油菜幼苗移栽机栽植系统结构设计【穴盘苗移栽】
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专家系统与应用程序基于模糊集理论的有效性的评估农业机械摘要:农业机械生产的服务质量是代表农业成功的基本因素之一。从这个意义上说,有一个明确需要定义这些机器质量的具体指标,它有可能决定哪些机器适合不同工作条件。服务的技术系统概念的有效性代表质量的一个综合指标。本文运用模糊集理论定义的有效性和可靠性、可维护性和功能作为影响指标的有效性。在这个意义上的模型评估的有效性拖拉机作为农业的典型代表机器已经形成。本模型是基于集成上述的语言描述。利用模糊集理论和max-min成分影响指标,模型进行了测试。同一类别的三个拖拉机为例,利用的气候和土壤条件在更广泛的贝尔格莱德(塞尔维亚)地区。即使在这个实验中条件是非常重要参数 , 相比于其他操作,实现的效果差异也达到大致相等。1.介绍为达到扩张的全球农产品的要求,实现更大的农业技术的发展。人们普遍认识到当代农业系统中需要适当的机器和设备,仔细和详细规划的需求和控制所有相关的生物、技术、技术和其他进程。最终结果的准确、可靠的预测为每个指定的操作,以及完整的作物生产过程中,。要求加强了引入复杂的实验,数学,农业科学统计,机械和其他方法都是特别重要的。在过去的几十年。除了上述的要求,一个适当的技术体系必须满足生产力的标准,期望的作物生产。在大多数情况下,在塞尔维亚,tractor-machinery农场系统的能力远远超过最优级别(尼克里奇,2005),增加成本作物生产。目前,现有的数学优化方法、支持的高性能计算机有效地解决优化问题(Dette &韦伯达菲et al .,1990;1994;Mileusnic,2007;等等)。一个最优的技术体系的形成为我们生产了更便宜的食品,高度影响拖拉机的可靠性、可维护性和系统的功能。与系统科学发展同样,实际上的开始是IIWorld战争后,在适当的工程和科学文献定义了一系列的概念,来描述技术系统的基本特征的点的服务质量。可靠性的指标是技术系统和行为操作,技术指标和可维护性systembehaviors期间的失败可以表示为大多数可辨认的概念。这两个概念及其实现最先进的发展。有效性的概念被定义在试图描述同时技术操作系统的行为和失败的时期。这概念考虑可靠性和可用性的表演,以及提出了技术系统设计的功能(Papic&Milovanovic2007)。换句话说,一个技术系统的有效性的概率,一个成功的功能系统技术和执行所需的准则函数限制允许的差异对于给定时间和给定的周围条件。虽然在相同的精神,一些作者定义有效性有所不同。在(Ebramhimipour &铃木,2006)被定义为总体有效性的指标包含效率、可靠性和可用性。这两个引用定义包括并行关于可靠性和可用性,虽然可用性包括可靠性和可维护性(Ivezic,Tanasijevic,& Ignjatovic,2008)。因此它可以商定有效性是影响可靠性、可维护性的功能。可靠性系统不断的被定义为特征保持操作abilitywithin允许的差异极限在现在;可维护性的能力是预防和发现故障及损坏,系统更新通过参加技术和操作能力和功能维修,功能实现功能的程度要求,即调整环境,或更准确系统运行的条件。监测的可靠性和可维护性是常见的监控时间的状态显示(图1)可靠性和可维护性的函数可以确定,以及操作的平均时间和平均时间相关。主要问题出现在形成时间的照片数据监控和记录。在现实条件的机器应该连接到信息系统将准确记录每一个失败、持续时间和修复程序。这通常是昂贵或简易监测机器的性能,即关闭的,是不精确的。此外,提供的统计数据处理时间的状态要求所有的机器在平等的条件下工作,这是难以实现。至于技术体系的功能,没有共同的方法测量和量化。这在本文的原因,为了评估的有效性, 将使用专业知识和分析机器判断工作的工作过程。应用专业知识判断主要用于文学,主要是为数据处理和评估的技术系统而言:风险(Li 廖,2007)、安全(王2000;王、杨、&森1995)或可靠性,用专业知识判断自然的语言形式。因此,数学和逻辑概念模型进行处理的经验判断,即计算的语言描述,模糊集合理论使用(Klir &元,1995;枝,1996)。应用模糊今天集代表了最常用的工具之一各领域解决问题的优化(黄顾,&杜,2006)和识别(陈,1996)过程问题。Cai(1996)提出了不同的概述应用程序方面的模糊方法在系统失败工程,这是一个接近效能评估问题。应用模糊逻辑理论和专家系统(辽、一般2011;Liebowitz,1988)也用于解决优化问题的农业机械领域。(Abbaspour-Fard Rohani & Abdolahpour,2011)的基础上神经网络的应用程序,在拖拉机预测失败。(Yu,你们&赵,2010)模糊数学、可靠性理论和多目标优化技术应用设计拖拉机最终传动。机器的可预测性和可靠性,显著依赖于其有效性的技术系统。本文的观点是根据模糊集理论的利用率建立模型的有效性。从而说明模糊集是用于分析可靠性、可维护性和功能表现(部分指标的有效性)以及为他们融入效率。他们的工作是以这种有效模型质量的方式评估技术系统。模型可以作为标准购买决策相关的任何程序,系统的操作或维护,修理的预测和维护成本。质量和功能的建议模型有效性的确定农业所示机械、拖拉机。2。