-5型液压翻转犁的平均耕作深度稳定为33.45cm,平整度为20mm,变异系数在3.166%~3.535%之间;在第1工况下,翻转犁的耕宽平均值为220.75cm,耕宽的变异系数范围为1.21%~1.71%;在第2工况下,翻转犁的耕宽平均值170.1cm,耕作宽度的变异系数范围为1.26%~1.68%;植被覆盖率平均值为89.97%,土垡破碎率为72.27%。机具满足国家标准GB/T14225对于耕作质量的各项要求,也满足翻耕农艺要求。

草莓大棚开沟起垄刀具数值模拟与工作参数响应面优化

草莓种植要求采用高垄栽培,为了提高开沟质量,现有开沟刀具一般是将旋耕刀具的刀身部分进行简单加宽处理。由于这种改进缺乏设计依据,当前的草莓大棚开沟刀具普遍存在作业质量不高和能耗较大的问题。为了进一步提高草莓大棚开沟刀具的性能,采用LS-DYNA软件建立了开沟刀具土壤旋抛数值仿真模型,并搭建田间实时试验装置,对仿真模型进行了分析验证。在此基础上,采用Box-Behnken响应面分析方法,以刀辊扭矩和残留粒子比例为响应值,建立了刀辊前进速度,刀轴转速和开沟起垄深度的二次回归模型,并对其进行优化。优化结果表明:前进速度0.38 m·s^(-1)、刀轴转速300 r·min^(-1)、开沟起垄深度300 mm,以此参数进行田间试验得到的扭矩为27.9 Nm,模型优化预测结果与田间试验相比相对误差小于5%,验证了优化模型和结果的可靠性。提出的新型的开沟刀具参数化设计方法可为大棚草莓开沟机具的设计优化提供参考。

水稻秸秆离散元柔性模型参数标定与试验验证

针对秸秆还田机具关键部件设计优化过程中秸秆-刀具互作关系分析缺乏准确秸秆离散元模型的问题,本文以水稻秸秆为研究对象,基于Hertz-Mindlin with Bonding接触模型,采用颗粒替换方式构建水稻秸秆离散元柔性模型,开展了离散元接触模型参数标定与多工况试验验证。通过物理试验测定了水稻秸秆摩擦因数,以秸秆弯曲试验测得最大载荷作为参数标定试验指标,通过Plackett-Burman试验和最陡爬坡试验筛选柔性模型显著性因素及其最优值范围,并由Central-Composite试验确定了显著性因素的最优值组合为:法向接触刚度3.040×10^(10)N/m^(3)、切向接触刚度2.296×10^(10)N/m^(3),该标定参数值所得最大载荷仿真值与实测值相对误差为1.82%,表明标定参数有效。通过刀具弯曲试验和旋耕刀旋转切割试验验证上述标定方法在不同工况下的有效性,刀具弯曲试验中仿真所得最大载荷与实测最大载荷相对误差不大于4.55%,旋耕刀旋转切割试验中仿真所得最大扭矩与实测最大扭矩相对误差不大于7.95%,研究结果表明,以弯曲试验参数标定法构建的水稻秸秆柔性模型在秸秆弯曲试验和旋耕刀旋转切割过程仿真中均准确有效,适用于旋耕作业条件下仿真分析,可为秸秆还田机具旋耕部件优化设计提供参考。

风沙土混拌刀具的改良设计与试验

为解决风沙土改良设备研制中存在的核心问题,探讨混拌刀具与风沙土-改土材料间相互作用机理,以国标旋耕刀IT245为基础,分析其作用原理,在此基础上设计了专用于风沙土改良的混拌刀具,通过离散元仿真模拟及室内沙槽试验,以改土材料体积比为评价指标对国标刀及专用刀具5层深度下的混拌效果进行分析。结果显示,风沙土混拌刀具偏转角度越大,改土材料体积比越大,当深度150—120 mm、偏转角为60°时达到最大值(35.67%);风沙土混拌刀具弯折角越大,改土材料体积比越大,当深度150—120 mm、弯折角为130°时达到最大值(36.02%)。风沙土混拌刀具与国标旋耕刀IT245混拌效果相比,深度越浅,改土材料体积比越大,混合效果越好,在深度90—60、60—30 mm时,偏转角60°的风沙土混拌刀具作业后改土材料体积比分别比IT245增加了3.19%、5.11%。研究结果为风沙土混拌刀具及风沙土治理机械的设计与优化提供依据。

