中耕期玉米田间避苗除草装置设计与试验

针对现有旱田避苗除草装置多依赖于智能导航平台,机械式避苗除草装置无法确定秧苗位置的问题,该文基于除草执行部件间歇式旋转运动的思想,设计了一种针对中耕期玉米田间使用的避苗除草装置,该装置由软轴、行程开关、步进电机、除草梳齿和测控系统等组成。当该装置需要执行避苗除草动作时,除草梳齿会旋转120°以躲避秧苗。在吉林大学的土槽实验室,进行了三因素四水平的正交试验,试验结果显示,在秧苗株距为26 cm,梳齿入土深度为20 mm,前进速度为5 km/h时,该装置的平均伤苗率为5.9%,平均除草率为94.7%,方差分析结果显示,玉米的种植株距对于伤苗率的影响最显著(P0.05),梳齿的入土深度对于伤苗率和除草率均有显著影响(P0.05),但是作业速度对于伤苗率和除草率无显著影响(P0.05)。该装置可以满足玉米田间"避苗除草"作业的要求,研究结果可为农田机械除草的优化和设计提供参考。     

3GY-1920型宽幅水田中耕除草机的设计与试验

为了提高机械除草的作业效率、降低地头频繁调头引起的伤苗率,该文研制了3GY-1920型宽幅水田中耕除草机。该机由12 k W水田拖拉机提供动力,工作幅宽为5.7 m,一次作业可覆盖6行插秧机3个行程的作业宽度,并配备了4个双作用液压缸,控制整个机架的展开闭合与除草轮位置的横向调节。该文结合水田土壤特性和现有除草部件的特点,通过对除草轮的运动学与显式动力学仿真分析,设计并优化了螺旋刀齿式样除草轮,该除草轮通过与土壤及杂草的剪切、翻耕作用实现中耕除草作业。田间除草试验结果表明:在机具不同前进速度(0.3、0.6、0.9 m/s)和除草轮入土深度(3、6、9 cm)条件下,该机平均除草率为82%,伤苗率为4.8%;根据机具作业速度和幅宽可知该机作业效率为0.6~1.8 hm2/h;整机工作性能和作业效率满足水稻田机械中耕除草作业的技术要求。机械除草与化学除草产量对比试验结果表明:在试验区域内,机械除草产量高于化学除草,该研究可为中耕除草对水稻田产量的影响提供参考。     

步进式水田中耕除草机的研制与试验

为解决水田的除草问题,增加现有机具的作业功能,该文在步进式插秧机底盘结构的基础上,研制了一种步进式水田中耕除草机。该机由步进式插秧机底盘提供动力,主要由机架、传动系统、仿形及耕深调节机构以及复合式除草部件指辊和刀辊等组成,可实现对杂草的拉拔和埋压。田间试验结果表明:该机配备复合式除草部件、工作速度为0.5m/s、除草深度为50mm时,行间除草率为83.7%,伤苗率为4.1%,可在草量多、杂草高的水田中进行有效除草。     

水稻苗间除草装置工作机理分析

为了满足绿色环保大米生产需要,设计了一种水稻中耕苗间除草装置。对总体结构、关键部件的设计及工作原理进行了分析。选择秧苗插秧后第7 d进行除草试验,秧苗行距为30 cm,株距为14~16 cm。采用二次旋转正交试验方法,利用Design-Expert软件进行数据处理与分析,获得了弹齿式苗间除草盘转速、机器前进速度、除草深度之间交互作用对除草率及伤秧率的影响。得到影响除草作业质量的指标主次因素和各因素的显著性水平。根据田间试验结果,插秧7 d时除草装置的较优工作参数为：除草盘转速186 r/min,机器前进速度为0.47 m/s,除草深度为37 mm,此时伤秧率为3.9 %,除草率为75 %。研究结果为整机的设计提供了可靠依据。     

东北地区水田土壤下层土与水稻根系生长分布关系

为了探究东北地区水田土壤下层土与水稻根系生长及产量的关系,采用微区试验方法,研究白浆土、黑土、草甸土三种类型水田土壤下层土对水稻根系生长和产量的影响。研究结果表明:不同类型土壤间水稻根系分布密度差异显著,其中黑土>草甸土>白浆土,且有下层土处理>无下层土处理;水稻总根长、根系直径、根尖数在不同类型土壤间差异极显著,不同土壤间表现规律不一致,但各类土壤均为有下层土处理高于无下层土处理;水稻根系总体积、表面积、干重、根冠比、垂直根长各项指标均与水稻产量呈正相关性;比较不同类型土壤水稻产量为:黑土>白浆土>草甸土,下层土对水稻产量贡献率分别为:黑土32.97%、白浆土6.32%、草甸土10.59%。     

