基本信息
- 项目名称：
- 万向节倾斜式宽窄行分插机构的机理分析和产品研制
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 农艺专家提出水稻宽窄行栽培有利于改善通风透光性，减少病虫害，提高低产田产量5%—10%。目前宽窄行插秧只能通过人工拉线来实现，劳动强度大、效率低，农民普遍提出宽窄行机插秧的需求。 本项目拟发明一种在保持育秧装备和工艺流程不变的前提下，实现宽窄行插秧的万向节倾斜式宽窄行分插机构。本发明具有国际首创性，已申请国家发明专利和授权实用新型专利，已以300万元转让给延吉插秧机制造有限公司。
- 详细介绍：
- 农艺专家通过多年对水稻种植的潜心研究，提出了水稻宽窄行密植栽培技术。水稻宽窄行密植栽培技术有利于改善通风透光性，减少病虫害，提高分蘖成穗率，对低产田可以提高产量5%—10%。目前市场上还没有成型的宽窄行插秧机，宽窄行插秧只能通过人工拉线插秧方式来实现，劳动强度大且效率极低，农民普遍提出了宽窄行机插秧的需求。 宽窄行分插机构是宽窄行插秧机的核心工作部件，其性能的优劣直接决定了宽窄行插秧机的整机水平。本项目拟发明一种在保持育秧装备和工艺流程不变、秧箱和传动方式不变的前提下，来实现宽窄行插秧的万向节倾斜式宽窄行分插机构。本发明具有原创性和国际首创性，具有自主知识产权，已申请国家发明专利：万向节驱动倾斜式宽窄行分插机构（201010143779.4）和授权实用新型专利：一种万向节驱动倾斜式宽窄行插秧机分插机构（201020155132.9），并正在申请国际发明专利。本项目已以285万元转让给延吉插秧机制造有限公司。本项目主要包括以下研究内容： 1.通过对日本的高速插秧机旋转式分插机构及国内常用的传统分插机构的工作机理和运动特性的分析，为发明一种宽窄行分插机构提供坚实的理论基础。 2.采用万向节偏心-非圆齿轮行星轮系实现插秧运动所需要的宽窄行和非匀速传动效果，论述了其工作原理和结构特点，并建立了万向节倾斜式宽窄行分插机构运动学数学模型。 3.以建立的运动学数学模型为基础，采用“参数导引”的优化新方法，基于VB6.0自主开发万向节倾斜式宽窄行分插机构“傻瓜化”辅助分析与优化软件。根据我国农艺要求，提出分插机构参数优化的目标和方法，分析参数变化对分插机构运动特性的影响，优化出合理的分插机构结构参数。 4.基于优化得到的结构参数，完成万向节倾斜式宽窄行分插机构的结构设计；利用UG软件建立了分插机构各零件的三维模型，并对其进行虚拟装配；基于机械系统仿真分析软件ADAMS对机构进行动态仿真分析，对分插机构秧针尖点运动轨迹，取秧和插秧的角度、速度等影响插秧质量的参数进行了分析研究。 5.加工分插机构零件，并进行装配，进行实验台无秧试验，利用高速摄像机拍摄下分插机构运动过程，并对秧针尖点运动轨迹、速度、取秧和插秧角度进行分析研究；在佳木斯和广州做田间试验，其插秧效果较好，基本无漏秧、伤秧，证明了万向节倾斜式宽窄行分插机构工作的可靠性及整套设计方法和理论的正确性。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明的目的： 中国的农艺专家提出水稻宽窄行栽培有利于改善通风透光性，减少病虫害，提高水稻产量和质量。对低产田的产量提高可达到5%-10%。由于市场没有宽窄行插秧机，目前只能通过人工拉线的方式实现。例如黑龙江五常县是国内著名“稻花香”水稻产地，为了保证水稻的产量和质量，他们全部采用人工拉线的方式进行宽窄行插秧。人工插秧劳动强度大，效率低，宽窄行水稻插秧机成为了市场迫切需求。 基本思路： 通过对现有等行距插秧机整机的传动方式进行分析，并对插秧机分插机构的原理进行研究，在考虑到育秧农艺和技术流水线不变的情况下，决定通过改变分插机构的方式来实现宽窄行插秧，并对宽窄行分插机构进行数学建模，利用VB6.0编写优化平台，进行机构参数优化，最后通过虚拟样机、试验台实验和物理样机实验来验证。 创新点： 1、发明了符合现代育秧农艺及宽窄行要求的宽窄行分插机构。 2、开发了分插机构优化设计软件与虚拟试验，制作了“傻瓜化”人机交互界面。 技术关键： 1）选择一种机构能满足宽窄行插秧的空间轨迹。 2）解决分插机构复杂的多目标优化问题，并制作参数导引“傻瓜化”优化平台 主要技术指标： 作业行数 6行 行距 窄行20cm、宽行40cm 株距 12cm、14cm、16cm、18cm、21cm 插秧速度 0.3—1.6米/秒 工作效率 25株/s 插秧深度 12—45mm 整机重量 300kg左右 操作人员 1人
科学性、先进性
