第一章 引言

1.1 研究的目的和意义

玉米不但可以食用，又是重要的畜禽饲料，还是我国轻工、化工、医药等行业的原料，在国民经济中占有举足轻重的地位。据“中华粮网”发布的最新报告称，2012 年我国玉米播种面积及产量大幅增加，玉米播种面积 5.24 亿亩[1]，玉米总产量 4162 亿斤，超过稻谷，成为中国第一大粮食作物[2]。预计在 2013/14 年度，国内玉米消费将会继续保持增长态势，玉米产量仍然不能满足国内需求，其进口量仍保持较高水平[1,2]。在我国的第十二个五年规划中，确保国家粮食产能提升仍然是重中之重。随着人口数量增长，工业化和城镇用地增加，土地沙漠化面积扩大，人均可耕地面积正逐年减少，粮食产量可持续增长成为国家发展头等大事[3,4]。由于土地资源稀缺，不可能依靠增加耕种面积来提高粮食产量，采用品种改良和新的农艺方法提高粮食作物的单产，将是提高粮食总产的主要手段[5-7]。玉米移栽具有对气候的补偿作用和使生育期提早的综合效益[6-8]，具有比直播玉米抗旱、抗倒伏和密植、苗全的优点，尤其是解决东北春旱引起的大幅度减产问题。充分利用光热资源，延长生长期可以提高玉米的产量和品质，农艺专家通过田间试验得出结论，玉米移栽可以提高产量 10%以上，可节省种子 30％～50％。玉米机械化钵苗移栽是目前高产情况下进一步提高玉米单产的最有效手段之一[9-11]。市场上的移栽机械，大体分为两种类型：半自动和全自动。半自动依靠人工分秧，劳动强度大，工作效率低。试验表明，人工喂苗的上限频率是 60-70 株/分[12]，平均效率为 40株/分[13-14]。欧共体生产的世界最先进移栽机械，其全自动移栽机分秧机构采用成排顶出或取出式，由于没有排序，给后面的有序移栽增加难度，造成整机结构复杂，成本高，单行工作效率仅达到 100-120 株/分钟[15-20]。一台法国 Pearson 公司进口的全自动 4 行移栽机需要 38 万美元（折合人民币 240 万元左右），为了防止仿造每次必须购买 10 台以上，因此只能用于经济作物，不能满足大田玉米移栽高效、廉价的作业要求。国内全自动移栽机的研究工作处于起步阶段[3,5,9]，基本仿造欧共体的以上结构形式。

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1.2 国内外研究现状及发展趋势

先进的移栽机主要产自欧共体、日本和澳大利亚。欧共体生产的大型全自动移栽机主要用于蔬菜、烟草、花卉等经济作物[21-25]；日本生产的中小型全自动移栽机，主要用于水稻和蔬菜移栽[26-27]。全自动移栽机所使用的分秧机构都需要应用塑料钵盘，其功能是将带土的钵苗从钵盘上分离出来，然后通过不同的方式进行排序。按其工作原理可以分为两种形式：从钵盘上面的取出式和从钵盘底部的顶出式。日本的竹山智洋发明了另一种全自动取出式分秧机构（ZL200480007602.4）,如图 1-1所示。该机构的驱动部分由两套行星轮系串联而成，行星架相当于回转箱，第一回转箱内有 9 个齿轮和一套摆动凸轮机构，第二回转箱与第一回转箱中的行星轮固接，内有 5 个齿轮，由第二套行星轮的行星轴输出运动驱动栽植爪实现取苗和栽植苗动作，虽然该分秧机构兼具分秧和栽植两种功能，但该机构的结构非常复杂，可靠性不高，它的设计制造成本也相对较高，所以该全自动分秧机构未能得到实际应用[21,28]。

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第二章 玉米钵苗顶出力与扎入力的试验研究

2.1 玉米钵苗顶出力的试验研究

玉米属于旱田作物，为保证玉米钵苗能够存活，钵体应该越大越好。但钵体过大不仅消耗土壤过多、占地面积过大，也不利于大面积机械化移栽。经过咨询农学方面专家，玉米钵苗的钵体大小为长和宽约 40mm、高约 50mm 左右。以此为依据，在市场上买到于此接近的两种梯形台状塑料钵盘作为试验对象。具体尺寸如图 2-1 所示，较大钵尺寸为上口45×45mm，下口 23×23mm，高 48mm；较小钵上口 38×38mm，下口 19×19mm，高 41mm。要想将玉米钵苗从钵体中顶出，顶出力必须克服钵苗与钵体的粘着力。而不同的土壤和秧苗生长情况，以及不同的含水率都会影响粘着力的大小。有机质含量越高的土壤比重（密度）越小，其他条件相同的条件下与塑料钵盘的粘着力越小。由于控制和评价土壤性质较难，同时考虑对指导生产实际意义不大，故不将土壤的性质作为试验变量来研究。但为了使研究更有说服力，拟采用当地比重较大的黑色旱田土壤作为玉米钵苗的基质。玉米钵苗的生长情况尤其是盘根的情况对粘着力影响很大，为了使研究具有代表性和准确性，控制所有钵苗在相同的水分、光照等条件下生长到基本相同的高度，从而减小试验误差。在控制土壤和秧苗生长情况基本相同的情况下，含水率是影响钵苗和塑料钵盘之间粘着力的最主要因素。

