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辣椒、番茄均是我国主要蔬菜作物之一。目前辣椒、番茄的栽培已经从传统的人工移栽转向机械化移栽,有效的降低了劳动强度和人工成本,但机械化移栽作业中仍存在吊杯入土性能不佳等问题。针对上述问题,结合辣椒、番茄钵苗移栽相关农机农艺要求设计与试制了两种移栽吊杯:铲形吊杯、叉形吊杯。完成的主要工作如下:
(1)对吊杯进行了技术要求分析。结合相关农机农艺要求选择了移栽育苗穴盘为128穴穴盘,机械化移栽的辣椒和番茄幼苗生态特征为苗龄25-35d,株高在100-150mm之间,真叶数4-6片。分析了现有栽植驱动机构各点的静轨迹方程,并在驱动机构曲柄转速为30r/min的条件下对栽植驱动机构吊杯挂接点进行竖直方向位移仿真分析,为吊杯开合规律设计提供了依据。分析了吊杯的一般结构和工作原理,提出了吊杯作业要求。
(2)设计了两种移栽吊杯:铲形吊杯和叉形吊杯。首先根据现有栽植机构吊杯挂接方式和落苗要求设计了投苗杯的结构尺寸。针对移栽作业存在的问题完成了铲形鸭嘴和叉形鸭嘴的结构尺寸设计。为保障吊杯能正常工作,根据吊杯的一般结构要求在三维软件中对吊杯其他零部件进行了设计,并且根据吊杯结构配合要求对吊杯进行了虚拟装配和加工制造。
(3)设计了吊杯开合控制机构。根据现有栽植驱动装置结构特点,采用凸轮摆杆-拉线机构控制吊杯的开合。对比了凸轮机构从动件运动规律的特点,确定了从动件运动规律为正弦加速度运动规律。分析了凸轮与吊杯开合的关系,从而设计了凸轮的轮廓曲线和基本尺寸。针对不同吊杯设计了不同动、阻力臂比值的摆杆以保证吊杯正常落苗。在三维软件中完成了对凸轮摆杆机构基本结构尺寸的设计和虚拟装配。
(4)采用有限元分析软件对鸭嘴的入土阻力和结构强度进行了分析。利用Hypermesh、LS-DYNA和LS-PrePost联合有限元仿真对三种不同鸭嘴的入土阻力进行动力学分析,仿真因素有鸭嘴结构:铲形鸭嘴、叉形鸭嘴和移栽常用鸭嘴;入土速度:0.013mm/ms、0.33mm/ms和0.67mm/ms,土壤模型采用SPH算法建模。仿真结果显示铲形鸭嘴和叉形鸭嘴入土性能优于移栽常用鸭嘴。基于ANSYS-Workbench平台对设计的鸭嘴进行了静力学分析,仿真结果表明鸭嘴结构满足强度要求。其中铲形鸭嘴最大应力值为12.53Mpa;叉形鸭嘴最大应力值为115.33Mpa。两种鸭嘴最大应力值均小于材料许用应力。
(5)搭建了吊杯入土阻力测定平台,对吊杯入土仿真分析结果进行了验证。实验结果表明铲形鸭嘴、叉形鸭嘴、移栽常用鸭嘴入土阻力实测数据与仿真结果的相对误差分别为4.86%、1.38%、4.42%,误差均在允许范围内,验证了仿真分析的可行性。搭建了室外土槽试验平台,进行了室外土槽吊杯性能试验。以直立度、露苗率、埋苗率等作业指标对铲形吊杯和叉形吊杯的栽植性能进行了检测,试验得出两种吊杯栽植直立度均大于96%,露苗、埋苗率均小于3%,栽植合格率在94%之上,达到了行业标准。
(1)对吊杯进行了技术要求分析。结合相关农机农艺要求选择了移栽育苗穴盘为128穴穴盘,机械化移栽的辣椒和番茄幼苗生态特征为苗龄25-35d,株高在100-150mm之间,真叶数4-6片。分析了现有栽植驱动机构各点的静轨迹方程,并在驱动机构曲柄转速为30r/min的条件下对栽植驱动机构吊杯挂接点进行竖直方向位移仿真分析,为吊杯开合规律设计提供了依据。分析了吊杯的一般结构和工作原理,提出了吊杯作业要求。
(2)设计了两种移栽吊杯:铲形吊杯和叉形吊杯。首先根据现有栽植机构吊杯挂接方式和落苗要求设计了投苗杯的结构尺寸。针对移栽作业存在的问题完成了铲形鸭嘴和叉形鸭嘴的结构尺寸设计。为保障吊杯能正常工作,根据吊杯的一般结构要求在三维软件中对吊杯其他零部件进行了设计,并且根据吊杯结构配合要求对吊杯进行了虚拟装配和加工制造。
(3)设计了吊杯开合控制机构。根据现有栽植驱动装置结构特点,采用凸轮摆杆-拉线机构控制吊杯的开合。对比了凸轮机构从动件运动规律的特点,确定了从动件运动规律为正弦加速度运动规律。分析了凸轮与吊杯开合的关系,从而设计了凸轮的轮廓曲线和基本尺寸。针对不同吊杯设计了不同动、阻力臂比值的摆杆以保证吊杯正常落苗。在三维软件中完成了对凸轮摆杆机构基本结构尺寸的设计和虚拟装配。
(4)采用有限元分析软件对鸭嘴的入土阻力和结构强度进行了分析。利用Hypermesh、LS-DYNA和LS-PrePost联合有限元仿真对三种不同鸭嘴的入土阻力进行动力学分析,仿真因素有鸭嘴结构:铲形鸭嘴、叉形鸭嘴和移栽常用鸭嘴;入土速度:0.013mm/ms、0.33mm/ms和0.67mm/ms,土壤模型采用SPH算法建模。仿真结果显示铲形鸭嘴和叉形鸭嘴入土性能优于移栽常用鸭嘴。基于ANSYS-Workbench平台对设计的鸭嘴进行了静力学分析,仿真结果表明鸭嘴结构满足强度要求。其中铲形鸭嘴最大应力值为12.53Mpa;叉形鸭嘴最大应力值为115.33Mpa。两种鸭嘴最大应力值均小于材料许用应力。
(5)搭建了吊杯入土阻力测定平台,对吊杯入土仿真分析结果进行了验证。实验结果表明铲形鸭嘴、叉形鸭嘴、移栽常用鸭嘴入土阻力实测数据与仿真结果的相对误差分别为4.86%、1.38%、4.42%,误差均在允许范围内,验证了仿真分析的可行性。搭建了室外土槽试验平台,进行了室外土槽吊杯性能试验。以直立度、露苗率、埋苗率等作业指标对铲形吊杯和叉形吊杯的栽植性能进行了检测,试验得出两种吊杯栽植直立度均大于96%,露苗、埋苗率均小于3%,栽植合格率在94%之上,达到了行业标准。