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农业机械学报 2017年第11期杂志 文档列表

农业机械学报杂志特约专稿

生物炭吸附水体中重金属机理与工艺研究进展1-11

摘要：生物炭因其良好的表面特性和孔隙结构,广泛的原料来源和广阔的产业化发展前景,已成为当今环境、农业和能源等领域的研究热点。针对生物炭对水体重金属的吸附研究,本文基于生物炭原料和制备工艺的多样性,综合分析了国内外生物炭重金属吸附机理的研究成果,详细阐述、分析了5种吸附作用机制（物理吸附、静电作用、离子交换、络合反应和化学沉淀）及其相关表征手段;同时评述了吸附工艺条件和重金属种类对生物炭吸附重金属的影响;指出生物炭重金属吸附领域未来的研究中,应开展针对重金属吸附的生物炭原料特性及吸附产物的多维、微纳尺度表征方法研究。

农业机械学报杂志农业装备与机械化工程

抓持-旋切式欠驱动双指手葡萄采摘装置设计与试验12-20

摘要：针对葡萄的柔性无损采摘要求,基于欠驱动原理和抓持-旋切协同工作方式设计了一种欠驱动双指手葡萄采摘装置,一个电动机通过连杆机构驱动双指四指节手爪从果实中部接近并包络抓取葡萄,复合在双指手上的旋切部件摆动-伸缩带动圆盘刀切断果梗,实现果实与果梗分离。基于此设计思路,首先通过葡萄赤道面直径分析确定了欠驱动手指机构指节尺寸与转角范围,然后通过建立欠驱动手指机构静力学模型,基于传力最优和接触力均布的要求确定了驱动连杆尺寸,结合接触力分析和葡萄挤压破裂试验,获得抓持2 kg葡萄不发生损伤的最大接触力为20 N,再通过手指机构静力学模型求解获得驱动电动机的推力,从而指导驱动电动机的选型。设计了葡萄采摘装置控制系统,通过指节处压力传感器实时反馈接触力实现最大接触力的有效控制。采用加减速梯形控制方式实现了旋切部件运动,圆盘刀转速1 200 r/min可对果梗有效切断。对赤道面直径95~200 mm的葡萄进行50次采摘试验,试验结果表明该装置的采摘成功率为100%,果实挤伤率为5.2%,不考虑视觉定位葡萄与果梗的耗时,完成一次抓持-旋切动作平均耗时29.4 s。

机械手不同抓取控制方式对番茄机械损伤的影响分析21-27

摘要：为了分析机械手不同抓取控制方式对番茄造成的机械损伤。通过Burgers粘弹性模型描述番茄的变形特征,利用蠕变实验获得番茄样本的粘弹性参数。选择匀减速、先匀速后减速以及变减速作为3种典型的抓取控制方式,并利用一次函数、巴特沃斯幅度平方函数和指数函数3种函数曲线描述末端执行器实际抓取过程中不同抓取控制方式的速度变化。在此基础上,对番茄塑性变形进行求解,分析在抓取时间一定时,不同抓取控制方式下番茄的塑性变形规律,并以最小塑性变形为依据,确定最优的抓取策略。结果表明：抓取控制方式3为最优抓取控制方式,当抓取速度v0=1 mm/s,抓取时间t0=1 s时,产生的最小塑性变形最小,红熟前期和红熟中期番茄的最小塑性变形分别为0.002 6 mm和0.009 8 mm。以抓取控制方式3进行抓取控制实验,实验数据和理论数据的吻合度较高,决定系数R2为0.99,验证了抓取控制方式3作为最优抓取控制方式的合理性和可行性,为优化机械手抓取过程提供了参考。

夜间自然环境下荔枝采摘机器人识别技术28-34

摘要：利用机器视觉实现自然环境下成熟荔枝的识别,对农业采摘机器人的研究与发展具有重要意义。本文首先设计了夜间图像采集的视觉系统,然后选取了白天和夜间两种自然环境下采集荔枝图像,分析了同一串荔枝在白天自然光照与夜间LED光照下的颜色数据,确定了YIQ颜色模型进行夜间荔枝果实识别的可行性。首先选择夜间荔枝图像的I分量图,利用Otsu算法分割图像去除背景,然后使用模糊C均值聚类算法分割果实和果梗图像,得到荔枝果实图像;再利用Hough圆拟合方法检测出图像中的各个荔枝果实。荔枝识别试验结果表明：夜间荔枝图像识别的正确率为95.3%,识别算法运行的平均时间为0.46 s。研究表明,该算法对夜间荔枝的识别有较好的准确性和实时性,为荔枝采摘机器人的视觉定位方法提供了技术支持。

