【摘要】：我國稻作歷史悠久,至少有7000年以上的歷史。截至目前,我國水稻栽種面積常年維持在3000萬公頃左右,遍及大陸30個(gè)省,占我國稻谷總種植面積的30%,占世界谷物總種植面積的20%,水稻總產(chǎn)量約20000萬噸,占我國糧食產(chǎn)量的40%,占世界谷物產(chǎn)量的35%,居世界第一位。提高水稻的生產(chǎn)能力及產(chǎn)量,是保障我國糧食安全的長期戰(zhàn)略目標(biāo)。隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn),可耕種面積逐年縮少,從事農(nóng)業(yè)勞動人口數(shù)量逐年下降,而我國人口的不斷增加導(dǎo)致對糧食需求的增長,糧食供給更加困難。所以在有限勞動力及耕種面積的約束下,提高水稻生產(chǎn)機(jī)械化水平顯得尤為重要。為提高水稻產(chǎn)量,農(nóng)藝專家經(jīng)多年比較試種證明,水稻缽苗移栽技術(shù)由于不傷秧根、無緩苗期、秧苗低節(jié)位分蘗多,對于提高水稻產(chǎn)量具有明顯優(yōu)勢(相對于插秧可以提高產(chǎn)量10%-20%),而且可以實(shí)現(xiàn)省種、節(jié)肥、節(jié)水、節(jié)約成本、提高品質(zhì)和增加糧食產(chǎn)量的目的,并且可以提高復(fù)種指數(shù)。作為水稻缽苗移栽機(jī)的核心組成部分,移栽機(jī)構(gòu)的性能直接決定了移栽機(jī)的作業(yè)水平�，F(xiàn)有的移栽機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,穩(wěn)定性差,作業(yè)質(zhì)量難以保證,成為限制移栽技術(shù)在我國大面積推廣的主要原因。如果能夠研發(fā)出一種結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定、高效且作業(yè)質(zhì)量好的移栽機(jī)構(gòu),將解決機(jī)械化水稻缽苗移栽應(yīng)用和推廣的難題,并會使我國水稻種植機(jī)械化的水平得到提高。本文突破移栽機(jī)構(gòu)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),成功設(shè)計(jì)出了一種“共軛凸輪——正圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)”,具有自主知識產(chǎn)權(quán),主要研究內(nèi)容如下:(1)回轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)工作軌跡分析。通過比較國內(nèi)外現(xiàn)有的水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的工作原理及對其運(yùn)動特性的分析,總結(jié)了水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)研究所面臨的核心問題——如何利用一套機(jī)構(gòu)依次完成取秧、輸送和栽植三個(gè)動作。提出了高效、輕簡化水稻缽苗移栽的發(fā)展趨勢,即“回轉(zhuǎn)式”缽苗移栽機(jī)構(gòu),并對回轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)工作時(shí)所要形成的軌跡進(jìn)行了分析。(2)首次提出了一種“共軛凸輪——正圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)”(專利公開號:CN102893737A)。該機(jī)構(gòu)將共軛凸輪與正圓齒輪行星輪系相結(jié)合,利用共輒凸輪驅(qū)動移栽臂擺動與正圓齒輪行星輪系牽連運(yùn)動疊加,使得移栽臂形成類似“8字形”(上小下大)的靜工作軌跡。取苗段軌跡為“8字形”的上半部,成環(huán)扣狀,移栽機(jī)夾秧片尖點(diǎn)沿著軌跡夾持秧苗根部,并沿著類直線段將秧苗拔出。取苗時(shí)移栽臂相對轉(zhuǎn)角較小,能夠保證移栽臂夾秧片將缽苗從缽盤中取出,栽植階段軌跡為“8字形”的下半部,保證移栽臂有足夠行程將缽苗栽入地中,從而實(shí)現(xiàn)缽苗移栽。該機(jī)構(gòu)可依次完成取苗、輸送、栽植三個(gè)缽苗移栽過程,且在工作中傳動連續(xù)、平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、無剛性沖擊、振動小、易加工且成本低。(3)共軛凸輪——正圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)建模。針對水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)特性進(jìn)行了分析,并建立了該機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型(包括:正圓齒輪行星輪系牽引機(jī)構(gòu)及擺動式共軛凸輪機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型),為后續(xù)的移栽機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助分析與優(yōu)化軟件的開發(fā)提供理論依據(jù)。(4)共輒凸輪——正圓齒輪行星輪系水稻移栽機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助分析與優(yōu)化軟件開發(fā)。基于VB技術(shù),根據(jù)所建立的移栽機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型,自主開發(fā)了水稻移栽機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助分析與優(yōu)化軟件系統(tǒng)(軟件著作權(quán)登記號:2014R11L041109),并闡述了各個(gè)子軟件界面、功能及特點(diǎn),該軟件可以完成移栽機(jī)構(gòu)和共軛凸輪的優(yōu)化、設(shè)計(jì)及加工。(5)共輒凸輪——正圓齒輪行星輪系水稻移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)優(yōu)化。根據(jù)水稻缽苗移栽的農(nóng)藝要求及移栽機(jī)構(gòu)的工作要求,制定了移栽機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)優(yōu)化目標(biāo),其中包括對移栽機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的要求。分析了當(dāng)不同參數(shù)變化時(shí),對移栽機(jī)構(gòu)相對運(yùn)動軌跡及機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。利用自主研發(fā)的水稻移栽機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助分析與優(yōu)化軟件,對移栽機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)優(yōu)化,并獲得了一組可以滿足水稻缽苗移栽工作要求的移栽機(jī)構(gòu)參數(shù)組合。(6)共軛凸輪——正圓齒輪行星輪系水稻移栽機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果,利用AutoCAD2010軟件完成了移栽機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)及零部件的設(shè)計(jì),并探討了設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)。(7)共軛凸輪——正圓齒輪行星輪系水稻移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)仿真。在UGNX8.0軟件平臺下,進(jìn)行了移栽機(jī)構(gòu)零部件的三維建模及和虛擬裝配后,導(dǎo)入到Adams中進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真。仿真結(jié)果表明:移栽機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)仿真軌跡、速度及加速度曲線與運(yùn)動學(xué)優(yōu)化結(jié)果高度相似,驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)的可行性及計(jì)算的正確性。(8)共軛凸輪——正圓齒輪行星輪系水稻移栽機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真。在Ansys軟件平臺下,建立了移栽機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件擺桿柔性體模型后,導(dǎo)入Adams中進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真。仿真結(jié)果表明:擺桿所受的最大應(yīng)力為69.31MPa,小于所用材料40Cr的許用應(yīng)力267.67MPa,說明了擺桿強(qiáng)度能夠滿足要求,為移栽機(jī)構(gòu)加工提供有力保障。
【圖文】：

