移栽机整排限功装置设计及仿真机械分析

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论文字数:**** 论文编号:lw202334384 日期:2023-07-22 来源:论文网
体力学特性试验、查阅农艺资料和实地考察,设计了一种移栽机整排取苗装置,适用于新疆大田作业以及复杂多变的作业环境。通过对移栽机整排取苗装置结构设计、仿真研究和试验分析,得出以下结论:(1)为了减小全自动移栽机取苗过程中穴盘苗基质的损伤,提高移栽机栽植效率,通过对钵体进行压缩试验研究钵体力学特性;以新疆加工番茄穴盘苗为试验对象,以夹持角度、钵体含水率、基质配比为影响因子,以钵体抗压强度和破碎压缩量为性能指标,利用 Design-Expert 8.0.6 软件,对性能指标和各影响因子进行二次正交旋转组合试验,建立影响因子与性能指标的回归模型,分析各因子对性能指标的影响,得出最优的影响因子组合。结果表明:当单夹片夹持角度为 7°、钵体含水率为 65%、蛭石、草炭、珍珠岩基质体积比为 2:2:1 时,钵体损伤小,有利于移栽机对穴盘苗的夹取。(2)基于番茄穴盘苗钵体力学特性试验和查阅农艺材料,设计了一种移栽机整排取苗装置,并对移栽机整排取苗装置的各部件进行了设计和说明,同时对于移栽机整排取苗装置的对穴盘苗的夹取进行了分析。对于采用夹取的方式对穴盘苗进行夹取,可以进一步的减小穴盘苗的损伤,从而提高成活率。


第一章 绪论

1.1 研究背景及意义
改革开放以来,我国的蔬菜产业总体发展呈现出平稳上升的态势,蔬菜的种类越来越多,品质也在上升,与之相配套的市场体系亦逐步完善,总体上呈现出良好的发展局面[1]。目前我国已成为全球最大的蔬菜种植国,但是蔬菜的种植过程基本还是靠人工,随着劳动力的老龄化以及人口向城市的转移,蔬菜种植全程的机械化已经成为必然的选择[2]。
新疆作为农作物生产基地,得利于其特殊的地理位置,特别有利于番茄、辣椒等植物的生长,而且雨季少,光照时间长,大多数植物都通过灌溉的方式获取水分,可以很好的调节植物的生长,同时有利于提高农作物的品质[3]。目前新疆的农作物主要以番茄、棉花和甜菜为主,农作物的产量位于全国前列,番茄类制品出口全世界,产量位居全球前三,因此,新疆加大了对番茄的栽植面积,逐渐形成以加工番茄为主的产业基地,为当地创造了就业岗位,也带动了经济的发展[4,5]。
新疆的农作物的栽植主要分为育苗栽植和直接播种,但是由于新疆气候特殊,与内地农作物的栽植不能一概而论,新疆的土壤较为干燥,含水量低,如果采取直接播种的方式,存活率相对较低。育苗移栽技术作为一种栽培技术,具有直播难以比拟的优越性[6]。

新疆是我国主要农业种植区,由于新疆在机械栽植方面应用的比较晚,目前新疆主要以半自动移栽机为主要移栽器械,需要人工完成穴盘苗的取投,劳动量很大,费时费力,而国外研制的自动移栽机很难适应新疆的环境。秧苗在移栽后需要及时灌溉,但新疆属大田种植,地块大,现有的移栽机很难在半天甚至一天内完成整块大田的移栽,导致秧苗不能及时灌溉,严重影响栽植成活率。新疆维吾尔自治区(新政发〔2011〕72 号)[9]关于强化农业机械化薄弱领域的技术推广应用的报告中提出“重点突破番茄、辣椒等特色作物生产机械化瓶颈”;兵团十二五规划[10]提出在农用装备及制造领域“重点开展加工番茄、辣椒育苗移栽、机械收获及产后加工等方面的关键技术研究,并开发配套的装备,提升加工番茄、辣椒等产业的种植效益,促进其健康可持续发展”。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
(1)国外穴盘苗移栽机发展概述
上个世纪初,西方一些发达国家开始研究用于蔬菜秧苗栽植的手工放苗的器械;到了上个世纪中期,研制出一种可以取代人工放苗动作的移栽机构,由机构将秧苗栽入土中;随后又研制出不同形态的半自动移栽机,逐渐实现机械化;上个世纪末,不同种类的半自动移栽机逐渐产业化,并很快的将其运用于农作物栽植中[15]。在研制移栽机的过程中,同时考虑移栽过程中的各个环节,形成一套完整的技术体系,并不断完善,目前已实现蔬菜和烟草等旱地作物的育苗工厂化和移栽机械化[15-17],随后美国、意大利等国家也开始研制用于农作物移栽的器械,并开发出了移栽机,并应用于农作物的移栽中,如图 1-1 所示,研发出了全自动穴盘苗移栽机。


