基于SolidWorks膜上滚筒栽植器的设计玉米覆膜移栽机.docx

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基于SolidWorks膜上滚筒栽植器的设计玉米覆膜移栽机

摘要

黑龙江温差大、日照长、降雨量少，这使黑龙江种植有着其他地方无法比拟的优势。

目前黑龙江很多地区玉米苗都采用人工移栽，不仅效率低而且栽植成本高，严重制约了黑龙江玉米产业的发展。

解决该问题的一项重要措施是变人工移栽为机械移栽。

而目前能够实现膜上栽植的栽植器（栽植机构），却存在移栽速度慢，成本高，对地膜损伤大，造成秧苗成活率降低的问题，还有秧苗直立度问题也没有很好的得到解决。

本文针对秧苗直立度及对地膜的保护的问题，结合国内外移栽机栽植器研究现状，提出了一种新的理论，并依据该原理研究设计了一种新的栽植器：

膜上滚筒栽植器。

（1）通过分析对比国内外移栽机栽植机构的优缺点，结合黑龙江玉米特定的种植要求，提出了膜上滚筒栽植器的整体设计方案。

（2）介绍了栽植器主要组成结构和工作原理，通过成穴部分、接苗筒部分的工作过程进行理论分析，给出了各部件各运动过程的理论数学模型。

（3）通过对玉米苗的物理特性的研究，得到了其三维尺寸，以此作为依据结合农艺要求，并给出了栽植器各部件的设计原则以及机车速度、滚筒转速与部件结构设计的关系。

并通过三维建模软件solidworks2010对关键部件完成三维建模，对栽植器整体进行了可视化的虚拟装配和干涉检查。

玉米覆膜移栽技术的应用具有省工、省本、省力、省水、不伤根、长势强盛等优势。

经济效益和社会效益显著，在我省玉米生产区有广阔的发展前途，有普遍的推广价值。

关键词：

玉米移栽机；膜上移栽技术；滚筒式栽植器。

BasedonSolidWorksmembrane

drumplantingdesign

ABSTRACT

Heilongjiangtemperaturedifferenceisbig,longsunshine,lessrainfall,whichplantinghasincomparableadvantageelsewhere.Nowmanyareasusingartificialtransplantingmaizeseedlingsinheilongjiangprovince,notonlylowefficiencyandhighcostofplanting,seriouslyrestrictingthedevelopmentofcornindustryinheilongjiangprovinceIsanimportantmeasuretosolvetheproblemoftheartificialtransplantingformechanicaltransplanting.Andonthemembranecanbeimplementedatpresentplantingplant（plant）,therearetransplantingspeedslow,costishigh,thegreatdamagetothefilm.Itresultsinadecreasedsurvivalrateofseedlings,seedlingsuprightdegreeproblemalsoisnotverygoodsolvedSeedlingsuprightdegree,theauthorofthispaperandtheproblemoftheprotectionofmembranecombinedwithtransplanterplantingapparatusresearchstatusathomeandabroad,thispaperproposesanewtheory,andbasedontheprinciplesofresearchdesign,anewplantingapparatus:

membranedrumplant.

（1）Throughtheanalysisofcomparingtheadvantagesanddisadvantagesoftransplanterplantinginstitutionsathomeandabroad,combiningspecificcorninheilongjiangprovince,proposedthemembraneontherollerplantmachineoveralldesignscheme.

（2）Introducesmainstructureandworkingprincipleforplanting,partbycavitation,seedlingtubepartoftheworkingprocessofthetheoryanalysis,eachcomponentisgiventheoreticalmathematicalmodelofmotionprocess.

（3）Basedontheresearchofthephysicalcharacteristicsofmaizeseedlings,gotitsthreedimensions,asabasisforcombiningagriculturaldemands,andgivesthedesignprincipleofplantingapparatusparts,aswellasthelocomotivespeed,rollerspeedtothepartsstructuredesign.Andthroughthethree-dimensionalmodelingsoftwaresolidworks2010complete3dmodelingonkeycomponents,plantoverallforthevisualizationofthevirtualassemblyandinterferencechecking.

