钵苗移栽机取苗装置的设计与试验

设计了一种钵苗移栽机取苗装置,并对夹苗和松苗两种状态下的末端执行器进行运动仿真,从而选择合适行程的气缸或推杆作为原动件。选用凸轮机构用于顶苗,根据凸轮各阶段工作规律设计出合理的轮廓线,利用仿真验证出满足设计要求。试验结果表明:设计的取苗装置未取出率平均值为8.22%,取苗成功率平均值为91.78%,达到了设计目标。

基于通信数据算法的智能采摘机通信系统设计

以苹果采摘机工作过程中的质量监测和采摘量统计为研究对象,通过传感装置和显示终端对苹果采摘过程进行监测,并利用单片机计数程序对采摘频率、采摘间隔序列及采摘准确数等数据进行统计,经通信系统传输至监测显示终端,通信系统采用应答模式数据通信协议实现了可靠准确的数据传输。试验结果表明:利用通信数据算法建立的苹果采摘机通信系统在进行采摘过程监测时,准确率可达到90%,信息数据传输过程可靠稳定。

基于计算机视觉的采摘机械臂控制系统设计

为了提高机械臂采摘的效率及增强安全自主性,提出了一种基于改进卷积神经网络和迁移学习的计算机图像识别模型。首先,建立了由可采摘与不可采摘图像组成的样本数据集,将每幅图像的像素设置为256×256;然后,构建基于改进卷积神经网络和迁移学习的计算机图像识别模型,并将自动编码机网络结构与卷积神经网络运算方法相结合,利用自动编码机网络结构具有编码和解码的环节,通过卷积神经网络运算方式构建出一种改进的卷积神经网络;通过卷积层挖掘图片信息中具有采摘信息的特征,同时消除随机环境对图片的干扰,解码部分能够对特征图像进行上采样并判断是否应该进行采摘与采摘姿势;最后,将构建网络模型与迁移学习相结合进行实验,分析迁移学习方法、数据集样本大小、网络参数对实验结果的影响。结果表明:采摘机械臂识别模型整体识别率更高,能够构建出效率更高、鲁棒性更强的采摘控制系统。

基于形态特征的破碎玉米籽粒识别及检测装置设计

基于K-Means聚类分割算法、颜色空间转换和形态学特征,通过对辽沈地区广泛种植的玉米的面积、面积与周长比、短轴与长轴比、圆形与矩形及五种形态特征的分析,识别出玉米碎粒。同时,设计开发了一种基于同步带轮的玉米籽粒破碎率在线检测装置,用于玉米籽粒破碎率的在线检测与识别。研究结果:①利用K平均算法分割算法将图像分割为目标区域和背景区域;②利用K平均算法分割算法将图像分割为二值化图像,进一步对二值化图像采用形态闭运算填充目标区域的非连通区域,对目标区域进行统计分析,计算出形态特征;③通过多组试验,玉米籽粒破碎的识别率可达94%。

基于四行精密播种的玉米直播机设计与试验

为了解决播种玉米种子精度低的问题,设计了一款基于四行精密播种的玉米直播机,可实现玉米种子快速、精准播种。试验表明:该玉米直播机移动性能好、播种速度快、种植深度和每穴种子数量更加准确,封土情况也大幅改善,符合设计需求,具有较高的可靠性和可行性。

黏土与松土部件互作的离散元仿真标定与试验

为了提高白萝卜收获机关键部件松土铲的离散元仿真结果与实际情况的吻合度,利用台架实验和EDEM软件仿真相结合的方式,对黏壤土与松土铲之间接触的离散元仿真参数进行标定。以堆积角和滚动距离作为响应值,通过四因素三水平正交组合试验,分别建立土壤与土壤、土壤与触土材料之间的回归模型,并对回归模型进行分析,得到土壤含水率为(21±0.1)%时模型参数的解最优,分别为:土壤与土壤之间JKR为8.884J/m2,恢复系数为0.275,静摩擦因数为0.504,滚动摩擦因数为0.038;土壤与接触材料之间的仿真参数JKR为6.975J/m2,恢复系数为0.428;静摩擦因数为0.054;滚动摩擦因数为0.054。为了验证离散元仿真模型参数最优解与实际情况的吻合度,开展了基于最优参数下的台架实验与仿真试验,结果表明:台架实验松土铲的黏土量与仿真的相对误差为5.70%,仿真结果与台架试验基本一致,验证了离散元仿真参数模型的可靠性。

