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创新和产业化让科学研究释放出强大的生产力
发表时间 2017-08-25 10:58 来源 本站原创

  导读:7年时间对国内本硕连读的莘莘学子中的大多数来说刚好完成了某一研究领域的入门,但对赵匀教授来说2010年至2017年却是科研结出累累硕果的丰收的7年。赵匀教授在东北农业大学、黑龙江省教育厅和黑龙江省委组织部人才办的支持下,在短短的7年时间内获得了两项省部级一等奖、7项国际发明专利、40多项国家发明专利,以第一作者或通讯作者在ASME、ASABE、机械工程学报中英文版等发表了12篇文章;在农业工程学报发表的文章《步行式偏心-变位齿轮行星轮系宽窄行分插机构运动分析》(第一作者)被中国科协评选为2012-2014年度全国90篇优秀论文之一;所发表文章《Properties and Application of the Eccentric-gear Drive》获得机械工程学报建国以来优秀论文奖(一共200篇);著作《农业机械理论分析与综合》获2008年机械工业出版社优秀著作一等奖和2010年中国机械工业科学技术二等奖。在这些专利和论文基础上,赵匀教授取得了对我国乃至世界农业机械化发展具有重大影响的技术成果--移栽机械创新优化设计平台,利用平台技术开发出国际独创的回转式水稻钵苗移栽机,并首先在大庆将其产业化。

  一.钵苗移栽优化设计平台的研究

  2010年赵匀教授在东北农业大学领导热情召唤下,离开杭州的浙江理工大学,重又回到阔别多年的母校,入职东北农业大学从事农业机械化研究,并被推选为黑龙江省农机产业联盟首席专家。由于年龄偏大,按照文件规定超过55岁不能主持重大项目,赵匀教授到东北农业大学以后,没有拿到足够的经费,科学研究无法正常开展。在黑龙江省委组织部人才办协调和省领导的批示下,打破了55岁以上不能够承担重大项目的规定,省委组织部人才办项目和科技厅项目给予了赵匀教授大量的经费资助,由此开启了赵匀教授在我国农业机械化研究领域极具传奇色彩的科研生涯。

  三十多年以前,欧共体应用信息化技术发展带来的机电一体化成果,开发了杆机构经济作物钵苗移栽装备。赵匀教授认为欧共体的杆机构经济作物钵苗移栽装备核心部件复杂、成本高、效率低。经过最近几年的精心研究,赵匀教授提出了新的解决方案:同样利用信息化技术的发展带来的计算机、语言和市场软件发展成果,应用现代设计方法通过优化设计技术,在钵苗移栽装备上用回转体替代欧共体的杆机构形式,以大大简化机构、降低成本、增加机构运行的可靠性。

  水稻回转式插秧机分插机构,参数和目标不超过两位数,可以采用试凑和循环语句的办法解决参数优化问题,但钵苗移栽机构目标10多个,参数多达30多个,以上的优化方法已经不能够解决这种多目标、多参数、强耦合性的复杂优化问题,只能另辟蹊径。赵匀教授通过数学和机构学之间的学科交叉,提出了一种把几何目标转化为数字目标,再把数字目标转化为目标函数的方法,通过目标函数计算和比较,用逐次逼近的方法得到所需要的参数。这是我国科技界难得的通过基础研究解决国际难题的范例。

  一般来说:数学优化只能解决5个以下的参数优化;试凑和循环语句优化方法面对的优化参数不超过两位数;课题组提出了“参数导引”启发式优化算法把几何目标转化为数字目标,再把数字目标转化为目标函数。该方法所优化的回转式钵苗移栽机构参数可多达到30多个,属于多参数、多目标、强耦合性复杂优化问题,用传统的优化方法难以解决。课题组提出了数学优化和机构学优化交叉的办法很好的解决了回转式钵苗移栽机的优化难题,在国际上成功研发了首台回转式钵苗移栽机。

  钵苗移栽装备由杆机构进展到回转机构,移栽机械创新优化设计平台功不可没。赵匀教授认为移栽机械创新优化设计平台是自己对农机行业的最大贡献,也是研究的核心技术所在,掌握该平台技术,可以源源不断的创造各种不同的移栽机械,没有该平台技术,钵苗移栽装备不可能由杆机构进展到回转机构。

  赵匀教授对移栽机械创新优化设计平台提出的“参数导引”启发式优化算法:“参数导引”启发式优化算法(获得软件著作权:2011SR052265)通过当量目标函数计算确定最差目标;每次将一个正负步进后的当量参数输入到最差当量目标的目标函数,计算得到当量目标的系列值;通过比较系列当量目标值,找到最接近理想值的当量目标,与其对应的当量参数作为下一步运算的初始值,其它参数不变。


 

  “参数导引”启发式优化算法

 