Corneffectoftransplantingtechnologyapplicationhastheprovinceindustryandthis,energysaving,watersaving,norootdamage,growingstrongadvantages.Economicbenefitandsocialbenefitisremarkable,haswidedevelopmentprospectsincornproductionareainourprovince,haswidelypromotedvalue.

Keywrods:

corntransplantingmachine，transplantingtechnology，drumplantingapparatus.

目录

摘要II

ABSTRACTII

目录-1-

1前言-1-

1.1课题研究的目的和意义-1-

1.2国内外栽植机构的研究概况-1-

1.2.1国外钵苗栽植机构的研究概况-1-

1.2.2国内钵苗移栽机构的研究概况-2-

1.3栽植机构方案选择-5-

1.3.1滑道分钵轮式栽植器-5-

1.3.2分土靴式栽植器-6-

1.3.3鸭嘴圆盘式栽植器-7-

2栽植机构方案的确定、工作过程分析-7-

2.1移栽机方案的确定-7-

2.2零速原理-10-

2.3移栽机膜上移栽-10-

3基于SolidWorks滚筒栽植器关键部件的三维建模-10-

3.1滚筒结构参数的确定-11-

3.2栽植器结构设计-11-

3.3接苗筒的设计-13-

4栽植机构的装配及干涉检查-13-

4.1虚拟仿真特点-13-

4.2滚筒式栽植器的装配-14-

4.3栽植器的干涉检查-14-

4.4栽植器的运动速度的确定-15-

5膜上滚筒栽植机构的使用-16-

5.1覆膜移栽的主要性能结构及其意义-16-

5.2膜的选择-17-

5.3采光利用率-17-

结论-19-

参考文献-20-

致谢-21-

1前言

1.1课题研究的目的和意义

我国农业产业基础弱、农业科技水平发展慢、农业生产投入比例低，农产品的生产能力急需加强。

近几年来，我国生产的农产品受到国外优质低价农产品的激烈挑战，尤其棉花、玉米等经济作物已受到较大冲击。

因此，如何提高农产品的产量和质量是中国农业生产面临的一个重要的问题。

黑龙江作为全国玉米重要基地之一，降水量少、气候干燥的典型大陆性干旱气候。

由于黑龙江阳光辐射总量大，日照时间长，昼夜温差大，降雨量少而蒸发量大，空气干燥。

对玉米植株的长势和病虫害的防治十分有利，极适宜于玉米的种植，是特有的地区优势。

黑龙江玉米产业是黑龙江三大红色产业之一，黑龙江玉米制品占世界玉米市场贸易量的20%以上，生产能力位列世界第三，产量和出口量居世界第二，其中玉米已成为黑龙江出口第一大产品。

因此，如何把黑龙江玉米产业继续做大做强是今后黑龙江可持续发展所面临的关键问题，也是黑龙江农业和工业发展当务之急。

在黑龙江对玉米采用育苗移栽技术可以避开黑龙江春季的自然灾害，育苗移栽能够保证每亩的株数，达到苗齐、苗壮，移栽还能让作物的提早成熟、提高单产，有效降低幼苗期的黑龙江风大、气温低、霜冻等不利天气带来的伤害，可节省种子30％～50％，采用这种栽培模式可以缓解玉米采收期短和需求劳动力相对集中的问题。

黑龙江农机研究所自2001年开始进行玉米育苗移栽高产栽培技术的研究与试验，经过几年的试验示范和推广，目前育苗移栽技术已经在玉米、水稻等作物上大面积推广应用，近3年累计推广面积达到8万多亩，仅2006年推广面积就达到5.8万亩。

