基于模态的玉米收获机车架振动特性分析与优化

为研究玉米收获机车架振动特性及其优化方法,该文通过振动测试与模态分析方法,分析车架田间振动特性,并以提高1阶扭转频率为目标优化车架结构。首先,通过有限元建模及模态分析,提取车架固有频率与振型,其次,通过整机田间振动试验,获取车架4个测点处振幅统计特征及功率谱,分析其对车架振动特性的影响,最后,研究车架壁厚和刚度与固有频率的关系,以提高车架1阶扭转频率为目标优化车架。研究结果发现,测点振幅大小依次为:车架后桥上方、发动机横梁位置、发动机纵梁位置、车架前桥上方,其中车架后桥上方振幅已超过发动机振幅,发生共振;模态振型与田间振动试验对比发现,1阶扭转和2阶弯曲模态对车架振动影响较大,引起车架共振主频为9.79 Hz,接近1阶扭转共振频率;发现优化后车架1阶扭转振型位移由7.778下降到3.768,1阶弯曲振型位移由6.83下降到3.651,显著改善了车架振型,1阶扭振频率由15.9927提高到22.4595 Hz,提高车架1阶扭转频率。田间耐久试验表明优化后车架无故障时间由20提高到60 h。该研究可为农机装备的振动特性分析与减振设计提供参考。     

玉米起茬机构的强度及振动特性分析与试验

玉米地膜污染治理中,玉米根茬较大、根系中大量气生根与地膜穿插在一起,致使玉米地膜回收较为困难,该文设计采用圆盘式起茬机构将玉米根茬起出,进行地膜回收,可有效解决玉米大根茬影响地膜回收的问题。但在双圆盘起茬过程中,田间地面不平引起的随机激励和圆盘刀等激励产生的振动频率接近起茬机构固有频率时,将引起共振加速,影响整机结构动态特性与可靠性。采用振动测试与模态分析方法,分析起茬机构田间振动特性,避免机构的共振影响起茬工作。首先,进行模态分析,提取机构固有频率与振型;其次,通过整机田间动态信号测试,进行动态数据采集分析,每个测点的振动响应进行快速傅里叶变换的频谱分析,测点位置的主要振动频率为19.53 Hz,与模态分析的一阶固有频率38.176 Hz相差较大,不在同一频率范围内,机构不会产生共振现象发生。根据胡克定律在一定的比例极限范围内应力与应变成线性比例关系,对田间动态数据进行计算得到机构的受力情况,计算受力最大处的测点4应力为227.94 MPa,小于普通炭钢的屈服强度为235 MPa,满足强度要求。该研究可避免起茬装置的共振发生,可为农机装备的振动特性分析与强度设计提供参考。     

基于振动机理的藜蒿扦插机分苗机构设计与试验

目前,藜蒿栽植主要依靠人工扦插。分苗装置是实现藜蒿机械化扦插的关键部件,为实现藜蒿苗杆的有序进给,该文设计了一种基于振动机理的藜蒿扦插机分苗装置。在分析振动式分苗装置振动机构-曲柄滑块机构运动分析基础上,利用Matlab优化了振动式分苗装置的结构参数,即当该曲柄摇杆机构的连杆、摇杆分别取499 mm、273 mm时,机构达到最好传力效果。利用Ansys对分苗装置的振动特性进行了模态分析,为防止弹簧钢板变形,振动频率应小于98.66 Hz。而后,以曲柄长度、振动频率、轨道倾角为试验因素,开展了藜蒿分苗装置的试验研究。极差分析结果表明,试验台倾角对分苗合格率影响较大,振动频率次之,偏心距影响最小,优化组合为：振动频率36 Hz、轨道倾角6°、曲柄长度14 mm,此优化组合参数下藜蒿苗杆分苗合格率可达86.3%。该研究工作实现了藜蒿苗杆的机械化分苗,为藜蒿扦插机械的进一步研究提供了参考。     

