帶夾式甘薯裸苗移栽機的設計

朱斌彬，呂釗欽

(山東農業大學 機械與電子工程學院，山東 泰安 271018)

0 引言

甘薯是一年生或多年生蔓生草本，又名山芋、地瓜、紅薯、朱薯等。甘薯是一種營養豐富、用途廣泛、高產穩產的農作物。我國的甘薯種植面積和總產量均世界首位，它不但是主要的糧食作物，而且還是很好的飼料及工業生產原料。甘薯一般采用塊根無性繁殖，先用種薯在苗床育苗，生長至一定時期后剪(或拔)取莖尖，再運至大田進行裸苗高壟栽插作業[1-2]。

甘薯裸苗難以實現高效自動分苗，所以目前全球機械移栽中基本都采用半自動栽插形式，如美國瑪馳尼克公司生產的大馬力拖拉機牽引的半自動鏈夾式甘薯裸苗栽植機、日本井關農機株式會社等生產的小型自走帶夾式栽植機。我國的甘薯移栽機研發使用尚處初級階段，機具也多以半自動移栽機和簡易移栽器為主。山西省農科院研發的可一次完成打孔、澆水、乘坐手工栽插等作業的簡易栽植器，結構簡單，但效率低，且壓壟傷壟問題突出，難以實現斜插作業， 栽插質量低。南通富來威農業裝備有限公司研制了2ZL-1型鏈夾式移栽機，胡良龍、胡冰等研制了2ZGF-2型甘薯復式栽植機。鏈夾式移栽機優點是結構簡單，成本低，但是無法進行膜上移栽，且無法實現精確的栽植軌跡[3-4]。

針對現有移栽機結構簡單、無法準確實現甘薯裸苗移栽軌跡的問題，本文設計出一種帶夾式甘薯裸苗移栽機。該機采用栽插四桿機構進行插秧，可以準確地實現農藝要求的栽插軌跡，經過初步試驗，該移栽機能夠實現甘薯裸苗的移栽作業，從而為甘薯苗的移栽作業提供了一種新的機具。

1 總體結構與工作原理

1.1 作業要求

生產上甘薯秧苗栽插方式主要有斜插法、 直插法、 舟底形插法和水平插法等，如圖 1所示。 其中， 斜插法以秧苗傾斜地面 60°～70°的方式插入土壟中，苗根部與水平面夾角約為30°，薯苗入土節數較多， 且入土深度適宜， 有利于抗旱增產，是目前甘薯生產中應用最為廣泛的一種栽插方式[5]。

1.2 總體結構

帶夾式甘薯裸苗移栽機主要由機架、行走裝置、仿形裝置、送苗裝置、插秧裝置和夾苗裝置組成，如圖2所示。圖3為傳動系統的動力傳遞路線。

機架用于支撐移栽機的其他部分，并懸掛在拖拉機上；行走裝置由兩個地輪組成，地輪轉動為整機提供動力；仿形裝置由安裝在機架后端的兩個仿形輪組成，仿形輪傾斜安裝，防止工作時機器跑偏。

1.機架 2.地輪 3.插秧連桿Ⅰ 4.插秧連桿Ⅱ 5.插秧連桿Ⅲ 6.仿形輪 7.地輪傳動鏈輪Ⅰ 8.主傳動軸Ⅰ 9.傳動鏈輪Ⅱ 10.主傳動軸Ⅱ 11.同步帶輪 12.同步帶 13.秧苗固定鈑金

1.不完全齒輪機構 2.曲柄連桿機構 3.齒輪齒條 4.同步帶輪 5.槽輪機構 6.地輪

送苗裝置由傳動鏈輪、槽輪機構、同步帶輪、同步帶和夾苗鈑金組成。甘薯苗固定在夾苗鈑金上，地輪動力經鏈輪傳動和槽輪機構傳遞給同步帶，實現同步帶的間歇性運動，為栽植機構提供甘薯苗。

插秧裝置由傳動鏈輪、不完全齒輪機構、曲柄連桿機構、齒輪齒條機構及栽植四桿機構組成。地輪動力經鏈傳動、不完全齒輪機構、曲柄連桿機構和齒輪齒條機構驅動四桿機構的主動連桿間歇性往復擺動，形成插秧軌跡。

