地輪驅動式煙草成穴機的設計

羅　洋，楊琳琳，鄒義江，晏新建，劉存瑞，郭小軍，朱　云

(云南農業大學 機電工程學院，昆明　650201)

0　引言

煙草是云南省主要經濟作物之一，其種植面積和產量均是全國第一。但是，由于云南的地理條件限制，目前還未實現煙草移栽的自動化，絕大部分地區在煙草移栽成穴方面還是采人工成穴的傳統方法，所以實現煙草移栽的自動化具有很大的意義。本文針對解決傳統移栽成穴時用工多、生產效率低，以及在成穴過程中普遍出現的移栽穴規格不一、不合要求的移栽穴較多、壟形破壞等問題，設計了一種以地輪驅動的煙草成穴機，在針對煙草小苗移栽的工作過程中實現起壟、成穴同時進行，避免二次作業帶來的壟形破壞問題。本文主要說明的是成穴部分的結構設計。該機成穴部分由動力輸出裝置和成穴裝置兩部分組成，進行傳動方式的選擇、成穴裝置的運動學分析和運動仿真，并通過試驗進行驗證，為地形復雜的作業環境下實現機械化移栽成穴提供了技術支持。

1　國內外研究趨勢及發展現狀

1.1　國外成穴器具的研究情況

成穴的發展史可追溯到17世紀，當時英國人就用一根木桿成穴播種，木桿插入土中的深度即播種深度。由于農民的不重視和科技發展水平低，在之后很長的時間內沒能在成穴播種工藝中實現機械化。直到20世紀60年代初期,越來越多的人們認識到打穴種植工藝的優點,便開始積極研制成穴播種機具，并成功研制出了不同類型的成穴播種機具。例如1978年，Shaw和Wijewardene分別設計制造了相應的打穴播種機，其成穴部件類似于鏟斗并徑向安裝在滾輪上，機器前進時鏟斗在土壤上形成穴孔。1987年,Shaw和 Kromer報道了一種新型的 “旋轉鏟式成穴器”，這種成穴器的結構是在雙向傾斜的圓盤上安裝有中空的四棱錐型打穴鏟。

1.2　國內成穴器具的研究情況

目前，國內針對成穴機的研究工作非常少，移栽成穴基本上都是用人工完成，根據當前的發展來看，我國移栽成穴機械的研究和應用還處于初級階段。1989年，馬旭等人在“地膜覆蓋播種機成穴機器的研究”一文中，對成穴鴨嘴的結構參數和工作參數進行了一定的探討[1]。2015年，云南地區開始推廣一種針對煙草移栽的背負式成穴機，機體的下部與定位器連接，機體底部安裝有鉆頭。該機器通過鉆頭實現成穴，提高煙農的成穴效率，減輕煙農的勞動負擔；但只是實現了半自動化，對人力要求依然較大。

2　煙草移栽穴孔的農藝要求

栽植時煙苗的直立狀態和密度是影響煙苗生長發育的關鍵因素，它們依靠移栽系統形成的穴孔來確保[2]。據調研可知，煙草小苗移栽的農藝流程如下，由農戶先起壟再成穴，成穴后保證每個穴灌溉1～2L水，等到水被土地吸收后將高度接近10cm的小苗移栽到穴中，最后覆膜；等到小苗長快接觸到塑料膜時再由農戶破膜。根據煙草小苗移栽農藝和移栽密度，設計成穴器時要考慮穴長、穴寬、穴深及穴距等因素。

1)穴孔密度。據調研，目前云南省煙區的人工移栽成穴密度一般要求為：行距 100～120cm，穴距45～50cm，667m2栽煙 1 200～1 100株。

2)穴孔深度。考慮到小苗移栽的農藝，小苗移栽后要在膜下生長3～5天再破膜，人工移栽時所成穴深度為12～18cm的 可調范圍，隨著移栽深度的增加可使煙苗在移栽時出現較高的移栽煙苗直立率和較好的生長形態。因此，本設計的穴深要求也為12～18cm，力求機器成穴能夠達到人工成穴的要求。

3　成穴機的關鍵機構設計

3.1　成穴機總體結構

成穴機由起壟器上造型板、傳動機構和成穴機構組成，如圖1所示。其中，傳動機構由地輪、兩組鏈輪和一些相應的連接軸組成。成穴機構由凸輪、滾子連接橫桿、彈簧連接橫桿、成穴鏟連接縱桿、滾子、彈簧及成穴鏟組成。

3.2　成穴機核心部件設計

3.2.1動力輸出裝置

動力輸出裝置是由地輪、鏈輪及傳動軸組成，地輪轉動并將動力通過鏈輪傳遞給成穴機構。動力輸出裝置原理如圖2所示。

1.起壟器上造型板　2.左地輪　3.地輪動力輸出軸　4.左地輪鏈輪　5.地輪連接桿　6.連接橫桿　7.彈簧　8.成穴鏟9.彈簧連接橫桿　10.成穴鏟連接縱桿　11.滾子連接橫桿　12.滾子　13.凸輪　14.終端鏈輪　15.鏈輪傳動軸　16.右地輪鏈輪　17.右地輪

