玉米移栽機(jī)分苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)分析

宋玉潔，胡 軍

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

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玉米移栽機(jī)分苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)分析

宋玉潔，胡 軍

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

為了實(shí)現(xiàn)玉米缽苗的大田高效移栽，避免傳統(tǒng)苗缽分離方式造成的秧苗損傷，設(shè)計(jì)了一種以鋸齒刃圓盤切割刀為主體的分苗機(jī)構(gòu)，并重點(diǎn)研究了圓盤切割刀的結(jié)構(gòu)形式。利用UG進(jìn)行建模和仿真分析，搭建試驗(yàn)臺進(jìn)行分苗試驗(yàn)，結(jié)果表明：該機(jī)構(gòu)能順利將單排紙缽苗切割分離成單個玉米缽苗并送入導(dǎo)苗管中，為全自動玉米移栽機(jī)的研制奠定了基礎(chǔ)。

移栽機(jī)；分苗機(jī)構(gòu)；紙缽苗

0 引言

玉米既是主要的糧食作物，又是化工、燃料等行業(yè)的重要原料，提高玉米單產(chǎn)在我國糧食安全中起著極其重要的作用。和直播相比，移栽能增加積溫，將播種期提前的同時延長作物生育期，更有利于玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的提高[1-2]。

目前，玉米移栽機(jī)多為半自動移栽機(jī)，需要人工喂苗，勞動強(qiáng)度大、效率低[3-4]。全自動移栽機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，不利于機(jī)械化移栽的大面積推廣和應(yīng)用[5-6]。分苗機(jī)構(gòu)是全自動移栽機(jī)的重要組成部分，也是區(qū)分全自動和半自動移栽機(jī)的關(guān)鍵部件，因此設(shè)計(jì)了一種能切割紙缽盤的分苗機(jī)構(gòu)，可避免傳統(tǒng)分苗方式需要苗、缽分離導(dǎo)致的秧苗損傷，并將分苗機(jī)構(gòu)與導(dǎo)管式移栽機(jī)相結(jié)合，為全自動玉米移栽機(jī)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外移栽機(jī)及分苗機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)初，歐洲一些國家開始出現(xiàn)秧苗栽植機(jī)具；30年代后期，歐美各國開始使用栽植機(jī)構(gòu)代替人工勞動；50年代以后，歐洲國家研制出多種不同結(jié)構(gòu)形式的半自動移栽機(jī)；80年代，半自動移栽機(jī)已在西方國家的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用[7]，如意大利切克基·馬格利公司(Checchi&Magli)生產(chǎn)的奧特瑪栽植機(jī)(OMTA)、意大利生產(chǎn)的NADRI玉米缽苗移栽機(jī)等[8]。其中，奧特瑪栽植機(jī)工作時，秧夾在鏈條的帶動下夾持秧苗由上往下平移進(jìn)入滑道然后做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，最后將秧苗送入開好的溝內(nèi)，效率較低。

對于國外的分苗機(jī)構(gòu)，以美國為代表的發(fā)達(dá)國家對缽苗移栽技術(shù)的研究起步比較早，如美國奧本大學(xué)KUTZ設(shè)計(jì)研究了一種自動分苗的機(jī)器人，移栽后秧苗成活率高但效率低；韓國開發(fā)了以單臂布置的五桿機(jī)構(gòu)為主要工作部件的分苗機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單但可靠性差；日本井關(guān)農(nóng)機(jī)公司研發(fā)的齒輪連桿組合式自動分苗機(jī)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)穴盤苗移栽的夾取式自動取苗及送苗功能，但機(jī)構(gòu)振動大導(dǎo)致取苗成功率降低。

綜合來看,國外移栽機(jī)及其分苗機(jī)構(gòu)自動化程度相對較高，但機(jī)構(gòu)形式復(fù)雜且價格昂貴，不適宜在我國推廣應(yīng)用。

