缽苗有序拋秧機優(yōu)化設計.doc

缽苗有序拋秧機優(yōu)化設計摘要本文以鼠籠式有序拋秧機的杠桿頂出機構和導苗管為研究對象?，F(xiàn)有鼠籠式有序拋秧機上秧盤不能被有效壓緊，會導致缽苗漏頂，從而影響缽苗的利用率和在田間的株距。針對這一問題，本文對鼠籠式有序拋秧機做了結構改進，并對杠桿頂出機構和導苗管的結構參數(shù)進行了優(yōu)化。主要內容和研究結果如下：(1)對現(xiàn)有杠桿頂出機構優(yōu)化程序實現(xiàn)可視化優(yōu)化，求得最優(yōu)參數(shù)。(2)以秧盤能被有效壓緊為設計目的，對鼠籠杠桿頂出式有序拋秧機進行結構改進。原有秧盤上列間距為1mm，現(xiàn)改為列間距不均勻的排列方式。相應的對壓盤裝置做了改進，在壓桿上增加滾輪，使得秧盤與壓桿之間改為滾動摩擦，減小阻力。(3)以株距均勻性為目標，對缽苗下落過程進行運動學分析，根據(jù)拋秧機的總體結構及實際工作環(huán)境得出導苗管部分的約束條件，建立優(yōu)化目標函數(shù)，編程得到優(yōu)化結果，導苗管底圓半徑約為169mm，高度為410mm，導苗管半錐角約19.5。(4)根據(jù)優(yōu)化參數(shù)，對鼠籠杠桿頂出式有序拋秧機構和導苗裝置進行結構設計。(5)總結全文并提出進一步研究的設想及方法。關鍵詞：水稻缽苗；拋秧機構；導苗管；壓盤裝置；優(yōu)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目錄摘要Abstract第1章緒論.11.1概述.11.2國外水稻有序拋秧機的發(fā)展狀況.11.3國內水稻有序拋秧機的發(fā)展狀況.21.4研究內容和具體方法.8第2章杠桿頂出機構運動學分析和參數(shù)優(yōu)化.92.1杠桿頂出機構的工作原理.92.2杠桿頂出機構運動學分析.102.3杠桿頂出機構參數(shù)優(yōu)化.112.3.1建立優(yōu)化數(shù)學模型.112.3.2優(yōu)化計算.122.3.3優(yōu)化程序界面（GUI）設計.142.3.4優(yōu)化結果.15第3章拋秧機構結構改進.163.1秧盤結構設計.163.2拋秧裝置結構改進.183.3壓盤裝置結構改進.19第4章缽苗下落過程運動學分析和導苗裝置優(yōu)化.204.1缽苗下落過程描述.204.2缽苗下落過程的運動學分析.204.2.1缽苗在空中下落分析.204.2.2缽苗在導苗管上滑行分析.234.2.3缽苗離開導苗管后在空中下落分析.254.3導苗管參數(shù)優(yōu)化.274.3.1建立優(yōu)化數(shù)學模型.274.3.2優(yōu)化計算和結果.28第5章導苗管的結構設計.30第6章總結與展望.31參考文獻.32致謝.33附錄.錯誤!未定義書簽。缽苗有序拋秧機優(yōu)化設計1第1章緒論1.1概述稻米是世界上的主要糧食，特別在亞洲起到重要作用。根據(jù)聯(lián)合國糧農組織2000年統(tǒng)計，全世界在水稻總產(chǎn)量為5.99億噸，超過玉米和小麥。亞洲是水稻主要產(chǎn)區(qū)，收獲面積占全世界的90%。而在我國，稻谷平均單產(chǎn)6.12噸/公頃，是我國糧食中單產(chǎn)最高的作物，是我國的主要糧食。水稻種植機械化對水稻生產(chǎn)具有非常大的影響，具有關資料顯示，與傳統(tǒng)人工作業(yè)相比每公頃可增產(chǎn)稻谷1000kg，按我國現(xiàn)有水稻種植面積計算，水稻種植機械化程度每增加一個百分點，既可增產(chǎn)稻谷3.7億kg，具有顯著的社會和經(jīng)濟效益。實踐表明，水稻種植機械化作業(yè)可減少勞動用工量40，大幅度提高工效；機械栽插比人工手插平均節(jié)約成本450元公頃左右1。