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2.2 玉米钵苗扎入力的试验研究

要想将钵苗从钵体中顶出，顶杆对钵苗的作用力必须大于钵苗同钵体的粘着力与钵苗的惯性力之和。如果钵苗的强度不够，即钵苗所能承受的作用力小于顶杆对钵苗的作用力时，顶杆就会扎入钵苗的土钵。在土壤和钵苗的生长状况基本一致的情况下，钵苗的强度直接跟含水率有关。而含水率又同时影响钵苗与钵体的粘着力和钵苗的质量继而影响钵苗顶出时的惯性力。钵苗的惯性力除了与钵苗的质量有关，还与顶杆作用在钵苗上的加速度有关。为了便于研究含水率对钵苗强度的影响，首先应排除钵苗惯性力的干扰，即让顶杆缓慢顶入钵苗的土钵。但土钵并不是理想弹性体，如果顶杆速度过慢，可能会使测试结果与实际差异较大。通过几次试验的分析和比较，最后确定了加载速度为 120mm/min 比较理想。表 2-5 所列出的是一组测试结果，含水率 20.63%，较大钵，顶杆直径 8mm。

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第三章 杠杆有序顶出式分秧机构的分析与设计.........25

3.1 钵苗有序顶出式分秧的特点.... 25

3.2 杠杆有序顶出式分秧的机理分析........ 25

3.3 杠杆有序顶出式分秧机构配套秧盘的设计..... 26

3.4 自动连续精确送秧机构传动装置的设计........ 29

3.5 杠杆有序顶出式分秧机构的原理方案....... 32

3.6 小结......... 33

第四章 杠杆顶出式分秧机构的运动学分析、优化及仿真.... 35

4.1 杠杆顶出式分秧机构的运动学分析..... 35

4.2 杠杆顶出式分秧机构的参数优化......... 39

4.3 杠杆顶出式分秧机构的 ADAMS 运动仿真 .... 44

4.4 小结......... 50

第五章 杠杆顶出式分秧机构的动力学分析、优化和仿真.... 51

5.1 杠杆顶出式分秧机构的动力学分析.... 51

5.2 渐开线反转法设计杠杆轮廓曲线........ 53

5.3 顶杆复位弹簧的参数优化........ 60

5.4 杠杆有序顶出式分秧机构的动力学仿真......... 64

5.5 小结......... 71

第六章 杠杆有序顶出式分秧机构的台架试验研究

6.1 试验台的设计

试验台的总体设计方案是：采用变频电机驱动，电机经过传动减速后带动拨杆轴旋转。通过变频控制器可调节电机转速，从而调节拨杆轴转速，从变频控制器窗口可读出频率值，计算可得电机转速。试验台可水平移动，平台高度定为 750 至 800mm，机架主要由角钢焊合而成。试验台上装有扭矩传感器，可测量扭矩值。电动机的选择：由于整个机构所需的扭矩和功率并不大，因此选择实验室已有的西门子变频调速三相异步电动机，型号为 Q/321081，功率 1.1kw，同步转速 3000rpm，额定转速 2840rpm，额定转矩 3.7N•m，恒转矩频率范围是 30~50Hz，变转矩频率范围是 5~30Hz。扭矩传感器的选择：北京威斯特中航科技有限公司生产，型号：CYB-804S；电压：24DVC；量程：0~20N•m；输出：4~20mA；转速：0~1000rpm；输出：60 脉冲/转。总传动比的确定：考虑拨杆驱动轴可能最大转速定为 50 rpm 左右，对应分秧机构工作效率为 400 株/分钟，此时对应总传动比 i 约为 58 左右。

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结论

研究的主要结论如下：

1) 通过分析国内外分秧机构的工作原理和结构特点，总结出全自动有序分秧机构的工作原理有“取出式”和“顶出式”两类，而顶杆顶出式具有不伤苗、钵苗出盘可靠、易形成均匀株距且结构简单的优点，对玉米钵苗移栽是一种值得研究的有序分秧模式，连续转动输送的纵向送秧具有作业效率高和机构简单的优点；

2) 玉米钵苗在育苗过程中为了避免盘外盘根想象，钵盘底部以外不能存有土壤；试验的特定土壤条件下，含水率在 18%左右时有利于玉米钵苗的顶出成功率和高效率；

3) 基于从动件最大有效受力而提出的“渐开线反转法”设计偏心直动盘形凸轮的轮廓曲线，作图和解析法求得的杠杆轮廓曲线结果一致，证明该方法不但简单而且精度高；

4) 通过 ADAMS 与 ANSYS 的联合仿真，对关键部件的应力、应变和位移等参数进行了仿真分析和对比，对拨杆和杠杆的结构进行了优化，优化的结构更加合理，质量减小而强度提高，节省了材料成本。

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参考文献（略）