同向双螺旋排肥器优化设计与试验

针对传统排肥器存在施肥不均而造成肥料利用率低问题,设计了一种双排肥轮结构的同向双螺旋排肥器,通过理论分析确定排肥器的理论排肥量及影响排肥均匀性的参数,以排肥轮螺距、中心距、叶片高度为试验因素,以排肥均匀性波动系数和轴向平均速度为试验指标,进行三因素三水平Box-Behnken试验。结果显示:排肥轮螺距对排肥均匀性波动系数影响极显著,排肥轮中心距、叶片高度对排肥均匀性波动系数影响显著,排肥轮螺距、中心距、叶片高度对轴向平均速度影响极显著,在排肥轮中心距为48 mm、螺距32.5~33.2 mm、叶片高度13.5~14.7 mm时,排肥均匀性波动系数≤10%、肥料轴向平均速度≥30 mm/s,排肥器作业性能最佳。在最优参数组合下排肥均匀性波动系数台架试验与仿真试验相对误差为1.47%、单圈排肥量台架试验与仿真试验相对误差为1.96%,台架试验与仿真试验吻合较好。在不同转速下同向双螺旋排肥器较单螺旋排肥器排肥均匀性波动系数平均降低64.21%、单圈排肥量平均提升72.16%,优化后的同向双螺旋排肥器排肥均匀性好且排肥流量大。

两种排肥装置的排肥性能研究

【目的】解决目前排肥装置存在的排肥不均匀、肥料磨损严重和排肥脉动性较大等问题,提高肥料利用率。【方法】文章介绍了立式窝眼式排肥装置和立式变型腔排肥装置两种立式排肥装置,对两种排肥装置的结构和工作原理进行了说明,并通过台架对比试验对两种排肥装置的排肥性能进行分析,确定了排肥均匀性更好的结构以及影响肥料磨损的重要因素。【结果】1)立式变型腔排肥装置在有机肥最大、有机肥最小、复合肥最小三种工况下,排肥均匀性变异系数平均值相对于立式窝眼式排肥装置分别提高了0.03个百分点、0.77个百分点、1.01个百分点。2)立式窝眼式排肥装置在较高转速时肥料磨损比较严重,肥料利用率较低。【结论】从试验测得的结果来看,立式变型腔排肥装置的排肥性能要略差于立式窝眼式排肥装置,但是在排肥量调节上,其相较于立式窝眼式排肥装置而言更为简便,在肥料磨损方面优于立式窝眼式排肥装置。综合分析来看,立式变型腔排肥装置具有更好的工作可靠性和排肥均匀性,可为排肥装置设计提供参考。

离心腔盘挤出式油菜高速精量排肥器设计与试验

针对现有排肥装置无法满足油菜高速机直播排肥量范围且易卡顿拥堵,排肥稳定性差及肥料颗粒破碎严重的问题,该研究设计了一种离心腔盘挤出式油菜高速精量排肥器。根据高速直播作业农艺要求,结合肥料颗粒运动过程分析,确定了进肥口、离心腔盘、排肥口、动力系统等关键参数。利用离散元软件EDEM建立排肥过程仿真模型,明确了排肥器转速变化对离心腔盘转矩、肥料颗粒平均载荷、肥料破碎率的影响规律。分析结果表明,随着排肥器转速增加,离心腔盘转矩增加,腔盘内的肥料颗粒平均载荷逐渐减小,破碎率增加,破碎率不超过0.80%。排肥器性能试验表明,排肥器转速30~120 r/min(对应排量15.0~58.1 g/s),可满足最大施肥量为600 kg/hm^(2)时3.0~12.0 km/h的油菜高速机直播作业需求,排肥器各行排量一致性变异系数低于8.58%,同行排量稳定性变异系数低于6.45%,破碎率低于0.89%;正常田间作业0°~5°倾斜状态下各行排量一致性变异系数不超过8.72%。对比试验结果表明,相较螺旋扰动式排肥器,离心腔盘式排肥器适应高速作业,破碎率减少63.82%,高速大排量排肥时未出现卡肥堵塞等情况。田间试验表明,作业速度在4.1~10.1 km/h范围内,排肥器各行排量一致性变异系数不大于6.72%,同行排肥量稳定性变异系数不大于4.84%,实际排肥量相对误差小于4.54%。设计的排肥器排量范围广,排肥顺畅稳定,破碎率低,满足油菜高速直播精量排肥需求。

