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大蒜播种关键技术与装置的研究

大蒜播种关键技术与装置的研究

作者：栗晓宇山东农业大学

学位级别：硕士

大蒜是中国主要蔬菜作物之一,为保证大蒜出芽率高、生长品相优,播种时要求“单粒播种、根下芽上、直立栽种”,中国一直以来主要通过人工播种,这种方式劳动强度大、工作效率低、人力成本高,已经不能满足现代化农业发展的要求,因此,亟需... 详细信息

大蒜是中国主要蔬菜作物之一,为保证大蒜出芽率高、生长品相优,播种时要求“单粒播种、根下芽上、直立栽种”,中国一直以来主要通过人工播种,这种方式劳动强度大、工作效率低、人力成本高,已经不能满足现代化农业发展的要求,因此,亟需一种高效精准大蒜播种装备来代替人工劳作。为解决国内外在大蒜取种和定向技术方面的难题,在研究蒜种物理机械特性基础上,设计了链勺式单粒取种装置;利用离散元仿真软件对三级料斗式蒜种定向装置进行仿真模拟,根据仿真结果对定向装置参数进行了优化;为了进一步提高定向效果,设计了智能蒜种姿态检测与调整装置,能够根据蒜种鳞芽朝向自动执行调整动作。本研究主要开展了以下工作:(1)蒜种物理机械特性的研究。选用兰陵大蒜和金乡大蒜为研究对象,定义蒜种结构名称和三维尺寸,通过试验确定了长、宽、厚、密度、滑动摩擦系数等物理特征参数;通过兰陵大蒜和金乡大蒜压缩试验(长度方向、宽度方向和厚度方向)和剪切试验(背部向上和背部向下),确定了蒜种各方向上的弹性模量、抗压强度等力学特征参数,为取种装置和定向装置设计提供参考依据。(2)单粒取种技术与装置的研究。根据国内外单粒取种技术研究现状,采用链勺式取种方式设计了单粒取种装置,主要包括取种勺、取种链板和振动机构,通过理论分析和试验确定了各部件结构和工作参数,试验结果表明该装置单粒取种率为93.5%、多粒率为2.3%、漏取率为4.2%,满足使用要求。(3)三级料斗式蒜种定向装置的仿真与参数优化。在计算机中建立了蒜种三维模型,应用EDEM离散元仿真软件模拟蒜种在三级料斗式定向装置中的运动过程,分析了蒜种受力大小和方向;对料斗式定向装置的结构参数进行优化,同时采用仿真模拟和试验测试的方法确定了最优工作结构参数。(4)智能蒜种定向装置的研究。针对鳞芽朝下的蒜种不能自主调正的难题,基于红外检测设计了通过理论分析、仿真模拟和试验测试相结合的方法确定了关键部件结构参数;设计了以单片机为核心的自动控制系统。试验结果表明,兰陵大蒜定向率达到95%以上,金乡大蒜定向率为90%左右,满足大蒜播种“根下芽上、直立栽种”的要求,实现了蒜种定向的自动化和智能化。

关键词：大蒜单粒播种蒜种定向仿真模拟自动控制

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全自动蒜种盒提取投放装置设计与试验

农业工程学报 2017年第23期33卷 32-37页

作者：栗晓宇耿爱军侯加林张姬张智龙山东农业大学机械与电子工程学院泰安271000 山东省园艺机械与装备重点实验室泰安271000

针对目前大蒜播种机械自动化程度低、蒜种鳞芽朝上率低的现状,基于种盒式大蒜播种方式,设计了一种全自动蒜种盒提取投放装置。该装置主要包括机架、地轮、地轮轴、测速编码器、光电传感器、控制箱、输送装置和提取投放装置,能够实现蒜... 详细信息

针对目前大蒜播种机械自动化程度低、蒜种鳞芽朝上率低的现状,基于种盒式大蒜播种方式,设计了一种全自动蒜种盒提取投放装置。该装置主要包括机架、地轮、地轮轴、测速编码器、光电传感器、控制箱、输送装置和提取投放装置,能够实现蒜种盒自动给进、准确抓取、平稳输送、精确投放等功能。设计了机械臂和机械手结构,通过理论分析建立了各关键部件参数数学模型,确定了机械臂和机械手工作参数,探明了机组行进速度对各舵机工作参数的影响规律,明确了影响蒜种盒投放间隙的因素。为了测试蒜种盒投放效果影响进行了试验,结果表明当机组行进速度为0.90 km/h,中心舵机、辅助舵机、控距舵机转速分别为26.04、26.04、13.89 r/min时蒜种盒投放后衔接间隙平均值为5.6 mm,投放效果较优,满足大蒜播种要求。该文研究结果可为实现大蒜播种自动化提供参考。

