穴灌坐水播种机水路系统的设计与试验研究

论文摘要

我国水资源短缺、旱灾频繁，特别是北方干旱半干旱地区农业水资源十分紧缺，各种旱作节水农业技术受到普遍重视。其中抗旱播种技术是旱作农业技术的关键，而坐水播种是一种行之有效的抗旱播种技术。近年来，在国家科研资金的引导下，全国各地加大了坐水播种技术的研究力度，相继研制出多种坐水播种机械。但是，截至目前，在机械化坐水播种技术的实施过程中仍存在着诸如穴灌水量不确定、种-水难同位，坐水过程灌溉水飞溅，播深、粒距不稳定等问题，亟待解决。为此，本文以玉米为供试作物，连续近三年时间结合国家“863”节水重大科技专项课题“行走式多功能抗旱灌溉机具与成套设备研制及产业化开发”与坐水播种示范地的生产实际，针对机械化坐水播种技术实施过程中遇到的问题进行了理论分析与试验研究。论文的主要研究工作与结果概括如下： 1．通过玉米种植试验，测定了试验地土壤的基本物理性质、能够保证玉米种子发芽出土的最低土壤含水量（临界土壤含水量）、供试土壤的玉米凋萎系数、以及玉米坐水播种时合理的穴灌水量。试验得出结论：要满足玉米的出苗需要，播种时种层土壤的重量含水量不得低于的临界土壤含水量14％；供试土壤的玉米凋萎系数为7.3％；当穴灌水量为80ml时，种穴土壤含水量、发芽出土率、苗的长势等基本能够满足坐水播种对水分的需要，为了保险起见，确定100ml水量为坐水播种的设计穴灌水量。 2．针对当前坐水播种机具存在的种、水播施难同位等问题，提出了“开沟-种、水同时播施-覆土-镇压”的机械作业新工艺。在此基础上设计了地轮泵与同步信号控制两种水路组成的新型穴播穴灌坐水播种机，并对同步信号控制水路系统关键部件建立了其设计参数的数学模型，利用惩罚函数法和Matlab提供的优化函数对模型参数进行求解、优化，并研制了样机，通过样机室内试验测得该关键部件的局部水头损失系数，为水路系统其他参数的设计提供参考。 3．利用地轮泵水路穴灌坐水播种机样机单体，对穴灌水溅水范围进行台架试验研究。结果表明：穴灌水溅水范围主要受喷水口内径、喷水口安装高度和机组作业速度三个因素的影响，并得出了三个因素对溅水范围影响的回归方程。通过对回归方程的响应曲面法分析，确定影响溅水范围的因素重要性顺序为：机组作业速度＞喷水口安装高度＞喷水口内径；且随着喷水口内径的增大，穴灌水溅水范围呈先略减小后增大的趋势，喷水口安装高度对穴灌水溅水范围的影响趋势与喷水口内径相似；随着机组作业速度的增加，穴灌水溅水范围明显增大。利用有约束非线性优化理论对回归方程的设计参数进行优化，确定了一组最优的参数组合。 4．建立了坐水播种过程灌水冲击种沟沟底的灌溉水柱冲击模型，并对该模型的自

