农业工程学报

过刊浏览

• 夏玉米免耕播种切拨组合式苗带清茬装置设计与试验

  史嵩,闫文杰,周纪磊,刘虎,位国建,高英波,李宗新,李慧,

  针对黄淮海地区小麦残茬秸秆量大导致玉米播种易发生堵塞、限制作业速度提升的问题，该研究提出一种“切、拨、松、导、压”组合式苗带清茬方法，设计一种适于夏玉米免耕播种的切拨组合式苗带清茬条耕机单体，通过开沟圆盘滚切破茬、拨茬圆盘拨动分茬、压茬圆盘导流压茬的协同作业，解决夏玉米高速播种作业条件下苗带秸秆清理难题。分析清茬轮夹角、导流轮开合角等关键参数对秸秆清理效果的影响，明确各关键参数的取值范围，并开展EDEM-ADAMS模拟试验，探究不同齿盘组合条件下清茬单体作业过程中的秸秆运动轨迹、土壤翻动特性及秸秆清除率。结果表明，各试验因素对大田秸秆清除率的影响显著性由大到小依次为清茬轮夹角、机具前进速度、导流轮开合角，最优组合参数为：机具前进速度12 km/h、导流轮开合角6°、清茬轮夹角47°，此参数组合下秸秆清除率为95.08%。基于此参数组合开展田间验证试验，苗带秸秆清除率超过95%，与仿真试验结果基本一致，实现了苗带清茬的设计目标。本研究为免耕播种清茬机构的设计提供新的思路和方法。/

• 玉米V形分层施肥方式及其配套装置研制

  赵建国,王佳平,李丽霞,王雅雅,赵晓顺,马志凯,郝建军,

  针对玉米传统施肥方式存在施肥结构不合理、养分供应不匹配等问题，该研究提出一种普通复合肥与控释肥V形分层施用方法，并设计了一种V形分层施肥装置。通过盆栽试验设置7种施肥处理，探究了复合肥与控释肥分层施用对玉米农艺性状、根区土壤氮素动态及产量的影响，筛选出控释尿素掺混普通磷钾肥，按30%、30%、40%的比例，分施于玉米种子两侧水平50 mm、深度40 mm及底部深度110 mm处的最优施肥方式；基于盆栽试验最优施肥方式设计V形分层施肥装置，并通过理论分析和参数计算，确定了V形分层施肥装置的主要参数，运用离散元法对V形分层施肥装置工作过程进行仿真分析，以双圆盘开沟器的圆盘直径、圆盘夹角和机具作业速度为试验因素，以作业阻力、施肥合格率为试验指标，采用二次正交旋转组合仿真试验设计，建立了试验指标与影响因素的回归模型。盆栽试验结果表明，T7处理可增加玉米茎粗、叶面积及叶绿素含量，且在生育后期维持较高的土壤铵态氮和硝态氮含量，优化氮素供应，T7处理的玉米产量较其他处理之间差异显著（italic>P/italic>＜0.05）；仿真试验结果表明，当圆盘直径为360.75 mm、圆盘夹角为10.97°、机具作业速度为4.26 km/h时，作业阻力为239.71 N、施肥合格率为95.69% 。采用优化的参数进行田间试验，试验结果与理论分析相符，工作性能稳定可靠；对比试验结果表明，V形分层施肥方式能促进玉米根系发育和提高玉米产量，该施肥方式对玉米科学施肥及轻简化作业提供了理论依据和技术支持。/

