旋轉式水稻缽苗移栽機構的設計【含圖紙】

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浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文）文獻綜述報告 班 級 09機制（4）班 姓 名 劉曉冕 課題名稱 旋轉式水稻缽苗移栽機構的設計 文獻綜述報告 目 錄 1 選題的背景與意義 1.1 國內外研究現狀和發(fā)展趨勢 1.2 多指手研究意義 2 研究的基本內容與擬解決的主要問題 2.1 基本內容 2.2 擬解決的主要問題 3 研究方案、可行性分析及預期研究成果 3.1 研究思路方案 3.2 可行性分析 3.3 預期研究成果 指導教師 審批意見 簽名： 年 月 日 1.1本文研究目的與意義 水稻是我國第一大糧食作物，全國有近60%的人口以水稻為主食，在糧食安全中占有極其重要的地位。我國水稻常年種植面積約3000萬公頃，占全國谷物種植面積的30％，占世界水稻種植面積的20％；稻谷總產量近20000萬噸，占全國糧食總產的40％，占世界稻谷總產的35％；在主要糧食作物生產中，水稻種植機械化水平最低。 移栽是水稻種植過程中的重要環(huán)節(jié)，它具有對氣候的補償作用和使作物生育提早的綜合效益，可以充分利用光熱資源，其經濟效益和社會效益均非?？捎^。與其他國家和地區(qū)相比，我國水稻種植機械化程度較低，絕大部分是移栽作業(yè)；與國內的水稻生產其他工藝流程相比，機械化程度也是最低的（收獲機械化50%以上，種植機械化約12%）。 目前，水稻移栽機械主要有水稻拋秧機、插秧機、缽苗栽植機，相應的移栽技術分別為拋秧、插秧和缽苗栽植。其中，水稻拋秧技術栽植淺、植傷輕、返苗快、分蘗早、分蘗節(jié)位低、淺層根分布廣，提早成熟，且增產增收，但是拋秧容易使秧苗倒伏、直立性不好，影響緩苗，進而影響產量；與拋秧技術相比，水稻插秧方式可以保證栽植秧苗有較好直立性，但與拋秧移栽采用缽盤育秧不同，插秧技術采用毯狀秧苗，毯狀苗幾乎不能保留秧苗的成長土質及營養(yǎng)物質，插秧時秧苗斷根多，緩苗期較長，要10天左右；而水稻缽苗栽植技術也采用缽盤育秧，綜合了以上兩種水稻移栽方式的所有優(yōu)點，克服了不利的因素，缽苗栽植直立性好，無緩苗期，增產明顯，成為當今水稻機械化移栽技術的研究重點。 另外，目前超級稻種植都是采用手工移栽，要求每穴種植1到2株秧苗，用現有的毯狀苗插秧種植方式根本無法滿足此精準移栽要求；用水稻拋秧移栽技術，難以保證栽植秧苗的直立性，影響產量；而用本課題提出的水稻缽苗栽植技術,即可以解決超級稻機械化種植需要每穴1到2株苗，又可以保證栽植秧苗的直立性要求，有利于超級稻種植的推廣。 水稻缽苗栽植是一種水稻高產的移栽技術。具有壯苗淺栽、緩苗快、分蘗早、分蘗節(jié)位低、有效分蘗多、根系發(fā)達、提早成熟增產增收等優(yōu)點，一直以來深受農民歡迎。水稻缽苗栽植在保證栽植缽苗的直立度后（與水平面夾角不低于60度），缽苗栽植方式較插秧方式增產10%-15%，因此增產效果明顯。日本研究出的水稻缽苗栽植機（又稱水稻缽苗擺栽機）價格昂貴、結構復雜，而且又是采用半硬塑膠穴盤，成本高，育苗要求也高，使想迫切改變手工勞作并提高稻谷產量的廣大農村農民望而卻步，黑龍江墾區(qū)五年前曾引進日本的兩種水稻缽苗擺栽機進行試驗，到現在一直也沒有推廣，不適合中國國情。