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蔬菜育苗高压静电吸附播种机理及系统参数优化

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农业工程学报 2024年第9期40卷 26-38页

作者：孙胜胡斌马金虎吴芯茗罗昕徐晓赟徐洛川石河子大学机械电气工程学院石河子832003 农业农村部西北农业装备重点实验室石河子832003 现代农业机械兵团重点实验室石河子832003

针对现有气吸式穴盘育苗播种机对含杂较多且没有丸粒化的不规则小颗粒蔬菜种子存在吸孔堵塞而导致排种精度下降的技术难题,该研究摒弃小孔径、长导程吸孔,设计了一种基于高压静电吸附特性的蔬菜育苗播种机。通过理论分析及电势等值线分... 详细信息

针对现有气吸式穴盘育苗播种机对含杂较多且没有丸粒化的不规则小颗粒蔬菜种子存在吸孔堵塞而导致排种精度下降的技术难题,该研究摒弃小孔径、长导程吸孔,设计了一种基于高压静电吸附特性的蔬菜育苗播种机。通过理论分析及电势等值线分布仿真试验确定介电绝缘层材料;构建静电吸附力学模型,明确影响静电吸附力的主要因素及其相互关系,确定影响播种性能的电参数及范围;以型孔加工直径、正向高压静电发生器输出电压和种箱底面倾斜角度为试验因素,以播种合格指数、重播指数和漏播指数为响应指标进行三因素三水平Box-Behnken中心组合试验,得到各试验因素与响应指标间的数学模型,应用Design-Expert 10.0.4软件对数学模型进行多目标优化,得到最佳参数组合为:型孔加工直径5.91 mm、正向高压静电发生器输出电压17.67 kV、种箱底面倾斜角度14.69°,此时播种合格指数为91.13%、重播指数为3.02%、漏播指数为5.85%。播种性能验证试验的播种合格指数相较于优化结果降低了0.61个百分点、重播指数相较于优化结果降低了0.17个百分点、漏播指数相较于优化结果增加了0.78个百分点。试验误差在允许范围内,参数优化结果可靠,满足精量播种技术要求。研究结果可为不规则小颗粒蔬菜种子精量播种机械装备的研发提供参考,同时也可为不规则小颗粒物料定量吸附和快速分离方法研究及设备开发提供参考。

关键词：播种机蔬菜制干辣椒高压静电吸附特性

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干红花收获机立式辊刷采摘装置设计与试验

农业工程学报 2024年第6期40卷 203-211页

作者：孙超葛云张贺曾海峰张立新石河子大学机械电气工程学院石河子832000 现代农业机械兵团重点实验室石河子832000 农业农村部西北农业装备重点实验室石河子832000

针对旱地干红花人工采收时不易捏取导致采摘效率低、掉落率高等问题,该研究结合红花的物理特性和种植模式,设计了立式辊刷干红花收获机采摘装置。根据机具结构对刷丝排布方案进行理论分析,确定刷丝排布方案为螺旋式,螺旋升角为30°,旋... 详细信息

针对旱地干红花人工采收时不易捏取导致采摘效率低、掉落率高等问题,该研究结合红花的物理特性和种植模式,设计了立式辊刷干红花收获机采摘装置。根据机具结构对刷丝排布方案进行理论分析,确定刷丝排布方案为螺旋式,螺旋升角为30°,旋向为右旋。对辊刷采摘干红花进行力学分析,得出使花丝脱离果球的关键作用力为法向力FN。采用Hertz弹性接触理论对FN进行分析,并建立刷丝-果球接触力学模型,揭示干红花的采摘原理,明确影响采摘质量的主要因素为刷丝材质、丝径、长度和辊刷转速,进一步对立式辊刷结构与运动参数进行分析,得出采摘装置优化参数组合为:辊刷长度300 mm,辊刷直径100 mm,辊刷转速360 r/min,刷丝材质为聚酰胺610(PA-610),刷丝长度30 mm,刷丝丝径0.3 mm。通过植株通过率试验确定立式辊刷与栅条架的间隙为12 mm。田间采摘试验表明,该装置的红花采摘率和伤果率分别为87.04%和4.19%,机具采摘效率为人工采摘效率的7.71~10.92倍。研究结果可为辊刷式干红花收获机的设计与优化提供参考。