• 核桃螺旋开沟施肥机设计与试验

  胡灿,赵映,林茂,马晨,戚江涛,刘进一,刘世豪,杨然兵,

  针对新疆核桃果园开沟施肥机普遍体型较大、功能单一，且缺乏根据果树直体大小进行精准变量施肥的问题，该研究设计一款集开沟、施肥、混肥和覆土功能为一体的小型智能螺旋开沟施肥机，同时搭载着多传感器融合的树干识别智能控制系统，通过实时探测果树直径与树-机距离，动态调节开沟位置、深度及施肥量，实现针对果树最优吸肥区的精准变量施肥。通过机理分析与运动学分析，完成开沟装置与施肥装置的设计，根据新疆核桃果园砂壤土的特点选择Hertz-Mindlin（no slip）接触模型建立仿真模型，以最低开沟功耗和最小施肥均匀度变异系数为目标，设计Box-Behnken试验对智能开沟施肥机的运动参数和开沟刀具的结构参数进行优化。试验结果表明：开沟刀具转速为460 r/min、整机前进速度0.12 m/s、开沟刀具结构参数选择螺旋角30°、刀具半径170 mm、刀齿厚度4 mm、刃长20mm、齿数8个，开沟功耗为4.32 kW，施肥均匀度变异系数为4.85%。整机田间试验的开沟深度稳定性系数为97.43%，沟底宽度一致性系数为96.84%，施肥均匀性系数为5.21%，开沟功耗为4.78 kW，各项指标均满足农艺要求，相较于传统开沟施肥机肥效利用率提高14.06%，可为核桃果园精准施肥装备研发与轻简高效生产提供参考。/

• 农业履带车驱动电机零低速控制与死区补偿

  梁新成,杨谊恒,陈欣,刘愚成,李云伍,

  永磁同步电机在零低速区间控制性能欠佳，导致农业履带车在丘陵山区难以实现精准作业。针对该问题，本研究结合现有基础和丘陵山区的实际作业工况特征，提出一种融合高频注入法与非线性观测器的复合控制策略。通过系统分析逆变器死区时间和非线性因素对电机运行特性的影响，设计对应的补偿方案，以削弱上述因素带来的不利影响。建立永磁同步电机（permanent magnet synchronous motor，PMSM）数学模型，对比无补偿方案与死区时间-非线性因素复合补偿策略下的电机三相电流波形，结果表明：经补偿后电机电流中的死区效应与抖振现象得到显著抑制，电流波形稳定性大幅提升。搭建试验平台并在设定负载条件下开展电机启动与工况切换试验。试验结果表明所提复合控制策略有效，即使在高频注入法与磁链观测器的切换过程中，系统仍可维持稳定运行。相较于无补偿控制，采用复合补偿策略后空载工况下电机电流总谐波畸变率（total harmonic distortion，THD）降低 6.34%，负载工况下 THD 降低 5.26%。超扭滑模自抗扰控制对比试验表明，该控制策略可基本消除电机运行时的转速超调，进一步提高系统的控制精度。研究结果表明，所提方法对于改善农业履带车运行性能具有重要价值，可为提升丘陵山区农业机械化水平提供理论依据与技术支撑。/

• 基于北斗轨迹数据的拖拉机CO₂与NO_x排放预测模型构建与清单估算

  张杰,胡宇尘,辛泳亨,周鑫焱,傅成,涂伟,吴才聪,

  为深入研究拖拉机污染物与温室气体排放特征与构建排放清单，助力农机绿色转型与“双碳”目标实现，该研究基于北斗轨迹数据与PEMS实测数据，构建了拖拉机油耗、COsub>2/sub>与NOx排放预测模型，并估算了全国的作业排放清单。基于北斗轨迹数据中字段完整的样本，结合拖拉机速度、方向、转速、扭矩等多维特征，构建油耗预测特征集，并采用残差深度神经网络模型预测油耗，模型拟合优度italic>R/italic>su2/su为0.75，平均绝对百分比误差（mean absolute percentage error, MAPE）为24.46%。针对特征字段缺失的数据，进一步基于作业时长与作业距离构建油耗预测特征，并采用多种机器学习算法建立预测模型。对比结果表明，LightGBM模型效果最优（italic>R/italic>su2/su为0.77，MAPE为39.28%）。通过开展拖拉机排放试验，构建COsub>2/sub>和NOsub>x/sub>排放预测模型，系统比较不同机器学习算法与特征组合的预测性能。结果显示，以发动机油耗、转速、扭矩、功率、大气温度、湿度作为输入特征时，支持向量机为COsub>2/sub>排放预测最优模型（italic>R/italic>su2/su 为0.95，MAPE为5.98%）。LightGBM为NOsub>x/sub>排放预测最优模型（italic>R/italic>su2 /su为 0.86，MAPE为13.78%）。若仅基于油耗特征进行排放预测，则COsub>2/sub>和NOsub>x/sub>的最优模型分别为LightGBM（italic>R/italic>su2/su为0.94，MAPE为8.01%）与随机森林（italic>R/italic>su2/su为0.77，MAPE为17.9%）。通过集成轨迹数据、油耗和排放预测模型，定量估算全国安装北斗终端的拖拉机作业总排放量。该研究可为大范围农机作业的碳排放与污染物排放管理提供方法支撑与数据支持，推动中国农业绿色转型与“双碳”目标实现。/