1.2 國內(nèi)移栽機(jī)及分苗機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀

我國旱地移栽機(jī)的研究開始于20世紀(jì)50年代末，70年代開始研制裸根苗移栽機(jī)械，80年代研制成半自動化蔬菜移栽機(jī)[9]。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展,移栽技術(shù)從人工作業(yè)到半自動化作業(yè),再到全自動化機(jī)械作業(yè)，比較成型的半自動移栽機(jī)[10-11]有：2Z-2型多用缽苗移栽機(jī)、2ZT-2型甜菜紙筒移栽機(jī)、2ZDF型半自動導(dǎo)苗管式移栽機(jī)及2YZ-40型吊籃式缽苗移栽機(jī)等。典型的全自動移栽機(jī)如江蘇大學(xué)吳福華等人設(shè)計(jì)的一種由齒輪連桿與槽型凸輪控制的自動取苗機(jī)構(gòu)[12]，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該機(jī)穴盤苗自動移栽機(jī)能一次完成取苗、送苗、栽植與覆土等作業(yè)。

較為典型的分苗機(jī)構(gòu)有[13-15]徐麗明等人研發(fā)的四桿夾取式取苗機(jī)構(gòu)、俞高紅教授等人提出的行星輪系取苗機(jī)構(gòu)、宮成宇等人研究的適用于塑料缽盤的頂出式取苗機(jī)構(gòu)。顧文俊等人研究的頂桿式取苗機(jī)構(gòu)效率較高，液壓頂桿通過缽盤底部的排水孔將整排苗頂出，輸送機(jī)構(gòu)將下一排缽苗輸送到指定位置重復(fù)頂出過程。

綜合國內(nèi)外移栽機(jī)及其分苗機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀來看，需要研制一種無須將缽盤和秧苗分離的、適用于全自動玉米移栽機(jī)的分苗機(jī)構(gòu)。為此，本文基于紙缽苗移栽技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種以圓盤切割刀為主體的分苗機(jī)構(gòu)，重點(diǎn)介紹分苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及其仿真分析。

2 分苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 分苗機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)

為滿足玉米移栽的分苗要求，分苗機(jī)構(gòu)如圖1所示。工作時，圓盤切割刀由電機(jī)帶動其勻速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)待切割紙缽剛運(yùn)動到傳送帶末端時，圓盤切割刀切斷紙缽；步進(jìn)電機(jī)控制輸送鏈條的間歇運(yùn)動，保證切割缽苗的同時，輸送鏈條停止運(yùn)動，切割完成后，繼續(xù)將缽苗運(yùn)送至導(dǎo)苗管中。其中，輸送鏈末端和導(dǎo)管之間留有空隙，使得圓盤切割刀能夠順利地勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。導(dǎo)苗管的管口設(shè)置傾斜聯(lián)接板，使得切割后的缽苗自動滑落至導(dǎo)苗管中。

1.機(jī)架 2.擋板 3.輸送鏈 4.單排紙缽苗 5.擋板固定架 6.齒形齒輪 7.刀刃 8.步進(jìn)電機(jī) 9.刀盤

2.2 圓盤切割刀

圓盤切割刀是將單排紙缽苗切割分離成單個紙缽的工作部件,中心孔連接動力輸出軸，刀盤安裝在旋轉(zhuǎn)軸的底端并與其同心。刀片通過螺栓連接均勻安裝在刀盤的圓周上，將有刃角的一端凸出刀盤并保證一段距離，刀刃更換方便，利于保證切割質(zhì)量。圓盤切割刀如圖2所示。

圖2 圓盤切割刀

刀刃是鋸齒刃和平刃的組合體，將利于切割的鋸齒放到了最有力的切割部位，而把利于精細(xì)切割的平刃安排在刀刃的控制部分，鋸齒刃部分是切割紙缽苗的主體，每個鋸齒邊鋒相對獨(dú)立，很大程度上增強(qiáng)了切割能力。

圓盤切割刀由電機(jī)帶動其勻速旋轉(zhuǎn)，刀盤繞中心孔做圓周運(yùn)動，刀尖的運(yùn)動軌跡形成圓環(huán)面，如圖3所示。經(jīng)過計(jì)算，圓環(huán)面面積大于缽盤被切割面，保證切斷缽盤。

圖3 刀尖運(yùn)動軌跡

2.3 輸送裝置

輸送裝置是承載缽苗并將紙缽苗運(yùn)輸至導(dǎo)苗管的工作部件,輸送鏈條兩側(cè)加裝擋板，擋板寬度可調(diào)節(jié)，擋板頂端向內(nèi)延伸3mm，保證紙缽輸送穩(wěn)定性的同時避免切割過程中紙缽苗向下傾倒，輸送裝置如圖4所示。和傳送帶相比，輸送鏈的耐磨性更高，更適用于農(nóng)田作業(yè)。輸送裝置間歇運(yùn)動，和圓盤切割刀配合來完成分苗作業(yè)。