耙压式除草轮与水田土壤作用的流固耦合仿真分析及验证

为探明水稻机械除草过程中,除草轮的工作阻力大小变化及水田土壤的动态行为,该文利用ANSYS软件的显式动力分析模块LS-DYNA对耙压式除草轮在水田环境下的作业过程进行仿真分析。采用ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)多物质耦合算法建立了土壤-水两物质耦合有限元模型;运用流固耦合算法分析除草轮与土壤-水模型的相互作用过程。采用有交互作用的正交试验方法选取土壤种类、水层厚度和除草轮旋转速度3个因素进行仿真试验分析,得到各因素及其一级交互作用对除草轮和土壤-水模型的耦合应力和土壤扰动率的影响规律。利用多目标优化设计方法综合评判仿真试验结果,综合评分结果表明,在不同的土壤工作环境下,除草轮在水层厚度为60mm、转速为160r/min的作业条件下均可获得较优的工作性能。影响除草轮和土壤-水模型耦合应力的因素主次顺序为:土壤种类水层厚度土壤种类×水层厚度土壤种类×除草轮转速除草轮转速水层厚度×除草轮转速。影响土壤扰动率的因素主次顺序为:土壤种类除草轮转速土壤种类×水层厚度土壤种类×除草轮转速水层厚度水层厚度×除草轮转速。为验证仿真结果,进行了田间试验和土槽试验,根据仿真所得耦合应力值推导出除草轮所受土壤反作用力扭矩值,与田间实测值相对误差为8.84%;仿真所得土壤扰动率与土槽试验实测值相对误差为9.86%;仿真所得综合评分结果与试验综合评分结果相对误差为7.02%。仿真分析结果可为轻简式水稻除草机应用在不同稻区的田间作业参数提供参考。     

水平圆盘式苗间除草装置试验台优化试验

为优化水平圆盘式苗间除草装置的设计并确定其关键参数的最优组合,在分析其构成及工作原理的基础上,以苗间除草部件为研究对象,通过4因素4水平正交试验,分析了除草部件作业速度、齿盘转速、锄齿数目及其安装半径4个因素对苗间除草性能的影响,优化出最佳工作参数组合。试验结果表明,锄齿数目和作业速度对苗间除草装置的性能影响显著。最佳优化方案是：锄齿数目12、其安装半径160 mm、齿盘转速170 r/min 和作业速度2.1 m/s,该条件下苗间除草装置的伤苗率为4.41%、苗间除草率可达73.1%、埋苗率小于3%,满足旱田作物苗间除草作业的农艺要求。     

行间免耕播种机防堵装置设计与试验

针对行间互作和宽窄行交替休闲2种保护性耕作模式缺少配套免耕播种机的现状,该文设计了一种适用于行间互作模式和宽窄行交替休闲模式的免耕播种机防堵装置,其采用组合刀片式结构,具有作业功耗小、秸秆切断率高等优点。通过理论建模和动力学分析相结合的方法对其关键部件秸秆滑切刀片滑切秸秆的过程进行研究,得出秸秆滑切刀片侧切刃最优曲线应为一条等滑切角曲线。通过三因素三水平正交组合试验得出秸秆滑切刀片的最佳参数组合为：作业速度2.1 m/s、耕作深度35 mm、刀片回旋半径为185 mm,并进行验证试验得出秸秆切断率为90.9%,单把刀片功耗为8.15 W。该研究可为适用于行间互作或宽窄行交替休闲耕作模式的免耕播种机设计提供参考。     

基于爪齿余摆运动的株间机械除草装置研制与试验

为了实现作物株间区域精确机械除草,设计了一种利用除草爪齿余摆运动原理的株间机械除草装置,研究了装置的除草和避苗工作原理,建立了相应数学模型并分析了除草爪齿余摆运动的参数对除草效果的影响,获得了合理的工作参数。在试验平台上进行了基于爪齿余摆运动的株间机械除草装置避苗试验研究,试验结果表明,基于爪齿余摆运动的株间机械除草装置除草爪齿避苗和除草切换控制快速可靠,室内试验的伤苗率小于8%;能够满足株距20cm及以上栽种的作物株间除草要求,可以保证每个株间区域均有除草爪齿进入实施除草;除草装置的前进速度不影响进入株间区域的除草爪齿数量,但前进速度的增加会导致伤苗率增大;进入株间区域的除草爪齿数量与作物栽种株距均匀性无关,仅与作物栽种的株距有关。该文为爪齿余摆株间除草装置精准控制提供依据。     

