拱棚自动插架装置设计与试验

目前建造拱棚主要以手工为主,为了提高其机械化、自动化水平以及建造拱棚的效率,该文设计与研制了拱棚智能插架覆膜机的拱棚自动插架装置。基于拱棚搭建的入土深度、棚架宽度、棚架高度等技术要求和曲柄存在的条件,对其关键部件曲柄滑块机构和弯折手臂进行结构设计与优化。当曲柄的长度为230 mm,连杆的长度为220 mm,偏心距为220 mm时,达到最好的传力效果和运动效率;同时对曲柄滑块机构进行运动分析,确定插架作业时曲柄的初始角度和最大位置角度分别为132°和30°;设计弯折手臂使棚杆变弯,确保棚杆垂直入土;然后基于ANSYS分析拱棚抗风性能,当棚度架宽与棚杆长度的比值在0.60~0.66之间时,拱棚抗风性最强;最后通过田间试验测量分析棚架平均宽度、棚杆平均入土深度和棚架平均高度分别为93.85、15.23和56.19 cm,获得棚架高度、棚架宽度的稳定系数均为99%。装置插架效果满足农艺需求,进一步验证了装置设计的正确性和方案的可行性。研究结果可为实现拱棚的自动插架覆膜机研制提供理论基础。     

拱棚双插架覆膜一体机的设计与试验

为适应部分地区蔬菜水果拱棚种植模式,解决传统小拱棚手工搭建劳动强度大且效率低的问题,该研究设计了一款小拱棚单列双插架覆膜一体机,主要由自动进杆装置、双插架装置、覆膜装置及行进装置组成,设定插架间距与插架数量等工作参数,小拱棚单列双插架覆膜一体机实现自动进杆、双插架和覆膜一体化作业。以进杆成功率和进杆时间为衡量自动进杆作业指标,以拨轮半径、杆槽高度、顺杆板长度为试验因素,对进杆过程中的棚杆受力和运动状态进行分析和计算,确定试验因素的范围,并进行仿真试验确定最佳进杆装置结构参数。田间试验表明:小拱棚单列双插架覆膜一体机以最大速度1.2 km/h作业时,进杆成功率为94.1%,插架成功率为89.3%,拱棚覆膜率为100%,薄膜破损率为1.1%,平均插架间距为1 190 mm,平均插架宽度为1 050 mm,平均插架深度为200 mm,两侧插架深度平均偏差为30 mm,平均覆土厚度为80 m。小拱棚单列双插架覆膜一体机可实现小拱棚搭建的机械化和自动化作业,满足小拱棚插架覆膜要求。     

非圆齿轮-连杆组合传动式蔬菜钵苗移栽机构设计

针对现有的单行星架轮系机构无法实现取栽一体式蔬菜移栽机构所需的作业轨迹和姿态问题,该文基于曲柄摇杆机构的变速摆动和非圆齿轮的不等速传动特性相结合的思想,提出一种双行星架非圆齿轮与连杆机构组合传动的取栽一体式蔬菜钵苗移栽机构。该机构的副行星架相对主行星架作变速摆动,移栽臂相对副行星架作回转运动。采用三次非均匀B样条拟合非圆齿轮节曲线建立移栽机构运动学模型。结合西芹移栽株距220 mm、苗高100～150 mm和穴钵深度40 mm的移栽农艺要求,优选出一组适合西芹钵苗取栽一体作业的尖嘴形轨迹和姿态。轨迹取苗段长度33 mm,植苗点距离行星架壳体运动最低点距地面高度55 mm,取苗角23°,取苗过程变化角16°,推苗角65°,轨迹整体高度355 mm,动轨迹环口高度125 mm。通过对比分析仿真轨迹、试验轨迹与理论分析的轨迹基本一致,验证了移栽机构作业轨迹的正确性和设计方案的可行性,该研究可为实现兼顾轨迹高度、取苗深度和作业姿态的取栽一体式蔬菜钵苗移栽机构设计提供技术参考。     