自走式烟叶采摘机采摘机构的设计与试验

烟叶采摘机一直受到烟叶破损率高问题的掣肘,从而影响烟农的经济效益,如何降低烟叶的破损率是目前烟叶采摘车的发展方向。为此,结合以前的烟叶采摘车,设计一种烟叶采摘机构,旨在降低烟叶的破损率,提高烟农的经济效益。所设计的采摘机构由采摘刀、传送辊、隔叶板及导流板等组成,采摘刀和传送辊均由橡胶材料制成,传送辊由橡胶辊和光轴组成,隔叶板和导流板均由钢板制作而成。通过对采摘刀和传送辊进行力学分析,得到了烟株不被采摘刀蹭倒和烟叶在传送辊不打滑的临界条件,为降低烟叶的破损率提供了理论依据。三因素(采摘刀的转速、采摘车的行驶速度、烟株的株距)正交旋转试验表明:采摘刀的转速为240~260r/min、采摘车的行驶速度为1.38~1.42km/h、株距为570~590mm时,烟叶的破损率符合大纲要求。试验结果表明:影响烟叶破损率因素的主次顺序为采摘刀的转速>采摘车的行驶速度>烟株的株距,在烟株的株距为579mm、采摘刀的转速为246r/min、烟叶采摘车的行驶速度为1.4km/h时,烟叶的破损率为9.36%,达到了预期要求。

反转旋耕刀作业功耗仿真分析及试验验证

针对油莎豆收获过程中功率消耗过高的问题,设计了一种反转旋耕挖掘装置,确定了主要工作部件旋耕刀的结构参数,并明确了旋耕装置的作业功率消耗主要组成。建立沙壤土土壤颗粒模型和油莎豆植株颗粒模型,最终建立土壤-植株-旋耕刀相互作用离散元仿真模型,并进行反转旋耕刀功耗仿真试验。采用正交试验设计,以刀辊转速、前进速度、作业深度为试验因素,以功率消耗为试验指标,通过Design-Expert 10.0.1进行数据分析,得出旋耕刀最佳工作参数,确定最优作业参数为刀轴转速233r/min、前进速度0.65m/s、工作深度138mm,此时功率消耗为30.49kW。经田间试验验证,理论值与试验值相对误差平均值为4.22%,表明功率消耗数学模型具有较高的适用性。研究中旋耕刀功率消耗仿真分析结果和最优作业参数可为旋耕挖掘、减阻降耗提供参考。

鸭嘴式谷子穴播排种器设计与试验

针对现有谷子排种器条播时重播严重的问题,结合农艺要求,设计了一种鸭嘴式谷子穴播排种器,并分析了排种器的工作过程,确定了排种器与鸭嘴式扎穴器的组合以及排种器转速、取种管直径、取种管角度。采用响应面优化试验,分析了排种器转速、取种管直径、取种管角度对穴粒数合格率、漏播率及重播率的影响,结果表明:在取种管角度为55°、取种管直径为8.5 mm、排种器转速为60r/min时,穴粒数合格率为96.70%,漏播率为1.74%,重播率为1.56%,排种性能较优。

基于物联网的灌溉系统定量控制算法设计研究

精量节水灌溉成为农业生产发展的关键技术。为此,基于硬地育秧过程对土壤水分的精准化控制需求,设计了一种定量灌溉控制系统。同时,根据育秧过程中的土壤需水状况监测结果,设计定量灌溉控制算法,对育秧过程中的水分状况进行预警,实现了精准化灌溉控制。

剪切式油茶花采摘末端执行器设计与实验

针对油茶花采摘难度大、效率低、劳动强度高等问题,通过采样试验分析了油茶花的生物学特性与力学特性,得到油茶花花茎剪切力为14.24N。设计了一种油茶花采摘末端执行器,其结构简单,动作灵活,质量轻便,是能够实现剪切式采摘的机械手爪。通过力学计算得知:在电推杆驱动下,末端执行器能够输出大小为62.5N的剪切力,并顺利将油茶花茎剪断采摘。通过Inventor软件建模和ANSYS有限元分析,确定油茶花采摘执行器的采摘刀爪为小变形,满足采摘要求。试验得到了油茶花采集选用采摘机械手爪的采摘可行性,为采用机械手采摘油茶花花朵的试验方案提供了理论支持,为采摘机器人的设计与试验提供了重要的数据参考。