- 宽窄行是中国农艺专家提出的适合我国国情的密植方式。国内延吉插秧机厂研制了一台宽窄行插秧机，但并未进入市场，因为其是通过将300mm宽的秧箱改成200mm。改变秧箱，就必须改变育秧技术流水线，和现代育秧农艺不符。本项目通过改变分插机构的方式来实现宽窄行插秧，结构紧凑，无需改变秧箱和传动方式，保证和现代育秧农艺和技术的无缝接轨。因此我们研制的宽窄行分插机构不仅能够实现宽窄行密植，同时继承了等行距插秧和育秧农艺结合的优点。从而保证了插秧机整机的生产流水线基本不变，提高了宽窄行插秧机的性价比。实验结果如下所示。 宽窄行 等行 每平米穗数 528.6 542.2 穗粒数 72.7 70.6 结实率 88.7 88.2 千粒重（g） 258.5 254.8 理论产量（Kg/亩） 587.4 573.5 增产 2.4% 实收产量（Kg/亩） 516.7 503.3 增长 2.7%
获奖情况及鉴定结果
- 1.在第十二届浙江理工大学“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛中荣获一等奖； 2.在第十二届浙江省“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛中荣获一等奖； 3.2010年5月份在黑龙江佳木斯农垦总局的试验田进行了第一次下田实验，下田一次成功。 4.2010年7月在广州华南农大的试验田进行第二次实验，得到了专家的一致好评。
作品所处阶段
- 本作品已于分别在佳木斯和广州进行了两次田间试验，已转让给延吉插秧机制造有限公司。
技术转让方式
- 专利、图纸、模具和样机已转让给延吉插秧机制造有限公司。
作品可展示的形式
- 实物、产品、图片、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 该作品的优点是机构合理，结构紧凑，在与现代育秧农艺相吻合的情况下，实现农艺要求的宽窄行种植。 由于宽窄行具有提高产量和质量的优点，从而宽窄行插秧机成为了迫切需求。例如：四川重庆地区阴雨天多、阳光少，如果采用传统的水稻插秧方式，病害、倒伏现象出现概率较大，从而造成农药需求量增加，残留的过量农药会对身体造成极大的危害；多年来农民采用人工拉线的方式进行宽窄行插秧，达到增加光照，提高产量，减少病害的目的。黑龙江五常县是国内著名“稻花香”水稻产地，其宽窄行全部采用人工插秧，如果用机器代替人工作业，需要8000到10000台宽窄行插秧机。因此成功研制宽窄行插秧机迫在眉睫。本项目研制的宽窄行分插机构不仅能够实现宽窄行插秧，而且保证了整机生产线不变，因此成本和同型号的等行距插秧机接近，但宽窄行插秧机的优点是等行距插秧机无法比拟的。 本项目的研究将加快水稻宽窄行密植方式的推广，推动水稻种植机械化进程，配合农艺要求，提高水稻产量和质量，为粮食安全做出贡献。
同类课题研究水平概述
- 水稻宽窄行种植是中国农艺专家专门针对我国国情提出的，国外并没有宽窄行插秧机的相关研究。国内延吉插秧机厂通过改变秧箱的方式改装了一台宽窄行插秧机，但是并没有对宽窄行分插机构进行系统的理论研究。改变后的秧箱与现代的育秧农艺和技术不符，因此未能进入市场。水稻插秧机现有研究资料全部是关于等行距插秧机的，而宽窄行水稻插秧机的研究资料少之又少。 目前，水稻插秧机分为3种类型：人力手动插秧机、步行式插秧机和乘坐式高速水稻插秧机。手动插秧机完全靠人工操作，操作人员劳动强度大，工作效率低；乘坐式高速水稻插秧机是目前最先进的插秧机械，工作效率高，适合于大田块作业；步行式插秧机性能介于前两者之间。日本曾在90年代发明过窄行插秧机，用于水稻密植。该机型行星轮和中间轮传动采用伞型齿轮，使得两个栽植臂在同一取秧口取秧，然后分别向两边摆动插秧，即同一分插机构在原来的同一行内插出两行水稻。该密植式插秧机根本不符合我国农艺专家提出的宽窄行插秧农艺要求。水稻插秧机的发展、普及需要农机和农艺的相辅相成，所以在我们之前一直未出现真正适合中国农艺要求的宽窄行插秧机。 日本作为国际上水稻机械最先进的国家，率先把现代设计方法应用到水田机械的研究中，特别是插秧机核心工作部件分插机构的研究。在设计方面，利用信息技术在计算机上设计软件，优化参数。但是日本的研究成果在未进入市场之前，是不公开发表的，因而在学术刊物上有关他们的研究工作未见报道，特别是日本的几大插秧机研究公司的相关研究。本研究小组指导老师通过与日本高校研究所和企业进行学术交流，了解到他们在虚拟制造、虚拟实验和测试方面做了大量的工作。其不足之处是采用市场上现有的软件，针对性不强；插秧周期中的取秧和推秧过程演示地不够准确；其编制、设计的优化软件，仅企业内部技术人员方可熟练掌握和使用，快速完成优化工作；优化方法并不完善，主要还是采用试凑的方法，未能达到系统化，因此优化平台“傻瓜化”程度较低，不能满足普通工程技术人员的操作要求。 本项目组针对水稻插秧机特别是核心工作部件——分插机构，进行了结构的创新和改造，用相对较简单的机构实现了宽窄行插秧；同时对优化软件的优化方法做了进一步的探究，采用“参数导引优化方法”，实现了优化软件的“傻瓜化”，使其通用性更强，一般工程技术人员经短期培训，即可轻松、独立应用该软件，得到所需要的优化参数。