关键词：农业机械收获红花采摘立式辊刷螺旋式

基于改进YOLOv7-ByteTrack的干制哈密大枣缺陷检测与计数系统

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农业工程学报 2024年第3期40卷 303-312页

作者：刘鑫马本学李玉洁陈金成喻国威石河子大学机械电气工程学院石河子832003 农业农村部西北农业装备重点实验室石河子832003 现代农业机械兵团重点实验室石河子832003 新疆农垦科学院机械装备研究所石河子832000

针对目前无法同时对随机多列排布干制哈密大枣进行快速缺陷检测和统计计数问题,该研究设计了一款干制哈密大枣在线检测与计数系统。以干制哈密大枣为研究对象,利用工业相机拍摄传送带上随机排列的多类别缺陷干制哈密大枣视频为数据源,... 详细信息

针对目前无法同时对随机多列排布干制哈密大枣进行快速缺陷检测和统计计数问题,该研究设计了一款干制哈密大枣在线检测与计数系统。以干制哈密大枣为研究对象,利用工业相机拍摄传送带上随机排列的多类别缺陷干制哈密大枣视频为数据源,采用改进的YOLOv7模型进行干制哈密大枣多类别缺陷检测并将检测结果作为后续多目标跟踪算法的输入;考虑到传送带上干制哈密大枣的外观相似性高以及排列密集等特点,该研究结合ByteTrack多目标跟踪算法的思想,设计了一种多类别干制哈密大枣的画线计数方法,实现了随机排布多类别干制哈密大枣的缺陷检测、准确定位及计数。试验结果表明:1)改进的YOLOv7模型浮点计算量为64.6 G,在干制哈密大枣目标检测数据的测试集上的平均检测精度、召回率、F_(1)平衡分数分别达到了98.03%、93.43%和95.00%,相比YOLOv7模型分别提高了4.40、6.88和7.00个百分点,浮点计算量下降了38.6%;2)基于改进YOLOv7为目标检测器开发的ByteTrack算法计数模型对干制哈密大枣计数的准确率为90.12%。该研究可为干制哈密大枣检测计数和分选分级提供技术支持。

关键词：图像处理目标检测干制哈密大枣多目标跟踪 YOLOv7

山药片红外联合热风干燥热质传递收缩模拟与品质

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农业工程学报 2024年第6期40卷 134-145页

作者：张继凯郑霞肖红伟单春会李义璨杨涛庆石河子大学机械电气工程学院石河子832003 农业农村部西北农业装备重点实验室石河子832003 现代农业机械兵团重点实验室石河子832003 中国农业大学工学院北京100080 石河子大学食品学院石河子832003

为了准确揭示山药片红外联合热风干燥传热传质机理,在考虑山药片收缩变形特性的基础上,通过有限元软件COMSOL6.1建立了“温度场-湿度场”多场耦合的山药片红外联合热风干燥传热传质模型。模拟研究基于山药片在不同温度(50、60、70℃)下... 详细信息

