单自由度四连杆取投苗机械臂设计

针对目前蔬菜穴盘苗自动取投苗机构结构复杂、制造成本较高等问题,该文设计了一种单自由度开式铰链四杆机构取投苗机械臂。首先通过对钵苗力学特性进行分析,为取苗爪的外形设计提供了依据。其次根据人工取投苗和现有取苗机构的作业过程,制定了取苗机构的设计要求。然后对机构的运动路径和各运动副的运动进行规划设计,最终设计出一种单自由度全机械式的取投苗机械臂,显著降低了成本。试验结果表明:取苗爪抓取点的运动轨迹和设计要求与理论仿真结果相一致,移栽试验中取苗成功率为96.7%,钵体破损率为3.13%,投苗成功率为97.74%,总体成功率为91.32%,机构的可靠性较高。该机构的设计提供了一种全自动取投苗方法,可为开展移栽装备的全自动化研究提供参考。     

烟叶采收机仿垄行走控制系统设计与试验

为实现烟叶采收机的无人驾驶,设计了一种烟叶采收机仿垄行走控制系统,该系统采用光电测距传感器检测左右两侧车轮到烟垄的距离。该文分析一阶滞后低通滤波的灵敏度、平滑度以及相位滞,同时修正滤波的控制参数,以期达到较好的拟合效果,从而精确剔除杂草、土块等无效的尖锐信号,最后根据优化处理后的数据调整动力系统的电机转速,实现烟叶采收机仿垄行走。一阶滞后低通滤波经动态修正后无论从灵敏度还是平滑度看,效果均较好,相位滞后也得到明显修正。田间试验表明,滤波后的数据标准差为3.8,能够得到较为准确的垄形信息;跑偏角度低于30°时,角度修正较好,成功率为95%,侧移修正成功率为89%;跑偏角度低于20°时,成功率为100%,侧移修正成功率为98.3%。该行走控制系统可准确控制烟叶采收机仿垄行走,为无人烟叶采收机行进控制方法的深入研究提供了参考。     

蓝莓采收机高通过性自行走装置设计及性能研究

针对国内蓝莓采收面临的难题,对蓝莓采收机自行走装置进行设计,该装置由液压驱动,采用框架式结构,由行走车架、发动机、液压执行元件、驾驶区等组成,对车架进行满载弯曲和扭转工况有限元仿真,确定车架强度满足力学性能要求,具有良好载荷配比及抗扭能力。对整机行走、转弯及升降性能分析,确保整机操纵轻便。该装置配置采收系统,对整机上下坡、横坡行驶及横向滑移稳定性分析,获得整机极限翻倾角及不同路面横向滑移角度范围。对样机进行试制及田间试验,试验结果与理论分析基本一致,整机行驶性能良好,最大行驶速度为11km/h,最小转弯半径为3 160 mm,适用果树高度1.1～2.0 m;整机作业稳定性强,上下坡及横向行驶翻倾角分别为51°、50°及44°,横向极限滑移角为40°;自行走装置与采收系统匹配性良好,采收效率为6.95 kg/min,果树重度损伤率为3.5%。     

基于人工击打脱粒原理的食葵脱粒装置设计与试验

针对食葵脱粒作业缺少专用机械装备、籽粒破损率高等问题,该研究基于人工击打脱粒原理,设计了一种食葵脱粒装置,脱粒时食葵盘面朝下模拟翻盘动作,锤杆被脱粒弹簧向上推动完成击打脱粒作业,借助输送带差速设计完成转盘作业。首先根据食葵盘及籽粒的物理特性,对脱粒部分及输送机构的结构参数进行设计和优化;再通过理论分析确定了影响未脱净率、破损率的关键因素。并试制了食葵脱粒装置试验台,以击打频率、脱粒通道间隙、弹簧压缩量为试验因素,以未脱净率、破损率为试验指标开展正交试验,确定了较优工作参数组合。结果表明：脱粒过程中,影响食葵盘未脱净率、籽粒破损率的因素主次顺序为击打频率、脱粒通道间隙、弹簧压缩量,较优工作参数组合为击打频率44次/min、脱粒通道间隙78 mm、弹簧压缩量25 mm,在较优参数组合下进行重复验证试验,结果表明,食葵未脱净率、籽粒破损率分别为8.12%、0.65%。研究结果可为食葵机械脱粒装备的研制提供参考。     

