株间除草机械关键部件的设计及实验研究

江苏大学硕士学位论文
ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ
ｓｅｅｄｌｉｎｇ
ｏｎ
Ｏｃｔｏｐｕｓ－ｓｔｙｌｅ ｗｅｅｄｉｎｇ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ ａｇｅｎｃｉｅｓ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅｄ Ｃｏｖｅｒａｇｅ
ａｎｄ
ｒａｔｅ．Ｗｅ
ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ Ｃｕｔｔｅｒ ｃｅｎｔｅｒ ｐａｔｈ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ
间一体化智能精确除草的需要。
本文设计了三种挂接于多功能除草实验台的精确除草执行机构，利用虚拟样 机技术对其结构参数进行设计、进行动力学仿真分析，并对各执行机构进行了实 验研究。主要研究内容包括以下几个方面： （１）结构设计：对八爪式除草执行机构、Ｓ型铲和三爪转盘工作部件的具体结 构和尺寸作了详细的设计，计算了八爪式除草执行机构割刀中心的理论轨迹，根
合度较好，伤苗率约为２．６％，在对割刀改进后覆盖率可以达到８０％以上。对于Ｓ
型除草铲和三爪转盘做了浅耕除草效果、中耕松土效果、工作阻力和能耗测定的 实验研究，找出了有较好除草效果和松土效果时的工作参数。
本文的研究为田间株间除草机械的进一步设计、优化和研制提供了实践依据。
关键词：株间除草
除草机构
ＡＤＡＭＳ仿真
ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄ ｉｎ
ｍｕｌｔｉ－ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ｂｅｄ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｗｅｅｄｉｎｇ．Ｕｓｉｎｇ
ｏｆ ｖｉｒｔｕａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｄｅｓｉｇｎｅｄ
ｉｔｓ
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ
ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ａｎａｌｙｓｉｓ
ｊａｗ
ｗｈｅｅｌ ｗｏｒｋｉｎｇ ｗｅｅｄｉｎｇ
ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ
ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ
ｏｆ
ｏｃｔｏｐｕｓ・ｓｔｙｌｅ
ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ
ａｇｅｎｃｉｅｓ ｃｕｔｔｅｒ
ｃｅｎｔｅｒ ａｎｄ
ｄｅｓｉｇｎｅｄ Ｃｕｔｔｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｂｒｅａｋｉｎｇ ｔｈｅ
ａｎｇｌｅ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ
国的农业正从传统的粗放型作业方式向精确节约型转变，在一定程度上实现了
“高产、优质、高效、持续＂的农业发展。然而，在我国加入ＷＴＯ之后，我国农
业面临着严峻的挑战，仅农田除草这一方面与西方国家的农业科技水平就有很大 差距，而且一直是阻碍农业生产快速、持续发展的一个重要因素。虽然我国农田
杂草综合治理已经取得了长足进步，但杂草危害、演替、抗药性、除草剂药害等
ｃａｎ
ｏｎｌｙ ｂｅ ｕｓｅｄ ｗｉｍ ｖｅｒｙ ｕｎｉｆｏｒｍ ｐｌａｎｔ ｓｐａｃｉｎｇ．Ｔｈｅ ｗｅｅｄｉｎｇ ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎｓ ｔｈｅ
ｃａｎ
ｎｏｔ ａｃｈｉｅｖｅ
ｗｅｅｄｉｎｇ ｎｅｅｄ
ｕｎｄｅｒ ｎｏｒｍａｌ ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｅｖｅｎ ｍｏｒｇ ｉｍｐｏｓｓｉｂｌｅ ｌｉｎｅ
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ．
ＫＥＹ
ＷＯＲＤＳ：Ｉｎｔｒａ－ｒＯＷ ｗｅｅｄｉｎｇ，Ｗｅｅｄｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ＡＤＡＭＳ
Ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，Ｗｏｒｋｉｎｇ
ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ
ＩｌＩ
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８０％．Ｆｏｒ ｔｈｅ Ｓ－ｗｅｅｄｉｎｇ ｓｐａｄｅ ｅｆｆｅｃｔｓ，Ｉｎｅｒｔｉａｌ ｌｏｏｓｅ ｓｏｉｌ
ａｎｄ ｊａｗ
ｗｈｅｅｌ，ｗｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅｉｒ Ｓｈａｌｌｏｗ ｐｌｏｗｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ
Ｗｅｅｄ
ｅｆｆｅｃｔｓ，Ｗｏｒｋｉｎｇ
ａｎｄ
Ｅｎｅｒｇｙ
ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．ｗｅ
问题仍相当严重【１卅。为了适应面向经济全球化、实现农业可持续发展的要求，研 发低能耗、智能化、无污染的机械式除草机器人的精确农业必将成为我国农业科 技创新的重要组成部分。 精确农业【３】（Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，简记ＰＡ），或称精细农业、精准农业， 是大约２０年前在美国明尼苏达大学的土壤学者倡导下开始探索的环境保护型农业 的通称。作为基于信息高科技的集约农业，ＰＡ将Ｒｅｍｏｔｅ
ｂｅｔｗｅｅｎ
ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｗｅｅｄｉｎｇ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ
ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ
ａｇｅｎｃｉｅｓ
ｌｉｎｅｓ ｎｅｅｄｓ＇．
