基于旋转目标检测的青贮机精准抛送系统设计与试验

现阶段青贮收获机主要采用驾驶员或其他操作人员手动控制抛送筒转动的方式完成物料装车,存在操作要求高,劳动强度大,影响收获效率且易造成田间损失等问题。针对上述问题,该研究根据机器视觉原理,设计青贮收获机精准抛送填装系统,通过构建R-YOLOv5旋转目标检测算法,实现对旋转车厢、车内物料、抛送物料流的识别及落料位置判断;根据反馈的期望落料点与实际落料点信息,并通过Arduino控制器实现青贮收获机抛送筒的运动控制,将青贮物料精准抛送至跟车车厢,实现物料的高效填装。试验结果表明:当抛送筒在-60°~60°范围内旋转且角速度低于15°/s时,所构建的R-YOLOv5目标检测算法对料车车厢的识别平均精度高于90%;实际距离与图像像素比值为0.533 cm/px时,青贮收获机抛送筒的理论运动轨迹与实际运动轨迹平均误差保持在4%之内,满足实际作业要求。研究结果可为研发自走式青贮收获机精准抛送填装系统提供借鉴。

抛送辊式百合收获机的设计与试验

为了解决黏重土壤条件下百合收获时果土分离效果差、埋果率高、破碎率高的问题,设计了一种适合黏重土壤条件下作业的抛送辊式百合收获机。结合百合生长状况以及种植农艺要求,对果土混合物在振动输送装置、抛送辊组上的运动过程及分离作业机理进行分析,构建了黏重土块在抛送辊上抛掷碎土、碰撞碎土的动力学模型,通过分析得到了振动输送装置结构及最大摆动角度、抛送辊组级数、抛送辊轮齿数、抛送辊轮直径及轮廓尺寸等参数。根据设计结果搭建了样机并进行了作业参数的多因素试验,以果土分离机构前进速度、抛送辊转速、挖掘深度为试验因素,百合埋果率、破碎率为试验指标,运用Box-Benhnken试验方法,建立因素与试验指标的回归方程,并得到因素对百合收获指标的影响规律。当试验取最优参数组合为果土分离机构前进速度为0.6 m/s,抛送辊转速为90 r/min、挖掘深度为170 mm时,百合埋果率、百合破碎率的田间试验值分别为6.3%和7.1%。机具各项性能符合设计要求,该研究成果可为百合机械化收获技术及装备研究提供参考。

油莎豆联合收获机反旋抛送装置的设计与试验

根据油莎豆收获机挖掘装置普遍存在挖掘阻力大、漏果率高等问题,结合油莎豆种植模式及油莎豆根系的物理特性,设计了一种油莎豆反旋挖掘装置,重点分析了反旋刀片的结构参数对于反旋抛送效率的影响关系及各结构参数的取值范围。利用EDEM仿真试验,建立油莎豆团聚体的离散元模型,结合反旋刀片的运动分析和结构参数分析,以反旋刀片的弯折角、工作幅宽及回转半径为试验因素,以刀片阻力和刀轴扭矩为试验指标进行试验设计,运用多目标变量优化方法建立了优化模型,得出反旋刀片最佳结构参数:弯折角50.00°,工作幅宽140.00mm,回转半径184.94mm。田间试验验证表明,反旋抛送装置满足油莎豆收获要求。