轴流螺旋滚筒式食用向日葵脱粒装置设计与试验

针对食葵脱粒过程中籽粒表皮划伤严重及未脱净率高等问题,该研究设计了一种轴流螺旋滚筒式食葵脱粒装置。脱粒元件为外径32 mm的螺旋管,对物料在脱粒空间的运移过程进行运动学与动力学分析,确定脱粒元件螺旋管螺旋升角为63°,螺距为2 800 mm。以葵花3638为对象进行台架试验,通过单因素试验探索喂入量、滚筒转速及脱粒间隙对籽粒未脱净率和破损率的影响,根据单因素试验结果,以喂入量、滚筒转速、脱粒间隙为影响因素,未脱净率和破损率为响应指标,进行二次回归正交旋转组合试验,利用Design-Expert软件建立响应指标与影响因素之间的数学模型,基于响应面法进行参数优化,获得脱粒装置在喂入量1.4 kg/s,滚筒转速300 r/min,脱粒间隙35 mm的参数组合下脱粒效果较好,此时未脱净率为0.55%,破损率1.76%。以优化参数组合进行验证试验,结果表明,未脱净率为0.59%、破损率为1.77%,与模型预测值的相对误差均小于5%。该装置未脱净率与破损率均低于现有向日葵脱粒机,满足向日葵机械化收获标准。该研究为食葵机械化收获装备的研制提供理论参考。     

蔬菜钵苗移栽机取苗臂凸轮机构的设计与试验

采用解析法对蔬菜钵苗移栽机取苗臂凸轮机构进行了详细设计,以解决目前机构推苗作业时间长、速度慢而影响推苗成功率的问题。根据移栽机取苗和推苗作业时取苗针的运动要求,以及取苗臂的结构尺寸,建立凸轮机构设计的数学模型,优化凸轮推程运动角,进而得到凸轮实际轮廓曲线,进行了机构的运动及压力角分析。建立取苗机构的三维实体模型,制造出其物理样机,采用ADAMS软件进行虚拟样机运动仿真,开展高速摄像运动试验。仿真结果和试验结果基本一致,表明改进设计是正确和合理的,同时比较改进设计结果和原设计结果可知,所设计的凸轮机构能够满足蔬菜钵苗移栽的要求,且试验推苗时间比原设计有效缩短了27.9%,有助于提高推苗成功率和蔬菜钵苗移栽机的工作性能。     

仿形滑刀式开沟器设计与试验

为了改善种床质量、提高播种分布直线性及播深一致性,通过"V"形种沟成因分析,设计了一种适用于大豆垄上双行种植模式的仿形滑刀式开沟器。该开沟器具有滑刀和仿形压土轮机构,可实现开沟、压沟和仿形功能,进而构建底部紧实、覆盖土壤松软的优良种床。通过土槽试验,以回土量为指标,采用响应面优化法分析得出最优参数组合,即载荷大小为689.66 N,开沟角度为40.43°,前进速度为2.12 m/s,开沟深度为51.62 mm。在最优工况下进行田间验对比试验,仿形滑刀式开沟器、双V型筑沟器、圆盘开沟器的横向偏移离散度分别为4.42、4.34、6.55,播深变异系数分别为6.06%、6.80%、11.52%,在50~75 mm土层开沟镇压后土壤紧实度分别为0.261、0.248、0.165 MPa,仿形滑刀式开沟器作业效果优于双V型筑沟器和圆盘开沟器,可以提高种床质量和播深一致性,且使种床紧实,利于种子出苗。     