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 国内外水资源与节水早作农业概况
• 1.1.1 全球水资源现状
• 1.1.2 我国的水资源现状
• 1.1.3 我国农业用水与干早对农业生产的影响
• 1.1.4 旱作节水农业概况
• 1.1.5 发展我国农业节水技术的重要性与紧迫性
• 1.2 坐水播种技术的发展概况
• 1.2.1 坐水播种技术的特点与意义
• 1.2.2 坐水播种机的发展概况
• 1.2.3 我国坐水播种机需重点解决的几个技术问题
• 1.3 本文研究内容及技术路线
• 1.3.1 课题研究内容
• 1.3.2 课题的技术路线
• 第二章 坐水播种土壤临界含水量与穴灌水量的确定
• 2.1 概述
• 2.2 坐水播种临界土壤含水量的确定
• 2.2.1 实验材料与方法
• 2.2.2 分析与结论
• 2.3 穴灌坐水播种穴灌水量的确定
• 2.3.1 实验条件
• 2.3.2 试验方案
• 2.3.3 结果分析与讨论
• 2.4 玉米穴灌节水效率分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 种水同位坐水播种机及其水路系统的设计与参数优化
• 3.1 概述
• 3.2 地轮泵注水方案
• 3.2.1 地轮泵穴灌坐水播种机总体结构与布置
• 3.2.2 地轮泵穴灌坐水播种机工作原理
• 3.2.3 地轮工作原理与结构设计
• 3.2.4 地轮泵工作原理及参数设计
• 3.2.5 地轮泵水路系统排种-喷水口的结构设计
• 3.2.6 排种-喷水口活门开闭系统结构与工作原理
• 3.2.7 排种-喷水口活门开闭系统凸轮轮廓线的结构设计
• 3.2.8 种水入穴原理
• 3.3 同步信号控制系统注水方案
• 3.3.1 概述
• 3.3.2 同步信号控制系统穴灌坐水播种机总体结构与布置
• 3.3.3 同步信号控制系统穴灌坐水播种机工作原理
• 3.3.4 同步信号注水控制系统工作原理与电路
• 3.3.5 注水、播种过程在时间轴上的相位关系
• 3.3.6 时间分度轮的结构与技术参数
• 3.3.7 水阀结构参数的确定优化
• 3.3.8 喷水口结构设计
• 3.3.9 输水管管长与管径的确定
• 3.4 本章小结
• 第四章 穴灌溅水范围的试验研究
• 4.1 概述
• 4.2 穴灌过程影响溅水范围主要参数研究
• 4.2.1 喷水口内径对溅水范围的影响
• 4.2.2 喷水口安装高度对溅水范围的影响
• 4.2.3 机组作业速度对溅水范围的影响
• 4.3 穴灌溅水试验方案设计
• 4.4 试验结果分析
• 4.4.1 拟合不足与回归方程显著性检验
• 4.4.2 回归系数显著性检验
• 4.4.3 因素重要性分析
• 4.4.4 单因素效应分析
• 4.4.5 双因素效应分析
• 4.4.6 影响穴灌溅水范围试验参数的优化求解
• 4.5 试验结论
• 第五章 灌水水柱在种沟内的动态规律
• 5.1 概述
• 5.2 灌溉冲击水柱灌水水柱在种沟内的水力特征
• 5.2.1 灌水水柱冲击模型
• 5.2.2 灌溉水柱自由下落与冲击沟底段
• 5.2.3 灌溉水柱贴沟底流动段
• 5.3 沟底冲击面上的压强
• 第六章 穴灌水柱对沟底冲击压力试验研究
• 6.1 概述
• 6.2 随机信号的统计分析
• 6.2.1 随机信号时域分析的统计特征
• 6.2.2 随机信号的频域特征分析
• 6.2.3 自相关函数R（τ）约和功率谱G（f）的快速傅立叶变换估计
• 6.3 穴灌水柱对沟底冲击压力的测定
• 6.3.1 冲击力的测量与试验系统
• 6.3.2 穴冲击力测试试验方案与冲击压力信号采样参数的确定
• 6.3.3 灌水水柱冲击压力统计特征的试验研究
• 第七章 穴灌坐水播种机整机结构及性能试验
• 7.1 穴灌坐水播种机行车路线与水箱容积的确定
• 7.2 牵引机组操纵稳定性分析
• 7.3 整机结构设计过程
• 7.3.1 地轮泵水路型第一代样机
• 7.3.2 地轮泵水路型第二代样机
• 7.3.3 同步信号水路型样机
• 7.4 整机性能试验
• 7.4.1 地轮泵穴灌坐水播种机田间试验
• 7.4.2 同步控制系统穴灌坐水播种机室内单体试验
• 7.4.3 地轮泵与同步控制系统穴灌坐水播种机试验效果对比分析
• 第八章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录