基于模糊集的有效性表现评估理论数学和概念模型的有效性评估实际上是在两个步骤:总结模糊命题的部分的效性指标;模糊提到的分成一个指标合成。模糊命题过程为代表的声明,包括语言变量基于可用的信息技术系统。在这个意义上它必须定义语言的名字变量,代表不同的等级的效果考虑技术系统和定义的模糊集描述提到的变量。作文是一个模型,它提供了影响结构有效性性能的指标。2.1。模糊模型解决问题第一步创建的模糊有效性模型(E)评估本身和定义语言变量以及可靠性(R)、可维护性(M)和功能(F)有关.许多语言变量,它可以发现最大数量的理性,人类可辨认的表达式可以同时识别(王et al .,1995)。然而,识别的考虑甚至较小的特征数量的变量可以有用,因为专家的判断(Ivezicet al .,2008)模糊集的灵活性一般包括过渡现象。根据以上,五个语言变量为代表的有效性表现包括:穷,充足,平均,和优秀。这些语言形式变量给出适当的三角模糊集(Klir 元,1995),图2所示。在图2中,j = 1,。实际上,5代表的计量单位有效性。因此,部分指标的有效性:R、M和F,隶属函数l:在下一步中,执行max-min组成。马克斯-敏成分,也称为悲观,经常用于模糊代数作为一个综合模型(Ivezicet al .,2008;Tanasijevic et al .,2011;王王et al .,1995;2000)。这个想法是为了让整体评估(E)等于部分虚拟代表评估。这评估被确定为之间的最好的一个最坏的打算部分成绩(R、M或F)。它可以得出的结论是,所有的元素(R、M和F)E有同等影响E,max-min组成以并行方式被使用,这将部分的到综合指标。在文学(Ivezicet al .,2008;etal .,1995)max-min成分通过运营商”和“和”或“提供一个优势在其他的某些元素在合成的过程中,也使用。准确地说,如果我们看看三个部分指标,即他们的隶属函数(1),可以使C:= j3 = 53组合的隶属度函数。每一种组合代表一个可能的合成效果评估(E)。这个表达式(6)有必要映射回E模糊集(图2)。最佳(王et al .,1995),用于转换方法E描述(6)形成定义等级的会员模糊集:贫穷、充足,平均,和优秀的好。这个过程被公认为识别。最佳方法是使用距离E(d)之间通过“max-min”成分(6)和每个人E表达式(根据图2)来表示的程度E是确认每个模糊集的有效性(图2)。越接近勒(6)是第i个语言变量,小迪。距离di等于零,如果勒(6)只是第i个相同隶属度函数的表达式。在这种情况下,E不应该评估其他表达式,由于这些表达式的排他性。假设迪民(i = 1,。,5)是最小的距离对Ej,让a1,。,a5代表相对的倒数距离(计算相应的比率距离di(7)和迪民提到的值)。然后,人工智能:1.一个说明性的例子作为一个说明性的例子对农业机械的评价有效性,比较分析三个拖拉机A1 B2、本文给出和C2。在拖拉机7.146 l发动机LO4V TCD 2013安装。谢谢从35%的扭矩储备,拖拉机是能够满足所有需求预期表现最差的农业操作在农业。总拖拉机质量是16000公斤。根据经济合作与发展组织(代码2)报告最大动力输出轴功率测量在2200转243千瓦的燃油消耗率吗198 g /千瓦小时(ECE-R24)。发动机的最大扭矩1482海里在引擎1450 rpm的政权。传动装置是精心“不一样的”传达。事业联动机制是一个类别II / III与提升11800公斤。在拖拉机B2和C2 8.134 l发动机6081 hrw37 JD安装,储备扭矩的40%,这能够满足所有的拖拉机需求预期表现最差的农业在农业操作。拖拉机总重量是14000公斤。根据经合组织(代码2)报告最大的权力来衡量动力输出轴在2002转217千瓦燃料消耗率193克/千瓦小时(ECE-R24)。在发动机最大扭矩1320海里转速为1400 rpm。传播是“AutoPower。联动机制是一个类别II / III 10790丹的提升力。两个模型都是电子控制拖拉机发动机和燃料供给系统,满足排放法规。从提交的技术特点的拖拉机,B和C看到所有三个拖拉机全功能forperforming困难操作不同的农业技术生产。拖拉机B和C有相同的技术特征,和实践是相同的类型和模式,除了拖拉机B进入操作在2007年5月,一辆拖拉机C 6月2007年。一辆拖拉机实验农场,这是技术文档的基本模型,在7月份进入操作2009年。保持农业技术的主要任务提供功能和机器的可靠性。维护所有三个拖拉机是通过机器商店所拥有的用户升级选择。十个工程师(分析师)致力于维护和操作拖拉机的采访。他们评价R,D和F表1中给出。首先,拖拉机是计算的有效性。可以看出可靠性是由十的分析师评为优秀(6/10 = 0.6),平均三(0.3)和一样好(0.1)。以这种方式获得评估R在表单中,在下一步中,这些评估是映射在模糊集(图1)为了获得评估(1)。例如,可靠性在这个例子中确定(11),它是语言0.6变量优秀加入重量。因此,模糊集优秀定义为:Rexc=(1/0,1/0,1/0,4/0.25 5/1.0)(据吗图1)。这样的特定的值模糊集优秀Rexc0.6 =(1 / 0.6(0),2 / 0.6(0),3 / 0.6(0),4 /(0.25 - 0.6),5 /(1.0 - 0.6)。剩下的四个语言变量被以同样的方式对待。