而在亚洲,日本率先对移栽机进行了研制,通过不断摸索研究,研制出了多种不同型号的移栽机,如图 1-2 所示,并运用于生产实践中,很大程度上减少了劳动力、节省了成本,同时提高了作业效率。

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第二章 穴盘苗钵体力学特性试验分析

2.1 番茄穴盘苗取苗力学特性分析
番茄穴盘育苗基质主要采用蛭石、草炭、珍珠岩按一定的比例混合。对于基质的装盘应松紧适宜,过紧则不利于穴盘苗的生长,过松则不利于取苗末端执行器的夹取。松紧程度以装盘后左右摇晃基质而不下陷为宜[41]。
取苗末端执行器的作用是取苗夹片沿着穴盘壁内侧,将穴盘苗取出。目前研制的取苗末端执行器分为 2 种,即刀片式和针钳式[42]。针钳式取苗末端执行器由 2~4 个针状金属组合而成,取苗时针钳插入穴盘苗的基质中,将整个穴盘苗从穴盘中拔出。取苗时针钳需要插入基质中,会对穴盘苗的幼根或多或少产生一定的损伤,这种损伤会对穴盘苗的后期生长产生一定影响。刀片式取苗末端执行器取苗时,由顶苗装置通过穴盘下方的渗水孔将穴盘苗顶起,使钵体与穴盘出现松动,然后取苗末端执行器沿着穴盘壁内侧从穴盘中取出穴盘苗。这种取苗方式对穴盘苗幼根不会产生任何损伤,有利于穴盘苗后期的生长。本文中主要研究双夹片式取苗末端执行器的优化。

取苗时,取苗夹片的各种特性(如夹持角度)都会对取苗夹片沿穴盘壁内侧准确夹取穴盘苗产生影响。选用 128 个穴孔(16×8 式)的穴盘来培育加工番茄穴盘苗,穴盘如图 2-1 所示,钵体形状为四棱台。取苗过程中,取苗夹片沿着穴盘壁内侧滑入穴盘一定深度后,以角度 γ 夹住钵体,在移栽臂的驱动下从穴盘中将穴盘苗取出,如图 2-2a所示。双夹片对穴盘苗进行夹取时,取苗末端执行器与钵体有接触,受力分析如图 2-2b所示。其中 F1、F2为由夹取穴盘苗的双夹片式取苗末端执行器对基质产生的 2 个夹持力,分别作用于基质两侧并且大小相等。同时,在穴盘苗的整个夹取过程中,取苗末端执行器成功夹取穴盘苗后,穴盘苗与取苗末端执行器运动状态是相对静止的,因此两者之间存在静摩擦力,Ff1、Ff2分别为穴盘苗与取苗末端执行器的双夹片之间的静摩擦力。

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2.2 钵体力学特性试验
2.2.1 材料与仪器
选用新疆石红系列 78 号加工番茄穴盘苗,选用江苏省常州君合科技股份有限公司YMAS128 型穴盘,该盘的 128 个穴孔为正方形锥体,上、下围尺寸分别为 28 mm×28 mm(长度×宽度)、15 mm×15 mm(长度×宽度),穴盘高度为 40 mm。试验于 2018 年 4 月15 日在石河子大学机械电气工程学院进行。委托石河子市园林研究所培育穴盘苗,石河子市园林研究所大棚内最低温度保持在 25~35℃,

每天人工浇水,使穴盘苗的苗坨含水率不低于 55%。在基质配比方面选用新疆加工番茄育苗常用的比例,选取苗龄为 30d、长出 1 片真叶和 2 片子叶的穴盘苗,如图 2-3a 所示。