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。     

单垄单行甘薯联合收获机薯秧分离机构设计与参数优化

针对中国甘薯联合收获机作业薯秧分离机构分离不彻底、甘薯损伤数量多、茎秆缠绕机具部件等亟待解决的问题,该文基于自走式甘薯联合收获机设计了一种结构简单、摘净率高、伤薯率低以及防茎秆缠绕的薯秧分离机构。根据设计计算确定了分离机构结构参数,其中挖掘输送装置总长度为2050mm,水平倾角为24°;主动轴和摘辊半径分别为18、36 mm;输送装置下层杆条与摘辊间距为27 mm,最上端与摘辊之间距离为251 mm。经过理论分析明确了甘薯的运动特性及其影响作业质量的主要工作参数机具前进速度、主动轴转速、输送装置水平倾角。通过薯秧分离试验发现在甘薯收获期薯秧分离力与其含水率变化规律符合二次函数关系,进一步开展田间试验借助Box-BenhnKen的中心组合设计方法选取主要工作参数对摘净率和损伤率的影响并作试验设计,以此为基础开展三因素三水平一次回归正交试验。在DESIGNEXPERT中使用响应曲面法分析各因素对摘净率和损伤率影响效应并对回归模型的参数进行优化。当田间试验取最优参数组合机具前进速度1.2 m/s、主动轴转速895 r/min、输送装置水平倾角24°时,摘净率和损伤率分别为98.14%、2.76%,分离效果满足甘薯收获要求。该研究也为其他土下果实联合收获作业果秧分离机构提供思路。     

关节式蔬菜育苗穴盘播后自动摆放机设计

为解决中国蔬菜育苗播种后人工摆放穴盘劳动强度大的难题,设计了关节式蔬菜育苗穴盘播后自动摆放机,并对机器的关键部件进行了理论分析及设计计算。确定了以关节式机械手作为摆盘执行机构,对其进行了数学建模并得到了摆盘机械手运动学方程。在单因素试验的基础上,进行Box-Behnken Design响应面优化试验设计,探求了穴盘输送高度、输送角度、输送速度3个关键参数对穴盘间距合格率、穴盘摆正率、穴盘排齐率3个评价指标的影响规律,利用Design-Expert软件对试验结果进行方差分析,建立了评价指标与各影响因素的数学回归模型,并进行响应面分析,得到了影响摆盘效果的3个关键参数的最佳组合为：穴盘输送速度为60 mm/s,穴盘输送角度为31°,穴盘输送高度为40 mm。并对优选出的最佳摆盘参数组合进行了试验验证分析,试验结果为：穴盘间距合格率97.6%,穴盘摆正率96.5%,穴盘排齐率95.7%,试验结果与理论预测值的误差绝对值均低于5%,表明摆盘执行机构在最佳工艺参数组合下工作平稳可靠,满足穴盘摆放技术要求。该研究可为全自动化、智能化穴盘摆放机的设计提供参考。     

食葵籽粒双层振动风筛式清选装置设计与试验

针对食葵机械化收获清选环节损失率和含杂率均偏高等问题,该研究设计了一种双层振动风筛式食葵清选装置,主要由风机、导料齿板式上筛体、阶梯抖动板式下筛体及驱动机构等组成。根据不同品种食葵籽粒大小,清选装置上下筛分别配套筛孔尺寸为20、18 mm和18、16 mm的两组编织筛网。通过清选过程物料动力学分析,获得影响该装置工作性能的主要因素为气流方向角、曲柄转速及筛面倾角。应用Fluent-EDEM耦合技术仿真模拟食葵清选过程,验证清选装置结构合理性。以大籽粒“三瑞10号”和小籽粒“葵花363”两种食葵为试验对象,气流方向角、曲柄转速及筛面倾角为影响因素,含杂率和损失率为评价指标,在自制清选装置台架上分别开展正交试验,利用综合分析法得出影响清选性能的主次因素依次为曲柄转速、筛面倾角、气流方向角,较优参数组合为气流方向角21°、曲柄转速250 r/min、筛面倾角4°,此时含杂率低于3%,损失率低于2%,满足食葵机械化收获标准,且作业性能优于已有食葵清选装置。该研究可为食葵机械化收获过程中清选系统的改进优化提供技术支撑。     

