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丹参是我国常用大宗药材之一,年需求量5.2万吨。丹参的药用用途主要包括制备丹参饮片和提取丹参植株内部活性物质制备中成药,为培育适用于上述两种药用用途的丹参植株,山东省丹参种植方式在山东省农业主推技术“丹参大垄双行覆膜高效生产技术”提出的大垄膜上交错栽植种植模式的基础上,根据丹参的药用用途以及植物根系向地性规律,分为两种农艺要求:培育主根较粗大、侧根较少的丹参植株能提高丹参饮片的品质,要求丹参种苗的直立度较高,以增加丹参扎根深度,提高丹参主根的直径;培育侧根较多、根部较细的丹参植株能提取较高的活性成分含量,要求丹参种苗倾斜栽入垄中,以提高直径较细的丹参植株侧根的数量。然而,由于栽植装备配套工作起步较晚,针对上述种植模式的丹参移栽几乎全部由人工完成,不仅劳动强度大,而且栽植质量差。目前,市面上膜上移栽机主要以移栽蔬菜、烟草等作物的钵苗垂直移栽为主,与丹参种苗及其栽植农艺要求匹配和融合程度较低;采用倾斜栽植农艺要求的甘薯和甘草从植株形态特征和栽植方式上无法适应丹参的膜上倾斜栽植要求。而以丹参种苗以及丹参药用用途的栽培模式为栽植对象和农艺要求的丹参专用栽植机构和移栽机在国内外尚属空白。为解决丹参人工栽植作业效率和质量较低、劳动强度较大、现有膜上移栽机不适合丹参的机械化垂直和倾斜栽植等问题,本文结合“丹参大垄双行覆膜高效生产技术”提出的农艺要求,设计一种大垄膜上交错双行丹参移栽机,能够满足丹参膜上垂直栽植和倾斜栽植的农艺要求,提高制备丹参饮片和中成药的丹参植株主茎直径和丹参活性成分的含量。针对以上情况,论文主要工作如下:(1)在研究山东省农业主推技术“丹参大垄双行覆膜高效生产技术”的基础上,深入丹参种植地区调查研究丹参种苗的栽植农艺,根据丹参两种不同药用用途:制备丹参饮片和提取丹参内部活性成分制备中成药,结合植株生长向地性的特点,确定丹参垂直栽植和倾斜栽植两种不同农艺要求,并以此对丹参大垄膜上交错栽植的种植模式进行了补充,明确丹参不同药用用途下丹参栽植的农艺要求:培育主根较粗大、侧根较少的丹参植株时要求丹参种苗与垄面线夹角约为90°;培育侧根较多、根部较细的丹参植株时要求以丹参种苗倾斜地面45°的方式插入垄中,同时保证种苗根部与水平面夹角约为30°。根据上述栽植农艺确定了丹参膜上垂直栽植机构和丹参膜上倾斜栽植机构的设计要求。(2)选择临沂地区普遍种植的两个丹参品种进行丹参种苗植株特征的研究,应用LA-S系列植物图像分析仪和精密电子天平对两个品种丹参种苗的苗长、苗宽、苗幅宽、根长、根直径和质量进行统计研究,得到了不同生长时间的两个品种的丹参植株特征参数;应用摩擦系数测量仪对丹参种苗进行物理特性研究,得到了丹参种苗与鸭嘴栽植器材料的摩擦系数,上述研究为栽植机构末端执行装置鸭嘴栽植器的设计提供依据。(3)结合“丹参大垄双行覆膜高效生产技术”提出的丹参垂直栽植农艺要求,为保证丹参种苗机械化栽植立苗率,设计一种基于齿轮-等速双曲柄五杆机构的丹参膜上垂直栽植机构,在建立机构的工况约束条件和自由运动约束条件的基础上,结合机构运动学模型利用MATLAB GUI模块建立人机交互可视化辅助界面;借助辅助界面研究栽植器端点的区域轨迹分布特性,研究机构参数对栽植器端点运动轨迹和姿态的影响规律,结合机构运动轨迹和姿态要求,通过数值循环比较对机构参数进行了初始求解;在初始求解参数组合基础上运用辅助界面结合正交设计,对机构参数进行了优化设计,并得到了机构优化参数组合:机架MA长度290mm、曲柄AB长度100mm、连杆BC长度122mm、连杆DC长度229mm、曲柄MD长度64mm、连杆CE长度229mm、栽植器下端EG长度243mm、栽植器上端EG长度100mm、连杆CL长度45mm、机架MA初始安装角度45°、曲柄AB和曲柄MD初始安装角度之差19°、栽植器FG与连杆CE固联角度90°、连杆CL与连杆DE固联角度90°。根据得到的参数组合设计了机构的各部分结构并进行了虚拟样机仿真,验证了理论模型的准确性。(4)结合丹参大垄双行覆膜高效生产技术提出的膜上倾斜栽植农艺要求,设计一种基于变形椭圆齿轮-变速双曲柄五杆机构的鸭嘴式丹参膜上倾斜栽植机构。在栽植机构所要求的运动轨迹、栽植器倾斜姿态和设计要求的基础上,分析机构的工作原理并建立机构理论模型。依据理论模型运用MATLAB GUI模块建立栽植机构人机交互可视化辅助界面,应用该辅助界面研究机构参数对栽植器倾斜角度和栽植器端点轨迹的影响规律,通过人机交互的方式得到了符合丹参膜上倾斜栽植机构农艺要求的参数组合:机架MA长度290mm、曲柄AB长度100mm、连杆BC长度122mm、连杆DC长度229mm、曲柄MD长度64mm、连杆CE长度229mm、栽植器下端EG长度243mm、栽植器上端EG长度100mm、连杆CL长度45mm、机架MA初始安装角度10°、曲柄AB初始安装角度95°、曲柄MD初始安装角度114°、栽植器FG与连杆CE固联角度90°、连杆CL与连杆DE固联角度90°、变形椭圆齿轮长半轴长度72.5mm、偏心率0.24、变形系数1.1。根据得到的参数组合设计机构的各部分结构并进行虚拟样机仿真,验证了理论模型的准确性。(5)根据机构优化参数结果,结合3D打印技术,研制基于齿轮-等速双曲柄五杆机构的丹参膜上垂直栽植机构和基于变形椭圆齿轮-变速双曲柄五杆机构的丹参膜上倾斜栽植机构样机,开发栽植机构台架试验系统,应用高速摄影技术得到了栽植器端点轨迹和姿态。台架试验结果表明:实际栽植器端点轨迹和姿态与理论分析结果和虚拟样机仿真结果对比基本一致,验证了机构设计的正确性、合理性与一致性。(6)根据“丹参大垄双行覆膜高效生产技术”中提出的丹参种植的各作业环节,对移栽机各功能装置进行设计和选型并整合零部件,围绕各装置的作业时序的设定和配置方案设计整机动力传动系统,研制可更换丹参直栽和斜栽栽植机构的丹参膜上移栽机样机进行了田间试验,田间验证结果表明:丹参膜上移栽机在满足丹参膜上栽植农艺要求的同时能保证作业质量。