基于农产品进出口贸易视角的农业机械化发展研究

为推进全程全面绿色高效农业机械化发展,基于农产品进出口贸易的视角分析农业机械化存在的短板弱项问题。目前我国农业存在贸易逆差逐年增加、主要农产品贸易逆差扩大、劳动密集型农产品比较优势逐渐消失、主要农产品自给率较低等发展现状。在农业机械化方面,小农经济及二元经济结构现状制约着适度规模经营的发展进度,农业规模化种植的生产效益还未充分体现;全程全面高质高量农业机械还不充分;全程农业机械化种植农艺技术推广应用还需加强。农业机械化发展应立足于保障粮食安全与提高农业经营主体经济效益的基本定位,关键在于提高农产品生产效率,改善农产品质量,提高农产品国际竞争力。基于上述分析,提出推进适度规模经营、推动短板弱项农业装备创新发展、优化农业机械化支持政策、推进先进适用农艺技术推广应用、强化农产品初加工装备研发及推广等发展建议。

设施园艺移动平台分布式驱动自适应防滑控制

针对设施园艺特殊作业场景对电驱移动平台灵活作业与高操纵稳定性需求,该研究设计了一种四轮轮毂电机独立驱动的分布式设施园艺电驱移动平台,并提出了一种可提高转向灵活性与稳定性的自适应防滑控制策略。在该控制策略中,首先构建电驱移动平台动力学模型与Ackermann差速转向模型,结合速度瞬心原理及轮胎侧偏角确定各车轮转向目标转速;其次,为提高电驱移动平台对时变附着系数的适应能力,采用改进的强跟踪自适应无迹卡尔曼滤波算法设计复杂路面识别器,实现对路面附着系数准确估计;最后,设计基于自适应滑模算法的防滑控制器,根据路面附着系数估计值确定车轮相对最佳滑转率并实时控制滑转率。为验证所提控制策略的有效性,开展了Carsim-MATLAB/Simulink联合仿真与分布式设施园艺电驱移动平台实车试验。试验结果表明,所提控制策略可准确估计复杂道路下路面附着系数,降低车轮滑转率误差;在不变路面、对接路面与对开路面3种工况下,左侧车轮滑转率误差分别为0.031、0.015和0.038,右侧车轮滑转率误差分别为0.026、0.005和0.028;在不变路面与随机路面实测路况下,电驱移动平台路面附着系分别数约为0.44和0.47,最大滑转率分别约为0.69和0.68,有效抑制了轮胎转向时的过度滑转,提高了电驱移动平台的行驶稳定性。研究可为设施园艺车辆驱动防滑控制提供具体理论依据和实施方案。

设施园艺电驱移动平台轮毂电机设计及其磁-热耦合性能

针对设施园艺作业场景下电驱移动平台的低速大扭矩牵引作业需求,该研究设计了一种减速内转子轴向磁通轮毂电机,建立电机的电磁有限元模型并分析其电磁和损耗特性。考虑到绕组电阻率受温度变化影响,构建基于热网络法的轮毂电机磁-热耦合改进模型。与台架试验结果相比,基于改进模型获得的转矩预测值较传统模型的精度提高了5.33%,验证了模型的正确性。利用改进模型分析了温度和相电流对电机转矩特性的影响,仿真结果表明,输出转矩随电机温度增加而降低;在0~20 A,电机平均输出转矩与相电流呈线性关系。试验结果表明,轮毂电机功率随转速增加而增大,峰值功率可达4.59 kW,而转矩基本保持恒定;在转速450~900 r/min、转矩300~600 N·m时,电机效率高达93.2%。研究结果可为轴向磁通电机初步设计与多场耦合影响下电机性能分析提供思路。

一种创新型茎块收获机的设计与试验

经过对国内茎块类收获装备的应用现状比较分析和试验,创新设计出一种集挖掘、收获和还田于一体的收获装备。通过生产试验和性能测试,装备的作业质量和性能参数符合研究设计指标,具有切段秆秧、分割土壤、铲起果壤、输送振动、果壤分离、集果和摆动二次果壤分离等农艺功能。试验结果表明:设计的装备解决了现有装备结构设计复杂、制造成本高、果土分离不彻底或需人工捡拾等问题,收获效率高,可确保茎块质量,性能稳定,可靠性高,制造成本适中,作业成本低,并且具有果土分离彻底和秧苗还田的功能等特点。