随着育苗技术的发展、劳动力成本的上升，在加上人工移栽劳动强度大、效率低，这些都促使了玉米栽植机械的研制开发工作的快速发展。

育出的成品苗也从以前完全是靠人工移栽，逐步发展为机械移栽比重越来越大。

而目前国内缺少完全适应大面积育苗移栽的移栽机械，经济实用的移栽机械也不配套，使得秧苗移栽已经成为严重制约移栽技术进一步推广应用的重要因素。

而移栽机械之所以问题多发展慢，其栽植器的设计不适应黑龙江的特殊地域是关键问题，因此研究改进或者设计一款新的栽植机构以改进整体移栽机械的性能是十分必要的。

1.2玉米覆膜移栽增产机理

（1）缓解了前后作物“三争”矛盾

玉米一般实行间作套种多熟制栽培。

直播套种与夏收作物共生期较长，争光、争水、争肥矛盾突出，难于培育壮苗。

玉米软盘育苗在空坪隙地进行，不仅避免了育苗期与夏收作物发生争光的矛盾，而且由于苗床内温度适宜，肥水集中，管理方便，因而有利于培育壮苗。

且可按大小苗分别移栽，使幼苗生长整齐一致，每667m2可增加基本苗500~800株。

（2）充分利用光热资源

玉米软盘覆膜育苗移栽，苗床内温度提高2~3C，播种时间可提早15~25d，活动积温增加200~350C，既阻止了土壤热辐射的扩散、减少了汽化热能的消耗、提高了二氧化碳的含量、增加了苗床的温度和热容量，又延长了玉米的营养生长期，加速了玉米生育进程。

有利于玉米躲过7~8月份的高温干旱，促进玉米灌浆结实，提高玉米产量和品质。

（3）促进玉米根系发达，茎粗秆壮

玉米移栽时带土带肥，初生根和次生根不受损伤，可直接生长，增强了吸收养分的能力，同时经移栽后的蹲苗作用，促根长茎，使植株茎粗秆壮。

1.3国内外栽植机构的研究概况

1.3.1国外钵苗栽植机构的研究概况

20世纪初期，欧洲国家开始着手研究秧苗栽植机械，20世纪30年代后期，栽植机构或栽禾器等栽植工具已经问世，自20世纪50年代开始，欧洲国家率先开始钵盘育苗及钵苗栽植的生产技术的深入研究，并研制出多种不同结构型式的半自动栽植机和制钵机，至20世纪70年代，前苏联蔬菜栽植机械化水平为58%，国营农场已达67%，20世纪70年代末，B.K.Huang等发明了满足自动移栽要求的空气整根育苗技术，提出了钵苗移栽的系统方案，并设计了全自动移栽机，20世纪80年代初，半自动移栽机已在生产中得到非常广泛使用，其中H.L.Brewer等人设计出箱式移栽机。

现在欧美日等国外发达国家所采用的栽植机械，其典型栽植机构的结构如下：

（1）钳夹式栽植器：

法国生产的UT—2型移栽机。

（2）链夹式栽植器：

荷兰米启根（Michigan）公司生产的MT移栽机、意大利切克基•马克利（Checchi&Magli）公司生产的奥特玛（OTMA）移栽机、意大利产的NADRI玉米钵苗移栽机。

（3）导苗管式栽植器：

意大利切克基•马克利（Checchi&Magli）公司生产的TEX—2型栽植机，芬兰劳尼思（Lannen）公司生产的RT—2型移栽机，荷兰米启根（Michigan）公司生产的Model4000型移栽机。

（4）吊篮式栽植器：

意大利切克基•马克利（Checchi&Magli）公司生产的沃夫（Wolf）移栽机、艾德沃思农机厂生产的坡社（REEDU）移栽机、意大利Edwards农机厂生产的PERDU移栽机。

美国移栽机公司（MechanicalTransplanter）生产的吊杯式膜上移栽机。

日本久保田公司研究开发了一种全自动鸭嘴式膜上移栽机，其栽植机构工作原理类似于吊篮式栽植器。

日本丰收产业公司研制的OP2100和OP290型全自动白葱移栽机，德国PRIMA司生产的夹盘式压缩土钵苗移栽机及日本久保田公司生产的KN—P6半自动大葱栽机都采用了圆盘式栽植器。

