丘陵山地农业装备与坡地作业关键技术研究综述

丘陵山区先进适用农机装备的研发是目前国内农机装备研究的热点和难点问题之一。目前,我国丘陵山区农业生产存在“无机可用,无好机用”的现实问题,并且先进适用丘陵山地农机装备(简称山地农业装备)的研发缺乏必要的理论支撑。本文重点综述了国内外山地农业装备尤其是山地拖拉机及山地农机调平技术、山地拖拉机驱动与动力系统、山地农机具及其作业性能的研究现状,阐述了农机土壤压实与坡地土壤耕作侵蚀的研究进展,总结归纳了山地农机设计及山地农机-土壤互作机理研究的计算机辅助方法。展望丘陵山地农机装备及坡地作业技术的研究重点及发展方向:山地农机-坡地土壤-作物(养分)互作机理研究;山地农机总体设计与农艺及坡地作业场景深度融合;山地农机姿态调平机构与控制策略;山地农机动力高效传递与灵便转向驱动;山地农机作业机组的智能化监测与精确自主导航。以期为我国丘陵山区农机装备的研发设计提供借鉴参考。

马铃薯精密播种机智能控制系统设计

针对现有马铃薯播种机播种株距控制精准度不高、易产生重种漏种等问题,研发了一种由主控制模块、检测模块、株距控制模块和振动强度控制模块等7个模块组成的马铃薯精密播种机智能控制系统,采用液压马达控制薯种输送带运转,步进电机控制薯种输送带的振动强度,实现了播种株距和重种漏种率的自动控制。试验结果表明,播种速度相同时,实际播种株距相对于设定播种株距的平均偏差依次增大,播种速度越高实际播种株距的稳定性越差;薯种输送带振动强度越强,重种率越低,漏种率越高,各因素对重种漏种率影响的主次顺序为:薯种输送带振动强度>播种速度>薯种质量,且薯种输送带振动强度对重种率、薯种输送带振动强度和播种速度对漏种率有显著影响;较佳的播种作业参数为:薯种输送带振动强度为Ⅱ级(即轻微振动时)、播种速度为1.16 m/s及薯种质量为35 g。经2~3个周期即可调整到允许范围内,且稳定性好。因此,完全能够满足种植户的实际播种作业要求,为智能控制马铃薯精密播种装备的后续研发提供参考。

遥控全向调平山地履带拖拉机设计与性能试验

针对传统拖拉机坡地行驶及作业时稳定性差、安全性不高、操纵复杂等问题,设计了一种遥控全向调平山地履带拖拉机(简称山地拖拉机)。首先,在分析山地拖拉机调平原理的基础上,提出基于平行四杆机构的车身横向调平方案和基于双车架机构的纵向调平方案;其次,对山地拖拉机的全向调平装置、行走系、基于静液压驱动装置(HST)的无级调速传动系统、多功能液压系统、坡地适应液压悬挂装置等关键部件进行设计和相应的匹配选型;最后,对山地拖拉机进行了整机性能试验。试验表明,拖拉机在0°~15°的横向坡地和0°~10°的纵向坡地可以实现车身横、纵向的调平,有效提高了拖拉机坡地行驶和作业的稳定性;拖拉机可实现0~8 km/h的无级调速,满足平地行驶、爬坡、等高线作业等多种工况的速度要求;可遥控实现山地拖拉机行车、制动、转向、全向(横向和纵向)调平、农具升降及姿态调整等动作,极大地提高了操纵的便捷性;山地拖拉机的接地比压为0.025 MPa,在松软路面和沼泽地均具有良好的通过性;山地拖拉机的转向机动性能良好,最小转弯半径为1 728 mm,可适应丘陵山地相对狭小的坡地作业环境;山地拖拉机的平地偏驶率为5.5%,在15°坡地车身调平后的偏驶率为5.75%,小于车身未调平时偏驶率8.62%,均满足相应国家标准(≤6%)要求;液压悬挂装置的最大提升力为8.2 kN,满足基本的作业需求;坡地旋耕的耕深稳定性满足国家标准(≥85%)要求。

拨辊推送式马铃薯清选分选机设计与试验

针对现有马铃薯清选分选机的薯土分离效果差、伤薯率较高、工作效率低等问题,设计了一种拨辊推送式马铃薯清选分选机。对该机器的工作机理进行了阐述,确定了清选装置、分选装置的结构参数,分析了马铃薯在清选分选过程中的力学特性。选取机组的转速、上料量、机组提升角度作为试验因素,伤薯率、分选清洁率为试验性能指标进行正交试验,并对试验结果进行显著性分析。结果表明,各因素对伤薯率影响的主次因素顺序为:机组提升角度、机组转速和上料量;对分选清洁率的影响主次因素顺序为:上料量、机组转速和机组提升角度。按照以马铃薯的伤薯率较低,兼顾分选清洁率较高的原则,确定较优组合,即机组转速为145 r/min,上料量为20 t/h,机组提升角度为12°,并对该参数组合进行了验证试验,结果表明,在该条件下机器伤薯率为0.773%,分选清洁率为95.42%,符合基本作业要求。

