旋转式水稻钵苗移栽机构的设计-文献综述

浙江理工大学本科毕业设计（论文）文献综述报告 班 级 09 机制（ 4）班 姓 名 刘晓冕 课题名称 旋转式水稻钵苗移栽机构的设计 文献综述报告 目 录 1 选题的背景与意义 内外研究现状和发展趋势 指手研究意义 2 研究的基本内容与拟解决的主要问题 本内容 解决的主要问题 3 研究方案、可行性分析及预期研究成果 究思路方案 行性分析 期研究成果 指导教师 审批意见 签名： 年 月 日 文 研究目的与意义 水稻是我国第一大粮食作物，全国有近 60%的人口以水稻为主 食 ，在 粮 食 安 全 中 占 有 极 其 重 要 的 地 位 。我 国 水 稻 常 年 种 植 面积约 3000 万 公 顷 ， 占 全 国 谷 物 种 植 面 积 的 30 ， 占 世 界 水 稻 种植面积的 20 ； 稻 谷 总 产 量 近 20000 万 吨 ， 占 全 国 粮 食 总 产 的40 ， 占 世 界 稻 谷 总 产 的 35；在主要粮食作物生产中，水稻种植机械化水平最低。 移栽是水稻种植过程中的重要环节， 它具有对气候的补偿作用和使作物生育提早的综合效益，可以充分利用光热资源 ，其 经济效益和社会效益均非常可观。 与其他国家和地区相比，我国水稻种植机械化程度较低，绝大部分是移栽作业；与国内的水稻生产其他工艺流程相比，机械化程度也是最低的（收获机械化 50%以上，种植机械化约 12%）。 目 前 ，水 稻 移 栽 机 械 主 要 有 水 稻 抛 秧 机 、插 秧 机 、钵 苗 栽 植机 ，相 应 的 移 栽 技 术 分 别 为 抛 秧 、插 秧 和 钵 苗 栽 植 。其 中 ，水 稻抛秧技术栽植浅、植伤轻、返苗快、分蘖早、分蘖节位低、浅层根分布广，提早成熟，且增产增收，但是抛秧容易使秧苗倒伏、直 立 性 不 好 ，影 响 缓 苗 ，进 而 影 响 产 量 ；与 抛 秧 技 术 相 比 ，水 稻插秧方式可以保证栽植秧苗有较好 直 立 性 ，但 与 抛 秧 移 栽 采 用 钵盘 育 秧 不 同 ，插 秧 技 术 采 用 毯 状 秧 苗 ，毯 状 苗 几 乎 不 能 保 留 秧 苗的 成 长 土 质 及 营 养 物 质 ， 插 秧 时 秧 苗 断 根 多 ， 缓 苗 期 较 长 ， 要10 天左右；而水稻钵苗栽植技术也采用钵盘育秧，综合了以上两种水稻移栽方式的所有优点，克服了不利的因素，钵苗栽植直立 性 好 ，无 缓 苗 期 ，增 产 明 显 ，成 为 当 今 水 稻 机 械 化 移 栽 技 术 的研究重点。 另 外 ， 目 前 超 级 稻 种 植 都 是 采 用 手 工 移 栽 ， 要 求 每 穴 种 植 1到 2 株 秧 苗 ，用 现 有 的 毯 状 苗 插 秧 种 植 方 式 根 本 无 法 满 足 此 精 准移栽要求；用水稻抛秧移栽技术，难以保证栽植秧苗的直立性，影响产量；而用本课题提出的水稻钵 苗栽植技术 ,即 可 以 解 决 超级稻机械化种植需要每穴 1 到 2 株 苗 ，又 可 以 保 证 栽 植 秧 苗 的 直立性要求，有利于超级稻种植的推广。 水稻钵苗栽植是一种水稻高产的移栽技术。具有壮苗浅栽、缓 苗 快 、分 蘖 早 、分 蘖 节 位 低 、有 效 分 蘖 多 、根 系 发 达 、提 早 成熟增产增收等优点，一直以来深受农民欢迎。 水稻钵苗栽植在保证栽植钵苗的直立度后（与水平面夹角不低于 60度 ）， 钵 苗 栽 植方式较插秧方式增产 10%因此增产效果明显。 