【摘要】：育苗移栽具有對氣候的補(bǔ)償作用和使作物生育提早的綜合效益。但是由于我國旱地栽植機(jī)械發(fā)展較慢，移栽作業(yè)仍以人工為主，移栽機(jī)械化程度最高的棉花也不足30%。隨著我國大力發(fā)展效益農(nóng)業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)高立苗率和低損傷率的旱地高速移栽機(jī)械已成為發(fā)展趨勢。栽植機(jī)構(gòu)是將缽苗植入大田的最終機(jī)構(gòu)，是移栽機(jī)的兩大核心機(jī)構(gòu)之一，其作業(yè)性能直接影響整臺移栽機(jī)的作業(yè)性能和競爭力。因此對栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論和試驗(yàn)研究，為旱地高速移栽機(jī)械的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)和設(shè)計依據(jù)，具有重要的實(shí)用價值和理論意義。 栽植機(jī)構(gòu)的理想要求是高立苗率和低損傷地高速栽植。傳統(tǒng)的保證立苗率的“零速度”移栽理念在實(shí)際作業(yè)時很難實(shí)現(xiàn)，且傳統(tǒng)的栽植機(jī)構(gòu)不能滿足高速移栽要求，針對這些問題，本論文提出通過保證栽植嘴理想軌跡、姿態(tài)、速度和挖出的穴口形狀等運(yùn)動學(xué)特性來提高立苗率和降低損傷率的新思路，并在該思路指導(dǎo)下開展基于非圓齒輪行星傳動的栽植機(jī)構(gòu)研究。本文主要的研究內(nèi)容和結(jié)果如下： 1）研究國內(nèi)外各種類型栽植機(jī)構(gòu)的工作原理并分析其存在的問題，總結(jié)滿足高立苗率和低損傷地高速移栽對栽植機(jī)構(gòu)的要求，為此本文提出基于非圓齒輪行星傳動的栽植機(jī)構(gòu)（以下簡稱非圓齒輪行星輪系栽植機(jī)構(gòu)），并按不同類型的非圓齒輪（橢圓類非圓齒輪、偏心圓類非圓齒輪、傅里葉類非圓齒輪、巴斯噶蝸線類非圓齒輪）傳動進(jìn)行組合設(shè)計，共構(gòu)成25種不同栽植機(jī)構(gòu)；在分析非圓齒輪副傳動特性的基礎(chǔ)上，建立了栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)數(shù)學(xué)模型和動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，并編寫了運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性輔助分析軟件，得到栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性。 2）為減少栽植過程中缽苗損傷，提高移栽成功率，以西蘭花缽苗為移栽對象，設(shè)計正交試驗(yàn)研究不同穴盤規(guī)格、不同含水率和不同苗齡西蘭花缽苗的機(jī)械特性，包括土缽的抗壓強(qiáng)度、缽苗相對栽植嘴壁面的摩擦系數(shù)和缽苗與栽植嘴碰撞時不回彈的相對速度，分析這些因素對缽苗損傷的影響，采用綜合評分法并從經(jīng)濟(jì)角度考慮，獲得適合西蘭花缽苗機(jī)械化栽植作業(yè)的物理特性：128穴盤、5~6片真葉、含水率50%和128穴盤、2~3片真葉、含水率63%，并為構(gòu)建栽植作業(yè)時栽植嘴的理想姿態(tài)和速度提供依據(jù)。 3）分析栽植作業(yè)過程中缽苗與栽植嘴的相對運(yùn)動，結(jié)合西蘭花缽苗的物理機(jī)械特性和栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)模型，建立缽苗相對栽植嘴的運(yùn)動微分方程，并編寫西蘭花缽苗運(yùn)動輔助分析軟件，得到作業(yè)過程中西蘭花缽苗與栽植嘴之間的相對運(yùn)動和相互作用力，為栽植機(jī)構(gòu)動力學(xué)特性分析的假設(shè)條件提供理論依據(jù)。結(jié)果表明：在進(jìn)行栽植機(jī)構(gòu)動力學(xué)特性分析時，可忽略缽苗的影響。 4）以西蘭花缽苗物理機(jī)械特性為約束條件，并結(jié)合栽植農(nóng)藝要求，建立一個作業(yè)循環(huán)內(nèi)栽植嘴理想軌跡、姿態(tài)、速度和挖出的穴口形狀等運(yùn)動學(xué)特性要求的理論模型。以理想運(yùn)動學(xué)特性要求為目標(biāo)，根據(jù)所建立的栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)模型和西蘭花缽苗的運(yùn)動微分方程，建立栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)特性多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化模型；采用matlab遺傳算法工具箱對每一種非圓齒輪行星輪系栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)優(yōu)化，找到滿足理想運(yùn)動學(xué)特性要求的每種栽植機(jī)構(gòu)的參數(shù)范圍。 5）以所建立的栽植機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建動力學(xué)特性評價準(zhǔn)則，以運(yùn)動學(xué)的優(yōu)化結(jié)果為約束條件建立動力學(xué)特性多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化模型；同樣采用遺傳算法進(jìn)行動力學(xué)尋優(yōu)，得到最佳栽植機(jī)構(gòu)類型及其對應(yīng)的機(jī)構(gòu)參數(shù)：第一級齒輪副為偏心圓類非圓齒輪，第二級齒輪副為橢圓類非圓齒輪，機(jī)構(gòu)參數(shù)為栽植嘴的初始安裝角θ=114.256，兩級非圓齒輪轉(zhuǎn)動中心連線的夾角γ=30.834，齒輪3初始相位角α=25.467，齒輪6初始相位角β=1.375，太陽輪3偏心圓半徑R3=30.916mm，太陽輪3偏心距e3=5.583mm，太陽輪3變性系數(shù)m31=1.542，中間輪6橢圓長軸半徑A6=30.694mm，中間輪6偏心率k6=0.031，中間輪6變性系數(shù)m61=1.26。 6）根據(jù)優(yōu)化得到的最佳栽植機(jī)構(gòu)類型及其對應(yīng)的機(jī)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行栽植裝置樣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和三維模型。研制栽植裝置運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性測試試驗(yàn)臺，，測試空載時栽植裝置的運(yùn)動學(xué)（軌跡、速度）和動力學(xué)特性，驗(yàn)證所建立的數(shù)學(xué)模型的正確性；研制栽植裝置模擬田間栽植試驗(yàn)臺，基于課題組研制的輪胎摩擦驅(qū)動旋轉(zhuǎn)式環(huán)形土槽進(jìn)行栽植裝置的模擬田間栽植試驗(yàn)，測試株距、栽植深度、栽植嘴張開時刻和西蘭花缽苗的穴盤規(guī)格、苗齡、含水率對栽植裝置田間作業(yè)性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)株距在280mm~380mm之間，栽植深度在45mm~55mm之間，選用128穴盤，苗齡為2~3片真葉，含水率為63%的缽苗時立苗率較高，約為95%。
【圖文】：