一种新型大蒜收获机的研究设计

针对我国大蒜收获机械结构设计复杂、生产成本较高等问题,设计了一种新型大蒜收获机。生产试验和性能测试表明:收获机的作业质量和性能指标参数符合设计指标要求,具有在田间作业中铲子头铲入、土壤和大蒜铲起、输送筒输送、土壤和大蒜分离、收集卸料等农艺功能。试验结果表明:收获机解决了同类机具结构设计复杂和生产成本高、收获机和拖拉机不易分离使用、收获机传动结构复杂和维修不便、人工捡拾和装袋运输等问题,提高了作物收获效率和质量,且性能稳定、可靠性高、作业成本低、结构简单、易于制造,具有较好的推广应用价值。

基于AMESim-Matlab联合仿真的拖拉机耕深控制研究

在拖拉机电控液压耕深控制系统的研究中提出力位综合-滑转率的联合控制方法及控制策略,加入滑转率监测控制,在最优滑转率区间允许范围内调节耕深。搭建电控液压悬挂的液压物理模型,并建立仿真模型,设计滑转率模糊控制器、力位综合模糊PID控制器,试验研究基于滑转率逻辑门限的多参数控制效果。试验结果表明在超出滑转率逻辑门限值时系统有较好的响应效果,对滑转率的变化有较优的跟随效果,为拖拉机耕深控制系统多参数控制提供理论基础。

基于IGWPSO-SVM的HMCVT湿式离合器摩擦副温度预测

针对传统机器学习模型预测重型拖拉机液压机械无级变速箱(Hydro mechanical continuously variable transmission,HMCVT)湿式离合器温度的局限性,提出了基于改进灰狼粒子群优化-支持向量机(Improved grey wolf particle swarm optimization-support vector machine,IGWPSO-SVM)的HMCVT湿式离合器摩擦副温度预测模型。首先,对湿式离合器摩擦副滑摩过程进行热分析,确定影响湿式离合器摩擦副温度的因素;然后,基于支持向量机(Support vector machine,SVM)搭建温度预测模型,并利用改进灰狼粒子群优化(Improved grey wolf particle swarm optimization,IGWPSO)算法对SVM的结构参数进行优化;最后,基于HMCVT湿式离合器试验台数据搭建离合器摩擦副温度预测模型的样本数据库,以湿式离合器摩擦副对偶钢片为对象,对IGWPSO-SVM模型进行试验验证。试验结果表明,IGWPSO-SVM模型预测摩擦副对偶钢片内、中、外径温度的平均绝对误差(Mean absolute error,MAE)、均方误差(Mean square error,MSE)、均方根误差(Root mean square error,RMSE)、平均绝对百分比误差(Mean absolute percentage error,MAPE)的均值分别为3.3557℃、24.3212℃^(2)、4.5976℃、3.95%,最高温度预测误差分别为7.8700、5.4300、0.9900℃,3次试验的对偶钢片内、中、外径温度MAE、MSE、RMSE、MAPE均值的平均值分别为3.3522℃、24.7380℃^(2)、4.9737℃、4.12%,3次试验的内、中、外径最高温度平均绝对误差(Maximum temperature mean absolute error,MTMAE)平均值为4.3733℃,相比于其他4种已有的模型为最低。研究结果可为重型拖拉机湿式离合器温度的高精度预测及整车的可靠性控制提供理论依据。

耕读教育与专业知识教育协同的汽车拖拉机学课程教学研究与实践

耕读教育与专业知识教育协同教学是培养涉农高校大学生强农兴农使命和知农爱农情怀的有效途径之一。文章以汽车拖拉机学课程为研究对象,分析了专业知识教育存在的问题和解决思路,论述了耕读教育的目的、育人目标和内涵,探讨了耕读教育在汽车拖拉机学课程教学与建设中的实现路径,提出了耕读教育与专业知识教育协同教学理念,开发了基于耕读教育与专业知识教育协同的汽车拖拉机学课程教学设计方案和教学改革措施,培养了学生的动手能力和解决复杂工程问题的分析能力,提高了课程的教学效果。耕读教育与专业知识教育协同教学,为涉农高校深化专业课程的教育教学改革、拓展人才培养形式提供了一种行之有效的教学方法。

