钵苗有序抛秧机优化设计.doc

钵苗有序抛秧机优化设计摘要本文以鼠笼式有序抛秧机的杠杆顶出机构和导苗管为研究对象。现有鼠笼式有序抛秧机上秧盘不能被有效压紧，会导致钵苗漏顶，从而影响钵苗的利用率和在田间的株距。针对这一问题，本文对鼠笼式有序抛秧机做了结构改进，并对杠杆顶出机构和导苗管的结构参数进行了优化。主要内容和研究结果如下：(1)对现有杠杆顶出机构优化程序实现可视化优化，求得最优参数。(2)以秧盘能被有效压紧为设计目的，对鼠笼杠杆顶出式有序抛秧机进行结构改进。原有秧盘上列间距为1mm，现改为列间距不均匀的排列方式。相应的对压盘装置做了改进，在压杆上增加滚轮，使得秧盘与压杆之间改为滚动摩擦，减小阻力。(3)以株距均匀性为目标，对钵苗下落过程进行运动学分析，根据抛秧机的总体结构及实际工作环境得出导苗管部分的约束条件，建立优化目标函数，编程得到优化结果，导苗管底圆半径约为169mm，高度为410mm，导苗管半锥角约19.5。(4)根据优化参数，对鼠笼杠杆顶出式有序抛秧机构和导苗装置进行结构设计。(5)总结全文并提出进一步研究的设想及方法。关键词：水稻钵苗；抛秧机构；导苗管；压盘装置；优化AbstractThisarticlestudiesthecam-leverdetrusionmechanismandseedlingsguide-canalofmouse-cage-cam-leverdetrusiontypeorderedthrowin-gmechanism.Becauseofseedlingsplatecannotbepressedwellonthethrowingmechanism,somericeplotted-seedlingswillnotbepushedout.Iteffectstheutilizationofriceplotted-seedlingsandafterlandinghavinguniformspacingintherows.1.visualizetheexistingoptimizationprogramofcam-leverdetrusionmechanismandgetthebestresult.2.Improvethethestructureofcam-leverdetrusionmechanismforthegoalofseedlingplatecanbepressedwell.Originalseedlingsrowspacingis1mm,nowtherowspacingisuneven.Improvetheplatendeviceforaddingwheelsonthebar.Slidingfrictionwillchangetorollingfrictionbythismethod,andtheresistancebereduced.3.Forthegoalofseedlinghavinguniformspacingintherows,buildthekinematicsmathematicalmodelofseedlingfalling,accordingthrowingmachinesstructureandactualworkingenvironment,comeofcam-leverdetrusionmechanismoftheconstraintconditions,findconstraintconditionsandgettheresultofoptimization.Theradiusofconescircleoftheseedlingsguide-canalis169mm,theheightis410mm,thesemi-coneangleis5.19.4.Accordingtotheoptimizationparameters,themouse-cage-cam-leverdetrusiontypeorderedthrowingmechanismandseedlingsguide-canalaredesigned.5.Intheend,thereisaconclusionforthepaper,andtentativeplansforfurtherresearchareputforward.Keywords：riceplotted-seedlings