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2 0 0 3 年 9 月 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報(bào) 第 34 卷 第 5 期 移栽機(jī)凸輪擺桿式扶苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 3 周德義 孫裕晶 馬成林 【 摘要】 移栽機(jī)扶苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)合理是保證移栽缽苗直立的關(guān) 鍵 。 分析了無(wú)扶苗機(jī)構(gòu)時(shí)缽 苗落地后翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程 , 凸輪擺桿式扶苗機(jī)構(gòu)栽植性能與運(yùn)動(dòng)參數(shù)關(guān)系 , 以及扶苗板運(yùn)動(dòng)規(guī)律。通過(guò)理論分析建立 了 扶苗板運(yùn)動(dòng)規(guī)律數(shù)學(xué)模型和扶苗機(jī)構(gòu)初相角數(shù)學(xué)模 型 。 設(shè)計(jì)的凸輪擺桿式扶苗機(jī)構(gòu)已用于 2導(dǎo)苗筒式移栽 機(jī)上。 試驗(yàn)表明 : 該機(jī)構(gòu)工作穩(wěn)定 , 栽植深度均勻 , 滿 足移栽要求。 關(guān)鍵詞 : 移栽機(jī) 扶苗機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì) 試驗(yàn) 中圖分類號(hào) : 獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : A D es na of a in g- in g M w om b in u M a J n rt m w le p m en t p is fo r t sp t up t T he m en t to w as in th is io n be tw t sp t rm rt m it s p w W he lp of pu cu of en t of rt ou t k of w n, m m of o of rt m w as T he m w as u ZB t sp w as p in en ts to be of t sp t s. sp rt m D en t 引言 半自動(dòng)移栽機(jī)設(shè)計(jì)中 , 常用吊杯式或吊籃式移 栽機(jī) 構(gòu) 1, 2 保證缽苗栽植直立 性 。 導(dǎo)苗管式移栽機(jī) 采 用的扶苗機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是 : 傾斜導(dǎo)苗筒式扶苗機(jī)構(gòu) 3 通 過(guò)控制導(dǎo)苗筒傾角使缽苗落地后自動(dòng)立正 , 該機(jī)構(gòu) 作業(yè)可靠性受機(jī)具前進(jìn)速度影響較大 , 不易保證 ; 柵 欄式扶苗機(jī)構(gòu) 4 利用水平速度為零的柵欄扶持秧苗 覆土鎮(zhèn)壓 , 保證栽直 度 。 扶苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵是減小 缽 苗落地時(shí)水平速度 , 使缽苗在靜止?fàn)顟B(tài)下覆土鎮(zhèn)壓 , 保證栽直度 , 即所謂零速移 栽 。 基于這種理論 , 本 文 結(jié)合紙筒缽苗來(lái)研究缽苗落地后運(yùn)動(dòng)規(guī)律 , 并依此 設(shè)計(jì)凸輪擺桿式扶苗機(jī)構(gòu) , 使缽苗在支撐狀態(tài)下覆 土 , 保證秧苗直 立 。 1 缽苗翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)分析 紙筒缽苗具有粘性和塑性 , 在分析缽苗落地與 地面塑性碰撞 時(shí) , 忽略缽苗彈跳和振 動(dòng) 。 紙筒缽苗 落 地后運(yùn)動(dòng)過(guò)程 中 , 簡(jiǎn)化為圓柱型剛體模 型 。 