基于TRIZ理论的旋耕机改进与创新

针对传统旋耕机存在的体积庞大、质量较大等问题,基于TRIZ理论进行了小型化改进与创新。改进中,先通过TRIZ方法论对旋耕机的结构和功能进行系统分析,然后优化结构设计,并选用轻量化材料来降低旋耕机整体体积和质量。通过重新布局部件和重新设计关键组件,实现了旋耕机在小型化的同时维持原有的耕作效果,以适应小型化农田的需要,为农业生产提供更为灵活和高效的机械工具。

双流耦合构型混合动力拖拉机旋耕工况控制策略研究

大功率拖拉机作业时载荷冲击会造成发动机的输出转矩大范围波动,为减小载荷冲击对拖拉机动力单元的影响,提出以发动机和双电机为动力源的拖拉机双流耦合动力系统构型,以减小载荷冲击引起的动力传动系统换挡频次。基于Haar小波分解提出了基于功率预测的转矩分配策略,首先记录拖拉机的作业参数,基于径向基神经网络对拖拉机旋耕作业时的功率需求进行预测,由Haar小波变换确定高频和低频转矩需求值的范围,并分别由电机和发动机提供。最后,通过硬件在环试验对提出的动态转矩分配进行了可行性验证,测试结果表明:提出的基于神经网络功率需求预测模型对行驶端和动力输出端(Power take-off,PTO)的功率进行预测,实际值和预测值均方根误差分别占最大功率的7.6%和7.9%;提出的转矩分配策略能够应对拖拉机旋耕时的载荷波动。发动机转矩波动与传统构型相比减小35.0%,有效地缩小了发动机转矩波动范围,缓解了拖拉机作业时载荷冲击对发动机的影响。

数学拟合法应用于旋耕机结构设计研究

针对旋耕机在作业时存在耕深不够、碎土效果差及土地平整效果差等问题,将数学拟合法应用于旋耕机,对其结构设计进行研究。为了提升旋耕机的作业效果,对旋耕机的结构参数进行优化设计,包括对旋耕机的参数进行分析,并建立旋耕装置的数学模型。为了验证旋耕机的性能,对其进行了旋耕性能试验和旋耕后农田碎土率测定试验。试验结果表明:旋耕机的耕深、地表平整度和碎土率均达到合格指标,作业效果良好。

基于离散元法茶园微耕机旋耕刀结构参数优化设计

【目的】解决茶园微耕机旋耕刀切削土壤阻力导致的功耗大问题,提高茶叶生产机械化水平,降低茶叶生产成本。【方法】1)采用EDEM离散元法对旋耕刀进行切土仿真,建立旋耕刀-土壤离散元模型,分析不同旋耕刀的切土性能;2)以旋耕刀的弯折角β、弯折半径r和正切刃端面高度h三个参数为试验因子,以作业功耗为评价指标,采用正交试验方法对旋耕刀结构参数进行优化设计,并进行切削土壤仿真试验,仿真得到优化前旋耕刀平均峰值功耗为1.607 kW。【结果】正交试验结果表明,当弯折角β=114.9°、弯折半径r=29.6 mm、正切刃端面高度h=38.8 mm时,平均峰值功耗取得最小值1.381 kW,旋耕机切削功耗较优化前降低了14.06%,与计算得到的理论值1.370 kW的误差为0.8%。【结论】优化后旋耕刀切削土壤的功耗降低,验证了旋耕刀结构参数优化的合理性,可为茶园微耕机旋耕刀的改进设计提供研究基础。