；throwingmachine；seedlingsguide-canal；platendevice；optimization目录摘要Abstract第1章绪论.11.1概述.11.2国外水稻有序抛秧机的发展状况.11.3国内水稻有序抛秧机的发展状况.21.4研究内容和具体方法.8第2章杠杆顶出机构运动学分析和参数优化.92.1杠杆顶出机构的工作原理.92.2杠杆顶出机构运动学分析.102.3杠杆顶出机构参数优化.112.3.1建立优化数学模型.112.3.2优化计算.122.3.3优化程序界面（GUI）设计.142.3.4优化结果.15第3章抛秧机构结构改进.163.1秧盘结构设计.163.2抛秧装置结构改进.183.3压盘装置结构改进.19第4章钵苗下落过程运动学分析和导苗装置优化.204.1钵苗下落过程描述.204.2钵苗下落过程的运动学分析.204.2.1钵苗在空中下落分析.204.2.2钵苗在导苗管上滑行分析.234.2.3钵苗离开导苗管后在空中下落分析.254.3导苗管参数优化.274.3.1建立优化数学模型.274.3.2优化计算和结果.28第5章导苗管的结构设计.30第6章总结与展望.31参考文献.32致谢.33附录.错误!未定义书签。钵苗有序抛秧机优化设计1第1章绪论1.1概述稻米是世界上的主要粮食，特别在亚洲起到重要作用。根据联合国粮农组织2000年统计，全世界在水稻总产量为5.99亿吨，超过玉米和小麦。亚洲是水稻主要产区，收获面积占全世界的90%。而在我国，稻谷平均单产6.12吨/公顷，是我国粮食中单产最高的作物，是我国的主要粮食。水稻种植机械化对水稻生产具有非常大的影响，具有关资料显示，与传统人工作业相比每公顷可增产稻谷1000kg，按我国现有水稻种植面积计算，水稻种植机械化程度每增加一个百分点，既可增产稻谷3.7亿kg，具有显著的社会和经济效益。实践表明，水稻种植机械化作业可减少劳动用工量40，大幅度提高工效；机械栽插比人工手插平均节约成本450元公顷左右1。大力推进水稻种植机械化，是解决水稻生产劳动力短缺问题，稳定水稻生产，实现水稻生产节本增效，提高水稻生产的劳动生产率，增加农民收入的重要途径。目前的水稻机械工艺主要有三种模式：插秧、抛秧和直插。而有序抛秧技术拥有在种植过程中，根部无损伤，返青快、低节位有效分蕖多、穗型整齐、成熟一致等优点和明显的增长效果，成了机械研究人员的热点2。1.2国外水稻有序抛秧机的发展状况国外水稻抛秧栽培技术最早始于20世纪60年代的日本。日本学者先是借鉴甜菜纸筒的育苗原理，开始研究采用纸筒培育水稻秧苗的移栽技术。20世纪70年代初，日本北海道国立农业试验场开始了纸盘培育小苗技术的研究。1975年，日本北海道农业试验场试验了塑料软盘抛秧技术的研究，研制出抛秧塑料软盘。特别是自购自营模式，规范化加机械化收益尤为显著，是一条致富的捷径。在培植插秧机经营大户的过程中，在政策、资金和技术等方面予以倾斜，并着力推动机插秧服务市场化和社会化。要总结借鉴联合收割机跨区作业已形成的好经验，利用不同地区季节差异，打机插秧时间差，提高插秧机的利用率，引导插秧机跨区作业，增加机手收入。通过推广插秧机，实现机手致富、农业增效和农民增收。创新经营机制和技术路线，促进插秧机推广进入良性循环。积极鼓励单位、集体和个人投资经营插秧机，允许多种模式并存。同时，对暂时以集体名义购置的插秧机，也应及早明晰产权，以塑料育苗软盘，可承包租赁，也可改制给个人。钵苗有序抛秧机优化设计2经过在不同气候、不同地点的抛秧试验，证明了水稻塑盘育苗抛秧栽培是一项使用安全、稳产和省力的水稻栽培方法，值得其他国家和地区借鉴推广。此后，尼日利亚、印度和韩国、中国都相继开始了抛秧技术的试验研究和应用。20世纪70年代初，日本北海道曾经研制出各种形式的插秧机和抛秧机，其中有自动6行播秧机、人工喂入半自动l2行插秧机、自动散播机和人力拖动气力式散抛机等，当时，这些机械作业的速度可以满足要求，但作业质量较差。1980年，日本将钵盘育苗与机插秧技术有机结合起来，研制出树脂钵盘大苗插秧机，由于机器结构十分复杂，加工精度高，投资大，且树脂钵盘价格昂贵，农场主不愿投资，因而选择了盘育苗机插技术。目前，国外水稻抛秧栽培面积不大。虽然日本曾率先研究成功水稻抛秧栽培技术，但该技术在日本未能得到推广。