最后对于每个j = 1,。5具体隶属度函数(最后一行,表2)被添加到最后拖拉机可靠性模糊形式(1):这些fuzzificated评估(11)和(12)是合成所必需的评估的有效性,使用max-min逻辑。在这种情况下可以使C = 53 = 125组合,走出48的结果。第一个结果是组合2-2-3:E2-2-3(0.025,0.05,0.125),哪里X2-2-3 =(2 + 2 + 3)/ 3 = 2(四舍五入为整数)。最小值的隶属度函数这一结果的是0.025。其他的结果和相应的我的值如表3所示。所有这些结果都可以围绕尺寸X = 2、3、4和5。拖拉机在很大程度上为0.30065(与30%)评估那么好,拖拉机在很大程度上0.27538(27.5%)评估一样好,而拖拉机C在很大程度上为0.25468平均(25.5%)评估。它可以得出的结论是,C是最糟糕的,当拖拉机只是稍微比B,特别是如果我们看到的评估为优秀的28.8%,而B的程度23.8%的程度。分析了拖拉机可以提出的有效性如图3。,它可以更清楚地看到,拖拉机的最大的效果。如果这个评估(EA,EB,EC)defuzzificated是重心点计算- Z(Bowles & Pelaez,1995),我们得到了评估的效果如下:这就意味着在1 - 5(即从贫困的规模优秀)拖拉机是最好的和拖拉机C是最坏的打算。验证的实现结果,统计分析的可用性,像家庭与有效性概念,已经被使用。那在我们的模型显示,拖拉机是最好的,和C的坏的效果。在现实中,如果我们分析的可用性,它是看到2904 moto-hours拖拉机在工作3130年可用moto-hours;如果10000 moto-hours计算,在9244年的工作将花费moto-hours。拖拉机B的10004年moto-hours可用,它花9069moto-hours在工作,和拖拉机C 9981可用moto-hours花了9045年的工作。实验表明,更可靠和有效的拖拉机是少是延迟。在某种程度上,这个初始的优势消灭更糟糕的物流交付备件的时候涉及到拖拉机,拖拉机a . 1100年moto-hours工作可怜的物流在维护希望8个工作日, 一个给定的拖拉机和它极大地影响了可维护性的下降带来的好处,因此相同的效率(内部技术PKB)总剥削的下降。1.结论本文提出一种模型有效性的评估技术系统、精确农业机械、基于模糊集理论。表现作为整体的有效性指标系统的服务质量,即为整个测量技术系统的可用性。可靠性、可维护性和功能表演已经公认的有效性参数或指标。语言可以被任命为形式所有提到的共同特征指标。因此模糊集理论出现自然工具建模的有效性。在本文中,应用模糊集理论,这是必要的定义:语言变量及其描述隶属函数、模糊规则的组成和模型集成和去模糊化。模糊的成分即max-min逻辑已经被用于集成的有效性指标有效性的整体性能,最适合集成的方法模糊集的隶属函数和质心点去模糊化的模糊数的计算数值。Max-min组合模型,它暴露在这篇文章中,没有以这种方式处理相应的文献。另外,在案例研究中,模型的模糊化的问卷调查的结果,它代表的正是所积累的方式工程师的知识和技能。提出的模型可以作为一个简单的工具的快速估计的有效性即为农业服务的质量机械、基于专家判断和估计。在同时,该模型不需要复杂的IT基础设施。分析实现模糊集和适当的模糊有效性可靠性、可维护性和功能表现可以纠正措施的指导购买的方向吗的设备,结构调整,改变的维护政策或管理/运营商变更本文具体分析了三个拖拉机,标志着一个B和C,这表明更高效的拖拉机越频繁宕机。在某种程度上,这种最初的优势就终止了穷交付备件物流。感谢研究工作得到了塞尔维亚共和国教育部和科学界的支持。湖 南 农 业 大 学全日制普通本科生毕业设计油菜幼苗移栽机栽植系统结构设计THE PLANTING STRUCTURE DESIGN OF RAPE SEEDING TRANSPLANTER 学生姓名:学 号:年级专业及班级:指导老师及职称: 教授学 院:工学院 湖南长沙提交日期:2013年5月1 油菜幼苗移栽机栽植系统结构设计 学 生: 指导老师: (湖南农业大学工学院,长沙 410128) 摘 要 :本设计根据作物育苗移栽的农艺要求,为实现穴盘苗的高效移栽,通过分析国内 外研究现状及发展趋势,找出其中存在问题,并经过一系列的假设和求证,在借鉴已有成果和指 导老师精心帮助的基础上,设计了一种新型的油菜幼苗移栽机栽植系统结构。结构以钢铁为主要 材料来源,能实现穴盘苗的高速移栽并能解决伤苗率高等问题,能加快我国实现农业机械化的进 程,减轻农民朋友的劳动强度,为解决“三农问题”贡献自己的一份力量。 