利用候选区域的多模型跟踪算法35-42

摘要：跟踪过程中发生的尺度变化、形变、遮挡是导致模型漂移的重要原因。为了克服模型漂移对鲁棒跟踪的影响,本文提出了一种利用多判别式模型和候选区域的跟踪算法。首先,该算法采用候选区域替代传统的滑动采样,适应跟踪过程中目标的位移和尺度变化。接下来,为了提高目标的表征能力,先用预训练网络提取整幅图片的深度特征,再通过感兴趣区域采样层（ROI pooling layer）快速提取每一个候选区域的深度特征,进一步提高跟踪算法的鲁棒性。最后,运用多模型选择机制进行回撤过去错误的模型更新,并通过调整搜索区域实现对目标的重检测,有效抑制了模型漂移对鲁棒跟踪的影响。实验中,本文算法与相关算法在OTB 2013数据库和UAV 20L数据库上进行了对比。结果表明,本文算法在精确度与成功率上均取得了最优性能,并能有效抑制模型漂移对鲁棒跟踪的影响。

基于EDEM-CFD耦合的内充气吹式排种器优化与试验43-51

摘要：针对内充气吹式排种器对圆形种子适应性差、排种效果不佳的问题,对内充气吹式排种器进行优化设计,为增强种子充填容积和气流压附力在型孔底部开设不同结构的槽孔。基于离散单元法理论建立玉米籽粒粘结颗粒模型,运用EDEM-CFD耦合分析方法,以型孔内种子在排种盘转动过程中所受的曳力值为指标,在入口风速为30 m/s、前进速度为8 km/h的工作条件下对3种不同型孔结构排种盘进行圆粒种子排种效果的耦合仿真,分析排种过程中圆粒种子所受曳力的变化情况及清种和压种性能。仿真结果表明：同一排种盘中,因大圆粒种子迎风面积大于小圆粒种子,所受曳力均大于小圆粒,迎风面积大的颗粒更易被清出型孔;径向内开方孔盘型孔内气流对颗粒的曳力及压附力均较大,且增大了型孔对种子在径向方向的充填容积,该盘对圆粒种子及混合种子的工作效果均较好。为验证仿真结果进行台架试验,当前进速度为8 km/h时进行3种排种盘工作压强的单因素试验,结果表明,径向内开方孔盘合格率随工作压强的增大而增大,当工作压强大于5.5 k Pa时,合格率超过95%,明显优于其他2个排种盘;对径向内开方孔盘进行前进速度为4~12 km/h、工作压强为4~8 k Pa的双因素试验,结果表明,合格率随着前进速度和工作压强的增大而增大,针对不同前进速度,当工作压强高于6 k Pa时,合格率接近96%,漏播率低于1%。

秸秆后覆盖小麦播种机设计与试验52-59

摘要：针对华北平原麦-玉两熟区,小麦在玉米秸秆覆盖地撒播易出现秸秆堵塞、麦种架空、晾籽等问题,利用正转旋耕抛土模型以形成土壤、秸秆顺序覆盖,设计了一种秸秆后覆盖小麦播种机,可一次完成旋耕、均匀撒播、覆土、覆盖秸秆、镇压等作业。旋耕刀采用对称螺旋线排列;通过抛土运动分析确定了被抛物料运动的最大高度为0.52 m,水平方向最大位移为0.79 m,并确定了导土板的位置参数;通过性能试验优选分种装置与水平方向夹角为35°,分种板间的距离为50 mm。在河北涿州试验站进行了整机田间试验,结果表明：正转旋耕装置能有效抛土、抛秸秆,避免秸秆、根茬堵塞分种装置,耕深稳定在148~152 mm内,耕深稳定性系数为95.5%,多功能行走轮滑移率约为5.3%,机具通过性能符合国家标准（GB/T 20865—2007）要求;机具作业后秸秆覆盖量平均为1.07 kg/m2,达到作业前秸秆覆盖量的80%;播深稳定在30~35 mm内,播深合格率为91.1%,不同位置幅宽内10 cm×25 cm矩形框内麦种数量稳定在29~30粒,符合农艺要求。