4KHZ-330型食葵联合收获机设计与试验

针对食葵机械化收获水平低、损失大、含杂率高及籽粒破损严重等现状,该研究根据成熟期食葵生物特性,在传统联合收获机结构基础上设计一种4KHZ-330型食葵联合收获机,在割台上增设脱粒装置实现葵盘在割台上脱分,可有效缩短葵盘输送路径,提高清选质量。首先阐述食葵联合收获机的总体设计方案及动力传动模式,并对割脱一体式割台、割台升降机构、清选装置及气力输送装置等关键部件进行设计,确定相关参数。机具配套动力113 kW,工作幅宽为3300 mm,可一次完成食葵切割、脱粒、输送、清选、集籽、集草及卸载等工序。田间试验表明,收获机在低、中、高3种工作档位下,总损失率均低于4.0%,籽粒含杂率均低于5.0%,籽粒破损率均低于2.0%,生产率为0.40～0.85 hm²/h,作业性能指标满足食葵机械化收获标准。作业过程中收获机各关键部件之间运动协调关系平稳,食葵喂入顺畅,工作效率高,可以作为食葵联合收获机使用。     

袋装缓控释肥有序排肥装置设计

为满足作物生长期对肥料的不同需求,人们正研究通过控制肥料颗粒内部养分释放速率的缓控释肥,试验表明其可减少施肥量,避免资源浪费和环境污染。目前,袋装缓控释肥的施放主要采用手工,耗工费时,效率低下。为实现袋装缓控释肥机械化施放,该文根据其基本物理参数及力学特性,对袋装肥有序排队机理、余量清理、定量施放进行研究,设计了一种袋装缓控释肥的有序排肥装置,它由偏心分离机构、清理机构、排肥机构及动力传输机构组成,以偏心轮转速、毛刷轮转速及毛刷轮与刮板输送带之间的间距为影响因素,以合格指数、漏排指数、重排指数为评价指标,进行正交试验,得出各因素对评价指标的影响关系。利用Design-Expert软件得到各因素的最佳参数组合为:偏心轮转速600 r/min、毛刷轮转速95 r/min、毛刷轮与刮板输送带之间的间距为18 mm,并进行验证试验得到排肥合格指数平均值为82%,漏排指数平均值9.33%,重排指数平均值8.67%。该研究为研制袋装缓控释肥有序施放排肥器提供了参考。     

食葵联合收获机圆筒清选筛结构优化与试验

为提高食葵联合收获机清选系统适应性和作业性能，该研究基于食葵脱出物物料特性，分析了圆筒清选筛筛孔尺寸、筛体安装倾角范围、助流螺旋叶片结构参数和圆筒筛转速范围，借助EDEM探究了筛体内物料运动特性及籽粒透筛特性。以“葵花363”为对象进行台架试验，通过单因素试验探究了筛体安装倾角、圆筒筛转速及喂入量对清选效果的影响，确定了各因素优选区间。根据单因素试验结果，以清洁率和损失率为评价指标开展正交试验，通过综合评分法分析得出影响圆筒筛清选效果的主次因素顺序为筛体安装倾角、圆筒筛转速、喂入量；清选装置较优参数组合为喂入量0.6 kg/s，筛网安装倾角3°，转速25 r/min，清洁率为98.92%，损失率为1.97%。以优化参数进行田间试验，清洁率为96.53%，损失率为2.08%，较风扇振动筛的清洁率提升3.32个百分点，损失率减少4.11个百分点。研究结果可为食葵机械化收获清选装置的结构设计和优化改进提供理论参考。     