关键词：农业机械设计农作物大蒜播种蒜种盒提取投放自动化

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玉米清选装置结构优化设计与试验

农业机械学报 2020年第S02期51卷 233-242页

作者：栗晓宇杜岳峰牛兴成迟瑞娟毛恩荣中国农业大学现代农业装备优化设计北京市重点实验室北京100083

针对目前玉米籽粒直收机的清选装置存在籽粒损失率和含杂率偏高、传统试验受季节性影响大等问题,基于CASE 4099型联合收获机清选系统,搭建玉米脱粒清选试验平台,设计了一种竖式可调节分风板,并采用数学建模、仿真模拟和试验验证相结合... 详细信息

针对目前玉米籽粒直收机的清选装置存在籽粒损失率和含杂率偏高、传统试验受季节性影响大等问题,基于CASE 4099型联合收获机清选系统,搭建玉米脱粒清选试验平台,设计了一种竖式可调节分风板,并采用数学建模、仿真模拟和试验验证相结合的方法对清选装置作业性能进行优化。建立籽粒在振动筛上运动过程的数学模型,分析了振动筛倾角、振幅、频率、振动方向角和风机风力与振动筛筛面夹角等因素与籽粒在振动筛上平均运动速度和移动距离的关系;对清选装置内部流场风速分布进行仿真和试验,仿真结果表明,分风板左或右偏18°时,流场中风速分布均匀,在垂直方向上差值较小,验证试验结果表明,分风板右偏18°时流场内各测量点风速分布均匀,适于籽粒与杂质分离,清选效果较好;以振动筛转速、风机转速为主要影响因素,以籽粒损失率、含杂率为指标进行正交试验,结果表明当振动筛曲柄转速为275 r/min、风机转速900 r/min为最优作业参数组合,损失率和含杂率分别为1.34%、1.66%。

关键词：玉米清选装置分风板有限元分析优化设计

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自动定向大蒜播种机的设计与试验

农业工程学报 2018年第11期34卷 17-25页

作者：耿爱军栗晓宇侯加林张智龙张姬崇峻山东农业大学机械与电子工程学院泰安271000 山东省园艺机械与装备重点实验室泰安271000 济南华庆农业机械科技有限公司济南251600

针对现有大蒜播种机难以满足蒜种"鳞芽朝上、直立栽种"农艺要求的问题,该文设计了一种大蒜自动定向播种机。该播种机主要由底盘、机架、种箱、取种装置、蒜种定向装置、插播装置、气动控制系统和镇压轮组成。采用链勺式取种方式完成单... 详细信息

针对现有大蒜播种机难以满足蒜种"鳞芽朝上、直立栽种"农艺要求的问题,该文设计了一种大蒜自动定向播种机。该播种机主要由底盘、机架、种箱、取种装置、蒜种定向装置、插播装置、气动控制系统和镇压轮组成。采用链勺式取种方式完成单粒取种,利用三级锥形料斗实现蒜种鳞芽定向,通过鸭嘴式插播器实现直立栽种。设计了各关键部件结构,通过试验研究探明了影响取种效果和鳞芽定向效果的主要因素,确定了合理工作参数组合。以兰陵大蒜为试验对象,取种试验表明,当播种机行进速度0.10 m/s、振动机构振动作用力15 N、十字轮转速20 r/min时,单粒取种率为93.50%,多粒率为2.30%,漏取率为4.20%,综合取种效果最优;蒜种定向试验表明,当3级料斗尖锥半顶角依次为45°、40°和30°时,料斗安装间距100 mm、料斗打开间隔时间0.4 s时的鳞芽朝上率为94.44%,综合定向效果最优。大蒜播种机田间试验结果表明,上述参数组合下鳞芽朝上率为89.2%,重播率为3.2%,漏播率为2.0%,播种效率为500～650 m^2/h,满足大蒜播种农艺需求。该文研究结果为推动大蒜播种机械化和自动化发展提供参考。

关键词：农业机械农作物设计大蒜播种机蒜种定向单粒取种直立栽种

基于EMD的联合收获机籽粒损失监测传感器设计与试验

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农业机械学报 2022年第S01期53卷 158-165页

作者：杜岳峰张丽榕毛恩荣栗晓宇王皓洁中国农业大学工学院北京100083 中国农业大学现代农业装备优化设计北京市重点实验室北京100083

玉米清选损失监测受清选脱出物种类多样、环境噪声复杂等影响严重,为了解决清选损失监测精度差、效率低的问题,设计了一款基于最小能量准则EMD(Empirical mode decomposition)去噪方法的清选损失监测传感器,实现了对采集信号中的振动、... 详细信息

