一種新型旱地洋蔥插秧機(jī)的設(shè)計(jì)

崔有正，張洪軍，尹 濤，張春宇，祖新鵬，李志釗

（1.齊齊哈爾大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾161006；2.嶺南師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 湛江524048）

洋蔥原產(chǎn)自與中亞或西亞[1]，已經(jīng)成為世界各地的主要食材。洋蔥是中國(guó)、韓國(guó)、俄羅斯等國(guó)家的主要蔬菜之一。日本早期對(duì)移植機(jī)械研究的重視，以及早期國(guó)家對(duì)移栽機(jī)發(fā)展的重視，全國(guó)的98%都以應(yīng)用機(jī)械移栽方式[2]。在一個(gè)人口較少的國(guó)家，其移植技術(shù)主要是單線操作，精密化、專用性等研究方向?yàn)橹鱗3]。我國(guó)通過(guò)對(duì)日本移栽技術(shù)的消化和吸收，移栽技術(shù)有了很大的改進(jìn)，不僅可以解決標(biāo)準(zhǔn)育種的問(wèn)題，而且大大降低了成本。但是在分秧、送秧、移栽等方面還存在一定的缺陷，進(jìn)一步提高工作化裝置的自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)如自動(dòng)更換秧苗盤及故障自動(dòng)停機(jī)等的自主機(jī)械是目前的研究方向。多功能移栽機(jī)具有一系列優(yōu)點(diǎn)，雖然在推廣應(yīng)用中存在一些限制性因素，但從目前農(nóng)業(yè)科技發(fā)展的各個(gè)方面來(lái)看，移栽機(jī)的多功能性和移栽機(jī)與旱地移栽機(jī)的集成都是可以實(shí)現(xiàn)的。我國(guó)的市場(chǎng)形勢(shì)和要求，使農(nóng)作物生產(chǎn)更加科學(xué)化和減少。要少投資增產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，有效利用各種農(nóng)業(yè)資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

1 洋蔥插秧機(jī)總體方案設(shè)計(jì)

主要功能：對(duì)于我國(guó)北方地區(qū)，大面積種植洋蔥，為此洋蔥機(jī)械的主要功能有以下幾點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)自行破膜；實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)自行下苗；實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)自行仿形移栽[4]。洋蔥插秧機(jī)主要包括萬(wàn)向聯(lián)軸器、鴨嘴機(jī)構(gòu)、平地輪、送秧機(jī)構(gòu)、栽植機(jī)構(gòu)等許多機(jī)構(gòu)組成。洋蔥移栽機(jī)功能的實(shí)現(xiàn)是由許多機(jī)構(gòu)共同滿足運(yùn)動(dòng)和功能來(lái)完成的。分插機(jī)構(gòu)，它是移栽機(jī)的主要的工作部分，由集秧裝置、動(dòng)力和控制機(jī)構(gòu)組成。根據(jù)一定軌跡從秧盤拿取一定數(shù)量的苗并插入到地中。然后循環(huán)返回到原始位置，并開始循環(huán)。

圖1 洋蔥移栽機(jī)主要結(jié)構(gòu)平面圖

洋蔥移栽機(jī)的工作原理是以拖拉機(jī)為動(dòng)力輸出的來(lái)源。動(dòng)力輸出連接到萬(wàn)向節(jié)和變速箱。萬(wàn)向節(jié)通過(guò)主軸到鴨嘴機(jī)構(gòu)2、8 方向、輸秧機(jī)構(gòu)5 和通過(guò)變速箱到移栽機(jī)構(gòu)7，完成了各種機(jī)械結(jié)構(gòu)的洋蔥移栽全過(guò)程。具體的動(dòng)力傳動(dòng)是齒輪箱通過(guò)錐齒輪傳動(dòng)減速，改變內(nèi)部的方向。在曲軸機(jī)構(gòu)中，功率傳遞到閥瓣，使板在周圍和周圍移動(dòng)，并完成左右幼苗的運(yùn)動(dòng)。移栽機(jī)制通過(guò)鏈路傳遞，移栽機(jī)制部分是兩組刨坑和移栽組。該運(yùn)動(dòng)是由鴨嘴機(jī)構(gòu)完成的，然后將移植的機(jī)制帶到已被刨出的坑內(nèi)，并完成移栽操作。

2 各主要部分的設(shè)計(jì)

2.1 移栽機(jī)傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)

查閱參考文獻(xiàn)[5]對(duì)洋蔥移栽機(jī)進(jìn)行受力估算，所需的牽引力大約是4000N。轉(zhuǎn)速的計(jì)算，變速箱輸出的轉(zhuǎn)速在8-16r/s，減速箱的變速比是1：1，則所需拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)速為2-4r/s，即240～480r/min。第一個(gè)傳動(dòng)軸的軸向直徑為30mm，材料為45 鋼，淬火和回火。鏈輪的旗子寬度為25mm。此鏈輪的材料選用45鋼淬火處理制作，輪齒的數(shù)量為24，傳動(dòng)鏈選擇相同大小的傳動(dòng)鏈。傳動(dòng)軸上鏈輪的數(shù)量為4，在軸上放置的鍵為4。移栽機(jī)的寬度為210cm，軸的兩頭由軸承進(jìn)行支撐，軸承座作為支撐夾具，第一鏈輪處于軸的邊緣10cm 處。鏈輪的位置依次處于34cm、44cm、58cm 和82cm 處。整個(gè)軸的長(zhǎng)度是90cm。

