Abstract:

农业机械触土部件的性能直接决定农机作业效率与服役寿命,其材料发展是提升农业装备水平的关键。本文系统综述了触土部件材料的研究进展与应用现状。首先,分析了部件在砂土、黏土、水田等典型工况下的受力与损伤机制,明确了耐磨性、抗冲击性、抗粘附性等核心性能要求。其次,梳理了从传统钢铁材料(弹簧钢、硼钢)到现代表面涂层技术(堆焊、熔覆、热喷涂、化学热处理等)及新型材料(高分子、高熵合金)的技术体系,并对比了国内外研究与应用差距。结合国内外典型应用案例,总结了材料性能的田间、实验室及数值模拟评价方法。最后,指出当前材料在极端工况适应性、多性能协同及产业化应用中面临的挑战,并从产业化升级、工况导向设计、智能与绿色制造、差异化竞争等方面展望了未来发展方向,旨在为高性能触土部件材料研发与工程应用提供系统性理论参考。

Abstract:

播种作业质量直接关乎精准农业与智慧农业落地成效,其实现主要依赖开沟、排/导种、覆土和镇压等部件的协同作用。开沟、覆土、镇压等触土部件的作业性能通过作用于播种各环节,影响最终播种质量。本文从播种作业触土部件类型与产品出发,系统梳理了现有典型产品和非典型产品的基本结构。聚焦低扰动、减粘脱附等影响播 种作业质量的性能提升,以及触土部件与土壤互作机理、调节机构优化和升级、作业状态智能监控等关键技术,综述了国内外相关研究进展。在此基础上,指出现有播种作业触土部件存在结构形式单一、产业化转化不足、高速作 业适应性弱、智能调控能力不足、材料与工艺水平滞后等问题。面向未来发展,总结五大技术方向:面向多农艺模式的触土部件模块化与可调节技术、高效低耗触土部件的仿生减阻与结构轻量化技术、适配高速作业场景的动力学匹配与速度自适应控制技术、主动作业与智能化联动的闭环调控与感知决策技术,以及先进耐磨材料制备与高精度成形工艺技术。

Abstract:

农机触土部件的土壤粘附问题是制约农业机械作业质量、生产效率与服役寿命的关键瓶颈,随着农业装备向大型化、复式化、高速化发展,对其减粘脱附性能的要求愈发苛刻。本文系统分析了土壤粘附的形成机理及其影响 因素,重点综述了振动、气动、加热、结构优化、表面技术及仿生设计等减粘脱附技术在旋耕刀、开沟器、深松铲、挖掘铲、镇压轮、移栽器等农机触土部件相关研究及应用的国内外现状,剖析了当前研究存在的不足,并从粘附失效理论构建、高性能涂层材料研发、仿生结构创新设计等方面展望了未来研究方向,以期为农机触土部件减粘脱附技术的创新突破与工程应用提供理论参考和技术借鉴。

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为提升30MnB5开沟刀耐磨性,采用矩形光斑激光熔覆技术制备3种铁基合金熔覆层,通过X射线衍射仪和扫描电镜分析熔覆层相组成与显微组织,结合湿砂橡胶轮及自研入土部件磨损性能试验台试验测试耐磨性。结果表明:3种熔覆层与基体呈良好的冶金结合,2号和3号熔覆层均无裂纹、气孔等缺陷,熔覆层内部均存在大量的胞状晶和硬质相;熔覆层主要由FeC固溶体、Mo61C39、Mo18C7、V4C3、(Fe,C)、WC、SiC及Ni2B等物相组成;湿砂橡胶轮磨损试验及自研入土部件磨损试验均表明3号熔覆层耐磨性最优,因其高Mo含量促成细小胞状细晶组织,且适量V、W元素使VC、WC、Mo基碳化物弥散分布,强化耐磨性能;3组熔覆层的磨损机制均以磨粒磨损为主导,伴随粘着磨损与氧化磨损。3号铁基合金成分可显著提升开沟刀耐磨性,结合30MnB5基材,为低功耗、长寿命农业链式开沟机部件制造提供技术支撑。

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水田打浆机刀片在泥浆环境中作业时,承受土壤颗粒的摩擦、冲击和冲蚀作用,易出现磨损严重、使用寿命短等问题。本文选取具有优异耐磨损特性的潮间带魁蚶壳体表面微观结构为仿生原型,开展打浆机刀片仿生耐磨设计与试验研究。利用超景深显微镜提取魁蚶壳体表面肋槽结构特征,分析表面流场和颗粒运动轨迹,揭示其耐磨机理。基于离散元法(EDEM)建立“刀片泥壤”互作模型,分析肋槽结构参数变化对法向和切向接触能量的影响 规律,采用Box-Behnken 响应面法(RSM),对凹槽深度、宽度及放射肋宽度进行多目标参数优化。仿真结果表明: 当凹槽深度为0.27mm、凹槽宽度为0.68mm、放射肋宽度为0.18mm 时,仿生刀片的法向累计接触能量(1.406J) 与切向累计接触能量(0.85J)最小。基于参数优化结果试制仿生刀片并进行田间对比试验,结果显示:优化后仿生刀片的磨损质量和磨损率分别为2.048g和0.383% ,与普通光滑刀片相比,磨损率降低了65.53%。可为水田机械触土部件的耐磨研究提供理论依据。