日本研究出的水稻钵苗栽植机（又称水稻钵苗摆栽机）价格昂贵、结构复杂，而且又是采用 半硬塑胶穴盘 ，成 本 高 ，育 苗 要 求 也 高 ，使 想 迫 切改变手工劳作并提高稻谷产量的广大农村农民望而却步， 黑龙江垦区五年前 曾引进日本的两种水稻钵苗摆栽机进行试验，到现在一直也没有推广，不适合中国国情。近几年来，我国吉林省有几家 企 业 一 直 在 研 究 水 稻 钵 苗 栽 植 机 ， 并 进 行 了 小 规 模 的 应 用 推广 ，基 本 能 够 保 证 栽 植 钵 苗 有 较 好 的 直 立 度 。其 移 栽 机 构 采 用 多杆式移栽机构，移栽效率低，单行效率只有 80株 /分 钟 左 右 ， 由于多杆式机构的结构限制，移栽效率很难再提高了。其移栽效率远 远 低 于 步 行 式 插 秧 机 的 插 秧 效 率 ， 更 不 用 说 与 高 速 插 秧 机 相比 。为 了 实 现 我 国 水 稻 钵 苗 栽 植 技 术 的 发 展 与 应 用 ，满 足 广 大 农民的对水 稻钵苗栽植机械化的需求，研究出一种新型高速水稻钵苗 栽 植 机 ，具 有 非 常 重 大 的 科 学 意 义 与 经 济 价 值 。 具有取苗与栽植苗功能的移栽机构，作为水稻钵苗栽植机的核心工作部件，已经成为制约高速水稻钵苗栽植机械发展的 “ 瓶颈 ” 问 题 ，开 展 该移栽机构理论与创新设计研究已迫在眉捷。 本课题通过开展水稻钵苗移栽机构的工作机理分析，依托课题组多年研究水稻种植机械的研究平台，对水稻钵苗移栽机构进行创新研究与优化设计，发明一种新型的高速水稻钵苗移栽机构 ，并 建 立 相 应 的 设 计 理 论 与 方 法 ，将 促 进 我 国 水 稻 钵 苗 栽 植 技术的发展与应用。为今后高速水稻钵苗栽植 机的研发提供重要理论基础和设计依据，将直接指导水稻钵苗有序移栽机构的设计 ,特别是水稻钵苗栽植方式非常适合于超级稻的机械化种植，有利于促进超级稻种植的推广，提高我国农业机械的研究水平。因此 ,开展本课题研究，不仅具有重要的科学意义，也具有重大的实际应 。 稻钵苗移栽机构的发展概况 自水稻抛秧或摆秧技术应用以来，国内外不少专家学者开始对有关水稻钵苗移栽机械进行研究。据有关资料报道，从事这方面研究的国家主要是日本和中国。 外发展概况 日本是水稻移栽机械化程度最高的国家，日本在完成工业化的进程中， 逐步实现了水稻种植机械化。 根据有关资料报道，黑龙江省曾分别引进日本井关农机公司和实产业株式会社生产的水稻钵苗摆栽机，如图 a） 所示，该摆栽机一次 可栽 6行，采用半硬塑胶钵盘育秧苗 ，钵 盘 中 的 每 个 钵 穴 是 上 粗 下 细 的 圆 锥杯 ，杯 的 底 部 有 一 小 孔 。采 用 从 半 硬 塑 胶 钵 盘 底 部 将 秧 苗 顶 出 的取苗方式， 其工作过程示意如图 b）所 示 。顶 杆 对 准 小 孔 有两 种 形 式 ：一 种 是 顶 杆 平 移 ，另 一 种 是 钵 秧 盘 平 移 。从 结 构 发 明的 角 度 看 ，机 构 作 用 于 土 钵 ，土 钵 是 固 体 ，个 体 差 异 小 ，工 作 可 图 辊式拔秧机构 靠 ，但 是 机 构 的 运 动 是 直 线 间 歇 运 动 。需 要 一 套 完 成 精 确 移 动 定位 的 机 构 ，加 工 精 度 要 求 高 ，机 构 磨 损 后 容 易 顶 偏 ，造 成 塑 料 秧盘 损 坏 ，有 时 钵 苗 的 秧 根 挂 住 钵 盘 ，造 成 秧 苗 脱 离 不 成 功 ，这 对育秧要求比较高。