面向高立苗率要求的栽植机构参数优化与试验研究

摘要

育苗移栽具有对气候的补偿作用和使作物生育提早的综合效益。但是由于我国旱地栽植机械发展较慢，移栽作业仍以人工为主，移栽机械化程度最高的棉花也不足30％。随着我国大力发展效益农业，能够实现高立苗率和低损伤率的旱地高速移栽机械已成为发展趋势。栽植机构是将钵苗植入大田的最终机构，是移栽机的两大核心机构之一，其作业性能直接影响整台移栽机的作业性能和竞争力。因此对栽植机构进行理论和试验研究，为旱地高速移栽机械的研发提供理论基础和设计依据，具有重要的实用价值和理论意义。
　　栽植机构的理想要求是高立苗率和低损伤地高速栽植。传统的保证立苗率的“零速度”移栽理念在实际作业时很难实现，且传统的栽植机构不能满足高速移栽要求，针对这些问题，本论文提出通过保证栽植嘴理想轨迹、姿态、速度和挖出的穴口形状等运动学特性来提高立苗率和降低损伤率的新思路，并在该思路指导下开展基于非圆齿轮行星传动的栽植机构研究。本文主要的研究内容和结果如下:
　　1)研究国内外各种类型栽植机构的工作原理并分析其存在的问题，总结满足高立苗率和低损伤地高速移栽对栽植机构的要求，为此本文提出基于非圆齿轮行星传动的栽植机构（以下简称非圆齿轮行星轮系栽植机构），并按不同类型的非圆齿轮（椭圆类非圆齿轮、偏心圆类非圆齿轮、傅里叶类非圆齿轮、巴斯噶蜗线类非圆齿轮）传动进行组合设计，共构成25种不同栽植机构;在分析非圆齿轮副传动特性的基础上，建立了栽植机构的运动学数学模型和动力学数学模型，并编写了运动学和动力学特性辅助分析软件，得到栽植机构的运动学和动力学特性。
　　2)为减少栽植过程中钵苗损伤，提高移栽成功率，以西兰花钵苗为移栽对象，设计正交试验研究不同穴盘规格、不同含水率和不同苗龄西兰花钵苗的机械特性，包括土钵的抗压强度、钵苗相对栽植嘴壁面的摩擦系数和钵苗与栽植嘴碰撞时不回弹的相对速度，分析这些因素对钵苗损伤的影响，采用综合评分法并从经济角度考虑，获得适合西兰花钵苗机械化栽植作业的物理特性:128穴盘、5～6片真叶、含水率50％和128穴盘、2～3片真叶、含水率63％，并为构建栽植作业时栽植嘴的理想姿态和速度提供依据。
　　3)分析栽植作业过程中钵苗与栽植嘴的相对运动，结合西兰花钵苗的物理机械特性和栽植机构的运动学模型，建立钵苗相对栽植嘴的运动微分方程，并编写西兰花钵苗运动辅助分析软件，得到作业过程中西兰花钵苗与栽植嘴之间的相对运动和相互作用力，为栽植机构动力学特性分析的假设条件提供理论依据。结果表明:在进行栽植机构动力学特性分析时，可忽略钵苗的影响。
　　4)以西兰花钵苗物理机械特性为约束条件，并结合栽植农艺要求，建立一个作业循环内栽植嘴理想轨迹、姿态、速度和挖出的穴口形状等运动学特性要求的理论模型。以理想运动学特性要求为目标，根据所建立的栽植机构运动学模型和西兰花钵苗的运动微分方程，建立栽植机构运动学特性多目标参数优化模型;采用matlab遗传算法工具箱对每一种非圆齿轮行星轮系栽植机构进行运动学优化，找到满足理想运动学特性要求的每种栽植机构的参数范围。
　　5)以所建立的栽植机构动力学模型为基础，构建动力学特性评价准则，以运动学的优化结果为约束条件建立动力学特性多目标参数优化模型;同样采用遗传算法进行动力学寻优，得到最佳栽植机构类型及其对应的机构参数:第一级齿轮副为偏心圆类非圆齿轮，第二级齿轮副为椭圆类非圆齿轮，机构参数为栽植嘴的初始安装角θ=114.256°，两级非圆齿轮转动中心连线的夹角γ=30.834°，齿轮3初始相位角α=25.467°，齿轮6初始相位角β=1.375°，太阳轮3偏心圆半径R3=30.916mm，太阳轮3偏心距e3=5.583mm，太阳轮3变性系数m31=1.542，中间轮6椭圆长轴半径A6=30.694mm，中间轮6偏心率K6=0.031，中间轮6变性系数m61=1.26。
　　6)根据优化得到的最佳栽植机构类型及其对应的机构参数，进行栽植装置样机的结构设计和三维模型。研制栽植装置运动学和动力学特性测试试验台，测试空载时栽植装置的运动学（轨迹、速度）和动力学特性，验证所建立的数学模型的正确性;研制栽植装置模拟田间栽植试验台，基于课题组研制的轮胎摩擦驱动旋转式环形土槽进行栽植装置的模拟田间栽植试验，测试株距、栽植深度、栽植嘴张开时刻和西兰花钵苗的穴盘规格、苗龄、含水率对栽植装置田间作业性能的影响。结果表明:当株距在280mm～380mm之间，栽植深度在45mm～55mm之间，选用128穴盘，苗龄为2～3片真叶，含水率为63％的钵苗时立苗率较高，约为95％。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 钵苗移栽机栽植机构的研究进展及存在问题分析