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针对西南地区耕地地块零散、土壤黏重、秸秆覆盖量大且以整秆覆盖为主等特点,结合大豆玉米带状复合种植免耕播种作业需求,设计了一种费马螺线型仿生减阻破茬防堵装置。基于滑切切割理论构建费马螺线型破茬刀刃口曲线,并以疑布甲虫翅鞘表面非光滑结构为仿生对象,设计楔形仿生减阻单元。建立“秸秆与根茬-黏重土壤-破茬装置”离散元耦合模型,采用二次回归正交旋转组合试验,对机组前进速度、破茬刀转速及刃口角度等关键参数进行优化分析。正交试验结果表明,当机组前进速度为0.91m/s、破茬刀转速为225r/min、刃口角度为25.2°时, 破茬刀对根茬的粘结键断裂数量为21470,作业功率为5.82 kW。田间试验结果表明,在平均秸秆覆盖率为94%、整秆覆盖量为0.575kg/m2条件下,装置对玉米-大豆秸秆的平均切断率为92.98% ,较传统缺口型圆盘破茬刀提高50.91%,作业过程中通过性良好,满足西南地区免耕播种作业要求。研究揭示了费马螺线刃口滑切特性与仿生减阻单元协同作用机制,验证了仿生曲线刀具在高覆盖、黏重土壤条件下的减阻防堵优势,为西南丘陵地区免耕播种机关键部件的结构创新与参数优化提供了理论依据与技术支撑。

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针对牧草免耕播种机开沟器存在播种深度不均匀、土壤回填过多等问题,结合滑切作用原理,设计一种牧草 免耕播种机滑刃式倒T型开沟器。基于质点动力学分析土壤与开沟器之间的相互作用,确定影响其作业性能的主要因素,结合沙蟒头部轮廓对倒T型成形块进行仿生设计,仿真对比结果表明,仿生成形块所产生的土壤颗粒流速与楔式成形块相比提高5.48%,作业阻力减少15.88%。建立EDEM仿真模型并以作业速度、滑切角度、上倾角度为试验因素,回土深度、开沟深度稳定系数为试验指标,开展二次回归正交旋转组合试验,通过Design-Expert 软件 对二次回归正交旋转组合试验的结果进行分析,确定开沟器最优参数组合为:滑切角度40.24°、作业速度7.60km/h、上倾角度12.43°,此时开沟深度稳定系数为88.64%、回土深度为19.43mm。土槽试验表明,最优参数组合下开沟深度稳定系数为87.21%、开沟器平均回土深度为22.00mm,仿生成形块的作业阻力低于楔形成形块,平均降阻幅度为8.66%。田间试验结果表明,在作业速度6~10km/h范围内,滑刃式倒T 型开沟器开沟深度稳定系数均高于80.86%,回土深度均小于26.00mm,在草原土壤环境中具有良好的开沟性能。

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现有土壤磨损试验中面临直线式土槽行程受限、圆形土槽受离心力和内外径速度差大、土壤整备困难等问题。基于此,研制了一种新型环形跑道式土壤磨损试验平台。该平台主要由环形土槽、闭环导轨和磨损测试装置 组成。磨损测试装置集成了驱动、姿态调节和土壤整备等功能模块,能够实现触土部件沿导轨的往复运动,复现多工况、长距离的触土部件土壤磨损试验。通过PLC控制运行速度(0~10km/h),同时可实现耕深、推土角及切土角 的精准调控。以1L-225 型梯形犁铧为测试对象,开展了140km的长距离磨损试验,并结合离散元法(DEM)构建了“土壤-犁铧”互作模型,从载荷、流场及表面形貌等方面验证了平台的可靠性。测试结果表明,测试平台入土深度波动偏差在±4.5mm以内,运行速度变异系数仅为2.1%,整备后的土壤坚实度达到了田间实测值的80%以上。可靠性验证表明,稳定耕作阶段的实测阻力与仿真结果的相对误差较低,且波动相位一致。土槽试验观测到的刃口点蚀、平行犁沟等磨损形貌及犁铧外表轮廓的演变规律与仿真结果高度契合。多工况试验验证了测试平台在复杂工况下的复现能力。该环形土壤磨损试验平台的运行参数可控、耕作载荷稳定,具备真实复现田间长距离耕作磨损失效的能力。

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耕作机具触土部件与土壤间的粘附现象会导致机具能耗显著增加,严重制约了农业机械作业的整体质量和效率。因此,开发能够降低触土部件与土壤之间粘附力的技术,是提升农业机械作业效率的重要方向。本研究通过结构设计和电渗技术两方面探讨减少触土部件土壤粘附的有效性和可行性。基于仿生学原理,通过模拟土壤动 物体表特有的形貌结构,设计了一系列具有仿生非光滑表面结构的触土部件——压盘与圆筒,并通过拉拔试验证明了仿生凸包结构能够有效降低触土部件的法向土壤粘附力。同时,引入电渗技术,将电压以及通电时间等关键参数纳入试验方案,系统考察了这些因素对土壤粘附特性的调控效果。试验结果表明,在没施加电渗措施即无电压作用时,土壤与触土部件之间的粘附力显著高于施加电压的情况,且土壤粘附力随着电压和通电时间的增加而减小。此外,在进行电渗试验后,压盘及圆筒的触土表面呈洁净状态,无明显土壤粘附,并有清晰的水膜痕迹。研究结果证实了电渗技术在降低金属触土部件土壤粘附力方面的有效性。

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水稻是我国的主要粮食作物,杂草严重影响水稻的生长与产量。针对现有水田除草刀入土冲击大、结构稳定性不足等问题,本文围绕除草刀关键部件开展结构设计与参数优化研究。基于犬齿结构仿生原理,构建一种半圆弧齿顶结构除草刀模型,系统分析其结构组成与工作原理,并结合水稻栽培行距及根系分布特征,完成关键结构参数设计。通过建立除草刀运动学模型,确定刀轴转速与前进速度的匹配关系,实现结构参数与作业性能的协同设计。此外,采用离散元软件EDEM构建除草刀-土壤耦合仿真模型,以入土深度、转速与前进速度为试验因素,以除草扭矩和土壤扰动速度为试验指标,以降低功耗为目标进行了三因素三水平正交试验,以考察试验因素对除草刀作业性能的影响规律。结果表明:刀轴转速为主要影响因素,其次为入土深度,前进速度影响较小。综合多指标评分结果表明,入土深度50mm、转速180r/min和前进速度0.7m/s的工况参数组合为最优工况,能在增大作业区域内土壤扰动的同时,减少机械负载。同时,提取不同推进距离下的扰动断面轮廓进行几何对比,验证了仿生齿形结构对土壤扰动行为的优化作用,证明其具有较优的作业性能。

