缽苗移栽機五桿式栽植機構的設計與試驗

張開興,宋 超,王洪波,劉賢喜

(山東農(nóng)業(yè)大學 機械與電子工程學院,山東 泰安 271018)

0 引言

我國是世界上最大的蔬菜種植國,實現(xiàn)蔬菜移栽的機械化是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的必然趨勢。栽植機構作為蔬菜移栽機的核心工作部件,是將蔬菜缽苗栽植到土地中的末端執(zhí)行機構,工作過程包括接苗、帶苗、打穴、放苗與回程等工序,其性能直接影響到缽苗栽植的直立性、傷苗率及成活率[1-3]。

缽苗移栽機栽植機構按照栽植方式不同大致可分為吊杯式、連桿式、鏈夾式、導苗管式及齒輪行星輪系式[4-6]。其中,鏈夾式栽植機構穩(wěn)定性高,株距準確,栽植后的直立性可靠。王義鵬[7]等設計了錯列鏈夾式栽植機構,分析了1個周期內(nèi)栽植機構的運動,較適合大蔥移栽,但其栽植效率欠佳。導苗管式栽植機構有較好的栽植深度穩(wěn)定性及缽苗株距均勻性。倪向東[8]等設計的導管式番茄移栽機,但結(jié)構相對復雜。橢圓齒輪行星輪系栽植機構能夠很好地滿足栽植軌跡要求。陳建能[9]等設計的非圓齒輪行星輪系栽植機構,加工精度要求高,生產(chǎn)成本高。吊杯式及連桿式栽植機因其結(jié)構簡單且栽植期間沖擊小,比較適合缽苗移栽。

基于壟上移栽的要求,針對栽植機構結(jié)構復雜與移栽過程缽苗直立性差的問題,筆者優(yōu)化了機構結(jié)構與參數(shù),結(jié)合連桿式栽植機構與吊杯式栽植機構的結(jié)構特點,在盡可能簡化栽植機構的前提下,設計了一種基于鴨嘴栽植器的五連桿缽苗移栽機栽植機構,研制樣機并進行了栽植試驗[10]。

1 移栽機的結(jié)構組成與工作原理

五連桿式自動蔬菜移栽機主要由取送苗機構、移苗機構、栽植機構、喂苗機構、傳動機構及車架等組成,如圖1所示。

1.取送苗機構 2.移苗機構 3.傳動機構 4.栽植機構 5.鴨嘴栽植器 6.調(diào)深輪 7.喂苗機構 8.取苗爪 9.缽苗盤架

其工作過程為:人工將存放在缽苗盤架上的缽苗盤取下放置到移苗機構上,移苗機構移動至合適位置,取苗機構將其移送到其下方的缽苗抓取,并投送到喂苗機構中;喂苗機構開始逐步將缽苗投送到左右栽植機構,五桿栽植機構將缽苗栽植到土地中,實現(xiàn)對缽苗的栽植作業(yè)。

2 五桿栽植工作及結(jié)構參數(shù)的確定

2.1 缽苗栽植要求

多數(shù)蔬菜移栽過程對其缽苗直立性要求較為嚴格。為提高移栽缽苗的直立度,設計過程中采用零速移栽原理。在缽苗栽植過程中,為保證栽植過程中缽苗盡可能處于相對靜止狀態(tài),要求栽植機構在栽植過程中的水平方向分速度與移栽及前進方向速度大小相似且方向相反。為分析植苗部件旋轉(zhuǎn)切向速度與機器前進速度之比對缽苗栽植曲線的影響,定義引入?yún)?shù)λ,即旋轉(zhuǎn)切向速度與機器前進速度之比

(1)

其中,λ為引入?yún)?shù);v為移栽機前行速度;R為栽植器轉(zhuǎn)動軌跡半徑;ω為栽植器轉(zhuǎn)動角速度。

分析引入?yún)?shù)λ=1、λ<1及λ>1等3種情況時的運動軌跡,如圖2所示。

圖2 栽植器部件運動軌跡

由圖2可知:僅當λ=1 或λ>1時,栽植器運動軌跡才能滿足缽苗栽植要求。故當λ≥1時,移栽機前進速度V與栽植頻率f和株距L與的關系為

V≤60f×L

(2)