小型山地履带拖拉机爬坡越障性能分析与试验

小型山地履带拖拉机(简称山地拖拉机)在田间行驶时,常遇到台阶、砖头、石块、田埂等障碍,严重影响其通过性及稳定性,进而引发侧滑甚至倾翻等安全问题。为此,选取最难跨越的台阶作为研究对象,对山地拖拉机爬坡越障性能进行研究。首先,对山地拖拉机爬坡时跨越台阶的运动过程进行分析,得到求解最大越障高度的计算公式;然后,基于多体动力学分析软件RecurDyn进行了正交和单因素变量仿真试验,仿真结果表明:越障速度、坡度角和拖拉机质心位置均显著影响山地拖拉机的最大越障高度,增大越障速度和质心支重轮距、减小坡度角和质心高度均可提高山地拖拉机的爬坡越障性能;最后,基于自主设计的山地拖拉机进行了爬坡越障田间试验。结果表明,在速度1.6 km/h、坡度角为0°~15°工况下,试验结果与理论计算及仿真试验结果基本一致,理论计算与仿真试验的最大相对误差分别为5.17%、6.47%;在坡度角大于15°工况下,理论计算与仿真试验最小相对误差分别为13.25%、19.21%。说明所得到的山地拖拉机最大越障高度计算公式及仿真模型在坡度角为0°~15°时有效。

黄土高原坡地土壤与旋耕部件互作离散元仿真参数标定

针对黄土高原坡地土壤旋耕部件互作机理研究以及坡地专用旋耕机具设计缺乏准确可靠离散元仿真参数的问题,以典型坡地粘壤土(含水率13.4%±1%)为研究对象,选取EDEM中Hertz-Mindlin with JKR Cohesion接触模型,对相关仿真参数进行标定。首先,对土壤颗粒间接触参数进行了标定,以土壤颗粒的仿真堆积角为响应值,基于Design-Expert软件中Box-Behnken的方法,确定了土壤堆积角的回归模型;通过模型寻优得到了恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数及表面能参数分别为0.15、0.33、0.05和9.04 J/m^(2),此时土壤堆积角仿真值为41.59°,与实测值相对误差为3.8%。其次,对土壤与旋耕刀材料65Mn钢的接触参数进行了标定:通过静摩擦、斜板及碰撞等试验得到了土壤与65Mn钢之间静摩擦因数、滚动摩擦因数和恢复系数的范围,进一步以土壤在65Mn钢板上的静滑动摩擦角为响应值,基于Box-Behnken的方法得到了土壤静滑动摩擦角的回归模型;对该模型寻优得到了土壤颗粒与65Mn钢间的静摩擦因数、滚动摩擦因数及恢复系数分别为0.50、0.06和0.18,此时静滑动摩擦角仿真值为24.0°,与实测值相对误差为1.7%。最后,通过坡地旋耕试验验证模型参数的有效性:土壤颗粒水平、侧向位移实测值和仿真值最大相对误差分别为4.3%和5.1%。结果表明标定的参数准确可靠。

基于多元非线性回归分析的马铃薯加工品质特性预测

为快速准确检测马铃薯加工品质,对希森3号及希森6号马铃薯的加工品质指标干物质和还原糖含量在马铃薯内部的分布规律进行研究。通过试验得出,两种马铃薯干物质含量在马铃薯中呈与马铃薯形状相似的椭球分布,在中心部位有最小值。采用拟牛顿算法和通用全局优化算法,结合对试验数据进行多元非线性回归分析,得出希森3号和希森6号马铃薯干物质含量关于检测点坐标值x、y和z的回归模型,决定系数分别为0.909 9和0.912 3,均能有效预测马铃薯干物质含量。马铃薯还原糖含量在马铃薯中心位置含量最高,由中心向表皮还原糖含量逐渐降低,在马铃薯茎部的还原糖含量低于马铃薯顶部关于中心对称位置的还原糖含量。两种马铃薯还原糖含量的多元非线性回归模型,决定系数分别为0.833 6和0.824 6,可预测马铃薯内部各点还原糖含量。通过对试验数据归纳分析得出,马铃薯靠近表皮位置干物质含量高,还原糖含量低,适合加工薯片薯条。