基于振动机理的藜蒿扦插机分苗机构设计与试验

目前,藜蒿栽植主要依靠人工扦插。分苗装置是实现藜蒿机械化扦插的关键部件,为实现藜蒿苗杆的有序进给,该文设计了一种基于振动机理的藜蒿扦插机分苗装置。在分析振动式分苗装置振动机构—曲柄滑块机构运动分析基础上,利用Matlab优化了振动式分苗装置的结构参数,即当该曲柄摇杆机构的连杆、摇杆分别取499 mm、273 mm时,机构达到最好传力效果。利用Ansys对分苗装置的振动特性进行了模态分析,为防止弹簧钢板变形,振动频率应小于98.66 Hz。而后,以曲柄长度、振动频率、轨道倾角为试验因素,开展了藜蒿分苗装置的试验研究。极差分析结果表明,试验台倾角对分苗合格率影响较大,振动频率次之,偏心距影响最小,优化组合为:振动频率36 Hz、轨道倾角6°、曲柄长度14 mm,此优化组合参数下藜蒿苗杆分苗合格率可达86.3%。该研究工作实现了藜蒿苗杆的机械化分苗,为藜蒿扦插机械的进一步研究提供了参考。     

油菜基质块苗移栽机取苗装置设计与试验

针对油菜基质块苗机械化移栽过程中,缺乏取苗装置完成栽植作业的生产现状,该研究设计了一种油菜基质块苗移栽机取苗装置。取苗装置的工作过程包括:气动分苗及对辊取苗2个阶段,确定了取苗装置稳定运行的工作参数,构建了移栽过程中气动分苗阶段和对辊取苗阶段的运动学模型。开展了同步带线速度、载苗台安装角度、辊轮线速度对取苗成功率、取苗同步率影响的二次旋转正交组合试验。结果表明:同步带线速度为120.9 mm/s、辊轮线速度为238.2 mm/s、载苗台角度为31.9°时取苗效果较优。较优参数组合条件下,台架试验的取苗成功率为93.42%,取苗同步率为94.42%,田间试验的取苗同步率为92.71%,满足油菜基质块苗移栽机取苗技术要求。研究结果可为油菜基质块苗移栽机取苗装置的结构改进提供参考。     

蔬菜穴盘苗插入顶出式取苗装置研制

针对蔬菜穴盘苗自动取苗装置结构复杂、取苗性能差等问题，该研究综合顶出式取苗与插入夹持式取苗的优缺点，设计了一种插入顶出式取苗装置。首先对钵苗顶出过程进行受力分析，对抛出后的钵苗进行运动过程分析，得出造成顶出式取苗的钵苗翻滚的影响因素，提出插入顶出式取苗结构的优化目标，然后对送盘机构、插入顶出式取苗机构进行受力分析和参数优化。以辣椒钵苗为试验对象，选取苗龄、钵体含水率和取苗频率为影响因素，以取苗合格率、基质损失率和伤苗率为指标进行正交试验。试验结果表明：苗龄30 d、基质含水率60%、取苗频率120 株/min时，取苗成功率为97.22%，基质损失率为18.06%，伤苗率为1.39%，取苗效果最佳。以苗龄25 d的甘蓝和花椰菜苗进行不同蔬菜作物取苗验证试验，取苗合格率分别为93.75%和95.14%，基质损失率分别为17.21%和16.67%，伤苗率分别为4.17%和3.47%，满足蔬菜穴盘苗全自动移栽机取苗作业要求。研究结果可为蔬菜穴盘苗全自动移栽机的设计和作业参数优化提供参考。     