为了准确揭示山药片红外联合热风干燥传热传质机理,在考虑山药片收缩变形特性的基础上,通过有限元软件COMSOL6.1建立了“温度场-湿度场”多场耦合的山药片红外联合热风干燥传热传质模型。模拟研究基于山药片在不同温度(50、60、70℃)下收缩变形的传热传质,并通过试验进行验证。分析不同温度对山药片品质(色差、复水比、多糖和尿囊素含量)的影响。结果表明:(1)山药片体积比随干燥温度的升高而增加,在干燥温度分别为50、60、70℃时,其值分别为34.55%、37.23%、39.04%。(2)在干燥温度为50、60、70℃时,红外联合热风干燥收缩模型可准确预测山药片干燥过程中干燥温度和含水率,其决定系数R^(2)分别为0.973、0.976、0.981和0.983、0.984、0.974。(3)山药片外部温度升高,表面水分开始蒸发,形成水分梯度。随着干燥的继续,红外热量在山药片内部不断积累,导致内部温度升高,水分向外扩散,进而减小了内外水分梯度。随着干燥温度的升高,增加了山药片温度和湿度梯度,促进了热量和质量的传递,提高了水分迁移的速率。(4)在60℃时,干燥品质最优,其色差为7.49、复水比为2.65 kg/kg、多糖含量为24.17 mg/g、尿囊素含量为2.66μg/g。该模型为其他物料在红外联合热风干燥技术的模拟研究提供有益借鉴。

关键词：干燥品质控制山药片红外联合热风干燥收缩传热传质

基于Tavares模型的多面体棉籽离散元参数标定与试验

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农业机械学报 2024年第7期55卷 124-131+220页

作者：李元超田辛亮赵岩刘学虎周脉乐戴馥霜王文哲石河子大学机械电气工程学院农业农村部西北农业装备重点实验室江苏大学农业工程学院

针对基于离散元法的棉籽压缩破碎过程中缺少准确仿真模型的问题，本文以新陆早84号棉籽为研究对象，结合物理试验与仿真试验，对棉籽参数进行标定。基于三维扫描技术，使用Solidworks 2022中的网格建模功能，快速建立棉籽多面体模型。... 详细信息

针对基于离散元法的棉籽压缩破碎过程中缺少准确仿真模型的问题，本文以新陆早84号棉籽为研究对象，结合物理试验与仿真试验，对棉籽参数进行标定。基于三维扫描技术，使用Solidworks 2022中的网格建模功能，快速建立棉籽多面体模型。采用堆积角试验对棉籽种间参数进行标定，得到棉籽-棉籽碰撞恢复系数、棉籽-棉籽静摩擦因数、棉籽-棉籽滚动摩擦因数的最优参数组合为0.106、0.248、0.105,仿真堆积角与实际堆积角相对误差为0.28%,证明棉籽种间参数准确。通过单颗粒压缩试验对Tavares模型参数进行标定，以棉籽破碎力与破碎能为指标进行验证，结果表明棉籽破碎力与破碎能相对误差分别为2.37%和2.87%,说明构建的棉籽模型和Tavares模型参数可以表征棉籽压缩破碎过程。

关键词：棉籽离散元 Tavares模型参数标定破碎仿真

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基于改进YOLOv8n的香梨目标检测方法

农业工程学报 2024年第11期40卷 178-185页

作者：谭厚森马文宏田原张茜李梦瑶李孟卿杨旭海石河子大学机械电气工程学院石河子832003 农业农村部西北农业装备重点试验室石河子832003 现代农业机械兵团重点试验室石河子832003

针对非结构化环境下香梨识别准确率低,检测速度慢的问题,该研究提出了一种基于改进YOLOv8n的香梨目标检测方法。使用Min-Max归一化方法,对YOLOv3-tiny、YOLOv5n、YOLO6n、YOLOv7-tiny和YOLOv8n评估选优;以YOLOv8n为基线,进行以下改进:1... 详细信息

