面向高立苗率要求的栽植机构参数优化与试验研究

发布时间：2020-06-03 13:58

【摘要】：育苗移栽具有对气候的补偿作用和使作物生育提早的综合效益。但是由于我国旱地栽植机械发展较慢，移栽作业仍以人工为主，移栽机械化程度最高的棉花也不足30%。随着我国大力发展效益农业，能够实现高立苗率和低损伤率的旱地高速移栽机械已成为发展趋势。栽植机构是将钵苗植入大田的最终机构，是移栽机的两大核心机构之一，其作业性能直接影响整台移栽机的作业性能和竞争力。因此对栽植机构进行理论和试验研究，为旱地高速移栽机械的研发提供理论基础和设计依据，具有重要的实用价值和理论意义。栽植机构的理想要求是高立苗率和低损伤地高速栽植。传统的保证立苗率的“零速度”移栽理念在实际作业时很难实现，且传统的栽植机构不能满足高速移栽要求，针对这些问题，本论文提出通过保证栽植嘴理想轨迹、姿态、速度和挖出的穴口形状等运动学特性来提高立苗率和降低损伤率的新思路，并在该思路指导下开展基于非圆齿轮行星传动的栽植机构研究。本文主要的研究内容和结果如下： 1）研究国内外各种类型栽植机构的工作原理并分析其存在的问题，总结满足高立苗率和低损伤地高速移栽对栽植机构的要求，为此本文提出基于非圆齿轮行星传动的栽植机构（以下简称非圆齿轮行星轮系栽植机构），并按不同类型的非圆齿轮（椭圆类非圆齿轮、偏心圆类非圆齿轮、傅里叶类非圆齿轮、巴斯噶蜗线类非圆齿轮）传动进行组合设计，共构成25种不同栽植机构；在分析非圆齿轮副传动特性的基础上，建立了栽植机构的运动学数学模型和动力学数学模型，并编写了运动学和动力学特性辅助分析软件，得到栽植机构的运动学和动力学特性。 2）为减少栽植过程中钵苗损伤，提高移栽成功率，以西兰花钵苗为移栽对象，设计正交试验研究不同穴盘规格、不同含水率和不同苗龄西兰花钵苗的机械特性，包括土钵的抗压强度、钵苗相对栽植嘴壁面的摩擦系数和钵苗与栽植嘴碰撞时不回弹的相对速度，分析这些因素对钵苗损伤的影响，采用综合评分法并从经济角度考虑，获得适合西兰花钵苗机械化栽植作业的物理特性：128穴盘、5~6片真叶、含水率50%和128穴盘、2~3片真叶、含水率63%，并为构建栽植作业时栽植嘴的理想姿态和速度提供依据。 3）分析栽植作业过程中钵苗与栽植嘴的相对运动，结合西兰花钵苗的物理机械特性和栽植机构的运动学模型，建立钵苗相对栽植嘴的运动微分方程，并编写西兰花钵苗运动辅助分析软件，得到作业过程中西兰花钵苗与栽植嘴之间的相对运动和相互作用力，为栽植机构动力学特性分析的假设条件提供理论依据。结果表明：在进行栽植机构动力学特性分析时，可忽略钵苗的影响。 4）以西兰花钵苗物理机械特性为约束条件，并结合栽植农艺要求，建立一个作业循环内栽植嘴理想轨迹、姿态、速度和挖出的穴口形状等运动学特性要求的理论模型。以理想运动学特性要求为目标，根据所建立的栽植机构运动学模型和西兰花钵苗的运动微分方程，建立栽植机构运动学特性多目标参数优化模型；采用matlab遗传算法工具箱对每一种非圆齿轮行星轮系栽植机构进行运动学优化，找到满足理想运动学特性要求的每种栽植机构的参数范围。 5）以所建立的栽植机构动力学模型为基础，构建动力学特性评价准则，以运动学的优化结果为约束条件建立动力学特性多目标参数优化模型；同样采用遗传算法进行动力学寻优，得到最佳栽植机构类型及其对应的机构参数：第一级齿轮副为偏心圆类非圆齿轮，第二级齿轮副为椭圆类非圆齿轮，机构参数为栽植嘴的初始安装角θ=114.256，两级非圆齿轮转动中心连线的夹角γ=30.834，齿轮3初始相位角α=25.467，齿轮6初始相位角β=1.375，太阳轮3偏心圆半径R3=30.916mm，太阳轮3偏心距e3=5.583mm，太阳轮3变性系数m31=1.542，中间轮6椭圆长轴半径A6=30.694mm，中间轮6偏心率k6=0.031，中间轮6变性系数m61=1.26。 6）根据优化得到的最佳栽植机构类型及其对应的机构参数，进行栽植装置样机的结构设计和三维模型。研制栽植装置运动学和动力学特性测试试验台，，测试空载时栽植装置的运动学（轨迹、速度）和动力学特性，验证所建立的数学模型的正确性；研制栽植装置模拟田间栽植试验台，基于课题组研制的轮胎摩擦驱动旋转式环形土槽进行栽植装置的模拟田间栽植试验，测试株距、栽植深度、栽植嘴张开时刻和西兰花钵苗的穴盘规格、苗龄、含水率对栽植装置田间作业性能的影响。结果表明：当株距在280mm~380mm之间，栽植深度在45mm~55mm之间，选用128穴盘，苗龄为2~3片真叶，含水率为63%的钵苗时立苗率较高，约为95%。
【图文】：

栽植机,杆式,实物

（a）（b）图1.8井关杆式栽植机构简图和实物图（a）井关杆式栽植机构（b）多杆式栽植机构（c）椭圆齿轮行星系栽植图1.9 3种栽植机构辅助分析软件井关杆式栽植机构利用杆件传动的高次曲线特性实现栽植嘴特定的轨迹和姿态题组成员在陈建能教授的指导下推导了该机构的位移、速度和加速度方程，编的辅助分析和仿真程序，如图1.9a所示，分析了最佳参数下的机构运动学特性[0所示，当栽植效率30株/min，其加速度最大值为6.15m/s2，波动范围为5.75m为330mm，穴口上口为69.6mm、下口为21.2mm，且和机器前进方向一致的穴

栽植机,行星系,辅助分析,椭圆齿轮

c）椭圆齿轮行星系栽植机构图1.9 3种栽植机构辅助分析软件井关杆式栽植机构利用杆件传动的高次曲线特性实现栽植嘴特定的轨迹和姿态。本人和课题组成员在陈建能教授的指导下推导了该机构的位移、速度和加速度方程，编写了该机构的辅助分析和仿真程序，如图1.9a所示，分析了最佳参数下的机构运动学特性[24]：如图1.10所示，当栽植效率30株/min，其加速度最大值为6.15m/s2，波动范围为5.75m/s2；当株距为330mm，穴口上口为69.6mm、下口为21.2mm
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S223.9

【参考文献】