果园除草机开题报告

二、本科毕业论文（设计）开题报告1.研究（设计）目的意义及国内外研究状况和应用前景（附参考文献）：一、课题研究目的和意义果园除草工作是果园种植管理中的重要环节，每年需进行多次，目前常用除草方式为人工与化学除草相结合，普遍存在耗费人力物力、破坏污染环境、工作效率较低等问题，因此在现代果园除草工作中亟需提高机械化程度，使用科学技术手段代替繁重体力劳动，减轻果农劳动量，降低生产成本，推动果园技术化发展。苹果、橡胶、柑橘、茶、荔枝等经济型作物，一次栽植可以连续生长采收2年以上的多年生作物，其园区内杂草治理策略主要以生态控草为主，采取割草控草、生草控草、盖草控草等方法。目前常见果园内杂草管理模式可分为生草果园和清耕果园两种，无论以哪种方式进行管理，生长茂盛的杂草严重影响果树发育，果园生草管理模式中草高度达到400mm左右时进行刈割，产草稳定后清草次数约为4-6次，清耕果园管理中杂草的清除频次高于生草果园刈割频次，非机械化割草会导致生草割茬高度不同，并且作业效率较低。近年来我国规模化果园种植面积不断增加，果园管理工作繁重，其中果园杂草处理问题亟待解决。传统人工除草方式效率较低，化学除草方式对环境、作物等产生污染，机械化除草方式多数依靠大型设备，对作业空间要求较高，进口设备价格昂贵，维护不便。基于果园杂草管理现状，以减少果农劳动量，保护果园环境为目的，设计开发回转式除草机，对促进果园规模化发展、提升果园综合管理水平具有重要意义。目前果园内常用除草机械普遍由农田除草机械、草坪割草机械等其他机械设备改进，存在体积过大、使用成本较高等缺点，除草效果大打折扣。大型除草机械普遍需要拖拉机提供动力，无法满足果园内狭小空间作业要求，手推式小型割草机需要人工时刻控制，对于狭小树下空间除草效果较差，常用除草机械无法满足种植园区除草需求，对果园环境适应性不足[1-3]。明确果园杂草清除作业要求，根据目前果园机械化除草发展现状，设计一款回转式除草机，满足降低除草成本，提高除草效率，减少环境污染等要求，达到改善果园环境、提高果品质量的目标，对促进果园种植机械化作业、现代化管理具有重要意义。二、课题国内外研究现状国外对除草机的相关研究开始于上世纪五十年代，其研究应用时间较长，有深厚的技术与经验积累，应用环境广泛，涉及水田、牧场、大田、草坪、种植园等多种农业场所，其中应用于大田除草、草坪修剪的除草机占比较大。2009年荷兰瓦格宁根大学研发人员Bakker基于柴油发动机设计了一种四轮式除草机，设计有液压传动装置，四轮独立驱动与转向功能，基于RTK-DGPS导航，配合使用图像采集装置识别作物行距，实现精确定位[4];2011年美国研发人员Cordill等人设计玉米地自动避障除草机实验，清理处为摄像机进行俯视效果验证，区分并绕过玉米植株实现作物行间杂草清除，通过实验对比验证了光电传感器对避障除草机的重要性;2012年丹麦研发人员Norremark等人基于拖拉机设计使用GPS定位系统，设计了一种侧向移动装置和摆线转子锄，实现沿作物行除草作业[5];2015年丹麦研发人员Melander等人设计使用计算机视觉技术，引导机械除草装置实现部分蔬菜种植除草作业，提高了除草机作业精度和作业效率，不再使用除草剂除草，但是该除草机应用场景为大田蔬菜种植区域[6];2018年澳大利亚昆士兰科技大学研发人员McCool等人设计开发的作物、杂草管理机器AgBotⅡ，采用三轮式底盘，设计有提升稳定性的悬架机构，集田间导航、除草、施肥等功能于一体，具备机械除草和化学除草两种方式，但是该除草机刀具与车体结构是针对于大田特定作物植保除草，其应用环境较为单一[7-8]。国外规模化果园、农田种植发展时间长，机械化程度较高，满足多种环境除草需求。但国外种植模式及相关地形地貌与国内大不相同，国内受到地形等因素的限制，规模化果园种植密植化程度较高，大型除草机械实用性有限，国外相关除草设备并不适合我国果园除草作业，并且国外除草设备价格昂贵，维护成本较高，不适合国内果园种植模式。我国对机械化除草作业装备的研究、应用起步较晚，与欧美等发达国家相比，在技术研发、生产制造和应用经验等方面存在差距。上世纪六十年代以手扶拖拉机作为除草机动力来源，开始研制除草机械，将农田、耕地中使用的除草机改制到果园内使用。近年来随着机械化除草设备需求量增加，除草机相关技术不断革新发展。2017年安徽农业大学娄帅帅等学者设计研发的一款自走式前胡除草机，采用汽油发动机作为动力源，设计匹配具有不同档位的变速箱实现多工况除草作业，对除草关键部件进行模态分析，适用于前胡等大田垄作农作物种植除草作业;2018年中国农业大学徐丽明等学者研发设计了一款针对葡萄种植园区的避障除草机，设计触杆部件和平行四连杆部件实现避障功能，悬挂在拖拉机尾部，由拖拉机提供动力，田间试验结果表明葡萄种植园避障除草机较优化前工作稳定性和工作效率更好，但是需要配合拖拉机使用，对作业空间要求较高;2019年华中农业大学张雯设计研发的果园用割草机，以小型拖拉机为载体，对动力及传输系统、切割器、行走及支撑系统、排草装置进行设计与仿真分析，结合样机田间实验进行优化，采用双切割系统实现割草，人工直接控制割草机进行割草。