缽苗有序拋秧機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì).doc

缽苗有序拋秧機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)摘要本文以鼠籠式有序拋秧機(jī)的杠桿頂出機(jī)構(gòu)和導(dǎo)苗管為研究對(duì)象?，F(xiàn)有鼠籠式有序拋秧機(jī)上秧盤(pán)不能被有效壓緊，會(huì)導(dǎo)致缽苗漏頂，從而影響缽苗的利用率和在田間的株距。針對(duì)這一問(wèn)題，本文對(duì)鼠籠式有序拋秧機(jī)做了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并對(duì)杠桿頂出機(jī)構(gòu)和導(dǎo)苗管的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。主要內(nèi)容和研究結(jié)果如下：(1)對(duì)現(xiàn)有杠桿頂出機(jī)構(gòu)優(yōu)化程序?qū)崿F(xiàn)可視化優(yōu)化，求得最優(yōu)參數(shù)。(2)以秧盤(pán)能被有效壓緊為設(shè)計(jì)目的，對(duì)鼠籠杠桿頂出式有序拋秧機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。原有秧盤(pán)上列間距為1mm，現(xiàn)改為列間距不均勻的排列方式。相應(yīng)的對(duì)壓盤(pán)裝置做了改進(jìn)，在壓桿上增加滾輪，使得秧盤(pán)與壓桿之間改為滾動(dòng)摩擦，減小阻力。(3)以株距均勻性為目標(biāo)，對(duì)缽苗下落過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，根據(jù)拋秧機(jī)的總體結(jié)構(gòu)及實(shí)際工作環(huán)境得出導(dǎo)苗管部分的約束條件，建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，編程得到優(yōu)化結(jié)果，導(dǎo)苗管底圓半徑約為169mm，高度為410mm，導(dǎo)苗管半錐角約19.5。(4)根據(jù)優(yōu)化參數(shù)，對(duì)鼠籠杠桿頂出式有序拋秧機(jī)構(gòu)和導(dǎo)苗裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。(5)總結(jié)全文并提出進(jìn)一步研究的設(shè)想及方法。關(guān)鍵詞：水稻缽苗；拋秧機(jī)構(gòu)；導(dǎo)苗管；壓盤(pán)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(guó)外水稻有序拋秧機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r.11.3國(guó)內(nèi)水稻有序拋秧機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r.21.4研究?jī)?nèi)容和具體方法.8第2章杠桿頂出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和參數(shù)優(yōu)化.92.1杠桿頂出機(jī)構(gòu)的工作原理.92.2杠桿頂出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析.102.3杠桿頂出機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化.112.3.1建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型.112.3.2優(yōu)化計(jì)算.122.3.3優(yōu)化程序界面（GUI）設(shè)計(jì).142.3.4優(yōu)化結(jié)果.15第3章拋秧機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)改進(jìn).163.1秧盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).163.2拋秧裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn).183.3壓盤(pán)裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn).19第4章缽苗下落過(guò)程運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和導(dǎo)苗裝置優(yōu)化.204.1缽苗下落過(guò)程描述.204.2缽苗下落過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析.204.2.1缽苗在空中下落分析.204.2.2缽苗在導(dǎo)苗管上滑行分析.234.2.3缽苗離開(kāi)導(dǎo)苗管后在空中下落分析.254.3導(dǎo)苗管參數(shù)優(yōu)化.274.3.1建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型.274.3.2優(yōu)化計(jì)算和結(jié)果.28第5章導(dǎo)苗管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).30第6章總結(jié)與展望.31參考文獻(xiàn).32致謝.33附錄.錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。缽苗有序拋秧機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(guó)糧農(nóng)組織2000年統(tǒng)計(jì)，全世界在水稻總產(chǎn)量為5.99億噸，超過(guò)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(guó)，稻谷平均單產(chǎn)6.12噸/公頃，是我國(guó)糧食中單產(chǎn)最高的作物，是我國(guó)的主要糧食。水稻種植機(jī)械化對(duì)水稻生產(chǎn)具有非常大的影響，具有關(guān)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(guó)現(xiàn)有水稻種植面積計(jì)算，水稻種植機(jī)械化程度每增加一個(gè)百分點(diǎn)，既可增產(chǎn)稻谷3.7億kg，具有顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)踐表明，水稻種植機(jī)械化作業(yè)可減少勞動(dòng)用工量40，大幅度提高工效；機(jī)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(jìn)水稻種植機(jī)械化，是解決水稻生產(chǎn)勞動(dòng)力短缺問(wèn)題，穩(wěn)定水稻生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)水稻生產(chǎn)節(jié)本增效，提高水稻生產(chǎn)的勞動(dòng)生產(chǎn)率，增加農(nóng)民收入的重要途徑。目前的水稻機(jī)械工藝主要有三種模式：插秧、拋秧和直插。而有序拋秧技術(shù)擁有在種植過(guò)程中，根部無(wú)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(diǎn)和明顯的增長(zhǎng)效果，成了機(jī)械研究人員的熱點(diǎn)2。1.2國(guó)外水稻有序拋秧機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r國(guó)外水稻拋秧栽培技術(shù)最早始于20世紀(jì)60年代的日本。日本學(xué)者先是借鑒甜菜紙筒的育苗原理，開(kāi)始研究采用紙筒培育水稻秧苗的移栽技術(shù)。20世紀(jì)70年代初，日本北海道國(guó)立農(nóng)業(yè)試驗(yàn)場(chǎng)開(kāi)始了紙盤(pán)培育小苗技術(shù)的研究。1975年，日本北海道農(nóng)業(yè)試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)了塑料軟盤(pán)拋秧技術(shù)的研究，研制出拋秧塑料軟盤(pán)。特別是自購(gòu)自營(yíng)模式，規(guī)范化加機(jī)械化收益尤為顯著，是一條致富的捷徑。在培植插秧機(jī)經(jīng)營(yíng)大戶的過(guò)程中，在政策、資金和技術(shù)等方面予以傾斜，并著力推動(dòng)機(jī)插秧服務(wù)市場(chǎng)化和社會(huì)化。要總結(jié)借鑒聯(lián)合收割機(jī)跨區(qū)作業(yè)已形成的好經(jīng)驗(yàn)，利用不同地區(qū)季節(jié)差異，打機(jī)插秧時(shí)間差，提高插秧機(jī)的利用率，引導(dǎo)插秧機(jī)跨區(qū)作業(yè)，增加機(jī)手收入。通過(guò)推廣插秧機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)手致富、農(nóng)業(yè)增效和農(nóng)民增收。創(chuàng)新經(jīng)營(yíng)機(jī)制和技術(shù)路線，促進(jìn)插秧機(jī)推廣進(jìn)入良性循環(huán)。積極鼓勵(lì)單位、集體和個(gè)人投資經(jīng)營(yíng)插秧機(jī)，允許多種模式并存。同時(shí)，對(duì)暫時(shí)以集體名義購(gòu)置的插秧機(jī)，也應(yīng)及早明晰產(chǎn)權(quán)，以塑料育苗軟盤(pán)，可承包租賃，也可改制給個(gè)人。