近幾年來，我國吉林省有幾家企業(yè)一直在研究水稻缽苗栽植機，并進行了小規(guī)模的應用推廣，基本能夠保證栽植缽苗有較好的直立度。其移栽機構采用多桿式移栽機構，移栽效率低，單行效率只有80株/分鐘左右，由于多桿式機構的結構限制，移栽效率很難再提高了。其移栽效率遠遠低于步行式插秧機的插秧效率，更不用說與高速插秧機相比。為了實現我國水稻缽苗栽植技術的發(fā)展與應用，滿足廣大農民的對水稻缽苗栽植機械化的需求，研究出一種新型高速水稻缽苗栽植機，具有非常重大的科學意義與經濟價值。具有取苗與栽植苗功能的移栽機構，作為水稻缽苗栽植機的核心工作部件，已經成為制約高速水稻缽苗栽植機械發(fā)展的“瓶頸”問題，開展該移栽機構理論與創(chuàng)新設計研究已迫在眉捷。 本課題通過開展水稻缽苗移栽機構的工作機理分析，依托課題組多年研究水稻種植機械的研究平臺，對水稻缽苗移栽機構進行創(chuàng)新研究與優(yōu)化設計，發(fā)明一種新型的高速水稻缽苗移栽機構，并建立相應的設計理論與方法，將促進我國水稻缽苗栽植技術的發(fā)展與應用。為今后高速水稻缽苗栽植機的研發(fā)提供重要理論基礎和設計依據，將直接指導水稻缽苗有序移栽機構的設計,特別是水稻缽苗栽植方式非常適合于超級稻的機械化種植，有利于促進超級稻種植的推廣，提高我國農業(yè)機械的研究水平。因此,開展本課題研究，不僅具有重要的科學意義，也具有重大的實際應。 1.2水稻缽苗移栽機構的發(fā)展概況 自水稻拋秧或擺秧技術應用以來，國內外不少專家學者開始對有關水稻缽苗移栽機械進行研究。據有關資料報道，從事這方面研究的國家主要是日本和中國。 1.2.1 國外發(fā)展概況 日本是水稻移栽機械化程度最高的國家，日本在完成工業(yè)化的進程中，逐步實現了水稻種植機械化。根據有關資料報道，黑龍江省曾分別引進日本井關農機公司和實產業(yè)株式會社生產的水稻缽苗擺栽機，如圖1.1（a）所示，該擺栽機一次可栽6行，采用半硬塑膠缽盤育秧苗，缽盤中的每個缽穴是上粗下細的圓錐杯，杯的底部有一小孔。采用從半硬塑膠缽盤底部將秧苗頂出的取苗方式，其工作過程示意如圖1.1（b）所示。頂桿對準小孔有兩種形式：一種是頂桿平移，另一種是缽秧盤平移。從結構發(fā)明的角度看，機構作用于土缽，土缽是固體，個體差異小，工作可靠，但是機構的運動是直線間歇運動。需要一套完成精確移動定位的機構，加工精度要求高，機構磨損后容易頂偏，造成塑料秧盤損壞，有時缽苗的秧根掛住缽盤，造成秧苗脫離不成功，這對育秧要求比較高。頂出的缽苗，通過分秧供秧機構將秧苗水平分送到兩側的旋轉分插部件，由旋轉分插部件將水平放置的秧苗轉換成垂直方式入土，完成秧苗的田間擺栽作業(yè)。具有可成行擺栽帶缽秧苗，株距準確，均勻性好，作業(yè)質量高等優(yōu)點。但擺栽機具結構復雜，成本高，對整地和育秧質量要求均較高，同時半硬塑膠穴盤成本也高，從國內引進試驗來看，并不適合我國國情。 再如日本洋馬農機株式會社的竹山智洋發(fā)明了另一種缽苗移栽機（專利號為：ZL200480007602.4）,由驅動裝置和兩個栽植爪組成，如圖1.2示。