紙筒缽 直 徑 25 高 度 75 如 圖 1, 缽苗重心位置 為 O , 收稿日期 : 2002 05 21 3 地面機(jī)械仿生技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目 (項(xiàng)目編號(hào) : 961065) 周德義 吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 博士 , 130025 長(zhǎng)春市 孫裕晶 吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 博士生 馬成林 吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 教授 博士生導(dǎo)師 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報(bào) 2 0 0 3 年 58 m R 2 Η= m Η- Η0 ) s Ξ2 · 2 2 1 s ( Ξ2 ) 2 1 2 2 加上秧苗葉質(zhì)量 , 測(cè)得重心高度為 45 圖 1 缽苗翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模型 因移栽作業(yè)速度較低且比較穩(wěn)定 , 為便于分析 , 設(shè)移栽機(jī)以速 度 速前 進(jìn) 。 在慣 性力作用 下 , 缽 苗繞 A 點(diǎn)作 平面定軸轉(zhuǎn) 動(dòng) 。 質(zhì)心回轉(zhuǎn)半徑為 R 1 = 4617 下面分析不扶苗 時(shí) , 紙筒缽苗落地后運(yùn)動(dòng)過(guò) 程 。 在重力作用下 , 缽苗力學(xué)平衡方程為 ¨ 1 初始條件為 : 初相 角 Η0 = 215= 151524° 45 2 扶苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和性能參數(shù) 在慣性力作用下 , 無(wú)扶苗機(jī)構(gòu)則缽苗落地時(shí)將 向前傾倒 , 因此缽苗栽植直立性主要取決于扶苗機(jī) 構(gòu) 。 理想情況應(yīng)在缽苗落地瞬間進(jìn)行扶苗 , 使缽苗 水 平速度為零 , 在支撐條件下覆土而不發(fā)生前沖和彈 跳 。 受滑移 率 、 摩擦力等隨機(jī)因素影響 , 缽苗著地 點(diǎn) 隨機(jī)變化 , 實(shí)際上要實(shí)現(xiàn)缽苗著地瞬間扶苗是很困 難 的 。 若扶苗機(jī)構(gòu)動(dòng)作超前 , 則缽苗落到扶苗板上 反 彈 , 缽苗向后躺倒 ; 反之扶苗機(jī)構(gòu)動(dòng)作滯后 , 由于慣 性作用缽苗向前倒 伏 。 設(shè)計(jì)中按缽苗著地一段時(shí) 間 后扶苗器開(kāi)始扶持缽 苗進(jìn)行配置 , 直到覆土完成 , 然 后鎮(zhèn)壓完成栽植過(guò) 程 。 211 總體結(jié)構(gòu) 如 圖 2, 扶 苗 機(jī) 構(gòu) 由 凸 輪 、 復(fù)合擺 桿 、 平 行四 桿 機(jī) 構(gòu)及扶苗板組 成 。 扶 苗 機(jī)構(gòu)由地輪通過(guò)傳動(dòng)鏈和 變 速箱驅(qū) 動(dòng) 。 送苗盤有 6 個(gè)接苗杯 , 凸輪有兩個(gè)凸 齒。 凸輪與送苗盤轉(zhuǎn)速比 為 3∶ 1。 凸輪和擺桿 O 2F · 初始角速 度 Η0 = co 作用是將變速器輸出的 1 0 ¨ 轉(zhuǎn) 動(dòng)轉(zhuǎn)換成往復(fù) 擺 動(dòng) 。 為 整理可 得 R 1 Η= g ( co (Η∈ 0 ° , 10515° ]) (1) 減小摩擦和沖擊 , 在擺桿 F 端 安裝一滾 輪 。 凸輪帶 令 Η= Ξt, L (Η) = F (s)。 對(duì)方程兩邊取拉氏 變 換 , 并將初始條件代入式 (1) 得 動(dòng) 擺 桿 O 2F 轉(zhuǎn) 動(dòng) , 擺 桿 圖 2 扶苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 ¨ R 1L ( Η) = g [ co Ξt) ) - co s (Ξt) ) ] 按拉氏變換展開(kāi)可得 R 1 [ s) - Η0 = O 2F 和 B O 2 剛性連 接 。 由擺桿 B O 2 帶動(dòng)四連 桿擺 動(dòng) , 進(jìn)而帶動(dòng)扶苗板往復(fù)運(yùn)動(dòng) , 扶苗板安裝于四連桿 延長(zhǎng) 邊 上 。 通過(guò)輪廓曲線控制扶苗 板 E 運(yùn)動(dòng) 規(guī) 律 , 達(dá)到特定要 求 。 