夾苗裝置用于甘薯苗的夾取和松開，由氣缸控制苗夾的開合；夾苗指的材料為彈簧鋼，通過控制夾苗指的變形程度控制夾苗的力量，保證在夾取過程中不傷苗。

1.3 工作原理

拖拉機通過三點懸掛與移栽機連接，帶動移栽機前進作業。地輪轉動時，動力一方面通過鏈傳動、錐齒輪傳動、槽輪機構傳動和同步帶輪帶動夾苗帶間歇式轉動，為插秧機構提供秧苗；另一方面通過鏈傳動、不完全齒輪機構、曲軸連桿機構、齒輪齒條機構驅動插苗連桿機構的主動桿間歇式往復擺動，通過四桿機構實現栽植軌跡，同時配合夾苗指的開合，來實現移栽過程。

2 關鍵零部件的設計

2.1 送苗裝置的設計

送苗機構主要由機架、從動鏈輪、1對錐齒輪、棘輪機構、同步帶和夾苗鈑金組成，如圖4所示。

1.傳動鏈輪 2.機架 3.同步帶輪 4.同步帶 5.秧苗固定鈑金 6.圓柱銷盤 7.對錐齒輪 8.槽輪

地輪轉動時，通過鏈傳動帶動鏈輪轉動，動力通過槽輪機構帶動同步帶輪間歇性轉動，從而帶動同步帶間歇性轉動。秧苗固定在夾苗鈑金上。圓柱銷盤每轉1圈，槽輪旋轉90°，所以每次同步帶移動距離為

S=πd/4

(1)

其中，d為同步帶輪的直徑。計算得出夾苗鈑金的在同步帶上布置的距離為102mm。

2.2 插秧機構的設計

插秧機構主要由不完全齒輪機構、曲柄連桿機構、齒輪齒條機構和四連桿機構組成，如圖5所示。地輪轉動時，通過鏈傳動帶動不完全齒輪轉動，通過不完全齒輪機構帶動曲軸間歇式轉動，通過曲柄連桿機構轉化為齒條間歇式直線運動，通過齒輪齒條機構轉化為主動桿的間歇往復擺動。

1.支撐板 2.不完全齒輪Ⅰ 3.驅動鏈輪 4.曲軸 5.不完全齒輪Ⅱ 6.連桿 7.齒條 8.齒輪 9.插秧連桿Ⅰ 10.插秧連桿Ⅱ 11.插秧連桿Ⅲ圖5 插秧裝置簡圖

2.2.1 插秧四連桿機構的設計

四連桿機構的設計模型如圖6所示。在理論軌跡上取6個點，以連桿機構運動的設計軌跡與理論軌跡的偏差最小建立目標函數，即

(2)

其中，Mxi(i=1,2,3....)為理論軌跡上一系列點的坐標;Pxi(i=1,2,3，....)為設計軌跡上一系列點的坐標。根據圖6中的幾何關系可以得到

Mxi=l2cosθi+l5cosφi+l5cosφi

(3)

Myi=l2sinθi+l5sinφi

(4)

θi=θ0+Δθi

(5)

φi=γ+ηi-(εi-β)

(6)

栽植機構是一個曲柄搖桿機構，要滿足曲柄搖桿機構的要求，則約束條件為

l1>0

(7)

l2+l3-l1-l0>0

(8)

l1+l3-l2-l0>0

(9)

l2+l0-l1-l3>0

(10)

圖6 四連桿機構設計模型

利用 MatLab優化工具箱提供的多變量有約束非線性函數最優化函數fmincon 進行計算：

[xopt,fopt]=f mincom@lgjg_gjyh_mb，

x0[],[],[],[],lb,ub,@lgjg_gjyh_ys)。

其中，lgjg_gjyh_mb.m’為目標函數的m文件，‘lgjg_gjyh_ys.m’為約束函數的m文件。得到四桿機構的各個參數[6]。

在SolidWorks中建立插秧裝置的三維模型，并用motion插件進行運動軌跡的仿真，得到的軌跡如圖7所示。

圖7 插秧裝置仿真軌跡

2.2.2 夾苗爪的設計

夾苗爪的結構如圖8所示。整個機構將氣缸的往復運動轉變為夾苗指的開合運動，夾苗指為5mm彈簧鋼，夾苗時夾苗指發生變形，通過控制夾苗指變形的大小控制夾苗的力度，保證夾苗過程中不傷苗。