輸送裝置局部剖視二維圖如圖5所示。擋板可以向兩側(cè)調(diào)節(jié)，寬度調(diào)節(jié)范圍為50～100mm，利用長圓按照實(shí)際需求來調(diào)整擋板的位置，寬度調(diào)節(jié)方便，更有利于紙缽苗的放置和運(yùn)輸過程的穩(wěn)定性。

圖4 輸送鏈

圖5 輸送裝置二維圖

3 圓盤切割刀參數(shù)分析

圓盤切割刀的運(yùn)動是由繞刀盤中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和移栽機(jī)的直線運(yùn)動合成的，割刀上任意一點(diǎn)的軌跡曲線為余擺線。以刀盤的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，過圓點(diǎn)的水平方向?yàn)閄軸，移栽機(jī)前進(jìn)方向?yàn)閅軸，則割刀上某一點(diǎn)m的軌跡余擺線方程為

X=Rcosωt

Y=Rsinωt+Vj

(1)

其中，t為時間(s)；ω為角速度，ω=2πn/60(rad/s)；Vj為機(jī)器前進(jìn)速度(m/s)；R為刀盤沿回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)半徑(m)。

點(diǎn)m的速度為切割刀沿著刀盤中心的旋轉(zhuǎn)速度和移栽機(jī)的前進(jìn)速度的合成，其方程為

(2)

其中，V為切割刀的和速度(m/s)；Vm為切割刀的旋轉(zhuǎn)速度(m/s)。

1)圓盤切割刀轉(zhuǎn)速分析：選取合理的圓盤切割刀轉(zhuǎn)速對提高分苗的效率有重要意義。轉(zhuǎn)速過低，導(dǎo)致移栽作業(yè)的速度較低；轉(zhuǎn)速過高，可能會出現(xiàn)秧苗破損的現(xiàn)象。切割刀的旋轉(zhuǎn)速度等于割刀的旋轉(zhuǎn)半徑與刀盤的轉(zhuǎn)速相乘，方向垂直于割刀到刀盤中心的連線；移栽機(jī)的前進(jìn)速度固定不變，當(dāng)切割刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動方向與移栽機(jī)的前進(jìn)方向相反時，割刀的線速度最小，則有

Vmin=Vm-Vj

(3)

其中，Vmin為割刀最低線速度(m/s)。

選取刀盤轉(zhuǎn)速之后，計(jì)算得到刀盤的半徑r，有

v=2πωr

(4)

2)刀盤直徑分析：旋轉(zhuǎn)切割是無支撐切割，對切割線速度有較高要求，根據(jù)線速度和旋轉(zhuǎn)速度之間關(guān)系可以得到刀盤直徑D的表達(dá)式，有

(5)

其中，n為刀盤轉(zhuǎn)速；V為切割線速度。

結(jié)合玉米秧苗農(nóng)藝特性及刀刃可靠性要求等，確定切割刀的基本參數(shù)，如表1所示。

表1 切割刀的基本參數(shù)

用近似圓弧代替理論刃形的最小二乘法：設(shè)已知理論刃形上一系列點(diǎn)的坐標(biāo)為Mi(xi，yi)現(xiàn)要用一圓弧來代替，設(shè)其半徑為R，圓心坐標(biāo)為(xa，ya)，則方程式為

(x-xa)2+(y-ya)2=R2

(6)

整理得

c=xa2+ya2-R2

(7)

將理論刃形上一系列坐標(biāo)值代入方程，該式不等于0，存在一偏差值，即

Δi=xi2+yi2-2xaxi-2yayi+c

(8)

其中，Δi為代用圓弧上各點(diǎn)與理論曲線上相應(yīng)點(diǎn)的函數(shù)偏差值。由最小二乘法即采用偏差平方和為最小的方法，同樣可以確定系數(shù)xa、ya、c，以使各點(diǎn)的偏差值最小，有

(9)

用式(9)為最小時的xa、ya、c作為代用圓弧的圓心坐標(biāo)和半徑。用求極值的方法，有

(10)

得下列方程組

由上式解出代用圓弧半徑R，即

(11)