該移栽機構的驅動裝置由兩套行星輪系機構串聯而成，回轉箱相當于行星架，第一回轉箱內有9個齒輪（其中2個是扇形齒輪）和一套擺動凸輪機構，第二回轉箱與第一回轉箱中的行星輪固接，內有5個齒輪，由第二套行星輪的行星軸輸出運動驅動栽植爪實現取苗和栽植苗動作，該移栽軌跡較為復雜，如圖2所示。該缽苗移栽機構的結構很復雜，可靠性不高，它的設計制造成本相對也比較高，所以該缽苗移栽機構未能得到實際應用。 1.2.2 國內發(fā)展概況 我國在90年代后期,水稻缽體育秧技術有了較大的發(fā)展,中國農業(yè)大學、吉林大學、江蘇大學、八一農墾大學等院校都開始進行缽體育秧技術與移栽技術研究。我國目前的有序缽苗移栽機構有較多種方式，現介紹幾種如下： (1) 對輥式拔秧機構 1.機架 2.托盤 3.撥桿 4.輸秧輥 5.秧苗 6.壓盤板 7.支座 8.上拔秧輥 9.下拔秧輥 圖1.3　對輥式拔秧機構 由中國農業(yè)大學工學院研制的2ZPY—H530型水稻缽苗行栽機，采用對輥式拔秧機構(如圖1.3)，實現了水稻穴盤育苗的自動拔秧。2ZPY—H530型水稻缽苗行栽機輸秧拔秧裝置主要由輸秧輥4、壓秧板6、上拔秧輥8和下拔秧輥9等組成。其工作原理是：缽盤苗通過人工放在托板上并喂入到輸秧輥4上，拔秧輥按一定傳動比帶動輸秧輥4轉動，當上下拔秧輥（8、9）的夾秧板對接時，靠夾秧板外緣彈性材料變形產生的夾緊力，將位于上下拔秧輥中間的缽苗夾持并帶動其一起運動，最后使得缽苗與缽盤脫離；當上下拔秧輥轉過一定角度后夾秧扳松開，缽苗落入導苗管，完成拔秧工作。但試驗結果表明，秧苗營養(yǎng)缽濕度對拔秧力影響較大，作業(yè)效率低，拔秧輥釋放缽苗后，缽苗沿導苗管滑落入水田中。該缽苗行栽機栽植苗方式是采用導苗管式，秧苗容易倒伏，很難控制栽植秧苗的直立度，將影響緩苗。 (2)機械手式拋秧機構 黑龍江八一農墾大學設計的機械手式拋秧機構如圖1.4所示。其工作原理為：秧鉗的固定套4與滾筒6剛性聯接，隨筒回轉。滾筒內是固定不動的凸輪5，它的最大突變點離秧盤最近，并對應于取秧位置。當擋鐵8撞擊開閉凸輪7使秧鉗閉合夾秧時，伸縮桿3在彈簧2的作用下迅速縮到凸輪的凹處，將秧苗的缽體從秧盤孔中拔出并離開盤面。秧鉗在隨滾筒6回轉過程中，伸縮桿3的端斜面與凸輪5的外輪廓接觸并受其作用向外逐漸伸長。當轉過180°時，開閉凸輪7的撞桿受擋鐵9的撞擊，使其轉過90°將秧鉗撐開，秧苗在秧 1.秧鉗 2.壓縮彈簧 3.壓縮桿 4.秧鉗固定套 5.固定凸輪 6.滾筒 7.開閉凸輪8.取秧擋鐵 10秧盤 圖1.4 機械手式拋秧機構 鉗回轉慣性力及重力作用下拋向地面。秧鉗拋出秧苗后一直保持張開狀態(tài)，直至取苗位置后又開始重復上面所述的動作。 該機械手抓取秧苗的準確度和傷秧是該機構要解決的關鍵問題。該機構在栽植苗時，由秧鉗通過回轉慣性力和重力作用將秧苗拋向地面，是一種拋秧移栽作業(yè)方式，因此，秧苗移栽的直立度也很難保證，將影響緩苗。 圖1.5 空間連桿移栽機構簡圖 (3)在空間連桿機構的基礎上，中國農業(yè)大學研究開發(fā)了一種水稻缽苗精準栽植機械手機構，與撥桿式夾鉗配合使用．該機構與傳統(tǒng)的農業(yè)機械完全不同，它屬于空間閉式鏈機構。圖1.5所示為栽植機械手機構的結構示意圖，該機構由可控變桿長RRRSR機構和撥桿式夾鉗裝置兩大部分組成。