玉米缽育移栽機自動供苗裝置設計及運動仿真

王海洋，張　偉,候永瑞

(黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶　163319)

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玉米缽育移栽機自動供苗裝置設計及運動仿真

王海洋，張偉,候永瑞

(黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶163319)

摘要：隨著大農業的發展，依靠建設高標準田和使用大型農機具使玉米產量和質量都有所提高，但產能空間有限。玉米缽育移栽是提高產量的重要措施之一。針對國內半自動移栽機移栽速度慢、移栽質量差、需要大量人工，國外移栽機結構復雜、成本高的問題，設計了一種由曲柄棘輪機構帶動同步帶實現送苗和行星齒輪系構成的切苗機構，并建立了機構的運動學模型和優化數學模型。同時，利用MatMLab進行優化求解，當連桿長度為254.88mm、搖桿長度為165.01mm時，傳動效果最好，并利用SolidWorks軟件進行了仿真分析。結果表明：在電機轉速為90r/min時，供苗效果最好，完整度好，切割速度快，合格率高，能夠滿足移栽要求。該機構穩定性好、工作可靠，為全自動玉米缽育移栽機的研制開發提供了依據。

關鍵詞：玉米；缽育移栽；送苗機構；切苗機構 ；仿真分析

0引言

玉米是我國四大主糧之一，隨著我國畜牧業和糧食加工業的迅速發展，玉米的需求量和種植面積逐年增加。據統計，2012年我國玉米播種面積3 503萬hm2，比2011年的3 354萬hm2擴大約149萬hm2，增幅4.4%；2013年全國玉米播種面積達3 632萬hm2，比2012年增幅3.7%；玉米總產量達21 848.9萬t，比2011年增加產量1 287.5萬t，增幅達6.3%[1]。由于糧食工業和畜牧業的快速發展，玉米的需求量也逐年增加，價格也一路水漲船高，增加了農民種植的意愿，且隨著玉米種子的改良和全球氣溫的變暖，適于玉米種植的地帶擴大，有向第四積溫帶擴展趨勢[2]。2013/2014年度全國玉米種植面積3 707萬hm2，比2012/2013年度增加65萬hm2[3]。玉米的種植面積和產量直接左右全國糧食生產的大局，關系到國家糧食安全。確保國家糧食安全這是維護國家安全和穩定、促進國民經濟持續、快速、健康發展的必要條件。

玉米的生產主要分為大田直播和育秧移栽。大田直播需要達到一定的氣候條件，尤其是要達到生長需要的溫度和水分要求。相比于大田直播，育秧移栽能夠有效地防御低溫冷害、避開春旱且可解決積溫不足問題，使產量和經濟效益較常規栽培方式分別提高40%和34%左右，并可提早成熟、防御秋霜、降低收獲時籽含水率,提高玉米品質[4-5]。但移栽作業耗工費時，國外20世紀30年代就開始研制移栽機，80年代初半自動移栽機已在發達國家的農業中廣泛應用；21紀初，隨著栽植技術和設備的快速發展，日本等國已大量研制和使用全自動移栽機，移栽機的自動化、機械化程度很高。如意大利Checchi&Magli 公司生產的OTMA 鏈夾式移栽機和WOLF 吊杯式缽苗移栽機、荷蘭Michigan 公司生產的Model4000 導苗管式缽苗移栽機、法國生產的UT-2 型鉗夾式移栽機，日本研制的OP290 和OP2100 型白蔥移栽機、CT-4S 甜菜移栽機等[6-9]。我國移栽機研制始于20世紀60年代，通過引進國外先進移栽機并消化吸收再創新，研制多種半自動小型移栽機，主要應用于蔬菜等經濟作物。如黑龍江省農墾科學院研制的2Z-2型和2Z-6型鏈夾式移栽機、河北省唐山市農機研制的2ZB-2型鉗夾式玉米移栽機、吉林工業大學研制的2ZT移栽機、新疆農科院研制的ZT-2型紙筒甜菜移栽機、黑龍江紅興隆管理局研制ZT-T2型甜菜紙筒移栽機等[9-11]。目前，缽苗移栽技術綜合經濟效益并不顯著，其主要原因在于缽盤造價高、缽育移栽機機械化程度低，需要人工喂苗，特別是現在所使用的缽盤多數是單體缽，不能有序進行喂苗，使用塑料缽盤需要人工分苗和喂苗，增加移栽成本。為此，基于本課題組研制的紙質缽盤的基礎上，依據吊籃移栽機的原理，設計的一種自動供苗機構。其中，送苗機構與切苗機構的匹配設計能使送苗機構順利送苗和切苗機構在準確位置切下缽苗，下落缽苗垂直度好，傷苗率低，切割效率高，能夠滿足玉米標準壟和大壟雙行種植模式移栽需要。