基于EDEM的倾式单螺旋排肥器排肥性能仿真分析

为提升传统螺旋式排肥器排肥均匀性,在仿真分析确定其排肥不均问题原因的基础上,设计了一种倾式单螺旋排肥器。通过理论分析确定了排肥器关键参数,利用EDEM仿真模拟倾式单螺旋排肥器的排肥过程,以螺旋排肥轮转速为试验因素,排肥均匀性变异系数为评价指标,进行单因素试验。试验结果表明,倾式单螺旋排肥器较传统螺旋排肥器的排肥均匀性变异系数提升了73.26%,螺旋排肥轮不同转速对排肥均匀性变异系数有着极显著影响(P<0.000 1),同时随着转速的增加其排肥均匀性变异系数逐渐减小,排肥均匀性变好。且螺旋排肥轮转速在75~120 r/min范围内达到最好效果,排肥均匀性变异系数稳定处于2.05%~4.04%,符合施肥机械质量评价技术规范。研究可为螺旋排肥器的优化设计提供参考。

苹果园开沟施肥机排肥装置设计与试验

针对现代苹果园机施有机肥排肥不稳定和均匀性较差等问题,结合现代苹果园栽培模式和施肥农艺要求,设计一种牵引式施肥机械,并对其排肥装置进行研究。以排肥量和排肥一致性为试验指标,以刮肥板高度、刮肥板链条速度、挡肥板高度和机组前进速度为试验因素,利用离散元软件EDEM进行仿真模拟。仿真结果表明:刮肥板链条速度为0.2 m/s时,排肥装置的排肥一致性效果较好,挡肥板的高度、机组前进速度和刮肥板的高度对排肥一致性影响效果不显著,所有试验因素对排肥量均有显著影响。试制排肥装置进行台架试验,结果表明:在链条速度为0.2 m/s,挡肥板的高度为0 mm时,排肥量为2.02 kg/s;排肥量的理论计算值为1.91 kg/s、仿真计算值为1.96 kg/s,与试验值相比相对误差分别为5.44%和2.97%;模拟试验和台架试验的排肥一致性趋势相同,肥箱中的有机肥减少时,排肥一致性变大,最大误差为12.02%,满足果园作业要求。

基于DEM-CFD耦合的气力式排肥器的仿真与试验

施肥作业的品质直接影响农作物的产量,为了提高施肥作业的机械化水平,依据负压吸附原理优化设计了一种可高效施肥的气力式排肥器。首先基于离散元法(DEM)建立了肥料颗粒模型,利用Ansys软件对排肥器模型进行简化与网格划分,利用Fluent模块分析了排肥器内部流场,得到了吸孔截面压力云图与气流场迹线图,接着利用EDEM-Fluent耦合模块,对排肥器进行了数值模拟研究,最后进行台架性能试验,得到不同参数下的性能指标与最优参数组合。对比仿真与台架试验结果,得出如下结论:当排肥盘转速为43 r/min,负压大小为7 kPa时,单圈排肥量为4.46 g,排肥均匀性变异系数为8.72%,排肥性能最佳,满足施肥机械质量评价标准,可为气力式施肥机械的设计提供参考。

免耕播种机无轴螺旋排肥输肥装置设计与试验

针对西南地区坡度较大、免耕地表秸秆及根茬等造成耕地平整度较差,驱动式破茬防堵免耕播种机作业时机具整体产生振动较大,导致排肥器排肥及导肥管导肥作业性能差的问题,基于螺旋输送原理,设计了一种柔性无轴螺旋排肥输肥装置。通过对肥料的螺旋输送以及物料临界输送速度分析,得出螺旋叶片最佳充肥尺寸以及转速范围。采用EDEM仿真进行二次回归正交旋转试验和响应曲面法分析无轴螺旋排肥输肥装置最佳工作参数:螺旋叶片内半径3 mm、螺旋叶片外半径12.8 mm、螺旋叶片转速319 r/min以及螺旋间距24.5 mm。田间测试结果表明,在地表平整度平均值以及地表坡度分别为8.9 cm、16.1°时,无轴螺旋排肥输肥装置在作业速度1.5 m/s时,排肥精度误差、均匀性变异系数分别为1.87%、2.52%,满足国家施肥标准,播肥符合当地农艺要求。所设计的无轴螺旋排肥输肥装置满足免耕播种施肥要求,可为在地表平整度较差时排肥和振动较大条件下排肥器以及导肥管的设计与改进提供参考。