基于颗粒放尺效应的逆旋开沟机刀辊功耗分析与试验

为探究粗粒化建模对逆旋开沟机刀辊功耗的影响,提高离散元法的计算效率,该研究以1K-50型开沟机开沟部件为对象,利用EDEM软件构建适于南方葡萄园土质环境的刀辊-土壤离散元模型,将仿真模型中的土壤颗粒分别放大2~5倍进行开沟仿真试验,对刀辊功耗、工作阻力及土壤运动状态进行分析。结果表明:在土壤颗粒直径为5 mm、刀辊转速132 r/min、前进速度0.06 m/s、开沟深度0.3 m工况下,刀辊稳定作业阶段的功耗、水平阻力及垂直阻力平均值分别为3.73 kW、923.85 N和148.30 N,仿真功耗相对实际功耗的误差为9.9%。开沟仿真过程中刀辊的功耗、工作阻力平均值及土壤运动状态随放尺比例的变化而变化,其中刀辊功耗与水平阻力平均值随放尺比例增大而减小,垂直阻力平均值随放尺比例先减小后增大再减小,且增大放尺比例使得土垡从刀片正切面的抛出时刻提前,抛出速度减小,土垡逐渐松散,壅土高度增加,但不改变正切面上各深度土层的土壤分布顺序。放尺比例为2~5时,仿真计算时间相较原尺状态减少99%,但仿真功耗相对实际功耗的误差超过32%,当放尺比例为1.2时,能够将功耗相对误差控制在11.1%,仿真时间为22.9 h,仿真数据量313.72 GB。研究结果可为农机领域离散元放尺计算及构建刀辊-土壤粗粒化模型提供一定参考。

基于DEM的旋钻深松过程仿真及机理研究

为研究旋钻深松机理,提出了土壤颗粒运动速度、颗粒混合度、堆积角、土壤耕作阻力及波动系数及深松功耗等评价指标。结合旋钻三维模型和土壤离散元模型,建立基于离散元的旋钻-土壤模型;选取合理的运动参数,对旋钻深松土壤的过程进行离散元仿真,并分析其深松效果及旋钻对土壤的影响;基于控制变量法设计不同耕作深度和不同耕作速度下的9组正交仿真试验,全面评价了深松效果,总结了耕作深度和耕作速度对深松效果的影响规律。研究结果表明:耕作速度对深松效果影响较大,实际工况中在保证打破土壤犁底层的前提下,应尽量选择较低的耕作速度,研究结果可为旋钻深松土壤提供理论依据。

气力辅助充种式花生精量排种器设计与试验

针对花生播种向精准、高速方向发展过程中高速作业状态下花生种子充种效果差的问题,设计了一种气力辅助充种式花生精量排种器,重点设计了排种器排种盘结构和气力辅助充种结构。针对颗粒尺寸大、质量大的花生种子,通过对花生种子在排种器中堆积现象与充种时间进行分析,得出花生高速排种充种过程需增强充种性能,从而提高充种效率。通过对花生种子进行充种原理分析,阐明花生种子充种过程中种子与排种器的运动关系与受力关系,分析充种过程影响因素。通过设计带有导种槽的排种盘和带有辅助吹种型孔的辅助充种结构,分析计算排种盘吸种孔、导种槽的关键结构参数以及辅助吹种型孔参数与排列方式。以充种合格率和充种漏充率为指标,进行三因素三水平组合试验,对试验结果进行多元回归分析,以最优目标进行优化,确定排种盘最佳参数组合为排种器吸种负压5.156 kPa、花生高速播种机前进速度8.007 km/h、扰动吹种正压1.149 kPa,此时,花生充种合格率为95.84%、漏充率为4.06%,能够实现花生种子有效充种。

基于土壤扰动的新型超深旋耕刀具仿真研究

为解决现有超深旋耕刀具作业时存在的土壤扰动大、表层土壤破碎度低的问题,采用SPH方法建立现有刀具-土壤作业系统模型,开展仿真研究,分析刀具对土壤的作用过程,从而揭示现有刀具作业时土壤扰动大、表层土壤破碎度低的原因;而后,开展超深旋耕刀具结构创新设计,构建3种新型刀具,并对其扰动效果进行仿真分析,优选出性能最佳的新型刀具,最后与现有刀具的作业性能做对比分析。研究结果表明:现有刀具的螺旋叶片触土面积大,对土壤的推挤和抬升作用大,是土壤扰动大的原因,而刀具上方的切割刀片数量少,难以切碎大幅扰动的表层土壤,导致其破碎度低;与原刀具相比,优选的新超深旋耕刀具对表层土壤的竖直方向扰动量减小了67%,且表层土壤的质量中值下降了42%,功耗幅宽比减小11.67%,能有效减小土壤扰动,提高表层土壤破碎度,同时降低功耗。

