斜置回转式水稻宽窄行钵苗移栽机构机理分析与性能研究

摘要

水稻是中国主要粮食作物，作为高产、稳产作物近几年发展迅速，但仅依靠扩大种植面积提升总产并不是有效的生产途径。与此同时，过量施用农药、化肥致使其在土地与大米中残留量过高，难以满足人们对高品质大米空前的需求。针对上述情况，中国农艺专家提出了能解决水稻农药、化肥残留过高，实现绿色有机生产的水稻宽窄行栽培农艺;以及能够大幅度提高单产、扩大“稻花香”等精品粮种植区域的水稻钵苗移栽技术两种农艺措施。作者基于两种农艺的优点与优势，将二者结合，提出了水稻宽窄行钵苗移栽种植模式，但由于没有相关技术装备的支撑，目前未能大面积推广应用。
　　国内外现有的移栽装备仅能单一的完成水稻宽窄行种植或水稻钵苗移栽作业:国内的系列水稻宽窄行装备仍为插秧作业，存在伤根等问题;而水稻钵苗移栽装备均为等行距作业（包括国外的日本顶出式水稻钵苗移栽机，其结构复杂，综合成本过高，难以在中国推广;国内的双曲柄水稻钵苗移栽机，由于核心杆机构振动较大、效率低，不能满足高效作业要求;其他研究院所提出的各种方案又均未能产业化）。因此，急需对水稻宽窄行钵苗移栽技术与装备进行研究与开发。
　　同时为满足中国对步行式移栽机型市场的巨大需求，该文提出了一种体型小巧、结构简单、成本低、过梗方便，且适合地形复杂和小地块作业的斜置回转式步行水稻宽窄行钵苗移栽机构，在保证水稻宽窄行种植要求的同时完成钵苗移栽，实现两种农艺的结合，填补国内外市场。根据以上目标，论文主要工作内容与结论如下:
　　(1)斜置回转式水稻宽窄行钵苗移栽机构的研发与工作原理。首先通过对水稻钵育秧苗的物理特性和回转式水稻钵苗移栽机构“8”字形运动学轨迹与姿态的成形机理进行研究与分析，提出了同时实现钵苗移栽和宽窄行栽植的基本设计条件，并限定了移栽机构的横向偏移。根据上述基本目标，对发明的刚体铰链式、弹簧夹片式等不同形式的关键取苗与栽植部件进行分析与选择，开发了一种斜置回转式水稻宽窄行钵苗移栽机构，并介绍其工作原理，解决了水稻宽窄行钵苗移栽的难题;
　　(2)斜置回转式水稻宽窄行钵苗移栽机构的运动学分析与建模。提出一种用于非圆齿轮行星系移栽机构非圆齿轮节曲线的拟合方式，并设定其成型方法;采用移栽机构的整体倾斜传动理论，并根据共轭非圆齿轮组自由传动比的传动特性，对其进行运动学分析与建模;提供了实现两种农艺措施相结合的移栽机构设计参数，为后期计算机分析软件的开发提供了理论基础;
　　(3)斜置回转式水稻宽窄行钵苗移栽机构运动学目标函数的建立。针对回转式水稻钵苗移栽机构参数优化存在的特性进行分析，提出了基于实践经验总结的11个运动学优化目标，并建立了其目标函数（目标函数包括取秧角、推秧角以及相对角度差，取苗方向及取苗距离，输送过程与秧箱的不干涉，栽植点和行星轮壳体与地面距离，齿轮参数和宽窄行取秧不发生干涉等），为参数优化软件的开发奠定理论基础;
　　(4)计算机动态模拟优化设计软件的开发及参数影响轨迹变化规律的研究。根据斜置回转式水稻钵苗移栽机构的运动学分析、理论模型与目标函数，基于VB6.0平台开发计算机动态模拟优化设计软件，探索了节曲线参数方程中X、Y方向参数和机构参数对移栽机构轨迹和姿态的影响规律，确定了想要得到理想轨迹参数应满足的范围和变化量，为参数的优化提供了基础;
　　(5)水稻宽窄行钵苗移栽机构参数优化及“参数导引”优化算法分析。在计算机优化设计软件中，根据经验和各个参数对目标影响规律的分析，优化出一组优化参数，包括节曲线方程参数a1=8.80，c1=4.68，d1=7.00，f1=8.36，g1=-3.50，a2=14.3，c2=0.94，d2=-2.20，e2=-2，f2=6.00，g=0.40;太阳轮初始安装角、第一行星架转角、第一段移栽臂与水平夹角、移栽臂两段长度以及整体放大倍数参数:α1=87°，α2=66°，α3=81°，l1=70mm，l2=186.375mm，k=1.4;通过优化软件的模拟，验证了该组参数获得的目标值均满足目标函数及水稻钵苗移栽轨迹与姿态的要求;为了实现后续软件的全自动优化，分析了“参数导引”优化算法的应用;
　　(6)水稻宽窄行钵苗移栽机构的结构设计与虚拟仿真。根据计算机优化得出的参数组，对斜置回转式水稻宽窄行钵苗移栽机构进行结构设计，包括对斜置式传动机构与非圆齿轮行星系机构的具体结构设计与改进;为了实现大规模设计要求，避免重复而繁琐的设计工作，基于现代设计方法，进行了移栽机构变型设计软件的开发与应用;对核心工作部件进行参数化规范三维建模后（为后续完成其变型设计软件开发做准备），检验模型装配干涉情况，然后导出模型，采用刚柔耦合模型并对核心取秧夹片进行分析，最后进行虚拟样机的仿真试验与测试分析，验证了虚拟仿真模型与理论设计的一致性与合理性;
　　(7)核心工作部件的物理样机加工与试验台架搭建。采用3D打印技术与机加工相结合的方式，将回转式水稻宽窄行钵苗移栽机构进行物理样机加工，并完成核心部件的装配;以步行机ZB-430机型为基础，将其底盘动力连接方式、行走轮位置和浮板进行了宽窄行钵苗移栽构建，装配上核心部件，成功搭建了试验台架，研制了斜置回转式水稻宽窄行钵苗移栽机构，为后续试验做准备;
　　(8)移栽机构的高速摄影与取苗栽植性能试验验证。首先采用闭锁式工厂化育秧培育试验用秧苗，基于高速摄影技术确定了水稻宽窄行钵苗移栽机构夹秧片尖点轨迹和移栽臂姿态。通过与理论分析结果对比，验证了机构设计的正确性、合理性与一致性;对移栽机构取苗、运输和栽植状态进行性能试验验证与分析，并通过测试不同作业效率条件下，移栽秧苗的取苗、栽植状态和机构运行稳定性，确定了研制的水稻宽窄行钵苗移栽机构的作业转速不高于150 r/min时，能够保证移栽效果。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究目的与意义