主要器材包括:质构仪,英国 Stable Micro System 公司生产,型号为 TA-XT2i,平板探头型号为 P100,如图 2-3b 所示。由于穴盘的形状呈四棱台形即钵体的形状也为四棱台,为了便于试验,需要在质构仪上放置楔形台,以便对钵体进行压缩。


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第三章 移栽机整排取苗装置整体方案设计 ...................................... 19
3.1 整排取苗装置的总体设计要求 .................................... 19
3.2 移栽机整排取苗装置的方案设计 ............................. 20
第四章 移栽机整排取苗装置的仿真研究 ............................. 27
4.1 移栽机整排取苗装置虚拟样机建模与仿真 ................. 27
4.2 模糊 PID 自适应控制器的设计 .......................... 28
第五章 移栽机整排取苗装置控制系统方案设计 ......................................... 33
5.1 移栽机整排取苗装置控制总体需求分析 ................................... 33
5.1.1 整排取苗装置机械结构分析 .................................. 33
5.1.2 整排取苗装置取苗末端执行器控制需求分析 ............................... 33

第六章 移栽机整排取苗装置试验台搭建及试验研究

6.1 取苗装置各零部件的加工
通过对移栽机整排取苗装置的设计及理论分析,运用 SolidWorks 软件对移栽机整排取苗装置的各零部件进行三维建模,同时进行装配,验证其合理性,将各零件三维模型导入 CAXA 软件中,然后运用 CAXA 软件对各零部件进行尺寸标注,委托江苏苏州昆山昆锐鹏精密模具公司对各零部件进行了加工,部分零部件研制成果,如图 6-1 所示,驱动杆(图 6-1a)、套筒(图 6-1b)、固定装置(图 6-1c)、取苗夹片(图 6-1d)、连接装置Ⅰ(图 6-1e)、连接装置Ⅱ(图 6-1f)。


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第七章 结论与展望

7.1 结论
针对半自动移栽机取苗效率低、性能不稳定,已经无法满足新疆大田作业栽植要求,基于番茄穴盘苗钵体力学特性试验、查阅农艺资料和实地考察,设计了一种移栽机整排取苗装置,适用于新疆大田作业以及复杂多变的作业环境。通过对移栽机整排取苗装置结构设计、仿真研究和试验分析,得出以下结论:
(1)为了减小全自动移栽机取苗过程中穴盘苗基质的损伤,提高移栽机栽植效率,通过对钵体进行压缩试验研究钵体力学特性;以新疆加工番茄穴盘苗为试验对象,以夹持角度、钵体含水率、基质配比为影响因子,以钵体抗压强度和破碎压缩量为性能指标,利用 Design-Expert 8.0.6 软件,对性能指标和各影响因子进行二次正交旋转组合试验,建立影响因子与性能指标的回归模型,分析各因子对性能指标的影响,得出最优的影响因子组合。结果表明:当单夹片夹持角度为 7°、钵体含水率为 65%、蛭石、草炭、珍珠岩基质体积比为 2:2:1 时,钵体损伤小,有利于移栽机对穴盘苗的夹取。

(2)基于番茄穴盘苗钵体力学特性试验和查阅农艺材料,设计了一种移栽机整排取苗装置,并对移栽机整排取苗装置的各部件进行了设计和说明,同时对于移栽机整排取苗装置的对穴盘苗的夹取进行了分析。对于采用夹取的方式对穴盘苗进行夹取,可以进一步的减小穴盘苗的损伤,从而提高成活率。
(3)针对移栽机整排取苗装置末端执行器,设计了一种模糊 PID 自适应控制器,并搭建了虚拟样机与 MATLAB/Simulink 联合仿真控制模型,并通过联合仿真试验对经典 PID 控制、模糊 PID 自适应控制进行了对比,通过对比模糊 PID 自适应控制与经典PID 控制两种控制方法,设计了模糊 PID 自适应控制器,并结合虚拟样机和MATLAB/Simulink 进行联合仿真分析,联合仿真表明:与经典 PID 相比较,模糊 PID控制方法的超调量降低 13.9%,响应时间也有所降低,研究结果可为移栽机取苗装置的设计以及整个控制系统的研制提供参考和依据,该控制方法能够满足移栽作业时钵苗精确、无损取投的精度的要求。
参考文献(略)

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