针对非结构化环境下香梨识别准确率低,检测速度慢的问题,该研究提出了一种基于改进YOLOv8n的香梨目标检测方法。使用Min-Max归一化方法,对YOLOv3-tiny、YOLOv5n、YOLO6n、YOLOv7-tiny和YOLOv8n评估选优;以YOLOv8n为基线,进行以下改进:1)使用简化的残差与卷积模块优化部分C2f(CSP bottleneck with 2 convolutions)进行特征融合。2)利用simSPPF(simple spatial pyramid pooling fast)对SPPF(spatial pyramid pooling fast)进行优化。3)引入了PConv(partial convolution)卷积,并提出权重参数共享以实现检测头的轻量化。4)使用Inner-CIoU(inner complete intersection over union)优化预测框的损失计算。在自建的香梨数据集上,指标F_(0.5)分数(F_(0.5-score))和平均精度均值(mean average precision, mAP)比原模型分别提升0.4和0.5个百分点,达到94.7%和88.3%。在GPU和CPU设备上,检测速度分别提升了34.0%和24.4%,达到了99.4和15.3帧/s。该模型具有较高的识别准确率和检测速度,为香梨自动化采摘提供了一种精确的实时检测方法。

关键词：图像处理图像识别香梨目标检测 YOLOv8 轻量化消融试验

干旱地区砂质土壤棉花苗床土层构建装置的研制

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农业工程学报 2024年第12期40卷 55-65页

作者：李帆杨怀君郑炫胡赫岩新疆农垦科学院机械装备研究所石河子832000 农业农村部西北农业装备重点试验室石河子832000 石河子大学机械电气工程学院石河子832000

针对新疆南部砂质土壤“干播湿出”棉花种植模式下,春季耕整地连续作业存在作业阻力大、苗床整不平、压不实,严重影响棉花出苗率的问题,该研究设计了一种适合砂质土壤的苗床整备装置,可一次完成碎土、平土、灭茬、镇压、耱地等作业。采... 详细信息

针对新疆南部砂质土壤“干播湿出”棉花种植模式下,春季耕整地连续作业存在作业阻力大、苗床整不平、压不实,严重影响棉花出苗率的问题,该研究设计了一种适合砂质土壤的苗床整备装置,可一次完成碎土、平土、灭茬、镇压、耱地等作业。采用分段平土装置代替耙组进行联合整备作业,分段平土装置为两段式,首段刮土板呈“W”型对称分布,通过刮土板角度对土壤流动性、平整度和作业阻力的运动分析,确定当刮土板倾斜角为45°时碎土和平土效果最好;台架试验结果表明,镇压辊直径400 mm、碎土辊直径400 mm时综合评分最高。样机性能对比试验结果表明:较耙片式联合整地机综合工作阻力降低8.67%,作业效率提升6.6%;地表平整度标准差为11 mm;耕深稳定性变异系数为9.2%,碎土率为92.3%,表面未见秸秆残膜,分段平土装置能有效碎土、平土、灭茬;二次整备后浮动式土层构建装置能有效压实土壤构建出“上虚下实”土层结构,0~5cm播种土层平均土壤紧实度为169 kPa,适合砂质土壤精量铺膜播种作业和棉花生长,较对比机型种膜错位率下降62.5%,出苗率高于对比机型4.8%。研究结果可为砂质土壤苗床整地机研发与改进提供参考。

关键词：农业机械优化试验棉花播前苗床整备砂质土壤

基于数值模拟的红枣片不同干燥方式热质传递仿真与试验

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农业工程学报 2024年第6期40卷 50-59页

作者：李孟卿张小强朱丽春张茜贾文婷金新文杨旭海石河子大学机械电气工程学院石河子832003 农业农村部西北农业装备重点试验室石河子832003 现代农业机械兵团重点试验室石河子832003 新疆农垦科学院农产品加工研究所石河子832000

为揭示并对比红枣片热风干燥、红外热风干燥及红外真空脉动干燥中的传热传质及干燥动力学特性,并填补关于果蔬红外真空脉动干燥数值模型的研究空白。该研究使用菲克扩散定律、安托因方程及比尔朗伯定律等控制方程分别建立了针对3种干燥... 详细信息