轻量化玉米垄作免耕播种机设计与试验60-69

摘要：针对目前东北地区的免耕播种机主要依靠自重增加下压力来保证开沟深度的问题,设计了2BQM-2型轻量化玉米垄作免耕播种机,重量为一般免耕播种机的一半,可减轻对土壤的压实。轻量化垄作免耕播种机采用悬挂方式与拖拉机联结成作业机组,利用拖拉机液压系统的位置调节法来控制破茬深度。为了验证作业机组的工作性能,田间试验以播种机速度、播种深度、秸秆覆盖量为试验因素,以免耕播种机的工作阻力和粒距合格率为试验指标,进行三因素五水平二次回归正交试验。试验结果得到的最佳工况组合为：播种机速度为1.21 m/s,播种深度为4.96 cm,秸秆覆盖量为0.73 kg/m2时,播种机工作阻力为3.62 k N,粒距合格率为93.63%。经过对免耕播种机优化设计有效减轻了免耕播种机的重量,减少了机器的制造成本和工作时对土壤的压实,降低了能耗。经田间测量镇压轮压实土壤的深度平均为10 mm,相对现有的垄台被压平的机具,工作效果良好。

油菜纸钵苗移栽机气动取苗机构设计与轨迹分析70-78

摘要：针对传统机械式取苗机构结构复杂、控制不稳定等问题,设计了一种油菜纸钵苗移栽机嵌入式气动取苗机构。分析了嵌入式气动取苗机构的结构组成、工作原理及运动学模型,设计了取苗机构的驱动控制系统,基于ADAMS软件开展了机构参数变化对取苗轨迹和取苗臂姿态影响的研究,确定了取苗机构的优化参数。优化结果表明,当摇杆长度为220 mm,支撑臂长度为170 mm,旋转臂长度为160 mm,气缸Ⅰ原始长度为313 mm时,取苗阶段取苗轨迹高度可达130 mm。当取苗轨迹高度为80 mm时,取苗轨迹直线度偏差小于2 mm,取苗阶段取苗针偏角变化小于4°;投苗阶段取苗针偏角变化小于1°,满足油菜纸钵苗移栽机取苗投苗要求。试验结果表明,该取苗机构高速摄像呈现的取苗轨迹与理论分析基本吻合,台架试验取苗成功率达93.0%,投苗成功率达89.5%,满足机械自动化取苗的要求,验证了取苗机构设计的可行性。

油菜联合直播机组合式船型开沟器设计与开沟质量试验79-87

摘要：针对冬油菜机械化播种需开畦沟避免渍害的要求,解决长江中下游地区土壤黏重板结、含水率波动大,导致播种时同步开畦沟的稳定性难以保证的实际问题,设计了油菜联合直播机开畦沟系统,提出了一种配合铧式前犁完成开畦沟功能的组合式船型开沟器。根据土壤切削、挤压和犁体曲面形成原理,分析了组合式船型开沟器的触土曲面力学特性,确定了其主要结构参数。以工作幅宽为2 300 mm的2BFQ-8型油菜联合直播机为试验平台,对铧式后犁、船式开沟犁、组合式船型开沟器3种不同结构型式开沟器,在平均土壤含水率为21.4%、31.4%、46.6%,与之对应的平均土壤坚实度为1 320、846、539 k Pa的3种工况下的稻茬田开展了开畦沟性能比较试验,并测绘畦沟沟型断面。试验结果表明：3种工况条件下,组合式船型开沟器均能开出沟宽244.0~271.7 mm、沟深194.0~229.5mm的梯形沟,沟宽和沟深稳定性系数均达90%以上。开沟后种床带厢面宽度稳定,宽度达2 039.0~2 051.5 mm,满足油菜种植开畦沟的农艺要求。