基于GWO-GRNN的双变量施肥系统排肥量预测模型构建

双变量施肥系统排肥量预测模型的构建主要以数学统计和机器学习方法为主。针对机器学习建模方法中普遍存在的运算过程耗时较长问题,基于灰狼算法(gray wolf optimizer,GWO)和广义回归神经网络(general regression neural network,GRNN),提出一种排肥量预测模型构建方法(GWO-GRNN),并对其有效性进行了验证。首先,基于双变量施肥试验平台进行3种不同固体颗粒肥的定时排肥试验,获得试验数据集;其次,提出GWO-GRNN算法对GRNN的平滑因子进行优化,并将寻优过程与现有算法(DE-GRNN)进行对比,结果表明GWO-GRNN算法整体上具有较快的收敛速度和较短的运行时间;最后,基于获得的最佳平滑因子构建3种颗粒肥的排肥量预测模型,并分别选取3种颗粒肥未参加训练的18个样本作为测试集,对模型精度进行验证。结果表明,构建的3种颗粒肥排肥量预测模型决定系数均在0.99以上,平均相对误差均在2%左右。该方法能够在保证排肥量预测模型精度的同时提升运算效率,具有较好的适应性。

圆锥盘推板式水田侧深施肥双行排肥器设计与试验

为提高水田侧深施肥排肥器稳定性与均匀性,增强肥量调节能力,保证水田侧深施肥作业效率与质量,结合黑龙江地区水田施肥农艺要求,设计了一种圆锥盘推板式双行排肥器。阐述了排肥器工作原理,构建了肥料不同阶段的力学模型,确定了圆锥转盘结构参数与临界转速;应用离散元软件EDEM仿真分析推板数量对肥料填充能力与排肥性能的影响规律,得出推板数量为8时,排肥器具有最佳排肥性能;采用全因子试验方法开展圆锥转盘转速为15~45 r/min、排肥口开度为5~25 mm条件下排肥器排肥量和排肥性能的台架试验,试验结果表明,排肥量范围为122~934 kg/hm^(2),与圆锥转盘转速和排肥口开度均具有较高的线性相关性,且与圆锥转盘转速相关性最高;双行排肥量一致性变异系数、总排肥量稳定性变异系数和排肥均匀性变异系数范围分别为1.01%~3.88%、1.05%~3.81%、6.64%~15.79%,排肥器倾斜状态下双行排肥量一致性变异系数最大值为6.17%,试验结果满足水田侧深施肥性能要求。

基于遗传算法的螺旋双轮排肥器优化设计与试验

【目的】对传统单螺旋排肥器排肥口物料流量随时间波动变化造成排肥均匀性低的问题进行改进。【方法】通过离散元法仿真分析单螺旋排肥器的排肥过程,针对单螺旋排肥器排肥均匀性低的问题设计一种螺旋双轮排肥器;通过理论分析确定该螺旋双轮排肥器理论排肥量,并建立以中心距、螺距、叶片高度、叶片厚度、螺旋叶片内径为设计变量,有效储肥体积为目标函数的数学模型,利用遗传算法对排肥器进行结构优化,并以史丹利复合肥颗粒为肥料对螺旋双轮排肥器进行台架试验验证。【结果】优化后结构参数分别为中心距49.8 mm,螺距32.5 mm,叶片高度15.2 mm,叶片厚度2.3 mm,螺旋叶片内径13.6 mm。对优化后的排肥器进行台架对比试验,在不同转速下螺旋双轮排肥器较单螺旋排肥器排肥均匀性波动系数平均减少26.62%,实际排肥量平均提升75.41%,并得到螺旋双轮排肥器转速与排肥量的线性函数方程。【结论】螺旋双轮排肥器解决了单螺旋排肥器的现存排肥流量波动问题,优化后的排肥器排肥均匀性更好,排肥量更大,且可实现转速变化控制精量施肥。

反转啮合直齿轮排肥器偏角对排肥性能的影响

为明确排肥器偏角对反转啮合直齿轮排肥器排肥性能所造成的影响,优化排肥器的最佳偏角,在介绍排肥器工作原理的基础上,通过solidworks中的“质量属性”功能确定其理论排肥量,通过EDEM建立排肥器的仿真模型并对排肥过程进行仿真模拟,以排肥均匀性变异系数为评价指标进行单因素试验,结果表明:排肥均匀性变异系数随着排肥器偏角的增大而减小,当排肥器偏角为90°时,即排肥器与机具行进方向的夹角为90°时,排肥均匀性变异系数最小,排肥器排肥性能最好。