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为解决捡石机捡石率低、壅土的问题,设计了一种链铲式捡石机。通过对入土铲板的受力分析,确定其结构参数;对拨石轴拨土和拨石过程进行运动学分析,明确拨石齿的运动轨迹及关键结构参数;通过EDEM确定了拨石轴对壅土区域的拨土作用以及拨出至输送链的速度。为评估捡石机的工作可靠性及作业效果,采用响应面法设计试验,考察前进速度、拨石轴转速和离地高度对捡石率与壅土高度的影响,并建立回归模型进行参数优化。试验结果表明,最优参数组合为:前进速度0.844m/s,拨石轴转速338.9r/min,离地高度394.26mm,此时模型预测捡石率93.85%、壅土高度250.57mm。通过田间试验验证,捡石率和壅土高度相对误差分别为2.97%、4.73%,捡石率和壅土高度相对误差均小于5% ,证明样机设计合理,满足捡石机作业要求。

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针对传统滩涂埋栖贝类挖掘时存在的挖掘阻力大、作业效率低以及土壤扰动大等问题,提出一种基于螃蟹步足特征的仿生挖掘铲设计方法,旨在提升贝类采收的作业效能。首先,通过三维扫描技术,对螃蟹步足的形态结构、运动特性观测与分析,提取出步足末端尖锐弧度、节段式表面肌理特征等仿生要素。其次,以提取的仿生特征为核心设计依据,结合滩涂土壤物理力学特性完成仿生挖掘铲的三维建模,并通过离散元法(DEM)进行挖掘过程数值仿真,分析仿生挖掘铲与滩涂底质土壤的作用规律及减阻特性。最后,搭建室内试验台架,开展挖掘速度、挖掘阻力和土壤扰动对比试验,探究仿生挖掘铲的实际作业性能。仿真试验结果表明,仿生挖掘铲的平均阻力为151.42N,减阻率达17.45%;其平均土壤疏松度为33.43%,比平面挖掘铲减少6.91%。开展土槽试验,对比仿生挖掘铲与平面挖掘铲的滩涂挖掘作业性能,测得二者挖掘阻力平均值分别为162.41、189.27N;结果表明仿生挖掘 铲相较平面挖掘铲在作业过程中的挖掘阻力与土壤疏松度分别降低14.19%和4.98%,实际减阻率与仿真试验结果相吻合,满足滩涂埋栖贝类采收作业的减阻要求。

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结合冬小麦返青期划锄断根与追肥深施作业农艺要求,针对行间断根和化肥深施联合作业需求,设计了一种划锄断根追肥联合作业装置,以降低作业阻力、提高断根率并保证施肥深度为目标,系统开展了结构设计与参数优化研究。首先,基于作业机理分析与力学建模,对开沟器、断根铲及施肥管等关键部件进行了结构设计,提出了开沟器前刃采用指数曲线、施肥管采用最速降线曲线的设计方案;其次,基于离散元法(DEM)构建了划锄断根追肥联 合作业装置-土壤-根系-肥料仿真模型。以断根率和作业阻力为评价指标,对断根铲刃线型、入土角和翼张角等关键参数进行了分析,并结合小麦农艺需求确定了合理参数范围;在此基础上,采用Box-Behnken 正交组合仿真试验进行参数优化,得到断根铲的最优结构组合为:铲刃为阿基米德螺旋线、入土角6.43°、翼张角54.99°;优化后的结构参数可提高断根率并降低作业阻力;最速降线施肥管仿真结果显示施肥深度合格率最高达到94.0% ,排肥过程稳定。田间对比试验表明,在作业速度4km/h条件下,划锄断根追肥联合作业装置作业效果良好,平均断根深度为117mm,断根率达82.9% ,施肥深度合格率为90.6%,所设计装置能实现划锄断根追肥深施作业功能。

Abstract:

针对我国南方地区土壤黏重且留茬量大,机械化播种作业触土部件粘土缠茬降低开沟稳定性、种沟残留秸秆影响作物出苗一致性问题,设计一种具有厢面旋压整型、旋转切茬开种沟、覆土镇压功能的多作物兼用种床整理装置并研发配套播种机,实现一机兼用油麦玉播种。阐述兼用播种机设计方案,开展切茬开沟刀与秸秆互作过程力学分析,确定种床整理装置和4种圆盘切茬刀的结构尺寸和运动参数;进行主动圆盘切茬刀和滑刀式开沟器切茬过程离散元仿真,得到阿基米德螺线圆盘切茬刀转速为301.18r/min、滑刀式开沟器宽度为31.49mm时切茬效果较优;开展台架验证试验,结果表明台架试验与仿真试验秸秆切断率和土壤扰动面积相对误差小于10% ,仿真试验可靠;田间试验表明在黏重土壤稻茬地工况下油麦玉兼用播种机作业后厢面平整度为15.68mm,种沟秸秆切断率为93.7% ,油菜、小麦、玉米平均沟深分别为13.2、30.4、52.2 mm,沟深稳定性系数分别为90.6%、86.4%、88.2% ,满足油麦玉播种农艺要求。

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针对因冷浸田水量多、通气性差的特性,导致冷浸田种床制备时厢面易积水,影响水稻生长的问题,设计了一种用于冷浸田种床制备的起微垄装置,主要由滑推式开沟器和压实平整部件组成,可实现起微垄排水、厢面平整作业及侧深施肥功能。基于滑切原理设计了滑推式开沟器推压破土面,其曲面轮廓线起始滑切角θA为10°、终止滑切角θB为55°;根据作业需求确定了滑推式开沟器长度L0为150mm,压实平整部件仿形调节角度Δλ为7°。通过DEM-MBD耦合仿真试验确定了滑推式开沟器宽度为50mm,压实平整部件仿形弹簧刚度为41.42N/mm。田间 试验结果表明:厢面平整度11.01 mm,微垄沟平均沟深53.25 mm,沟宽48.11mm,沟深稳定性系数89.56% ,沟宽稳定性系数90.64% ,研究可为冷浸田种床制备机具设计提供参考。