玉米清选损失监测受清选脱出物种类多样、环境噪声复杂等影响严重,为了解决清选损失监测精度差、效率低的问题,设计了一款基于最小能量准则EMD(Empirical mode decomposition)去噪方法的清选损失监测传感器,实现了对采集信号中的振动、工噪和杂余等信号分离。利用Matlab仿真对模拟信号进行去噪,与小波去噪、低通滤波法和移动平均法3种去噪方法相比,基于最小能量准则EMD去噪方法在不同信噪比下均方根误差(RMSE)最小,为0.1698,信噪比(SNR)最高,为12.7453,处理后的信号最接近原始信号。为验证该方法的实用性,以籽粒损失率分别为0、5%、10%、15%和20%的冲击样本开展损失率监测传感器台架试验,结果表明:该传感器最小检测误差为1.8%,最大检测误差为3.9%,对比小波去噪、低通滤波法和移动平均法3种去噪方法所得试验数据,最小能量准则EMD去噪方法的平均误差分别减小了2.12、4.40、6.52个百分点,与仿真试验结果一致。该研究对于提高玉米清选损失率检测精度特别是信号处理过程中去噪方法的研究具有重要意义。

关键词：清选损失传感器最小能量准则经验模态分解玉米联合收获机

融合路面特征的大型喷雾机多工况悬架控制与试验

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农业机械学报 2023年第S02期54卷 110-120页

作者：杨帆杜岳峰栗晓宇张延安毛恩荣李臻中国农业大学工学院北京100083

大型高地隙喷雾机的作业工况复杂,不同路况对悬架的性能要求不尽相同,传统悬架系统已无法满足喷雾机多工况作业的不同减振需求。为有效提高大型喷雾机各工况下的减振性能并有效降低能耗,提出了一种基于路况识别的多工况主动悬架控制系... 详细信息

大型高地隙喷雾机的作业工况复杂,不同路况对悬架的性能要求不尽相同,传统悬架系统已无法满足喷雾机多工况作业的不同减振需求。为有效提高大型喷雾机各工况下的减振性能并有效降低能耗,提出了一种基于路况识别的多工况主动悬架控制系统。首先,分析喷雾机典型作业工况,建立路面特征与悬架模型的映射关系;然后,搭建喷雾机油气悬架的上下层控制系统,采用变步长萤火虫算法优化控制系统中各工况下的阻尼系数;最终将搭载该控制算法的喷雾机进行田间动态性能试验。试验结果表明,相比传统悬架,主动悬架在水泥及田间路面的行驶平顺性分别提升11.0%和22.8%,操控稳定性分别提升24.5%和3.4%。本研究所提出的控制系统可以有效解决不同工况下驾驶平顺性和操纵稳定性的矛盾关系,满足喷雾机各工况的特定减振需求。

关键词：大型高地隙喷雾机油气悬架主动减振控制路面特征估计

基于离散元法的种子玉米剥皮过程籽粒损失分析与试验

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农业机械学报 2022年第S02期53卷 28-38页

作者：刘磊杜岳峰栗晓宇刘理汉张延安杨帆中国农业大学工学院北京100083 中国农业大学现代农业装备优化设计北京市重点实验室北京100083

种子玉米在剥皮过程中存在大量的籽粒破碎、脱落等损失问题,严重影响种子玉米的单产与经济效益。因此,本研究采用理论分析、离散元仿真与正交试验相结合的方法,探究种子玉米果穗与剥皮机构的互作机理,确定剥皮机构的最优工作参数组合以... 详细信息

种子玉米在剥皮过程中存在大量的籽粒破碎、脱落等损失问题,严重影响种子玉米的单产与经济效益。因此,本研究采用理论分析、离散元仿真与正交试验相结合的方法,探究种子玉米果穗与剥皮机构的互作机理,确定剥皮机构的最优工作参数组合以优化种子玉米剥皮过程。首先,对种子玉米果穗在剥皮机构中的受力及运动进行了理论分析,探究了在剥皮过程中剥皮机构-种子玉米的相互作用关系,并确定了影响剥皮性能的主要因素。其次,基于DEM建立种子玉米果穗-剥皮机构相互作用仿真模型,通过对玉米果穗籽粒损伤及脱落分析,确定了剥皮辊转速、剥皮辊倾角和摆杆摆幅的较优工作范围。最后,根据Box-Behnken设计方法,设计了三因素三水平的正交试验,通过方差分析和响应面分析,筛选出种子玉米剥皮机构的最佳工作参数组合:剥皮辊转速为300 r/min,剥皮辊倾角为10°,摆杆摆动幅度为5°,此时苞叶剥离率为94.13%,籽粒脱落率为1.564%,籽粒破碎率为1.292%。试验获得的剥皮装置的最优工作参数组合,明显提高了种子玉米的剥皮效果。