1．1 钵苗移栽机栽植机构研究的意义

1．2 钵苗移栽机栽植机构的研究现状及分析

1．2．1 栽植实现机构及其立苗率和损伤率研究现状及分析

1．2．2 钵苗物理机械特性研究现状及分析

1．2．3 钵苗在栽植嘴中的运动研究现状及分析

1．3 栽植机构的应用趋势

1．4 本论文的研究目的、内容和技术路线

1．4．1 本论文的研究目的

1．4．2 本论文的研究内容

1．4．3 本论文的技术路线

1．5 本章小结

第二章 西兰花钵苗的物理机械特性试验研究

2．1 西兰花钵苗物理机械特性试验设计

2．1．1 西兰花穴盘育苗

2．1．2 材料与仪器

2．1．3 试验设计

2．2 西兰花钵苗土钵抗压强度试验

2．2．1 土钵抗压力—压缩量规律研究

2．2．2 土钵压缩破坏特性研究

2．3 西兰花钵苗与栽植嘴壁面之间摩擦系数测试

2．4 西兰花钵苗的碰撞试验研究

2．4．1 土钵宏观碰撞试验研究

2．4．2 西兰花土钵碰撞微观过程力学分析

2．5 基于综合评分法的适宜机械化栽植西兰花钵苗物理机械特性参数优选

2．6 本章小结

第三章 非圆齿轮行星轮系栽植机构的运动学分析

3．1 高阶变性非圆齿轮传动特性分析

3．1．1 高阶变性非圆齿轮节曲线的生成原理

3．1．2 高阶变性非圆齿轮节曲线封闭条件

3．1．3 非圆齿轮节曲线的曲率半径计算公式及凹凸性的判别公式

3．1．4 非圆齿轮传动的压力角计算公式

3．2 常用高阶交性非圆齿轮副分析计算模型的建立

3．2．1 高阶变性椭圆齿轮及与其共轭的非圆齿轮

3．2．2 高阶变性偏心圆齿轮及与其共轭的非圆齿轮

3．2．3 高阶变性巴斯噶齿轮及与其共轭的非圆齿轮

3．2．4 高阶变性傅里叶齿轮及与其共轭的非圆齿轮

3．2．5 高阶变性正弦齿轮及与其共轭的非圆齿轮

3．3 非圆齿轮行星轮系栽植机构运动学模型的建立

3．3．1 行星轮系各齿轮角位移计算模型的建立

3．3．2 运动学分析符号说明

3．3．3 栽植机构上各点位移方程和各构件角位移方程的建立

3．3．4 栽植机构上各点速度方程和各构件角速度方程的建立

3．3．5 栽植机构上各点加速度方程和各构件角加速度方程的建立

3．4 运动学分析软件的编写

3．5 本章小结

第四章 西兰花钵苗运动微分方程的建立和分析

4．1 钵苗在栽植嘴中的运动分析

4．2 西兰花钵苗碰撞过程中运动微分方程的建立

4．2．1 碰撞位置为土钵上边沿或侧面时的运动微分方程

4．2．2 碰撞位置为土钵下边沿时的运动微分方程

4．3 西兰花钵苗甲而运动过程相对栽植嘴的运动微分方程的建立

4．3．1 碰撞位置为土钵上边沿或侧面时的运动微分方程

4．3．2 碰撞位置为土钵下边沿时的运动微分方程

4．4 西兰花钵苗下滑过程运动微分方程的建立

4．4．1 相对运动动力学的拉格朗日方程

4．4．2 西兰花钵苗运动微分方程的建立