Abstract:

针对现有玉米分层施肥装置肥层深度不稳定,分层效果不明显问题,设计了一种肥间回土分层施肥装置。通过理论分析确定了分层施肥装置的基本结构参数,明确影响回土效果的主要因素为回土板安装角、倾斜角以及板面宽度。通过离散元法对工作过程进行仿真分析,选取浅层肥料平均深度与回土板阻力为试验指标,进行二次正交旋转组合仿真试验,建立回归模型得到最优参数组合为:回土板倾斜角29.93°、安装角11.40°、回土板宽度 31.40 mm。分别开展不同行进速度和施肥量下单因素土槽试验,所设计分层施肥装置施肥深度及变异系数在不同工况下均满足作业要求,且与市售分层施肥装置相比,浅层肥料深度变异系数和深层肥料深度变异系数分别降低了2.64、5.98个百分点,分层效果更明显。田间试验结果表明,浅层及深层肥料深度变异系数均小于10% ,满足行业标准要求。

Abstract:

为减轻人工筑埂作业劳动强度,提高筑埂机作业效率和质量,解决因土壤含水率不适宜而筑埂无法成形的问题,设计了一种带有变量喷淋系统的水田双侧筑埂机。阐释了变量喷淋系统的硬件构成及控制策略,实现手动与自动两种流量调节方式,可以将土壤含水率精准调控至26%~28%的最适范围。并利用EDEM仿真软件对机具触土部件的旋耕集土过程进行模拟,以前进速度、工作转速、取土深度为试验因素,以集土率和集土均匀性变异系数为评价指标进行正交试验并建立回归模型,优化得到最优工作参数组合,为后期田间试验奠定基础。试验结果表明:在最适筑埂含水率下,筑埂机以最佳工作参数组合:前进速度0.8km/h、工作转速415r/min、取土深度150mm作业,所筑田埂坚实度平均值随间隔时间的增加而增大,坚实度变异系数则逐渐减小,风干24h后趋于稳定。埂顶各测量位置坚实度平均值不小于1538kPa,埂侧各测量位置坚实度平均值不小于2612kPa,均符合农艺要求。这有利于推进高标准农田建设,加快水稻全程机械化进程。

Abstract:

针对松嫩平原盐碱化草地退化、土壤板结严重及羊草等优势种群无性分蘖受阻等问题,设计了一种集主动式切根、水平振动松土与施肥于一体的联合作业机。机具核心部件包括基于阿基米德螺线原理设计的防缠绕切根刀盘(动态滑切角τd > 46.4°)和弹簧缓冲式水平振动深松机构,通过滑切运动与高频横向剪切力,实现低扰动断根与 深层板结的原位破碎。采用Box-Behnken试验优化作业参数,结果表明最佳工作参数为:机具前进速度0.991m/s、切根刀盘转速174r/min、振动深松铲马达转速1769r/min。将参数圆整后经田间验证表明,土壤坚实度变化率达40.79% ,实现了横向根系的“零缠绕”切断。多维物性指标与地表扰动量化分析表明,机具对土壤异质性具有极强适应能力;平均土壤扰动截面面积仅22.0cm2,植被破坏率控制在23%左右,土壤含水率作业前后相对降幅仅0.37%。研究可为退化苏打盐碱草地的保护性修复提供理论依据与装备支撑。

Abstract:

针对现有油菜直播机控制系统响应速度慢、决策模型精度低,导致作业效率下降、排种量误差大的问题,基于 油菜气送式双变量供种装置,设计了一种转速工作长度双变量供种的控制序列决策调控系统。通过分析多目标常青藤算法(Multi-objective Ivy algorithm,MOIVY)和莱维飞行算法(Lévy flight algorithm,LFA)的算法机理,结合标 定试验建立排种相对误差、控制器响应时间和各行播量一致性变异系数的多目标适应度函数,构建了LFA-MOIVY 控制序列决策模型。开展MOIVY、DE-MOIVY 和LFA-MOIVY 算法优越性仿真对比试验,试验结果表明, 在目标播量为1. 5、3. 0、4. 5、6. 0 kg/ hm2时,LFA-MOIVY算法HV平均值分别为2. 35、2. 63、2. 02、1. 98,Pareto解集覆盖范围全面,分布均匀,综合性能优于其余两种算法。台架对比试验表明,LFA-MOIVY 播种决策方法较传统决 策方法相比,排种相对误差下降了0. 76 个百分点,各行播量一致性变异系数下降了2. 43 个百分点,响应时间缩短了0. 14 s。路面试验表明,在油菜直播机不同作业速度和播量双重变化下,排种相对误差不高于4. 5% ,变异系数 不高于6. 2% ,响应时间范围为1. 59 ~ 2. 61 s,转速控制精度不低于97. 6% ,工作长度控制精度不低于98. 6% ,各项指标符合国家和相关行业标准要求。田间试验表明,播种量为4. 5 kg/ hm2,作业速度为3 ~ 12 km/ h 时,转速调节范围为18. 8 ~ 47. 0 r/ min,工作长度调节范围为19. 0 ~ 30. 0 mm,播种精度提高3. 41个百分点,变异系数下降2. 24 个百分点,响应时间范围为2. 10 ~ 2. 86 s。研究结果可为小粒径精量播种调控技术提供参考。

Abstract:

