油菜免耕直播机关键部件工作机理与试验研究

论文摘要

我国是油菜生产大国,油菜常年种植面积居世界第一位,南方冬油菜区是我国的油菜主要产区,其种植手段严重落后,劳动强度大,经济效益低。改变目前油菜种植方式的唯一途径就是机械化。而油菜种植的关键技术是控制基本苗数量和田间排水畅通,涉及到机械上即为排种系统和开沟系统。然而,目前针对油菜播种的排种器还不是很成熟,排种精度难以控制;而开沟机市场上较多,大都属于工业用产品,大功率,机体重,价格昂贵,难以配套到农田作业。尤其是对机具与土壤的相互作用的理论研究很少,为此本研究针对油菜种植机械的关键部件开沟系统和排种系统进行理论研究,并设计制作了试验研究载体2BYF-6型油菜免耕直播联合播种机。该理论与试验研究为今后设计同类型免耕直播播种机提供理论依据。通过对油菜籽粒的物理机械特性的测定及对偏心轮型孔轮式排种器的排种机理进行分析,得到了设计排种系统的基本参数。借助Solidworks软件对排种系统核心部件—排种器进行结构设计和仿真,进一步优化排种器的结构参数,最后通过台架试验和田间播种试验验证。试验结果表明该排种系统能顺利完成油菜播种的要求。开沟器是2BYF-6型油菜免耕直播播种机的关键部件之一,本研究首先借助matlab优化工具箱对旋耕开沟刀盘进行结构优化设计,初步确定了刀盘结构参数,以此为基础,从运动动力学的角度建立起开沟刀盘在土壤中的运动模型。进而研究在刀片作用下的土粒受到切土、运土、抛土三个连续过程中的运动动力学数学模型,结果表明:土粒在运土及抛土阶段时,其速度和加速度及抛土阶段的横向抛土宽度不仅与旋耕刀盘的结构尺寸Ri,Rl,φ0,δ和运动参数ω有关,还与土壤的物理机械性质f,k,土壤在刀片正切面上的运动方向θ有关。当旋耕刀盘体结构及运动参数确定后,土粒的运动速度和加速度主要与土粒在刀片正切面上的运动方向θ角及土粒受到刀片正切面支撑力与土粒质量比值系数k（土壤的物理机械性质）有关。最后借助Maple软件对相应数学模型仿真,进一步确立相关参数的影响权重。从被抛起土粒与挡土板相碰撞为前提,建立了土粒能与挡土板碰撞的条件,得到了挡土板材料、形状,安装位置对土粒最终抛向厢面的影响关系。以实现覆土均匀、细碎设计试验进行免耕播种机开沟性能试验研究,利用单因素、多因素正交试验,分别考查机具结构,土壤物理机械性质对开沟覆土的影响,从试验的角度验证了理论分析的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1 课题研究背景
• 1.1 稻田油菜免耕直播
• 1.2 油菜免耕农艺要求
• 2 国内外保护性耕作技术的发展概况
• 3 国内保护性耕作发展状况
• 4 国内外油菜免耕直播机的概况
• 5 国内外排种器研究现状
• 6 国内外开沟机研究现状
• 6.1 国外开沟机
• 6.2 国内开沟机具研究
• 6.2.1 铧式开沟机
• 6.2.2 链齿式开沟机
• 6.2.3 螺旋式开沟机
• 6.2.4 圆盘式开沟机
• 6.3 机具作业机理研究
• 7 研究意义
• 8 研究目的
• 9 研究内容
• 第二章 机具结构
• 1 总体结构
• 2 工作原理
• 3 2BYF-6型油菜免耕直播联合播种机主要技术参数
• 4 行走动力系统
• 5 排种、排肥系统
• 6 开沟覆土部件
• 6.1 开沟器结构参数的确定
• 6.1.1 刀片型号
• 6.1.2 刀片选型
• 6.1.3 刀片的布置原则
• 6.1.4 刀盘转向的确定
• 6.2 清沟机构
• 6.3 挡土板
• 7 随动轮式仿形机构
• 8 声光监控系统
• 9 操作系统
• 10 传动系统
• 11 本章小结
• 第三章 刀盘结构优化
• 1 刀盘体结构及工作原理
• 1.1 刀盘体结构
• 1.2 工作原理
• 2 优化数学模型的建立
• 2.1 设计变量
• 2.2 目标函数
• 3 约束条件
• 3.1 开沟刀盘内孔直径
• 3.2 安装刀片螺栓孔位置
• 3.3 开沟刀盘外径
• 3.4 刀片安装数量
• 4 MATLAB优化计算
• 5 优化后刀盘体结构
• 6 田间试验
• 7 本章小结
• 第四章 排种器特征造型
• 1 偏心轮型孔轮式排种器的结构、工作原理及其特性
• 1.1 偏心轮型孔轮式排种器的结构
• 1.2 偏心轮型孔轮式排种器工作原理
• 2 基于特征的排种器零件参数化造型
• 2.1 Solidwork基于特征的造型方法
• 2.2 基于特征排种器零件的造型
• 2.3 基于型孔轮的装配关联设计
• 3 爆炸视图和运动模拟
• 3.1 创建爆炸视图
• 3.2 动画模拟运动
• 4 二维工程图的生成
• 5 本章小结
• 第五章 排种器排种机理研究
• 1 排种理论分析
• 1.1 充种机理
• 1.1.1 种子向型孔靠近的力学分析
