新型仿生玉米摘穗機(jī)構(gòu)理論分析與仿真研究

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1、—————————————————————新型仿生玉米摘穗機(jī)構(gòu)理論分析與仿真研究—————————————————————TheoreticalAnalysisandSimulationResearchonNovelBionicCorn-earSnappingMechanism作者姓名：張莉?qū)I(yè)名稱：農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程指導(dǎo)教師：張強(qiáng)教授學(xué)位類別：工學(xué)碩士答辯日期：2015年6月2日摘要摘要新型仿生玉米摘穗機(jī)構(gòu)理論分析與仿真研究有統(tǒng)計(jì)表明自2012年開始，我國玉米產(chǎn)量已超過水稻成為第一大糧食作物，并且種植

2、面積仍持續(xù)擴(kuò)大，但隨著農(nóng)業(yè)人口中越來越多的青壯年勞動(dòng)力進(jìn)城務(wù)工，留守農(nóng)業(yè)勞動(dòng)者越來越難以勝任大面積、高強(qiáng)度玉米收獲工作，因此，迫切需要由機(jī)器來代替部分人工勞動(dòng)。但傳統(tǒng)玉米收獲機(jī)中的摘穗裝置多數(shù)采用拉伸、擠壓的工作原理進(jìn)行玉米摘穗作業(yè)，這種工作方式易使摘穗輥對(duì)玉米穗造成擠壓或啃傷，從而導(dǎo)致收獲損失率過高，并且對(duì)不同接穗高度的適應(yīng)性差，完整秸稈的回收效果也不理想。為解決上述問題，本課題組模仿人工掰玉米的工作原理，采用彎曲折斷的方式，設(shè)計(jì)出一種新型仿生玉米摘穗裝置，但若采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，在機(jī)器的研制期間需要耗費(fèi)

3、大量的人力、物力以及財(cái)力。因此，出于對(duì)時(shí)間和研發(fā)成本的考慮，決定將摘穗裝置的部分調(diào)試工作通過虛擬分析的方式完成。本文在前期研究基礎(chǔ)上利用虛擬樣機(jī)技術(shù)確定了玉米摘穗過程，采用彎曲折斷方式的最佳施力方向與夾持位置、玉米穗摘落條件以及對(duì)真實(shí)摘穗過程進(jìn)行仿真模擬分析，確定最佳工作參數(shù)，為后期摘穗試驗(yàn)臺(tái)的進(jìn)一步改進(jìn)與研發(fā)提供數(shù)據(jù)支持。本文重點(diǎn)研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：（1）對(duì)先玉335號(hào)玉米植株外形尺寸進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合測(cè)量結(jié)果與實(shí)際外形特征，通過Pro/E軟件建立了與真實(shí)玉米植株外形相近的三維模型，并將其導(dǎo)入到有限元分

4、析軟件ANSYS中進(jìn)行受力分析。對(duì)比玉米秸稈在不同位置被夾持固定情況下，受到不同方向的彎曲作用力時(shí)所產(chǎn)生的位移及應(yīng)力變化情況發(fā)現(xiàn)：將玉米秸稈頂端進(jìn)行夾持固定并且從玉米穗上表面向下施加彎曲作用力時(shí)，作用力在各方向上產(chǎn)生的分力能夠達(dá)到最大，相同的外部作用力能夠使玉米植株在各分力方向上產(chǎn)生最大的變形，更有利于實(shí)現(xiàn)玉米穗脫落，是最佳施力方向與夾持位置。并且分析出最大應(yīng)力集中位置易發(fā)生在穗柄與秸稈的連接位置上端，因此推斷，從玉米穗上表面向下施加彎曲作用力時(shí)，穗柄與秸稈連接處最易首先發(fā)生折斷。（2）從理論上分析了玉米穗

5、在不同位置被摘落時(shí)所需滿足的條件，并且運(yùn)用仿真分析軟件ADAMS模擬了，由玉米穗上端垂直向下施加隨時(shí)間變化的彎曲作用力時(shí)玉米植株的結(jié)構(gòu)變化情況。分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)外界作用力達(dá)到70N，秸稈與穗柄連接力沿受力方向產(chǎn)生2.4264mm的位移時(shí)，能夠滿足穗柄由秸稈連接處折斷的條件；當(dāng)外界作用力達(dá)到90N，穗柄與玉米穗連接力沿受力方向產(chǎn)生2.5933mm時(shí)，能夠滿足玉米穗由穗柄處脫離的條件。由此判斷，由玉米穗上端向下施加彎曲作用力時(shí)，穗柄與秸稈連接位置先于玉米穗與穗柄處產(chǎn)生彎曲折斷。I吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文（3）運(yùn)用ADA

6、MS對(duì)新型仿生玉米摘穗裝置的摘穗過程進(jìn)行模擬仿真，通過對(duì)摘穗過程中摘穗輥對(duì)玉米穗所產(chǎn)生的碰撞力分析結(jié)果表明：影響摘穗效果的三個(gè)因素摘穗輥轉(zhuǎn)速、玉米喂入速度、摘穗輥與喂入方向夾角中，玉米喂入速度對(duì)摘穗效果影響最大；并且三個(gè)因素的中最多兩個(gè)因素可以采用較高水平值，否則會(huì)因摘穗輥對(duì)玉米穗所產(chǎn)生作用力過大或過小，難以實(shí)現(xiàn)較好的摘穗效果。（4）通過在新型玉米摘穗實(shí)驗(yàn)臺(tái)上所做試驗(yàn)結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比表明：試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合，仿真參數(shù)設(shè)計(jì)合理，仿真結(jié)果具有參考價(jià)值。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析結(jié)果顯示，當(dāng)摘穗輥轉(zhuǎn)速為1

7、3r/s、玉米喂入速度1.5m/s，摘穗輥與夾持輸送帶夾角40°時(shí)能夠達(dá)到最理想摘穗效果，并且通過多項(xiàng)式的正交分析計(jì)算出各因素與摘穗率的影響關(guān)系函數(shù)。（5）利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行的摘穗試驗(yàn)的過程中，發(fā)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的不足之處，對(duì)此提出了部分改進(jìn)意見，并對(duì)摘穗輥支架進(jìn)行了改進(jìn)，使兩摘穗輥間距離可調(diào)，解決了因摘穗輥位置固定而造成的過小玉米穗的漏摘現(xiàn)象。本文通過虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)一步分析了玉米穗彎曲折斷的工作機(jī)理，并且模擬了摘穗過程，所得結(jié)果通過實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明仿真設(shè)計(jì)合理，使得本研究不僅具有實(shí)用意義，同時(shí)也為

8、研發(fā)新型玉米摘穗裝置提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：玉米摘穗，摘穗裝置，虛擬樣機(jī)，摘穗原理IIAbstractAbstractTheoreticalAnalysisandSimulationResearchonNovelBionicCorn-earSnappingMechanismAccordingtothestatistics,thecornyieldhasbeenmorethanriceandhasbecomethef