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玉米移栽植质钵育秧盘成型机理及试验研究

时间:2018-04-29 17:10来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇机械工程硕士论文,机械工程是以有关的自然科学和技术科学为理论基础,结合生产实践中的技术经验,研究和解决在开发、设计、制造、安装、运用和维修各种机械中。
本文是一篇机械工程硕士论文,机械工程是以有关的自然科学和技术科学为理论基础,结合生产实践中的技术经验,研究和解决在开发、设计、制造、安装、运用和维修各种机械中的全部理论和实际问题的应用学科。机械工程是工学研究生教育一级学科,工程研究生教育一个领域。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇机械工程硕士论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 研究的目的和意义
玉米是国际四大粮食作物之一,不仅是“饲料之王”和重要的工业原料[1],也是我国主要的粮食作物,其种植面积和产量居秋粮作物之首。2012 年我国玉米播种面积为3.493 l07hm2,玉米总产量 2.081 l08t,超过稻谷,成为中国第一大粮食作物[2]。截止 2015年的 13 年中我国玉米种植面积逐年增加,其中我国玉米种植面积在 2014 年超过美国,到2015 年我国玉米种植面积达到 3.71 l07hm2,玉米产量达到 2.246 l08t。在 2015 年以前,我国玉米消费主要受工业和畜牧业需求影响而快速增长,并向供求偏紧的方向转变。2016年农业部实施农业结构调整中,以玉米为重点推进种植结构调整,解决玉米阶段性、结构性的供过于求,统筹粮食生产稳产能、保供给,并要求在玉米种植面积减少的情况下,提高玉米单产的质量和产量,降低生产成本,提质增效,实现绿色发展。这是我国 13 年来首次减少玉米种植面积,调减面积超过 2 l06hm2。黑龙江省作为我国玉米主产区,全省玉米种植面积比 2015 年调减 1.33 l06hm2左右。那么,随着玉米种植结构的调整和人均可耕地面积逐年减少,粮食产量可持续增长成为国家发展头等大事[3]。但是北方地区地处高纬度地带,气候、土壤等环境条件差,无霜期短,玉米品种生育期的选择受到限制。生产中采用传统的种植方式为大田直播,而且只能采用中、早熟品种,尤其是春季低温阴雨严重影响了玉米出苗,容易出现出苗有早有迟、参差不齐、整齐度差、缺苗断垄等现象,即使补种或移苗补栽,也是生长不整齐,形成大株压小株,强株欺弱株,果穗瘦小,籽粒极少,甚至“光秆”。在玉米生长的后期,早霜又会对玉米生产产生不利影响[4]。那么,在国家农业结构调整的政策背景下,在一定时期内玉米种植面积会逐年缩减,在北方地区再采用大田直播的玉米种植方式,稳定或提高玉米的年产量和品质出现瓶颈。农业生产者和农业专家、学者都在积极通过研究和实践,尝试改变北方地区的玉米种植方式,其中育苗移栽的玉米种植方式获得了较好的效果。有研究表明[5],采用育苗移栽技术种植玉米的面积也相当大,该技术可充分利用阳光,增加玉米生育期 10-15 天,提早成熟10 天左右;可有效争取农时季节,避开早霜和后期伏旱,防御自然灾害;可保证苗齐、苗壮,抑制茎基部节间伸长,降低植株高度和抗倒伏;可实现定向移栽,使叶片有序排列,空间分布均匀,充分利用光能,增加密度提高亩株数;每亩比直播节约用种 0.5~1kg,降低成本。可见,玉米育苗移栽技术能有效解决北方地区玉米种植品质和产量问题。而且在玉米移栽机械方面也取得了一定的研究成果,例如我国第一台用于玉米移栽的机械于 70年代中期就已研制成功[6],之后研究者们又对适合烟叶、蔬菜等的栽植机械进行了自主开发或引进,但最后均由于育苗技术跟不上等原因未得到推广应用[7]。究其根源主要是由于玉米移栽育苗载体结构和性能有待进一步开发,玉米育苗移栽自动机械化机具与目前的育苗载体配套的适应性也有待进一步提升,这些均限制了玉米育苗移栽技术的进一步发展。
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1.2 国内外研究现状
国外栽植技术的起源可以追溯到二十世纪初期,但最初的单行马拉式移栽机仍为手动栽植,直到 20 世纪 30 年代后期,能使秧苗入沟的栽植机构或栽禾器才出现。自 20 世纪50 年代开始,在欧洲的一些国家对压缩土钵育苗及移栽的生产技术开始进行研究,出现了半自动移栽机和制钵机。到 20 世纪 80 年代,已形成较为完整的制钵、育苗和移栽机械作业系统,半自动移栽机已经可广泛的应用于谷物或蔬菜(西红柿、辣椒)等的移栽[8-9]。目前日本钵育栽培技术在国际上处于领先地位[10],其核心技术是围绕塑料钵盘展开研究[11-13],在水稻钵育栽培技术方面增产效果明显,但是对于玉米钵育栽培技术方面的研究较少。育苗移栽的自动化栽植技术近十多年来得到较快发展,其中日本的钵苗栽植机器人可自动完成识苗、取苗和载苗入沟的过程,自动化程度非常高,但是其作业速度较低,工作时受环境因素影响较大,目前还不能应用于大田作业。所以就目前而言,人工喂苗的半自动栽植机械还是国外发达国家普遍采用的钵苗栽植机械。我国旱地栽植机械的研究始于20世纪50年代末60年代初,最早出现的是棉花营养钵育苗移栽和甘薯秧苗栽植机的试验研究;20世纪70年代开始研制用于甜菜移栽的裸根苗移栽机械;80年代研制成半自动化蔬菜栽植机。到目前为止,已研究成功了多种类型的移栽机械。据初步统计,国内已研制出超过12种规格型号的玉米移栽机。目前国内主要移栽机的型号、栽植机构方式和研发单位见表1-1。
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2 玉米植质钵盘制备材料和成型设备工艺研究
 