非圆齿轮行星轮系自动取苗机构逆向设计分析

单自由度传动机构实现复杂轨迹和姿态要求是机构设计难点,该文针对穴盘苗取苗机构运动要求开展非圆齿轮行星轮系传动机构的逆向设计研究,提出基于输出构件相对转角单调性的机构可再现轨迹判定准则,对于给定的预期轨迹,通过相对转角曲线的单调性判断非圆齿轮行星轮系传动的适用性;在预期轨迹的规划上研究轨迹关键点的设置方法以利于非圆齿轮的传动比设计,给出在满足机构工作轨迹和姿态要求下轨迹型值点的确定流程,编写机构的设计软件确定一组机构参数,通过ADAMS进行了机构仿真验证。研究结果表明,轨迹与送钵装置最小距离为21 mm,取苗尖嘴宽度为2.07 mm,尖嘴倾角为136.4°,取苗臂在入钵段摆角为24.3°,出钵段摆角为3.6°,投苗角为76°,齿轮模数为2.53 mm,轨迹高度为285 mm,轨迹最低位置与行星架最低点距离为34 mm,单级非圆齿轮最大传动比降为1.81,该研究为非圆齿轮行星轮系传动的设计提供了参考。     

用于番茄果秧分离的多组非圆行星轮系振动发生器设计

针对现有用于番茄果秧分离的双偏心块振动发生器运动参数易受载荷影响、分离滚筒易堵塞以及前期研究的单组非圆行星轮系振动发生器传动部件载荷不均衡等问题,设计了一种三组非圆行星轮系振动发生器。对双偏心块式振动发生器驱动下分离滚筒的运动进行了分析,获取了分离滚筒拟合角位移、角速度曲线,并将其作为三组非圆行星轮系振动发生器的输出目标曲线。通过建立非圆齿轮传动比方程以及节曲线方程,确定了三组非圆行星轮系振动发生器非圆齿轮的基本参数。搭建了分离滚筒运动测试试验台,利用高速摄像系统在振动发生器输入转速为111 r/min,高速摄像系统帧率为800帧/s的参数条件下获得实测角位移、角速度,通过MATLAB软件获取了分离滚筒在三组非圆行星轮系振动发生器驱动下的角位移和角速度拟合曲线,并分别与对应的仿真曲线和目标曲线进行对比分析,结果表明:试验角位移和角速度曲线与仿真及目标曲线基本吻合。验证了非圆行星轮系振动发生器设计的合理性。通过ADAMS获取了三组和单组非圆行星轮系振动发生器的齿面接触力,通过对比分析,发现单组非圆行星轮系振动发生器的齿面接触力变化范围为0~200 000 N,三组非圆行星轮系振动发生器齿面接触力为0~125 N,验证了三组相对于单组非圆行星轮系振动发生器更加均衡的特性。该研究为多组非圆行星轮系番茄果秧分离振动发生器的开发提供参考。     

行星轮系滑道式钵苗栽植机构设计与参数优化

直立度是钵苗移栽作业质量的重要评价指标,目前存在栽植机构容易造成钵苗倾斜影响栽植直立度下降,导致钵苗成活率降低的问题,针对这一问题,该文结合钵苗种植的农艺要求,以番茄钵苗物理特性为依据,提出了栽植机构的设计要求,设计了一种行星轮系滑道式栽植机构。该机构通过行星轮系和滑道的配合,以打穴放苗的方式完成钵苗栽植,并对该机构的作业过程进行分析,建立了机构的运动学模型。基于Matlab编写了栽植机构辅助分析优化软件,对机构的栽植轨迹和结构参数进行优化,得到了一组满足钵苗栽植农艺要求的最优结构参数组合:太阳轮半径R0=20 mm、中间轮半径R1=15 mm、行星轮半径R2=10 mm、连杆BC的长度L1=100 mm、栽植臂上DC杆的长度L2=150 mm、栽植臂上CF杆的长度L3=80 mm、栽植器FG的长度L4=140 mm、滑道DE上E点到坐标原点O的距离L5=100 mm、行星架OB的初始安装角α0=45°、连杆BC与X轴方向上的夹角α1=148°、栽植臂上杆DC与杆CF的夹角β=176°、滑道DE与X轴方向上的夹角θ=108°。在此组合下,完成了对栽植机构的结构设计和虚拟装配,并导入ADAMS中进行机构的虚拟运动和仿真分析,验证了机构设计的合理性和准确性。依据优化所得参数生产了物理样机,并以钵苗直立度为主要检测指标进行了田间试验。试验结果表明:在机组前进速度450 mm/s,栽植频率74株/min时,钵苗移栽直立度较高,优良率为94%,满足栽植性能要求。研究结果可为蔬菜钵苗移栽机栽植机构的设计提供参考。     