基于扩张观测器的HMCVT换段离合器油压跟踪控制

针对液压机械无级变速器(HMCVT)换段离合器油压跟踪控制过程中,不匹配干扰造成实际油压与期望油压产生偏差的问题,提出了一种基于扩张观测器的全局终端滑模控制算法,以实现油压的高精度跟踪控制。通过建立带有不匹配干扰的非线性湿式离合器数学模型,推导了油压控制系统的状态方程,使用扩张观测器对不匹配干扰进行估计,设计了一种能够快速收敛的全局终端滑模控制算法,并将干扰估计值补偿到控制算法中以提高控制精度和降低滑模控制的抖振。基于全局终端滑模控制算法设计了换段离合器油压跟踪控制器,通过试验对控制器效果进行了验证。结果表明,扩张观测器能够有效观测不匹配干扰,与传统终端滑模控制算法相比,基于本文算法设计的油压跟踪控制器动态响应时间仅为0.13 s,超调量为0.08 MPa,且无明显抖振。在换段过程中,冲击度降低12.7%,滑摩功减少10.2%,表明所提油压跟踪控制算法具有较好鲁棒性,能够改善换段离合器的接合品质。

基于磁-热双向耦合的电动拖拉机轮边电机电磁性能分析与结构优化

为预测和评估电动拖拉机轮边驱动电机的电磁性能同时优化电磁转换装置结构,该研究以一种减速式12槽7对极永磁无刷直流轮边驱动电机为对象,建立电机电磁有限元模型并通过试验验证模型的正确性,分析了空载、半载和额定负载工况下电机的动态特性。在此基础上,基于热损耗载荷构建电机的磁-热双向耦合模型,模拟分析额定负载工况下电机的温度场分布规律。结果表明,3种工况下电机最高温度均发生在永磁体部位,温升分别为54.61、77.63和87.1℃。以气隙宽度、定子槽口宽度、永磁体间距和宽度为变量,以齿槽转矩、转矩密度和永磁体损耗为优化目标,提出一种田口法-响应面法双层多目标优化方法,确定电机最佳结构参数为:永磁体间距为0.4 mm、永磁体宽度为3.5 mm、气隙宽度为1.1 mm、定子槽口宽度为4.75 mm。仿真结果表明,优化后的电机转矩密度较优化前增加了8%,永磁体损耗降低了18.6%。样机台架试验结果表明,优化后电机齿槽转矩较优化前降低了20.9%,验证了所提优化方法的有效性,对电机性能研究具有一定的参考价值。

基于BAS-BP模型HMCVT换段液压系统故障的诊断方法

[目的]为了提高液压机械无级变速器(HMCVT)换段液压系统的平稳性和安全性,设计了一种应对换段液压故障的诊断方法。[方法]利用自主研发的液压机械无级变速器试验平台,获得5种油路故障状态模式数据集;通过数据预处理及随机抽取的方法得到120组单一故障样本集和21组组合故障样本集,基于天牛须搜索算法(beetle antennae search,BAS)和BP(back propagation)神经网络,对处理后的120组单一故障样本建立了故障诊断模型;对标准BP神经网络模型和优化型BP神经网络模型进行试验测试和比对研究。[结果]所使用的BAS-BP方法对试验样本实现了5种油路状态模式分类;与标准BP神经网络相比,BAS-BP方法可以更好防止网络受限于局部极小值,且故障诊断正确率提升10%。[结论]与常规优化算法相比较,BAS-BP方法所需训练时间短、收敛速度快,算法运行速率提升85.76%,拥有更好的稳定性和判别精度。特别需要指出的是,该方法对于组合故障的判别仍然有效。