秸秆抛送装置外壳振动辐射噪声数值模拟与试验验证

针对目前秸秆抛送装置抛送叶轮扰动空气及物料引发噪声的原因尚不清楚,为了在秸秆揉碎机设计阶段估算其抛送装置的振动辐射噪声,首先采用计算流体力学CFD方法对秸秆抛送装置内部的气-固非定常流场做了整场瞬态数值模拟,将作用在外壳表面的气流和物料脉动压力加载给抛送装置外壳模型,并采用有限元方法对外壳进行了模态分析及动力响应分析,实现了从气-固两相流体到结构的单向耦合;将抛送装置外壳振动响应作为声学边界条件,利用LMS Virtual Lab的间接边界元Indirect Boundary Element Method声振耦合模块计算了非定常流动引起的外壳振动辐射噪声,并进行了试验验证。数值计算与实测声压级变化趋势相同;辐射噪声最大的基频100 Hz处个别测点仿真声压级较实测值高2.28 dB(A),其余测点的仿真与试验值相差不到1.5 dB(A),结果表明理论分析和数值仿真的可靠性。基于上述方法,比较分析了外壳壁厚对振动辐射噪声的影响。研究结果表明:对应确定的激励频率,存在较合理的外壳壁厚尺寸组合。叶轮转速为1 500 r/min时,较优壁厚为圆形外壳前后侧板壁厚4 mm,其余壁厚为3 mm的尺寸组合,声功率级为78.07 dB(A),满足饲草揉碎机噪声限值90 dB(A)的国家标准要求。该研究可为秸秆揉碎机及叶片式抛送装置低噪声设计研究提供参考。

叶片式抛送装置抛送性能的试验

针对农业纤维物料加工机械和收获机械抛料过程中存在的排料难、负荷大的问题,对叶片式抛送装置的主要工作参数进行了试验研究。在不同转速和不同叶片倾角下,对叶片式抛送装置的气流流场、功耗及抛送距离进行了试验研究。确定最佳的转速范围为：950-1150 r/min,后倾15°叶片消耗的功耗小,后倾3°叶片抛送的距离最远。

抛送式棉秆粉碎还田机的设计与试验

抛送式棉秆粉碎还田机采用高速旋转的甩刀将棉秸秆粉碎,并以一定的高度和距离向后抛出机体越过残膜回收机,实现膜上棉秆的清理,为残膜回收机膜秆分离创造条件。在理论分析的基础上,通过试验研究确定了抛送式棉秆粉碎还田机的基本结构和主要参数,获得了刀辊转速与机组前进速度的合理配比关系,从而降低棉秆根茬高度,提高了棉田秸秆粉碎还田机的作业效果。试验证明改进后的样机性能有较大提高,基本能够满足秋后棉田秸秆粉碎还田与残膜回收联合作业的技术要求。

叶片式秸秆抛送装置功耗分析与参数优化

为了降低叶片式抛送装置功耗、提高抛送效率,该文采用理论分析与试验研究相结合的方法建立了考虑气流影响的、适合各种叶片倾角的叶片式抛送装置功耗数学模型,并利用虚拟样机进行优化,以抛送功耗最小为目标函数,对抛送装置结构参数、运动参数进行参数化分析。结果表明,叶轮外径700mm、转速650～2000r/min时,采用径向叶片、转速为650r/min时比功耗最小。通过参数化分析得到不同工况时叶片式抛送装置结构参数与运动参数的最佳配置,为实际叶片式抛送装置的设计生产提供较精确的理论依据,并对节能降耗有着重要的现实意义。

基于Mixture模型的叶片式抛送装置内气固两相流模拟

为了揭示叶片式抛送装置抛送物料时内部气流和物料复杂的流动特性以优化设计和指导运用,应用计算流体力学软件Fluent中的Mixture多相流模型、标准k-ε湍流模型与SIMPLEC算法,对抛送装置内气固两相流动进行了数值模拟,并将计算结果与抛送装置内物料运动的高速摄像试验结果进行了比较,物料速度的模拟值和高速摄像实测值基本吻合。在分析了物料运动规律基础上,对其叶片数、进料速度以及物料体积浓度的不同变化作了对比模拟。研究结果表明:数值模型可预测叶片式抛送装置的输送性能以及最佳喂入量;4叶片较3和5叶片更有利于抛送;进料速度对物料在叶轮区的体积分布规律影响较大,在最佳喂入量范围内,进料速度越大,出口处物料浓度越大,抛离速度也越大,装置输送性能越好;超过此范围时,随进料速度增大,进料口处物料浓度增大而出口处物料浓度减小,装置极易堵塞;进料口物料体积浓度的变化只影响抛送叶轮内以及圆形外壳出口区域的物料体积浓度,而对其物料速度分布规律及速度大小影响不大。该研究可为叶片式抛送装置工作参数优化提供参考。