自动避障式葡萄藤防寒土清土机研制

针对目前葡萄藤防寒土清土机自动化程度低、清土不彻底和易伤藤等问题,该研究基于多体动力学软件RecurDyn和离散元软件EDEM耦合仿真的方法,面向中国北方砂壤土地区葡萄园内的葡萄藤防寒土清除,提出采用柔性刷子与橡胶组合的清土作业部件,并设计了一种自动避障式葡萄藤防寒土清土机,主要由机架、避障摆动机构、避障信号采集机构、控制器、清土部件、挡土板、传动部件和限深轮等部分组成,在机具前进作业过程中,通过触杆感知自动避开水泥柱,并将葡萄藤上覆盖的防寒土清除干净。采用耦合仿真试验,模拟整机避障清土的作业过程,以机具前进速度、避障油缸速度、清土部件转速和触杆转动角度阈值为试验因素,以土壤清除率为试验指标,进行四因素二次回归正交旋转中心组合模拟试验,采用Design-Expert软件对试验数据进行回归显著性分析,确定了对试验结果影响显著的因素,以土壤清除率最大为优化目标,获得了机具的最佳作业参数组合:机具前进速度0.43 m/s、避障油缸速度60 mm/s、清土部件转速550 r/min、触杆转动角度阈值10°,此时仿真优化的土壤清除率为54.65%。加工物理样机并进行田间验证试验,得到田间试验的土壤清除率为59.73%,与仿真试验的土壤清除率相对误差约为8.50%,田间试验结果与仿真优化结果基本一致,满足自动避障式葡萄藤防寒土清土作业要求。研究结果可为触土机具避障机构的整体设计及优化提供理论依据和技术支撑。     

油菜直播组合式埋茬防堵装置设计与试验

针对长江中下游地区油菜机械化种植时土壤黏重板结、前茬秸秆留茬高、残留量大,致使油菜直播机旋耕及深施肥部件易出现秸秆缠绕、壅土堵塞等问题,导致秸秆埋覆率低、种床厢面起伏不平,影响种床质量的生产现状,该研究设计了一种适用于高茬黏重稻茬田的油菜直播机组合式埋茬防堵装置。该装置主要包括埋茬弯刀和双刃旋耕刀,刀片在筒状刀轴上整体呈人字型排布,通过埋茬弯刀和双刃旋耕刀配合作业,可防止旋耕及深施肥部件秸秆缠绕和黏附堵塞,实现黏重土壤细碎、高茬秸秆埋覆和厢面平整。开展理论分析与EDEM仿真,确定了埋茬弯刀回转半径为245 mm,正切面弯折线角为27 °、弯折角为125 °,作业幅宽为75 mm,防堵直刀回转半径为275 mm,刃磨角为15 °。田间对比试验结果表明：装有组合式埋茬防堵装置的油菜直播机在高茬黏重地表作业通过性好,未出现秸秆缠绕和黏土堵塞,厢面平整度为19.19～22.14 mm,相较于普通旋耕装置,秸秆埋覆率至少提高27.19个百分点,埋茬防堵性能良好,种床质量满足油菜直播农艺要求。研究结果可为高茬黏重工况下的种床整备装置开发提供参考。     