拖拉机HMCVT动力换段过程中换段离合器对偶钢片温度场分析与试验

[目的]本文旨在研究拖拉机液压机械无级变速器(HMCVT)动力换段过程中换段离合器摩擦副的热失效机理。[方法]以拖拉机HMCVT换段离合器对偶钢片为研究对象,研究其瞬态温度场。采用试验与仿真相结合的方法,通过采集拖拉机动力换段过程中摩擦副接合油压和摩擦副转速差时变曲线,分析滑摩转速差对摩擦副生热的影响。通过建立换段离合器对偶钢片有限元模型,研究不同时刻不同转速差下对偶钢片沿半径方向的温度分布规律。编写LABVIEW温度监测系统,设计拖拉机HMCVT换段离合器动力换段试验,并将温度试验结果与仿真结果进行对比分析。[结果]仿真得到拖拉机HMCVT动力换段过程中换段离合器对偶钢片瞬态温度场。结果表明不同时刻、不同位置、不同转速差下对偶钢片温升不同,转速差越大温升值越大,由于外齿毂和输入毂油孔处油液的冷却润滑作用,对偶钢片外径处温度相对内径和中径低,温升最高点出现在距对偶钢片圆心的81%处。仿真值与试验值曲线的变化趋势基本一致,同一时刻试验温升值略低于仿真温升值。[结论]本研究为解决重型拖拉机HMCVT换段离合器冷却润滑难题,提高换段离合器动力换段过程中传动系统使用性能及整车的可靠性提供理论依据。

HMCVT泵控马达系统模糊PID控制研究

【目的】为减少由于HMCVT泵控马达系统响应迟滞以及遭受负载扰动时波动剧烈,使得拖拉机不能稳定在目标车速上的问题。【方法】以HMCVT泵控马达系统为研究对象,建立了泵控马达系统的数学模型,运用模糊PID算法对马达转速进行控制。针对标准鲸鱼算法易陷入局部收敛的问题,引入非线性变化、动态惯性权重以及遗传变异思想进行改进,并运用于PID参数的整定。【结果】以建立的传递函数为测试对象,改进后的WOA算法只需要迭代9次便能寻得最优解,相较于改进前减少了7次迭代,ITAE值降低了16.83%。相较于标准鲸鱼算法整定的模糊PID控制器,改进后的鲸鱼算法整定的模糊PID控制器在阶跃响应下系统最大超调量降低83.3%,调整时间减少0.759 s;正弦响应下最大误差减少16.41 r/min,降低了55.44%;斜坡响应下最大误差减少31.39 r/min,降低了44.58%;负载突变时最大速度减少2.2 r/min,降低了2.01%。采用试验设计的模糊PID控制器能有效实现HMCVT液压马达的变速跟踪控制,提出的改进鲸鱼算法能提高响应精度,降低误差。【结论】研究结果为装备HMCVT的拖拉机的最优经济性控制与最优动力性控制提供理论参考。

拖拉机线控液压转向系统的双通道PID控制仿真与试验

拖拉机线控液压转向系统采用的单杆液压缸具有非对称性,为了提高转向系统的控制精度,提出了双通道PID(proportional integral derivative)控制方法,对液压缸活塞杆伸出和缩回的运动进行分通道控制。基于Sim Hydraulics模块建立线控液压转向系统的物理模型,对转向轮的跟随响应、阶跃响应进行仿真试验;同时搭建了线控液压转向系统试验台,进行台架试验,从而分析双通道PID控制对转向系统的影响。仿真试验得出双通道PID控制的跟随误差为0.473°、响应时间为0.273 s,且左、右转向跟随误差基本一致,均优于单通道PID控制,台架试验结果与仿真试验的效果一致。结果表明,线控液压转向系统在双通道PID控制下响应快,跟随误差更小,具有良好的跟随性和较高的控制精度。

拖拉机耕深模糊自动控制方法与试验研究

研究了拖拉机电控液压悬挂系统耕深自动控制方法,提出了一种基于模糊控制的电控液压悬挂系统耕深自动控制方法和综合度系数的概念,设计了耕深模糊控制器,并利用综合度系数将力位综合调节转化为对耕深的模糊控制。试验研究了阻力在不同综合度系数下对耕深的影响,试验结果表明:耕深从0到20 cm的响应时间低于1.7 s,当综合度系数分别为0.7、0.5和0.3时,耕深受阻力的影响分别减少了3.2、3.8和5.6 cm,过渡时间分别为0.79、0.93和1.21 s,该控制方法能够满足耕深自动控制的要求。论文提出的基于模糊控制的力位综合调节方法,利用综合度系数,以耕深和阻力为控制参数,可以实现耕深的双参数控制,为拖拉机电控液压悬挂系统耕深进行力位综合控制提供理论依据。