玉米收获机割台振动特性及其主要影响因素分析

针对收获机械割台振动剧烈、故障率较高等问题,研究了割台动态振动特性及其影响规律。以4YZP-3XH-1型玉米联合收获机割台为研究对象,首先建立了割台机架有限元模型并计算其自由模态,研究了割台模态试验方法,利用特征实现算法识别其模态参数;其次,利用模态试验验证了有限元模型的准确性和可靠性,在此基础上,计算获取割台机架的约束模态;再次,利用时域和频域方法分析振动时域信号,获得怠速、运输和田间收获工况割台的振幅分布特征、主振方向和频率分布规律;最后,研究了割台振动的影响因素及其振动主频与模态参数之间的对应关系,指出了振动频率激起模态振型的规律。研究结果表明,割台机架第1阶试验模态频率为27.260 Hz,第2~10阶模态频率范围为34.311~126.035 Hz,模态振型以弯曲振型和扭转振型为主,割台主轴(28.77 Hz)、切碎刀(29.63 Hz)、还田机(43 Hz)等工作频率均落入其前10阶约束模态频率内;在怠速、运输和田间收获作业工况下,工作部件运行工况相较于仅发动机工作,2种模式下割台振幅相差1个数量级;引起割台振动的主要因素为:发动机的2阶发火频率(76.25 Hz),割台主轴、切碎刀、搅龙、拨禾链、还田机等工作部件的耦合振动,以及道路激励(1.5、2.5 Hz)。对比割台约束模态与振动频率,发动机2阶发火频率引起割台弯扭组合振型,道路激励引起整体振动,割台主轴(28.77 Hz)和切碎刀(29.63 Hz)振动频率激起割台机架的一阶弯曲振型,还田机(43 Hz)振动频率激起割台的扭转振型。研究结果可为收获机械割台模态试验与振动特性分析、对标设计和优化提供参考。     

有序抛秧振动输送机构的模态分析与试验研究

该文提出了一种有序抛秧机的振动输送机构,通过分析,建立了振动输送机构的有限元模型,用有限元分析软件进行了模态分析计算,并进行了模态试验,仿真计算结果与试验基本一致。通过模态分析,对振动输送机构进行优化设计,振动输送频率可取小于19.12 Hz的值,为防止振动板面的局部振动过大对钵苗输送与分秧的影响,通过改变振动输送板的参数使振动板其它几阶固有频率远离其第一阶固有频率,使振动输送机构达到均匀输送和分秧。     

全自动移栽机取送苗系统的设计与试验

针对目前全自动移栽机取送苗环节伤苗率高、取送苗机构运动轨迹复杂和效率低等问题,该文设计了一种全自动移栽机取送苗系统。该试验装置采用钵苗盘移位机构实现钵苗盘纵向、横向移动,集排式顶苗机构和取苗机构完成对钵体苗的顶出、夹取,接苗机构、拨苗机构、输苗机构和落苗机构等将钵盘中取出的苗输送至栽植器,整个系统作业过程中所有动作均由PLC控制气压缸和液压马达完成。通过理论分析和MATLAB仿真求解,并进行单因素试验验证,得到针对辣椒苗顶苗机构驱动气缸和苗夹夹片开合气缸最佳工作气压分别是0.4、0.25 MPa。对取苗频率、输送苗速度、移栽机前进速度理论分析得到三者之间的函数关系,进而对这3个因素水平进行优化,得到4组最佳因素水平组合并进行了多指标正交试验。试验结果表明:当取苗频率为7次/min、输送苗速度为42 m/min、移栽机前进速度为20 m/min时,该系统取送苗质量最佳,此时移栽漏苗率为2.4%、重栽率1.1%、倒伏率1.3%、伤苗率1.7%和取送苗合格率96.7%。该研究为移栽机自动化取苗提供了参考。     

顶钵-夹茎组合式取苗装置设计与试验

针对现有钵苗自动移栽技术中,夹钵式取苗方式受钵体强度及盘根性差异影响易导致钵体破损,降低取苗成功率,夹茎式取苗方式受茎秆强度及钵体与穴盘之间黏附力影响易造成伤苗、钵体不能取出等问题,该研究提出了一种顶钵-夹茎组合取苗方式,并进行了结构设计、装置试制与试验优化。对辣椒穴盘苗茎秆和钵体力学特性进行了测试,得到茎秆拉伸和径向压缩力学特性,及钵体拉拔与压缩力学特性,并建立了顶钵-夹茎组合式取苗装置在顶与夹过程中钵体和茎秆的受力模型,对取苗装置关键参数进行了设计。搭建试验台架,以“中农绿亨线椒363”穴盘苗为对象,以钵体含水率、取苗频率和顶钵高度为影响因素开展正交试验,结果表明经顶钵-夹茎取苗后的穴盘苗生长状态良好,确定最优水平为含水率45%,取苗频率60株/min,顶钵高度10 mm,该条件下钵体破损率为1.98%,取苗成功率为98%。田间试验表明平均取苗成功率为93.05%,株距合格率为88.17%。研究可为辣椒、番茄等旱地作物穴盘苗移栽技术改进优化提供参考。     