顶出的钵苗， 通过分秧供秧机构将秧苗水平分送到两侧的旋转分插部件，由旋转分插部件将水平放置的秧苗转换成垂直方式入土，完成秧苗的田间摆栽作业。具有可成行摆栽带 钵 秧 苗 ，株 距 准 确 ，均 匀 性 好 ，作 业 质 量 高 等 优 点 。但 摆 栽 机具 结 构 复 杂 ，成 本 高 ，对 整 地 和 育 秧 质 量 要 求 均 较 高 ，同 时 半 硬塑胶穴盘成本也高，从国内引进试验来看，并不适合我国国情。 再 如 日 本 洋 马 农 机 株 式 会 社 的 竹 山 智 洋 发 明 了 另 一 种 钵 苗移栽 机（专利号为： ,由 驱 动 装 置 和 两 个 栽植 爪 组 成 ，如 图 。该 移栽机构的驱动装置由两套行星轮系机 构 串 联 而 成 ，回 转 箱 相 当 于 行 星 架 ，第 一 回 转 箱 内 有 9 个齿轮（其中 2 个 是 扇 形 齿 轮 ）和 一 套 摆 动 凸 轮 机 构 ，第 二 回 转 箱 与 第一回转箱中的行星轮固接，内有 5 个 齿 轮 ，由 第 二 套 行 星 轮 的 行星轴输出运动驱动栽植爪实现取苗和栽植苗动作，该移栽轨迹较为 复 杂 ，如 图 2 所示。 该钵苗移栽机构的结构很复杂，可靠性不高 ，它 的 设 计 制 造 成 本 相 对 也 比 较 高 ，所 以 该 钵 苗 移 栽 机 构 未 能得到实际应用。 内发展概况 我国在 90 年代后期 ,水稻钵体 育秧技术有了较大的发展 ,中国 农 业 大 学 、吉 林 大 学 、江 苏 大 学 、八 一 农 垦 大 学 等 院 校 都 开 始进行钵体育秧技术与移栽技术研究。 我国目前的有序钵苗移栽机构有较多种方式， 现介绍几种如下： ( 1 ) 对辊式拔秧机构 由 中 国 农 业 大 学 工 学 院 研 制 的 2 采 用 对 辊 式拔 秧 机 构 ( 实现了水稻 穴 盘 育 苗 的 自动 拔 秧 。2水稻 钵 苗 行 栽 机 输秧 拔 秧 装 置 主 要由输秧辊 4、压 秧板 6、 上 拔 秧 辊 8和 下 拔 秧 辊 9 等组 成 。 其 工 作 原 图 间连杆移栽机构简图 10秧盘 图 械手式抛秧机构 理是：钵盘苗通过人工放在托板上并喂入到输秧辊 4上 ， 拔 秧 辊按一定传动比带动输秧辊 4转动， 当 上 下 拔 秧 辊 （ 8、 9）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，最后使得钵苗与钵盘 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 。但 试 验 结 果 表 明 ，秧 苗 营 养 钵 湿 度 对 拔 秧力 影 响 较 大 ，作 业 效 率 低 ，拔 秧 辊 释 放 钵 苗 后 ，钵 苗 沿 导 苗 管 滑落 入 水 田 中 。该 钵 苗 行 栽 机 栽 植 苗 方 式 是 采 用 导 苗 管 式 ，秧 苗 容易倒伏，很难控制栽植秧苗的直立度，将影响缓苗。 (2)机械手式抛秧机构 黑龙江八一农垦大学设计的 机 械 手 式 抛 秧 机 构 如 图 。 其 工 作 原 理 为 ： 秧 钳 的固 定 套 4与滚筒 6刚 性 联 接 ， 随筒 回 转 。 滚 筒 内 是 固 定 不 动 的凸轮 5，它 的 最 大 突 变 点 离 秧 盘最 近 ， 并 对 应 于 取 秧 位 置 。 当挡铁 8撞 击 开 闭 凸 轮 7使 秧 钳 闭合 夹 秧 时 ， 伸 缩 杆 3在 弹 簧 2的作 用 下 迅 速 缩 到 凸 轮 的 凹 处 ，将 秧 苗 的 钵 体 从 秧 盘 孔 中 拔 出并 离 开 盘 面 。 