同年华中农业大学马攀宇等学者研发设计的山地柑橘园除草机仿形切割器，具有让刀避障功能，有效降低外部障碍物对刀具的损坏，增加使用寿命，但是易出现杂草缠绕刀具的情况。石河子大学李建新等学者研发设计的一种果园除草机，以拖拉机为动力来源实现除草作业，采用液压传递方式实现果树株间除草功能，除草机械设备相对复杂、自重较大，对作业空间要求较高[9-10];2020年四川省农业机械研究设计院卢营蓬等学者针对桑园除草要求，设计了一款手扶式小型电动除草机，采用电机驱动除草轮的方式实现边除草边前进，具有深入土壤除草能力，实验结果表明除草率可达85%，但是其仍需要人工跟随控制。同年甘肃农业大学何存才等学者针对履带式果园除草机，匹配使用T型除草刀具双螺旋排列方式，设计正交试验得到最高工作效率时刀轴转速为1900r/min，前进速度为0.4m/s[11-12]。综上所述，目前国内针对除草机的研究多数为大型设备，以大田除草机械为基础进行改进，通过悬挂在拖拉机尾部获得前进、除草动力，或者通过手扶式设备进行改造。普遍存在尺寸过大、自重较大、果园适用性较差等问题，另外果园除草机动力来源应符合环保理念，减少内燃机依赖。三、应用前景杂草生长茂盛抢占土壤营养与水分，为病虫提供居所引发果园病虫害，对果树生长发育危害较大，严重影响果品质量与产量。传统果园管理工作中杂草清除方式主要为人工除草和除草剂化学除草，随着近年来农村劳动力转移，人工除草方式面临劳动力短缺问题，并且人工除草存在效率较低、成本较高等问题；化学除草虽然效率较高，需求劳动人员量也较少，但是除草剂的过度使用严重污染土壤环境，污染水资源，除草剂残留导致果品质量下降；相比之下能够代替人工除草的机械化除草方式具有更大优势，能够减少劳动力需求，拥有较高的工作效率，不会对环境产生污染。根据杂草种类分析初步确定除草机基本功能，根据功能要求确定除草机组成部分主要包括底盘机构和除草装置。其中底盘机构部分设计使用后轮内置轮毂驱动电机提供前进动力；前轮设计有转向机构实现车体转向，由转向电机带动齿轮齿条机构实现转向，不同角度对应不同转弯半径，可以在作物行与行之间灵活转向[13]。前轮处设计有双横臂独立悬架系统，后轮处设计有减震器结构，可充分提高除草机经过不平整路面时的稳定性，降低除草机整体的跳动，提高除草机复杂地形通过性。除草装置部分除草刀具高度调节机构主要由电动丝杠滑台机构与高度调整架组成，通过电机旋转驱动丝杠滑台完成除草刀与地面之间距离的调整；除草刀具倾角调节通过电动推杆完成，电动推杆处于压缩初始状态时刀具与地面之间夹角为0°，随电动推杆伸出，刀具与地面之间的夹角随之增大，调节后电动推杆将进入自锁模式，提高除草装置工作稳定性。四、参考文献：[1]Andoko;PrasetyaRiduwan;GapsariFemiana.StressandFatigueLifeSimulationofCamshaftwithStructuralStaticANSYSApproach[J].AdvancesinScienceandTechnology,2023,98(13):678-677.[2]王收军;李琛璋;刘楠.基于ADAMS的重载液压机械臂动力学建模与仿真[J].机床与液压,2023,17(115):09-12.[3]牛晓武.基于ANSYSWorkbench的安装误差测试台有限元分析[J].机械管理开发,2022,14(2):55-56.[4]符永映.橡胶履带底盘行走机构选型设计计算[J].内燃机与配件,2022,21(13):87-88.[5]TangJiahong;LiXiuchen;ZhangGuochen;LuWei;NiShang;SunZhenyin;LiHaidong;ZhaoCheng;ZhangHanbing;ZhangQian;MuGang.AnANSYS/LS-DYNASimulationandExperimentalStudyofSectionalHobTypeLaverHarvestingDevice[J].Agriculture,2023,19(20):232-235.[6]李海山.重庆三峡库区柑橘果园机械化生产现状及建议[J].现代农业科技,2021,54(33):78-79.[7]扈凯;张文毅;李坤;刘宏俊;祁兵.高地隙三角履带底盘多体动力学建模与试验[J].农业机械学报,2021,21(7):65-66.[8]ChenMingzhang;ZhangXuancheng;ZhuangWuhao;ShuYuwen;ZhouZijian;XiongWei.KinematicsanddynamicssimulationsofcoldorbitalforgingmachinesbasedonADAMS[J].ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineers,2023,25(9):98-100.[9]老福兴;张秀花;张江红.果园避障除草机研究现状与分析[J].河北农机,2021,19(4):34-35.[10]李昀轩;魏雅君;倪博宇;陈志凯;邱国梁.基于ANSYS与ADAMS的六轴机器人整机分析[J].机械设计,2020,11(8):26-28.[11]Z.Gobor;;P.SchulzeLammers;;M.Martinov.Developmentofamechatronicintra-rowweedingsystemwithrotationalhoeingtools:Theoreticalapproachandsimulation[J].ComputersandElectronicsinAgriculture,2013,17(17):17-18.[12]闫洋洋;王玉宽;徐佩;严坤;刘勤;逯亚峰;李明;王晓艺;李得霞;李俊霖;杨莉荟.三峡库区柑橘园杂草种类、分布及危害[J].草业科学,2020,15(11):07-08.[13]刘学串;刘学峰;张立峰;闵令强;褚幼晖;任冬梅.新型果园宽幅联合仿形修剪机设计与研究[J].中国农机化学报,2020,11(08):112-113.[14]FieldRob,Robotforweedspeciesplant-specificmanagement[J].2017,08(9):1179-1189.[15]贾耀文.多功能果园避障除草机器人机械及控制系统设计[D].兰州理工大学,2020,08(9):09-11.[16]张雯.果园小型圆盘式割草机的研究与设计[D].华中农业大学,2019,22(4):67-68.[17]郑路.割草机器人的研制[D].浙江农林大学,2019,21(1):20-21.2.主要内容、研究方法和思路一、课题主要内容：回转式除草机设计主要有机壳、转向装置、回转式除草剪切装置、平面四连杆结构和转角电机、弹簧减震装置和涡轮蜗杆减速装置组成。该装置以转角电机作为动力系统，可以带动平面四连杆机构运动。当进行去除草秆作业时，转角电机处于待机状态，并不工作，因此平面四连杆机构也是处于原始状态，除草装置中的刀盘平面与作业的地平面是相互平行的，这样可以较轻松地将杂草的秆切断；当需要进行去除杂草根作业时，转角电机开始工作，带动平面四连杆机构运动，进而带动刀盘转动一定的倾角，此时刀盘的刀面与地平面呈现一定的夹角，刀盘可以轻松插入泥士对草根进行切割，从而彻底清除杂草。通过前面对六大模块的结构的建模，在弄清楚各个模块的工作原理后，将各个模块按照次序装配起来，形成整机装配图。为了实现除草机中运动部件的实际运动，必须根据这些机构的运动原理和工作状态进行仿真的设置。要实现刀盘的旋转，必须给电机提供动力，让刀盘可以转动起来，这就需要用到Solidworks，软件里面的马达功能，可以为运动件的旋转提供动力。回转式除草剪切装置是果园除草机零部件的核心，它承担了整个机具的主要功能—剪切除草[14-15]。二、研究方法（1）结合实地调研观察情况与相关文献资料内容，确定丘陵山地果园小型除草机的机械结构设计方案，主要包括主除草装置、辅助除草装置、升降机构、回转机构、行走机构等。根据果园规模化种植特点，杂草种类分析，除草要求等信息初步确定回转式除草机设计方案与相关参数，包括除草机尺寸、零部件结构、作业速度等，为回转式除草机建模提供理论基础，保证虚拟样机性能验证分析的准确性。（2）利用Solidworks三维设计软件对小型除草机的各零部件进行建模与装配，检查零件的干涉情况；分析除草、升降、行走等相关机构在作业中的情况，进行相关参数设计，包括底盘机架部分、悬架部分、转向部分、高度倾角调节部分和除草刀具部分，以确保除草机设计的合理性与可行性；（3）计算除草机相关理论参数，为电机、电动推杆选型提供理论基础；对除草装置进行有限元静力学、预应力模态分析，结构改进优化；除草刀具部分进行模态分析，分析极限转速值，验证机械结构设计符合除草作业要求。三、设计思路回转式除草机设计思路:不除草作业时，除草电机不工作，回转推杆和升降推杆处于伸出状态，除草装置整体离地悬空，角度调节推杆处于收缩状态，第二除草装置与主除草装置呈90°夹角。除草作业时，除草电机独立工作，升降推杆回缩，升降臂进行下降动作，除草装置下降到离地适宜位置，主角度调节推杆伸出调节除草装置姿态使刀具与地平面平行，第二角度调节推杆伸出调节第二除草装置姿态适应平地与斜面环境进行辅助除草，回转推杆收缩使除草装置转动，转动推杆进行伸缩动作改变割幅大小。工作原理为：以电池提供整机所需动力；底