求定位機(jī)構(gòu)具有一定的準(zhǔn)確度，頂桿磨損嚴(yán)重，造成缽苗不能成功脫離缽盤，因此失敗。接逡逑著曰本洋馬農(nóng)機(jī)株式會社研制出了一種頂出式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)，該移栽機(jī)構(gòu)是由頂出式分逡逑秧機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)式栽植機(jī)構(gòu)組成［１３１，頂出式分秧機(jī)構(gòu)的工作過程如圖１－１所示，當(dāng)缽盤運(yùn)動到逡逑分秧位置時(shí)，頂桿快速伸入小孔，將秧苗頂出后，并迅速退出缽盤，在整個(gè)過程中，缽盤處逡逑于運(yùn)動狀態(tài)，這就要求整個(gè)機(jī)構(gòu)協(xié)同度高。但在頂針的運(yùn)動中，自身承受的沖擊載荷大，對逡逑機(jī)構(gòu)精度要求高，長期工作磨損后，整個(gè)機(jī)構(gòu)協(xié)同度下降，常出現(xiàn)頂偏，損壞塑料秧盤，頂逡逑出時(shí)掛住秧苗的現(xiàn)象，且對整地和育秧質(zhì)量有較高要求［１４１。逡逑２邋３逡逑１．缽盤下移邐２．頂桿運(yùn)功邐３．頂桿頂出秧苗逡逑圖１．１日本有序拋秧機(jī)構(gòu)頂秧過程示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｓｅｅｄｉｎｇ邋ｅｊｅｃｔｉｏｎ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｓｋｅｔｃｈ邋ｏｆ邋Ｊａｐａｎｅｓｅ邋ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｅｒ逡逑２00４年，，日本研制出了旋轉(zhuǎn)式栽植機(jī)構(gòu)，其核心部件是由兩個(gè)行星輪機(jī)構(gòu)串聯(lián)而成，如逡逑圖１－２所示。其齒輪箱相當(dāng)于行星架，第一齒輪箱由９個(gè)齒輪（其中２個(gè)扇形齒輪）和一套逡逑２逡逑

但由于是兩套機(jī)構(gòu)完成移栽過程，且軌跡和機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，可靠性低，設(shè)計(jì)和制造成本較高，逡逑所以該機(jī)器未能得到應(yīng)用。逡逑如圖１－４，是日本井關(guān)農(nóng)機(jī)株式會社生產(chǎn)的一臺有序水稻缽苗移栽機(jī)［１６］。該機(jī)器具有不逡逑傷秧和栽植精度較高的特點(diǎn)，但其分秧、輸送、栽植分別是由三套不同的機(jī)構(gòu)完成，結(jié)構(gòu)復(fù)逡逑圖１－２缽苗移栽機(jī)構(gòu)邐圖１－３日制水稻缽苗有序移栽機(jī)逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｓｅｅｄｌｉｎｇ邋ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邋Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｔｈｅ邋ｒｉｃｅ邋ｓｅｅｄｌｉｎｇ邋ｏｒｄｅｒｌｙ邋ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ逡逑ｍａｃｈｉｎｅ逡逑１．２．２國內(nèi)研究情況逡逑１９９０年代以來，我國的科研工作者們也逐漸開始了對水稻缽苗移栽機(jī)械的研究，在吸收逡逑國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所、浙江大學(xué)、浙江理工大學(xué)、逡逑東北農(nóng)業(yè)大學(xué)和黑龍江省八一農(nóng)墾大學(xué)等國內(nèi)各大高校、科研院所、企事業(yè)單位中的許多專逡逑家學(xué)者都相繼開始了對缽苗育秧技術(shù)與移栽技術(shù)的研究［１７］，并陸續(xù)研制出了一些移栽機(jī)器及逡逑模型。其中較為典型的機(jī)型如下：逡逑黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)在１９９２年研制出的２ＳＰ－４型水稻拋秧機(jī)（｜８１，如圖１－４邋（ａ）所示。逡逑該機(jī)器是由機(jī)械手滾筒機(jī)構(gòu)與縱向、橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)等組成。其核心部件的工作原理為：如圖逡逑１－４邋（ｂ）所示，套筒４固定在滾筒６上，隨滾筒６旋轉(zhuǎn)，伸縮凸輪５置于滾筒６內(nèi)，固定不逡逑動，用來控制伸縮桿３的伸縮，伸縮桿３位于套筒４內(nèi)，其一端伸入滾筒６內(nèi)與伸縮凸輪５逡逑接觸
【學(xué)位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：S223.9

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本文編號：2681958