山地履带拖拉机与农具姿态协同控制系统设计与试验

针对山地履带拖拉机(简称山地拖拉机)等高线作业时,车身调平和农具仿形作业不同的姿态调整需求,在建立车身及农具运动学模型的基础之上,构建了整个系统的控制策略,设计了车身与农具姿态协同控制系统,其中,对车身和农具的控制分别采用PID算法和双闭环模糊PID算法。基于Simulink对控制算法进行了仿真分析,结果表明:采用PID算法实现车身调平可以满足其基本调平要求;采用双闭环模糊PID算法实现农具姿态调整的控制效果优于PID算法。最后,进行了机组姿态协同调整的静态试验和动态试验,结果表明,采用所设计的姿态协同控制系统:在坡度±15°的坡地上静态调整时,车身横向倾角最大误差为1.10°,农具横向倾角最大误差为0.46°;在坡度14°~16°的坡地上动态作业时,车身横向倾角最大误差为1.90°,农具横向倾角最大误差为0.93°。该姿态协同控制系统精度和稳定性能够满足丘陵山区坡地等高线作业需求。

山地履带拖拉机坡地等高线作业土壤压实应力研究

山地履带拖拉机(配备姿态调整机构)具有良好的稳定性和越障性能,特别适宜在丘陵山区坡地作业,然而由于坡地角的存在导致拖拉机两侧履带下的应力分布极不均匀,使得拖拉机附着性和通过性均降低。本文针对山地履带拖拉机坡地等高线行驶/作业时,坡地土壤内部应力分布规律不明确以及如何提高应力均匀性缓解土壤压实等问题,在深入分析坡地工况下履带最大接地比压与应力传递基本规律的基础上,采用EDEMRecurDyn耦合方法进行了仿真试验,并采取土压力盒埋设法分别开展了基于小型坡地土槽的静态试验和坡地试验田的动态试验;其中,静态试验探究了不同深度土壤在含水率、初始紧实度、加载质量及坡地角等影响下的垂直应力分布规律;动态试验探究了山地履带拖拉机坡地等高线行驶/旋耕作业时履带下方土壤应力随作业速度、车身状态(调平/未调平)及牵引负载的变化规律;并分析了履带张紧力对土壤垂直、水平应力分布的影响。试验结果表明:履带下垂直应力在各支重轮的轴线处呈现一个应力峰值;水平应力在各支重轮轴线的前、后方分别出现一个应力峰值;适当增大作业速度,可减小土壤内部垂直和水平应力峰值,拖拉机速度由0.5 km/h增加到1.5 km/h,垂直应力峰值减小了35%,水平应力峰值减小了27%;车身调平可以较好地提高拖拉机两侧履带下土壤垂直、水平应力分布的均匀性,坡低、坡高两侧的垂直应力峰值分别降低13%和增加18%,坡低、坡高两侧的水平应力峰值分别降低28%和增加23%;履带张紧力由1.2×10^(4) kPa减小到8.0×10^(3) kPa时,履带下的垂直及水平应力峰值分别减小了31%和22%,即适度减小履带张紧力可降低土壤压实程度。该研究可为山地履带拖拉机相关参数的优化提供理论依据,可提高坡地土壤应力分布均匀性、缓解土壤压实效应。

智能马铃薯堆垛机的设计

马铃薯收获后需要对其入库贮藏,目前马铃薯入库堆垛机械的作业效率较低、成本高,需要大量人工辅助作业。针对这一系列问题,设计了一款具有较高作业效率的智能马铃薯堆垛机。该机可根据所需的堆垛高度进行作业,控制方便,伤薯率低,为马铃薯的长时间贮藏提供了保障。对样机做了相关试验,结果表明:该机满足堆垛要求,且堆垛过程中的伤薯率明显降低,可以控制在1%以下。因此,此款机器的设计对解决农忙时节用工荒、提高马铃薯的入库效率及马铃薯的贮藏品质具有重要意义。

马铃薯杀秧机的优化设计与分析

马铃薯收获前的杀秧处理对后期的收获效率及马铃薯品质有着非常显著的影响。为此,针对当前马铃薯杀秧机存在作业效率低、留茬高度不均匀及带薯率高等问题,设计了一款新型高效的马铃薯杀秧机。本机可根据不同地块、不同马铃薯品种的需要调节留茬高度,提高了后续收获的流畅性;刀具采用甩刀的形式并在杀秧轴上呈仿垄形分布,极大降低了带薯率及伤薯率。同时,对关键部件进行了有限元分析,结果表明:所设计的部件均满足强度要求。对样机进行了田间试验,试验结果表明:杀秧效率明显提高,留茬高度均匀,带薯率显著降低,均满足马铃薯的杀秧作业要求。本研究对提高马铃薯杀秧机的作业效率及后续收获效率、更好地适用于马铃薯的大规模收获具有重要意义。

