采棉機采摘頭適應性農(nóng)藝參數(shù)分析

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塔里木大學 畢業(yè)論文（設計）開題報告 課題名稱 采棉機采摘頭適應性農(nóng)藝 參數(shù)分析 學生姓名 姚振濤 學 號 8031208216 所屬學院 機械電氣化工程學院 專 業(yè) 農(nóng)業(yè)機械化及其自動化 班 級 16-2 指導教師 李平 起止時間 2015.10.15-2016.5.28 機械電氣化工程學院教務辦制 填 表 說 明 一、學生撰寫《開題報告》應包含的內(nèi)容： 1、本課題來源及研究的目的和意義； 2、本課題所涉及的問題在國內(nèi)（外）研究現(xiàn)狀及分析； 3、對課題所涉及的任務要求及實現(xiàn)預期目標的可行性分析； 4、本課題需要重點研究的、關鍵的問題及解決的思路； 5、完成本課題所必須的工作條件及解決的辦法； 6、完成本課題的工作方案及進度計劃； 7、主要參考文獻（不少于7篇）。 二、本報告必須由承擔畢業(yè)論文（設計）課題任務的學生在接到“畢業(yè)論文（設計）任務書”的兩周內(nèi)獨立撰寫完成，并交指導教師審閱。 三、開題報告要求手寫體，字數(shù)在3000字以上，由學生在本報告冊內(nèi)填寫，頁面不夠可自行添加A4紙張。 四、每個畢業(yè)論文（設計）課題須提交開題報告一式三份，一份學生本人留存，一份指導教師存閱，一份學生所在學院存檔，備檢備查。 一 本題來源及研究的目的和意義 1.1 課題的來源：自選題 1.2 研究的目的 以水平摘錠式采棉機為研究對象，為提高采棉機田間作業(yè)適應性，以采棉機采摘系統(tǒng)田間試驗調(diào)查結果為依據(jù)，從棉花品種選擇、棉花種植模式、棉花水肥管理、氣候條件、脫葉劑噴灑情況、棉花采收時期、棉花采收前植株特性等影響采棉機采收質(zhì)量的諸多因素開展采棉機適應性技術研究。 1.3 研究的意義 本課題對于農(nóng)藝調(diào)查意義是：通過對測定數(shù)據(jù)的分析得到影響采棉機采摘質(zhì)量的主要因素，并獲得與采棉機相適應的農(nóng)藝參數(shù)。為國外引進采棉機田間作業(yè)參數(shù)的適時調(diào)節(jié)及國產(chǎn)采棉機的研制、發(fā)展及改進優(yōu)化設計提供依據(jù)。 二 課題所涉及的問題在國內(nèi)外現(xiàn)狀及分析 2.1 國內(nèi)外采棉機研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 在國內(nèi)對于棉花機械化收獲技術和裝備的研究主要是借鑒國外技術集中于對采摘頭收獲技術和裝備進行研發(fā)。1993 年以后引進美國水平摘錠采棉機。先后引進了 JD9965、9970，9976、CASE2022、2555 等型號的采棉機。經(jīng)過大量試驗表明：采凈率在 90%以上，落地棉率6%以內(nèi)，含雜率 7%以內(nèi)。截至2006 年，兵團先后購買了近 300臺美國水平摘錠采棉機。同時國內(nèi)也積極開展采棉機的研制，先后研制了4MZ-3、4MZ-5型（均采用進口水平摘錠采摘頭）自走式采棉機。在現(xiàn)有栽培模式下使用水平摘錠采棉機暴露出采摘效率不高、采凈率較低、落地棉多等問題，導致采收成本較高。加之棉花品種、氣候條件、栽培模式及采收技術等諸多因素影響，機采棉含雜率不僅大于傳統(tǒng)手采棉，而且也很難達到國外機采棉指標的水平。 國內(nèi)采棉機的研發(fā)情況主要是考慮成本節(jié)約及小型化，并能與拖拉機配套使用，綜合利用動力。總體來說，國內(nèi)的發(fā)展趨勢有兩種，一種是走仿制路線。其采棉機核心采摘部件均依賴進口，在核心技術上無自主知識產(chǎn)權，成本較高；另一種是獨立自主研發(fā)路線，百家爭鳴，形式多樣，但是難以實現(xiàn)大規(guī)模作業(yè)。國外(主要是美國)采棉機近年來發(fā)展趨勢是以滾筒式和自走式為主，而且發(fā)動機的功率在逐步提高。釆摘部件的行數(shù)由4行、5行發(fā)展到6行，作業(yè)速度也相應提高。另外采棉機充分利用電一液壓技術，計算機技術增加自動檢測和完善控制系統(tǒng)，提高了可靠性，改善了駕駛員的工作環(huán)境。