提土-全膜面覆土装置作业参数优化与试验88-96

摘要：为进一步研究提土-全膜面覆土装置作业参数对其覆土性能及质量的影响,解析膜顶覆土过程与规律,建立了提土-覆土过程关键参数方程,确定了试验因素及其取值范围。以刮板升运带式提土器线速度、联合机前进速度和水平双向螺旋覆土装置转速为自变量,覆土合格率为响应值,进行二次旋转正交组合试验,构建各因素与覆土合格率之间的数学模型,并结合响应曲面对各因素交互作用进行分析,探知试验因素对覆土合格率影响的主次顺序为水平双向螺旋覆土装置转速、刮板升运带式提土器线速度和联合机前进速度,获得提土-全膜面覆土装置最优作业参数：水平双向螺旋覆土装置转速为432 r/min,刮板升运带式提土器线速度为1.56 m/s,联合机前进速度为0.50 m/s。田间验证试验表明,提土-全膜面覆土装置覆土合格率均值为99.6%,较优化前有显著提升;应用离散单元法进行提土-全膜面覆土装置在最优参数条件下的＂提土-输土-覆土＂动态作业过程模拟,仿真结果与田间试验验证工况基本一致,表明该装置作业参数的优化计算准确可靠。

铲齿组合式残膜捡拾装置设计与试验优化97-104

摘要：针对新疆平作区棉花残膜回收机起膜、拾膜分步作业造成残膜回收率低、含杂率高的问题,提出了起膜、拾膜协同作业的思路,设计了一种铲齿组合式（同步起膜、拾膜）残膜回收装置。通过对起膜铲起膜机理进行分析,确定了起膜铲导曲面参数方程和主要结构参数;通过对捡拾滚筒拾膜过程运动及受力分析,确定了拾膜齿杆能够＂扎＂起残膜的必要条件。运用Design-Expert 8.0.6数据分析软件中心组合试验方法对组合式残膜捡拾装置的关键参数进行了试验,建立了起膜铲入土角、捡拾滚筒转速、机具前进速度与残膜回收率和含杂率的三元二次回归模型。采用非线性优化计算方法,对影响因素进行综合优化计算。试验结果表明：当起膜铲入土角为30°、拾膜滚筒转速为120 r/min、机具前进速度为1.0 m/s时,残膜回收率为90.3%,含杂率为4.1%,比起膜、拾膜分步作业条件下的残膜回收率提高了5.3个百分点,含杂率降低了4.8个百分点。试验指标均达到了国家和行业标准要求,试验结果满足设计要求。

地轮中置式高机动性宽幅农具机架平台研究105-114

摘要：针对大型宽幅农机具运输和田间转移困难,现有形式复杂或操作不便等问题,研究一种高机动性宽幅农具机架平台。平台采用中置式作业与运输兼用型地轮技术方案,配套动力离合、液压同步升降、机械锁定、车轮方向变换、传动比调节等附属机构,实现横向悬挂作业与侧向牵引运输状态方便快捷的转换。通过理论分析结合数字样机虚拟仿真,确定了变形及液压加力等核心机构的参数,并对比了与常规地轮前置机架的耕深控制特性,地轮与作业部件安装位置与距离所产生的仿形超前或滞后问题得到明显改善。为检验研究成果,以平台为载体设计了高机动性24行大豆密植平播机,并进行了工程结构分析与优化。样机试验表明,作业效果良好,平台各项指标满足设计要求,作业与运输状态转换单人操作用时小于8 min,运输过程安全、稳定。

油菜收获机割台螺旋输送器间隙自适应调节机构研究115-122

摘要：针对油菜联合收获过程中由于喂入量波动导致割台螺旋输送器堵塞的问题,设计了一种割台螺旋输送器间隙自适应调节机构,实现喂入量变化时实时改变滑块位移以自动调节输送器与底板之间的间隙。输送器动力学与运动学分析确定了调节机构预紧弹簧最大预紧力和调节位移分别为366 N和50 mm。运用扭矩传感器和高速摄像技术分别开展输送器扭矩和调节位移的性能试验,当弹簧预紧力和刚度分别为293 N和12.65 N/mm时,输送器扭矩为8.267 N·m,减少了40.7%,调节位移为10.2 mm,调节机构性能较优。调节机构对输送器性能影响试验结果表明：增设间隙自适应调节机构可明显降低扭矩并增加最大喂入量,螺旋输送器转速为150 r/min时扭矩减小了23%;转速为200 r/min时,最大喂入量增加至3.5 kg/s,提高了16.7%。喂入量在不大于3.0 kg/s范围内波动时,试验组最大扭矩小于对照组,说明调节机构可较好适应喂入量的波动。田间试验表明间隙自适应调节机构可提高输送器对喂入量的适应性,避免割台堵塞,后续的脱粒装置、清选装置等工作部件未发生堵塞,油菜联合收获机可正常工作。