• 荞麦搓碾剥壳在线检测装置设计与剥出物分布均匀性

  范斌,谢满,金天顺,杜文亮,

  荞麦检测过程主要依靠人工取样，并用肉眼对剥壳效果进行判断，这种传统检测方式效率低，严重制约了荞麦产业的发展。针对上述荞麦取样困难的问题，该研究以6QB-150搓碾式荞麦剥壳机为研究对象，研发了一种荞麦搓碾剥壳在线检测装置。该装置由取样机构和图像采集机构两部分组成，通过取样机构对剥出物定时定量的采样，图像采集机构对其进行拍照，从而获得荞麦剥出物的图像；对荞麦取样机构的出料高度进行了EDEM虚拟仿真试验，EDEM虚拟仿真试验结果表明：出料高度在550～600 mm区间时，荞麦颗粒分布相对均匀。针对所设计的荞麦在线检测装置开展系统性试验研究，试验设计以出料高度为关键控制变量（设定梯度为350～600 mm，步长50 mm），通过相机采集不同高度下样本的散落状态，量化分析取样装置作业过程中荞麦籽粒的空间分布均匀性指数（均值方差比）。试验结果表明：当出料高度介于550～600 mm区间内，其荞麦图像的均值方差比相对较小（介于3～5），颗粒分布相对均匀。该研究解决了传统荞麦取样方式效率低下的问题，可为促进农民增收和推进农业现代化发展提供关键支撑。/

• 基于数字孪生的采棉机风机气流场动态监测方法

  石茂林,冉康力,蒋伟俊,朱伟伟,钟良意,邓梦楠,徐立章,

  针对传统采棉机风机流场监测方法存在的离散采样局限性与 CFD 仿真实时性不足等问题，该研究提出一种基于数字孪生技术的采棉机风机出口气流场动态监测方法。系统集成风机数值仿真数据库、流场预测模型及数字孪生监控平台，实现风机物理实体与数字孪生体的实时交互。通过CFD建立风机仿真模型，获取不同转速下流场动态特性；基于代理模型与模糊C均值聚类算法构建快速预测模型，显著降低计算成本。Matlab模型封装为.NET类库，结合C#与Matlab混合编程，在WinForm HMI平台进行流场动态监测。结果表明，系统响应时间均在1 s以内，且总体误差在10%以内，实现风机出口流场的快速、精准预测，可为采棉机及其他农业装备气流场监测提供技术支撑。/

• 基于混合黑翅鸢算法的大型泵站机组启停约束下优化调度

  李四海,冯晓莉,张攀,王思盈,

  针对多数调泵站因缺乏科学运行方案导致的水能资源浪费、运行成本高的问题，该研究以引黄济青工程打渔张泵站为对象，开展降低运行电费、提升运行经济性的优化研究。在保证安全运行的前提下，考虑分时电价机制，构建了以日运行电费最小为目标的泵站系统优化调度模型，并严格约束机组启停、流量、叶片角度及开机台数，确定最优开机台数及各时段叶片角度。提出了混合黑翅鸢算法（Hybrid Black-winged Kite Algorithm，HBKA），并用经典算例测试验证了其优异的寻优能力、稳定性和收敛速度。在5.0 m运行扬程下，抽水总量约束-机组连续运行方案通过优化叶片角度实现了抽水量在不同电价时段的合理分配。该方案较抽水流量约束方案和现场实际运行方案可分别节省电费2.50%～5.15%和7.58%～21.14%，其中尖峰时段电费降低13.01%，经济效益显著。敏感性分析表明，扬程变化±10%导致电费波动?8.11%～+14.33%，模型均能保持可行性。研究成果对大型泵站机组设计选型与运行管理具有重要的理论意义和应用价值。/