• 1.1.2 种子充入型孔的力学分析
• 1.1.3 充种极限速度
• 1.2 护种过程种子运动与受力分析
• 1.3 投种后种子下落运动分析
• 2 伤种机理
• 2.2 装配、加工误差对伤种的影响
• 2.3 挤压对破损率的影响
• 2.4 护种环与内齿型孔轮焊合体对伤种的影响
• 3 本章小结
• 第六章 排种性能试验研究
• 1 种子物理特性试验
• 1.1 材料与方法
• 1.2 排种特性测定
• 1.3 物理机械特性测定
• 2 排种器的工作原理
• 2.1 排种器的结构
• 2.2 排种器的工作过程
• 3 试验
• 3.1 试验材料、试验地点
• 3.2 试验设备
• 3.2.1 多功能排种试验台
• 3.2.2 偏心轮型孔轮式排种器
• 3.2.3 游标卡尺
• 3.2.4 手握数字转速表
• 3.2.5 电子天平
• 3.3 试验方法
• 3.3.1 公顷播量的测定方法
• 3.3.2 播种均匀性测定方法
• 3.3.3 种子破碎率的测定方法
• 3.4 试验数据分析
• 3.4.1 排种器转速与播量的关系
• 3.4.2 排种器转速与排种均匀性的关系
• 3.4.3 排种器转速与破损率的关系
• 3.4.4 排种器总排量稳定性、各行排量一致性分析
• 4 本章小结
• 第七章 土壤在刀片作用下的运动学分析
• 1 切土阶段
• 1.1 旋转开沟器刀盘刀片的运动参数方程
• 1.2 旋转开沟器刀盘刀片上任意点M的速度参数方程
• 1.3 旋转开沟器刀盘刀片上任意点M的加速度参数方程
• k'>1.4 旋转开沟器刀盘刀片的接触角α_k
• 1.5 旋转开沟器刀片切削土壤的单元垡片
• 1.6 旋转开沟器刀片切削土垡的长度l
• 1.7 旋转开沟器刀片切削土壤的功耗
• 2 运土阶段土粒运动动力学分析
• 2.1 坐标系建立
• 2.2 土粒速度分析
• 2.3 土粒加速度分析
• 2.4 土粒受力分析
• 2.5 土粒运动微分方程
• 2.6 土粒运动学参数
• 2.6.1 运土开始时刻相对运动方程
• 2.6.2 土粒任意时刻相对运动方程
• 2.6.3 土粒任意时刻相对运动速度
• 2.6.4 土粒任意时刻相对运动加速度
• 2.6.5 土粒任意时刻绝对运动速度
• 2.6.6 土粒任意时刻绝对运动加速度
• 2.7 初始条件下土粒任意时刻运动学参数
• 2.7.1 积分常数求解
• 2.7.2 初始条件的土粒相对运动位置
• 2.7.3 初始条件的土粒相对运动速度
• 2.7.4 初始条件的土粒绝对运动速度
• 2.7.5 初始条件的土粒相对运动加速度
• 2.8 土粒被抛出时刻的运动学参数
• 2.8.1 土粒被抛出的条件
• 2.8.2 土粒被抛出时的位置
• 2.8.3 土粒被抛出时的速度
• 2.9 抛土距离
• 3 讨论与分析
• 4 本章小结
• 第八章 土壤在挡土板作用下的运动学分析
• 1 建立坐标系
• 2 碰撞条件
• 3 碰撞点的确定
• 4 碰撞点土粒速度分析
• 5 碰撞后土粒的运动学参数
• 5.1 碰撞后土粒的运动方程
• 5.2 碰撞后土粒的运行时间
• 5.3 碰撞后土粒的横向抛土宽度
• 6 本章小结
• 第九章 免耕播种机田间性能试验
• 1 试验目的
• 2 试验注意事项
• 3 材料和方法
• 3.1 试验样机
• 3.2 测试仪器
• 3.3 试验田
• 3.4 试验方法
• 3.4.1 留茬高度
• 3.4.2 土壤含水率
• 3.4.3 土壤坚实度
• 3.4.4 土壤容重测定
• 3.3.5 横向抛土距离
• 3.3.6 沟深及其稳定性
• 3.3.6.1 沟深
• 3.3.6.2 行程的沟深平均值
• 3.3.6.3 工况的沟深平均值
• 3.3.6.4 行程的沟深标准差、变异系数和稳定系数
• 3.3.6.5 工况的沟深标准差、变异系数和稳定性系数
• 3.3.7 覆土厚度及其稳定性
• 3.3.8 覆土率（coverage）cov%
• 3.3.9 横向抛土幅宽
• 3.3.10 土壤细碎率（crushing） cru%
• 4 单因素试验
• 4.1 试验水平处理方法
• 4.2 抛土距离试验结果分析
• 4.3 沟深稳定性系数测试结果分析
• 4.4 留茬高度对开沟性能的影响
• 5 多因素正交试验
• 5.1 正交试验因素
• 5.2 试验设计与结果
• 5.3 结论与讨论
• 6 田间参数对开沟抛土性能影响
• 6.1 试验设计
• 6.2 试验方法
• 6.3 试验结果与讨论
• 6.3.1 土壤含水量与覆土状况
• 6.3.2 土壤含水量与油菜出苗状况
• 6.4 结论与讨论
• 7 本章小结
• 第十章 结论与讨论
• 1 结论
• 2 讨论
• 3 下一步研究设想
• 参考文献
• 主要符号
• 致谢
• 作者简介