基于Petri网模型的收获机轴流式脱分选装置参数化设计123-129

摘要：为实现设计的快速化和规范化,进行了基于喂入量变化的联合收获机轴流式脱分选装置的参数化设计研究。通过建立喂入量与相关设计参数的数学模型,获得可用于参数化设计的各个参数。在分析参数之间层次关系和依赖关系的基础上,利用Petri网模型、通过参数传递构建了简化设计的计算机模型并开发了设计平台。应用结果表明：当在程序界面中输入喂入量并选择相关数据后,能自动生成各种所需的结构参数（栅格式凹板包围面积、清选筛面积、脱粒滚筒齿数）以及工作参数（风量、功率）;将某部件所得结构参数输入UG环境平台,可获得该部件的三维设计图样。经与现有成熟机型脱分选装置结构参数和工作参数比较可知,计算机模型生成的设计参数和工作参数规范,获得的三维图样符合设计要求。参数化设计平台不但可以进行脱分选装置的规范化设计、提高设计效率,还可以快速判别、修正现有机型脱分选装置的设计参数。

立辊式玉米收获机割台间隙夹持输送装置设计与试验130-136

摘要：针对立辊式玉米收获机割台夹持输送装置存在夹持均匀性和稳定性差,故障率高等问题,设计了一种结构简单、输送效果好、可靠性高的间隙定位夹持输送装置。提出了玉米植株间隙定位夹持输送方式,分析了间隙夹持定位输送装置主要结构与运动参数的设计方法;通过正交试验确定了影响夹持输送质量的3个主次因素依次为输送轨道间隙、夹持输送链速度和夹持输送链长度;确定A2B3C3为较优组合,即夹持输送链长度为130 cm、输送轨道间隙为3.1 cm、夹持输送链速度为4.5 m/s;在该条件下喂入姿态成功率为92.5%、断茎率为0.25%,输送过程稳定可靠,不存在堵塞问题,满足立辊式玉米收获机的作业要求。

梳割气吸一体式贡菊采摘机设计与试验137-145

摘要：针对山地贡菊采摘仍以人工采摘为主、采摘效率低、费时费力、尚未实现机械化等问题,设计了一种适应山地采摘的贡菊采摘机。采花梳齿间隙大于胎菊直径,小于朵菊花托直径,利用采摘梳齿与分花齿之间的相对运动,从花托处碰撞拉断,实现采摘。在负风压机的风压差作用下,将花朵运输至集花箱。试验表明,贡菊采摘机能够实现山地贡菊花朵采摘及收集。在花朵含水率为87.20%,采花梳齿间隙为8~9 mm时,该采摘机效果较佳,花朵采收率为87.50%~93.11%,花朵破碎率为0~0.34%,花朵落地率为1.99%~2.39%,花朵杂质率为4.87%~6.48%,花朵漏摘率为3.30%~4.96%。正交试验表明,当梳齿采摘间隙为8 mm,进风口风速为8 m/s,梳齿齿形为50 mm,主动轴转速为30 r/min,贡菊采摘机采摘效果最佳,花朵采收率为94.54%,花朵落地率为2.05%,杂质率为1.48%,花朵破碎率为0.57%,花朵漏摘率为1.36%。

粘重土壤下马铃薯挖掘机分离输送装置改进设计与试验146-155

摘要：针对升运链式马铃薯挖掘机输送分离装置普遍存在的在粘重土壤条件下升运链长度匹配性不佳等问题,设计了一种适宜粘重土壤的升运链输送分离装置。通过对该输送分离装置及薯土混合物的理论分析,确定了影响最佳薯土分离效果的主要因素,得到影响分离性能的升运链长度范围和抖动器等结构参数;以二级升运链长度、机具前进速度和升运链线速度为试验因素,以明薯率、伤薯率为试验指标进行田间试验,试验结果表明：二级升运链长度为3.1 m、机具前进速度为1.2 m/s、升运链线速度为1.5 m/s时,其明薯率为98.1%,伤薯率为1.1%,高于马铃薯挖掘机的收获作业要求。满足粘重土壤条件下马铃薯挖掘机的作业要求。