苗盘钵苗自动识别及控制装置的设计与试验

针对全自动移栽机在田间作业中,因苗盘的钵苗格缺苗而导致的漏栽问题,研制了一种苗盘钵苗自动识别及控制试验装置。该试验装置采用单苗爪取苗,步进电机驱动钵苗盘纵向和横向移动,光电传感器作为钵苗识别装置,由可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)为控制核心,触摸屏作为人机界面,可适应不同规格的苗盘参数,可选择对该装置进行手动或自动控制。试验结果表明,该装置可有效地对钵苗格是否缺苗进行自动识别,并控制苗盘输送装置,使缺苗的钵苗格快速跳过取苗爪,提高取苗爪的抓取效率,以降低漏栽率;相对于没有采用钵苗自动识别的移栽模式,该系统漏栽率整体降低了约12%。该研究可为全自动移栽机的进一步自动化智能化设计提供参考。     

辣椒穴盘苗自动移栽机设计与试验

针对新疆广泛应用的半自动辣椒移栽机效率低、劳动强度大的问题,该研究设计了一种辣椒穴盘苗自动移栽机。整机主要由全自动取投苗系统与栽植机构组成,采用整排取苗再分苗投苗的方式,实现128(16列×8行)穴辣椒穴盘苗的自动取苗、投苗。在分析现有移栽机结构和工作原理的基础上,确定了辣椒穴盘苗自动移栽机的整体结构,完成了全自动取投苗系统的关键参数设计;制定了全自动取投苗系统的气动回路方案,并基于Fluid SIM软件进行仿真及优化。采用平均苗高166.7 mm的辣椒苗,以取投苗成功率,栽植频率,株距变异系数,倒伏率为评价指标进行田间试验。试验结果表明:在工作气压0.4 MPa及移栽机作业速度1.4～1.7 km/h时,平均取投苗成功率为97.07%,栽植频率为123株/min,倒伏率1.67%,株距变异系数为3.67%,各项性能指标均满足辣椒穴盘苗移栽的农艺要求。该研究可为自动化移栽机的研究提供参考。     

番茄钵苗移栽机自动取苗装置作业参数优化与试验

针对新疆地区番茄移栽机械自动化程度低、劳动强度大、作业效率低等问题,该文分析了一种番茄钵苗自动取苗装置的夹苗器凸轮运动过程,得到了凸轮运动过程参数,结合钵苗取苗作业要求搭建取苗试验台,对自动取苗装置主要工作参数进行优化。以适栽期番茄钵苗为试验对象,利用自动取苗试验台进行单因素试验。进一步结合理论分析及单因素试验,选取苗针长度、苗针开度、取苗频率为影响因素,以伤苗率、漏苗率和取苗成功率为评价指标进行三因素三水平二次旋转正交组合试验,通过Design-Expert.V8.0.6软件,得到理论最优参数组合:苗针长度198 mm,苗针开度19 mm,取苗频率57株/min,此参数组合下伤苗率为3.91%,漏苗率为1.56%,取苗成功率为94.69%。在自动取苗试验台上进行验证试验,取苗装置伤苗率为3.44%,漏苗率为1.72%,取苗成功率为94.38%,与优化结果基本吻合,验证了所建模型与优化参数的合理性。田间取苗试验伤苗率为3.65%,漏苗率为2.08%,取苗成功率为94.27%。田间试验取苗成功率与优化结果的误差为0.44%,表明取苗装置抗干扰能力较强。该研究结果可为番茄全自动移栽机取苗装置的结构改进和作业参数控制提供参考。     