2.1 钵盘主要制备材料的确定
2.1.1 钵盘制备材料确定的原则
玉米植质钵育栽培技术配套的钵育秧盘,应具有一定的保水性,且透水、透气性好,有利于秧苗生长,移栽作业时可与培育的秧苗共同移栽,移栽后在一定时间内可自然降解,原料本身和降解后的产物对土壤和作物生长无害,并能改善土壤结构和有机质含量。同时育苗钵盘合成原料易于成型,成型后保型能力强,尤其在高湿环境和作物生长过程中根系对钵盘产生作用力的情况下保型能力要强。制备后的玉米植质钵育秧盘在储存堆码、搬运和运输过程中要具有一定抗弯强度和抗压强度,在育苗后钵盘强度既要满足运输的需求,又要具有适宜的抗剪强度,确保育苗后的钵盘在移栽时栽植器的切刀工作强度不要太大。同时钵盘合成原料的价格要便宜,资源要丰富,且易于获取和加工成备用原料。
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2.2 制备钵盘的其他材料
在确定钵盘主要制备材料的基础上,确定钵盘的其他制备材料分别为胶粘剂、固体凝结剂和适量水。胶粘剂:为保证钵盘压制成型的生产效率,制备方法适应工厂化生产的需求,在压制钵盘时采用常温模压成型,虽然在压制过程中钵盘物料由于受力和摩擦的作用,温度会有一定提高,但是达不到秸秆木质素发挥较佳粘接性的条件,因此在物料中加一定量胶粘剂,确保钵盘成型率和烘干后不断裂。原料中的胶粘剂由黑龙江八一农垦大学植质钵育栽培技术研究组提供(生物淀粉胶)。固体凝结剂:模压成型工艺对混料的性能要求很高,混料在模具中要容易成型,且具有较好的流动性和热稳定性,在成型模具中应有较快的固化速度,试验用胶粘剂的固化速度需要在固化剂的辅助作用下得以提高,因此在配料中需要加入一定量的固化剂。试验中用的固化剂由黑龙江八一农垦大学植质钵育栽培技术研究组研制和提供(固体凝结剂)。适量水:试验中使用自来水或经过过滤的河水均可。
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3 玉米植质钵育秧盘结构和成型模具设计......... 19
3.1 玉米植质钵育秧盘设计思路.... 19
3.2 钵盘结构设计.......... 20
3.3 玉米植质钵育秧盘成型模具结构设计...... 24
3.3.1 钵盘成型模具总体结构设计....... 24
3.3.2 钵盘模具成型部件建模和仿真分析.... 26
3.3.3 玉米植质钵育秧盘成型模具整体装配和加工制造....... 29
3.4 本章小结......... 31
4 钵盘成型机理和性能评价指标分析........ 33
4.1 影响钵盘压缩成型质量和性能的主要因素....... 33
4.2 钵盘成型机理.......... 35
4.3 钵盘的性能评价指标分析......... 39
4.4 切刀结构和切割钵盘位置仿真分析.......... 45
4.5 本章小结......... 53
5 钵盘物料配比与压缩成型试验研究与分析..... 55
5.1 钵盘物料成分配比单因素试验......... 55
5.2 钵盘成分配比多因素试验........ 63
5.3 本章小结......... 88
 