1結構組成與工作原理

1.1結構組成

該供苗裝置主由送苗軌道、曲柄棘輪、切苗機構、傳動機構及支架等組成，整體結構如圖1所示。SolidWorks軟件中自帶鏈條插件，但是在建模中不顯示，途中的鏈條只是在做仿真中才出現[12-14]。

1.鋸齒式圓盤切割刀　2.缽育秧苗　3.送苗軌道

1.2工作原理

移栽作業時，由人工將紙制缽育秧苗放在送苗軌道上，作業時由地輪提供動力來源，帶動曲柄棘輪機構驅動帶刺的同步輸送帶，實現秧苗的間歇運動；另一方面依靠錐形齒輪實現橫向切割所需動力來源。向前輸送秧苗時，切割圓盤處于缽盤邊緣運動；送苗停止后，由切割圓盤切割缽苗；切割的單缽苗再由后續缽苗推著向前運動脫離送苗軌道，落入下面栽植機構中，完成一次栽苗運動，反復連續進行。

2關鍵部件的設計

2.1傳動系統的設計

傳動系統包括送苗和切苗系統傳動系。送苗系統傳動系是由5根平行的可轉動軸組成，切苗系統傳動系由2根平行軸組成，動力來源于安裝在六軸上的從動錐齒輪與安裝的二軸上的主動錐齒輪垂直配合。根據圖2試驗臺傳動系統簡圖可知：該傳動系由多個鏈輪、同步帶輪及齒輪組成。為了簡化設計步驟，減小計算量及設計加工量，第1鏈輪與第2鏈輪等大，第5鏈輪與第6鏈輪等大。

1.第1鏈輪　2.第2鏈輪　3.第3鏈輪

假設棘輪每次轉過45°帶動同步帶完成一次喂苗，預定供苗速度為120株/min，軸3的轉速為

(1)

主動同步帶輪與從動同步帶輪等大，同步帶與同步帶輪配合后，同步帶表面到軸心的半徑r=40mm，每次供給一個缽苗同步帶輪轉過φ，則

(2)

φ=0.199rad

n6=φ×120=23.88rad/min

由于同步帶輪為等大，則

n5=n6=23.88rad/min

(3)

選擇主動鏈輪參數z4=23，則從動齒輪z6為

z6≈14.47 ?z6=15

查工況系數f1(摘自GB/T 18150-2006)，f1=1.4；查主動鏈輪齒數系數f2(摘自GB/T 18150-2006)，f2=0.53[15]。修正功率為

pc=pf1f2=0.16×1.4×0.53=0.12(kW)

(4)

在承載能力圖上選取滾子鏈為10A-1，鏈條節距為p=15.875mm(GB/T 1243)。鏈結數為

(5)

其中，a0為初選中心距，f3=4.965，則

調整后，選取整數為x0=60節(即比計算值大且最接近的偶數值)。鏈條速度為

(6)

其潤滑要求給予定期手工供油潤滑[16]。

由于每分鐘設定供苗速度為120株，即n1=n2=120r/min鋸齒形切割圓盤為對稱兩個安裝，所以n6=60r/min，主動錐齒輪與從動錐齒輪傳動比為1:2。由于z7=z8，所以n6=n7=60r/min 。

2.2送苗軌道的設計

由于機構傳動系統由多個同步帶輪、鏈輪及棘輪等組成，傳動比設計主要采用由后向前推算，所應用的缽體為本課題組所研制的10連缽紙質缽盤，每次輸送1個缽苗，每個缽苗長度為50mm，如圖3所示。

圖3　紙質缽盤物理尺寸

紙質的缽盤在培育秧苗后吸收一部分水分，且培養秧苗放入培養土發生橫向膨脹，而縱向膨脹小可以不考慮。移栽使用的是德美亞系類種子，培養35天后，三葉一心到四葉一心進行移栽，秧苗高度230mm、莖粗10mm，此時紙質缽盤的寬度為38mm、高度為35mm；同時，考慮到軌道材料與紙質缽育秧苗有一定的摩擦力作用，確定軌道寬度為40mm，高度為37mm。由于移栽機械在大田中工作環境惡劣、顛簸嚴重，為防止缽苗從送苗軌道上跌落，設計了送苗軌道，如圖4所示。