关键词:油菜; 穴盘苗; 移栽机; 栽植系统 The planting structure design of rape seeding transplanter Student::Qiu Fengdeng Tutor:Wu Mingliang (College of engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China) Abstract: Based on agricultural requirement of seedling transplantation, this paper is designed to improve the transplant efficiency of plug seedling through analyzing problems in research status and development trend at home and abroad. Boasted existing findings and assistance from my supervisor, finally, a new transplant system structure for rape seedling transplanter is devised here via various assumptions and demonstrations. With Steel as the main material sources, the structure can promote the transplant efficiency and decrease the rate of injured seedling, accelerate Chinas agricultural mechanization, reduce farmers labor intensity and may help address the issues concerning agriculture, countryside and farmers. Keywords: Rape ; Anakiwa Nae ; transplanter ; planting system 1 绪论 1.1 研究的意义 油菜是我国的主要油料作物,其种植面积已超过1.2亿亩,我国是世界最大的油 菜产区,油菜在我国是仅次于稻、麦、玉米、大豆的第五大作物;同时,油菜是“用 地养地”相结合作物,与粮食争地的矛盾较少,不仅有利于增加土壤肥力,而且油菜 2 在后种水稻比小麦后种水稻可增产15%。目前,油菜和很多其他作物一样,其栽植主 要有直播和移栽两大模式。与直播相比,移栽模式具有很多明显的优势 21: 1、移栽可以大幅提高作物产量,改善作物品质; 2、移栽是解决多茬作物接茬矛盾,提高复种指数的最重要甚至是唯一的方式; 3、直播油菜根系分布往往较浅且茎细,结果期间若遇大风大雨,往往易发生倒 伏,移栽后的则不易发生倒伏 【3】 ; 4、移栽作物还可以有效避免苗期干旱、雨雪和霜冻等自然灾害。 另一方面,油菜移栽是劳动强度极大的一项农事活动,但长期以来油菜移栽均以 人工为主,不仅劳动强度大,而且在职质量差,生产率低,成本高,严重影响农民种 植油菜的积极性和油菜种植面积的进一步扩大,显然,实现油菜移栽机械化已成为油 菜种植生产的迫切需要。从我国油菜整个种植过程的机械化水平来看,油菜移栽前的 机械耕整、开沟。植保和施肥等环节机械化基本解决,油菜收获机械化也有了较大发 展,但油菜移栽机械化一直没有进展,油菜移栽机械花成为制约整个油菜种植业发展 的瓶颈 【8】 。因此尽快攻克油菜移栽机械化技术难关成为当务之急。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外移栽机发展概况 有关资料显示英国、法国、美国和日本等国在自动移栽机的研制方面取得了一定 的成绩,法国在20世纪60年代研制出“皮卡多”自动栽植机 【1】 ,用于裸苗栽植,日 本在20世纪70年代研制出 TPA-1型全自动栽植机,用于钵苗栽植,大大提高了功效, 减轻了劳动强度。随着钵体苗育苗技术的日趋完善,钵苗移栽技术已在国外被广泛地 应用。国外发达国家本领域的研究与应用起步较早,用于种植蔬菜和经济作物,进而 用于玉米等粮食作物,移栽技术和设备发展很快 【12】 。国外钵苗移植机械的种类较多, 主要有3种: 一为钳夹式钵苗移栽机 23; 二为导苗管式钵苗移栽机,其又可细分为推落苗式、指落苗式直播落苗式; 三为篮式钵苗移栽机。 1.2.2 国内移栽机发展概况 目前国内很多单位正在从事油菜移栽机的研究工作,主要是引进和借鉴国外台移 栽机的基础上进行改进仿造 【4】 。我国目前研制和推广的栽植机基本上是半自动化机 型,在栽植过程中,首先由人工将幼苗喂入到移栽机构,再由机具完成开沟、放苗、 扶苗、覆土和镇压等工作 【2】 。全自动移栽机是由人工或机械喂入一组幼苗,由移栽 3 机自动完成分苗和栽植工作。我国目前移栽机主要有以下几类 【7】 : 一、钳夹式移栽机,主要代表为2ZT 型移栽机和 UT-2型移栽机; 二、挠性圆盘式栽植机; 三、吊篮式栽植机; 四、带式栽植机; 五、导苗管式栽植机。 1.2.3 栽植系统的发展现状 栽植机构及配套栽植器是移栽机的核心部件 【6】 ,现在的应用比较广泛的栽植器 主要由以下几种: 1)钳夹式栽植器; 2)圆盘式栽植器; 3)吊环式栽植器; 4) 导苗管式栽植器。 1.3 国内外移栽机械化发展存在的主要问题 经过 40 年的研究和推广,我国的旱地栽植机械有了较大的进展,但是目前仍然 处在起步阶段,在许多方面还是空白或存在问题 24: 1、移栽机与配套技术机具脱节; 2、机具高速作业时易出现漏苗、缺苗和伤苗等情况,可靠性差; 3、机具自动化程度尚待提高。 所以,我研究的栽植系统意在改善上述问题,推进我国油菜种植机械化尽份微薄 之力。 2 方案设计 2.1 国内外方案研究 移栽机械是育苗技术的关键设备,只有移栽技术过硬,才能降低制造成本,成本 降低了才有可能使移栽机械得到普及 25。我国在70年代中期就研制了第一台玉米移 栽的机械之后继续投入大量的精力和人力。又开发和引用了多种适用于蔬菜,棉花, 玉米,甜菜等经济作物的栽植机械,但均因为育苗技术太落后,配套性能差,综合效 益低等原因,均未得到推广应用。 近几年来,随着育苗技术的发展以及劳动力成本的上升,推动了栽植机械的研 制开发工作,又有多种新型栽植机的出现。但从总体上讲,目前我国研制使用的移栽 机械都是半自动式的。全自动的移栽机因结构复杂,成本高,而仅处在研究起步阶段。 4 而从国外进口的移栽机械又由于和中国的农业大环境不能够很好的融合而没有得到认 可 【15】 。所以为了推广油菜的种植,提高农民种植的积极性,就必须有一种价格既经 济又能够大大降低农民的劳动强度的移栽机的出世。为此,我们可以从国内外现有的 移栽机入手,取其精华,优化设计。 归纳起来,我国研制的或使用的半自动的移栽机及国外的移栽机不外乎有以下几 种结构形式: 2.1.1 钳夹式移栽机 依靠人工将秧苗喂入到在转动轮上的钳夹,秧苗被夹持着强制性随着转动,到达 苗沟时,钳夹张开,将秧苗插入到土层之中。随着秧夹的转动,秧苗和秧夹就会被分 开,于是秧苗被栽植到土壤中。这种机械的结构简单,株距和栽植深度稳定,但作业 速度低,一般为 3045 株/分,而且容易夹伤秧苗,栽植的秧苗容易倾倒和被土壤埋 没。这种机型由于栽植速度慢而没有得到推广应用。钳夹式移栽机典型代表是 1979 年山西省运城地区农机所研制的 2ZMB-2 型钵苗移栽机。 2.1.2 链夹式栽植机 工作原理与钳夹式移栽机相似,栽植部件安装在环形链条上,秧苗由人工喂到链 夹上,由链夹将秧苗栽植到土壤中 【11】 。由于只改变了传动方式,因此其性能与钳夹 式移栽机相同。如黑龙江省农垦科学院 2Z-2 型玉米钵苗移栽机。 2.1.3 挠性圆盘移栽机 此移栽机的主要特点是夹持秧苗可以不受钳夹或链夹数量的限制,因此对株距 的适应姓能好。人工将秧苗放置到两片可以变形的挠性圆盘内,由圆盘的转动将秧苗 栽植到土壤中,完成栽植过程 22。圆盘一般采用橡胶材料制成,结构简单实用,但 株距和栽植深度不稳定,也容易出现埋苗 【16】 。同时,挠性圆盘的受命较短。如 农科院农机所的 2ZT-2 型纸筒甜菜移栽机 【18】 。 2.1.4 吊篮式移栽机 吊篮式移栽机主要适合钵苗移栽,由人工将钵苗放入到型如吊篮式的栽植爪内, 栽植爪随着机构转动,当快要到达投苗点时,栽植爪开始被强制性打开,钵苗开始脱 落,在拖拉机的前进速度和钵苗的下落速度的合成速度在水平方向等于零时,钵苗开 始被定点栽植(当然,这种现象只可能在理论上实现,我们所要做的就是使钵苗的栽 植时刻尽可能的接近这个点) 【13】 。随着撞在偏心圆盘上的栽植爪进入开沟器开好的沟 内。此时。在固定轨道的作用下。栽植爪的下部张开落下并立即被覆土定植,而栽植 爪在离开固定轨道后自动关闭。 2.1.5 导苗管式移栽机 在前面的几种移栽机中秧苗或钵苗的运动都不是自由的,鸡都是被强制性做着运 5 动,所以很容易伤到苗,而导苗管式移栽机与上述几种移栽机相比较就有所不同了。 秧苗在导苗管式移栽机的运动是自由的,不是强制性的,因此不易伤苗。另一方面, 喂入器是由多个水平转动的喂入桶或者是较长的输送带构成,人工喂苗时,不必像上 述移栽机一样逐个喂入。人只需往喂入器里面不断的放苗即可保证露苗现象的发生, 所以其喂如速度可以大大提高,作业速度能达到每分钟 6070 株,比钳甘式移栽机 提高 3050。这种移栽机的优点是速度快、效率高,但缺点也很明显,那就是不 易控制钵苗的栽直质量且结构比较复杂。如中国农业大学的 2ZDF 型导苗管式移栽机。 2.1.6 带式栽植机 带式栽植机由水平输送带和倾斜输送带组成,两带的运动速度不同,钵苗在水平 输送带上直立前进,在水平输送带末端翻倒在倾斜输送带上,运动到倾斜输送带末端, 钵苗翻转直立落到苗沟中 【19】 。这种栽植机机构简单,栽植频率高达 240 株/分,但是, 在工作可靠性方面需要进一步改进。如山东工程学院的 2ZG-2 型钵苗移栽机。 目前的移栽机由于大部分是半自动化,且是人工喂钵,栽植速度有限,喂入频度 不能超过 60 株/分,否则就会使人感到紧张,容易出现漏苗现象,劳动强度大,生产 率不高,仅为人工栽植的 2-5 倍。全自动化移栽机,理论上可以提高喂苗频率,但由 于结构复杂,制造成本高,而且对育苗技术要求高,因此,仍处于试验阶段。移栽质 量不稳定,尤其是没有扶苗装置的移栽机,秧苗的直立度、株距、深度等都不能完全 达到农业技术要求 【17】 。 2.2 方案的设计 在研究完国内外移栽机栽植系统的优缺点后,如何尽可能去将自己的想法应用 于实践中,从而去改善这些已存在移栽机不足之处,成为本方案选择的主要意义所在。 新型移栽机意在解决的主要问题在于幼苗的入土过程要尽量消除有伤苗嫌疑的装置部 分,而在入土后未覆土之前要保证幼苗的直立度,不要东倒西歪 【9】 ,为了解决这个 问题,在本设计的新型栽植系统中特确定以一定深度和直径的圆孔作为苗穴,而幼苗 的入土过程是通过一长落苗筒实现的,而为了保证落苗的精确性,特将主动轴与输出 轴之间的运动传动比给定为 1:1,而将落苗装置的运动设计为圆周运动;入完秒后, 将覆土装置设计为镇压轮覆土方式,覆完土后就将浇水装置匹配于栽植系统中。