2.2 鴨嘴機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

插秧機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器的傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)鏈旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)曲柄，曲柄可以驅(qū)動(dòng)擺桿通過(guò)槽往復(fù)擺動(dòng)桿實(shí)現(xiàn)鴨嘴的操作。機(jī)構(gòu)尖部的運(yùn)動(dòng)是由機(jī)器的前進(jìn)速度的Vm 和工作擺的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)組成的。鴨嘴機(jī)構(gòu)的慣性力可以簡(jiǎn)化為總慣性力和總慣性矩通過(guò)質(zhì)心。外部驅(qū)動(dòng)力矩和阻抗力矩影響了總慣性矩。通常在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向上開進(jìn)行慣性力平衡。通過(guò)繪制鴨尖點(diǎn)軌跡，可知鴨嘴機(jī)構(gòu)的水平距離約為50cm，運(yùn)動(dòng)有效深度約為205mm，相應(yīng)的傳動(dòng)比可以滿足不同間距的株苗移栽運(yùn)動(dòng)的要求。

2.3 插植機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

分插機(jī)構(gòu)是插秧機(jī)的重要組成部分。橫分取秧器有適于拔取苗栽插的秧夾和適于帶土苗栽插的切扒式秧爪，兩者根據(jù)需要可互換使用。秧夾由活動(dòng)夾片和固定夾片構(gòu)成，其張開度根據(jù)秧苗的粗細(xì)和秧苗數(shù)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，切扒式秧爪帶有脫秧片，使帶土秧苗從秧爪上順利脫出。洋蔥插秧機(jī)的設(shè)計(jì)采用了垂直和分離的插苗方式。插植機(jī)構(gòu)采用橢圓行星輪系的設(shè)計(jì)理念，橢圓齒輪嚙合的最大優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)兩個(gè)齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)到任何位置時(shí)，它既不會(huì)被分離開也不會(huì)被切割開，而且傳遞過(guò)程是平穩(wěn)的。分析橢圓齒輪的角位移、角速度和傳動(dòng)比。從動(dòng)輪角位移φ2

與主動(dòng)輪角位移φ2之間的關(guān)系。傳動(dòng)比i12為：

橢圓齒輪2 的角速度φ2為：。運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立，缽苗取苗機(jī)械手位移分析，對(duì)機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，首先要求出各點(diǎn)的位移、速度和加速度及和各構(gòu)件的角位移、角速度和角加速度方程[6]。根據(jù)各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程，可得其運(yùn)動(dòng)速度的參數(shù)方程和轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度方程，由速度和角速度方程分別對(duì)時(shí)間t 求導(dǎo)各點(diǎn)加速度和角加速度方程。移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其整體結(jié)構(gòu)的運(yùn)行，是由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，太陽(yáng)輪主動(dòng)，從而改動(dòng)兩旁兩個(gè)非圓齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由齒輪傳動(dòng)再帶動(dòng)兩個(gè)非圓齒輪，兩端的兩個(gè)非圓齒輪同軸上分別各有一個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)，與凸輪連接的是拔叉，而拔叉帶動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)，推桿上連接有取苗爪，由于凸輪的間歇性運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，從而完成周期性取苗的整個(gè)往復(fù)過(guò)程。進(jìn)秧機(jī)構(gòu)包括垂直移植機(jī)構(gòu)和橫向移植機(jī)構(gòu)。橫向送秧機(jī)構(gòu)的送秧方向同機(jī)器行進(jìn)方向垂直，都采用移動(dòng)秧箱法，因而又稱移箱機(jī)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)采用橫向送秧機(jī)構(gòu)。移栽箱為定期供給移栽幼苗，由橫向進(jìn)給結(jié)構(gòu)和縱向進(jìn)給結(jié)構(gòu)組成。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）設(shè)計(jì)了新型旱地洋蔥插秧機(jī)的整體結(jié)構(gòu)的布局，使用鏈傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞給插秧機(jī)的移栽機(jī)構(gòu)，完成移栽工作。

（2）設(shè)計(jì)了插秧機(jī)的傳動(dòng)件，插秧機(jī)采用鏈傳動(dòng)，選用了08A-1 型單排鏈和滲碳鋼為材料制作的16 齒和24 齒的鏈輪進(jìn)行鏈傳動(dòng)，對(duì)傳動(dòng)鏈進(jìn)行了校核，其強(qiáng)度和剛度均滿足要求，傳動(dòng)件的設(shè)計(jì)滿足插秧機(jī)的需求。

（3）設(shè)計(jì)了插植機(jī)構(gòu)和鴨嘴機(jī)構(gòu)，先由前方的鴨嘴機(jī)構(gòu)進(jìn)行破膜刨坑動(dòng)作，再由后方的插值機(jī)構(gòu)將秧苗插到刨好的坑中，插值機(jī)構(gòu)由行星輪盤組成，可使移栽機(jī)構(gòu)的上下擺動(dòng)，移栽機(jī)構(gòu)內(nèi)的秧爪內(nèi)裝有推秧凸輪、推秧?yè)懿?、推秧器等零件，讓移栽機(jī)構(gòu)按照固定的軌跡完成取秧移栽的動(dòng)作，由此完成移栽的動(dòng)作。拖拉機(jī)的前進(jìn)速度是0.4m/s，鴨嘴機(jī)構(gòu)每秒鐘要進(jìn)行2 次刨坑移栽動(dòng)作，完成2 次移栽工作。