为提升现有夹苗式水稻钵苗移栽的作业效率与栽植质量,提出了一种多臂回转式高速夹取与对辊加速射秧组合式水稻钵苗移栽方式。将具有低传动比波动特性的二阶卵形齿轮引入行星轮系取秧机构,采用对称布局的四取秧臂结构,以提高机构单周夹取频次。通过建立卵形轮系机构运动学模型,编写用于取秧机构轨迹、姿态优化的辅助设计程序,确定了满足农艺要求的合理参数组合,优选出一种“桃形”取投秧轨迹,并完成轮系设计与仿真验证。为提升高转速工况下的取投秧性能,基于五次多项式运动规律构建了空间摆动凸轮取秧臂机构,实现了低压力角、运动平稳 的推程与回程特性;通过开展单因素试验,系统分析对辊直径、转速、安装位置对加速射秧的影响规律,实现了秧苗的精准加速与定向投射,有效保障钵苗栽植直立度和栽植深度的一致性。以取秧臂转速、对辊转速、射秧角度和土壤含水率为因素,植苗成功率为评价指标进行正交试验,明确了土壤含水率为主要影响因素。单因素试验结果表明:在转速110 r/ min 下,平均取秧成功率达94. 46% ;在射秧速度5 m/ s 条件下,可实现2. 5 ~ 3. 0 cm 理想入土深度;取投秧联合试验表明:平均综合植苗成功率达91. 6% ,平均作业效率达435 株/ min,平均损伤率为2. 1% 。本研究采用取植分离协同作业模式,为水稻钵苗高速高质机械化移栽提供了新的技术路径与实践依据。

Abstract:

为提升取栽一体式钵苗移栽机构的定植立苗效果,本文提出了一种二次探出护钵式移栽机构,通过对取栽一体式移栽臂进行功能解耦设计,借助推秧杆的两次递进式探出与夹爪的协同作业,依次实现钵苗的夹取、护钵与定植。该机构以平面凸轮和端面凸轮为核心驱动单元:平面凸轮驱动推秧杆两次递进式探出,依次完成护苗与植苗动作;端面凸轮控制夹爪开合,实现钵苗的夹取与释放。为达成凸轮机构低冲击、低磨损的设计目标,结合移栽运动技术要求与移栽臂结构参数,建立了凸轮机构运动学模型,基于曲线包络理论完成了凸轮轮廓设计。针对平面 凸轮机构,通过构建弹性动力学方程并制定接触力学优化策略,将凸轮与拨叉的接触形式优化为面接触,有效降低 了运动冲击;针对端面凸轮机构,引入了基于曲率约束的轮廓优化函数,优化了其压力角峰值特性。通过虚拟样机运动学仿真与物理样机田间试验对设计方案进行双重验证,结果表明:该移栽臂可显著降低钵苗栽插直立度对行星轮系转速的敏感性,在250 株/ (min · 行)作业工况下,钵苗直立度合格率达87. 50% ,较原移栽臂机构实现显著提升,适用于高速高质钵苗移栽作业场景。

Abstract:

撒肥是农业生产的重要环节,提高撒肥均匀性在保证作物产量与品质的同时也减少对环境造成的污染。针对单通道直线式撒肥叶片撒出肥料分布均匀性差等问题,设计了一种双通道斜置式撒肥叶片的单圆盘离心式变量撒肥机,采用模糊PID算法开发双变量撒肥控制系统,可依据实时信息实现落肥量与撒肥幅宽的同时调节。通过分析肥料颗粒在叶片前端、后端和空气中的受力情况,构建肥料颗粒运动学模型,确定叶片最佳参数,以实现肥料均匀分布。基于离散元法建立撒肥仿真模型,分别进行单因素试验与正交试验并进行响应面分析。试验结果表明:在落肥口开度8°,叶片偏角0. 42°,叶片斜角16. 22°,圆盘转速450 r/ min,前进速度1. 1 m/ s 时,肥料分布状态达到最佳,此时肥料分布均匀性变异系数为18. 7% ,撒肥有效幅宽为10. 96 m。进行台架试验与田间试验,对仿真试验结果与双变量撒肥控制系统性能进行验证,结果表明:台架试验与仿真试验的肥料分布均匀性变异系数平均误差为0. 24% ,说明离散元法可准确模拟撒肥过程;肥料分布均匀性变异系数为24. 5% ,肥料施用控制精度为90. 7% ,总排肥量稳定性系数为94. 6% ,单位面积施肥量误差为19. 8% ,满足农艺要求。该研究结果为提高撒肥均匀性及精准变量施肥技术研究提供重要参考。

Abstract:

为得到谷物收获过程中精确的清选损失信息,不仅需要误差小、稳定性好的清选损失监测传感器硬件作为基 础,还需要明晰传感器监测值与实际清选损失量之间的数学关系,本文基于课题组前期研发的清选损失监测传感器,首先构建了水稻、小麦、油菜等典型作物的脱出混合物各成分颗粒模型,并根据实际工况建立了多组清选装置三维流道模型,通过CFD-DEM耦合方法开展了作物种类、喂入量、筛片开度、风机进风口面积等单因素及多因素 仿真,分析不同作业工况下清选损失监测值与实际值之间的关系及其变化规律,并利用田间接料试验对仿真结果进行验证。研究结果表明,作物种类、筛片开度、风机进风口面积等是影响清选损失监测占比的主要因素,喂入量在一定范围内对占比影响不显著;由耦合仿真得出的清选损失监测占比数值相较于实际田间试验值偏大,偏大程度数值的标准差为0. 97% ,验证了仿真分析的有效性。结合仿真样本数据构建了多种典型非线性拟合模型,通过对拟合结果进行对比分析并考虑实际工程应用,选取二次多项式回归模型作为清选损失监测占比补偿模型(R2 adj大于0. 991、RMSE小于0. 216% )。最后将该模型与嵌入式系统相结合,实现清选损失监测占比的在线补偿,模型补偿值与实测值之间的差值不超过1. 08% 。该研究有效提升了总清选损失计算的准确性和适应性,减少了对人工接料盒试验的依赖,同时可为收获作业参数智能化调控及整机性能评价提供有力支撑。