关键词：种子玉米剥皮机构籽粒损失离散元正交试验

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基于知识工程的玉米果穗剥皮装置设计

农业机械学报 2020年第S02期51卷 249-260页

作者：杜岳峰贺诗毛恩荣朱忠祥栗晓宇杨帆中国农业大学现代农业装备优化设计北京市重点实验室北京100083

收获机械结构复杂多样,使用季节性强,且用户多样性、定制化需求特征明显,传统研发模式存在设计周期长、效率低和质量难以保证等问题。本文以玉米联合收获机果穗剥皮装置为研究对象,根据剥皮装置结构特征、技术参数和性能评价指标之间的... 详细信息

收获机械结构复杂多样,使用季节性强,且用户多样性、定制化需求特征明显,传统研发模式存在设计周期长、效率低和质量难以保证等问题。本文以玉米联合收获机果穗剥皮装置为研究对象,根据剥皮装置结构特征、技术参数和性能评价指标之间的关系,提出了基于知识工程的玉米果穗剥皮装置设计方法。首先明确剥皮装置设计流程,制定模块化设计方案,按照功能划分为专用件模块、通用件模块和标准件模块,其中专用件模块为剥皮装置核心组成部件,主要包括剥皮辊、压送器,通用件模块包括喂入辊、输送机构、排杂器、传动机构和果穗回收机构等,标准件模块包括传动件、连接紧固件和轴承等。然后按照标准、规范和约束范围,建立剥皮装置相关设计知识库,分析玉米品种特性、作业形式、传动方案、结构参数和工作参数之间的数学关系,同时利用框架式表示法对剥皮装置进行分解,建立自顶向下的谱系层次结构。基于果穗运动学和动力学分析,融合文献资料、试验数据和专家经验,建立了剥皮装置工作性能评价模型,包括苞叶剥净率评价模型、籽粒损失率评价模型和籽粒破碎率评价模型。基于Visual Studio平台,融合知识库、推理机、评价模型和系统人机界面,开发了基于知识工程的玉米剥皮装置设计系统,实现用户需求参数输入下设计参数的实时计算输出及参数评价。基于上述研究,以TPJ16型玉米果穗剥皮装置参数为例,在交互界面输入功率7.5 kW、喂入量16.6 t,计算获取剥皮装置关键结构参数和运动参数,并进行设计参数的性能评价,求解结果表明该剥皮装置的苞叶剥净率为96.01%,籽粒破碎率为1.42%,籽粒损失率为3.25%。

关键词：知识工程玉米果穗剥皮装置推理机制评价模型设计系统

云-雾-边-端协同的农业装备数字孪生系统研究

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农业机械学报 2023年第10期54卷 133-141页

作者：郭大方杜岳峰栗晓宇李国润陈度宋正河中国农业大学工学院北京100083 中国农业大学现代农业装备优化设计北京市重点实验室北京100083

数字孪生是一种实现虚实融合的先进理念,能够解决农业装备全生命周期中的复杂性和不确定性问题,促进农业机械化和农业装备产业的转型升级。目前,农业装备数字孪生尚处起步阶段,缺乏实用解决方案和典型应用案例。为此,基于数字孪生和农... 详细信息

数字孪生是一种实现虚实融合的先进理念,能够解决农业装备全生命周期中的复杂性和不确定性问题,促进农业机械化和农业装备产业的转型升级。目前,农业装备数字孪生尚处起步阶段,缺乏实用解决方案和典型应用案例。为此,基于数字孪生和农业装备的特点,融合五维模型和移动边缘计算技术,提出一种云-雾-边-端协同的数字孪生系统架构与运行机制。以籽粒直收型玉米联合收获机为对象,针对脱粒过程中籽粒破碎率高的问题,开发大型联合收获机的数字孪生原型系统,实现模型预测、模型更新、实时监测和优化决策等功能,并开展田间试验。试验结果显示:数字孪生系统有效提高了虚拟模型的适应能力,使虚拟模型保持良好的预测效果;基于数字孪生的决策优化方法有效降低了籽粒破碎率,相较于手动收获模式,籽粒破碎率平均值降低24.24%;相较于反馈控制模式,籽粒破碎率平均值降低15.78%,说明原型系统能够有效改善玉米籽粒收获质量,所提出的系统架构和实现方法可行。

关键词：农业装备数字孪生边缘计算玉米脱粒决策优化

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