旋转锹式油茶垦复装置的仿真分析与试验

针对目前油茶林垦复机耕深较浅及未实现土垡翻扣等问题,根据铁锹深挖和翻土原理,设计了一种旋转锹式油茶垦复装置。对锹式垦复部件原理进行了分析,在EDEM中建立了锹与土壤相互作用离散元模型,仿真分析了锹与土壤相互作用后的应力应变规律。基于不漏耕、不重耕的条件分析锹片端点运动轨迹,确定了锹片转速以及与其相匹配的前进速度。为验证垦复装置的垦复效果,以耕深和耕深稳定性系数为指标,以锹片转速为因素,在油茶林地进行了垦复试验。结果表明:在锹片入土倾角为70°、锹片转速为20~40r/min及其与匹配的前进速度下,垦复装置耕作正常,耕深平均值为159~166mm,耕深稳定性系数为92.72%~94.82%。

基于理论力学的旋耕机核心结构布局研究

针对现有的旋耕机作业效率和作业水平较低、作业效果无法达到农民要求的问题,基于理论力学对旋耕机的核心结构布局进行了设计与分析。旋耕机的主要组成包括机架、传动系统、电源和动力装置、旋耕刀和工作部件、避障系统、耕深调节装置及悬挂装置。为了保证旋耕机在作业过程中的动力匹配,通过建立旋耕机各部件的功耗数学模型,以优化旋耕机的结构和运动参数,提升旋耕机的作业性能。为了验证旋耕机的性能,对其进行机械作业性能测试,结果表明:旋耕机的作业效果良好,最终确定的旋耕机的基本性能参数合理。

新型旋耕机设计

【目的】传统旋耕机在面对不平整地面时,耕作深度难以保持一致,且需要人工辅助施肥,不仅影响了耕作质量,还增加了农民的劳动强度。【方法】设计了一种新型旋耕机,详细阐述了该新型旋耕机的设计理念、结构特点和工作优势,考虑旋耕机工作环境,选择CAHB-10电动推杆和MR-J2S-700B电机,并通过多次样机演练,确定了该机工作幅宽为150 cm;外形尺寸为1010 mm×1725 mm×1090 mm;耕深为12 cm~18 cm。【结果】该新型旋耕机具有高度自动调节、定量施肥、操作简便、节能环保等优势,显著提升了农业生产的效率和质量,降低了农民的劳动强度,提高了施肥的准确性和均匀性,有利于保护生态环境和实现农业可持续发展。【结论】该新型旋耕机应用前景广阔,未来还可以与智能农业管理系统进行连接,实现远程监控、故障诊断和数据分析等功能,不断提升新型旋耕机的性能和可靠性,为农业生产提供更加精准、高效的服务,促进农业生产实现高效、智能和环保发展。

基于翼型结构的旋耕刀设计及运动过程分析

【目的】旋耕机是农业生产活动中必不可少的农用机械,本研究旨在减小旋耕刀工作时的驱动功耗,提高旋耕机的作业效率和质量并延长旋耕机的使用寿命。【方法】课题组使用三维建模软件SolidWorks建立IT245国标旋耕刀三维模型,参考机翼形特征曲线方程将轮廓曲线添加于IT245国标旋耕刀的正切刃上,创新设计了具备翼型结构特征的仿翼型旋耕刀片。【结果】翼型结构提供的垂直于正切削面向内的升力在水平方向产生分力Fx,在竖直方向上产生分力Fy。Fx为旋耕刀克服了一部分工作阻力,对旋耕刀的正切削面产生一个向前的助推力,帮助切削刃向前切割土壤;Fy为旋耕机克服旋耕刀重力提供了一个向上的支撑力,相当于减轻了旋耕刀自身的重量,实现了旋耕刀工作时的轻量化。【结论】翼型结构为降低旋耕刀工作时的驱动功耗、减小驱动力矩、降低能量损耗提供了有利条件和理论依据。

基于计算机视觉的智能避让旋耕机设计与实际应用

【目的】提高旋耕机械智能避障和路径规划的能力,优化旋耕机械工作性能,弥补传统耕作方式在劳动强度、效率和成本等方面存在的不足。【方法】笔者介绍了智能避让旋耕机的工作原理与机械结构设计,阐述了基于计算机视觉的智能避让算法以及避让障碍物的最佳路径规划设计过程,分析了智能避让旋耕机在实际农田中的应用场景和使用效果,探讨了智能避让旋耕机面临的挑战和未来发展方向。【结果】研究表明,基于计算机视觉的智能避让旋耕机,不仅能够高效实现土壤深度旋耕,而且能够实时监测和规避农田中的障碍物,工作效率和工作性能较高,在提高农业生产效率、降低人力成本方面具有显著的优势,有助于推进农业机械化发展进程。