7 钵盘剪切力学性能试验研究与移栽试验
 
7.1 钵盘剪切力学性能试验分析
经过前面第 5、6 章的试验研究,确定了钵盘较优的合成物料配比和压制成型、干燥固化成型的工艺参数组合。但在试验中发现,秸秆质量比对钵盘剪切力变化影响最大,而且钵盘如能满足基本的储存、运输和育苗要求,不同秸秆配比钵盘会有针对性的适应不同土壤条件的需求,因此对不同秸秆质量比含量钵盘的剪切力学性能做了进一步试验研究。制备秸秆质量比含量分别为 6%、10%、15%、20%、25%的 5 种玉米植质钵盘,经干燥固化后用于育苗试验,待植质钵盘所育的玉米秧苗约 95%以上长到 3 叶 1 芯时,停止浇水 2 天后,作为待测试的材料。并将待测试钵盘抽象成连续性、均匀性和各向同性的理想化模型,不考虑由于物料混合不均匀、填料不均匀、压制压力分布不均匀等问题引起的钵盘性能变化。试验测试时,将待测试的钵盘水平放置在自主设计加工的剪切平台上,切刀面与待检测钵盘保持垂直,每次一个钵盘水平向前伸出,下方悬空,将两侧切刀分别对齐钵盘的长条方向的侧壁上,且紧贴钵盘两侧边的间隔壁。剪切试验开始时,将水稻秸秆质量比分别为 6%、10%、15%、20%、25%的 5 种育完玉米秧苗的植质钵盘按上述要求放置,并布置好和切刀的对应位置,设定切割速率以均匀速度施加载荷,得到力—位移曲线。每一试验重复 3 次,取平均值。钵盘切割试验过程如图 7-1 所示。
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结论
 
本文根据玉米移栽植质钵育机械化栽培技术的发展需求,研究设计了玉米移栽植质钵育秧盘,并从钵盘制备方法和成型机理等方面进行了较为深入的理论分析与试验研究,得出结论如下。
(1)研究设计了多钵孔连续长条状钵育秧盘,获得了其制备方法。
(2)对钵盘物料压缩成型机理进行了理论分析,获得钵盘成型物料实际压缩状态下的蠕变方程,以及三维状态下钵盘物料压缩成型时的粘弹塑性轴向应变表达式。对钵盘性能评价指标进行分析,确定钵盘制备不同阶段和使用过程中的主要性能评价指标。
(3)通过试验研究与分析获得钵盘压缩成型过程中各关键因素对钵盘性能评价指标的影响变化规律,以及对钵盘成型率、膨胀率、抗弯强度和钵盘剪切力影响的因素主次顺序,得出压缩成型的优化参数组合为:成型压力为 26 MPa、秸秆质量比为 16.44%、增强基质质量比为 57.3%、固体凝结剂质量比为 6.26%、水质量比为 19.96%,生物淀粉胶为 0.04%。对优化后钵盘的关键性能指标进行验证试验,得到的钵盘性能指标为:钵盘膨胀率 2.327%、抗弯强度 1.136MPa、抗压强度 1.315MPa、钵盘所能承受的剪切力 0.1338MPa,均满足钵盘的实际使用性能要求。
(4)通过试验分析获得干燥时间、蒸汽温度和过热蒸汽质量流量对钵盘性能评价指标的影响规律,并得出对钵盘干强度、湿强度和湿基含水率影响的因素主次顺序,揭示了过热蒸汽干燥固化钵盘的机理。得出优化参数组合为:干燥时间 25min、蒸汽温度 164.25℃、蒸汽质量流量 3.0 Kg·m-2·s-1;通过验证试验测得优化后钵盘的关键性能指标为:干强度为3.48MPa、湿强度 1.46MPa、湿基含水率 9.1%,满足钵盘实际使用要求。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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