缽苗有序拋秧機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)2經(jīng)過(guò)在不同氣候、不同地點(diǎn)的拋秧試驗(yàn)，證明了水稻塑盤(pán)育苗拋秧栽培是一項(xiàng)使用安全、穩(wěn)產(chǎn)和省力的水稻栽培方法，值得其他國(guó)家和地區(qū)借鑒推廣。此后，尼日利亞、印度和韓國(guó)、中國(guó)都相繼開(kāi)始了拋秧技術(shù)的試驗(yàn)研究和應(yīng)用。20世紀(jì)70年代初，日本北海道曾經(jīng)研制出各種形式的插秧機(jī)和拋秧機(jī)，其中有自動(dòng)6行播秧機(jī)、人工喂入半自動(dòng)l2行插秧機(jī)、自動(dòng)散播機(jī)和人力拖動(dòng)氣力式散拋機(jī)等，當(dāng)時(shí)，這些機(jī)械作業(yè)的速度可以滿足要求，但作業(yè)質(zhì)量較差。1980年，日本將缽盤(pán)育苗與機(jī)插秧技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，研制出樹(shù)脂缽盤(pán)大苗插秧機(jī)，由于機(jī)器結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，加工精度高，投資大，且樹(shù)脂缽盤(pán)價(jià)格昂貴，農(nóng)場(chǎng)主不愿投資，因而選擇了盤(pán)育苗機(jī)插技術(shù)。目前，國(guó)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(shù)，但該技術(shù)在日本未能得到推廣。因?yàn)槿毡窘?jīng)濟(jì)發(fā)展水平高和勞動(dòng)力少，注重農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝配套技術(shù)，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(hào)的插秧機(jī)，以工廠化育秧和機(jī)械插秧取代了拋秧栽培。盡管如此，由于拋秧技術(shù)具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在一些適宜的國(guó)家和地區(qū)仍有著較為廣闊的應(yīng)用前景3-5。1.3國(guó)內(nèi)水稻有序拋秧機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r我國(guó)水稻拋秧栽培在生產(chǎn)上的應(yīng)用經(jīng)歷了試驗(yàn)、示范和推廣幾個(gè)時(shí)期。20世紀(jì)6070年代，拋秧栽培主要充分調(diào)動(dòng)各方面的積極性。在機(jī)插秧試驗(yàn)中，應(yīng)從實(shí)際出發(fā)，通過(guò)推廣機(jī)插秧技術(shù)，真正為農(nóng)民服務(wù)。從目前的試驗(yàn)情況看，影響機(jī)插秧的關(guān)鍵因素是育秧成本過(guò)高、插后大田管理技術(shù)不成熟。所以，要積極探索可行的技術(shù)路線，把機(jī)插成本降至接近或低于人工栽插成本。鹽城市2001年95的機(jī)插秧采用簡(jiǎn)易雙膜育秧方案，使機(jī)插成本降至375元/公頃，與人工栽插育秧成本持平6。同時(shí)，要組織有關(guān)技術(shù)專家認(rèn)真研究近幾年的試驗(yàn)情況，分析機(jī)插水稻全生育過(guò)程的生長(zhǎng)特性，盡快形成比較完善的機(jī)插秧技術(shù)路線，特別是育秧和插后大田管理技術(shù)規(guī)程，以指導(dǎo)今后機(jī)插秧技術(shù)的大面積示范推廣，為早日解決水稻栽插機(jī)械化做貢獻(xiàn)。20世紀(jì)80年代我國(guó)引進(jìn)了日本的拋秧技術(shù)，開(kāi)展了紙筒和塑料軟盤(pán)育秧拋栽試驗(yàn)，并在生產(chǎn)上進(jìn)行了示范，這一階段紙盤(pán)及塑料軟盤(pán)已初步應(yīng)用于水稻育苗拋秧，加上化學(xué)除草劑的推廣應(yīng)用，拋秧技術(shù)也具備了進(jìn)一步發(fā)展的條件。90缽苗有序拋秧機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)3年代以后，我國(guó)改進(jìn)了育苗技術(shù)，采用聚氯乙烯(PVC)片材經(jīng)吸塑制成缽體軟盤(pán)，降低了秧盤(pán)成本，改進(jìn)了育苗拋秧和水田栽培管理技術(shù)，同時(shí)成功研制出了水稻拋秧機(jī)，開(kāi)辟了水稻機(jī)械化的又一條新路。拋秧栽培技術(shù)被列為國(guó)家“九五”農(nóng)業(yè)重點(diǎn)推廣技術(shù)而進(jìn)入迅速發(fā)展階段，1998年我國(guó)水稻拋秧技術(shù)應(yīng)用面積達(dá)到了310多萬(wàn)公頃。