一種便攜式田間打窩機

劉浩 鄢強 宋慧瑾 吳亮 何玲

(成都大學機械工程學院,四川成都 610106)

目前,農民在丘陵地形間進行打窩作業時仍然主要依靠的是人工或者人力鏟這種傳統工具,這種人力鏟是由兩個半圓形的鐵鏟拼接在一起形成直筒狀,由人工進行重復打窩作業,能一定程度上減輕勞動人員的勞動強度,但是與其他打窩機械比較起來,人力鏟具有勞動強度高、效率低的缺點,而且在打窩過程中會經常發生掉土、窩的圓周壁凹凸不平甚至坍塌的現象,極大地影響后續作業和農作物生長條件;最后打出的窩的深度經常不一致,嚴重影響農作物的生長質量。根據丘陵地帶的地勢條件及農作物的農藝要求,設計一種適合于丘陵地帶的新型便攜式田間打窩機,解決打窩過程中掉土、回土、窩壁四周不平整等問題。作者依據生姜的農藝要求,結合現有挖穴機的結構特點,設計了一種便攜式田間打窩機。該機具主要適用于生姜、紅薯等一系列農作物的打窩作業。

關于打窩機械的研究,國內的一些高等院校和科研單位進行了大量的研究,對鉆頭升土理論及鉆頭臨界轉速的研究、鉆頭螺旋面強度的分析以及螺旋升角的選擇等問題,得出了在不同條件下打窩機的動態力學參數及鉆頭轉矩的主要影響因素,為打窩機的一些結構參數選擇起到了指導作用,同時對打窩機的優化設計提供了理論支持[1]。

1 打窩機的總體結構與工作原理

1.1 總體結構

通過采用基于產品的系統化[2-3]和模塊化設計不僅使得產品性能更加穩定、可靠,加工和裝配工藝合理,節省了設計、制造等相關成本,而且提高了產品的設計速度和產品質量[4-7],利于產品化和技術推廣。本文所述的便攜式田間打窩機在總體結構設計方面采用模塊化的設計思路。整機的總體結構主要由螺旋鉆頭、連接部和動力部三部分組成見圖1。

圖1 打窩機的整體結構圖

螺旋鉆頭在打窩過程中完成打窩的主要任務,動力部主要作用是設置參數以及啟動電機使打窩機處于相應的工作狀態,動力部與螺旋鉆頭是通過連接件連接的。

1.2 工作原理

如圖1所示,在打窩作業開始前,用銷釘將圓軸套和圓軸桿連接;然后根據田間土質、作物種植要求,通過功能鍵在微型處理控制器中設置打窩深度、鉆進速度、窩底暫停時間、回升速度初始參數;然后提著打窩機到目標田間,將鉆尖放在窩的中心位,確定好打窩機的空間角度,并在微型處理控制器中確定好起始零點,然后按主開關進行打窩作業,提著打窩機到即將作業的田間,打窩機打窩時,根據不同作物、不同土質,選擇不同的鉆頭;鉆頭到達指定位置后,通過操作手柄上的開關,啟動打窩機,使電機正轉,并通過連接件把運動傳遞給打窩裝置的主軸,帶動刀片一起運動,往下壓打窩機,打窩鉆頭慢慢靠近工作面作業,挖出的土壤被拋往四周,當鉆頭鉆到需要的深度時,關閉開關或者是電機反轉,通過主、副手柄和鉆頭反轉力提起打窩機,整機提出后,關閉開關使電機停止工作。

打窩階段,副板和螺旋擋板會擋住回掉的土壤,使土壤存留在鉆頭上,不會回掉到窩底;在打窩機上升的階段,側板會對窩四周進行一個抹平工作,使窩的四周平整。

2 關鍵部件的設計

2.1 螺旋鉆頭設計

螺旋鉆頭的結構如圖2所示,螺旋鉆頭主要包括圓軸套、鉆軸、螺旋片、刀座、刀片、鉆尖座、鉆尖、螺旋側片和小擋板組成。

圖2 螺旋鉆頭的結構示意圖

其中螺旋側片和小擋板的結構示意圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 螺旋側片結構示意圖

圖4 小擋板結構示意圖

螺旋側片在鉆頭緩慢回升的過程中會對窩的圓周進行持續螺旋式擠壓,防止了打窩過程中窩圓周壁上松散土的大量掉落,螺旋側片高為20mm,半徑為32mm,李粵等[8]通過鉆頭參數的研究,確定曲面與豎直面的夾角為30°。

小擋板長為25mm,高為15mm,郭貴生等[9]通過MATLAB對鉆頭參數的研究,確定小擋板與螺旋面之間的夾角為40°,小擋片在打窩過程中可以阻擋螺旋片上的土壤掉回窩底,減少打窩過程中的回土,小擋板的數量為2,并且和螺旋側片焊接在一起。

2.2 動力部的設計

動力部的結構如圖5所示,動力部主要包括圓軸桿、變頻電機、主手柄、主開關、旋鈕、副手柄、紅外測距傳感器和微型處理控制器,在微型處理控制器的面板上還設有顯示屏和功能鍵。動力部的微型處理控制器通過紅外測距傳感器來控制和保證窩的深度一致性,通過微型處理控制器可以設定打窩機的工作模式及其參數,控制變頻電機,從而實現了鉆進速度、回升速度乃至整個打窩過程的智能控制,實現最大出土率和單次成功率,進而大大提高了打窩效率。

圖5 動力部結構示意圖

打窩機整體有蓄電池供電,動力部上設有紅外測距傳感器和微型處理控制器,在打窩作業前,能夠通過設定參數,確定窩的深度等數據保持一樣;在打窩作業過程中,微型處理控制器通過紅外測距傳感器測量窩的深度,當深度達到要求值時,微型處理控制器能夠及時處理,停止作業或者電機反轉進行回升作業,能夠進一步保證窩的深度一致。

3 應用情況

云南、貴州、四川等丘陵地帶因為地勢的原因,現有的大型打窩機械不能充分發揮作用,所以這些地區的農業機械化程度很小,現階段這些地區種植生姜、紅薯類農作物主要還是手工作業為主,不僅增加了勞動強度和農作物成本,而且還減少了勞動效率。現有的打窩裝備主要運用在植樹上,而且以大型設備為主。

本文所述的便攜式田間打窩機能夠充分適用于云貴川等丘陵地帶的生姜、紅薯等一系列農作物的打窩作業,解決了這些地區因為地勢原因而不能使打窩作業機械化的問題,減少了打窩作業的勞動強度。

4 效果

本文所述的便攜式田間打窩機能夠很好地解決打窩過程中掉土、回土、窩壁四周不平整等問題,在打窩作業過程中,螺旋側片會對窩的內側圓周進行持續性擠壓,經過擠壓后,窩內側圓周上的松散土壤會與其他土壤粘附在一起,極大程度減少了打窩過程中的掉土量,保證了窩的質量;在打窩作業過程中,小擋片會阻擋螺旋片上的土壤掉回窩底,極大程度的較少了打窩過程中的回土量;通過螺旋側片和小擋片的共同作用,減少了打窩機在打窩作業過程中的掉土量和回土量,保證了窩的質量,為農作物的播種提供了有利條件。

5 結論

本文所述的便攜式田間打窩機是一種新型的、重量輕、智能控制的打窩機,可以實現對打窩過程的智能控制,通過紅外測距傳感器對打窩深度進行檢測,極大程度上保證了打窩深度的一致性,通過螺旋側片和小擋板能有效解決打窩過程中的掉土和回土現象,能夠保證窩的質量。極大的減少了農業從事人員的勞動強度,大大提高了勞動生產率。