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针对花生挖掘收获过程中土块分离效率低、落果损失率高等问题,设计了一种铲链式花生收获机。通过对花生植株和土壤颗粒受力情况开展分析,探究了花生植株土壤复合体在输送去土、翻转放铺过程中的运动规律,并对输送分离装置和翻转铺放装置等结构参数进行了优化设计。基于DEM-MBD 耦合方法建立了花生植株土壤回环输送链仿真模型,并开展花生植株输送去土过程仿真试验,探究了回环输送链速度、回环输送链倾角、振动轮转速对花生植株受力情况的影响规律。开展了花生挖掘收获田间试验,以含土率和落果率为试验指标,求解最优参数组合。田间试验表明:回环输送链速度1. 5 m/ s、回环输送链倾角25°、振动轮转速150 r/ min 时,花生落果率为 2. 9% ,花生含土率为6. 4% ,各项性能指标均满足相关标准的规定。

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油菜是全球重要的油料作物之一,其单产与总产的准确预测对粮油安全评估、农业生产管理及生物能源潜力分析具有重要意义。针对油菜单产与总产预测中样本规模受限、总产建模和多源信息协同效应缺乏系统评估的问题,本文收集县域油菜单产和总产数据,综合利用多源遥感与气象大数据,构建油菜单产与总产的协同预测框架。 在此基础上,引入6种树结构机器学习模型,系统评估不同模型及不同数据源组合在油菜单产与总产预测中的性能差异。结果表明,遥感与气象数据联合输入在单产和总产预测中均优于单一遥感或气象数据源,且这一优势在不同树模型结构下表现出良好的一致性与稳定性。不同数据源组合在所有模型中的预测性能遵循一致排序:即联合输入表现最佳,其次为仅遥感输入,最低为仅气象输入;说明遥感与气象数据在生长状态与环境驱动信息上的互补性,是提高油菜单产和总产预测精度的重要基础。单产预测中,CatBoost 表现最佳( R2 为0. 679、RMSE 为 0. 269 t/ hm2、MAE 为0. 194 t/ hm2);总产预测中,Cubist 表现最佳(R2为0. 952、RMSE为9. 42 kt、MAE为5. 00 kt)。 油菜单产与总产预测结果在空间分布上与观测值总体一致。本研究提出的多源遥感与气象信息融合结合树结构机器学习方法,能够有效提升区域尺度油菜单产与总产预测精度,为油菜产量监测、精准农业管理及农机收获调度决策提供了可靠的技术支撑。

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及时准确获取玉米种植分布情况对农业生产管理具有重要意义。针对多云雨区玉米识别中数据缺失与样本依赖难题,本研究提出一种无监督的协同玉米制图指数(Synergistic maize mapping index,SMMI)以实现山西省寿阳县玉米种植区提取。选取2021年5—8月春玉米关键生育期的GF-6 WFV 和Sentinel-1 SAR 影像为数据源,通过耦合GF-6的2个红边波段、SAVI、TVI、RDVI 及Sentinel-1的VH极化特征构建SMMI 进行阈值分类实现春玉米种植区提取。结果表明:利用SMMI 提取春玉米的总体精度达到90. 72% ,玉米用户精度与生产者精度分别达到 88. 07% 与87. 8% ,较未使用雷达特征的指数和基于多特征集的随机森林(Random forest,RF)算法的总体精度分别提升1. 86、0. 95 个百分点,表明SMMI在春玉米识别精度上优于这2种方法,且验证了红边波段与VH极化特征在春玉米识别中的重要性;同时联合光学与雷达特征可实现较单一数据源更优的分类效果。该研究可为多云雨地区的玉米分布制图提供方法参考。

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实时监测氮素养分状态对于提高肥料效率和作物产量、品质至关重要。作物氮素监测在精准农业中具有重要意义,但传统的土壤和叶片采样方法难以满足大范围、实时监测的需求。本研究结合RGB与多光谱传感器的多源数据,构建了冬小麦叶片氮含量(Leaf nitrogen content,LNC)估算模型,旨在提升氮素监测精度。首先基于无人机 RGB 与多光谱影像提取冬小麦的多源特征信息,并通过结合Pearson相关性分析与变量投影重要性( Variable importance in projection,VIP)的“两段式”特征筛选策略识别关键变量,融合颜色空间、纹理和光谱特征参数进行 LNC 估算。结果表明,融合模型在不同生育期的估算精度显著优于单一传感器模型,R2 提高了0. 03 ~ 0. 16,RMSE 降低了0. 02 ~ 0. 10 个百分点,NRMSE 减少了0. 61 ~ 3. 90 个百分点,其中SVR模型表现最佳。研究表明,多源遥感信息融合能够有效提升LNC估算精度,突破了单一传感器的局限,为精准农业提供了新的技术方法和理论支持。

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我国是全球最大的水稻种植国,水稻不同生长期的精准识别对于实现稻田智能化管理至关重要。以水稻生长的始穗期、齐穗期、乳熟期和黄熟期为识别目标,提出了一种基于多特征融合的水稻生长期识别模型。以无人机获取的高分辨率遥感影像作为数据源,分别采用Swin Transformer模型和ResNet18模型提取了影像的多尺度特征和深层语义特征;设计了一种改进的特征融合模块,包括自适应特征融合(AFF)模块和全局上下文建模(GC)模块。AFF模块通过学习特征之间的权重关系,实现不同特征的自适应融合。GC模块引入全局上下文信息,增强模 型对全局特征的感知能力,提高模型对复杂场景的适应性;采用Lion 优化器和动态学习率策略,加速模型的收敛速度。同时,引入Dropout层以防止过拟合,提高模型的泛化能力。对比实验表明,本文提出的模型在水稻抽穗期和成熟期识别任务上取得了97. 14%的准确率,相较于MobileNetV2、EfficientNet和Swin Transformer 分别提高了3. 29、 2. 53、1. 09 个百分点。在保证高准确率的同时,该模型的参数量和计算量相对较少,具有较好的轻量化特性,适用于实际应用场景。