ｄｅｓｉｇｎｅｄ
ｔｈｒｅｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｗｅｅｄｉｎｇ
ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ
ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ
ｒａｔｅ ｗａｓ ａｂｏｕｔ
Ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ丽ｍ
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅｄ ｓｅｅｄｌｉｎｇ
２．６％．Ａｆｔｅｒ ｃｕｔｔｉｎｇ ｋｎｉｆｅ ｗａｓ
ｉｍｐｒｏｖｅｄ，Ｔｈｅ
ｃｏｖｅｒａｇｅ ｒａｔｅ
Ｃａｎ
ｒｅａｃｈ
仿真分析，为物理样机实验的实验条件选取提供了参考，极大地减少了物理样机 实验次数。在动力学仿真分析前，设置了材料的属性参数，依据碰撞理论，设置 了碰撞模型的参数，分析了碰撞力的实验结果，为物理样机传动部件的加工尺寸 参数提供了参考。 （３）实验研究：对八爪式除草执行机构主要进行了仿真轨迹的验证实验、伤 苗率和覆盖率的计算，发现物理样机实验得到的割刀中心轨迹和仿真分析轨迹吻
3强调不同领域的虚拟化的协同设计这种协同设计是指既包含时间轴上对产品全生命周期的单点仿真分析亦强调同一时间点上异地分布的建模仿真分析人员可在一个协同互操作的环境中方便快捷和友好地采用各自领域的专业分析工具对构成系统的各子系统进行建模与仿真分析或从不同技术视图进行功能性能的单点分析并透明地支持它们参与整个系统的联合仿真协作完成对系统的仿真的一种复杂系统仿真分析方法
据一定的理论依据设计了割刀的碎土角等参数。
（２）仿真分析：对各个工作部件运用Ｐｒｏ／Ｅ进行了三维设计，然后导入ＡＤＡＭＳ
进行了仿真分析，着重对割刀中心的轨迹进行了运动学仿真分析和传动部件的动
力学仿真分析。割刀中心的轨迹仿真分析主要在不同的前进与转动速度比值下进 行仿真分析，记录了割刀中心的轨迹，计算了各株距下的最适合速比值。多次的
ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ
ｒｅｓｕｌｔｓ ｔｏ ｐａｒｔｓ．
ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ
ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ：ｗｅ
ｄｉｄ ｍａｉｎｌｙ ｔｈｅ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ
Ⅱ
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
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描等复制手段保存和汇编本学位论文。
保密口，在 本学位论文属于 不保密
年解密后适用本授权书。
学位论文作者签名：ｆ矗谬烀
卜Ｉ ｏ年１５１月鸭日
指导教师签名：
抄｜。年《Ａ ｃ易Ｂ
独创性声明
ａｎｄ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅ
ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ ａｇｅｎｃｉｅｓ．Ｍａｉｎ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｉｎｄｕｄｅ ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ａｓｐｅｃｔｓ：
Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ
Ｄｅｓｉｇｎ：ｗｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ
ｉｎ
ｄｅｔａｉｌ
Ｓｐｅｃｉｆｉｃ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ａｎｄ
ｓｉｚｅ
ｏｆ
ｏｃｔｏｐｕｓ－ｓｔｙｌｅ ｗｅｅｄｉｎｇ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ ａｇｅｎｄｅｓ，Ｓ—ｔｙｐｅ ｂｌａｄｅ ａｎｄ ｐａｒｔｓ．Ａｌｓｏ ｗｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｔｈｅ
ｆｏｕｎｄ
ａ
ｔｈｅ
ｏｐｔｉｍｕｍ
ｏｐｅｒａｔｉｎｇ
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｗｅｅｄ ａｎｄ ｔｉｌｌａｇｅ ｅｆｆｅｃｔｓ．Ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ Ｐｒｏｖｉｄｅ
ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ｏｆ Ｉｎｔｒａ－ｒｏｗ ｗｅｅｄｉｎｇ
ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ｄｅｓｉｇｎ，ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
Ｐｈｙｓｉｃａｌ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ
ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ
ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ
ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ
ａｎｄ
ｇｒｅａｔｌｙ ｒｅｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．ｗｅ Ｓｅｔ ｔｈｅ
样机实验
工作阻力
江苏大学硕士学位论文
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
ａｎｄ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ｗｅｅｄ
ａｒｅｂｅｃｏｍｉｎｇ Nhomakorabeaａ
ｈｏｔｐｏｔ ｏｆ
ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ
ｓｃｉｅｎｃｅ ｆｉｅｌｄ．Ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｄｉｓｃ－ｔｙｐｅ，ｓｉｎｇｌｅ－ｗｉｎｇ ｓｐａｄｅ ｗｅｅｄｉｎｇ
ｒａｔｉｏ丽ｍ
ａｎｄ
Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ
Ｓｐｅｅｄ．Ｔｈｅｎ
ｗｅ
ｒｅｃｏｒｄｅｄ Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｖａｒｉｏｕｓ
ｃｕｔｔｅｒ ｃｅｎｔｅｒ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ
ｒｏｗｓ．Ａ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ
ｔｈｅ ｍｏｓｔ
ｓｕｉｔａｂｌｅ ｓｐｅｅｄ ｒａｔｉｏ
ｕｎｄｅｒ
ａ
ｓｐａｃｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ
ａｇｅｎｃｉｅｓ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｂｅ
Ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ
ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ ｗｅｅｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｌｉｎｅｓ．Ｉｔ
ｃａｌｌ
ｎｏｔ
ａｐｐｌｉｅｄ ｆｏｒ Ｗｅｅｄｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ
ｔｈｅ ｌｉｎｅｓ．Ｄｅｖｉｃｅｓ ｆｏｒ ｗｅｅｄｉｎｇ
ｂｅｔｗｅｅｎ
ｔｈｅ ｌｉｎｅｓ
Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｎｇ、Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ
Ｓｙｓｔｅｍ及Ｇｌｏｂａｌ
Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ
Ｓｙｓｔｅｍ（简记ＲＳ，ＧＩＳ，ＧＰＳ，即３Ｓ）
等技术与农学、地理学、生态学、土壤学、植物生理学等基础学科有机地结合，
实现在农业生产全过程中对农作物、土地、土壤从宏观到微观的实时监测，其目 的就是同时实现生产率的提高和环境保全型可持续发展。 精确机械式除草技术是精确农业领域内的重要课题，其核心是获取农田中杂 草的位置信息，通过除草执行机构，利用除草铲将杂草的茎铲断，一方面通过杜 绝使用农药，消除农药对环境的污染，改善农业生态环境，提高农产品的品质；另一 方面通过智能化的除草执行机构，实现除草作业的低能耗，实现低碳农业，从而
江苏大学 硕士学位论文 株间除草机械关键部件的设计及实验研究 姓名：周恩权 申请学位级别：硕士 专业：农业机械化工程 指导教师：毛罕平 20100611
江苏大学硕士学位论文
摘要
机械化和智能化的物理方法除草正成为精确农业科学领域的研究热点。现有 的圆盘式、单双翼铲式除草机构均面向行间的机械化中耕除草而设计，无法应用 于株间除草，少数面对株问除草的装鼍，只能在植株间距非常均匀的情况下使用。 这些除草机构都无法实现一般栽培方式下株间除草的需要，更无法实现株间、行
ｍａｔｅｒｉａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
ｏｎ
ｂｅｆｏｒｅ ｔｈｅ
ｄｙｎａｍｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ａｎｄ ｔｈｅ
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
ｏｆ ｔｈｅ
ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄ ｐｒｏｖｉｄｅ
ａ
ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ．Ｗｅ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ Ｉｍｐａｃｔ Ｆｏｒｃｅ
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独
立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论
文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：ｆ心咀夺
ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ．
ｏｎ
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ：ｗｅ Ｗｏｒｋｅｄ
Ｐｒｏ／Ｅ ａｎｄ ｔｈｅｎ
ｖａｒｉｏｕｓ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｔｈｅ
ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ
ｏｎ
ｗｉｔｌｌ ｏｆ
ｉｍｐｏｒｔ
ｔｈｅ ＡＤＡＭＳ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｆｏｃｕｓｉｎｇ
Ｐａｒｔｓ
ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ
ｃｕｔｔｅｒ
ｃｅｎｔｅｒ
ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ
ｏｆ
Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｗｅ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｏｒｗａｒｄ
ｄｉｄ ｔｈｅ
Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ｃｕｔｔｅｒ
ｃｅｎｔｅｒ
ｉｎ
ｏｆ
ａ
１日期：卜ｌ ｏ年Ｂ月ｆ莎日
江苏大学硕士学位论文
第一章绪论
１．１
引言
我国作为一个农业大国，耕地面积约２０亿亩，田间杂草种类繁多，人们为了
田间除草付出了巨大的人力、环境代价，如何能实现低能耗、智能、无污染的去
除田间杂草对我国实现农业现代化有着重大的现实意义和经济价值。 在过去的几十年间，我国的农业生产发生了巨大的变化，农业生产的科技技 术含量得到了很大的提高，高新技术在农业生产中得到了广泛的推广和应用。中