4．5 西兰花钵苗运动分析软件的编写

4．6 本章小结

第五章 非圆齿轮行星轮系栽植机构的动力学分析

5．1 非圆齿轮副受力分析

5．2 非圆齿轮行星轮系栽植机构动力学分析

5．2．1 栽植机构工作过程分析及假设条件

5．2．2 控制栽植嘴启闭的端面凸轮受力分析

5．2．3 栽植嘴的动力学分析

5．2．4 栽植机构行星轮系部分的动力学分析

5．3 非圆齿轮行星轮系栽植机构动力学分析软件的编写

5．4 本章小结

第六章 非圆齿轮行星轮系栽植机构多目标参数优化模型的建立及求解

6．1 非圆齿轮行星轮系栽植机构多目标参数优化方案

6．2 栽植机构理想运动学特性要求

6．3 栽植机构理想运动学特性要求的数学模型建立

6．4 基于matlab遗传算法工具箱的栽植机构运动学多目标参数优化

6．4．1 matlab遗传算法工具箱

6．4．2 设计参数

6．4．3 目标函数

6．4．4 遗传算法寻优

6．4．5 优化结果

6．5 栽植机构动力学参数优化

6．6 最佳栽植机构运动学分析及与其他栽植机构的比较

6．6．1 运动学分析相关数据

6．6．2 运动学分析结果

6．6．3 与其他栽植机构的比较

6．7 最佳栽植机构作业时钵苗运动分析

6．7．1 钵苗运动分析相关数据

6．7．2 钵苗运动分析结果

6．8 最佳栽植机构动力学分析

6．8．1 动力学分析相关数据

6．8．2 动力学分析结果

6．9 本章小结

第七章 非圆齿轮行星轮系栽植装置的试验台研制及栽植试验研究

7．1 非圆齿轮行星轮系栽植装置的试验方案设计

7．2 非圆齿轮行星轮系栽植装置运动学和动力学性能测试试验台设计

7．2．1 非圆齿轮行星轮系栽植装置总体结构设计

7．2．2 非圆齿轮行星轮系栽植装置若干重要零件结构设计

7．2．3 非圆齿轮行星轮系栽植装置三维建模与装配

7．2．4 非圆齿轮行星轮系栽植装置运动学和动力学特性测试试验台

7．3 模拟田间栽植试验台设计

7．3．1 轮胎摩擦驱动旋转式环形土槽工作原理

7．3．2 模拟田间栽植试验台

7．4 非圆齿轮行星轮系栽植装置运动学参数测试

7．4．1 试验设备及步骤

7．4．2 运动学参数测试结果分析及比较

7．5 非圆齿轮行星轮系栽植装置的动力学参数测试

7．5．1 栽植装置动力学试验测定参数及其测定方法

7．5．2 栽植装置动力学试验设备

7．5．3 动力学试验步骤

7．5．4 动力学试验结果与分析

7．6 非圆齿轮行星轮系栽植装置模拟田间栽植试验

7．6．1 基于旋转式环形土槽的栽植装置模拟田间栽植试验步骤

7．6．2 试验方案设计和结果分析

7．7 本章小结

第八章 结论与展望

8．1 结论

8．2 本论文的主要创新点

8．3 进一步研究工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果