基于EDEM的双向螺旋式排肥器排肥性能分析

目的:为促进化肥减量增效,设计一种用于水稻侧深施肥的双向螺旋式排肥器,并利用仿真分析验证其排肥性能。方法:依据螺旋输送机构设计原理对双向螺旋式排肥器进行设计,建立其EDEM模型,仿真模拟排肥过程获得排肥试验数据,通过单因素方差分析不同排肥转速对排肥均匀性变异系数的影响,并分别对单圈排肥量和排肥量的理论值仿真、试验值比较分析,判断排肥性能。结果:在高速插秧机正常行进速度0.5 m/s下,排肥转速对排肥均匀性变异系数影响显著(P<0.01),且排肥轴转速为90~120 r/min时,排肥均匀性变异系数稳定处于2.7%~4.9%;单圈排肥量和排肥量的理论值、仿真试验值误差均在2.38%以内。结论:设计的双向螺旋式排肥器结构合理、排肥均匀性良好,为双向螺旋式水稻侧深施肥机精准排肥提供参考。

振动式有机肥排肥装置设计与试验

蔗田有机肥机械化排施装置是解决甘蔗种植施肥过程中肥料结拱、排肥不均匀、降低成本的有效施肥方法之一。结合有机肥含水率、粘稠度等物理特性,通过对肥料箱与导肥槽内有机肥颗粒进行力学分析,运用Jenike理论,结合肥料颗粒静止与结拱临界条件,进行排肥机构螺旋转轴转速分析与排肥口尺寸计算,并运用SolidWorks对有机肥螺旋排肥装置进行三维建模,对关键结构部件进行受力分析,仿真分析核心连接件的强度刚度,优化排肥装置结构。同时进行样机试制,在样机导排肥机构上耦合电磁场,通过田间试验对有机肥排肥性能进行验证。试验表明:当前进速度为0.25 m/s,螺旋叶转速为1.55 r/s,电磁振动频率为45.5 Hz时,排肥连续率为86.14%,排肥箱内结拱现象降低,甘蔗机械化种植过程中有机肥排肥装置的施肥技术水平提高,对助力推动有机肥机械化施肥技术的进一步推广应用具有重要意义。

错排齿轮式排肥器优化与试验

为提升双齿轮式排肥器的排肥均匀性,该研究基于原始结构参数对直齿排肥齿轮进行改进,设计错排齿轮式排肥器。在参数化建模和确定轮齿容肥体积的基础上,结合理论分析确定了排肥器的理论排肥量。利用EDEM对排肥过程进行仿真,通过单因素试验分析错排齿轮片数、排肥轮间隙对排肥均匀性的影响,选用L_(9)(3^(4))正交表进行正交仿真试验。试验结果表明:试验因素对试验指标影响的主次顺序为错排齿轮片数、排肥轮间隙,当错排齿轮片数为3片、排肥轮间隙为5 mm时,排肥均匀性变异系数为4.69%。采用台架试验对双齿轮和错排齿轮式排肥器进行对比试验,结果表明:转速60 r/min时错排齿轮式排肥器的排肥流量变异系数为4.74%,与理论值基本吻合,且比双齿轮排肥器变异系数减小10.68个百分点。基于实测排肥器转速-流量曲线设计电控排肥控制器并进行台架试验,施肥精度偏差为3.1%,优化后的排肥器排肥均匀性良好,且可实现精控排肥。研究结果可为精控排肥器的设计及优化提供参考。

振动对小型穴施肥机排肥性能的影响研究

外槽轮排肥器作为施肥机的重要组成部分,其排肥性能会直接影响农作物的长势和产量。小型穴施肥机在田间工作时,由于行驶速度不同、地表不平整等因素,会对施肥机外槽轮排肥器造成较大的振动,降低排肥精度。对施肥机外槽轮排肥器在不同振动工况下的排肥性能进行离散元仿真模拟分析。结果表明:排肥轮轴分别在振动加速度为34.67 m/s^(2)、排肥轮轴有效工作长度为50 mm、转速为10 r/min时,排肥性能最好。有振动设置的情况下,排肥量随着振动加速度的增大而增大,排肥量变异系数随着振动加速度的增大先增大后减小。没有振动条件设置时,单穴排肥量差异不大。开展田间试验,对不同激振条件下的外槽轮排肥器排肥性能进行分析,激振为0 cm、3 cm和6 cm时,田间试验和仿真试验的排肥量相对误差分别为4.53%、3.84%和2.85%,表明利用仿真试验进行振动对排肥性能的影响研究具有可行性。