所以, 可将总体方案的设计任务定为以下 4 个部分:打孔、放苗、覆土和浇水。 2.2.1 总体结构的设计 其中,为了保证幼苗的立苗度,本设计采用打孔为苗穴的方式,根据穴盘苗的具 体尺寸大小和栽插深度来决定打孔装置的具体尺寸,其中打孔深度为 5 厘米,打孔直 6 径为 5 厘米。栽植系统装在四方体方形框内,其简单示意图如下: 图 1 栽植系统主要工作部分 Figure 1 planting system working part 2.2.2 打孔装置的设计 其中,打孔部分采用轴为中心,将打孔器 【10】 焊接于中心轴上,根据株距距确定 每个打孔装置的位置,行距确定每个打孔器之间的间隔及其在轴上的位置,轴的尾端 用轴承和轴承座将其固定于铁架上,打孔装置简易示意图如下: 7 图 2 打孔装置 Figure 2 punch device 2.2.3 运动的传动设计 打孔为苗穴的移栽方式最大难题是如何保证幼苗的放置孔内时机能与打孔时机 保持同步,解决这一难题的前提是要将打孔装置的运动同比转化至放苗装置。其中第 一传动部分可用链传动将打孔轴的运动形式同比传至另一传动轴;第二部分是通过第 二根传动轴将打孔装置的运动通过锥齿轮变向传动给分别位于放苗装置的输出轴上, 以此来实现与打孔装置同步放苗的预期目标。其简单示意图如下: 图 3 运动传动图 8 Figure 3 motion transmission diagram 2.2.4 放苗装置的设计 打孔轴上每个打孔器上装有 6 个打尖端,打孔轴上的运动是以 1:1 的传动比传送 至输出轴上的,为了保证放苗速度与打孔速度保持一致,确定放苗装置是以中心轴为 中心,以一定直径的圆为分布轨迹,6 个落苗筒阵列分布于圆的圆边上,同时为了实 现幼苗的落入位置与打孔位置一致,特于落苗筒的底端有一活动挡板,活动挡板与位 于落苗筒下的落苗挡板以极小间距配合,当落苗器跟着输出轴旋转到落苗挡板上的缺 口部分时活动挡板会自动开启,幼苗即会顺着落苗圆筒自动掉入秧穴内 【20】 。其简单 示意图如下: 图 4 放苗装置 Figure 4 Plants putting device 2.2.5 覆土装置的设计 覆土装置是采用现已广泛应用的 V 形双轮,相比较装有开沟机的移栽机上的双轮, 本设计由于装有打孔装置,所以双轮的尺寸不是很大,它是通过空心铁棒连接于本装 置的后架上,且每个覆土轮与水平面成 60角分布。由上可知,幼苗的入土深度最多 为 5 厘米,为了保证秧苗的最佳生长环境,拟定覆土轮工作时的入土深度为 3 厘米。 其简单示意图如下: 9 图 5 覆土装置 Figure 5 casing device 2.2.6 浇水装置的设计 放完苗覆完土,接下来的就是浇水了。浇水装置采用了简单的水管浇水方式, 原理为在整个机架的上方固定一个大水桶,在水桶口引出一根较大水管,然后在适当 位置分成 6 根小水管分别固定在在每个镇压轮后上方空间内,浇水后的镇压轮轨迹与 幼苗所在凸起部分形成交替隔沟,使其浇水更合理。其简单示意图如下: 1.水桶 2.水管 图 6 浇水装置 Figure 6 watering device 2.3 牵引装置的选择 由于栽植系统是以打孔轴的旋转运动带动后部工作装置进行移栽工作,而打孔轴 的运动是依靠牵引装置的牵引力实现旋转运动的,所以选定拖拉机作为移栽系统的动 力部分,而整个移栽机的组成部分还包括旋耕机、取苗装置和送苗装置等,这里就不 10 确定拖拉机的具体型号了。而移栽系统与动力装置的连接方式采用一直广泛使用的三 点悬挂装置,同时,可在三点悬挂装置加根可拆装的支撑杆,以便无需使用移栽系统 时拆下包养。其简单的示意图如下: 图 7 三点悬挂装置 Figure 7 triangular suspension 3 系统零件的设计和计算 3.1 打孔装置的尺寸计算 根据要求,打孔深度为 5 厘米,打孔直径为 5 厘米;株距为 20 厘米,行距为 30 厘米,每次作业为 6 行。由此,给定打孔装置的工作半径为 r。 图 8 打孔器 Figure 8 Hole puncher 11 如图所示,由于株距为 20 厘米,所以虚线圆周长: L=620cm=120cm 所以虚线圆半径: r=120219.1cm 其中打孔深度为 5 厘米,孔直径为 5 厘米,所以打孔圆柱加尖头部分总长为 5 厘米, 圆柱部分直径为 5 厘米;加固圆形方条的内径指定为 90 厘米,外径指定为 100 厘米。 3.2 轴的设计与校核 3.2.1 主从动轴的的设计与校核 由上文可知,移栽装置的前进速度为 720 米每小时,而打孔装置的最大周长为 120 厘米,由此主动轴的转速为 600r/h。由于打孔装置打孔是靠移栽机构的重力下压 实现,所以取每个打孔装置打一个孔所需力为 500N,一次性实现打 6 个孔所需力: F=6500=3000N 所以,打孔装置瞬时所需功率 P=FV=30000.2=600W 于是打孔装置所在轴的材料选用 45 钢调质处理,轴的最小直径 d1C =47.2mm (1) 3nb 考虑到键槽对轴强度削弱的影响,轴径应加大 5%,则 d1=1.0547.2=49.6mm 由于从动轴运动必须与主动轴保持同步,所以传动比为 1:1,但从动轴由于需要需加 6 键槽,所以从动轴最小直径 d2=47.21.056=69.8mm 所以,取定主动轴的直径为 75mm。 