g co s + Ξ - 能參 數(shù)包 括 : 扶苗板行 程 S 、 扶苗板運(yùn)動(dòng)規(guī) 律 (位 移 s、 速 度 v ) 和扶苗機(jī)構(gòu)初相 角 Α0。 即 F (s) = g R 1 Ξ Ξ2 ) - · 0 Η0 212 扶苗板工作行程確定 圖 3 中 , 以移栽機(jī)架為參照系 , Z 軸為導(dǎo)苗筒中 式 (2) 進(jìn)行拉氏逆變換得 + Η + s 2) 心軸線 , X 軸為落苗點(diǎn)前進(jìn)方向 , O 點(diǎn)為導(dǎo)苗筒中心 在 X 軸投影 點(diǎn) 。 A 點(diǎn) 為 111 h 時(shí)缽苗理 論 Η= g R 1 co 1 [ ΞΞt) - Ξ 落苗 點(diǎn) 。 在組合振動(dòng) 導(dǎo)苗筒式導(dǎo)苗機(jī)構(gòu)試驗(yàn)研 究3中得出 : 落苗過(guò)程中缽苗在前進(jìn)方向上的理論相對(duì) · - co s (Ξt) ] + Η0u ( t) + Η t) (3) 位移 l = 3174 理論落苗時(shí)間 t = 01421 2 s。 Ξ2 0 其中 u ( t) 為階躍函數(shù) , 因 t> 0, 有 u ( t) = 1。 將 u ( t) = 1 代入式 (3) , 得缽苗翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方程為 點(diǎn)劃線 B C 為開(kāi)溝器側(cè)板末端位置 , = 16 X 0、 X 1 分別表示扶苗板初始位 置和最大行程位 置 。 為避免缽苗下落時(shí)與扶苗板碰撞 , 消除落苗時(shí) Η= g R 1 co 1 [ ΞΞt) - Ξ · 間和位置誤差 , 扶苗板初始位置與缽苗落點(diǎn)之間設(shè) 置間隙 O , m 18 紙筒缽苗半徑 1215 扶 1 1- co s (Ξt) ] + Η0 + Η0 t (4) Ξ 0 苗板行程過(guò)渡區(qū) 515 。缽苗落地一段時(shí)間后扶 co 1 0 1 第 5 期 周德義 等 : 移栽機(jī)凸輪擺桿式扶苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 59 圖 3 扶苗板行程示意圖 苗板相對(duì)機(jī)架以速度 后運(yùn)動(dòng)扶持秧苗 , 保證秧 苗 水平 速度為 零 , 在扶苗板扶持下覆 土 、 壓 實(shí) , 然 后 迅速?gòu)?fù) 位 。 為保證移栽過(guò)程中缽苗覆土完全 , 取 = 01126 7 s。 扶苗板 扶 苗 和 回 程 時(shí) 間 為 : t = 01167 8 s。 移栽機(jī)栽植頻率約 為 1 株 /s, 扶苗機(jī)構(gòu) 大 部分時(shí)間處于復(fù)位狀態(tài) , 保證了扶苗機(jī)構(gòu)和落苗過(guò) 程相配 合 。 214 扶苗機(jī)構(gòu)初相角的確定 如 圖 4, 扶 苗機(jī)構(gòu)初相 角 Α0 為扶苗機(jī)構(gòu)啟動(dòng) 時(shí) 刻缽苗中心和送苗盤中心連線與投苗口前端和送苗 盤中心連線夾角 , 即 Α0 = ( Ξ 其 中 Ξ= 1- ?)D /R d 4 則 = 20 苗板行程 : S = 式 中 — 扶苗板開(kāi)始扶苗時(shí) 間 O + 38 — 落苗時(shí)間 , 01421 2 s 213 扶苗板運(yùn)動(dòng)分析 如圖 3, 扶苗板運(yùn)動(dòng)時(shí) , 位移 s 和速度 v 與機(jī)器 前進(jìn)方向相 反 。 這里討論扶苗板相對(duì)于機(jī)架運(yùn)動(dòng) , s、 v 方向 與 X 軸一 致 。 為減少對(duì)秧苗沖擊 , 扶苗板啟 動(dòng) 時(shí)先勻加速運(yùn)動(dòng) , 接觸缽苗后以 - 勻速運(yùn)動(dòng) , 到 X 1 點(diǎn)返 回 。 扶苗板與缽苗初始間距 為 91243 設(shè) 過(guò)渡區(qū)內(nèi)扶苗板運(yùn)動(dòng)加速度為 a , 扶苗板與缽苗接 觸時(shí)間為 分離時(shí)間為 則扶苗板相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程 為 D — — 地輪與送苗盤之間傳動(dòng) 比 ?