我國(guó)關(guān)于水稻缽苗移栽機(jī)械的研究是從20世紀(jì)80年代末開(kāi)始的。1990年延邊農(nóng)學(xué)院研制出第一臺(tái)人力水稻缽苗拋插機(jī)，但因拋秧機(jī)構(gòu)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(nóng)機(jī)研究所研制出PY一3型帶輥式拋秧機(jī)，該機(jī)主要問(wèn)題是拋秧過(guò)程中缽苗受擠壓及摩擦作用碎缽傷苗率超過(guò)20，缽苗入土直立性差。1994年中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制出2ZPY系列旋轉(zhuǎn)錐盤(pán)式拋秧機(jī)，該機(jī)拋秧部件是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)、內(nèi)側(cè)有導(dǎo)秧片的倒圓錐甩盤(pán)，靠錐盤(pán)旋轉(zhuǎn)對(duì)缽苗產(chǎn)生離心力作用拋秧，拋秧高度僅達(dá)到1.51.8m，入土直立性差，倒秧漂秧率高，且對(duì)缽體含水率要求較高，易粘盤(pán)停機(jī)7。1995年12日，北京市農(nóng)機(jī)研究所研制出的PY3型揚(yáng)場(chǎng)式水稻拋秧機(jī)正式通過(guò)行業(yè)專家鑒定，其原理是利用傳動(dòng)帶的高速運(yùn)動(dòng)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(dòng)帶接觸時(shí)受沖擊力大，易損傷秧苗，同時(shí)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(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的氣力式水稻拋秧機(jī)利用氣流拋送原理，使得拋秧高度達(dá)2.53.5m，作業(yè)幅寬達(dá)到3.54.5m，但仍屬于無(wú)序拋秧。近幾年，人們逐步認(rèn)識(shí)到無(wú)序拋秧分布不均、后續(xù)作業(yè)不便的問(wèn)題，開(kāi)始了缽苗有序拋秧機(jī)的研究工作。如南京市農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的2ZU一6型和2ZB79型水稻擺秧機(jī)，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)研制的2SP-6型水稻拋秧機(jī)，但到目前為止還沒(méi)能夠大面積運(yùn)用。哈爾濱市對(duì)該技術(shù)也作了大量實(shí)驗(yàn)研究，但大部分是由于地塊、地勢(shì)、資金、人員素質(zhì)等因素，有所突破，也有所局限，但發(fā)展趨勢(shì)仍不太樂(lè)觀。我國(guó)目前的有序拋秧機(jī)型有較多種類，如氣吸式、氣吹式、氣流吹送式、分拋輪式、機(jī)械手式、振動(dòng)式，現(xiàn)介紹幾種如下：缽苗有序拋秧機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)4(1)對(duì)輥式拔秧機(jī)構(gòu)由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院研制的2ZPYH530型水稻缽苗行栽機(jī)，采用對(duì)輥式拔秧機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了水稻穴盤(pán)育苗的自動(dòng)拔秧。2ZPYH530型水稻缽苗行栽機(jī)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(pán)通過(guò)人工放在托板上并喂入到輸秧輥上。拔秧輥按一定傳動(dòng)比帶動(dòng)輸秧輥轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)上下拔秧輥的夾秧板對(duì)接時(shí)，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(dòng)其一起運(yùn)動(dòng)，最后使得缽苗與育秧盤(pán)脫離；當(dāng)上下拔秧輥轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后夾秧扳松開(kāi)，缽苗落入導(dǎo)苗管，完成拔秧工作。研究者以取秧時(shí)的秧苗傾角為目標(biāo)函數(shù)建立了秧苗拔取過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，對(duì)此機(jī)型的自動(dòng)輸秧拔秧機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。對(duì)水稻秧苗抗拉力學(xué)特性及穴盤(pán)拔秧性能的力學(xué)試驗(yàn)研究表明，水稻從育秧穴中拔出來(lái)所需承受的