1．1．1 水稻宽窄行种植技术

1．1．2 水稻钵苗移栽农艺优势

1．2 国内外研究现状及趋势分析

1．2．1 国内外研究现状

1．2．2 机型分析

1．2．3 研究发展趋势及难点

1．3 研究方案的选择

1．3．1 论文研究内容

1．3．2 论文研究路线

2 斜置回转式水稻宽窄行钵苗移栽机构的理论建模与运动学分析

2．1 水稻宽窄行钵苗移栽机构的轨迹和姿态要求概述

2．1．1 移栽轨迹形成的机理分析

2．1．2 水稻宽窄行钵苗移栽轨迹与姿态基本设计要求

2．2 斜置回转式水稻宽窄行钵苗移栽机构实现方案与工作原理

2．2．1 水稻宽窄行钵苗移栽实现方法

2．2．2 斜置式水稻宽窄行钵苗移栽机构工作原理

2．2．3 夹秧和推秧机构机理分析与选择

2．3 不等速行星轮系运动学特性分析

2．3．1 非圆齿轮节曲线设计

2．3．2 不等速行星轮系运动学分析

2．4 斜置式宽窄行传动倾角分析

2．5 本章小结

3 斜置回转式水稻宽窄行钵苗移栽机构的参数优化

3．1 目标特性分析与运动学目标要求

3．2 目标函数的建立与分析

3．2．1 取秧角和推秧角以及移栽臂相对转角

3．2．2 秧苗夹紧点轨迹切线方向与所取秧苗夹角

3．2．3 夹紧点至钵体表面距离与完全取出钵苗直线段距离

3．2．4 钵苗输送与秧箱距离

3．2．5 栽植点和行星轮壳体分别与地面距离以及轨迹高度

3．2．6 齿轮模数

3．2．7 宽窄行斜取秧不发生干涉

3．3 各参数对运动学目标的影响

3．3．1 参数方程水平方向参数对目标的影响

3．3．2 参数方程竖直方向参数对目标的影响

3．3．3 不同机构参数对目标的影响

3．4 优化设计软件的开发与优化算法介绍

3．4．1 优化设计软件介绍与开发

3．4．2 软件优化流程与优化设计参数结果

3．4．3 “参数导引”启发式优化算法介绍

3．5 本章小结

4 斜置回转式移栽机构的结构设计与虚拟样机仿真

4．1 斜置式传动机构的结构设计

4．2 非圆行星轮系移栽机构的结构设计

4．2．1 行星轮系非圆齿轮副的设计

4．2．2 移栽臂部件定位装置设计

4．2．3 夹秧与推秧机构的设计

4．3 移栽机构的运动学仿真验证

4．3．1 变型设计软件的开发与介绍

4．3．2 移栽机构三维模型建立

4．3．3 ADAMS运动学动态仿真与验证

4．4 本章小结

5 斜置回转式水稻宽窄行钵苗移栽机构性能试验研究

5．1 核心工作部件物理样机加工与装配

5．1．1 移栽臂壳体3D打印技术的应用

5．1．2 零件的机加与装配效果

5．2 试验台架与整机系统构建

5．2．1 核心工作部件动力连接设计

5．2．2 行走轮相对位置改进

5．2．3 宽窄浮板设计

5．3 水稻钵盘育秧

5．3．1 育秧准备

5．3．2 闭锁式水稻工厂育秧

5．4 核心部件运动学与性能验证试验

5．4．1 高速摄影轨迹与姿态验证

5．4．2 取苗与栽植验证试验研究

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文