水稻田间机械除草装备与技术研究现状及发展趋势

水稻田间机械除草技术在减量除草剂防治和有机稻草害控制的研究和应用中具有重要作用。该文在收集、整理国内外水稻田间机械除草装备与技术研究现状的基础上,指出了现有除草装备的不足之处,并总结了水稻田间机械除草技术的类型和特点,最后提出水稻田间机械除草技术应向着智能化、仿生化和多种除草技术联合化发展,进而提高除草精度,使其在水稻生产中发挥更大的作用。     

基于线性自抗扰的稻田除草对行控制系统设计与试验

为降低水稻机械除草的行间伤苗率,该文基于线性自抗扰技术开展水稻田间除草对行控制系统研究。在苗带信息获取的基础上,针对水田作业环境设计了一种基于线性自抗扰的对行液压控制系统。采用内、外滑梁结构,实现对行执行机构对除草部件作业路径的避苗调控。应用Amesim与Matlab联合仿真方法,构建了对行液压控制系统仿真平台,分别对线性自抗扰算法和PID算法进行了控制器设计及仿真比较,仿真结果表明:在加入扰动情况下,线性自抗扰控制系统达到期望的对行调控时间比PID减少0.1s,且抗干扰性及鲁棒性均优于PID控制算法。田间试验结果表明:行进速度和作业深度对伤苗率影响显著,最优作业参数组合为行进速度0.5 m/s,调节间距60 cm,作业深度20 cm,此时伤苗率为3.6%;性能比较试验表明:有对行控制系统的平均伤苗率为3.9%,没有对行系统控制的伤苗率为18.6%。该系控制统满足机械除草对行控制的要求,可为水田作业环境下的精准控制问题提供借鉴。     

高地隙折腰式水田多功能动力底盘设计与试验

针对目前水田农用底盘通用性差、转弯半径大、离地间隙低、田间行驶及爬坡越埂稳定性差等问题,结合东北地区水稻种植模式和农艺要求,该文设计了一种高地隙折腰式水田多功能动力底盘,阐述分析了底盘整体结构、传动系统与工作原理.在静态弯曲和扭转工况下进行了有限元分析,得到了满载量化状态下车架载荷分布和薄弱部位,有限元分析表明:在满载弯曲工况下,车架所受最大应力发生在平衡装置摇摆轴处为130.70 MPa,最大位移发生在后车架发动机安装梁处为1.56 mm;在满载扭转工况下,车架所受最大应力发生在右后悬架与纵梁连接处为255.44MPa,最大位移发生在车架左纵梁与后横梁连接处为9.44 mm,为后续开展车架薄弱区域的改进与轻量化设计提供重要依据.在此基础上,对动力底盘的转向性能、行驶性能和越埂性能进行了理论分析,并以行驶速度、最小转弯半径、最大爬坡角和最大越埂高度为试验指标,进行了田间性能试验.试验结果表明:多功能动力底盘田间道路行驶速度范围为1～14 km/h,水田行驶速度范围为1～6 km/h,水田行驶最小转弯半径为3 200mm,最大爬坡角为56°,最大越埂高度为533mm,整机工作性能满足田间管理作业要求,提高了水田综合作业的高效性和适用性,实现动力底盘的一机多用.该研究可为水田田间管理作业的有效实施提供综合应用平台和技术支撑.     

履带式联合收获机水田作业转向运动学分析与试验

为设计适于水田土壤环境的履带式联合收获机导航控制器,需准确分析履带联合收获机在水田中的运动规律。该研究在建立履带联合收获机转向运动学模型的基础上,推导了低速侧履带转向滑移率和高速侧履带转向滑转率与转向半径、转向角速度、履带卷绕速度的关系,搭建了履带联合收获机转向运动参数测试系统,采用限幅平均滤波处理转速信号,滤波窗口宽度为10个采样值时,转速信号方差减小了60.8%;采用扩展Kalman滤波器融合定位数据和IMU传感器数据记录履带式联合收获机行进轨迹和航向角,航向监测标准差比滤波前减小53.6%。田间试验表明,水田中履带式联合收获机的转向半径和转向角速度主要与前进速度和滑转率、滑移率相关,高速度侧履带滑转率随前进速度的增加而增大,变化范围为0.066～0.378,低速侧履带滑移率接近1,由于履带转向时的滑移滑转,实际转向半径大于理论转向半径,转向半径修正系数的变化范围为1.737～2.947,与前进速度呈二次函数关系;实际转向角速度小于理论转向角速度,转向角速度修正系数的变化范围为0.315～0.677,与前进速度呈幂函数关系。研究结果可为水田作业的履带式联合收获机导航控制器设计提供理论依据和参考。?     