秧 钳 在 随 滚 筒 6回 转 过 程 中 ，伸 缩 杆 3的端斜面与凸轮 5的 外 轮 廓 接 触 并 受 其作用向外逐渐伸长。当转过180 时，开闭凸轮 7的撞杆受挡铁 9的撞击，使其转过 90 将秧钳 撑 开 ，秧 苗 在 秧 钳回转惯性力及重力作用下抛向地面。秧钳抛出秧苗后一直保持张开状态，直至取苗位置后又开始重复上面所述的动作。 该 机 械 手 抓 取 秧 苗 的 准 确 度 和 伤 秧 是 该 机 构 要 解 决 的 关 键问 题 。该 机 构 在 栽 植 苗 时 ，由 秧 钳 通 过 回 转 惯 性 力 和 重 力 作 用 将秧 苗 抛 向 地 面 ，是 一 种 抛 秧 移 栽 作 业 方 式 ，因 此 ，秧 苗 移 栽 的 直立度也很难保证，将影响缓苗。 (3)在空间连杆机构的基础上，中国农业大学研究开发了一种水 稻 钵 苗 精 准 栽 植 机 械手 机 构 ，与 拨 杆 式 夹 钳 配合 使 用 该 机 构 与 传 统 的农业机械完全不同，它属于 空 间 闭 式 链 机 构 。 示为栽植机械手机构的结构示意图，该机构由可控变杆长 构和 拨 杆 式 夹 钳 装 置 两 大部 分 组 成 。而 可 控 变 杆 长 图 杆移栽机构及移栽轨 迹 机 构 是 由 机 架 、主 动 件 、连 杆 、工 作 杆 和 摆 杆 组 成 ，并 选 取 主 动件杆 1 为 杆 长 变 化 杆 ，且 将 杆 1 分 解 为 凸 轮 、滚 子 从 动 件 和 曲 柄三 部 分 ，源 动 力 通 过 链 条 链 轮 传 递 动 力 给 与 机 架 运 动 副 连 接 的 曲柄 ，再 由 曲 柄 传 递 动 力 给 滚 子 从 动 件 ，使 滚 子 沿 凸 轮 表 面 做 圆 周运 动 ， 来 实 现 杆 长 变 化 滚 子 从 动 件 传 递 动 力 给 其 它 杆 件 3、 4，使其作连续运动，同时使得与杆 2 连接的工作杆 7 和夹钳一起运动 ，从 而 完 成 夹 秧 、取 秧 ，移 秧 、栽 秧 等 一 系 列 动 作 。此 机 构 在设计过程中需要检测杆之间的干涉问题，能保证各杆工作的连续性，该移栽机构结构太复杂，工作效率低。 (4)2007 年 ， 吉 林 省 延吉 市 光 华 机 械 厂 公 开 了 一 种 水稻 钵 苗 移 栽 机 构 (如图 这 种 移 栽 机 构 包 括 有 动 力 传 送齿轮箱 10、移 栽 四 轩 机 构 和 移栽 稳 定 三 连 杆 机 构 。 其 中 移 栽四 杆 机 构 是 由 上 曲 柄 7、栽植臂连杆 6、栽植臂杆 23、锁臂摇杆 14 依 次 铰 接 组 成 ，在 栽 植臂 杆 上 设 有 夹 秧 装 置 ； 移 栽 稳定三连杆机构是由下曲柄 19、稳定连杆 18 和 上 述 的 锁 臂 摇杆 14 依 次 铰 接 组 成 ，移 栽 四 杆机 构 和 移 栽 稳 定 三 连 杆 机 构 共同 完 成 取 秧 、移 秧 、栽 秧 的 运 动 轨 迹 。该 发 明 机 构 移 栽 运 行 轨 迹稳 定 ，取 秧 栽 植 过 程 中 取 秧 爪 开 闭 准 时 准 确 ，基 于 钵 盘 育 秧 ，保证了完整的根系，不伤苗，减少了秧苗的缓苏周期，增产效果显著 。但 是 多 杆 机 构 工 作 配 合 复 杂 ，要 快 速 提 高 移 栽 的 速 度 ，将 是一个巨大的挑战。该移栽机构已有样机在田间试验，但是工作效率 低 ， 振 动 大 ， 单 行 移 栽 效 率 只 有 80 次 / 右 ， 机 构 的 结 构本身限制了该机构无法再提高移栽效率。 (5) 专利号 为 一种能直接栽插软塑体钵盘秧苗的钵苗水稻插秧机，如图 a） 所示 。该水稻钵苗插秧机的核心工作部件 五杆水稻钵苗移栽机构，如图 b）所 示 。该 机 构 采 用 双 曲 柄 67、 66分 别 作 正 、反 向 转 动驱 动 ，是 一 个 双 自 由 度 机 构 ，栽 植 臂 10往复直插式控制取秧夹 61按特定曲线轨迹进行取秧与栽插秧苗作业，栽植臂 10内有夹紧与释 放 苗 装 置 ，包 括 凸 轮 68、拨 叉 70、弹 簧 63和控制杆 71，控 制 杆71相对栽植臂 10作 往 复 移 动 ，控 制 取 秧 夹 61张 开 与 闭 合 。曲 柄 旋转 一 周 ，取 秧 夹 61夹取钵苗插秧一 次 ，移 栽 效 率 单 行 为 80次 /图 稻钵苗移栽轨迹要求 左 右 ，该 机 构 能 实 现 水 稻 钵 苗 有 序 移 栽 ，但 工 作 效 率 也 较 低 ，振动也大。2 研究的 目的与实现方案 通过以上分析可知，国内外虽然对水稻钵苗有序移栽技术及移栽机构已做了较多的分析与研究，并有部分样机投入试验或应用 。目 前 的 移 栽 方 式 分 为 二 种 ：抛 秧 方 式 和 栽 植 苗 方 式 。抛 秧 方式很难保证栽植秧苗的直立度，影响缓苗，进而影响水稻产量 ,到目前为止 ,一 直 未 能 推 广 应 用 ； 栽 植 苗 方 式 移 栽 钵 苗 能 有 效 地保证栽植秧苗的直立度，无缓苗期，但现有的钵苗移栽机构，工作 效 率 太 低（ 只 有 80株 /分钟 /行 ），机 构 工 作 时 振 动 大 。但 是 上述 的 钵 苗 移 栽 机 构 所 采 用 的 夹 取 式 取 苗 方 式 可 以 为 本 课 题 研 究提供参考。 究目标 近 年 来 ，本 课 题 组 对 水 稻 钵 苗 有序 移 栽 的 工 作 机 理 与 机 构 创 新 进行 了 详 细 研 究 ，机 械 移 栽 秧 苗 为 塑料钵盘苗，塑料钵盘可重复使用。本 取 苗 方 式 采 用 两 片 取 苗 爪 夹 住水稻钵苗的茎杆根部，夹紧茎杆，将钵苗从钵穴中拨出，完成取苗动作 ， 取 苗 后 夹 持 苗 至 推 秧 位 置 ， 取苗爪张开，释放钵苗并推苗入土，完成栽植苗动作。为了实现该钵苗的有序移栽方式，同时考虑机构工作效率和平稳性。 本 论 文 提 出 了 一 种 旋 转 式 有序 移 栽 机 构 ，在 旋 转 箱 体 上 对 称 布(a)五杆水稻钵苗移栽机 （ b）五杆水稻钵苗移栽机构 图 两 个 移 栽 臂 ，提 高 了 工 作 平 稳 性 ，旋 转 一 周 移 栽 三 次 ，移 栽 效率 高 ，移 栽 效 率 将 不 低 于 300 株 /分钟 /行 ，其 移 栽 效 率 远 远 高 于现正在应用的有序移栽机构，本论文研究的旋转式有序移栽机构是一种高速水稻钵苗移栽机构。 案实现 通过了解水稻钵苗移栽的农艺要求，提出如图 移栽轨迹 ，该 机 构 的 取 秧 方 式 为 弹 簧 片 夹 取 式 取 秧 ，为 了 避 免 取 秧 时 弹簧片与秧苗的干涉，移栽轨迹在取秧部分为 “ 环扣状 ” 。即 由 两个弹簧片运行到土钵表面时，弹簧片从钵苗的下方 D 运行到钵苗茎部开始 取 秧 ，夹 紧 秧 苗 的 茎 杆 根 部 ，在 图 中 的 E 位置从穴盘中取 出 带 土 钵 苗 ，再 沿 持钵苗至图中的 B 位 置 ，在 推 秧 杆 的作 用 下 ，弹 簧 片 松 开 ，释 放 并 推 出 钵 苗 ，植