新型仿生玉米摘穗机构理论分析与仿真研究

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1、—————————————————————新型仿生玉米摘穗机构理论分析与仿真研究—————————————————————TheoreticalAnalysisandSimulationResearchonNovelBionicCorn-earSnappingMechanism作者姓名：张莉专业名称：农业生物环境与能源工程指导教师：张强教授学位类别：工学硕士答辩日期：2015年6月2日摘要摘要新型仿生玉米摘穗机构理论分析与仿真研究有统计表明自2012年开始，我国玉米产量已超过水稻成为第一大粮食作物，并且种植

2、面积仍持续扩大，但随着农业人口中越来越多的青壮年劳动力进城务工，留守农业劳动者越来越难以胜任大面积、高强度玉米收获工作，因此，迫切需要由机器来代替部分人工劳动。但传统玉米收获机中的摘穗装置多数采用拉伸、挤压的工作原理进行玉米摘穗作业，这种工作方式易使摘穗辊对玉米穗造成挤压或啃伤，从而导致收获损失率过高，并且对不同接穗高度的适应性差，完整秸秆的回收效果也不理想。为解决上述问题，本课题组模仿人工掰玉米的工作原理，采用弯曲折断的方式，设计出一种新型仿生玉米摘穗装置，但若采用传统的设计方法，在机器的研制期间需要耗费

3、大量的人力、物力以及财力。因此，出于对时间和研发成本的考虑，决定将摘穗装置的部分调试工作通过虚拟分析的方式完成。本文在前期研究基础上利用虚拟样机技术确定了玉米摘穗过程，采用弯曲折断方式的最佳施力方向与夹持位置、玉米穗摘落条件以及对真实摘穗过程进行仿真模拟分析，确定最佳工作参数，为后期摘穗试验台的进一步改进与研发提供数据支持。本文重点研究内容包括以下几个方面：（1）对先玉335号玉米植株外形尺寸进行测量，结合测量结果与实际外形特征，通过Pro/E软件建立了与真实玉米植株外形相近的三维模型，并将其导入到有限元分

4、析软件ANSYS中进行受力分析。对比玉米秸秆在不同位置被夹持固定情况下，受到不同方向的弯曲作用力时所产生的位移及应力变化情况发现：将玉米秸秆顶端进行夹持固定并且从玉米穗上表面向下施加弯曲作用力时，作用力在各方向上产生的分力能够达到最大，相同的外部作用力能够使玉米植株在各分力方向上产生最大的变形，更有利于实现玉米穗脱落，是最佳施力方向与夹持位置。并且分析出最大应力集中位置易发生在穗柄与秸秆的连接位置上端，因此推断，从玉米穗上表面向下施加弯曲作用力时，穗柄与秸秆连接处最易首先发生折断。（2）从理论上分析了玉米穗

5、在不同位置被摘落时所需满足的条件，并且运用仿真分析软件ADAMS模拟了，由玉米穗上端垂直向下施加随时间变化的弯曲作用力时玉米植株的结构变化情况。分析发现：当外界作用力达到70N，秸秆与穗柄连接力沿受力方向产生2.4264mm的位移时，能够满足穗柄由秸秆连接处折断的条件；当外界作用力达到90N，穗柄与玉米穗连接力沿受力方向产生2.5933mm时，能够满足玉米穗由穗柄处脱离的条件。由此判断，由玉米穗上端向下施加弯曲作用力时，穗柄与秸秆连接位置先于玉米穗与穗柄处产生弯曲折断。I吉林大学硕士学位论文（3）运用ADA

6、MS对新型仿生玉米摘穗装置的摘穗过程进行模拟仿真，通过对摘穗过程中摘穗辊对玉米穗所产生的碰撞力分析结果表明：影响摘穗效果的三个因素摘穗辊转速、玉米喂入速度、摘穗辊与喂入方向夹角中，玉米喂入速度对摘穗效果影响最大；并且三个因素的中最多两个因素可以采用较高水平值，否则会因摘穗辊对玉米穗所产生作用力过大或过小，难以实现较好的摘穗效果。（4）通过在新型玉米摘穗实验台上所做试验结果与仿真数据进行对比表明：试验结果与仿真结果相吻合，仿真参数设计合理，仿真结果具有参考价值。对试验结果进行极差分析结果显示，当摘穗辊转速为1

7、3r/s、玉米喂入速度1.5m/s，摘穗辊与夹持输送带夹角40°时能够达到最理想摘穗效果，并且通过多项式的正交分析计算出各因素与摘穗率的影响关系函数。（5）利用实验台进行的摘穗试验的过程中，发现了实验台设计的不足之处，对此提出了部分改进意见，并对摘穗辊支架进行了改进，使两摘穗辊间距离可调，解决了因摘穗辊位置固定而造成的过小玉米穗的漏摘现象。本文通过虚拟样机仿真技术进一步分析了玉米穗弯曲折断的工作机理，并且模拟了摘穗过程，所得结果通过实际试验进行验证，结果表明仿真设计合理，使得本研究不仅具有实用意义，同时也为

8、研发新型玉米摘穗装置提供坚实基础。关键词：玉米摘穗，摘穗装置，虚拟样机，摘穗原理IIAbstractAbstractTheoreticalAnalysisandSimulationResearchonNovelBionicCorn-earSnappingMechanismAccordingtothestatistics,thecornyieldhasbeenmorethanriceandhasbecomethef