1DSZ-350型悬挂式水田单侧旋耕镇压修筑埂机的设计与试验

为提高水田筑埂作业质量与效率,减轻作业劳动强度,结合东北地区水稻种植农艺要求,研究设计了1DSZ-350型悬挂式水田单侧旋耕镇压修筑埂机。阐述分析了机具整体设计方案与工作原理,对其关键部件偏牵引悬挂仿形调节系统、旋耕筑埂深度可调式传动总成、旋耕集土刀辊总成和镇压筑埂圆盘总成进行了理论分析与结构设计。为获得修筑埂机最佳工作参数组合,以机具前进速度和旋耕工作转速为试验因素,田埂平均坚实度和高度变异系数为试验指标,进行了多因素二次通用旋转组合台架试验,运用Design-Expert 6.0.10软件建立因素与指标间数学模型,采用多目标参数优化确定机具最佳作业状态。试验结果表明,当机具前进速度为1.33 km/h,旋耕工作转速为525 r/min时,筑埂作业性能最优,满足旋耕集土及镇压筑埂要求,其所筑田埂平均坚实度为2 160 k Pa,高度变异系数为4.01%。田间试验表明,该机具作业性能稳定,所筑田埂质量良好,各项指标均满足筑埂作业要求。该研究为水田机械化筑埂机具的创新研发与优化提供理论支撑和技术参考。     

水旱两用秸秆还田耕整机关键部件设计与试验

为增加土壤的有机质含量,改善土壤的团粒结构,同时有效缓解秸秆焚烧难题,针对长江中下游地区麦-稻、油-稻等水旱作物交替种植的特点,设计了一种水旱两用型秸秆还田耕整刀辊。阐述了新刀辊的结构和工作原理,分析并确定了关键部件的结构参数,重点对传统旋耕刀的布置及其破茬理论进行了详细的分析。田间试验结果表明:水旱两用型秸秆还田耕整刀辊旋耕一遍即可实现水田和旱地秸秆埋覆、旋耕碎土、平整地表等多项功能,水田和旱地耕深分别为181.6~200.4和151.2~173.8 mm,耕深稳定性分别为92.4%~94.8%和92.4%~93.4%,耕后地表平整度均小于12 mm,植被埋覆率分别为96.3%~96.4%和90.6%~97%,碎土率为87.3%~89.6%和64.5%~90.2%,作业效果满足水稻播栽对耕整地的农艺要求。     

水稻田间育秧水肥药变量喷灌装置设计与试验

为解决南方水稻工厂化田间育秧水肥药人工管理作业中存在的灌溉均匀性差、化肥和农药浪费以及劳动强度大等问题,该研究设计了一种水稻田间育秧水肥药变量喷灌装置,阐述了水肥药变量喷灌装置总体结构和工作原理,进行了关键部件设计与试验;以可编程逻辑控制器（programmable logic controller,PLC）为控制核心,构建了注肥量在线调控及整机变量喷灌控制系统。采用Box-Behnken试验设计方法,对装置喷灌均匀性与主要影响因素进行试验研究,应用单目标优化方法对喷灌关键参数进行优化,并通过验证试验,得到最优参数组合为：干管入口水压0.20 MPa、球阀开度90°、喷头喷角80°,此时装置的喷灌均匀性为92.69%;构建了氯化钾肥液质量浓度与电导率（electrical conductance,EC）值的线性模型,开展了装置变量灌溉施肥性能试验,3种喷灌等级下各作业区的肥液EC值分别为1.65、1.66和1.68 mS/cm,平均喷灌强度分别为900.85、1092.04和1263.67 mm/h,施肥均匀系数分别为85.21%、87.86%和91.62%。采用水肥药变量喷灌装置开展水稻育秧田间管理试验,华航51常规稻和广8优165杂交稻的秧苗长势均匀度均高于95%,成毯性良好,各项素质指标满足机插作业要求。所设计的水肥药变量喷灌装置能够满足水稻田间育秧水肥药变量喷灌作业要求,对提高水稻工厂化田间育秧机械化水平、保证秧苗质量具有实际应用价值。