• 纳米沸石基氮肥对干湿交替灌溉稻田团聚体和水氮利用效率影响

  孙洋,吴奇,陈弘扬,迟道才,王宇,高辛凯,

  纳米胶体粒子是组成土壤团聚体的基本单元，对团聚体稳定性和水肥利用具有重要的支撑作用。为评估纳米沸石基氮肥对节水灌溉稻田土壤团聚体结构、水稻生理特性、氮素利用及产量形成的调控效应，该研究于2021—2022年采用大田裂区试验，主区设置常规淹灌（ICF）和干湿交替灌溉（IAWD）2种灌溉模式，子区设置不施纳米沸石基氮肥（Zsub>0/sub>Nsub>10/sub>），20%纳米沸石基氮肥&80%尿素（Zsub>2/sub>Nsub>8/sub>），40%纳米沸石基氮肥&60%尿素（Zsub>4/sub>Nsub>6/sub>）3种水平，系统分析土壤团聚体结构、水稻生理生长、氮素利用及产量响应特征。结果表明，在相同施肥条件下，与ICF相比，IAWD模式的干湿循环导致大团聚体（>0.25 mm）破碎成微团聚体（<0.25 mm），降低土壤团聚体稳定性。随着纳米沸石基氮肥施用比例提高，土壤团聚体结构与稳定性显著改善，并同步提升土壤无机氮浓度。Zsub>2/sub>Nsub>8/sub>处理在有效分蘖率（+29.99%）、叶绿素含量（+28.97%）、灌溉水利用效率（+26.38%）、氮素利用效率（+16.65%）和产量（+16.65%）等关键指标上表现更优。此外，纳米沸石基氮肥通过提高水稻生育关键阶段的拐点积温，显著提升植株氮素积累阈值，增强氮素持续供给与吸收能力。结构方程模型进一步表明，纳米沸石基氮肥通过改善土壤团聚体结构、促进有效分蘖形成，并进一步提高植株氮积累，最终实现产量提升。综合土壤结构改良效应与作物生长响应特征，在干湿交替灌溉下施加20%纳米沸石基氮肥&80%尿素能够实现土壤改良与作物生产之间的最佳协同。该研究为北方稻田节水灌溉条件下纳米沸石基氮肥的合理施用提供了科学依据与技术支撑。/

• 基于蒸散的东北地区干湿变化特征及其影响因素分析

  王云晴,王培娟,冯锐,张琪,张慧,李扬,韩典辰,张源达,

  区域干湿变化是气候驱动下地表水分供需状态的综合体现，分析东北地区的干湿变化特征对理解水资源演变、保障农业生产及维护生态平衡具有重要意义。为提高MOD16A2GF蒸散发数据在东北地区的适用性，揭示区域干湿变化特征，该研究利用2个实测蒸散站点数据和116个气象站点观测数据，对MOD16A2GF数据集实际蒸散（evapotranspiration, ET）和潜在蒸散（potential evapotranspiration, PET）数据进行线性回归矫正。基于矫正后的ET和PET计算了作物缺水指数（crop water stress index, CWSI）以表征地表干湿状况，探讨了东北地区2001—2024年蒸散和干湿条件的时空变化特征及其影响因素。结果表明：1）2001—2024年东北地区ET显著增加，PET和CWSI显著下降，整体趋于湿润化。2）多年平均ET总体呈东高西低的空间分布特征；PET呈现出西南部高、东北部低的分布特征；CWSI整体由西南向东北递减，其中内蒙古东四盟的东南部CWSI最高，干旱最为严重。大部分区域ET呈增加趋势、PET呈减少趋势，区域湿润化趋势明显。3）降水量是影响东北地区干湿变化的关键气象因子。此外，植被生长状况的改善与农业灌溉通过促进实际蒸散发，对缓解水分胁迫、改善地表干湿状况具有重要调节作用。研究结果为农田水分优化配置和干旱风险防控提供科学依据与决策参考。/