自走式移栽机行星轮转臂式栽植机构优化设计与试验

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栽植机构作为自走式移栽机的核心工作部件,是将穴盘苗植入土壤的直接作业部件,其性能直接影响着穴盘苗的栽植质量和移栽机的整机性能。本文在课题组对行星轮转臂式栽植机构的研究基础上,针对栽植直立度较低、适用株距单一、局限性较大等问题,结合适栽期蔬菜穴盘苗物理特性,建立栽植机构前后鸭嘴的运动学模型,开展了栽植机构运动轨迹、参数优化、虚拟样机及孔穴成型仿真、样机田间试验等研究工作,以改善行星轮转臂式栽植机构栽植性能,提高其适用性及通用性。本文的主要研究内容如下:(1)对适栽期蔬菜穴盘苗物理特性进行研究,对穴盘苗高度、叶冠直径、苗钵质量及钵体尺寸等参数进行测定,统计分析穴盘苗的几何尺寸及形态特性的分布区间,并以此为参考依据设计栽植鸭嘴结构形状及开合凸轮结构尺寸。(2)对自走式自动移栽机整机结构和栽植工作过程详细阐述,明确栽植机构的工作条件;对行星轮转臂式栽植机构结构组成及工作原理进行详细说明,设计栽植部件多行同步栽植方案和传动方案;对栽植部件各参数间关系进行详尽理论推导,确定栽植部件设计转臂数和传动比参数及三种对应设计株距280mm、310mm和345mm。(3)建立栽植机构前后栽植点的运动数学模型,提出栽植机构轨迹优化条件,基于MATLAB/GUI平台开发计算机辅助优化设计人机交互界面,对该界面各模块功能进行详细说明;基于该辅助优化设计界面,研究分析了各主要变量参数对前后栽植点运动轨迹的影响规律,对栽植机构各变量参数进行优化,基于各变量参数影响变化规律,由人机交互优化出一组满足优化要求的机构参数:L1=83mm,L2=22mm,L3=38mm,L4=145mm,Rd=120mm,a=82°,b=8°,C(105,-22),D(165,-17)。(4)根据优化后的机构参数对关键部件结构进行设计,利用Pro/E建立栽植机构的三维模型虚拟样机,将其导入ADAMS中进行虚拟样机运动仿真,得到植苗过程中苗钵与前后鸭嘴的相对位置,由仿真后处理得到机构运动轨迹和苗钵速度、加速度曲线,对比仿真结果与理论优化结果的差异,对栽植机构优化设计理论分析和结果的合理性进行验证;并对栽植孔穴成型过程及孔穴形状尺寸进行仿真研究。(5)试制栽植部件物理样机并装配至自走式移栽机样机上,进行栽植机构田间植苗试验,检验栽植机构理论分析可行性与实际作业性能;通过田间试验可以发现,实际栽植结果与理论分析结果基本一致,表明该机构运动建模和优化设计是正确可行的,优化设计的机构能满足移栽工作要求。
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