因为日本经济发展水平高和劳动力少，注重农机与农艺配套技术，从育秧到插秧综合考虑，而且研制了可供大、中、小苗配套使用的各种型号的插秧机，以工厂化育秧和机械插秧取代了抛秧栽培。尽管如此，由于抛秧技术具有一些独特的优点，在一些适宜的国家和地区仍有着较为广阔的应用前景3-5。1.3国内水稻有序抛秧机的发展状况我国水稻抛秧栽培在生产上的应用经历了试验、示范和推广几个时期。20世纪6070年代，抛秧栽培主要充分调动各方面的积极性。在机插秧试验中，应从实际出发，通过推广机插秧技术，真正为农民服务。从目前的试验情况看，影响机插秧的关键因素是育秧成本过高、插后大田管理技术不成熟。所以，要积极探索可行的技术路线，把机插成本降至接近或低于人工栽插成本。盐城市2001年95的机插秧采用简易双膜育秧方案，使机插成本降至375元/公顷，与人工栽插育秧成本持平6。同时，要组织有关技术专家认真研究近几年的试验情况，分析机插水稻全生育过程的生长特性，尽快形成比较完善的机插秧技术路线，特别是育秧和插后大田管理技术规程，以指导今后机插秧技术的大面积示范推广，为早日解决水稻栽插机械化做贡献。20世纪80年代我国引进了日本的抛秧技术，开展了纸筒和塑料软盘育秧抛栽试验，并在生产上进行了示范，这一阶段纸盘及塑料软盘已初步应用于水稻育苗抛秧，加上化学除草剂的推广应用，抛秧技术也具备了进一步发展的条件。90钵苗有序抛秧机优化设计3年代以后，我国改进了育苗技术，采用聚氯乙烯(PVC)片材经吸塑制成钵体软盘，降低了秧盘成本，改进了育苗抛秧和水田栽培管理技术，同时成功研制出了水稻抛秧机，开辟了水稻机械化的又一条新路。抛秧栽培技术被列为国家“九五”农业重点推广技术而进入迅速发展阶段，1998年我国水稻抛秧技术应用面积达到了310多万公顷。我国关于水稻钵苗移栽机械的研究是从20世纪80年代末开始的。1990年延边农学院研制出第一台人力水稻钵苗抛插机，但因抛秧机构工作不可靠，碎钵伤苗率与漏播率高，功效低而未能推广。1992年北京市农机研究所研制出PY一3型带辊式抛秧机，该机主要问题是抛秧过程中钵苗受挤压及摩擦作用碎钵伤苗率超过20，钵苗入土直立性差。1994年中国农业大学研制出2ZPY系列旋转锥盘式抛秧机，该机抛秧部件是一个高速旋转、内侧有导秧片的倒圆锥甩盘，靠锥盘旋转对钵苗产生离心力作用抛秧，抛秧高度仅达到1.51.8m，入土直立性差，倒秧漂秧率高，且对钵体含水率要求较高，易粘盘停机7。1995年12日，北京市农机研究所研制出的PY3型扬场式水稻抛秧机正式通过行业专家鉴定，其原理是利用传动带的高速运动将带钵秧苗抛向空中，使秧苗落入水田，完成抛秧作业，工作效率高，入土深度适宜。但秧苗与传动带接触时受冲击力大，易损伤秧苗，同时秧苗均匀度也受到孔穴带土量轻重的影响，抛秧均匀度不易掌握。1996年，沈阳农业大学研制的气力式水稻抛秧机利用气流抛送原理，使得抛秧高度达2.53.5m，作业幅宽达到3.54.5m，但仍属于无序抛秧。近几年，人们逐步认识到无序抛秧分布不均、后续作业不便的问题，开始了钵苗有序抛秧机的研究工作。如南京市农业机械化研究所研制的2ZU一6型和2ZB79型水稻摆秧机，黑龙江八一农垦大学研制的2SP-6型水稻抛秧机，但到目前为止还没能够大面积运用。哈尔滨市对该技术也作了大量实验研究，但大部分是由于地块、地势、资金、人员素质等因素，有所突破，也有所局限，但发展趋势仍不太乐观。我国目前的有序抛秧机型有较多种类，如气吸式、气吹式、气流吹送式、分抛轮式、机械手式、振动式，现介绍几种如下：钵苗有序抛秧机优化设计4(1)对辊式拔秧机构由中国农业大学工学院研制的2ZPYH530型水稻钵苗行栽机，采用对辊式拔秧机构，实现了水稻穴盘育苗的自动拔秧。2ZPYH530型水稻钵苗行栽机输秧拔秧装置主要由输秧辊、压秧板、上下拔秧辊等组成。其工作原理是：带苗钵盘通过人工放在托板上并喂入到输秧辊上。拔秧辊按一定传动比带动输秧辊转动，当上下拔秧辊的夹秧板对接时，靠夹秧板外缘弹性材料变形产生的夹紧力，将位于上下拔秧辊中间的钵苗夹持并带动其一起运动，最后使得钵苗与育秧盘脱离；当上下拔秧辊转过一定角度后夹秧扳松开，钵苗落入导苗管，完成拔秧工作。研究者以取秧时的秧苗倾角为目标函数建立了秧苗拔取过程的数学模型，对此机型的自动输秧拔秧机构进行了结构参数优化。对水稻秧苗抗拉力学特性及穴盘拔秧性能的力学试验研究表明，水稻从育秧穴中拔出来所需承受的