为揭示并对比红枣片热风干燥、红外热风干燥及红外真空脉动干燥中的传热传质及干燥动力学特性,并填补关于果蔬红外真空脉动干燥数值模型的研究空白。该研究使用菲克扩散定律、安托因方程及比尔朗伯定律等控制方程分别建立了针对3种干燥方式的红枣片三维热质传递耦合数值模型,并利用试验数据对模型的可靠性进行验证。该研究基于枣片的实际几何尺寸进行建模并利用COMSOL求解。结果表明:1)与热风干燥相比,红外热风与红外真空脉动干燥分别缩短了46.43%和41.07%的干燥时间,且仿真结果与实测值吻合较好;2)温度场模拟图显示红外辐射可有效对红枣片内部进行加热,干燥20 min时红外热风和红外真空干燥的物料中心温度较热风干燥分别提高了11.33%和5.59%;3)模拟数据显示红外真空脉动干燥中的压力变化对干燥动力学产生了明显影响,其中含水率和干燥速率随压力脉动分别呈现阶梯状和峰状分布,并且干燥速率对压力变化的敏感性随着物料含水率的下降而下降;4)将测得的红枣片品质及质构特性与仿真数据进行综合对比,给出了关于分段组合干燥研究方向的见解,并对果蔬干燥数值模型的发展方向进行展望。该研究建立并验证了红枣片3种干燥方式下的数值模型,并结合模拟结果对各干燥过程的特点进行分析,对未来不同果蔬数值模型的建立及干燥机理的研究具有重要意义。

关键词：干燥动力学热质传递数值模型红外辐射压力脉动

基于控温控湿的沙棘红外联合热风干燥均匀性与工艺

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农业工程学报 2024年第6期40卷 120-133页

作者：耿智化李孟卿朱丽春于贤龙胡斌张茜王军扬杨旭海石河子大学机械电气工程学院石河子832003 农业农村部西北农业装备重点实验室石河子832003 山东省农业机械科学研究院济南250100 新疆一七零团丝路沙棘生物科技有限公司塔城834612 现代农业机械兵团重点实验室石河子832003

新鲜沙棘含水率高且易腐烂变质,干燥是延长货架期的重要方式之一。针对现有沙棘热风干燥周期长、品质差、能耗高等问题,该研究基于控温控湿设计了一种红外联合热风干燥装置,并对装置的气流分配室结构进行了优化,设计了一种圆柱形扰流板... 详细信息

新鲜沙棘含水率高且易腐烂变质,干燥是延长货架期的重要方式之一。针对现有沙棘热风干燥周期长、品质差、能耗高等问题,该研究基于控温控湿设计了一种红外联合热风干燥装置,并对装置的气流分配室结构进行了优化,设计了一种圆柱形扰流板和方形挡风板,利用数值模拟软件COMSOL对干燥装置中速度场、温度场和湿度场进行了模拟,结果表明通过增加半圆柱扰流板能够改变干燥层间气流量,解决干燥不均匀性问题;借助增设扰流板能够提高气流速度,利用自由流区域高温低湿干燥介质的干燥能力,防止干燥层内不同区域出现干燥不均匀的现象。优化后的干燥室结构将5个干燥层间的最大速度偏差比显著降低。以沙棘为研究对象对干燥工艺进行了试验研究。结果表明,不同干燥温度对沙棘控温控湿红外联合热风干燥时间有显著影响,干燥水分比随干燥时间的增加呈现指数下降趋势。基于层次分析法得到各干燥特性和干燥品质权重,采用综合评价方法得到不同干燥温度下75℃干燥条件综合评分最高。不同介质湿度干燥条件下,当介质湿度为10%干燥时,干燥所需能耗最低,干燥后沙棘复水比最高,具有最高的维生素C(vitamin C,Vc)保留率和总黄酮含量,综合评分最高。40%介质湿度不同持续时间下,40 min得到的沙棘亮度值、复水比、Vc保留率和总黄酮含量最高,综合评分最高。该研究明确了控温控湿沙棘红外联合热风干燥最优工艺,对提升沙棘产地初加工机械化水平,促进沙棘产业健康持续发展具有重要意义。

关键词：能耗干燥控温控湿沙棘均匀性品质特性