水稻精量穴直播机电驱式侧深穴施肥装置设计与试验

摘要

水稻是中国主要粮食作物，在生长过程中，化肥施用已成为较为重要的环节，侧深穴施肥可以充分利用化肥效能，大大减少化肥的流失，降低肥料用量，减轻了环境污染，同时利于水稻生长，提高水稻产量。该文在综述和分析国内外水田施肥机械发展现状的基础上，国内水稻直播施肥环节多采用表面施肥和全层施肥作业方式，应用与水稻精量穴直播配套的同步侧深穴施肥技术，研制了一种集外槽轮凹槽充肥、毛刷清肥、导种板导肥和穴排肥方式于一体的电驱式外槽轮排肥器，并基于此排肥器设计了水稻精量穴直播机电驱式侧深穴施肥装置，以满足在水稻精量穴直播作业时，同步完成侧深穴施肥的作业需求。通过理论分析、结构设计、离散元仿真、台架试验和田间试验等展开研究工作，主要研究内容如下: (1)肥料物理力学特性测试 选取适宜黑龙江省水稻直播中施用的掺混肥为研究对象，主要含有尿素、过磷酸钙和硝酸钾，通过物理力学特性测试测得肥料颗粒密度、三轴尺寸、等效直径分布、球形率、含水率，以及与不同材料间的静摩擦系数、滑动摩擦系数、休止角和碰撞恢复系数，为排肥器的结构设计和仿真分析提供参数依据。 (2)电驱式外槽轮排肥器结构设计 基于排肥器外槽轮凹槽充肥、毛刷清肥、导肥板导肥和穴排肥的方式，研制了一种可满足水稻精量穴直播同步穴施肥要求的电驱式外槽轮排肥器。通过充肥阶段的理论分析确定排肥器外槽轮的结构参数，通过运动学和动力学方法分析导肥过程，确定导肥板长度和安装角，并对排肥器其他关键机械部件进行结构设计，主要包括阻塞轮、调节套、排肥壳体和肥料箱，选配了电驱部件，将排肥器与电驱部件连接，设计了施肥装置电路线路，说明田间施肥电路的工作过程。 (3)基于离散元法的电驱式外槽轮排肥器排肥虚拟仿真分析 以排肥器为研究载体，将在CATIA中构造好的排肥器模型导入离散元分析软件EDEM中，分别构建氮肥、磷肥和钾肥肥料颗粒的球型颗粒模型。通过仿真分析，得到排肥器工作转速和外槽轮开度分别对每转排肥量影响的拟合直线和变化关系，为后续的台架试验和田间试验奠定基础。 (4)电驱式外槽轮排肥器台架性能试验 借助JPS-12计算机视觉精密排种器性能检测试验台，搭建排肥器性能测试试验台。首先以排肥器工作转速和外槽轮开度为试验因子，穴排肥量为试验指标，经EXCEL软件数据处理，得到两个试验因子与穴排肥量的变化规律和两个试验因子与每转排肥量的综合影响规律，分析了排肥器的稳定性，变异系数满足稳定性要求，并研究了试验因子对每转排肥量的影响，与仿真试验结果对比，验证了虚拟仿真试验的可行性。 (5)水稻精量穴直播机电驱式侧深穴施肥装置配置设计与田间试验 根据水稻精量穴直播同步侧深穴施肥农艺要求，设计了仿形机构和施肥沟开沟器，完成侧深穴施肥装置的配置。以掺混肥为施用肥料，选定工况条件下进行田间水稻精量穴直播同步侧深穴施肥试验。田间试验结果表明，各行穴施肥量合格率的平均值为87.49％，重施率的平均值为5.95％，漏施率的平均值为6.56％;各行平均施肥穴距范围为145～154 mm，均匀性变异系数范围为12.1～18.9％;各行平均施肥深度范围为49～52mm，均匀性变异系数范围为5.8～8.3％;各行平均种肥侧位距离范围为29～31 mm，均匀性变异系数范围为5.1～8.5％，以上试验结果均满足水稻精量穴直播同步侧深穴施肥的农艺要求。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究目的与意义

1．2 国内外水田深施肥机具的研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文研究的主要内容

1．4 技术路线

2 肥料颗粒物理力学性能测试

2．1．1 肥料颗粒密度的测定

2．1．2 肥料颗粒三轴尺寸的测定

2．1．3 肥料颗粒含水率测定

2．2 肥料颗粒力学特性的测试

2．2．1 肥料颗粒摩擦系数的测定

2．2．2 肥料颗粒休止角的测定

2．2．3 肥料颗粒碰撞恢复系数的测定

2．3 本章小结

3 电驱式外槽轮排肥器

3．1 排肥器结构与工作原理

3．2 关键机械部件设计与分析

3．2．1 外槽轮结构设计

3．2．2 导肥板设计

3．2．3 其他机械部件设计

3．3 电驱部件选型与工作过程

3．4 本章小结

4 基于离散元法的电驱式外槽轮排肥器排肥仿真模拟分析

4．1 离散元法基础

4．2 离散元数值仿真软件EDEM

4．2．1 软件简介

4．2．2 软件仿真流程

4．3 排肥器排肥量性能仿真

4．3．1 排肥器仿真模型建立

4．3．2 肥料颗粒模型建立

4．3．3 仿真参数的设置

4．3．4 排肥量影响因子仿真分析

4．4 本章小结

5 电驱式外槽轮排肥器的性能测试与试验研究

5．1 试验装置与方法

5．2 排肥量影响因子台架试验

5．2．1 排肥器工作转速对排肥量的影响

5．2．2 外槽轮开度对排肥量的影响

5．2．3 排肥器工作转速、外槽轮开度与排肥量关系

5．3 各试验因子对排肥量的影响分析

5．3．1 排肥器工作转速对排肥量的影响分析

5．3．2 外槽轮开度对排肥量的影响分析

5．4 台架试验与仿真试验对比分析

5．5 本章小结

6 水稻精量穴直播机电驱式侧深穴施肥装置配置设计与田间试验

6．1 整机配置设计

6．1．1 整机结构与性能参数

6．1．2 水稻精量穴直播同步侧深穴施肥工作原理

6．1．3 关键部件设计

6．2 田间性能试验

6．2．1 试验条件

6．2．2 试验方法

6．2．3 试验结果与分析

6．3 本章小结

7 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文