基于拖拉机作业轨迹的农田面积测量

为了精确测量拖拉机在农田作业时的作业面积,以评价拖拉机的作业效率。该文选用双星定位(GPS卫星和伽利略卫星)接收机采集定位数据,采用自适应卡尔曼滤波算法提高接收机单点定位精度,利用高斯投影算法将GPS接收机采集经纬度转化成平面坐标来计算面积。选用回耕法、梭形耕法、套耕法3种方法旋耕地块,利用安装拖拉机上的GPS识别出作业轨迹,利用图像处理计算3种方法的有效作业面积、实际作业面积和重漏耕面积。试验表明:卡尔曼滤波提高了GPS单点定位精度;面积测量相对误差为2.09%;地块1(回耕法)漏耕率为14.29%,重耕率为6.19%,地块2(梭形耕法)漏耕率为10.72%,重耕率为5.54%,地块3(套耕法)漏耕率为1.80%,重耕率为6.82%。随测量面积增加,测量精度越高;套耕法效率最高,梭形耕法其次;回耕法的漏耕率最大,作业效率最低。

基于分形插值的三维路面重构与分析

原始精细的路面谱是研究车辆与路面耦合的重要基础,对车辆的通过性和噪声、振动及不平顺性NVH(noise,vibration and harshness)分析有重要的应用价值。为了构建与原始路面相同或相近的路面谱,利用非接触式激光路面不平度仪测量沥青路面、水泥路面、比利时路面和砂石路面的三维路面不平度;基于分形理论,采用迭代函数法重构这四种路面谱;结合路面不平度的统计特性评价指标和分形维数对四种路面的原始谱和重构谱进行评价。研究结果表明:重构前、后路面谱的平均值、标准差、峰度系数以及分形维数变化范围在±5%以内,除水泥路面的偏态系数变化范围均在±9%以内,重构路面谱与原始谱具有一致性;重构路面谱保持了原始路面的结构特性,并具有路面的细微结构。

轮式拖拉机线控液压转向系统路感特性与评价

针对路感特性是线控转向技术的难点之一,设计与评价了轮式拖拉机线控液压转向系统的路感特性。分析了路感的评价指标、产生机理及拖拉机等农用车辆行车环境差异大的特殊性;实测了拖拉机在旱地、土路、水泥路、沥青路等路面上的原地转向与行驶时的转向阻力,以指导设计模式化路感特性与模式识别系统。农田作业模式侧重于路感的轻便性,驾驶员作用在方向盘上的切向力为2~10.127 N,车速低于11 km/h;非农田作业模式侧重于路感的真实度,切向力范围为2.5~52.5 N,车速低于30 km/h。完成了路感的主观评价,评价结果表明模式化路感特性可以令驾驶员满意。设计的模式化路感可以有效改善拖拉机的驾驶感觉,推动线控液压转向系统的发展。

路面不平度的分形特征

利用激光式不平度测试仪测定了混凝土路面、砖路面、土路面的不平度,采用均方根法计算了3种路面的分形维数,分别为1.845,1.689和1.561.结果表明:分形维数越大,则轮廓曲线越复杂,充满空间的能力也越强,细节越丰富;而分形维数越小,则细节越少.提出了路面不平度指数的概念,路面不平度指数具有描述路面不平度的唯一性,是路面分级的主要指标之一.3种路面的路面不平度指数相差很大,分别是:混凝土路面为1.237,砖路面为3.435,而土路面达14.610.

非接触式激光地面不平度仪的设计与试验

[目的]为获取地面不平度数据用来研究耕作地面的土壤风蚀情况、含水量情况、土壤与轮胎耦合情况,设计了一种非接触式测量仪器。[方法]仪器主要由运动测试台架、数据采集、虚拟控制3部分组成。采用基于激光三角测距原理的传感器进行距离测量,利用采集设备将数据传送至上位机显示、储存和处理。基于Lab VIEW软件创建虚拟操作平台,控制带有测量设备的运动测试台完成扫描定位,测量时根据不同要求改变1~100 mm不等的采样间隔。对测试仪进行了精度检验试验。[结果]试验结果表明：地面不平度仪的测试精度在±2 mm的精度范围内,试验测量数据均方根误差为0.16 mm,地面不平度仪能够准确测量不平度数据。对于测试得到的数据进行零均值化预处理,减小了测量不利因素带来的影响。[结论]非接触式地面不平度仪能够精确测量地面不平度数据,实现自动化测量,为进一步的理论研究提供测量基础。