中草药三七气吸滚筒式精密排种器的设计与试验

因中草药三七种植属于密集型精密种植模式,尚无满足种植要求的播种机,为解决三七机械化精密播种问题,研究设计了一种气吸滚筒式精密排种器。该文阐述了三七气吸滚筒式精密排种器的工作原理,确定了其主要结构参数,构建了充种和投种过程种力学模型。以云南文山三七种子为播种对象,采用二次旋转正交组合试验方法,对排种器进行了排种性能试验研究,并通过投种对比试验验证了零速投种的必要性。建立了负压、前进速度、吸种角度3个主要因素与合格率、漏播率、重播率的数学模型,分析了各个因素及交互作用对合格率的影响规律,并进行了参数优化与验证试验。影响排种合格率的因素主次顺序为负压、前进速度和吸种角度;确定最佳参数组合为吸种角度为20°,负压值660~720 Pa,前进速度在0.72~0.76 m/s,可获得合格率大于90.2%,漏播率小于4.9%,重播率小于5.3%。经试验验证,试验结果与优化结果基本一致,满足三七精密播种的种植要求。试验结果表明此种气吸滚筒式精密排种器对于三七种子具有很好的播种适应性。该研究为应用于田间阴棚内播种的气吸滚筒式精密排种器的设计提供了参考。     

油菜精量排种器种子流传感装置设计与试验

针对油菜精量播种过程中缺乏小粒径种子流传感而导致播量监测困难的问题,设计了一种油菜精量排种器种子流传感装置。运用高速摄影技术及碰撞动力学模型,记录并分析油菜种子与聚偏氟乙烯压电薄膜的碰撞轨迹,为传感装置的导管、压电薄膜倾角、出种口位置等关键结构参数提供依据。基于油菜种子与压电薄膜的碰撞信号特征分析,设计了沉槽基板-压电薄膜感应结构,将碰撞信号的衰减时间从9缩短至1 ms,提高了对高频种子流检测的时间分辨率,同时能够有效抵抗机械振动带来的干扰影响。对微弱碰撞信号进行放大、半波整流、电压比较、单稳态触发转化为单脉冲信号,通过单片机定时计数采集处理,实现油菜种子流排种频率与排种总量的实时检测,并利用无线收发模块定时发送给监测显示终端,实现播量数据的实时显示与保存。油菜精量排种器台架及数粒仪高频排种试验表明:在排种频率8.1~32.9 Hz范围内,检测准确率不低于99.5%。田间播种试验表明传感装置能够实时检测精量排种器的排种频率与排种总量,在无排种时计数为零,正常播种状态时检测准确率不低于99.1%,机械振动及粉尘对传感装置没有影响。该传感装置为油菜精量播种过程播量监测、漏播检测以及补种提供有效支撑。     

油葵收获机拨禾板式割台装置研制

针对目前油葵机械化收获存在缺少专用机械设备、籽粒损失率和破损率均较高、收获设备工作性能不可靠等问题,该研究设计了油葵联合收获机拨禾板式割台装置并介绍其结构与工作原理,建立拨禾齿的运动模型,分析拨禾机构运动特性并获取拨禾齿端点的运动轨迹。通过对拨禾齿端点运动轨迹仿真,分析拨禾板转速、机具前进速度与拨禾板圆周数量之间的变化关系;利用MATLAB软件编写程序,仿真获取相邻两拨禾齿端点的运动轨迹曲线,解决拨禾齿运动参数不合理、籽粒碰撞损失较高的难题。割台性能试验结果表明,当割台倾斜角度25°、绞龙转速150 r/min、拨禾板与导板距离170 mm时,油葵花盘损失率为2.04%。进一步通过田间油葵收获正交试验和参数优化,分析油葵收获机前进速度、拨禾板转速、茎秆留茬高度的不同组合对油葵籽粒损失率及破损率的影响,利用Design-Expert获取最优参数组合。结果表明,当油葵收获机前进速度1.2 m/s、拨禾板转速240 r/min、茎秆留茬高度570 mm时,油葵籽粒损失率与破损率分别为1.90%和0.65%。研究结果可为提高油葵联合收获机的作业性能、油葵收获机的结构设计和参数优化提供参考。