吊籃式移栽機關鍵部件的設計與仿真分析

徐銘辰，牛媛媛，張開飛，段　斌，郝玉偉，余泳昌

(河南農業大學 機電工程學院，鄭州　450002)

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吊籃式移栽機關鍵部件的設計與仿真分析

徐銘辰，牛媛媛，張開飛，段斌，郝玉偉，余泳昌

(河南農業大學 機電工程學院，鄭州450002)

摘要：針對吊籃式移栽機在工作時穩定性差及套種模式下適應性差等問題，將槽型軌道機構運用到傳統吊籃式移栽機中，設計了一種槽型軌道式新型移栽機。為驗證該新型移栽機工作原理的可行性，運用Pro/E軟件進行虛擬樣機設計，并在ADAMS仿真軟件中進行了裝配模型的運動學仿真。仿真結果表明：槽型軌道式新型移栽機滿足套種模式下的秧苗移栽要求。

關鍵詞：移栽機；吊藍式；栽植機構；ADAMS

0引言

農業在我國的經濟發展過程中發揮著重要作用，伴隨著農業結構的調整，我國的農業正朝著多元化的方向發展。在保證了糧食作物面積的基礎上，通常采用套種模式增加經濟作物的種植面積，而制約套種模式推廣的關鍵因素就是秧苗移栽問題。現有的移栽機眾多，按照栽植器的類型可以大致分為鉗夾(鏈夾)式、吊籃式、導苗管式和撓性圓盤式幾類[1-4]。鉗夾(鏈夾)式是由仿形機構控制鉗夾、鏈夾開合，但栽植速度比較慢，調整株距較為困難；導苗管式是由凸輪實現間歇動作，缽苗在導苗管中靠自身的重力沿導苗管滑落，但影響該移栽機栽植效果；撓性圓盤式由開盤輪、開盤叉來控制撓圓盤的開合，但栽植深度不穩定，且由于圓盤采用橡膠材料，壽命較短[5-8]。目前，采用比較多的是吊籃式移栽機；但是由于吊籃式移栽機工作時靠凸輪和彈簧共同作用控制吊籃在回轉過程中的開合，因此機構較復雜，喂苗速度不能過高，株距調整不便[9-10]。

槽型軌道在機床加工中應用較多，其工作平穩準確，可靠性較高。所以，為了解決吊籃式移栽機存在的問題，本文采用槽型軌道來控制來吊籃開合，簡化了結構，使移栽效果得到進一步改善。

1整機的結構及工作原理

新型吊籃式移栽機由開溝器、搖臂、吊籃、栽植盤、槽型軌道、覆土器，以及地輪等部件組成，如圖1所示。其中，槽型軌道與機架固定連接，可以在安裝時調整槽型軌道的位置，以確定最佳的吊籃打開角度；搖臂鉸接在右栽植環上，搖臂上端與吊籃一邊鉸接在一起，下端在槽型軌道內滑動；左栽植環和偏心環由連桿鏈接，連桿分別和左栽植環及偏心環鉸接。

作業時，將秧苗投入到吊籃中，隨栽植器一起做圓周運動，當栽植器旋轉到接近地面位置時，吊籃在槽型軌道和搖臂的組成的開啟裝置的控制下，迅速張開，將秧苗垂直下落在開溝器開出的苗溝中，經過覆土、壓實完成定植工作；吊籃繼續隨栽植器旋轉，并在槽型軌道的控制下緩慢地閉合，當吊籃旋轉到一定的位置時完全閉合，開始下一次栽苗過程。采用這種栽植器能夠提高栽植質量和直立度，減小沖擊力，且機構簡單、維修方便、使用壽命較長，適應高速度栽植，可提高栽植可靠性。

2槽型軌道的設計

栽植器要和槽型軌道相配合才能完成吊籃的張開和關閉動作，因此槽型軌道的設計是否合理對于移栽機的栽植效果至關重要。圖2所示為槽型軌道圖。

圖2　槽型軌道

栽植器在工作過程中，地輪的動力通過鏈傳動帶動左、右栽植盤回轉，進而帶動搖臂和吊籃做圓周運動；搖臂插入槽型軌道的一段沿槽型軌道，有一個軸向的位移，從而控制吊籃的開啟和關閉。因此，槽型軌道的設計參數與搖臂和吊籃的結構尺寸密切相關。吊籃結構的尺寸需要滿足在移栽過程中秧苗能夠以盡量小的沖擊落入吊籃，隨吊籃運動到接近地面時，吊籃的張開角度能夠使秧苗順利落入開溝器開出的溝中。根據設計要求，經過計算確定槽型軌道控制搖臂運動規律：當槽型軌道轉角為0°～45°時，搖臂以余弦加速度運動規律軸向移動15mm，這一過程中吊籃在搖臂的軸向移動作用下逐漸張開；當槽型軌道轉角45°～105°時，搖臂處于遠程休止位，相對于旋轉軸位置固定不變，對應秧苗從吊籃投入開溝器開出的溝中，完成秧苗的投遞；當槽型軌道轉角105°～150°時，搖臂以余弦加速度運動規律向軸的另一端移動15mm，吊籃在搖臂的控制下緩慢閉合，起到一定的扶苗作用；當槽型軌道轉角150°～360°時，搖臂處于近程休止位置相對于旋轉軸位置固定不變，吊籃始終處于閉合狀態，等待來自人工或送苗機構輸送的秧苗。搖臂每旋轉1周完成一次接苗、送苗及投苗作業。