夹茎式番茄钵苗取苗机构设计与试验

为避免取苗机构在夹取钵苗过程中对钵体与根系造成损伤，该研究针对夹茎取苗方式，提出一种基于二阶椭圆齿轮行星轮系以及凸轮摆杆机构的夹茎式番茄钵苗取苗机构。依据二阶椭圆齿轮传动特性与机构工作原理，建立机构运动学理论模型，并对凸轮轮廓曲线进行设计，结合番茄钵苗取苗作业要求及机构特点，基于MATLAB软件开发机构分析软件对机构参数进行优化，并进一步分析优化后取苗轨迹与凸轮各工作段的对应位置关系，建立了夹茎式取苗机构虚拟样机模型，利用ADAMS软件对取苗机构运动过程进行仿真分析，验证机构参数优化结果及零部件结构设计的准确性与合理性。试制取苗机构物理样机开展高速摄影试验，通过对比分析实际工作轨迹与理论分析及仿真轨迹的一致性，验证了取苗机构设计的正确性。搭建自动取苗试验台进行取苗试验。试验结果表明，取苗机构工作性能可靠、稳定，取苗频率为80株/min时，取苗成功率为92%，投苗成功率为94.2%，伤苗率为2.9%。研究结果可为番茄钵苗全自动移栽机自动取苗机构的研发提供参考。     

穴盘苗移栽机自动取喂系统的设计与试验

该文针对新疆地区吊篮式移栽机手工喂入效率低的问题,设计了穴盘苗移栽自动取喂系统。该系统采用穴盘步进移位机构提供穴盘的横向和纵向移位,由翻转摆位式取苗机械手进行取苗和穴盘苗的转移,利用柔性链输送喂入机构对穴盘苗逐个投放,能够对穴高45 mm、上边宽31.75 mm、下边宽13 mm的吸塑成型的软穴盘苗进行自动取苗并向两个栽植器投苗。整个系统由PLC（programmable logic controller）程序控制,采用气压驱动,工作气压0.5～0.8 MPa,耗气量60.65 L/min,单组取喂系统结构独立,质量小于110 kg,不增加原有移栽机地轮负荷,即能与新移栽机配套生产,也能对现有移栽机进行自动化改造。系统中穴盘步进移位机构在柔性链输送喂入机构的侧上方倾斜放置,使穴盘上表面与水平面的夹角105°,缩小了机器水平占用空间。采用苗龄58 d的"红安6号"辣椒苗进行室内取苗试验,试验结果显示,系统取喂苗总可靠率达98.92%,平均基质损失质量9.26%,取喂速度达70株/min,未见明显伤苗,能够满足设计要求。     

油菜基质块苗移栽机对辊式取苗装置设计与试验

针对油菜基质苗移栽机栽植频率低和落苗稳定性差的问题,该研究对对辊式油菜基质块苗取苗装置进行分取苗联动结构改进与性能试验。结合基质块苗移栽机作业特点及栽植农艺要求,开展了取苗栽植过程稳定性分析,确定了取苗装置稳定运行的结构及工作参数。以适栽期油菜载苗基质块为对象,进行了单因素台架试验,并开展了载苗台角度、辊轮底端直径、辊轮转速对取苗成功率和取苗同步率影响的三因素三水平二次正交组合试验。结果表明：载苗台角度为30.7°、辊轮底端直径为26.4 mm、辊轮转速为2.2 r/s时取苗效果较优,台架试验的取苗成功率为94.62%、取苗同步率为95.35%;田间试验的取苗成功率为89.84%、同步率为92.01%,满足油菜基质块苗移栽机作业性能要求。     