气吸式精密播种机排肥装置的设计与研究

设计了一种气吸式精密播种机排肥装置,应用三维软件建立气吸式精密播种机排肥装置模型,介绍了排种装置施肥量的调节方法。

外槽轮排肥器结构参数优化与试验

外槽轮排肥器是精准变量施肥的重要实施载体,为了研究外槽轮的结构参数对排肥器排肥性能的影响,阐述了外槽轮排肥器的工作原理,确定了影响排肥器性能的主要因素,构建了外槽轮排肥器充肥和排肥过程中的力学模型;运用离散元软件EDEM对外槽轮排肥器的排肥性能进行仿真分析,分析了槽轮半径、弧心距、凹槽数目对排肥性能的影响。选用排肥均匀度变异系数作为评价指标,槽轮半径、弧心距和凹槽数目为试验因素,进行排肥量的单因素试验和排肥均匀性的多因素试验。试验结果表明:排肥量与弧心距呈良好的线性关系,决定系数R^(2)不小于0.87;影响排肥性能的主次因素依次为槽轮半径、弧心距和凹槽数目,槽轮半径和弧心距的交互作用对排肥均匀性影响显著;当凹槽数目6个、槽轮半径27mm、弧心距25mm时,排肥均匀性系数最优值为91.12%。进行最优结构参数下的外槽轮排肥器台架试验和整机试验,结果显示排肥器的排肥均匀度系数为91%~95%。

斜口螺旋精控排肥器优化设计与试验

为解决螺旋排肥器排肥流量不均匀影响精控施肥的问题,在通过排肥过程肥料运动状态仿真分析确定其排肥不均原因的基础上,采用倾斜排肥口的结构设计以提升排肥均匀性。利用EDEM建立斜口螺旋排肥器仿真模型,以斜口长度x_(1)、斜口角度x_(2)、开口宽度x_(3)为试验因素,排肥流量变异系数为试验指标,进行二次通用旋转组合设计试验研究。试验结果表明:试验因素对试验指标的影响主次顺序为x_(3)、x_(2)、x_(1),且当x_(1)为105 mm、x_(2)在30°~44°范围内、x_(3)在40.05~55.00 mm范围内时,排肥流量变异系数σ小于15%,排肥均匀性较佳。采用台架试验对传统及斜口螺旋排肥器进行对比试验,结果证明:转速60 r/min时斜口螺旋排肥器排肥流量变异系数σ为13.59%,与理论优化值相吻合,且斜口螺旋排肥器均优于传统螺旋排肥器。同时基于实测的排肥器排肥转速流量曲线,设计一种排肥控制器并进行台架试验,结果表明其可实现精控施肥。

开沟施肥机叠片式排肥量调节装置设计与试验

针对现有排肥装置存在调节精度低、肥量调节不均匀等问题,设计一种叠片式排肥量调节装置,其能提高排肥量调节装置性能。调节装置为叠片式,叠片呈梯形,叠片的底部设有连接板,连接板的两端分别设有铰接孔,叠片沿中轴线偏向右侧向内折弯,叠片的两侧边分别向内和向外折弯。结合正交旋转组合试验设计最终确定,折弯线相对中轴线偏转角度4.63°、向内折弯角14.4°、向外折弯角10.57°,起点与中轴线的距离4.27 mm,此时理论上排量一致性变异系数为0.72%,排肥稳定性变异系数为0.39%,排肥均匀性变异系数为1.77%。田间验证试验结果表明:排量一致性变异系数为0.81%、排肥稳定性变异系数为0.42%、排肥均匀性变异系数为1.85%。

水平涡轮叶片式精量排肥器设计与试验

为提高排肥均匀性,以大颗粒尿素为研究对象,设计了一种水平涡轮叶片式精量排肥器,对关键参数进行了设计与机理分析,确定了影响排肥均匀性的影响因素和参数范围,并基于离散元仿真软件确定了对数螺旋线叶片曲面参数。以涡轮叶片数量、涡轮转速和排肥口开度为试验因素,进行了排肥量的单因素试验和排肥均匀性的BoxBehnken多因素试验,结果表明,排肥量与转速呈良好的线性关系,决定系数R2不小于0.96,对于确定叶片数量的排肥涡轮,可匹配不同排肥口开度的涡轮底盘并实时控制排肥涡轮转速来调节排肥量,易于实现变量施肥作业,且排量范围内排肥均匀性较好;涡轮叶片数和排肥口开度的交互作用对排肥均匀性影响高度显著,各因素影响的主次顺序为涡轮叶片数、涡轮转速和排肥口开度;当涡轮叶片数为8个、涡轮转速为98 r/min、排肥口开度为40°时,排肥均匀性系数为97.24%,实际试验验证结果与优化结果相吻合;对磷酸二胺颗粒肥料的适应性验证试验结果表明,两种颗粒肥料排肥器排肥均匀性系数接近97%,排肥量稳定性变异系数小于2%,排肥器具有较好的排肥均匀性和排量稳定性;对比分析目前常用外槽轮排肥器,设计的水平涡轮叶片式精量排肥器有效地提高了颗粒肥料的排肥均匀性。