遥控式双行水田行间除草机设计与试验

发布时间：2020-05-22 23:49

【摘要】：水田杂草在农业水田生态系统中严重抑制着水稻产量与品质,直接影响国家粮食安全产能。据联合国粮农组织统计,近些年中国因草害引起的水稻产量损失率达13%,单年损失粮食上百亿公斤,科学有效地防控草害是实现稻米高产、稳产、优质生产的重要保证。机械除草由于在除草过程中能疏松土壤,提升土壤对养分的吸收能力而备受青睐,目前水田除草机仍以需要拖拉机或人力推拉作业的机型为主,存在作业效率低,劳动强度大,伤苗率高,田间转向困难,无法长时间连续作业等问题,自动化、智能化机具研制仍处于试验阶段且多用于旱田作物。针对水田除草机自动化程度低,装备匮乏等问题,本文研制了一种履带式可远端遥控的水田除草机,其具有对土壤破坏程度轻、整机机动性好、结构紧凑及转弯半径小等特点。安装有间距、高度及转速可调节的除草轮,以期在不同行距、泥脚深度的水田中能够进行有效高速的除草作业,通过试验验证了除草机工作性能及可靠性,研究主要内容如下:(1)针对东北地区水稻种植的农艺要求,考虑除草机作业时间、田间作业效率、作业时伤苗率和除草率、田间行走下陷量及对土壤破坏程度等因素,确定遥控式双行水田行间除草机的总体结构方案。建立除草机转向时的平面运动模型,得到底盘电机所需最大功率,根据无线电的通信原理设计除草机的遥控系统,实现除草机前进、后退、转弯,摄像头舵机摆动、仰俯,除草轮转动的远程遥控。(2)对除草机关键部件进行设计,设计了传动系统,参考相关公式对驱动轮及支重轮等推进装置进行设计,并运用有限元分析软件对其强度进行校核。对除草轮匀速状态下进行静力学研究,确定除草轮的主要结构参数,建立除草装置静力学模型,得到除草装置电机所需最大功率,对除草机电气元件进行选配。(3)运用三维建模软件Pro/ENGINEER Wildfire 5.0对除草机进行实体化建模,对整机性能进行分析,得到重心偏移时除草机最大接地比压为9872 Pa,最小接地比压为7836 Pa,分析除草机横向和纵向稳定性,得到上下坡时纵向极限翻倾角分别为42.8°和28.7°,纵向极限下滑角为31°,横向极限翻倾角为33.9°,横向极限下滑角为31°。(4)运用ANSYS Workbench 14.0软件建立除草装置机架有限元模型,并对其进行自由状态下模态分析,为检验有限元仿真分析的准确性,采用力锤激励模式进行模态试验,验证了仿真计算的准确性。对比分析机架固有频率与外部激振频率之间关系,机架固有频率均避开了外部激振频率,除草装置工作时可有效避免共振的产生,验证了机架结构设计的可靠性。(5)对除草机底盘田间行驶速度、转弯半径及越埂高度分别进行试验,底盘行驶速度范围为0~0.9 m/s,田间最小转弯半径为435 mm,田间最大越埂高度为162 mm,可实现在低田埂水田中的无阻碍行驶作业。(6)将除草率及伤苗率定为单因素及多因素的试验指标,除草机前进速度及除草深度定为单因素及多因素的试验因素,开展了田间除草试验,利用数据处理软件Design-Expert 8.0.6对所得试验结果进行分析和优化,得到了前进速度及除草深度对作业性能影响的主次顺序,探求了除草机作业的最优参数组合。田间试验表明,除草率大小受除草机前进速度及除草深度交互作用影响,影响除草率的因素主次顺序为:除草深度、前进速度。伤苗率大小受除草机前进速度及除草深度交互作用影响,影响伤苗率的因素主次顺序为:前进速度、除草深度。当除草机前进速度为0.45 m/s、除草深度为74 mm时除草性能最优,除草率及伤苗率分别为82.73%与2.63%,满足水田除草的农艺要求。
【图文】：

引 言高田间杂草识别精度，近些年已逐渐将现代传感、自动检测、智能控制及机器视觉识到智能化机械除草技术中。瑞典哈尔姆斯塔德大学研制了旱田移动除草机器人[17,18]，1-2 所示，配置对行跟踪系统及红外检测系统，可导引机器人沿作物方向自主前进，利系统识别株间杂草，通过红外检测系统及株间除草铲精准除去株间杂草。

引 言高田间杂草识别精度，近些年已逐渐将现代传感、自动检测、智能控制及机器视觉识到智能化机械除草技术中。瑞典哈尔姆斯塔德大学研制了旱田移动除草机器人[17,18]，1-2 所示，配置对行跟踪系统及红外检测系统，可导引机器人沿作物方向自主前进，利系统识别株间杂草，，通过红外检测系统及株间除草铲精准除去株间杂草。
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S224.15

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本文编号：2676799