矮砧密植苹果树连续开沟定距栽植机研制

针对现有果树栽植劳动强度大、株距控制精度低的现状,该文开展了基于标准化栽培模式的农机农艺融合技术研究,设计了矮砧密植苹果栽植机,解决了果树幼苗栽植作业中存在的机械化关键技术难题:连续宽深开沟、果苗直立栽植、株距精确控制。采用V型双圆盘开沟器实现连续宽深开沟;通过人工辅助喂苗、栅杆定位装置辅助定位、夹持输送装置扶苗、刮板式覆土器回土及橡胶镇压轮压实土壤等系列环节,完成果苗直立栽植;定距栽植控制装置通过光电传感器感应前一棵树苗位置后启动下一棵树苗夹持运行并完成栽植,实现了株距的精确控制。该机开沟深度为0～40 cm可调,开沟宽度为30～37 cm,作业速度为0.8～1.5 km/h。田间试验结果表明:该机工作稳定,栽植效果良好,平均栽植合格率为93.79%,平均栽植深度合格率为91.43%,平均株距变异系数为5.03%,栽植效率720株/h,是人工栽植效率的36倍,满足现代标准果园机械化生产要求。种植环节机械化的实现,可为后续管理环节及收获环节的机械化提供可行性保障。     

斜齿交错-非圆锥齿轮行星系水稻宽窄行分插机构设计与优化

为获取一般性的空间行星轮系传动比,以达到直取秧和小穴口的插秧要求,在斜齿交错椭圆锥行星轮系分插机构的基础上,引入非圆锥齿轮,得到一种斜齿交错-非圆锥行星轮系分插机构,并应用于高速宽窄行插秧机当中。建立了非圆锥齿轮副节曲线的数学表达式和机构的运动学模型;基于Matlab开发平台开发了机构参数优化软件,利用该软件分析了节曲线形状、行星架初始安装角、斜齿轮螺旋角和非圆锥齿轮锥距对理想轨迹姿态、直取秧特征和穴口大小的影响,并以理想轨迹姿态、直取秧、小穴口等要求为目标,通过人机交互方式优选机构参数;与斜齿交错-椭圆锥行星轮系分插机构形成的总传动比及其轨迹进行对比,并得出了斜齿交错-非圆锥行星轮系分插机构轨迹在改进直取秧姿态、降低伤苗率等方面作业性能更优的结论。利用仿真软件Adams进行了机构的运动学仿真,加工分插机构实物,利用通用分插机构试验台完成机构插秧轨迹测试,得出斜齿交错-非圆锥行星轮系分插机构可以更好的满足水稻宽窄行插秧的要求,从而验证了非圆锥齿轮在宽窄行分插机构中应用的优越性。     

4CL-1型自走式大葱联合收获机的研制

针对大葱收获劳动力短缺和有效收获机具匮乏的问题,该文结合国内大葱种植的农艺要求和种植模式,设计了一种自走式大葱联合收获机。该机由行走系统、传动系统、组合挖掘装置、链杆清送装置、除土装置、夹送装置、扭铺装置等组成,可一次性完成大葱的挖掘、清土、升运、铺放等作业。整机传动系统分为机械传动部分和液压传动部分。机械传动部分实现收获机行走系统及挖掘收获系统的动力协调,液压传动实现挖掘收获系统的位置调整、夹送装置的转速控制、扭铺装置的转速控制;旋松刀组与V型挖掘铲组成的挖掘装置,实现对土壤的分层松碎及挖掘;杆式输送链完成大葱输送及其黏附土壤的初次清理及抬升,清土辊完成大葱根部残余土壤的二次清除;柔性夹持输送带与清土装置配合,完成大葱的有效喂入及柔性夹持;扭送机构及铺放机构实现大葱由竖直向水平方向的改变,并完成大葱的有序铺放。田间试验结果表明,试验条件下的收净率为99.50%,损伤率为1.40%,损失率为0.70%,生产效率为0.049 hm2/h,约为人工收获的12倍。该机工作性能稳定可靠、作业效果好,可为大葱收获技术及装备的研发提供参考。     