山地拖拉机坡地等高线旋耕土壤侵蚀规律研究

针对黄土高原丘陵山区坡地等高线旋耕作业时土壤耕作侵蚀(土壤由坡高侧向坡低侧迁移)严重及其机理不明等问题,通过理论分析、仿真试验、土槽及实地试验相结合的方法,深入开展山地拖拉机坡地旋耕侵蚀规律研究。首先,构建了H245标准型常用旋耕刀在坡地工况下的扰土体积参数方程,完成了旋耕刀坡地扰土过程的经典力学分析,确定了导致坡地旋耕土壤侵蚀的主要影响因素:坡地角、耕作深度、刀轴转速以及旋耕作业速度;然后,基于EDEM离散元仿真软件研究了单把旋耕刀和旋耕机整机的坡地扰土规律,得出土壤颗粒在旋耕刀侧切刃的动态滑切作用下有水平向后运动的行为,浅层土壤颗粒位移最大,深层土壤颗粒位移最小,并且深层靠近旋耕刀回转中心的土壤颗粒位移最大;土壤的侧向位移方向受旋耕刀正切刃朝向的影响;随着旋耕刀的入土,土壤颗粒在垂直方向的位置呈先变深后变浅的趋势。最后,选取旋耕刀轴转速、旋耕作业速度和坡地角作为试验因素,进行了实地旋耕单因素和正交试验,单因素试验得到土壤水平、侧向位移随着上述3个因素变化的规律;正交试验方差分析得到影响土壤侧向位移的主次因素为坡地角、旋耕刀轴转速、旋耕作业速度,影响土壤水平位移的主次因素为旋耕作业速度、坡地角、旋耕刀轴转速;拟合得到土壤侧向位移、水平位移与自变量之间的回归方程,并经参数寻优确定在5种随机设定坡地角下旋耕机最优作业参数组合。该研究可为现有旋耕机在黄土高原坡耕区低侵蚀作业提供技术指导,为坡地专用旋耕机的设计提供研究思路。

2 CMW-4 B微型马铃薯播种机的设计与试验

随着我国马铃薯主粮化的发展,对马铃薯的需求进一步增加,而脱毒微型原种的种植是提高马铃薯产量的有效措施。因此,微型原种的种植面积将不断扩大,微型马铃薯播种机的研制势在必行。针对目前我国微型马铃薯种植机械化水平低、机械作业播种质量较差、多数需要人工辅助作业等一系列问题,设计了一款基于振动排序技术的微型马铃薯播种机。该播种机采用履带式的播种机构,具有较高播种质量和作业效率。对样机进行田间试验,结果表明:该机作业效率和播种精度较高,工作性能稳定,播种间距合格率为92.0%,重种率为5.7%,漏种率为3.9%,其各项性能指标都优于相关马铃薯播种要求,对推动我国马铃薯全程机械化的发展进程具有重要意义。

郁闭果园图传遥控式割草机的设计与性能试验

针对传统郁闭果园内部空间狭窄密闭,现有割草机难以进入作业,面临无机可用的生产难题,设计了一种适用于郁闭果园环境、割茬高度可调且株间避障灵活便捷的小型图传遥控式割草机。在分析郁闭果园种植模式和割草农艺要求的基础上,确定了割草机的总体设计方案,然后对割草机关键部件(刀盘高度调节机构、株间避障切割机构、遥控及图传系统等)进行了设计与匹配选型,最后完成了整机集成与性能试验。基本性能试验结果表明:割草机整机尺寸(长×宽×高)为1.9 m×1.7 m×0.7 m,割茬高度调节范围为30~110 mm,株间避障通过率为100%,遥控和图传距离均大于110 m。同时以前进速度、刀盘转速和割茬高度为试验因素,割茬稳定系数、割幅利用率和漏割率为试验性能指标开展正交试验,并对试验结果进行显著性分析。结果表明,各因素对割茬稳定系数、割幅利用率和漏割率性能指标影响的主次顺序均为前进速度、刀盘转速和割茬高度;确定的较优方案为前进速度0.6 m/s、刀盘转速3000 r/min、割茬高度70 mm,并对该较优方案进行了验证试验,结果表明:设计的新型割草机在该方案下割茬稳定系数为93.2%,割幅利用率为99.3%,漏割率为0.5%,能满足郁闭果园实际作业要求。