根據(jù)實際移栽要求,移栽機的栽植頻率為60株/min。由式(2)可得出如下結(jié)論:在栽植頻率f為固定值的情況下,移栽機的前進速度V取決于株距L的數(shù)值。

2.2 五桿栽植機構結(jié)構參數(shù)確定

本文利用Motion功能對五桿機構進行參數(shù)設計,依照實際移栽速度需求設定移栽機行進速度為0.3m/s時,通過設定不同的三維模型的參數(shù)數(shù)值,仿真其栽植運動軌跡。比較其軌跡變化并結(jié)合農(nóng)藝及栽植要求,得出一組較優(yōu)參數(shù):B1=75mm,B2=70mm,L1=165mm,L2=205mm,X=205mm,Y=225mm。

較優(yōu)參數(shù)組合的仿真栽植運動軌跡如圖3所示。由仿真曲線可得出:缽苗株距為300cm,栽植軌跡曲線高為208mm,栽植器與豎直方向的夾角在0～32.15°范圍內(nèi),其株距及直立性可滿足油菜缽苗的農(nóng)藝栽植要求。

圖3 栽植點軌跡曲線

3 栽植機構關鍵部件的設計

栽植機構關鍵部件五連桿機構由機架、上擺錘、下擺錘、短連桿、長連桿等組成,如圖4所示。鴨嘴栽機器安裝在長連桿的末端,在傳動機構的帶動下上擺錘與下擺錘同步轉(zhuǎn)動,上擺錘與下擺錘通過鉸鏈連接,在擺錘的同步轉(zhuǎn)動下帶動連桿擺動,進而帶動安裝在長連桿末端的鴨嘴栽植器做類橢圓形運動。

1.短連桿 2.鴨嘴栽植器 3.長連桿 4.下擺錘II 5.機架 6.上擺錘

4 栽植機構的仿真分析

4.1 基于ANSYS的打穴器有限元分析

由于打穴器長期工作于土壤等惡劣環(huán)境下,故對栽植機構中的打穴器進行有限元分析。鴨嘴移栽器中的打穴器在栽植過程中主要承受來自土壤的阻力。對移栽地進行貫入阻力試驗,得出土壤對打穴器的末端阻力P1=1 300Pa,對打穴器側(cè)面的壓力為3 400Pa。在ANSYS軟件中為打穴器模型添加相應的應力及應變,然后進行打穴器的靜載荷計算,最后得出在最大載荷的情況下打穴器的應力分布云與應變分布圖,如圖5、圖6所示。由圖5可知:打穴器的最大應力出現(xiàn)在其上端折彎處,大小為6.02MPa。由圖6可知:打穴器最大應變?yōu)?.59×10-5Pa。

圖5 應力分布云圖

圖6 應變分布云圖

由第二強度理論可知:引起材料斷裂的主要因素為最大伸長線。為了對鴨嘴栽植器中對穴器的靜態(tài)強度進行校核,依據(jù)第二強度理論,得出斷裂準則,即

(7)

根據(jù)廣義胡克定律有

(8)

代入公式(7)得

σ1-μ(σ2+σ3)=σb

(9)

可得強度條件為

σ1-μ(σ2+σ3)≤[σ]

(10)

(11)

其中,[σ]為材料許用應力;E為彈性模量;S為安全系數(shù)。

打穴器的材質(zhì)為不銹鋼,其在常溫下的許用應力為137MPa,彈性模量為206GPa,安全系數(shù)為1.7,故允許最大應變?yōu)?/p>

(12)

帶入數(shù)據(jù),可得出其最大應力為6.02MPa,最大應變?yōu)?.59×10-5。顯而易見,其最大應力及最大應變遠小于許用應力及許用應變,故打穴器的設計合理,滿足移栽使用要求。

4.2 五桿栽植機構的運動學仿真

4.2.1 栽植點運動軌跡分析

移栽機構中栽植點的運動軌跡會直接影響到缽苗的直立性及深度,故對栽植點M的軌跡進行仿真分析尤為關鍵,通過ADAMS進行仿真,分析其栽植點運動曲線,并與在SolidWork中的理論分析曲線進行比較分析,以探討栽植機構的結(jié)構參數(shù)與栽植點M是否滿足實際栽植要求,如圖7、圖8所示。結(jié)果表明:通過ADAMS對三維模型仿真出的軌跡曲線與通過SolidWorks對三維模型理論分析曲線極為相似。