采棉機技術發(fā)展將沿著提高摘錠采凈率、減少落地棉損失、降低采收棉 花含雜率、增大集棉箱裝載量、裝載密度和減少人工作業(yè)、機器操作更加人性化的趨勢發(fā)展。目前在澳大利亞、美國、巴西有很多凱斯采棉機上已開始應用精準農(nóng)業(yè)系統(tǒng)配套工作，指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1-2]。 2.2.采棉機理論及方法研究現(xiàn)狀 目前針對采棉機的研究一方面集中在對現(xiàn)有采棉機技術的研究與改進。例如石河子大學畢新勝早在2007年就針對采棉機采摘頭水平摘錠的工作機理進行了研究。大學付長兵、司學富、李小利等2011年針對水平摘錠式采棉機采棉原理及關鍵零部件進行了全面分析。石河子大學楊濤、張宏文為研究采棉機結構、運動參數(shù)等對采棉機采收質(zhì)量的影響規(guī)律，根據(jù)機采棉收獲機械化方式和種植模式設計了一種單摘錠采摘測試試驗臺。塔里木大學張有強針對采棉機采棉頭核心部件摘錠易磨損、易折斷的工程實際問題，通過摘錠速度及結構參數(shù)的變化揭示了摘錠在工作過程中實際動力學特性，并提出抑制摘錠磨損的建議。另一方面集中在采棉機精準控制方面的研究上。例如：大學田虎楠等采用FLUENT軟件進行了采棉機輸棉系統(tǒng)內(nèi)部流場的模擬研究，獲得了影響采棉機輸棉系統(tǒng)的規(guī)律性的因素，為提高輸棉管道性能提供了重要的途徑和方向。中國農(nóng)業(yè)大學李鵬等進行了采棉機測產(chǎn)系統(tǒng)智能監(jiān)控技術研究。石河子大學李景彬等進行了采棉機視覺導航路線圖像檢測方法的研究，通過對自然環(huán)境下拍攝的收獲期棉田彩色圖像進行分析和處理，檢測已收獲地與未收獲地分界線、田側邊緣及田端等目標，提取采棉機在田間作業(yè)時導航路線。大學時顥在采棉機器人的研發(fā)技術中，對采棉機器人雙目立體視覺系統(tǒng)的關鍵技術進行研究，分別從棉花圖像分割、棉花成熟判定、圖像匹配三方面提出了有效的算法。上海大學苗中華等針對采棉機作業(yè)速度影響采棉效率的問題，提出基于模糊 PID 控制技術的采棉機作業(yè)速度實時調(diào)整算法，建立行走速度調(diào)節(jié)模型，實現(xiàn)采棉機作業(yè)速度最優(yōu)控制。南京農(nóng)業(yè)大學江蘇省現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)技術與裝備工程實驗室的王玲、鄒小昱等為定位棉株上的棉花,用紅外測距實驗裝置和計算機圖像處理技術結合棉花的農(nóng)學生長特性測量單朵棉花的距離。為采摘機器人運動軌跡的規(guī)劃提供了參數(shù)[3-10]。 國外引進的大型農(nóng)業(yè)機械一般都是利用大量田間試驗不斷進行調(diào)試來適應當?shù)氐淖魑铮r(nóng)業(yè)機械田間試驗工作要比任何其它工程領域的試驗難度都大，主要由于農(nóng)業(yè)機械是在不斷變化的極其復雜的條件下進行作業(yè)的，如地面的不平度、土壤和作物的物理機械特性、氣候條件等。這些復雜的隨機變量直接決定著農(nóng)業(yè)機械的田間工作質(zhì)量，因此在進行農(nóng)業(yè)機械田間適應性試驗時，控制試驗條件，從而保證試驗結論的正確性極為重要。一般農(nóng)業(yè)機械在進行田間試驗設計時，一般采用設置區(qū)組、隨機化以及重復試驗這三項技術措施，以便達到有效地控制試驗條件的目的。目前采棉機田間試驗主要有以下學者作了研究：石河子大學劉克毅、王維新在分析其結構及工作原理的基礎上，進行了軟摘錠采棉機系統(tǒng)設計與實驗研究，田間試驗采用正交試驗方法，選擇滾筒轉速和采棉機前進速度為試驗因素，進行三次重復試驗，獲得了最優(yōu)滾筒轉速及前進速度。石河子大學閻金剛、張宏文通過搭建單摘錠試驗臺，采用二次旋轉正交試驗的實驗方法，對水平摘錠進行實驗研究，獲得了單個摘錠的采摘力和采摘時間，采摘力和纏繞過程等相關關系的運動參數(shù)。農(nóng)墾科學院機械裝備研究所康建明、陳學庚等為尋求梳齒式采棉機采收臺結構與工作參數(shù)的最優(yōu)組合，采用二次回歸正交旋轉中心組合優(yōu)化試驗方法，以行走速度、梳齒間距、梳齒振動頻率為影響因素，以采凈率、撞落棉率為目標函數(shù)，對影響該機采收性能的結構與工作參數(shù)進行優(yōu)化試驗研究[11-12]。 