另外还有美国Kenco农机生产公司研制的半自动膜上打穴移栽机，可以实现单行和多行膜上移栽作业，也可以进行没有覆膜的裸土移栽现单株注水，该公司还生产了“火焰燎膜”的膜上移栽机，在打穴之前用火焰上燎一个小孔，此法可以防止在打穴过程中的地膜撕裂现象。

日本秋山产业株式会社生产的AP—IH型烟草移栽机，该机为烟草专用的高架业机，主要用于烤烟大田移栽作业。

加拿大一公司研制的烟叶“移栽机”，融挖窑、栽烟、浇水、施肥、封土为一体，由四个人操作，一人负责驾驶拖拉机，一人水、肥料，二人负责投放烟苗。

近10年来，国外加强了从育苗到栽植整个系统的研究，通过育苗和栽植整个系统的研究，使育苗和栽植有机地结合，从而研制出了多种自动移栽机，使育苗移栽过程实现机械化、工厂化和设施化。

总之，国外发达国家移栽机工作效率较高，移栽机技术已经比较成熟，产出了形式多样、品种齐全、通用性好和可靠性高的移栽机。

但由于黑龙江气候、土壤等情况与国外存在着较大的差异，从国外引进后直接用于黑龙江玉米苗移栽的效果不是很好，并且价格昂贵。

1.3.2国内钵苗移栽机构的研究概况

我国对移栽机研究比国外晚，20世纪70年代才开始，最早用于甜菜移栽，虽然研制出了多种类型的移栽机。

但是我国移栽机的研制很大程度上是引进与借鉴国外移栽机进行改进和仿造，缺少技术创新，稳定性不好，并且基本上是以半自动为主。

从20世纪80年代开始，国内对移栽机的研究逐渐升温。

1979年四川省温江农机所研制的2ZYS—4型油菜蔬菜旋转钳夹式移栽机，山西运城某农机所1979年研制的2ZMB—2型钵苗棉花旋转钳夹式移栽机。

中国农业科学院烟草研究所1982年研发的2ZYM—2型烟棉花旋转钳夹式移栽机。

这三种移栽机是80年代的典型，它们的栽植器都是旋转钳夹式，其结构简单、便于加工、株距和栽植深度稳定，但是作业速度低、易夹苗，栽植情况不佳。

20世纪90年代，国内的移栽机研究进入高速发展阶段。

北京市农机所1990年和1991年分别研制了2ZSB—2型蔬菜钵苗钳夹式移栽机和2ZWS—2型蔬菜裸苗钳夹式移栽机，黑龙江农机工程研究院1994年研制的2YZ型烟叶移栽机，黑龙江省农垦科学院1996年研制的2Z—2型、2Z—6型链夹式移栽机，河北省唐山市农机所在1998年研制出了2ZB—2型钳夹式玉米移栽机，吉林工业大学在1999年研制出了2ZT型钳夹式移栽机。

链夹与钳夹在工作原理上无太大区别，主要是二者的传动方式不一样。

挠性圆盘式移栽机国内应用较少，主要有吉林省白城农机所1990年研制的2Z—1型甜菜移栽机和黑龙江农科院研制的ZT—2型甜菜纸筒育苗移栽机。

吊篮式移栽机有90年代末黑龙江农场研制的2ZB—6型钵苗移栽机，吉林省延边自治州农机所研制的2ZL—2型联合栽植机，山西省农机所1997年研制的适用于棉花的2ZYB—2型钵苗移栽机。

导苗管式移栽机的研究和推广比较多，形式大同小异，有代表性的包括中国农业大学1999年研制的2ZDF型移栽机，山东省泰安国泰拖拉机总厂1998年研制的2ZM—2和2ZM—2AI型棉花移栽机，黑龙江省农垦科学院研制的2ZY—2型玉米钵苗移栽机，山东工程学院1998年研制的2ZG—2型带式喂入钵苗移栽机，由于该移栽机栽植器与传统种植方式有一定冲突，加上导苗管式移栽机栽植器性能不稳定和工作效率，在中国没有没有大面积推广使用。