喷头雾化雾滴尺寸和速度的空间分布实验研究

雾滴尺寸及其运动速度直接影响药液的着靶效果和农药利用效率。为研究喷头雾化区域雾滴尺寸和雾滴速度空间分布,选取空气诱导扇形喷头IDK120-03、万能型平面扇形喷头LU120-03和防飘移扇形喷头AD120-03等3种典型喷头,利用相位多普勒粒子干涉仪测量了所选喷头在不同压力下的雾滴尺寸和雾滴速度,建模分析了喷头雾化后雾滴尺寸和雾滴速度空间分布规律。结果表明:在雾滴尺寸分布中,IDK120-03、LU120-03和AD120-03各喷头中心垂直方向上雾滴尺寸与垂直距离无明显关系,雾滴尺寸随喷雾压力增加而减小,呈线性关系,线性系数在-0.85~-0.54之间,相关程度均在0.96以上;水平方向上雾滴尺寸随水平距离增加而增大,对雾滴尺寸与水平距离二次多项式拟合,相关程度平均在0.90以上;垂直和水平方向上,IDK120-03喷头雾滴尺寸最大、LU120-03喷头最小。在雾滴速度分布中,各喷头中心垂直方向上雾滴速度随垂直距离增加而减小,呈线性关系,线性系数在-0.14~-0.01之间,相关程度均在0.99以上;水平方向上各喷头雾滴速度随水平距离增加而减小,对雾滴速度与水平距离二次多项式拟合,相关程度平均在0.96以上,AD120-03喷头雾滴速度最大,IDK120-03喷头最小,LU120-03喷头雾滴速度降低最快,IDK120-03喷头雾滴速度降低最慢。喷头雾化雾滴尺寸和速度的空间分布的研究可为提高施药质量提供依据。

基于PLC技术的联合收割机电气控制系统设计

以联合收割机电气控制系统为研究对象,利用可编程控制器(PLC)对联合收割机电气控制系统进行改进,以提高联合收割机运行效率和可靠性。通过对联合收割机的工作原理和液压作动系统进行分析,基于可编程控制器(PLC)进行联合收割机电气系统整体设计,并对电气系统的运行效果进行测试分析。试验结果表明:系统运行可靠,能够获得良好的收割效果,可将收割损失率控制在2%以内,验证了系统运行过程稳定性。

振动式根茎类中药材收获机挖掘装置设计

针对日益增长的中药材收获作业需要,在借鉴已有成果基础上设计了一种适用于较高含水率土壤的深根茎中药材振动挖掘装置,并通过理论计算确定了主要结构参数。挖掘铲采用条形铲结构,振动机构采用曲柄摇杆机构,其工作幅宽为1800mm,最大工作深度为500mm,入土角为20°;挖掘铲总长为283mm,偏心距为20mm,铲尖振动幅度为10.4mm。通过有限元分析得出:最大应力发生在铲体与前刀轴连接处,为3.07MPa,远小于材料的屈服强度235MPa;最大变形发生在铲尖处,为0.0126mm,与铲的尺寸相比变形量很小,可以忽略;运动学分析中铲尖运动曲线平滑,符合简谐运动规律。对比田间实测该振动铲收获机所受拖拉机牵引力与理论计算所得出固定铲收获机工作阻力,结果表明:振动铲收获机的工作阻力小于固定铲收获机的工作阻力,减阻效果明显。

果园水肥药与防霜冻一体化系统装置的设计

针对我国果园生产中存在的水资料浪费、过度施肥、不科学施药、霜冻危害等问题,面向果园管理的水肥药节约省力需求,设计了一种果园水肥药与防霜冻一体化装置。以现有的果园灌溉系统为基础,构建水肥药、防霜冻和灌溉融合应用模式,实现了滴灌施肥、喷灌施药和防霜冻等果园农事功能。装置具有人工控制、定时定量、模型控制等多种控制方式,减少了设施设备成本,提高了果园现有设备的综合利用率,可精准控制水、肥、药的使用量,节约了农业资源。

基于SCARA的柔性葡萄采摘机械臂设计与试验

针对现今葡萄种植环境狭小且复杂、常见关节型机械臂空间运动灵活度较小和避障能力较弱等问题,为了适应葡萄植株下层枝叶较少、障碍物较少,上层枝叶较多、障碍物较多的特点,设计并开发一款基于SCARA的柔性葡萄采摘机械臂,其底部为SCARA机械臂,上部为柔性机械臂部分;同时,设计了SCARA与柔性机械臂的协调运动控制系统。通过分析机械臂的机械结构和工作原理确定机械臂的末端空间位置和机械臂的运动学关系,利用MatLab绘制其工作空间,并绘制柔性机械臂在随机两个空间点运动的轨迹、速度、加速度图,从而实现SCARA机械臂与柔性机械臂的运动控制。