根據搖臂的運動規律，確定搖臂在移栽機工作過程中的位移方程。

搖臂推程位移方程為

h=15

phi1=pi/4

x=105×(pi/4)×t

y=h×(1-cos(pi×45×t/phi1))/2

z=0

搖臂遠休止位移方程為

h=15

x=105×pi/4+105×(pi/3)×t

y=h

z=0

搖臂回程位移方程為

h=15

phi2=pi/4

x=105×7×pi/12+105×(pi/4)×t

y=h×(1+cos(pi×45×t/phi2))/2

z=0

搖臂近休止位移方程為

x=105×5×pi/6+105×7×pi/6×t

y=0

z=0

根據上述搖臂在移栽機工作過程中的位移方程，利用Pro/E軟件進行槽型軌道的建模，繪制出槽型軌道的軌跡線和模型，如圖3、圖4所示。

圖3　槽型軌道軌跡線

圖4　槽型軌道模型

3槽型軌道的仿真分析

基于在上述槽型軌道設計的基礎上，進行了在由槽型軌道控制下的吊籃的仿真分析。將Pro/E文件導入Adams中，選擇吊籃質心位置Part_8.cm作為測量對象進行仿真，結果如圖5所示。為了表示出相鄰兩個吊籃在工作過程中的空間位置關系，分別選擇相鄰兩個吊籃的質心位Part_8.cm、Part_9.cm作為測量對象進行仿真，分別測量出相鄰兩個吊籃的運動軌跡，結果如圖6所示。

圖5　吊籃質心位移、速度、加速度曲線

圖6　相鄰兩個吊籃位置關系圖

從圖5吊籃質心位置的位移和速度曲線中可以看出：當吊籃沿Y方向的運動軌跡到達-800、-2 300、-3 800mm位置時，吊籃在Y方向上的位移有一段時間保持不變，此時吊籃的質心位置沿Y方向的速度變化范圍為-30～30mm/s。這段時間是吊籃整個圓周運動的最低點，吊籃帶動秧苗植入土壤中，吊籃相對于地面的絕對速度很小，保證了秧苗入土時的穩定性，有利于提高秧苗的栽植效果。從圖6位置曲線可以觀察到：兩個吊籃質心空間位置在一定時間段內保持水平不變，相對應的吊籃運動就實現了相鄰兩個吊籃運動過程中的秧苗移栽，保證了吊籃在整個移栽過程中的穩定性，進一步驗證了移栽機在移栽過程中的可靠性。

4結論

1)對槽型軌道進行了設計，并根據搖臂的運動規律在移栽機中的位移方程，利用Pro/E軟件進行槽型軌道的建模，繪制出槽型軌道的軌跡線及模型。

2)采用槽型軌道控制移栽機，結構簡單、實用，能夠滿足套種模式下秧苗移栽的各項要求，可以提高栽植速度、降低勞動強度、提高栽植可靠性。

3)對設計出的槽型軌道運用虛擬仿真軟件進行仿真，結果表明：理論上滿足移栽要求。本文可為進一步研究自動化程度高、移栽性能好的移栽機提供理論依據。

參考文獻：

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

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

[3]劉效亮，李其昀．育苗移栽機械化發展方向[J]．山東理工大學學報，2003,13(3):108-110.

[4]于修剛，袁文勝，吳崇友．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.

[5]封俊，顧世康．導苗管式栽植機的試驗研究 (Ⅳ)[J]．農業工程學報，1998,14(4):113-118.

[6]董哲，林選知，張瑞勤,等．導苗管式移栽機的煙苗移栽質量影響因素分析[J]．農機化研究，2012,34(4):38-41.

[7]封俊，秦貴．移栽機的吊杯運動分析與設計準則[J]．農業機械學報，2002,33(5):48．

[8]胡軍．撓性圓盤式大蔥移栽機的優化設計與試驗研究[D]．北京：中國農業大學，2003.

[9]李其昀，魯善文．吊籃式棉花移栽機的研究[J]．農機化研究，2006(4):164-166.

[10]張為政，王君玲，張祖立．懸杯式蔬菜移栽機的設計[J]．農機化研究,2011,33(8):104-106.

[11]陳艷霞，陳磊．ANSYS Workbench 工程應用案例精通[M]．北京：電子工業出版社,2012.

Key Institutions Design and Simulation Analysis of Nacelle Transplanter

Xu Mingchen， Niu Yuanyuan， Zhang Kaifei， Duan Bin， Hao Yuwei， Yu Yongchang

(College of Mechanical and Electrical Engineering of Henan Agricultural University，Zhengzhou 450002，China)

Abstract：Aiming at the poor stability and the problem of poor adaptability of interplanting mode etc when nacelle type transplanting machine is working，the groove type rail mechanism was applied to traditional nacelle type transplanting machine by designing a groove type rail type transplanter. In order to verify the feasibility of working principle of the model of transplanting machine , virtual prototype used Pro/E software to design virtual prototype and carried on the kinematics simulation of the assembly model in ADAMS simulation software in this paper. According to the final simulation results,the groove type rail in transplanting machine meet the seedling transplanting interplanting mode.

Key words：transplanting machine； nacelle; transplanting mechanism；ADAMS

文章編號：1003-188X(2016)02-0096-04

中圖分類號：S223.94

文獻標識碼：A

作者簡介：徐銘辰(1987-)，男，河南周口人，碩士研究生，(E-mail)xuch-1987@163.com。通訊作者：余泳昌(1955-)，男，河南杞縣人，教授，博士生導師，(E-mail)hnyych@163.com。

基金項目：公益性行業(農業)科研專項(201303011-4)

收稿日期：2015-01-26