圖4　送苗軌道示意圖

2.3切割圓盤刀設計

由于現在所使用的紙制缽盤韌性較強，切割時易發生變形、缽盤碎散、傷苗率高，滿足不了移栽要求，所以擬采用行星齒輪系；采用大齒輪帶動小齒輪配合，使切割刀片高速旋轉，從而使該機構能實現橫縱向同時切割(滑切)。鋸齒切割圓盤如圖5所示。

1.主動齒輪　2.驅動軸　3.從動輪系

切割裝置為行星齒輪系，切割刀臂軸線與缽盤中心線共線，當缽盤外側兩個邊線被切斷時，可以求得所需切割圓盤刀最小半徑，兩點同時被切下時可以求得圓盤刀的最小直徑，即圖中黑色三角形斜邊，則

考慮到配合中的誤差，選取整數70mm。

2.4曲柄棘輪設計

2.4.1棘輪的設計

選用單動式棘輪機[17-19]構棘輪每次轉過的角度ψ為

(7)

式中z—棘輪的齒數；

k—棘爪一次推過的齒數。

由設計要求可知棘輪每次轉過角度ψ=45°，棘爪推過1個齒，求得

按照強度要求，確定模數為4，可以求出棘輪設計參數為

(8)

其中，m為模數；da為頂圓直徑；h為齒高；df為齒根圓直徑；h1為棘爪高度；a1為棘爪底長度；p為齒間距；L為棘爪長度；θ為齒槽夾角。

計算出棘輪的主要尺寸后，棘輪結構如圖6所示。

圖6　棘輪結構簡圖

根據D和h先畫出齒頂圓和齒根圓；按照齒數等分齒頂圓，得到A，C ，…等點，并由任一等分點A作弦AB=a=m ；由B到第2等分點C作弦BC；自B、C點分別作角度∠OBC=∠OCB=90°-θ；以O為圓心、OB為半徑，畫圓交齒根圓于E點，連CE得齒輪工作面，連BE得全部齒形。

2.4.2曲柄搖桿的設計

利用SolidWorks軟件輔助設計曲柄棘輪機構，采用SolidWorks設計曲柄搖桿機構。已知行程速比系數K，搖桿的長度及其擺角ψ，根據給定的行程速比系數K，可以計算出極位夾角θ為

(9)

任選一點為固定鉸鏈點D,選擇長度比例尺μL，根據擺角ψ(為了使棘輪能夠順利進入齒槽中，應使得擺角大于棘輪轉過角度，這里選擇擺角為47°)作搖桿的兩個極限位置C1D和C2D，如圖7所示。

圖7　曲柄搖桿設計示意圖

連接直線C1C2，過C2點作C1C2的垂線C2M，并作∠C2C1N=90°-θ，C1N與C2M交于點P，所得∠C1PC2=θ。

作ΔC1PC2的外接圓，在此圓周上任取一點A作為曲柄的固定鉸接中心，分別連接AC1和AC2，則∠C1AC2=∠C1PC2=θ。因為點A的位置是在圓周上任取，故有無窮多解，設曲柄和擺桿的回轉中心水平，則可確定曲柄的位置。

當點A的位置確定后，可根據搖桿在極限位置時曲柄和連桿共線的原理，連接AC1和AC2，得

lAC2=lBC+lABlAC1=lBC-lAB

(10)

其中，lAB和lBC分別為曲柄和連桿的長度。以上兩式相減和相加后得

連線AD的長度，即為機架的長度lAD。

通常設計單位為mm， 所以精度為小數點后3位的設計結果應完全滿足于工程實際需要。若使用解析法進行設計， 其結果也會有一定的精度和偏差。如果有明確的要求，在SolidWorks 中可調整精度，最高設置為小數點后8 位。

3關鍵部件的優化設計

設計時，該機構中曲柄、連桿、擺桿、機架的長度分別為l1、l2、l3和l4，初始位置角度為φ0。取曲柄長度為l1=1，機架的長度為l4=4。決定機構部分桿長尺寸l2、l3，以及搖桿按照已知運動規律開始運動時曲柄所處的位置角φ0應該列為設計變量[20]，則有