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油菜角果平均籽粒数是评价产油量的核心指标。传统人工检测方法存在破坏性大、主观误差大、效率低等缺陷。为此,提出一种基于姿态信息的角果内含籽粒数统计方法,实现散铺油菜角果籽粒的自动化无损检测。引入RAPESEED-YOLO 网络,加入轻量化VanillaNet 主干网络、P2小目标检测头及多尺度膨胀注意力机制(MSDA),增强小目标特征提取能力;设计动态检测头(Dynamic Head)与动态采样器(DySample),结合C3k2_MDConv2 模块优 化多尺度特征融合;提出Shape-IoU 损失函数,提升小目标边界框回归精度,降低模型体积,提升运算速度,便于部署。实验结果表明,RAPESEED-YOLO网络精度为98. 6% 、召回率为98. 7% 、平均精度均值为98. 9% ,本统计方法在15组生产实验中平均精度为95. 6% ,误差小于10% ,理想状态下可达到3 株/ h的高通量。展现出在农业场景下高鲁棒性与低资源消耗特性,为油菜籽粒无损检测提供了精准、高效、轻量化的实用技术路径,对推动油菜测产具有重要应用价值。

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针对不同光照下苹果成熟度识别困难,不同成熟度苹果使用同一采摘模式损伤率较高的问题,提出了一种改进 YOLO 11n 不同光照下苹果成熟度识别模型YOLO 11n-LDA,并与柔性夹爪结合实现不同成熟度苹果低损采摘的方法。首先,在YOLO 11n网络中的SPPF模块中加入具有大型可分离内核注意力(Large separable kernel attention, LASK)模块,增大模型感受野;然后在C3k2模块中加入动态蛇形卷积(Dynamic snake convolution,DySnakeConv),提高模型多尺度特征感知能力;其次将Neck网络替换为渐进式特征金字塔(Asymptotic feature pyramid network,AFPN)网络,可以减少语义间隙,提高模型特征融合的稳定性。最后使用ANSYS仿真分析出不同成熟度苹果的最大安全采摘力,融合到柔性夹爪中实现低损采摘。在PApple_RGB-D-Size数据集中苹果分为食用成熟、采摘成熟、未成熟3类, 改进后模型整体的平均精度均值(mAP@ 0. 5)为87. 7% ;食用成熟、采摘成熟和未成熟的平均精度均值(AP@ 0. 5)分别为86. 6% 、89. 0% 和87. 5% ;整体的mAP@ 0. 5 和3 类成熟度的AP@ 0. 5 相较于YOLO 11n 分别提高3. 9、8. 0、1. 6、 2. 1 个百分点。在Orchard apple maturity 数据集中改进模型的mAP@ 0. 5 为95. 5% ,相较于YOLO 11n提高0. 9 个百 分点。采摘实验中检测率、采摘成功率和损伤率分别为99. 0% 、84. 0% 和4. 8% 。

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针对自然环境下草莓成熟度识别受枝叶遮挡及光照不均影响导致分类精度低的问题,本研究提出一种融合改进的YOLO v8 实例分割与轻量化CNN分类网络的级联检测方法。该方法首先使用GhostNet轻量化结构和注意力机制改进的YOLO v8n-seg模型实现果实定位与分割,在模型参数量较低(2. 6 × 106)的前提下,实现在复杂背景中对目标的准确分割。其次,利用分割掩码从原始图像中裁剪出果实目标区域,并输入至基于EfficientNet-Lite构建的CNN分类网络,该网络借助MBConv(Mobile inverted bottleneck convolution)模块和Softmax 分类器,专注于捕捉果实表面细微的颜色与纹理特征变化,有效提升了模型对“转熟”等过渡阶段果实的辨识能力。试验结果表明, 本研究提出的解耦式空间定位与属性识别协同策略显著增强了系统的鲁棒性,成熟度识别平均准确率达到 88. 1% ,整体系统参数量为7. 3 × 106(EfficientNet-Lite参数量为4. 7 × 106),推理速度为71. 9 f/ s,在保证实时处理的同时实现了对未熟、转熟及成熟草莓的准确分级,为草莓智能采摘机器人的视觉系统提供了技术支撑。

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奶牛跟踪是获取奶牛位置信息和活动数据的重要方式,对奶牛的智能管理具有重要意义。针对视频中部分奶牛目标较小、存在重叠与环境遮挡造成的漏检、误检和轨迹断裂的问题,提出了YOLOX-BT 算法,该算法将 YOLOX-s的CSP2_1 结构替换成了CFP_EVCBlock结构,用于提升小目标检测性能;在CFP_EVCBlock结构中,通过整合多种特征增强机制设计了特征重标定模块(Feature refinement module,FRM),解决重叠与遮挡问题,实现了对重要特征的有效提取;为了改善轨迹断裂情况,在数据关联部分,引入外观相似度改进相似度计算方法,并且在匹配过程中,动态调整外观相似度匹配和IoU匹配的所占权重,提升了奶牛的匹配精度。实验结果表明,改进后的检测器平均检测精度、精确率、召回率、帧速率分别达到了94. 9% 、94. 2% 、92. 7% 和22. 9 f/ s,较原模型相比分别提高了1. 2、0. 8、2. 3 个百分点和29. 4% ,参数量下降了9. 3% ,浮点运算量减少了16. 7% 。YOLOX-BT方法在奶牛多目标跟踪任务上,MOTA为93. 2% ,IDF1 为95. 2% ,IDs 为13,MOTP 为5. 3% ,与目前常用方法相比,在MOTA和 IDF1上均有显著提升,并有效减少了ID切换。YOLOX-BT算法能实现养殖场奶牛的准确且持续有效跟踪,能够为奶牛智能管理提供技术支持。