而可控變桿長機構是由機架、主動件、連桿、工作桿和擺桿組成，并選取主動件桿1為桿長變化桿，且將桿1分解為凸輪、滾子從動件和曲柄三部分，源動力通過鏈條鏈輪傳遞動力給與機架運動副連接的曲柄，再由曲柄傳遞動力給滾子從動件，使?jié)L子沿凸輪表面做圓周運動，來實現桿長變化．滾子從動件傳遞動力給其它桿件3、4，使其作連續(xù)運動，同時使得與桿2連接的工作桿7和夾鉗一起運動，從而完成夾秧、取秧，移秧、栽秧等一系列動作。此機構在設計過程中需要檢測桿之間的干涉問題，能保證各桿工作的連續(xù)性，該移栽機構結構太復雜，工作效率低。 (4)2007年，吉林省延吉市光華機械廠公開了一種水稻缽苗移栽機構(如圖1.6)。這種移栽機構包括有動力傳送齒輪箱10、移栽四軒機構和移栽穩(wěn)定三連桿機構。其中移栽四桿機構是由上曲柄7、栽植臂連桿6、栽植臂桿23、鎖臂搖桿14依次鉸接組成，在栽植臂桿上設有夾秧裝置；移栽穩(wěn)定三連桿機構是由下曲柄19、穩(wěn)定連桿18和上述的鎖臂搖桿14依次鉸接組成，移栽四桿機構和移栽穩(wěn)定三連桿機構共同完成取秧、移秧、栽秧的運動 圖1.6 七桿移栽機構及移栽軌跡 軌跡。該發(fā)明機構移栽運行軌跡穩(wěn)定，取秧栽植過程中取秧爪開閉準時準確，基于缽盤育秧，保證了完整的根系，不傷苗，減少了秧苗的緩蘇周期，增產效果顯著。但是多桿機構工作配合復雜，要快速提高移栽的速度，將是一個巨大的挑戰(zhàn)。該移栽機構已有樣機在田間試驗，但是工作效率低，振動大，單行移栽效率只有80次/min左右，機構的結構本身限制了該機構無法再提高移栽效率。 (5) 專利號為200820072816.5的發(fā)明中提出了一種能直接栽插軟塑體缽盤秧苗的缽苗水稻插秧機，如圖1.7（a）所示。該水稻缽苗插秧機的核心工作部件——五桿水稻缽苗移栽機構，如圖1.7（b）所示。該機構采用雙曲柄67、66分別作正、反向轉動驅動，是一個雙自由度機構，栽植臂10往復直插式控制取秧夾61按特定曲線軌跡進行取秧與栽插秧苗作業(yè)，栽植臂10內有夾緊與釋放苗裝置，包括凸輪68、撥叉70、彈簧63和控制桿71，控制桿71相對栽植臂10作往復移動，控制取秧夾61張開與閉合。曲柄旋轉一周，取秧夾61夾取缽苗插秧一次，移栽效率單行為80次/min左右，該機構能實現水稻缽苗有序移栽，但工作效率也較低，振動也大。 (a)五桿水稻缽苗移栽機 （b）五桿水稻缽苗移栽機構 圖1.7 2 研究的目的與實現方案 通過以上分析可知，國內外雖然對水稻缽苗有序移栽技術及移栽機構已做了較多的分析與研究，并有部分樣機投入試驗或應用。目前的移栽方式分為二種：拋秧方式和栽植苗方式。拋秧方式很難保證栽植秧苗的直立度，影響緩苗，進而影響水稻產量,到目前為止,一直未能推廣應用；栽植苗方式移栽缽苗能有效地保證栽植秧苗的直立度，無緩苗期，但現有的缽苗移栽機構，工作效率太低（只有80株/分鐘/行），機構工作時振動大。但是上述的缽苗移栽機構所采用的夾取式取苗方式可以為本課題研究提供參考。 2.1 研究目標 1.靜軌跡 2.缽苗 3.缽盤 圖1.8 水稻缽苗移栽軌跡要求 近年來，本課題組對水稻缽苗有序移栽的工作機理與機構創(chuàng)新進行了詳細研究，機械移栽秧苗為塑料缽盤苗，塑料缽盤可重復使用。