田间管理作业是我国农业机械化生产的重要环节之一,目前我国在高杆作物田间管理环节装备缺乏、功能单一,传统的作业装备存在地隙较低,难以在作物生长的中后期进地作业,制约了田间管理水平的提升,成为全程机械化发展的短板之一。采用高地隙作业装置可有效解决上述问题,本文针对高杆作物中后期的追肥问题,设计了与高地隙底盘配套的精量配混施肥装置,该装置采用侧深施肥的策略,将氮磷钾三种肥料按需求实时配比后,排施至作物根系附近的土壤中,提高肥料利用率;为适配宽幅、高效的作业需求,同时避免肥箱过长造成高地隙底盘重心不稳,采用气力集排式施肥方案。本文对集排式施肥装置关键部件进行设计,通过理论分析、计算机仿真分析和试验研究等方法和手段,研究关键部件作业质量影响规律,最后集成关键部件对精量配混施肥装置进行整机试制。本文的研究内容主要包括以下几个方面:(1)颗粒肥料离散元仿真摩擦因数标定方法研究应用离散元法分析离散物料与农机执行机构的交互作用,可以取得试验研究无法得到的颗粒运动信息,目前对于颗粒物料的参数标定方法多多采用单一方法来标定多个接触参数,导致仿真与试验结果存在较大误差,针对上述问题,对分体圆筒法、倾斜法、抽板法和斜面法4种颗粒特性测试方法进行Plackett-Burman多因素显著性筛选试验,试验方差分析结果表明,不同的测试方法影响测量结果的显著因素与因素显著程度。根据分体圆简法、倾斜法和斜面法的方差分析结果,提出一种基于颗粒物料整体特性的摩擦因数标定方法,将仿真试验与真实试验相结合,依次标定出尿素颗粒与PVC材料间静摩擦因数为0.41,颗粒间静摩擦因数为0.36,颗粒间滚动摩擦因数为0.15。将所标定的摩擦因数采用无底圆筒法进行验证试验,休止角仿真试验结果为30.57o,真实试验结果为31.74o,相对误差为3.69%,不同含水率下的实际试验休止角与所标定摩擦因数下的仿真休止角相对误差均不大于4.59%,仿真试验结果与真实试验结果无显著差异,验证了所标定摩擦因数的准确性。(2)基于EDEM-Fluent耦合的颗粒肥料悬浮速度测定为提供气力施肥装置的设计参考依据,以大颗粒尿素、磷酸二铵和硫酸钾3种颗粒状化肥为试验对象,通过计算流体动力学和离散元法耦合的方法对物料悬浮速度进行数值模拟,采用Lagrangian模型进行气固两相流耦合仿真,试验结果表明,大颗粒尿素悬浮速度7.21-12.97m/s,磷酸二铵悬浮速度7.68-12.48m/s,硫酸钾悬浮速度11.09-18.15m/s。通过台架试验测定大颗粒尿素悬浮速度6.68-12.48m/s,磷酸二铵悬浮速度7.22-11.96m/s,硫酸钾悬浮速度9.46-17.81m/s,相对误差分别为5.3%、5.1%、7.2%。在颗粒肥料体积分数1%、3.5%、6%、8.5%时,分别测定肥料颗粒群的悬浮速度,结果表明,颗粒群悬浮速度随着体积分数的增加而减小,在不同的颗粒肥料体积分数下,仿真结果与试验结果比值近似为常数,其原因为颗粒球形度对悬浮速度的影响,标定得大颗粒尿素悬浮速度修正系数0.90,磷酸二铵悬浮速度修正系数0.96,硫酸钾悬浮速度修正系数0.84。基于流固耦合的颗粒悬浮速度仿真有较高的准确度,验证了基于EDEM-Fluent气固两相流耦合仿真测定物料悬浮速度方法的可行性。(3)基于离散元法的气力变量配比施肥装置设计为提高肥料利用率,设计变量配比施肥装置,实现氮磷钾3种肥料按需实时配比排施,基于离散元法,分析施肥管倾角对大颗粒尿素、磷酸二铵、硫酸钾输送能力的影响,仿真试验结果表明:施肥管倾角大于50o时,肥料在施肥管中的输送效率满足最大施肥量条件下排肥器的排肥速率,根据经典文丘里管设计方法对风送输肥管进行设计,通过计算流体动力学和离散元法耦合的方法,研究输送气速对施肥量误差的影响,试验发现随着输送气速的增加,排施在目标区域的肥料质量逐渐增加,实际总施肥量与目标总施肥量之间的误差逐渐减小,同时大颗粒尿素、磷酸二铵、硫酸钾的施肥误差均逐渐减小,但当输送气速大于30m/s时,硫酸钾施肥误差逐渐增大,并且总施肥量误差降低效果并不显著,因此,输送气速30m/s为最经济风速。对气力变量配比施肥装置进行样机试制,并进行田间验证试验,试验结果表明:单一肥料施肥量误差控制在5.33%以内,总施肥量误差不超过4.66%,3种肥料混合均匀度均大于94.4%。(4)颗粒肥料质量流量传感器的设计与试验基于静电感应原理,设计了固体颗粒肥料质量流量传感器,由于肥料颗粒与空气、排肥管管壁以及自身之间的摩擦、碰撞,使肥料颗粒携带了电荷,在肥料颗粒下落的过程中,环形电极被其感应出了微弱的等量异号电荷,最后由电流放大电路输出与之相对应的感应电流。以大颗粒尿素、过磷酸钙、氯化钾为研究对象,进行了感应电流与颗粒肥料质量流量的标定研究,并进行了三种肥料检测精度的试验,试验结果显示:三种肥料的平均测量误差分别为3.9%,5.1%,5.9%,误差的标准差分别为5.21,7.98,11.29。统计分析显示,三种肥料的测量误差符合正态分布,其数学期望分别为3.74%,4.93%,5.22%。本文研究的固体颗粒肥料质量流量传感器可以满足固体颗粒肥料质量流量实时检测的需求,并为变量施肥闭环控制的研究提供参考。(5)气力集排式配混施肥装置设计与试验为满足玉米生长中后期的追肥需求,设计一种与高地隙底盘配套使用的精量配混施肥机。采用气力集排式施肥方案,设计抛送式混肥器将变量配比施肥装置排出的氮磷钾3种肥料通过电机驱动叶片旋转进行混合,并输送至内部被设计成锥形结构的肥料分配器。通过计算机流体动力学和离散元耦合法对分配器排肥口倾角、分配器上端波纹管的结构和布置方式进行仿真试验,试验结果显示当排肥口倾角为45o时,其综合性能最优;肥料分配器上端需布置一段长度至少为570mm的垂直波纹管,从而避免了肥料颗粒流因压力差的作用而粘附在管壁上。2019年6月,对该机进行了田间检验,检验结果显示该机的施肥量误差为2%,总施肥量稳定性变异系数为2%,各行排肥量一致性变异系数为3%,施肥装置可满足高杆作物中耕时期的追肥需求。