基于耦合仿生机理立式香蕉秸秆粉碎还田机研制分析研究机械制造及其自动化专业.docx

摘要香蕉是世界四大水果之一，在国际鲜果市场上占有很重要的比重。在我国，香蕉主要种植在海南、云南、福建、两广等热带、亚热带地区，香蕉是一种经济作物,对当地农村的经济建设和地区发展有着十分重要的意义。香蕉果实收获后,留下大面积的香蕉树成为了农业废弃物。据研究表明，在香蕉茎秆、叶片中含有大量有利于香蕉生长有机物氮、磷、钾及微量元素，是一种天然的有机化肥源。如果在香蕉采摘完后利用农机具直接将香蕉树粉碎还田，不仅可以改善香蕉地土壤结构，增强土壤肥力，提高香蕉产量，而且可以减少种植成本，提高经济效率。目前国内香蕉种植业机械化程度较低，配套的农机具较少且处在研发优化阶段，所以当前蕉农对香蕉树的处理基本上是通过人工砍伐成小段搬置于田间地头自行腐烂，但这种处理方式不仅污染蕉园种植环境，而且会引发病虫害给蕉园带来隐患，而随着香蕉种植面积的增加，香蕉秸秆废弃物处理也成了一个制约香蕉产业发展的瓶颈问题。基于此，本文结合理论分析、虚拟样机技术和正交试验三种方法，对海南大学研制的立式香蕉秸秆粉碎还田机的进行优化改进，主要研究内容为：(1)运用统计学分析与实地调查的方法,研究香蕉的生物特性及力学特性。通过分析香蕉假茎的种植方式、结构与形状，为整机参数的设计提供参考；通过分析香蕉假茎抗剪切强度的力学特性，为粉碎装置的设计提供理论基础。(2)基于仿生学原理，模仿狼爪轮廓形态，优化设计香蕉秸秆粉碎刀片的刀刃曲线；从运动学仿生角度出发，在充分研究狼爪收缩运动规律的基础上，获取狼爪运动曲线方程，将其应用在秸秆粉碎刀刀尖点运动轨迹设计上。(3)田间试验。制定试验方法，以香蕉秸秆粉碎率、秸秆覆盖率和生产率等试验指标，利用数据处理软件SPSS,结合正交试验方案，通过极差和方差分析方法，确定机具结构参数与运动参数的最优组合、分析各因素的交互影响。研究得到机具的重要参数的最优组合为拖拉机前进速度为3mk,粉碎刀辐转速为1650rmin,秸秆粉碎刀厚度为12mm进行田间试验，对应的试验指标分别为：秸秆粉碎率为90.6%,覆盖率为90.5%。关键词：香蕉秸秆；粉碎还出；形态仿生；运动仿生；耦合仿生；正交试验AbstractBananaisoneoftheworld'sfourmajorfruits,andithasaveryimportantproportionintheinternationalfreshfruitmarket.InChina,bananasaremainlygrownintropicalandsubtropicalregionssuchasHainan,Yunnan,Fujian,andGuangdong.Bananasareaneconomiccropandareofgreatsignificancetotheeconomicconstructionandregionaldevelopmentoflocalruralareas.Afterthebananafruitisharvested,alargeareaofbananatreesisleftasagriculturalwaste.Accordingtoresearch,bananastalksandleavescontainalargenumberoforganicnitrogen,phosphorus,potassiumandtraceelementswhicharebeneficialtobananagrowth.Itisanaturalsourceoforganicfertilizer.Ifthebananatreeisdirectlycrushedandreturnedtothefieldafterthebananaisharvested,itcannotonlyimprovethesoilstructureofthebananaland,enhancethesoilfertility,increasethebananayield,butalsoreducetheplantingcostandimprovetheeconomicefficiency.Atpresent,thedomesticbananaplantingindustryhasalowdegreeofmechanization,andthesupportingagriculturalmachineryislessandisinthestageofresearchanddevelopmentoptimization.Therefore,thecurrentbananafarmers,treatmentofbananatreesisbasicallybyself-deforestationintosmallsectionsandplacedonthefieldstorotthemselves.Thistreatmentnotonlypollutestheplantingenvironmentofthebananaplantation,butalsocausespestsanddiseasestobringhiddendangerstothebananaplantation.Withtheincreaseofbananaplantingarea,thetreatmentofbananastrawwastehasbecomeabottleneckrestrictingthedevelopmentofthebananaindustry.Basedonthis,thispapercombinestheoreticalanalysis,virtualprototypingtechnologyandorthogonalexperimenttooptimizeandimprovetheverticalbananastrawcrushingandreturningmachinedevelopedbyHainanUniversity.Themainresearchcontentsareasfollows:(1) Usingthemethodsofstatisticalanalysisandfieldinvestigationtostudythebiologicalandmechanicalpropertiesofbananas.Byanalyzingtheplantingpattern,structureandshapeofbananapseudostem,itprovidesreferenceforthedesignofthewholemachineparameters.Byanalyzingthemechanicalpropertiesofbananapseudostemshearstrength,itprovidesatheoreticalbasisforthedesignofthecrushingdevice.(2) Basedontheprincipleofbionics,imitatethecontourshapeofthewolfclaw,optimizethedesignofthebladecurveofthebananastrawcrushingblade;fromtheperspectiveofkinematicsbionics,onthebasisoffullystudyingthelawofthecontractionmovementofthewolfclaw,obtaintheequationofthecurveofthewolfclaw.ItisappliedtothetHijectorydesignofthestrawpulverizingknife.(3) Fieldtrials.ThetestmethodwasdevelopedtodeterminetheoptimalcombinationofstructuralparametersandmotionparametersoftheimplementsbyusingthedataprocessingsoftwareSPSSandtheorthogonaltestschemebyusingthedataprocessingsoftwareSPSSandtheorthogonaltestmethodtodeterminetheoptimalcombinationofthestructuralparametersoftheimplementandthemotionparameters.Analyzetheinteractionofvariousfactors.Theoptimalcombinationofimportantparametersofthemachinewasobtained.Theforwardspeedofthetractorwas3ms,thespeedofthecrushingkniferollerwas1650rmin,andthethicknessofthestrawcrushingknifewas12mm.Thecorrespondingtestindexeswere:strawcrushingrateAt90.6%,thecoveragerateis90.5%.目录一、绪论11.1 研究背景11.2 研究的目的及意义21.3 研究现状3131保护性耕种的现发展现状31.3.2 国外保护性耕作发展现状31.3.3 国内保护性耕作发展现状41.4 国内外秸秆粉碎还田机51.4.2 秸秆粉碎还田机的分类51.4.3 国外粉碎还田机研究现状61.4.4 国内秸秆粉碎还田机现状61.4.5 香蕉秸秆粉碎还田机研究现状71.4.6 仿生技术在农业机械方面的应用81.5 课题研究的意义91.6 课题研究的内容、方法及技术路线91.6.2 课题来源91.6.3 课题研究的内容91.6.4 课题的研究方法与技术路线10二、香蕉秸秆的生物特性及物理特性研究132.1 香蕉茎秆的结构特点132.2 .香蕉秸秆的生物特性及利用方式142.3.2香蕉秸秆拉伸试验15233香蕉假茎剪切应力的测定162.4本章小结17三、整机及主要参数设计183.1 技术方案的确定183.2 整机结构设计183.3 还田机作业宽度确定203.4 动力传递方式213.5 传动比和转速213.6 粉碎刀盘动力的计算与校核213.7 本章小结22四、秸秆粉碎刀构型仿生设计234.1 秸秆粉碎刀研究现状234.2 仿生秸秆粉碎刀的设计254.2.1 仿生原型的选取254.2.2 仿生拟合曲线获取254.2.3 狼爪轮廓曲线拟合函数264.2.4 仿生秸秆粉碎刀的设计与加工264.2.5 秸秆粉碎刀轴的设计294.3 本章小结30五、基于狼爪运动仿生刀尖点运动轨迹设计315.1 运动仿生研究依据分析311.1.1 运动仿生模型建立311.1.2 运动仿生模型运动学分析315.3 机具运动参数仿生设计325.3.1 刀片运动的速度和加速方程325.4 切割节距335.5 粉碎装置的喂入及排出量335.6 防堵性能参数345.7 本章小结35六、田间试验366.1 试验条件366.1.1 试验地土壤含水率测定376.1.2 香蕉假茎含水率测定386.2 试验指标测定396.2.1 还田机工作效率396.2.2 香蕉秸秆粉碎合格率396.2.3 秸秆覆盖率406.2.4 刀轴所受扭矩和