本取苗方式采用兩片取苗爪夾住水稻缽苗的莖桿根部，夾緊莖桿，將缽苗從缽穴中撥出，完成取苗動作，取苗后夾持苗至推秧位置，取苗爪張開，釋放缽苗并推苗入土，完成栽植苗動作。為了實現該缽苗的有序移栽方式，同時考慮機構工作效率和平穩(wěn)性。 本論文提出了一種旋轉式有序移栽機構，在旋轉箱體上對稱布置兩個移栽臂，提高了工作平穩(wěn)性，旋轉一周移栽三次，移栽效率高，移栽效率將不低于300株/分鐘/行，其移栽效率遠遠高于現正在應用的有序移栽機構，本論文研究的旋轉式有序移栽機構是一種高速水稻缽苗移栽機構。 2.2 方案實現 1.水稻缽苗移栽機構的設計要求 通過了解水稻缽苗移栽的農藝要求，提出如圖1.8的移栽軌跡，該機構的取秧方式為彈簧片夾取式取秧，為了避免取秧時彈簧片與秧苗的干涉，移栽軌跡在取秧部分為“環(huán)扣狀”。即由兩個彈簧片運行到土缽表面時，彈簧片從缽苗的下方D運行到缽苗莖部開始取秧，夾緊秧苗的莖桿根部，在圖中的E位置從穴盤中取出帶土缽苗，再沿FAB夾持缽苗至圖中的B位置，在推秧桿的作用下，彈簧片松開，釋放并推出缽苗，植入水田中，然后彈簧片經圖中C位置，為重新下次取秧做準備，完成一次移栽周期。 2.機構的實現方案 根據移栽軌跡要求，設計出一種旋轉式橢圓－不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機構，在一個旋轉箱體上對稱布置了三套移栽臂，旋轉一周移栽三次。如圖1.9所示為旋轉式橢圓－不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機構傳動簡圖（圖示為機構的初始安裝位置），該機構由驅動部分和移栽臂兩部分組成，驅動部分是一個非勻速間歇傳動行星輪系機構，由4個橢圓齒輪、1個不完全非圓齒輪、2個凹鎖止弧、1個凸鎖止弧組成，行星架作為輸入運動構件順時針轉動，行星輪為輸出運動構件，其運動形式是彈簧片尖點形成工作軌跡的關鍵。 3 本文的工作安排 1) 根據水稻移栽的農藝特點與軌跡要求，研究出一種新型的水稻缽苗移栽機構，使之達到高效率、低振動的工作要求。本文采用的是橢圓齒輪－不完全非圓齒輪行星輪系作為傳動部件，設計出一種新的水稻缽苗移栽機構——橢圓齒輪-不完全非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機構。 2) 對該移栽機構的運動學特性進行分析，包括橢圓齒輪-不完全非圓齒輪的傳動特性分析、行星輪的相對角位移和角速度分析以及秧針尖點的相對位移、速度和加速度分析，并建立運動學模型。 3) 根據建立的移栽機構運動學模型，自主開發(fā)移栽機構輔助分析與優(yōu)化軟件。利用該軟件對移栽機構進行結構參數優(yōu)化，分析該機構參數對移栽工作軌跡的影響，找到一組較優(yōu)的能滿足移栽機構軌跡要求的結構參數。 4.以優(yōu)化后的結構參數作為初始參數，對移栽機構進行整體設計。利用VB導出齒輪的點，在CAD、CAXA中繪出二維圖，導入到UG中進行建模生成三維圖，再進行整體的裝配。為了減小機構的沖擊振動，對機構添加了緩沖裝置，并與未加緩沖裝置的軌跡進行比較。對該移栽機構設計出2套消除齒隙裝置，消除齒隙，提高機構取苗的成功率。