(11)

其他兩個桿的長度分別為曲柄長度的倍數。設曲柄和搖桿的初始角φ0和φ0分別為

(12)

(13)

3.1確定約束條件

曲柄搖桿機構應滿足曲柄存在的條件為

(14)

(15)

(16)

當曲柄[π,2π]如圖8所示區間上運動時，相應約束條件為

圖8　最小傳動角示意圖

3.2目標函數的建立

目標函數可根據已知的運動規律和機構實際運動規律之間的偏差最小作為指標來建立，即取機構的期望輸出角ψ=f0(φ0)和實際輸出角ψi=fi(φ0)的平方誤差積分最小作為目標函數，則

式中ψEi—期望輸出角，ψEi=ψE(φi)；

m—輸入角的等分數；

ψi—實際輸出角。

由圖9可知αi、βi、ρi滿足如下關系，即

其中，l1、l2、l3、l4、ρi分別對應桿長；φi為桿AB與AD的夾角；αi為桿BD與桿CD的夾角；βi為桿AD與桿BD的夾角；ψi為桿AD與桿CD的夾角。

圖9　搖桿實際輸出角

3.3運用MatLab優化計算程序計算得到最優解

曲柄搖桿機構中，曲柄長度50mm，機架的長度200mm，曲柄轉速120r/min，經利用MatLab優化計算[21-23]，連桿機構實現函數優化設計最優解為：連桿相對長度l2=5.0976，搖桿相對長度l3=3.3002，輸出角平方誤差之和f*=0.0076。最優點的性能約束函數值為：最小BCD夾角約束函數值g1*=-7.1214，最大BCD夾角約束函數值g2*=-0.0000。即曲柄的長度為50mm，連桿的長度為254.88mm，擺桿的長度為165.01mm。

利用SolidWorks軟件對曲柄搖桿機構進行仿真分析驗證，將建立的模型利用SolidWorks軟件自帶的SolidWorks motion功能分析，如圖10所示。添加旋轉馬達120r/min，在Motion Mannager工具欄上單擊“運動算例屬性”按鈕，將每分鐘幀數設為100，在3D接觸分辨率下選擇使用精度接觸。搖桿角位移如圖11所示。從圖11中可以看出：擺桿的擺動角度為47°，滿足設計要求。

圖10　迭代擬合圖

4仿真分析與結果分析

通過仿真分析確定電機最佳轉速，確定供苗的最佳速度，電機轉速變化范圍在60～120r/min。所得試驗結果如圖12所示。

圖11　搖桿角位移

圖12　電機轉速—缽苗進給量

由圖12可以看出：在電機轉速大于100r/min時，缽苗進給量明顯大于50mm，造成切缽不完整、傷苗率高的現象，滿足不了移栽要求；當電機轉速在80～100r/min之間時，電機轉速對缽苗進給量影響不大。綜合考慮，選擇電機轉速為90r/min。

圖13所示為電機轉速為90r/min時仿真切割缽苗的效果圖。由圖13可以看出：切割合格率高。

圖13　仿真結果

5結論

1)利用MatLab軟件對該供苗裝置關鍵部件中的曲柄搖桿機構進行優化，結果表明：當曲柄搖桿機構中的連桿長度為254.88mm、擺桿的長度為165.01mm時，能達到最好的供苗效果，從而為后續樣機的加工試驗提供了理論依據。

2)利用SolidWorks軟件對模型進行仿真分析得知：在電機轉速為90r/min時，供苗效果最好，但與最初設定的供苗速度有一定差距。原圖是由于機構間歇供苗，速度變量大，動量突然變化慣性對其有一定的影響，應將同步輸送帶進行處理，增加缽苗與輸送帶之間的摩擦力。

參考文獻：

[1]國家統計局.中華人民共和國國家統計局年度數據，玉米播種面積及玉米產量年度數據[EB/OL].[2015-07-02].http://data.stats.gov.cn/easyquery.htm?cn=C01.

[2]季太明，楊明，紀仰慧，等.黑龍江省近45年積溫變化及積溫帶的演變趨勢[J].中國農業氣象，2009,30(2)：133-137.

[3]魏斌,高笑天.2012/2013年度玉米市場分析及2013/2014年度展望[J].農業展望，2013(8):11-14.