圖7 五桿栽植機構栽植點M的靜軌跡曲線

圖8 行進速度0.3m/s時栽植點M的靜軌跡曲線

4.2.2 栽植機構運動學分析

按照栽植機構的設計要求,并結(jié)合栽植機構的結(jié)構參數(shù),運用三維建模軟件完成植苗機構的三維實體建模,并對模型進行虛擬裝配和干涉檢查。根據(jù)設計變量和約束條件,構建了五桿栽植機構多目標優(yōu)化設計模型,如圖9所示。

圖9 栽植機構運動學仿真模型

根據(jù)公式(1)對擺錘轉(zhuǎn)動角速度和支架相對地面運動直線速度進行調(diào)整,得出當λ=1時栽植機構末端的速度位移曲線,如圖10所示。

由圖10可知:當栽植機構末端X方向分速度為0時,其Y方向位移最小,即植苗機構到達最低點時其對地面的相對速度為0。仿真結(jié)果表明:在栽植特征參數(shù)λ=1的條件下,設計的五桿栽植機構滿足栽植要求。

5 樣機試制與移栽試驗

5.1 試驗條件

為了避免自動取苗送苗部分對試驗的影響,試驗時人工將缽苗投放到橫向投苗機構中。

本次試驗采用株高120～150mm高的油菜苗作為移栽缽苗,采用6×12規(guī)格的缽苗盤,每試驗組移栽1盤缽苗,共72株,進行了4組移栽試驗。土缽含水率65%左右。試驗時,按運動參數(shù)λ=1設定機器前進速度盡可能保持在1.2km/h左右,株距為300mm。試驗地為山東農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學實驗站。移栽機樣機如圖11(a)所示,樣機田間試驗如圖11(b)所示。

5.2 試驗結(jié)果

按照五桿栽植機構的功能要求,在機構前進速度和擺錘轉(zhuǎn)速相對在以穩(wěn)定區(qū)間的條件下進行了4組田間試驗,并采集到相關數(shù)據(jù)。

通過對4組移栽試驗結(jié)果的統(tǒng)計計算,得出移栽作業(yè)的試驗結(jié)果,如表1與表2所示。對試驗數(shù)據(jù)分析可知:五桿栽植機構平均漏苗率僅為0.35%,平均傷苗率為2.43%,直立性合格率高達96.18%,表明五桿栽植機構機械結(jié)構設計合理;缽苗株距與栽植深度的變異系數(shù)分別為7.8%與2.8%,最大誤差率僅為6.13%,合格率分別為93.8%和94.6%,表明五桿栽植機構參數(shù)設計合理且工作性能穩(wěn)定。根據(jù)其功能參數(shù)計算可得:在試驗狀態(tài)下,五桿栽植機構的栽植速率為60～70株/min,栽植速率優(yōu)于國內(nèi)市場上其他種類的栽植機構,提高了工作效率。

表1 栽植質(zhì)量試驗結(jié)果

表2 栽植精度試驗結(jié)果

6 結(jié)論

1)設計了由五連桿機構、鴨嘴栽植器、鏈輪傳動系統(tǒng)、鴨嘴開合機構等部分組成的五桿栽植機構,并介紹了其結(jié)構組成和工作原理。

2)根據(jù)零速投苗的原理要求,通過SolidWorks建模軟件建立了五桿栽植機構虛擬樣機幾何模型,通過模型簡化處理和格式轉(zhuǎn)換導入ADAMS中進行運動學仿真,得出其運動軌跡以及速度位移曲線。結(jié)果表明:在λ=1時符合零速移栽原理,驗證了結(jié)構選擇和參數(shù)設計的合理性。

3)根據(jù)設計參數(shù)制作樣機并進行了田間試驗,以直立性合格率作為評價零速栽植的效果,以株距變異系數(shù)與栽植深度變異系數(shù)作為評價指標,衡量栽植機構參數(shù)的合理性及穩(wěn)定性。試驗結(jié)果表明:設計的五桿栽植機構能夠滿足栽植要求,且提高了生產(chǎn)效率。