玉米秸秆切碎抛送装置的试验研究

应用方差分析和正交多项式回归分析方法研究了玉米秸秆切碎抛送装置的主要参数 :切刀转速与秸秆切段长度、秸秆抛送距离、功率消耗的函数关系 ,及其对工作性能的影响 。

秸秆抛送装置抛送叶轮的振动特性分析

针对叶片式秸秆抛送装置工作时的振动、噪声以及叶片疲劳断裂等问题,为减少共振的发生,利用有限元分析软件ABAQUS对抛送叶轮的自由模态与预应力模态进行了数值计算,其中预应力模态采用单向流固耦合方法对流场和叶轮结构响应进行求解,获得了该系统的前12阶模态频率以及振型,并利用扫描式激光测振仪对抛送叶轮进行了模态试验,验证了理论分析和数值计算的准确性。在分析了系统外部激振频率特点的基础上,对影响叶轮振动特性的结构参数进行了对比模拟。研究结果表明:预应力使叶轮的1和2阶频率提高幅度较大,对振型没有影响;叶片数对模态频率和振型影响最大,叶轮是否加筋对频率的影响其次,叶片厚度对低阶频率影响最小;三叶片叶轮最不易发生共振,四叶片次之,五叶片最易发生共振;叶片厚度为4 mm时最不易发生共振,5 mm时次之,6 mm时最易发生共振;叶轮加筋可以改善其动态性能,不易发生共振。该研究可为叶片式抛送装置结构振动特性的描述及动态性能的优化提供参考。

物料沿抛送叶片的运动仿真与高速摄像分析

为了揭示物料运动规律与叶片式抛送装置功耗及抛送效率之间的关系,从而降低叶片式抛送装置功耗、提高抛送效率,采用理论分析、虚拟样机技术与高速摄像技术相结合的方法对物料沿抛送叶片的运动进行研究。建立了适合前倾、后倾及径向叶片的物料沿抛送叶片运动的动力学模型及ADAMS模型,为了综合考虑气流对物料以及物料间的相互作用引入当量摩擦系数,通过与高速摄像试验数据进行回归分析得到当量摩擦系数的值,进而对动力学模型及ADAMS模型进行了修正。通过分析功耗及抛送效率与物料运动规律之间的关系,获得了物料最佳抛出角范围约为60°～130°。该研究为叶片式抛送装置参数优化提供了参考。

叶片式抛送装置气流流场数值模拟与优化

应用计算流体力学软件Fluent对9R-40型揉碎机叶片式抛送装置内部的三维气流流场进行了数值模拟,并对计算出的出料直管处的气流速度与试验值进行了比较,检验了数值模拟的可靠性。同时,对其叶片数、叶片倾角、抛送外壳形状及出口处倒角等几何参数的不同变化作了对比模拟,得出4叶片、圆形外壳、后倾叶片更有利于抛送,且出口处圆弧半径不宜太大。

曲面直刃刀切碎与抛送变量的研究

应用动力学原理 ,建立了秸秆切段的运动微分方程 ,设计了具有切碎与抛送功能的曲面直刃圆筒式刀片。对刀片的切碎与抛送变量的关系进行了研究 。

甘薯秧回收机抛送装置气固耦合模拟与试验优化

为解决甘薯秧回收机抛送功耗高的问题,同时提高抛送装置抛送性能及甘薯秧回收率,对回收机抛送装置的风机结构及工作参数进行优化设计。分析抛送装置甘薯秧动力学特性及功耗影响因素,应用CFDDEM气固耦合法对抛送装置的输送过程进行数值模拟,揭示回收机内气流速度场分布和碎甘薯秧运动规律。以抛送装置比功耗、甘薯秧回收率、抛送速度为试验目标,风机转速、叶片数、叶片倾角为试验因素进行三因素三水平中心组合仿真优化试验并进行试验验证。优化试验结果表明:当风机转速为880 r/min、叶片数为3、叶片倾角为7°时,抛送装置比功耗、甘薯秧回收率及抛送速度分别为718 m^(2)/s^(2)、92.79%、5.96 m/s。对比试验表明抛送装置优化改进后比功耗降低15.83%,甘薯秧回收率提高1.75%,抛送速度提高5.49%。

