基于气流的振动输送式有序抛秧新机构分析与优化

论文摘要

抛秧是种新型的水稻栽植技术，有序抛秧是一种具有一定行距和株距的抛秧方式，具插秧和传统抛秧的优点，有序抛秧机械是国内热门的研究课题。其核心部件，分秧机构是有序抛秧机研究的关键和难点。本课题提出并研究了一种基于气流的振动式有序抛秧分秧新机构，本机构完全不同于现有有序抛秧分秧机构。本课题的研究目的，是通过对分秧机构的各参数对钵苗分秧的影响，建立模型并进行参数选择与优化。本文主要的研究内容和结果如下：1)通过对国内外有序抛秧机的研究，指出现有抛秧机存在分秧机构复杂、作业效率低、需带盘操作，增加了机子的操作空间等问题，提出了一种基于气流的振动式有序抛秧分秧新机构，该机构将振动与气流作用相结合，振动使秧苗在振动板上运动，气流使钵苗保持直立，钵苗自动排序，拨秧轮拨指把钵苗一棵棵地拨离，钵苗顺着导苗管落入田中，完成有序抛秧作业。2)用有限元技术研究了抛秧机振动输送机构的动力学性能，得到机构的各阶频率和相应振型，并进行了模态试验分析，试验结果与仿真数据基本一致，可以利用模态分析对振动输送机构的参数进行优化。3)对钵苗在振动输送板上运动学和动力学进行了分析，并模拟计算和实验验证，证明钵苗运动特征值的模拟计算值与实验值接近，用高速摄影进行瞬时速度的分析，发现钵苗瞬时速度是变化和波动的。钵苗在振动板运动的理论分析与计算方法可用于抛秧机振动输送机构的参数分析与优化计算。4)提出了钵苗自动正位的概念，并对钵苗在振动输送过程中受到钉子阻碍后，其运动学和动力学进行了分析。用高速摄影对单颗钵苗和群体钵苗进行观察分析，证明钵苗在运动过程中受到钉子的阻挡后会自动在惯性力的作用下沿振动方向产生土钵在前的运动，通过合理的机构参数选择，钵苗自动正位是可行的，可使原来杂乱的钵苗自动排序。5)对钵苗在气流作用下的动力学特性进行了理论分析，并用试验验证了钵苗在气流作用下是完全可以直立的，通过对钵苗在气流作用下的特性分析与试验，可以确定钵苗在振动时的合适的气流速度，保证钵苗以一种直立的姿势向前运动，做到有序排列。6)建立了拨指拨秧的力平衡式，在不同拨轮转速情况下，对弧形、水平、倾斜三种形状拨指在无挡条和有接条时的拨苗过程的进行高速摄影观察与分析，发现加挡后钵苗能比较容易地达到土钵在下，叶子在上的钵苗下落效果，而无挡条时，则很难做到，拨轮转速太高，则钵苗易掉落，不能可靠地工作。一般情况下，速度较低时拨秧效果较好。7)建立了钵苗在导苗管运动的方程，并对钵苗的入土深度进行了试验，通过试验发现钵苗落差高度在0.75～1.5 m范围内时，秧苗栽植深度为3～13 mm，可以满足秧苗栽深的农艺要求。8)总结全文并提出进一步研究的设想及方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 附图索引
• 附表索引
• 第一章 课题的研究意义和国内外研究现状
• 1.1 课题的研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外抛秧机发展概况
• 1.2.2 国内抛秧机发展概况
• 1.3 抛秧机研究存在的问题与发展
• 1.3.1 存在的问题
• 1.3.2 抛秧机发展趋势
• 1.4 气流振动式有序抛秧机构构造与工作原理
• 1.5 研究内容和方法
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 研究方法
• 第二章 振动物送机构的模态和稳态响应分析
• 2.1 有限元法动力学分析
• 2.1.1 模态分析
• 2.1.2 谐响应分析
• 2.2 振动输送机构有限元力学模型的建立
