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1、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
2、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
3、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Abstract
4、Bananaisoneoftheworldsfourmajorfruits,andithasaveryimportantproportionintheinternationalfreshfruitmarket.InChina,bananasaremainlygrownintropicalandsubtropicalregionssuchasHainan,Yunnan,Fujian,andGuangdong.Bananasareaneconomiccropandareofgreatsignificancetotheeconomicconstructionandregionaldevelopmen
5、toflocalruralareas.Afterthebananafruitisharvested,alargeareaofbananatreesisleftasagriculturalwaste.Accordingtoresearch,bananastalksandleavescontainalargenumberoforganicnitrogen,phosphorus,potassiumandtraceelementswhicharebeneficialtobananagrowth.Itisanaturalsourceoforganicfertilizer.Ifthebananatreei
6、sdirectlycrushedandreturnedtothefieldafterthebananaisharvested,itcannotonlyimprovethesoilstructureofthebananaland,enhancethesoilfertility,increasethebananayield,butalsoreducetheplantingcostandimprovetheeconomicefficiency.Atpresent,thedomesticbananaplantingindustryhasalowdegreeofmechanization,andthes
7、upportingagriculturalmachineryislessandisinthestageofresearchanddevelopmentoptimization.Therefore,thecurrentbananafarmers,treatmentofbananatreesisbasicallybyself-deforestationintosmallsectionsandplacedonthefieldstorotthemselves.Thistreatmentnotonlypollutestheplantingenvironmentofthebananaplantation,
8、butalsocausespestsanddiseasestobringhiddendangerstothebananaplantation.Withtheincreaseofbananaplantingarea,thetreatmentofbananastrawwastehasbecomeabottleneckrestrictingthedevelopmentofthebananaindustry.Basedonthis,thispapercombinestheoreticalanalysis,virtualprototypingtechnologyandorthogonalexperime
9、nttooptimizeandimprovetheverticalbananastrawcrushingandreturningmachinedevelopedbyHainanUniversity.Themainresearchcontentsareasfollows:(1) Usingthemethodsofstatisticalanalysisandfieldinvestigationtostudythebiologicalandmechanicalpropertiesofbananas.Byanalyzingtheplantingpattern,structureandshapeofba
10、nanapseudostem,itprovidesreferenceforthedesignofthewholemachineparameters.Byanalyzingthemechanicalpropertiesofbananapseudostemshearstrength,itprovidesatheoreticalbasisforthedesignofthecrushingdevice.(2) Basedontheprincipleofbionics,imitatethecontourshapeofthewolfclaw,optimizethedesignofthebladecurve
11、ofthebananastrawcrushingblade;fromtheperspectiveofkinematicsbionics,onthebasisoffullystudyingthelawofthecontractionmovementofthewolfclaw,obtaintheequationofthecurveofthewolfclaw.ItisappliedtothetHijectorydesignofthestrawpulverizingknife.(3) Fieldtrials.Thetestmethodwasdevelopedtodeterminetheoptimalc
12、ombinationofstructuralparametersandmotionparametersoftheimplementsbyusingthedataprocessingsoftwareSPSSandtheorthogonaltestschemebyusingthedataprocessingsoftwareSPSSandtheorthogonaltestmethodtodeterminetheoptimalcombinationofthestructuralparametersoftheimplementandthemotionparameters.Analyzetheintera
13、ctionofvariousfactors.Theoptimalcombinationofimportantparametersofthemachinewasobtained.Theforwardspeedofthetractorwas3ms,thespeedofthecrushingkniferollerwas1650rmin,andthethicknessofthestrawcrushingknifewas12mm.Thecorrespondingtestindexeswere:strawcrushingrateAt90.6%,thecoveragerateis90.5%.目录一、绪论11
14、.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
15、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