大力推進水稻種植機械化，是解決水稻生產(chǎn)勞動力短缺問題，穩(wěn)定水稻生產(chǎn)，實現(xiàn)水稻生產(chǎn)節(jié)本增效，提高水稻生產(chǎn)的勞動生產(chǎn)率，增加農民收入的重要途徑。目前的水稻機械工藝主要有三種模式：插秧、拋秧和直插。而有序拋秧技術擁有在種植過程中，根部無損傷，返青快、低節(jié)位有效分蕖多、穗型整齊、成熟一致等優(yōu)點和明顯的增長效果，成了機械研究人員的熱點2。1.2國外水稻有序拋秧機的發(fā)展狀況國外水稻拋秧栽培技術最早始于20世紀60年代的日本。日本學者先是借鑒甜菜紙筒的育苗原理，開始研究采用紙筒培育水稻秧苗的移栽技術。20世紀70年代初，日本北海道國立農業(yè)試驗場開始了紙盤培育小苗技術的研究。1975年，日本北海道農業(yè)試驗場試驗了塑料軟盤拋秧技術的研究，研制出拋秧塑料軟盤。特別是自購自營模式，規(guī)范化加機械化收益尤為顯著，是一條致富的捷徑。在培植插秧機經(jīng)營大戶的過程中，在政策、資金和技術等方面予以傾斜，并著力推動機插秧服務市場化和社會化。要總結借鑒聯(lián)合收割機跨區(qū)作業(yè)已形成的好經(jīng)驗，利用不同地區(qū)季節(jié)差異，打機插秧時間差，提高插秧機的利用率，引導插秧機跨區(qū)作業(yè)，增加機手收入。通過推廣插秧機，實現(xiàn)機手致富、農業(yè)增效和農民增收。創(chuàng)新經(jīng)營機制和技術路線，促進插秧機推廣進入良性循環(huán)。積極鼓勵單位、集體和個人投資經(jīng)營插秧機，允許多種模式并存。同時，對暫時以集體名義購置的插秧機，也應及早明晰產(chǎn)權，以塑料育苗軟盤，可承包租賃，也可改制給個人。缽苗有序拋秧機優(yōu)化設計2經(jīng)過在不同氣候、不同地點的拋秧試驗，證明了水稻塑盤育苗拋秧栽培是一項使用安全、穩(wěn)產(chǎn)和省力的水稻栽培方法，值得其他國家和地區(qū)借鑒推廣。此后，尼日利亞、印度和韓國、中國都相繼開始了拋秧技術的試驗研究和應用。20世紀70年代初，日本北海道曾經(jīng)研制出各種形式的插秧機和拋秧機，其中有自動6行播秧機、人工喂入半自動l2行插秧機、自動散播機和人力拖動氣力式散拋機等，當時，這些機械作業(yè)的速度可以滿足要求，但作業(yè)質量較差。1980年，日本將缽盤育苗與機插秧技術有機結合起來，研制出樹脂缽盤大苗插秧機，由于機器結構十分復雜，加工精度高，投資大，且樹脂缽盤價格昂貴，農場主不愿投資，因而選擇了盤育苗機插技術。目前，國外水稻拋秧栽培面積不大。雖然日本曾率先研究成功水稻拋秧栽培技術，但該技術在日本未能得到推廣。因為日本經(jīng)濟發(fā)展水平高和勞動力少，注重農機與農藝配套技術，從育秧到插秧綜合考慮，而且研制了可供大、中、小苗配套使用的各種型號的插秧機，以工廠化育秧和機械插秧取代了拋秧栽培。盡管如此，由于拋秧技術具有一些獨特的優(yōu)點，在一些適宜的國家和地區(qū)仍有著較為廣闊的應用前景3-5。1.3國內水稻有序拋秧機的發(fā)展狀況我國水稻拋秧栽培在生產(chǎn)上的應用經(jīng)歷了試驗、示范和推廣幾個時期。20世紀6070年代，拋秧栽培主要充分調動各方面的積極性。在機插秧試驗中，應從實際出發(fā)，通過推廣機插秧技術，真正為農民服務。從目前的試驗情況看，影響機插秧的關鍵因素是育秧成本過高、插后大田管理技術不成熟。所以，要積極探索可行的技術路線，把機插成本降至接近或低于人工栽插成本。鹽城市2001年95的機插秧采用簡易雙膜育秧方案，使機插成本降至375元/公頃，與人工栽插育秧成本持平6。