擬合代用圓弧代替理論刃形所引起的誤差可近似的沿圓弧的半徑方向度量，誤差為

(12)

綜合以上分析，求得代替理論刃形的近似圓弧方程為(x+23.5)2+(y+3.8)2=50.042，誤差均小于0.01，證明方法合理。

4 仿真分析

4.1 虛擬樣機(jī)的建立

根據(jù)所設(shè)計(jì)的分苗機(jī)構(gòu)形式，在UG中進(jìn)行建模裝配和仿真，完成約束、工作載荷等的添加，裝配圖如圖6所示。

4.2 刀刃有限元分析

利用UG刀刃進(jìn)行有限元分析，刀刃材料設(shè)置為65Mn鋼，施加50N的力，觀察刀刃的變形和形變位移，如圖7所示。

從分析結(jié)果看出：變形量小于0.099mm，變形微小，證明設(shè)計(jì)合理，為下一步試驗(yàn)驗(yàn)證奠定理論依據(jù)。

圖6 分苗機(jī)構(gòu)裝配圖

圖7 刀刃有限元分析

4.3 仿真結(jié)果分析

將模型簡化，進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真分析，由仿真結(jié)果可知：圓盤切割刀刀刃與缽盤夾角為零時切割效果最好，且該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡能滿足切割要求。為了確保切割刀和輸送鏈配合良好，輸送鏈0.5s轉(zhuǎn)過130°，表明該分苗機(jī)構(gòu)能滿足配合要求，切割速度達(dá)到120株/min。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)研制了新型單排紙缽盤,如圖8所示。紙缽盤有其獨(dú)特的優(yōu)勢: ①可以直接切割缽盤進(jìn)行移栽作業(yè)，避免拔苗傷根,提高了秧苗移栽后的成活率；②紙缽盤材料可降解；③紙質(zhì)缽盤強(qiáng)度和硬度均能滿足對苗的支撐和保護(hù)功能，并且與植質(zhì)缽盤相比切割難度小，進(jìn)一步降低了動力消耗。利用紙質(zhì)缽盤進(jìn)行玉米秧苗的培育,如圖9所示,搭建試驗(yàn)臺并與導(dǎo)苗管式移栽機(jī)相結(jié)合進(jìn)行分苗試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明：分苗成功率達(dá)到92%，秧苗損傷率低于5%，分苗效率達(dá)到120株/min,分苗效果良好，分苗效率為人工分苗的2倍。

圖8 單排紙缽盤

圖9 玉米紙缽苗

6 結(jié)論

1)利用UG對機(jī)構(gòu)進(jìn)行了建模和仿真分析，機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果表明：機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，分苗效率為120株/min，為后續(xù)的試驗(yàn)提供理論依據(jù)。

2)基于紙質(zhì)缽育移栽技術(shù)培育玉米紙缽苗并搭建試驗(yàn)臺進(jìn)行分苗試驗(yàn)，結(jié)果表明：設(shè)計(jì)方案合理，達(dá)到預(yù)期的要求，分苗成功率高且傷苗率低，為后續(xù)全自動玉米移栽機(jī)的研制提供了理論依據(jù)，對全自動玉米移栽機(jī)的發(fā)展和玉米產(chǎn)量的提高有重要意義。

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The Structure Design and Parameter Analysis for the Corn Seedling Mechanism of Transplanting Machine

Song Yujie, Hu Jun

(College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319，China)

In order to achieve the corn pot seedling efficiently transplanting in the field,and to avoid the seedlings injuries result from traditional way seedling pot separation.This paper designed a kind of seedling mechanism with the disc cutter as the main body, and focuses on the structure of the disc cutter,using UG modeling and simulation analysis, and test-bed was builded for seedling test.The results show that the institution can separate a row of paper pot seedling into single and sent it to seedling guide tube.It lays a foundation for the development of the automatic maize transplanting machine.

transplanting machine; seedling mechanism with; paper pot seedling

2016-06-06

黑龍江省高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目(2014TD010)；研究性創(chuàng)新項(xiàng)目(20150030)

宋玉潔(1991-)，女，河南民權(quán)人，碩士研究生，(E-mail)735753165@qq.com。

胡 軍 (1972-)，男，江蘇臨沂人，副教授，(E-mail)gcxykj@126.com。

S223.92

A

1003-188X(2017)07-0093-05