• 2.2.1 振动输送机构的特点
• 2.2.2 模型参数的选取
• 2.2.3 建立有限元模型及网格的划分
• 2.2.4 边界约束条件的施加
• 2.3 振动输送机构动态响应分析
• 2.3.1 振动机构模态分析
• 2.3.2 振动机构稳态响应分析
• 2.4 模态试验设备与试验方法
• 2.4.1 试验设备
• 2.4.2 试验方法
• 2.5 振动输送机构试验分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 钵苗在振动板上运动的模拟计算与高速摄影分析
• 3.1 钵苗在振动板上的运动分析
• 3.2 钵苗运动特征界限值的模拟计算和试验
• 3.2.1 模拟计算程序框图
• 3.2.2 模拟计算及分析
• 3.3 钵苗振动输送速度模型的建立与模拟计算
• 3.3.1 钵苗运动公式的导出
• 3.3.2 速度和位移计算模型的分析
• 3.3.3 程序框图
• 3.3.4 模拟计算及分析
• 3.4 钵苗在振动输送板上运动的试验分析
• 3.4.1 试验设备、材料与方法
• 3.4.2 试验结果与模拟计算值的分析与对比
• 3.5 本章小结
• 第四章 钵苗自动正位及机构参数分析与试验优化
• 4.1 钵苗自动正位运动的理论分析
• 4.2 钵苗重心的理论分析与实验测定
• 4.2.1 钵苗重心的理论分析
• 4.2.2 钵苗重心的试验分析
• 4.3 单颗钵苗运动的试验分析
• 4.3.1 试验方法材料和设备
• 4.3.2 单颗钵苗正位的试验
• 4.3.3 单颗钵苗正位的高速摄影观察与分析
• 4.3.4 单颗钵苗正交试验与优化分析
• 4.3.5 基于SAS统计分析软件的正交实验结果分析与比较
• 4.4 群体钵苗正位过程试验与分析
• 4.4.1 试验方法与材料
• 4.4.2 试验结果与分析
• 4.4.3 钵苗运动的高速摄影观察
• 4.5 本章小结
• 第五章 钵苗在气流场中运动状态分析与试验
• 5.1 钵苗在气流场中的受力分析
• 5.2 试验材料、方法和设备
• 5.3 静止状态钵苗直立所需气流的试验
• 5.4 振动时钵苗气流特性分析
• 5.5 钵苗在气流与振动共同作用时的高速摄影分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 拨秧过程的理论分析和高速摄影试验研究
• 6.1 抛秧轮拨秧过程的理论分析
• 6.1.1 抛秧轮拨秧过程
• 6.1.2 影响拨秧的因素及分析
• 6.2 试验设备、材料与方法
• 6.3 拨苗过程的高速摄影观察与分析
• 6.3.1 无挡条时的拨苗过程的高速摄影观察与分析
• 6.3.2 有挡条时的拨苗过程的高速摄影观察与分析
• 6.3.3 有挡条时群体钵苗拨苗过程的高速摄影观察
• 6.4 本章小结
• 第七章 钵苗在导苗管中的运动分析与参数优化
• 7.1 钵苗入土速度和入土深度的试验与分析
• 7.1.1 试验装置和方法
• 7.1.2 钵苗入土深度试验结果与分析
• 7.2 钵苗与导苗管摩擦系数的测试
• 7.2.1 试验材料和方法
• 7.2.2 试验结果分析
• 7.3 导苗管中钵苗运动分析
• 7.3.1 钵苗初始垂直下落运动
• 7.3.2 钵苗沿导苗管的下滑运动
• 7.3.3 抛栽段钵苗的运动分析
• 7.4 导秧管的参数设计
• 7.6 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 本论文的主要创新点
• 8.3 进一步研究的展望
• 参考文献
• 致谢
• 博士学习期间发表的相关论文、课题和申报的专利