— — 地輪滑移 率 R d — — 地輪半徑 , R d = 0125 m 由此可得扶苗機(jī)構(gòu)初相角模型 : Α0 = D ( (1- ?) /R d (9) 1 2 2 a t s= 1 2 ( t∈ 0, ) (5) 2 a ( ( t∈ [ ) 扶苗板相對(duì)速度為 a t ( t∈ 0, ) v = t∈ [ ) (6) 圖 4 扶苗機(jī)構(gòu)初相角示意圖 落苗過(guò)程分析 5 表明 : 工作速度 化對(duì)落苗 扶苗板與缽苗接觸條件 時(shí)間 響較 小 。 而送苗盤角速 度 Ξ 和工作速 度 vm 1 a vm 01005 5 m (7) 2 1 扶苗板總行程 成 正 比 。 受土壤阻力等因素影 響 , 地輪滑移 率 ? 和 投 苗 角 Η0 有變 化 , 因 此 , 調(diào)試中扶苗機(jī)構(gòu)初 相角需 根 據(jù)機(jī)器前進(jìn)速度按實(shí)測(cè)結(jié)果確 定 。 S = 1 a ( = 01038 m (8) 2 3 扶苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定 由式 (7) 和 (8) 可得 : 01026 143 s。 求解式 (7) 時(shí)顯然有 故取 01015 s, 則 有 a= 228183 m / 可見(jiàn)過(guò)渡區(qū)內(nèi)扶苗加速度較大 , 而且工作速度 越 大 , 加速度越 大 。 此時(shí)扶苗板未與缽苗接 觸 , 不 會(huì) 對(duì)缽苗遭成沖 擊 。 在扶苗板表面貼一層耐油橡 膠 , 使 扶苗板與缽苗平穩(wěn)接觸 , 橡膠還可防銹 , 減少扶苗板 與紙筒粘 附 。 扶苗板 到 達(dá) X 1 點(diǎn)后以速 度 v b 勻速 返 回 。 為保證扶苗板運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確和及時(shí)復(fù) 位 , 擺 桿 端連接復(fù)位彈 簧 。 降低扶苗板回程速度可減小扶苗機(jī)構(gòu)沖擊 , 取 v b= 013 m /s。 由扶苗板回程距 離 S 求得回程時(shí)間 為 扶苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包 括 : 凸輪升 程 h、 凸 輪 輪廓曲 線 、 擺桿和平行四桿長(zhǎng) 度 。 311 凸輪升程和凸輪齒廓曲線設(shè)計(jì) 根據(jù)扶苗板 運(yùn)動(dòng)規(guī)律和結(jié)構(gòu)配置 , 沿圓周均勻 配置 2 個(gè)凸齒 , 凸輪升程 h = 8184 齒廓曲線變 化規(guī)律如圖 5 所示 , 實(shí)際凸輪廓線通過(guò)局部圓整理 論廓線而 成 。 312 擺桿機(jī)構(gòu)參數(shù)配置 復(fù)合擺桿和平行四連桿不僅能夠轉(zhuǎn)換構(gòu)件運(yùn)動(dòng) 方 式 , 還起放大扶苗板行程作 用 。 根據(jù) 傳動(dòng) 比 i 的 要 求配置擺桿機(jī)構(gòu)參 數(shù) 。 如 圖 2, 設(shè) = O 2B = 1 1 1 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報(bào) 2 0 0 3 年 60 = = 413 測(cè) 試 。 試驗(yàn)條 件 : 玉米品種吉 單 159, 苗 齡 3 葉 1 心 , 缽苗平均高度 130 測(cè)區(qū)長(zhǎng)度為 15 m , 土壤濕度 13184%～ 15142%。 試驗(yàn)時(shí)先標(biāo)定測(cè)試車速 度 , 依 次 按設(shè)定 速度進(jìn)行試 驗(yàn) , 同時(shí)測(cè)試作業(yè)速 度 、 株 距 、 滑 移 率和秧苗直立狀 況 。 試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn) 表 1, 移栽合格 率 為 95116%。 表 1 扶苗機(jī)構(gòu)土槽移栽玉米試驗(yàn) 結(jié)果 圖 5 凸輪升程曲線 機(jī)組速度 次序 測(cè)區(qū)缽 不合格株數(shù) O 3B = O 3C = 根據(jù)結(jié)構(gòu)配置 , 有 h = l1 l3 l2 = l4 10) / 苗株 數(shù) 漏栽 數(shù) 重栽 數(shù) 斜栽 數(shù) 傷秧 數(shù) 倒伏 數(shù) 根據(jù)裝配要 求 , 確 定 : 70 153 O 2、 O 3 位 置 。 