查表可知,选定轴承为深沟球轴承 6014 GB/T276-1994,其宽度为 20 厘米,又移栽 行距为 30cm, l1=3005=1500mm 取两边的打孔器中线位置与轴承中线位置各 50mm,所以主动轴的的长度 L=1500+250+220=1640mm 所以主动轴的体积 V=3.1437.5 21640=7441cm3 轴的材料选定为 45 钢,45 钢的密度查表可知近似为 7.9g/cm3 ,所以主动轴的质量为 12 M=74417.9=58784g=58.784kg 所以,主动轴的重力为 G=Mg588N,因此,初步给定栽植系统所受重力为 4000N,轴的 转速为 10r/min ,打孔轴所受功率为 P=600w,所以 转矩 T=9550P/n=573KN/m (2) 取打孔装置共为 G=600N,轴上受到水平力 F=400N,并且假设重量在轴上呈线性分布 1.绘制轴的受力简图: 2.求水平支反力: FAH=FBH=F/2=200N (3) 3.绘制水平面弯矩图: MCH=MAHLAB/2=1.422X105(N.mm) (4) 4.求垂直支反力:由 得0BM FAVLAC-FCVLBC=0 (5) 由 得 F AV+FCV-G=O0 求得 F AV=175N FCV=225N 5.绘制垂直面弯矩图:截面 B 的弯矩 MAC=MBC=FACXLAC=1.544X105(N.mm) (6) 6.绘制合成弯矩图:根据 M= 得VH2 (7).(10522mNMBV 7.绘制转矩图: T=9550P/n=573KN/m (8) 8.绘制当量弯矩图: (9)(22Te 当由当量弯矩图和轴的结构图可知,B 处和 D 处最优可能是危险截面,应该计算 器当量弯矩。此处可将轴的扭转剪应力看作脉动循环,取 0.6,则 B 截面: =2.766x105(N.mm) (10)(22Me D 截面: =2.453x105(N.mm) (11)d 9.校核危险截面处的强度: 13 B 截面: (12) MPabPadMWCee 51)(3.01.0 762.4533 D 截面: (13)PabPaDee 51)(87.261.0 72.353 故轴的强度足够。 图 9 轴的受力分析与强度计算 Fig 9 The force analisis and strength calculation of shaft 3.2.2 导苗管旋转轴的设计与校核 由于从动轴与 6 个导苗管轴连接,所以每个导苗管的承载功率为 P1=P/6=100W (13) 因此,旋转轴直径 d3=C =21.5mm (14)nb 14 考虑到键槽对轴强度削弱的影响,轴径应加大 5%,所以 d3=1.0521.5=22.6mm 因此,选定轴的直径为 30mm。另外输出轴的校核与主动轴的校核类似,在这里就不一 一校核了。 3.2.3 轴承的设计与校核 由上文可知,主动轴的最大直径为 75mm,所以查表可知可选用 GB/T276-1994 中 的 0 尺寸系列的 6014 号轴承;从动轴的直径与主动轴相同,故零件的选择与主动轴 一致。 已知装轴承处的轴径为 70mm,转速为 10r/min,选用深沟球轴承 6214,C 0=30.5KN: 对深沟球轴承,其径向基本额定载荷 (15) 16)0(htpLnfPCr 式中 基本额定动载荷,查表 8-23 得rC =30.5kNr 载荷系数,查表取 =1pf pf 当量动载荷,NP 基本额定寿命,本机预设寿命 =4000hhLhL 轴承转速,r/minn 寿命指数,对球轴承 =3 P=7429.4N 故在规定条件下,6014 轴承可用;以同样方法,校核轴承 6005 同样可用。 3.3 传动部分设计 本移栽装置必须保持打一个孔栽一棵苗的精度,所以主动轴的运动形式必须与导 苗管处的旋转轴运动保持一致。在主动轴与从动轴之间选择链传动,并以 1:1 为传动 比。主从动轴的安装位置是和地面保持平行的,而导苗管旋转轴是垂直于地面的,要 想实现运动的转换必须是用锥齿轮,而每排的 6 个导苗管必须保持同步,因此实现运 动转换的锥齿轮必须分度圆直径一致。 3.3.1 直齿锥齿轮的设计 15 根据本移栽系统的要求及查表可知,选定锥齿轮的模数 m=4,齿数 z=30,由此可 知: 齿顶高 (16) mha4* 齿根高 (17)cf 5)( d=mz=304=120mm (18) df=d-2hfcos=113mm (19) da=d+2hacos=125.6mm (20) (21)4.2rctnRhaa (22)03rtff a=+ a=47.4 (23) f=- f=42 (24)1tani 45,9012 0212其 中 式中: 分别为齿顶角和齿根角 ; 为分度圆锥角; 分别为顶锥角和根锥角。f, fa, 由此可得下表: 表 1 锥齿轮主要参数表 Table 1 bevel gear main parameters m z df df a f 4 30 125.6 113 2.4 3 从动轴与输出轴之间的传动比为 1:1,所以输出轴上的锥齿轮主要参数和主动轴 上的锥齿轮是一致的。 