双输送带式和滑道分钵轮式栽植器均是由山东理工大学工程学院李其峋教授和汪遵元教授提出和研究的。

1.3.3各类栽植机构优缺点分析

通过对国内外在甜菜、油菜、棉花、烟草等钵苗移栽机栽植器的研究。

本文对以下几种钵苗栽植机构进行了分析：

主要有旋转钳夹式、旋转链夹式和旋转挠性圆盘式三种，前两种移栽机栽植机构的工作原理基本一致，都是将秧苗夹持在夹子上，随夹子运动，到达苗沟时，钳夹打开，秧苗落入沟中，主要区别在于二者的传动方式不同。

旋转钳夹式和旋转链夹式的结构都较简单，成本较低，株距和栽植深度稳定，秧苗的直立度较好。

但较易伤苗，速度高了则容易出现漏苗、缺苗、埋苗现象，较不适宜膜上移栽。

（a）挠性圆盘式移栽机

（b）盘夹式栽植机

图1旋转式栽植机

（1）挠性圆盘移栽机

挠性圆盘式的栽植过程是钵苗随着带状输送器经活门进入带夹式送苗带。

输送中钵苗的上部先进入栽植圆盘，随着圆盘的转动将秧苗由水平装态逆时针旋转90°，同时钵体进入开沟器开出的苗沟中。

移栽机构对株的适应性较好，自动化程度高，在小株距移栽方面具有良好的前景，但其结构相对复杂，栽植深度不稳定，圆盘的寿命短。

（2）导苗管装置

主要有导苗管式蔬菜移栽机栽植器。

根据苗进入苗沟的形式，这类移栽机栽植机构可以分为指带落苗式、推落苗式和落苗式。

这种移栽机的秧苗在导苗管中的运动是自由的，其主要依靠秧苗自身重力下落到已经开好的沟中。

靠重力落到苗沟中的钵苗，在调整导苗管倾角和增加扶苗装置的情况下，可以保证较好的直立度、株距均匀性和深度稳定性。

但机型结构相对复杂，成本较高，也不适宜膜上移栽，在较高速度移栽时易出现带苗现象。

图2导苗管栽植机

（3）旋转吊篮式装置

主要有旋转吊篮式和偏心旋转吊篮式两种，该机靠人工将钵苗放入旋转到上方的像吊篮一样的栽植器内，栽植器随偏心圆盘或者圆盘转到最低位置附近时，开启凸轮是吊篮下部打开，钵苗靠自重落入穴中或沟中，栽植器在离开开启凸轮后自动关闭。