 水稻回转钵苗移栽机构优化软件界面

  借助移栽机械创新优化设计平台,赵匀教授发明了两个系列的水稻钵苗移栽装备:1、双曲柄步行和普通乘坐式水稻钵苗移栽装备;2、回转式步行、普通乘坐和高速钵苗移栽装备。之前,赵匀教授领导的课题组与吉林鑫华裕农机有限公司合作研制和开发了双曲柄形式钵苗移栽机,形成了近千台的批量生产规模,这是世界上第一台单机构完成取秧、输送和栽植动作的移栽装备。之后,课题组又在研制成功的水稻回转式高速钵苗移栽样机的基础上,研制了两台第二轮样机,在土地的整理和钵苗条件欠佳的情况下,仍然达到了比较好的工作效果。回转式普通乘坐钵苗移栽机与大庆东农日上农机制造有限公司已通过了样机田间试验并签订了1500万的转让协议。

  水稻钵苗移栽由于没有缓苗期可以大大提高水稻的单产,2013年华南农业大学马旭教授利用赵匀教授发明的钵苗移栽机在国家水稻产业体系肇庆综合试验站成功的种植了袁隆平的超级稻,每亩地增产69公斤。

  黑龙江一共分为六个积温带,优质水稻品种一般都生长在第一积温带,但通过赵匀教授的水稻钵苗移栽技术将稻花香大米连续5年由第一积温带的五常成功地移栽到第三积温带的依兰县迎兰乡北新屯,稻花香水稻成功的种植在第三积温带表明通过钵苗移栽装备可以将优质水稻从第一积温带扩种到黑龙江的大部分水稻生产地区。

  赵匀教授所带领的团队还开发出系列宽窄行插秧机,包括步行、普通乘坐和高速三种机型和两种形式的钵苗移栽机(双曲柄和回转式水稻钵苗移栽机)。宽窄行插秧是黑龙江省政府大力推广的水稻生产种植模式。宽窄行种植是改变传统插秧等行距种植模式,变为宽行40cm,窄行20cm,可以在不减少单位面积株数的情况下,增加行距,改善通风和阳光,减少稻瘟病的发病率,也就减少了水稻的施药量,是一种有机农业的种植方式。

  水稻回转钵苗移栽机构优化软件已经通过招标出售给了华南农业大学(35万)。已经转让给大庆东农日上农机制造有限公司和准备转让给东风二汽的回转式水稻钵苗移栽机构就是用该方法优化设计后开发的。优化设计平台建设获得2012年浙江省科技进步(发明类)一等奖;用该优化设计平台开发的宽窄行插秧机获得2012年黑龙江省科技进步(发明类)一等奖。

  赵匀教授回母校后短短的7年时间内,获得了系列成果,表明黑龙江省领导的各个阶层重视人才引进,并且在引进后创造各种条件即所谓“扶上马,送一程”。省两位主要领导分别在2015年的方正和2016年的五常批示省农委主持召开有关赵匀教授成果的现场演示会。正是在得到政府各级及母校的大力支持,使其在短时间内取得了大量成果。

  二、钵苗移栽装备产业化探索

  为了确保所生产的钵苗移栽机具有较高的精度和效率,也为了尽快使生产钵苗移栽装备企业达到产业化标准,课题组开发了系列模具包括行星机构齿轮室、传动箱、栽植臂,以及粉末冶金齿轮模具。以上除了传动箱以外,其它零件都采用高压铸铝方法和模具,传动箱数量少、尺寸大,为了节约成本则采用木模。课题组同时设计了一系列包括齿轮箱、栽植臂、传动箱等部件的加工工装。

                        高压铸铝                                                  木模

  齿轮箱加工工装

  模具机械问题解决了,2017年6月初课题组用产业化手段(模具和工装)生产的两台回转式钵苗移栽机在大庆市林甸县东兴乡旭日村进行了田间现场会示范作业,在不到两天的时间完成了40多亩的水稻钵苗移栽作业,作业效果得到了与会的领导及农艺专家的肯定。

  回转式水稻钵苗移栽机作业情况

  高速回转式水稻钵苗移栽机田间作业情况

  地点:大庆市林甸县东兴乡 时间:2017年6月9日-10日

  钵苗移栽装备产业化的前期准备已经到位,在哪里落地?赵匀教授的眼光顺势投向了回转式钵苗移栽机进行了田间现场会示范作业的大庆市。

  东三省的经济复苏是中央对全国经济发展的重要部署之一。大庆经济的主要问题是产业结构单一,主要围绕石油形成经济链,石油经济不景气造成依靠石油经济支撑的其他企业也一直处于低迷状态,经济多元化是大庆经济亟待解决的问题。大庆有丰富的水源,地处第一二积温带,适合高品质水稻生长,为水稻钵苗移栽装备的生产提供了就近的市场。课题组研制的产品科技含量高,产品利润可以高达75%左右,有着很好的市场前景,这一点赵匀教授是了然于胸的。而大庆在石油机械工业方面是有扎实基础的,容易在短期内转换形成移栽机械块状经济。赵匀教授提出希望通过将研究院搬到大庆经济开发区之后将科技成果直接送到企业门口,便于研究院和企业的产业化交流。

  这一想法得到了大庆市政府的大力支持,大庆市经开区无偿提供办公楼、试验场和研制车间,并且提供300万流动资金。省委组织部人才办得到信息以后,主动为研究院提供人才引进和购买研制和试验装备资金1000万。我们相信,赵匀教授到基层建立移栽机械创新设计基地的思路,在省委组织部人才办以及大庆市政府的鼎力支持下,一定能够在不久的将来于大庆市开花结果。

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