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针对农业实践造成的农业水质污染问题,亟需构建系统的农业水质评价并揭示其时空分异特征及驱动机制。本文利用野马优化算法随机森林(Wild horse optimizer-Random forest,WHO-RF)模型评价了黑龙江省北大荒农垦集团有限公司建三江分公司下辖15个农场地表水及地下水水质,分析其时空演化规律,探究水质变化成因。结果表明:建三江分公司水质符合农业用水要求。2018—2020年地表水质量先降后升,地下水质量则先升后降,2020年两者水质差异最大,2021—2022年地表水及地下水质量均上升,农业水质呈显著改善趋势。与中部农场相比,临江农场地表水及地下水水质变化均较大,同时,区域水质空间异质性由强变弱。通过OOB指数确定了地表水中 TP、NH3-N 含量以及地下水中Cl - 、CODMn、NH3-N含量5个指标是影响区域农业水质的关键指标,顷均氮肥施用量对区域农业水质影响最为显著。为检验WHO-RF模型综合性能,选用传统随机森林(Random forest,RF)模型、蜻蜓算法随机森林(Dragonfly algorithm-Random forest,DA-RF)模型与其进行对比分析,通过比较平均绝对百分比误差、决定系数、均方根误差和均方误差等4类评价指标,验证了该模型在区域水质评价中的优越性与可靠性。研究成果为水质评价提供一种新途径,同时也为区域水质风险应对提供指导。

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生物炭因其发达的孔隙结构和丰富的表面官能团,能有效改善土壤水力特性。将难以生化降解的棉秆转化为生物炭并用于土壤改良,是实现农业废弃物资源化利用与生态修复协同发展的可行途径。本研究以棉花秸秆为原料,在不同热解温度(300、400、500、600、700℃)下制备生物炭,系统表征棉秆生物炭孔隙结构、比表面积、官能团 演变及晶体结构的变化,并通过一维土柱模拟试验,定量研究不同热解温度棉秆生物炭及其施用量(1. 0% 、1. 5% 、 2. 0% )对土壤湿润锋迁移、水分入渗与蒸发过程的影响。采用Philip和Kostiakov模型对土壤入渗速率与时间的关系进行拟合,以再现水分入渗动态;同时,通过应用Rose和Gardner模型对土壤水分蒸发过程进行数值模拟。热解制备生物炭试验结果显示,随着热解温度升高,生物炭孔隙结构趋于规整有序,500℃条件下制备的生物炭比表面积和总孔容最大,分别为1. 67 m2 / g 和0. 003 2 cm3 / g,微介孔结构发达,芳香化程度较高,在土壤中稳定性较好。土柱模拟试验结果表明,棉秆生物炭通过毛细阻滞与孔隙重构作用显著延缓湿润锋迁移,降低入渗速率,抑制水分蒸发,提升土壤持水性能。其中,热解温度为500℃的棉秆生物炭施用量为2. 0% 时处理效果最优,较对照组水分入渗时间延长78. 6% ,累积入渗量提高12. 9% ,土壤蒸发量减少34. 0% 。模型拟合结果显示,Kostiakov 模型对入渗过程拟合精度高(R2 > 0. 99),优于Philip模型;Rose模型对蒸发过程模拟更准确(R2 > 0. 99),优于Gardner模型。综上,在适宜热解温度与施用量下,棉秆生物炭可同步优化土壤水分入渗与持留性能,为生物炭提升土壤持水能力提供理论依据。

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针对橙子早期腐烂识别中传统方法检测精度低的问题,提出了一种融合高光谱成像与多重优化策略的检测方法,旨在实现早期腐烂橙子的有效检测。基于450 ~ 1 050 nm波段的高光谱数据,通过Borderline-SMOTE算法合成增强数据(KL 散度为0. 02,Wasserstein 距离为3. 4),采用ReliefF算法筛选了24个关键特征波长,结合贝叶斯优化构建机器学习及CNN分类模型,并系统地评估了模型分类性能与计算效率。CNN模型经贝叶斯优化和特征筛选后分类误差降至0. 008,运行时间由910. 4 s 减少至177. 9 s(降低80. 5% ),测试集准确率达99. 0% 。

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密集烤房烘烤过程缺乏含水率空间分布在线检测手段,导致工艺调控响应滞后,烟叶烤青、挂灰等问题频发。 提出了一种基于稀疏称量网络与机器学习的烟叶含水率空间分布在线检测新方法。该方法以烤房前端截面的烟叶质量、瞬时脱水速率及环境温湿度作为动态特征参量,结合目标点的空间坐标,建立了从含水率局部测量到空间分布的非线性映射关系。在此基础上,采用贝叶斯优化(BO)对构建的XGBoost 模型超参数进行全局优化,获得适应阶段性变温调湿特性的含水率空间分布预测模型,并集成称量传感网络开发在线检测系统,进行了验证试验。 结果表明,测试集中预测模型的R2、MAE和RMSE分别为0. 996、0. 76% 和1. 14% ,预测性能优于SVR、MLP对比模型。在线验证试验发现,烟叶含水率预测值与实测值的平均R2、MAE 和RMSE分别为0. 978、2. 77% 和3. 66% ,表明检测系统的可靠性。变黄期(38℃)、定色期(48℃)和干筋期(65℃)含水率空间分布的变异系数分别为1. 73% 、 8. 27% 和20. 02% ,明确烟叶含水率均匀度随烘烤进程逐步下降,证实检测系统可对含水率空间分布均匀性进行有效量化。研究结果为实现烟叶烘烤工艺参数的精准调控提供了技术支撑。

Abstract:

针对小型遥控水下机器人(ROV)在浅水作业中面临的水动力性能与功能扩展性矛盾,本文提出一种融合流线型主体与开放式框架的混合构型优化设计方案。基于Myring廓线对ROV推进器支撑板进行流线型设计,并重点对推进器支撑板前缘实施圆角化处理,以降低航行阻力。通过6 自由度动力学模型分析运动稳定性,并利用计算流体动力学(CFD)仿真与水池拖曳实验,实验测试ROV 的阻力系数以及附加质量,并系统评估优化前后的阻力特性与流场结构。结果表明,优化设计显著改善了流场,使流动分离区面积减少51. 0% ,湍动能峰值下降62. 7% , 在流速0. 01 m/ s 下,总阻力下降4. 99% 。直航与斜航仿真进一步证实,优化后的ROV 具有更优的水动力系数。本研究为小型ROV的低阻力、高机动性设计提供了有效的理论方法与工程实践参考。