由目前采棉機技術理論研究現(xiàn)狀知，關于提高采棉機采摘質(zhì)量和降低含雜率兩大技術難題，主要集中在采棉機機械結構、機理方面及收獲技術研究上。然而影響采棉機采摘質(zhì)量的因素繁多復雜，與采收機械自身、種子、土肥、植保等方面均相關，不僅需研究采棉機自身的工作原理，還需從農(nóng)機與水、肥、種、藥等因素協(xié)調(diào)作用的融合技術方面進行全面研究，才能組織引導農(nóng)民統(tǒng)一作物品種、播期、行距、行向、施肥和植保，為機械化作業(yè)創(chuàng)造條件。但現(xiàn)階段采棉機理論技術研究方面還沒有上升到系統(tǒng)研究層面上來。因此需加大力度進行采棉機農(nóng)機農(nóng)藝融合技術研究，才能全面提高采棉機田間作業(yè)可靠性，進一步促進采棉機在的大面積推廣和示范。 綜上所述由于棉花機械采收是一個系統(tǒng)工程，影響因素繁雜。即使只有一個因素達不到要求都可能導致采棉機采摘質(zhì)量差，棉田出現(xiàn)“掛白毛”現(xiàn)象。也可能導致籽棉含雜率高。因而對影響采棉機采摘質(zhì)量及含雜率的因素進行全面分析，可對大型采棉機械的采收質(zhì)量進行預測及評估，也可大大提高采棉機田間作業(yè)可靠性。一方面水平摘錠式采棉機采摘頭自身結構復雜，部件較多。棉絮從被纏繞開始，隨著摘錠經(jīng)過不同階段，最終完成進入棉箱的過程，整個系統(tǒng)中影響采摘、輸送工作性能的因素繁多復雜，一旦某個環(huán)節(jié)發(fā)生變化將嚴重影響輸送裝置的運動狀態(tài)，易發(fā)生堵塞現(xiàn)象，大大降低了輸送裝置的工作可靠性和棉花的采摘質(zhì)量。另一方面除自身機械結構復雜外，外界因素對采摘頭的性能影響也很大，如棉花品種、棉花種植模式、棉花收獲期、棉花收獲期生物特性、棉花收獲期脫葉劑的噴灑情況等。 3、 對課題所涉及的任務要求 任務要求：對采收期棉花植株特性測定,得到所需數(shù)據(jù)，并通過對數(shù)據(jù)的分析得到影響采棉機采摘質(zhì)量的主要因素，并獲得與采棉機相適應的農(nóng)藝參數(shù)。 四 本課題需要重點研究的關鍵的問題 棉花機械收獲因不確定因素較多，根據(jù)前期田間調(diào)查結果分析，本文主要從以下幾個方面開展研究： （1）采收期棉花植株特性測定 本文以適宜南疆種植的機采棉花品種為采收對象，測定并分析收獲期棉花的生物特性，建立機采棉植株幾何模型。開展工作主要包括：棉花的種植密度、土壤性狀、棉花田間管理、棉花生理周期、氣候條件、脫葉劑噴灑，采收時期等因素。調(diào)查內(nèi)容主要包括棉花采收期植株特性、成熟度、脫葉情況測定。 棉花采收期植株特性主要包括：棉花植株高度、寬度、棉花吐絮程度、整株棉花吐絮個數(shù)、棉花最高棉鈴高度、底桃高度、棉桿主、分枝及分枝數(shù)等影響因素。 成熟度主要包括吐絮鈴、半開鈴、青鈴等數(shù)據(jù)。 脫葉情況的測定主要包括棉株上部、中上部、下部的青葉和干葉數(shù)量， 五 完成本課題需要的工作條件及解決的辦法 完成本課題所必須做的工作有利用學校圖書館及互聯(lián)網(wǎng)查閱大量資料，了解采棉機的各方面資料。關鍵問題可請求老師指導或通過同學討論，并實地測量所需數(shù)據(jù)和性能指標，并對數(shù)據(jù)進行整理總結，通過對數(shù)據(jù)的分析得到影響采棉機采摘質(zhì)量的主要因素，并獲得與采棉機相適應的農(nóng)藝參數(shù)。 六 工作進度計劃 第1周—第2周 通過查找文獻資料，撰寫開題報告。 第3周—第5周 對采收期棉花植株特性測定。 第6周—第9周 對測后數(shù)據(jù)進行整理總結，并進行分析。 第10周—第12周 對總結后的數(shù)據(jù)中各個因素分析得到主要因素，并撰寫論文。 第13周—第14周 整理資料準備答辯。 七 參考文獻 [1] 沐森林,孫勇飛,陳長林,石磊,張玉同.4MZ―2.6型復指桿式采棉機的設計及試驗研究[J].中國農(nóng)機化學報,2014,03:27-30. 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