（a） （b）圖1.8井關(guān)桿式栽植機(jī)構(gòu)簡圖和實(shí)物圖（a） 井關(guān)桿式栽植機(jī)構(gòu) （b） 多桿式栽植機(jī)構(gòu) （c）橢圓齒輪行星系栽植圖1.9 3種栽植機(jī)構(gòu)輔助分析軟件井關(guān)桿式栽植機(jī)構(gòu)利用桿件傳動的高次曲線特性實(shí)現(xiàn)栽植嘴特定的軌跡和姿態(tài)題組成員在陳建能教授的指導(dǎo)下推導(dǎo)了該機(jī)構(gòu)的位移、速度和加速度方程，編的輔助分析和仿真程序，如圖1.9a所示，分析了最佳參數(shù)下的機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)特性[0所示，當(dāng)栽植效率30株/min，其加速度最大值為6.15m/s2，波動范圍為5.75m為330mm，穴口上口為69.6mm、下口為21.2mm，且和機(jī)器前進(jìn)方向一致的穴

c）橢圓齒輪行星系栽植機(jī)構(gòu)圖1.9 3種栽植機(jī)構(gòu)輔助分析軟件井關(guān)桿式栽植機(jī)構(gòu)利用桿件傳動的高次曲線特性實(shí)現(xiàn)栽植嘴特定的軌跡和姿態(tài)。本人和課題組成員在陳建能教授的指導(dǎo)下推導(dǎo)了該機(jī)構(gòu)的位移、速度和加速度方程，編寫了該機(jī)構(gòu)的輔助分析和仿真程序，如圖1.9a所示，分析了最佳參數(shù)下的機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)特性[24]：如圖1.10所示，當(dāng)栽植效率30株/min，其加速度最大值為6.15m/s2，波動范圍為5.75m/s2；當(dāng)株距為330mm，穴口上口為69.6mm、下口為21.2mm
【學(xué)位授予單位】：浙江理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：S223.9

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2694928