1.左地輪動力輸出軸　2.鏈條　3.鏈輪傳動軸　4.凸輪傳動軸5.凸輪　6.右地輪動力輸出軸　7.右地輪　8.左地輪

根據云南煙區煙苗移栽密度要求，穴距一般為50～65cm。該成穴機設計為地輪運動1圈，成穴機完成1個成穴動作，地輪的半徑設計范圍為

45cm≤2πR≤50cm

可求得7.17cm≤R≤7.96cm，所以要求調整穴距時可以通過在以上范圍內選定地輪的半徑。

鏈輪傳動比要求為

機具在地面不平整的田間作業時，使用一個地輪作為動力源可以盡量避免陷車與打滑現象，但是機具工作時的平衡性和穩定性會受到影響。將兩個地輪作為動力源較一個地輪而言，避免陷車與打滑的效果沒有一個地輪好，且在轉彎的過程中兩地輪轉動不同步會使動力輸出過程中的阻力變大，降低鏈輪傳動軸的使用壽命[3]，但使用兩個地輪能夠確保機具在工作時的平衡性和穩定性。 針對這一問題，本設計考慮在地輪與地輪鏈輪間安裝超越式離合器，能夠根據地輪轉動速度的變化自動進行離合，以確保動力能夠穩定輸出。

1)傳動方式。鏈輪傳動具有效率較高、速度無明顯滑動損失、結構相對簡易及安裝簡便等優點[4]，適用于像云南地區這樣地形較為復雜的作業環境。

2)離合器的選擇。由于本設計中的動力輸出方式是鏈輪傳動，且楔塊超越式離合器的連接形式有鍵連接、齒輪連接及帶輪連接、鏈輪連接、螺栓連接等[5]。楔塊超越式離合器適用于鏈輪連接且該離合器較滾珠式離合器與棘輪式離合器有明顯的優點，因此本設計選用楔塊超越式離合器。

3.2.2成穴裝置

成穴裝置主要部件為彈簧連接橫桿、滾子連接橫桿和成穴鏟連接縱桿組成的雙搖桿機構，以及凸輪、成穴鏟、滾子和彈簧組成。凸輪與終端鏈輪動力輸出端的齒輪同軸連接且同步轉動。滾子連接橫桿與彈簧連接橫桿的兩端分別連接在起壟器上造型板延伸出的軸和成穴鏟連接縱桿上。滾子連接桿收彈簧彈力作用使滾子始終與凸輪接觸，在凸輪和彈簧的約束下，滾子連接桿只能在一定的角度內擺動。凸輪一直運動，滾子接觸凸輪形成升程和回程，使成穴鏟做升降往復運動，成穴鏟的1個升降運動周期就會在壟上打出1個穴。圖3為雙搖桿機構設計的原理圖。桿AB為滾子連接橫桿，桿CD為彈簧連接橫桿，這兩個桿件均為搖桿，桿BC為成穴鏟連接縱桿。設兩個搖桿的軸心分別為A、D，兩個搖桿與鏟子連接縱桿的交接點分別為B、C、E是滾子與滾子連接橫桿的連接點。桿AB、BC、CD、AD、AE、CF的長度分別為l1、l2、l3、l4、l5、l6。

圖3　雙搖桿機構原理圖

根據簡化的結構模型，確定該四桿機構的封閉矢量方程為

(1)

將矢量方程轉化為解析式，可以求得各點的位置方程。

B點的位移方程為

(2)

C點的位移方程為

(3)

成穴鏟質心F的位移方程為

(4)

設機具前行的速度為v，方向與X軸正方向相反，則成穴鏟質心F隨時間t變化的位移方程為

(5)

對式(5)一階求導，可以得到成穴鏟質心F的速度方程為

(6)

對式(5)二階求導，可得成穴鏟質心F的加速度方程為

(7)

通過以上分析得到成穴鏟質心F的位移、速度和加速度方程模型。由位移方程(5)可知：成穴鏟質心F在X方向的位移軌跡是振幅為l1的余弦曲線、振幅分別為l2和l6的兩個正弦曲線及V的一次函數的疊加;Y方向的位移軌跡是以l4為基準、振幅為l1的正弦曲線和振幅分別為l2、l6的兩個余弦曲線的疊加[6]。

4　仿真分析

4.1　成穴機虛擬樣機的建立

根據設計打穴機構，建立運動學模型，并在SolidWorks中裝配完成，導入ADAMS，完成運動副、約束、驅動力及工作載荷的添加。

4.2　仿真結果分析

在完成對模型運動副、約束、驅動力及工作載荷的添加后，進行仿真實驗。仿真結束后，得到成穴鏟質心沿豎直方向運動軌跡的仿真圖，如圖4所示。

圖4　鏟心運動軌跡圖

由圖4可知：該成穴機的成穴最大深度可接近20cm，符合煙草成穴深度要求。由于在ADAMS軟件中模擬得到的軌跡圖是成穴機構的理論軌跡，現實作業中還需考慮土壤回流和成穴鏟的尺寸等因素[7]。

5　試驗效果

為了測試地輪驅動煙草成穴的應用效果，在平坦的土地上進行了試驗，試驗的土壤為磚紅壤。試驗完成后，隨機測量100個穴的相關參數，結果如表1所示。

表1　地輪驅動式煙草成穴機試驗性能結果

6　結論

本文設計了一種煙草成穴機，其傳動機構和成穴機構之間通過運動配合理論上能合理地在壟上打出苗穴。對傳動機構進行設計，確定傳動機構的動力、傳動方式及該機構中其他零件的選擇。對成穴機構進行運動學及基于Adams仿真分析，結果表明：仿真所得到的軌跡圖理論上滿足成穴機的成穴要求。試驗證明：本研究的地輪驅動式煙草成穴機在結構設計和取得的效果方面都達到了要求，而且工作性能比較穩定。