同時，要組織有關技術專家認真研究近幾年的試驗情況，分析機插水稻全生育過程的生長特性，盡快形成比較完善的機插秧技術路線，特別是育秧和插后大田管理技術規(guī)程，以指導今后機插秧技術的大面積示范推廣，為早日解決水稻栽插機械化做貢獻。20世紀80年代我國引進了日本的拋秧技術，開展了紙筒和塑料軟盤育秧拋栽試驗，并在生產(chǎn)上進行了示范，這一階段紙盤及塑料軟盤已初步應用于水稻育苗拋秧，加上化學除草劑的推廣應用，拋秧技術也具備了進一步發(fā)展的條件。90缽苗有序拋秧機優(yōu)化設計3年代以后，我國改進了育苗技術，采用聚氯乙烯(PVC)片材經(jīng)吸塑制成缽體軟盤，降低了秧盤成本，改進了育苗拋秧和水田栽培管理技術，同時成功研制出了水稻拋秧機，開辟了水稻機械化的又一條新路。拋秧栽培技術被列為國家“九五”農業(yè)重點推廣技術而進入迅速發(fā)展階段，1998年我國水稻拋秧技術應用面積達到了310多萬公頃。我國關于水稻缽苗移栽機械的研究是從20世紀80年代末開始的。1990年延邊農學院研制出第一臺人力水稻缽苗拋插機，但因拋秧機構工作不可靠，碎缽傷苗率與漏播率高，功效低而未能推廣。1992年北京市農機研究所研制出PY一3型帶輥式拋秧機，該機主要問題是拋秧過程中缽苗受擠壓及摩擦作用碎缽傷苗率超過20，缽苗入土直立性差。1994年中國農業(yè)大學研制出2ZPY系列旋轉錐盤式拋秧機，該機拋秧部件是一個高速旋轉、內側有導秧片的倒圓錐甩盤，靠錐盤旋轉對缽苗產(chǎn)生離心力作用拋秧，拋秧高度僅達到1.51.8m，入土直立性差，倒秧漂秧率高，且對缽體含水率要求較高，易粘盤停機7。1995年12日，北京市農機研究所研制出的PY3型揚場式水稻拋秧機正式通過行業(yè)專家鑒定，其原理是利用傳動帶的高速運動將帶缽秧苗拋向空中，使秧苗落入水田，完成拋秧作業(yè)，工作效率高，入土深度適宜。但秧苗與傳動帶接觸時受沖擊力大，易損傷秧苗，同時秧苗均勻度也受到孔穴帶土量輕重的影響，拋秧均勻度不易掌握。1996年，沈陽農業(yè)大學研制的氣力式水稻拋秧機利用氣流拋送原理，使得拋秧高度達2.53.5m，作業(yè)幅寬達到3.54.5m，但仍屬于無序拋秧。近幾年，人們逐步認識到無序拋秧分布不均、后續(xù)作業(yè)不便的問題，開始了缽苗有序拋秧機的研究工作。如南京市農業(yè)機械化研究所研制的2ZU一6型和2ZB79型水稻擺秧機，黑龍江八一農墾大學研制的2SP-6型水稻拋秧機，但到目前為止還沒能夠大面積運用。哈爾濱市對該技術也作了大量實驗研究，但大部分是由于地塊、地勢、資金、人員素質等因素，有所突破，也有所局限，但發(fā)展趨勢仍不太樂觀。我國目前的有序拋秧機型有較多種類，如氣吸式、氣吹式、氣流吹送式、分拋輪式、機械手式、振動式，現(xiàn)介紹幾種如下：缽苗有序拋秧機優(yōu)化設計4(1)對輥式拔秧機構由中國農業(yè)大學工學院研制的2ZPYH530型水稻缽苗行栽機，采用對輥式拔秧機構，實現(xiàn)了水稻穴盤育苗的自動拔秧。2ZPYH530型水稻缽苗行栽機輸秧拔秧裝置主要由輸秧輥、壓秧板、上下拔秧輥等組成。其工作原理是：帶苗缽盤通過人工放在托板上并喂入到輸秧輥上。拔秧輥按一定傳動比帶動輸秧輥轉動，當上下拔秧輥的夾秧板對接時，靠夾秧板外緣彈性材料變形產(chǎn)生的夾緊力，將位于上下拔秧輥中間的缽苗夾持并帶動其一起運動，最后使得缽苗與育秧盤脫離；當上下拔秧輥轉過一定角度后夾秧扳松開，缽苗落入導苗管，完成拔秧工作。研究者以取秧時的秧苗傾角為目標函數(shù)建立了秧苗拔取過程的數(shù)學模型，對此機型的自動輸秧拔秧機構進行了結構參數(shù)優(yōu)化。對水稻秧苗抗拉力學特性及穴盤拔秧性能的力學試驗研究表明，水稻從育秧穴中拔出來所需承受的