對新鮮甘薯苗根部進行壓縮力學實驗，得出了在不損壞苗的情況下的最大夾緊力。取30棵新鮮甘薯苗，在根部(夾苗位置)取10mm苗徑，直徑為3～5mm，在壓縮試驗臺進行壓縮實驗，得到應力應變曲線如圖9所示。

1.氣缸 2.連鎖定軸套 3.氣缸安裝板 4.緩沖彈簧 5.連接板 6.插秧連桿2 7.運動軸 8.導向軸套 9.短連桿 10.三孔連桿 11.夾苗指固定板 12.夾苗指

圖9 應力應變曲線

由應力應變曲線可以看出：甘薯裸苗夾緊力為12N左右時，在壓縮力不變的情況下，變形較大，說明甘薯苗發生損壞。所以，取夾苗爪的夾緊力為10N。在夾苗指的一端施加10N的力，另一端固定，在SolidWorks simulation插件中仿真得到夾苗指的橫向變形為3.3mm。

3 田間試驗與結果

3.1 試驗基本條件

田間性能試驗在山東農業大學南校區試驗田進行。試驗土壤為壤土，土壤含水率為20%，粘度適中；試驗地平整， 已提前用起壟鋪膜機完成起壟鋪膜，壟型規范， 鋪膜平整，覆土嚴實，能夠滿足試驗要求。試驗用拖拉機為歐豹520型拖拉機，后輪輪距1300mm，輪胎寬度320mm。試驗用苗為黃皮黃心甘薯苗，試驗時苗平均苗直徑4.6mm,長260mm,葉片的數量為8～12片。

3.2 試驗內容及結果分析

在拖拉機行進速度0.3m/s條件下進行了單壟單行移栽作業方式的試驗，主要對插秧深度、傾斜角度、成活率及地輪滑移率4個技術性能指標進行了測定，結果如表1所示。

表1 帶夾式甘薯裸苗移栽機試驗性能結果

Table 1 Experimental performance results of Transplanting Machine for Nude Seedling with Belt

測試項目實測值(平均值)合格率/%標準差 變異系數插秧深度9.8cm86.40.790.35傾斜角度 29.8°931.220.13成活率92%———左地輪滑移率6.2%———

由表1可以看出：插秧深度和傾斜角度滿足甘薯苗移栽的農藝要求，說明所設計的四連桿插秧裝置滿足要求；成活率較高，說明夾苗裝置中夾苗指對苗的傷害較小，滿足設計要求；地輪滑移率為6.2%，滿足農藝要求，能夠保證地輪為整機提供動力。

4 結論

1)理論分析與試驗表明：研制的帶夾式甘薯裸苗移栽機能順利完成甘薯裸苗的移栽作業，各項作業指標滿足設計及甘薯裸苗移栽的農藝要求。

2)設計了送苗裝置、插秧裝置、夾苗裝置及整機的動力傳遞；采用四連桿式插秧機構，對插秧軌跡進行了分析，能夠精確滿足甘薯裸苗的插秧軌跡；對甘薯苗進行了力學實驗，根據實驗結果設計了夾苗裝置，確定了氣缸的行程，在夾苗過程中減少了對苗的傷害。

3)試驗過程中發現：當拖拉機前進速度增大時，插秧軌跡發生變化，插秧深度減小，傾斜角度變大，需要進一步優化插秧機構。

參考文獻：

[1] 胡良龍,計福來,王冰,等.國內甘薯機械移栽技術發展動態[J].中國農機化,2015(3):289-291，317.

[2] 孫登峰.甘薯移栽解決方案初討[J].農機市場,2012(11):22-24.

[3] 孫登峰,吳亦鵬,陳建華.甘薯機械移栽方案[J].農業機械,2012(23):61-62.

[4] 胡良龍,胡志超,謝一芝,等.我國甘薯生產機械化技術路線研究[J].中國農機化,2011(6):20-25.

[5] 江蘇省農業科學院 山東省農業科學院.中國甘薯栽培學 [M].上海:上?？茖W技術出版社,1984.

[6] 郭仁生.機械工程設計分析和MATLAB應用.[M].北京：機械工業出版社,

[7] 西北工業大學機械原理及機械零件教研室.機械原理 [M].北京：高等教育出版社，2006.