履带自走式果园气爆深松施肥机研制

针对现有果园人工施肥作业劳动强度大、效率低,以及机械开沟、挖穴施肥作业翻动土壤破坏土层结构和损伤果树根系的问题,该文结合新疆及中国北方干旱区果园土壤深松和深位施肥的要求,研制了一种履带自走式果园气爆深松施肥机,解决了坚硬土层快速打穴、定量取肥排肥、高压气爆深松施肥等关键技术难题。该机采用全液压驱动履带行走方式,主要由打穴注肥装置、定量加肥装置、气爆发生装置等关键部件组成,可一次完成果树根部土层定点打穴、气爆松土和定量深位施肥等多道工序。为提高作业效率和施肥效果,以单次作业时间和肥料扩散半径为评价指标,以打穴深度、施肥插杆内径、气爆压力为影响因素,进行了二次旋转正交组合试验,通过Design-ExpertV8.0.6.1软件,建立了评价指标与各影响因素的数学回归模型,分析了显著因素对评价指标的影响,优化试验参数,确定最优参数组合为:打穴深度600 mm、施肥插杆内径30 mm、气爆压力0.6 MPa。田间验证试验结果表明:在优化参数组合下,单次作业时间为22.1 s,肥料扩散半径为413.6 mm。试验样机经新疆维吾尔自治区农牧业机械产品质量监督管理站检测,各项检测指标均达到了样机设计的技术要求。该研究成果可为果园气爆深松施肥机产品研发与改进提供技术支撑。     

偏心齿轮-非圆齿轮行星轮系在后插旋转式分插机构中的应用

针对步行式水稻插秧机的工作要求,将偏心齿轮—非圆齿轮行星轮系应用于水稻插秧机后插式分插机构的设计中,研制出偏心齿轮-非圆齿轮后插旋转式分插机构。分析了偏心齿轮—非圆齿轮行星轮系的运动学特性,建立运动学模型,并自主开发了分插机构辅助分析与优化软件,通过人机交互优化方式对该分插机构进行参数优化,完成了该分插机构的二维和三维设计,并进行了虚拟样机试验,试验结果表明：该分插机构可以形成“海豚形”插秧静轨迹,满足步行式水稻插秧机的工作要求。     

芦苇笋采收机研制

针对芦苇笋采摘无机械化采摘设备,人工采摘劳动强度大,作业环境泥泞,湿地行驶通过性和稳定性要求高等问题,该研究设计了一种自走式芦苇笋采收机。该机包括采摘装置、升举机构、收集装置、履带自行走底盘等部分,可实现满足农艺要求的芦苇笋自动化采摘和收集作业。整机由柴油机驱动,传动系统分为机械传动部分和液压传动部分,机械传动部分提供整机行走和收集纵向输送动力,液压传动部分提供采摘装置动力调整、横向收集调速和升举机构升降。首先,根据芦苇笋采摘掰扯受力特点设计了同步带牵引拖曳采摘装置,其俯仰角度0°～60°可调,前端最大离地高度600 mm,采收宽度876 mm;同时,根据通过性能和作业要求,采摘装置加装变幅升举机构,离地最大升举高度200 mm;之后,根据芦苇笋的生物特性设计了芦苇笋输送收集装置,纵向输送装置皮带速度为0.5 m/s,横向收集装置皮带速度为1m/s;最后,基于各个模块分布和传动关系,设计了履带自行走底盘,配套动力13.3kW。通过对整机动力和行驶性能进行分析计算,确定满负载动力需求,获得整机横、纵向极限倾角及横向滑移角。采摘试验表明,采摘机作业效果良好,采摘效率为71kg/h,损伤率为8%,漏采率7.6%;整机行驶性能稳定,行驶速度范围为0～9 km/h,采摘装置前端离地高度调节范围为0～638mm,可适应地势采摘芦苇笋;整机极限纵向俯角、仰角和横向倾翻角分别为50°、63°和45°,纵向极限滑移角和横向极限滑移角分别为42°和38°,湖区作业通过性和稳定性强。试验结果对自走式芦苇笋采收机的结构优化和智能化升级提供了可靠的技术支撑。     

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。