吊篮式移栽机具有可

图3吊篮式栽植机

以进行膜上打孔移栽的独特优点，而且钵苗在移栽过程中受冲击非常小，甚至于不受冲击，尤其适合移栽根系不太发达且容易碎的钵苗。

缺点是结构相对复杂，喂苗速度不能过高，否则漏栽率增加，生产率不高。

综上所述，目前国内移栽机种类较多，适用范围较广，但大多都存在移栽直不高，容易伤苗，移栽效率不高等问题。

因此需要对移栽机构进行研究，以达到提高秧苗直立度，防止机构伤苗，提高移栽效率和质量的目的。

在机械育苗移栽过程中采用秧苗移栽机械是加快实现我国农业优质、高产、高效的重要措施之一。

目前国内外在移栽机栽植器（栽植机构）的结构设计上存在诸多的问题，从而造成栽苗的效果不理想。

综合来看，国内外的栽植器按作业情况大致可以分为三类：

（1）在不铺膜的条件下进行作业的栽植器，其性能能够满足一般农业移栽技术要求，但是它不能满足黑龙江覆膜栽植的技术要求；

（2）在投苗前先进行膜上开洞，然后分别进行投苗和覆土作业的栽植器，前后工序作业精度要求高，机具设计加工装备要求高；

（3）先投苗后覆土镇压的栽植器，该类栽植器秧苗覆土不实，秧苗成活率低，缓苗期长，没有起到育苗移栽增产保质的目的。

而在第三类中造成其膜上移苗覆土不实的原因又有三个：

（a）秧苗移栽后，膜下秧苗的根部不能回土；

（b）膜上覆的土不能完全填补秧苗周围的空间；

（c）膜上镇压后，由于秧苗根部周围覆土不足，且薄膜回弹，造成覆土镇压不实。

综上所述，目前移栽机的栽植器几乎都无法实现秧苗栽植和覆土的同步性。

这一问题影响了整个移栽机械化向更高层次前进。

因此，对移栽机栽植器的研究和改进是目前急需解决的问题。

1.4栽植机构方案选择

1.4.1滑道分钵轮式栽植器

滑道式栽植器主要工作部件为滑道和分钵轮见图1-4。

滑道采用宽50mm、高80mm的槽形结构，可以有效防止钵苗的侧翻，它可以分为上滑道和下滑道两段，其工作原理为：

钵苗在自身重力作用下，自间歇工作的喂入机构成排滑入栽植器的上滑道并排队等候，分钵轮在地轮的带动下有序地将钵苗逐个送入下滑道，在弧形导向滑道的导引下保持直立状态落入由开沟器开出的苗床内。

为了保证栽植器正常工作，首先是滑道的倾角必须满足要求，使钵苗在滑道内能够在重力作用下自动下滑并且不会翻倒。

钵苗在滑道内滑动的影响因素很多，钵苗的湿度、形状以及所受的重力、支持力和摩擦力都会对栽植器的工作稳定性产生影响。

栽植器工作稳定性，即栽植器在进行移栽工作时，钵苗能够顺利下滑通过上、下滑道，并被分钵轮按次序逐个分钵而不出现翻滚和卡堵。

1.分钵轮2.上滑道3.下滑道

图4滑到式栽植器结构原理图

该机构的钵苗能够自动喂入，无需人工操作，速度快，频率高，能达到180株/min。

缺点是钵苗在移栽过程中易滑落和翻到，稳定性较差。

1.4.2分土靴式栽植器

栽植器由喂入机构和栽植装置组成。

喂入机构由喂入盘、拨轮、槽轮机构、齿轮传动等组成。

栽植装置结构如图8所示，由导苗管、分土靴、弹片、摆臂、导杆、连杆等组成。

1.导苗管2.摆臂3.导杆4.连杆5.分土靴6.扭簧7.铰链8.弹9.钵苗

图5分土靴式结构简图

工作原理是：

人工将钵苗送入到喂入机构的拨轮上，在拨轮的带动下绕喂入盘面作间歇转动，到达导苗管上方时，经导苗管落入分土靴中，此时拨轮处于停止状态，分土靴也在弹簧的作用下处于关闭状态，槽轮转动，分土靴在槽轮（此时槽轮也起凸轮作用）、摆臂、导杆以及连杆的作用下打开，释放保存在分土靴中的钵苗，在弹片的扶持下，将钵苗送入穴坑内，完成栽植作业。

它的优点是减少钵苗损伤率，立苗率高。

缺点：

结构复杂，成本高

1.4.3鸭嘴圆盘式栽植器

如图1-6所示，挠性圆盘鸭嘴式栽植器，共有四组鸭嘴式苗夹。

栽植器由主动轮盘、被动轮盘、曲轴、鸭嘴上盖、左盒轴、右盒轴、鸭嘴左下盖、鸭嘴右下盖、鸭嘴调节凸轮及压板组成。

图6鸭嘴圆盘式结构简图

移栽机工作时，机器前进，开沟器破土成沟，由人工将烟苗放入旋转到上部的鸭嘴内，鸭嘴在平行四杆机构作用下始终指向地面，随同圆盘旋转。

当鸭嘴到达最底部时，鸭嘴在鸭嘴调节凸轮与压板的相互作用下打开，烟苗脱离鸭嘴接触地面，落入开沟器开好的沟中，随后覆土轮覆土、镇压轮镇压，烟苗即被栽植。

机器不断前进，