油菜钵苗移栽机双五杆栽植机构设计与试验

摘要

中国90％以上油菜种植集中于长江流域冬油菜区，前茬作物以水稻为主，通常是稻-油、稻-稻-油两熟或三熟制的水旱轮作种植模式，茬口矛盾突出。生产中广泛采用直播与移栽等多种方式，一般采用移栽方式，精耕细作，可实现高产;特别是三熟制区域，为充分利用冬前光温条件，弥补全年复种作物生长期不足，保证油菜产量，需在前茬作物成熟前先进行田间育苗后移栽种植。现有油菜移栽机功能单一，对耕整地要求较高，机械化移栽作业前需拖拉机多次下地耕整，易造成土壤板结，且部分机型对长江流域黏重土壤适应性较差，以致于现有油菜移栽机械推广困难。论文结合目前油菜直播机械化程度逐年提高，油菜精量联合直播机在长江流域进入大面积推广应用阶段的现状，提出一种挂接于油菜精量联合直播机上使用的多功能复式作业油菜钵苗移栽机。本研究主要内容包括：
　　⑴开展了油菜适栽期机械化移栽植株形态特征测试分析与研究。应用LA-S系列植物图像分析仪进行了适应于油菜机械化移栽植株形态特征（苗长、苗幅宽、株形锥角、根长和根直径）的系统测试研究，根据测试结果分析确定了油菜钵苗移栽机鸭嘴式栽植器部分结构参数和工作参数合理设计区间。研究结果表明:不同油菜品种苗长、苗幅宽、株形锥角和根长差异显著;油菜苗播种后28～40d适栽期内植株形态特征服从正态或偏态分布;所构建的播种后28～40d适栽期内植株形态特征生长模型表明，不同油菜品种植株苗长、苗幅宽、根长和根直径等特征随生长时间增加呈正线性关系，平均相关系数为0.9736;株型锥角呈负线性关系，平均相关系数为0.9818。研究表明，油菜移栽应优选适应机械化移栽品种，并根据植株发育形态调整油菜苗移栽时间，实现油菜机械化移栽农机农艺融合。该研究为油菜钵苗移栽机结构设计及其参数匹配研究提供依据。
　　⑵设计了一种作为副机架直接挂接于油菜精量联合直播机的油菜钵苗移栽机，实现一次完成旋耕、施肥、开畦沟、移栽等作业环节。分析阐述了油菜钵苗移栽机整机结构、工作原理和工作过程，确定了整机技术参数及性能评价指标。
　　⑶研制了一种油菜钵苗移栽机栽植机构。分析确定了双五杆栽植机构方案设计，建立了基于Pro/E的双五杆栽植机构三维实体参数化仿真模型，得出了较优连杆尺寸参数组合;在此组合下双五杆栽植机构入土轨迹和出土轨迹具有较好的垂直度和重合度，栽植形成穴口较小，栽植株距为300mm，栽植轨迹高度为426.5mm，满足油菜移栽农艺要求;同时，开展了凸轮同步控制系统设计，确定了栽植凸轮上滚子接触点与分苗凸轮上滚子接触点对应相位角差为144°，并开展了分苗和栽植同步分析。
　　⑷开展了油菜钵苗移栽机双五杆栽植机构运动特性和轨迹分析，构建了该机构多目标优化设计模型，借助Matlab软件开展了多目标优化设计模型求解和参数分析，并结合高速摄像技术开展了该机构多目标优化设计模型与实际轨迹一致性验证。结果表明:机组前进速度为0.3m/s，栽植频率为60株/min时，栽植株距为300mm，栽植轨迹高度为300mm;栽植深度在60-100mm之间时，栽植形成穴口小于0.91mm;栽植轨迹高度在200mm以下时，栽植轨迹竖直方向宽度为12.8mm;栽植阶段鸭嘴器摆动角度在-2.3°至2.3°之间变化，栽植轨迹最低点鸭嘴器水平方向速度为0.04m/s，接近零速栽植;接苗阶段鸭嘴器摆动角度在-2.4°至2.2°之间变化，鸭嘴器下降速度低于0.7 m/s，满足油菜移栽要求，为移栽机设计中栽植机构运动参数和结构参数确定提供了依据，并为实现特定功能轨迹的多杆机构设计提供了有效途径。
　　⑸田间试验验证了油菜钵苗移栽机结构设计的可行性。试验结果表明当移栽机前进速度为0.95 km/h，栽植频率为45株/min时，钵苗立苗合格率为88.67％，平均株距为370.83mm，株距变异系数为3.05％，平均栽植深度为56.41mm，栽植深度合格率为88.64％，栽植深度变异系数为11.91％，能够满足油菜移栽农艺要求;移栽作业时可根据实际土壤情况将机具挂接位置降低10-20mm，以保证钵苗被土壤覆盖，提高栽植深度合格率。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究意义

1．2 国内外研究现状分析

1．3 国内典型移栽机械研究概况

1．3．1 钳夹式移栽机

1．3．2 吊篮式移栽机

1．3．3 挠性圆盘式移栽机

1．3．4 导苗管式移栽机

1．3．5 鸭嘴式移栽机

1．3．6 不同类型移栽机特点

1．4 研究目标与研究内容

1．4．1 研究目标

1．4．2 研究内容

1．4．3 技术路线

第二章 适栽期油菜植株形态特征测试与栽植器匹配研究

2．1 材料与方法

2．1．1 苗体制备

2．1．2 油菜植株形态特征测试与分析

2．2 结果与分析

2．2．1 植株形态特征多重比较

2．2．2 植株形态特征正态分布检验

2．2．3 植株形态特征平均值变化规律

2．2．4 油菜植株形态与鸭嘴式栽植器关键参数匹配设计与分析

2．3 本章小结

第三章 油菜钵苗移栽机及其双五杆栽植机构设计与分析

3．1 总体设计

3．1．1 设计思路

3．1．2 主要技术参数及性能评价指标

3．1．3 结构设计方案

3．1．4 工作原理与工作过程

3．2 栽植机构方案比较分析

3．2．1 栽植机构方案分析

3．2．2 栽植机构方案选择

3．3 双五杆栽植机构结构参数设计

3．3．1 双五杆栽植机构基本结构

3．3．2 基于Pro／E的双五杆栽植机构参数化设计

3．3．3 双五杆栽植机构参数优选

3．4 凸轮同步控制系统设计

3．4．1 凸轮同步控制系统基本结构

3．4．2 分苗与栽植同步分析

3．5 传动与驱动方式改进设计

3．6 本章小结

第四章 基于Matlab的油菜钵苗移栽机双五杆栽植机构多目标优化设计

4．1 双五杆栽植机构工作原理

4．2 双五杆栽植机构运动学模型构建

4．3 双五杆栽植机构多目标优化设计模型

4．3．1 设计变量分析

4．3．2 目标函数构建

4．3．3 约束条件分析与建立

4．3．4 多目标优化模型求解

4．4 结果分析

4．5 高速摄像在线拍摄与轨迹分析

4．6 本章小结

第五章 油菜钵苗移栽机试验研究

5．1 田间试验

5．2 试验结果

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

附录

攻读硕士学位期间所发表论文及申报专利