谷子联合收获机割台机架的振动分析与结构优化

为了降低谷子联合收获机在田间工作时的振动、减少割台损失率,利用SolidWorks对谷子割台机架进行三维建模,利用ANSYS软件对谷子割台机架优化前和优化后分别进行有限元分析,并用东华DH5902动态测试分析仪对计算机模态分析结果进行了验证。结果表明:优化前的第4阶模态为11.04Hz,其频率落在外部激振频率范围内;优化后的谷子割台机架各个阶次频率均避开了联合收获机各外部激振频率范围,有效避免了割台震动的产生。通过田间试验验证了改进前后的割台损失率,改进后的割台损失率降低了14.5%。研究成果可为降低谷子联合收获机振动及为谷子割台的减震设计提供了理论指导。

小型玉米收获机车身调平系统研究

为了提高小型两行轮式玉米收获机在复杂地形的作业能力,设计了一种三点调平装置,建立了调平模型并对其进行了理论分析,并设计了调平控制系统。在此基础上,设计并制造了试验用车,对倾角信号进行滤波处理后,进行了调平试验。试验结果表明:车身左倾最大调平角度是15°,右倾最大调平角度是17.5°,前倾最大调平角度是12.5°,后倾最大调平角度是17.5°,验证了自动调平机构和控制系统的可靠性和实用性。设计的针对4YZ-2玉米收获机的三点调平装置和调平控制系统可为玉米收获机自适应调平提供了研究基础,并为其他行走农业机械的调平设计提供了新思路。

侧深施肥直斜偏置式免耕播种开沟器设计与试验

采用侧深施肥技术,施肥铲作业后播种带两侧土壤高度不一致,易加剧播种机横向偏摆,进而导致播种深度均匀性和播种横向一致性较差。为解决上述问题,该研究设计了一种直斜偏置式免耕播种开沟器。该开沟器主要由切土斜刃、挡土定位板、偏置推土板等组成,作业时滑切土壤并将其推移至肥沟一侧拓宽种沟,避免种子落至肥沟后位置过深,提高播种质量。通过离散元仿真试验,以前进阻力、肥沟回土深度、种沟回土深度为试验指标进行二因素五水平正交旋转组合试验,得到斜刃滑切角为37°、偏置角为15°时开沟器作业性能最好。在最优参数下与双圆盘式、尖角式开沟器进行田间作业性能对比试验,相对于双圆盘式和尖角式开沟器,直斜偏置式开沟器播种深度变异系数分别降低41.12%、19.41%;播种横向变异系数分别降低39.00%、28.41%;前进阻力分别降低7.26%、28.20%;作业后肥沟与种沟回土深度分别提高9.47%、13.68%和33.33%、7.14%。试验结果表明,该开沟器可以减小前进阻力,增加肥沟与种沟回土,提高播种深度均匀性和播种横向一致性,可为播种开沟器的设计提供参考。

防风仿生挖掘铲的设计与试验

针对河北一年生栽种防风采收过程中挖掘装置挖掘阻力大、碎土能力差等问题,设计了一种防风仿生挖掘铲。结合仿生学原理,采用高精度三维扫描技术对鼹鼠前爪最长的第3趾进行仿生数据采集,运用Imageware逆向设计软件对第3趾点云数据进行处理,以获取轮廓曲线点云数据,并经MatLab软件进行数据拟合得到仿生铲结构曲线。根据根茎类中药材挖掘铲设计原则及栽种防风农艺要求,确定仿生铲关键性能参数,并建立三维模型。利用EDEM离散元仿真分析软件从减阻性能、碎土性能两方面对仿生铲和普通铲的挖掘性能进行对比分析,结果表明:同一仿真条件下,仿生铲减阻率为12.50%,碎土率提升2.92%。通过土槽试验验证仿生铲的挖掘性能及离散元仿真模型的准确性,结果表明:仿生铲减阻率为13.42%,实测值与仿真值相对误差为6.86%,仿生铲具有较好的减阻和碎土性能,所构建离散元仿真模型准确程度较高。