[4]L.J.Kutz.Robotic transplanting of bedding plants [J].Transactions of the ASAE，1987,30(3)：586-590.

[5]陳風，陳永成，王維新. 旱地移栽機現狀和發展趨勢[J].農機化研究，2005(3)：24-26.

[6]方憲法.我國旱地移栽機械技術現狀及發展趨勢[J].農業機械，2010(1)：35-36.

[7]于修剛,袁文勝,吳崇友,等.我國油菜移栽機研發現狀與鏈夾式移栽機的改進[J].農機化研究,2011,33(1):232-234.

[8]金城謙,吳崇友,袁文勝.鏈夾式移栽機栽植作業質量影響因素分析[J].農業機械學報, 2008,39(9):196-198.

[9]葉秉良，劉安，俞高紅，等. 蔬菜缽苗移栽機取苗機構人機交互參數優化與試驗[J].農業機械學報，2013(02):57-62.

[10]韓豹.水稻營養缽育苗全自動移栽機的設計[J].東北農業大學學報，2003,34(3)：275-278.

[11]張晉西，蔡維，譚芬.Solidworks Motion 機械運動仿真實例教程[M]. 北京：清華大學出版社，2013：59-63.

[12]姚建娣，謝龍漢，杜如虛. SolidWorks 2010三維設計及制圖[M]. 北京：清華大學出版社，2011：59-63.

[13]白榮宏.SolidWorks數控編程[M].北京:人民郵電出版社,2006.

[14]常德功，樊智敏，姚兆明，等.帶傳動和鏈傳動設計手冊[K].北京:化學工業出版社,2010.

[15]徐灝，邱宣懷，蔡春源，等.機械設計手冊(12卷)[K].北京：機械工業出版社,1998.

[16]王文良，李安生，唐維綱,等.棘輪機構的參數設計[J].棘輪傳動，2010,12(34):27-29.

[17]田佩林.齒式棘輪機構運動精度分析計算[J].廣西機械，2002(2)：34-38.

[18]錢力.沈曉濱.王良文.李安生,等.自動機械中槽輪-凸輪組合機構的計算機輔助設計[J].機械傳動，2010(10)：89-94.

[19]劉志剛.基于MATALAB的曲柄搖桿機構優化分析[J].食品與機械，2014,30(3):40-45.

[20]汲文峰，吳啟明，黃海東，等.基于振動機理的藜蒿扦插機分苗機構設計與試驗[J].農業工程學報，2015(1):21-27.

[21]蘇金明，劉同.MatLab高級編程[M].北京:電子工業出版社,2005.

[22]蘇金明,阮沈勇,王永利,等.MATLAB工程數學[M].北京:電子工業出版社,2005.

Abstract ID:1003-188X(2016)06-0143-EA

The Design and Motion Simulation of the Corn Pot Seedling Machines

Wang Haiyang，Zhang wei ,Hou Yongrui

(Heilongjiang Bayi Agricultural university Faculty of Engineering, Daqing 163319, China)

Abstract：With the development of agriculture and the help of high standard of the farmland and use of large agricultural implements, the quality and output of corns have improving, but the ability is limited. In order to solve the problem, pot seedling is used. Semi-automatic seedling machines’ low speed, bad quality and high cost made it unpopular. Cutting seeders with the help of crank ratchet driving seeders and planetary gear is designed based on the paper seedling tray made by Heilongjiang Bayi Agricultural University. The equation of mechanisms’ kinematics and optimized parameter was found.The MATLAB showed the optimized result is that the length of linkage and rocker is 254.88mm and 165.01mm,which works well. The result of SolidWorks Motions showed that the works and seedling tray is well, the speed of cutting seedling tray and percent of pass is high at the speed of 90r/min, which meets the agronomic requirements. The mechanisms provide the basis of design of fully automated corn pot seedling machines.

Key words：corn; pot seedling; seedling feeder; cutting seeders; motion simulation

文章編號：1003-188X(2016)06-0143-06

中圖分類號：S223.92

文獻標識碼：A

作者簡介：王海洋(1990-)，男，黑龍江蘭西人，碩士研究生,(E-mail)wanghaiyang5188@163.com。通訊作者：張偉(1966-)，男，遼寧大連人，教授，博士生導師,(E-mail)zhang66wei@126.com。

基金項目：黑龍江省高校創新團隊建設計劃項目(2014TD010)

收稿日期：2015-07-22