前面分析得出 : 扶苗板行程 S = 38 因此 i= S l2 l4 h l1 而求得 : 63 32 4 試驗(yàn)和驗(yàn)證 在吉林大學(xué)農(nóng)業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室土槽試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行 注 : 秧苗主莖稈傾 斜 30° 以上為斜 栽 。 試驗(yàn)表 明 : 作業(yè)速度 為 112～ 116 h 時(shí)栽 植 質(zhì)量比較穩(wěn) 定 。 栽直率大 于 95% , 漏栽率小 于 2% , 栽植深度均勻 , 覆土厚度穩(wěn)定 , 滿足半自動(dòng)移栽要 求。 參 考 文 獻(xiàn) 1 宋洪 波 , 安鳳 平 , 史 巖 . 偏心式移栽機(jī)的研 究 . 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué) 報(bào) , 1997, 28 (增 刊 ): 41～ 45 2 封 俊 , 秦 貴 , 宋衛(wèi)堂 等 . 移栽機(jī)的吊杯運(yùn)動(dòng)分析與設(shè)計(jì)準(zhǔn) 則 . 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué) 報(bào) , 2002, 33 (5) : 48～ 50 3 顧世康 , 封 俊 , 曾愛(ài)軍 等 . 導(dǎo)苗管式栽植機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)與試 驗(yàn) . 農(nóng)業(yè)工程學(xué) 報(bào) , 1998, 14 (3) : 123～ 128 4 封 俊 , 顧世 康 , 曾愛(ài)軍 等 . 栽植機(jī)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)與檢測(cè)方 法 . 農(nóng)業(yè)工程學(xué) 報(bào) , 1998, 14 (2) : 73～ 77 5 孫裕晶 , 馬成 林 , 左春 檉 . 組合振動(dòng)導(dǎo)苗筒式導(dǎo)苗機(jī)構(gòu)試驗(yàn)研 究 . 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué) 報(bào) , 2001, 32 (6) : 30～ 33 (上接第 56 頁(yè) ) 4 結(jié)束語(yǔ) 改進(jìn)后的聯(lián)合收割機(jī)在鎮(zhèn)江橫塘良種場(chǎng)進(jìn)行油 菜收獲的初步試驗(yàn) , 收割在完熟期進(jìn)行 , 經(jīng)測(cè)定割臺(tái) 總損失率為 4% 左右 , 現(xiàn)場(chǎng)觀察未發(fā)現(xiàn)割臺(tái)有堆積 堵塞現(xiàn) 象 。 就整機(jī)情況而言 , 在風(fēng)量調(diào)節(jié)到最小的情況下 , 其總損失率為 712% 左右 , 與人工收獲的 10%～ 15% 相比有較大的提 高 。 另 外 , 在風(fēng)量減到最小 時(shí) , 含雜率偏高 (約 10% ) , 因此 , 為了適應(yīng)油菜收獲清 選機(jī)構(gòu)還需做進(jìn)一步的改 進(jìn) 。 參 考 文 獻(xiàn) 1 吳守 一 . 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué) (下 ). 北 京 : 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社 , 1992. 2 劉惟 信 . 機(jī)械最優(yōu)化設(shè) 計(jì) . 北 京 : 清華大學(xué)出版 社 , 1994. 3 鄭建 容 . 虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提 高 . 北 京 : 機(jī)械工業(yè)出版 社 , 2002. 1 01903 6 48 0 0 1 0 0 2 11240 8 48 0 0 2 0 0 3 11360 9 46 0 0 2 0 1 4 11777 5 44 0 0 2 0 1 均值 11320 7 4615 0 0 1175 0 015