番茄钵苗整排取苗手定位的模糊PID控制

为解决自动移栽机作业过程中由于机械手定位误差导致的抓取失败、伤苗及漏苗问题,实现整排取苗机械手准确快速定位,该文采用模糊PID控制算法实现自动取苗机械手的步进定位控制。根据整排取苗试验平台分析了机械手水平和竖直方向的定位精度需求,以两相混合式步进电机为对象建立步进电机角速度控制模型,设计模糊规则,建立模糊PID控制器,通过对误差及误差变化率的在线修正,来满足不同误差和误差变化率情况下的控制要求。应用MATLAB/Simulink进行系统仿真,从超调量、响应时间和稳定性指标验证了控制方法的可行性;以单位阶跃信号作为激励,分析PID和模糊PID的控制效果,结果表明:通过固定参数PID仿真分析,获得系统最优PID参数为KP=20,KI=0.2,KD=1,达到稳态所需的时间为0.285 s。在此参数下,模糊PID控制达到稳态所需时间为0.25 s,响应速度优于固定参数PID控制,系统无超调。固定参数PID和模糊PID控制加入扰动后的控制效果分析表明,模糊PID控制系统超调量为40%,达到稳态所需时间为1.34 s,均明显小于固定参数PID控制43%和1.45 s,表明模糊PID在具有扰动的环境中控制效果明显优于固定参数PID控制,步进电机系统快速响应,控制稳定。系统试验结果,模糊PID控制算法的最大误差为2.8 mm,定位平均相对误差为0.81%,定位准确度高,可以满足机械手水平定位精度要求。     

自动补苗装置精准定位自适应模糊PID控制

为实现补苗装置精准定位控制,解决自动移栽作业过程中因穴盘缺苗和取苗投苗失败而导致的漏栽问题,采用自适应Fuzzy-PID控制算法来实现钵苗输送的步进定位控制。构建了步进电机角速度控制传递函数的数学模型,设计了自适应Fuzzy-PID控制器及其模糊规则,通过MATLAB的Simulink模块建立了基于模糊PID控制器的步进电机系统角速度控制模型,以阶跃信号作为激励信号,自适应模糊PID控制和PID控制的仿真试验表明:PID控制的响应时间为7 s,出现超调量为0.1的振荡,通过调整PID控制器参数增大比例系数,系统响应时间缩短为2.2 s,系统响应速度明显加快,且未出现振荡环节;自适应模糊PID的响应时间为0.12 s,步进电机系统快速到达阶跃响应的稳态值,步进电机角速度控制稳定,角速度响应快,满足钵苗输送的定位要求。自动补苗试验结果表明:在植苗频率为40、50与60株/min时,补苗成功率分别为100%,100%、95.8%,且只要光纤传感器检测到漏苗信号,基于自适应Fuzzy-PID控制的步进电机系统快速响应,补苗控制系统都能准确及时地进行自动补苗。该研究可为解决自动移栽机田间作业的漏栽问题提供参考。     

基于模态置信度准则的插秧机支撑臂模态分析与结构优化

针对高速插秧机栽插机构动力传输过程中的振动问题,该文以2ZG-6DK插秧机为研究对象,分析了栽插系统动力传输方式及工作原理;利用Solid Works软件对插秧机动力传输系统中关键部件支撑臂进行建模,将模型导入ANSYS Workbench并结合Lanczos Method解算方法求解模态固有频率和振型,在此基础上开展基于MAC(modal assurance criterion)准则优化的模态试验,验证了有限元理论分析的准确性。为使支撑臂固有频率避开外部激振频率,在分析外部频率激振特点的基础上,基于ISIGHT多学科软件平台,采用序列二次规划法对支撑臂结构参数进行优化。研究结果表明:优化后支撑臂侧壁腔体厚度5.7 mm、横梁宽度42.0 mm、臂长497.0 mm,前4阶模态频率分别调整至135.17、204.23、483.14和702.32 Hz,均可避开插秧机汽油发动机激振频率范围86.67~120 Hz。优化后1阶频率下振动幅度衰减最为明显,振动幅值最高下降9.4%,支撑臂低频振动特性得到明显改善。研究结果可为插秧机的振动特性分析与减振设计提供参考。