3.3.2 直齿锥齿轮的校核 轴夹角为 的一对钢制直齿圆锥齿轮的齿面接触强度验算公式为09 (25) ubKTRH1 32)(5.03 16 其中: (26)mzmR86.4221 (27)b.6 (28)NnPT.2.5990 其中 K=2.3,=1。 =18.86MPa =550MPa (29)ubKTRH1 32)(5.03H 齿面的接触疲劳强度符合设计要求。 根据当量圆柱齿轮,可得齿根弯曲疲劳强度验算式 1212zbmYKTbdYsFmsFF (30) 43.268.37.mCOSZS,为 平 均 模 数 ,其 中 FmsFmsFF MPazbYKTbdY45211 (32) 齿根的弯曲疲劳强度符合要求。 3.3.3 轴中心距的计算 由上文可知,株距为 20cm,考虑到打孔器的直径宽度和落苗器的直径,初步给定 两轴的中心距为两倍株距 40cm。 另一方面,当幼苗从落苗筒底端落下时,会以一定的初速度向下落,其中初速度 可以分解为落苗装置所在圆平面内直径方向和切向方向两个速度。 对于直径方向速度来说,系统是以 20cm/s 的速度前进的,幼苗的下落高度为 20cm,所以由位移与速度的关系可知: s=v0t+at2 (33) 式中,由于系统是水平前行的,所以初始速度 v0=0;取 a=10,s=0.2m,所以 0.2=5t (34) t=0.2s 因此,幼苗的前拋距离为 s1=vt=4cm (35) 17 对于切线方向的速度来说,幼苗落入秒空所需时间为 0.2 秒,落苗筒中心所在平 面圆的半径为 7cm,而平面圆的角速度和打孔器的角速度是一样的,所以平面圆切向 速度与打孔器切向速度之比为 i=701910.35 所以,平面圆上的切向速度 v1=0.35v=7cm/s (36) 因此,幼苗的横抛距离为 s2= v1t=1.4cm (37) 又因为落苗筒是以逆时钟旋转且落苗挡板的倾斜方向为速度的相反方向,所以幼苗在 下落前的位置应在落苗筒的靠左位置,而落苗筒的直径为 4cm,足以覆盖由幼苗下落 的这段时间内产生的与苗穴位置的相对误差。 另一方面来说,由于系统的行进速度较大为 20cm/s,而秧苗在下落过程中产生的 径向位移为 4cm,而落苗筒直径为 4cm,不能完全覆盖幼苗的径向位移,覆盖值为 20mm,所以确定主动轴与从动轴的中心距为 420mm。 3.3.4 链传动的设计 由系统要求和查表可知,选定链轮的主要参数如下表: 表 2 链轮主要参数表 Table 2 sprocket main parameters 名称 符号 数值 适配链号 RS80 节距 P 25.4 滚子外径 dr 15.88 齿数 Z 30 梁祝测量矩 Mr 185.82 量柱直径 dR 15.88 4 结论 毕业设计是我们大学生涯中最后一个极其重要的环节,是对我们大学四年所学知 识的一个全面性考察,是教会我们将理论知识与实际相结合的一次重要实践机会。通 过三个多月的不断尝试和探索,关于油菜幼苗移栽机栽植系统结构设计的毕业设 计得以顺利完成。当然,在这三个月的设计时间内,我遇到了诸多难题,比如说系统 18 方案的拟定、幼苗的直立度保证问题和幼苗的精确入孔问题等,但经过查阅资料、请 教老师和同学探讨研究,最后还是顺利解决了问题。 所以,经过此次设计过程,让我深刻体会到自身理论知识的匮乏和实践经验的严 重不足,也让我感受到了农机这一行业的广阔和严谨和创新能力的重要性;当然,设 计过程中让我体会到在面对问题时培养自己解决问题能力的重要性,也让我体会到集 思广益的诸般好处,因为在自己独立思考并翻阅各种材料以及和老师同学们的交流中 让我增长了见识、开拓了眼界,这将会是我在今后的人生道路上的一笔巨大财富。 当然,在本次设计中,由于作者水平有限以及其他诸般因素的影响,本设计肯定 存在较多的错误和不足之处,还望各位老师和同学多加批评和指正。 参考文献 1 尹业宏,孙金风,安宁,等.同步扶正棉苗移栽机设计J.湖北农业科学,2010,29(1):194-196. 2 丁文芹,毛罕平,胡建平,等.穴盘苗自动移栽机的结构设计及运动仿真分析J.农机化研究. 2011,(10):75-78. 3 官春云.冬油菜栽培新方法:机播机收、适度管理J.农业技术与装备.2008,(5):12-13. 4 封俊.论我国旱地栽植机械的开发前景和方向J.中国农机化,2000,(4):12-13. 5 韩占全,封俊,曾爱军.我国旱地栽植机械的现状和发展前景J.现代农机化,2000,(8):29-31. 6 陈风,陈永成,王维新.旱地移栽机现状和发展趋势J.农机化研究,2005,(5):24-26. 7 武科,陈永成,毕新胜.几种典型的移栽机J.农机化,2009,(3):12-14. 8 汤修映,侯书林,朱玉龙,等.油菜移栽机械化技术研究进展J.农机化研究,2010, (4):224- 227 9 张旭.齿轮齿条式膜上打孔机构的研究J.农业科技与装备,2012,(3):33-35. 10 于建群,马成林,左春圣,等.新型铲式播种机打孔器的研究J.农业机械学报,2001, 32(1): 38-41. 11 韩长杰,万建林,杨宛章,等.2ZB-2 型移栽机的研制J. 农业科技与装备,2010,(6):51-52. 12 Gee-Clough, D. 1974. 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