免耕播种机的抛送装置数值模拟与试验研究

为了了解全秸秆覆盖地免耕播种机叶片式抛送装置气流流场的分布情况以及抛料管道气流速度的影响因素,采用FLUENT对抛送装置进行数值模拟并对其进行了试验研究。结果表明,气流速度沿叶轮径向方向由内向外逐渐升高;圆形壳体出料口外侧的气流速度较内侧处的高;模拟所得结果和试验值的分布趋势基本一致,验证了数值模拟的可靠性;抛送叶轮的转速越高、叶片直径越大,各测点的气流速度就越大,越有利于秸秆物料的抛送;当叶片数为4、叶片倾角为后倾10°时,更有利于秸秆物料的抛送。

秸秆揉碎机抛送叶轮应力应变分析与优化设计

叶片式抛送装置抛送物料的过程中,作为主要工作部件的抛送叶轮的应力应变直接影响整个叶片式抛送装置的强度及寿命。以秸秆揉碎机抛送装置中的抛送叶轮为研究对象,基于ANSYS Workbench对影响叶轮强度特性的应力应变进行分析,并利用响应面法对其进行了优化设计。研究表明:叶片厚度对等效应力、总变形量及叶轮质量的影响最大,架板厚度次之,架板半径最小;优化后叶轮最大等效应力下降,总变形量减小,叶轮质量减小。该研究可为叶轮结优化设计和改善抛送装置工作性能提供参考。

适用于免耕播种的叶片式抛送装置的数值模拟

为了揭示全秸秆覆盖地免耕播种机中叶片式抛送装置流场分布情况及出料直管处气流速度的影响因素,应用FLUENT软件对抛送装置进行了数值模拟,在原模型的基础上,对不同的叶片数、叶片直径、叶片倾角和叶轮转速进行对比模拟。模拟结果表明:壳体内气流速度沿叶轮径向方向由内向外逐渐升高,圆形壳体出料口处左侧的气流速度较右侧高;4叶片内部速度矢量及A截面的气流速度分布较叶片数3和5均匀;抛送叶轮转速越高、叶片直径越大,A截面气流速度越高;叶片后倾10°,更有利于秸秆物料抛送。

叶片式抛送装置出料管内物料运动仿真与结构改进

为了提高叶片式抛送装置的输送效率、增加抛送距离,通过理论分析建立了出料管内物料运动的数学模型;基于此模型采用计算流体力学软件Fluent中的欧拉-拉格朗日法对抛送装置内气固两相流动进行数值仿真,并将仿真结果与高速摄像实测结果比较验证其可靠性;在分析了物料运动规律基础上,对出料管截面形状、出料直管段高度及弯管段形状的不同变化进行了对比模拟。研究结果表明:圆形截面出料管最合理,方形截面次之,矩形截面最不合理;出料直管高度的最佳取值区间为[500,1 000]mm;弯管上壁为两段圆弧结合较一段圆弧阿基米德螺线、对数螺线及水平轴抛物线等更有利于输送物料。

叶片式抛送装置气流运动仿真与参数优化

为了减少能量损失,提高叶片式抛送装置的抛送效率,采用计算流体力学软件Fluent对叶片式抛送装置内部的三维气流流场进行了仿真,获得了流场气流运动的基本规律及其影响因素。并对计算出的气流速度与试验值进行了比较,检验了数值模拟的可靠性。同时,对其叶片数、叶片倾角等几何参数的不同变化作了对比模拟,得出4叶片、后倾10°叶片更有利于抛送,且适当提高喂料口的位置、减小轴承座处的间隙将有利于减少叶轮区的涡流,从而减少能量的损失,产生更有利于物料抛送的气流流场。

物料在叶片式抛送器内的运动

就小麦与麸渣在叶片式抛送器内的运动进行了理论分析与试验研究，建立了物料质点沿叶片的滑移运动微分方程，求得了其近似解，并结合物料流动分布带的测定与高速摄影试验观察，对理论公式进行了验证。