烤煙井窖式移栽覆膜插孔機(jī)的設(shè)計(jì)

牟窈佳，杜怡霖，李玉龍，王鴻虎，候天龍，楊啟志

（江蘇大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

烤煙在我國很多農(nóng)村地區(qū)均有種植，是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，對(duì)改善農(nóng)村經(jīng)濟(jì)，發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)有著十分重要的意義。移栽是煙草產(chǎn)煙的重要環(huán)節(jié)，不僅影響煙草品系的生長發(fā)育，而且極大地影響了其品質(zhì)和產(chǎn)量[1]。目前國內(nèi)烤煙種植主要采用漂盤育苗井窖式移栽，這種移栽方式基本上是人工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度高。同時(shí)，這種移栽方式對(duì)移栽過程中的雨水和溫度的要求非常嚴(yán)格，極其依賴當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境[2]。因此，改進(jìn)和創(chuàng)新烤煙移栽方式可有效改善煙葉的產(chǎn)質(zhì)量，降低人力成本，提高工作效率，是目前急需解決的問題。井窖式移栽技術(shù)是在覆膜栽培的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的烤煙移栽技術(shù)，能有效縮短煙苗的育苗時(shí)間和還苗期，促進(jìn)煙苗早生快發(fā)，保證及時(shí)移栽[3-4]；該技術(shù)還能提高煙草植株抗逆性，降低病蟲害發(fā)生率，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)質(zhì)量及效率，已成為現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)[5]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)井窖式插孔機(jī)已進(jìn)行了相關(guān)研究。在國外，美國Kennco 農(nóng)機(jī)生產(chǎn)公司研制的半自動(dòng)膜上打穴移栽機(jī)[6]，可以實(shí)現(xiàn)單行或者多行的膜上移栽和打孔作業(yè),且能根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際調(diào)節(jié)植物的注水量，但該產(chǎn)品移栽速度慢，自動(dòng)化程度較低。日本久保田公司研發(fā)的一種全自動(dòng)鴨嘴式膜上移栽打孔機(jī)[7]，作業(yè)時(shí)可實(shí)現(xiàn)多行移栽，移栽株距可調(diào)，但該機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。同時(shí)，吉林工業(yè)大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院對(duì)導(dǎo)苗管這種機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究[8]，找出了影響移栽機(jī)性能的因素，為移栽打孔機(jī)械的設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)與科學(xué)依據(jù)。然而，我國井窖式移栽目前主要依賴于人工和半機(jī)械化工作。目前，國內(nèi)現(xiàn)有煙草井窖式移栽設(shè)備主要為打穴機(jī)，先采用打穴機(jī)挖穴，后人工投苗、澆水、移栽[9]，人力勞動(dòng)強(qiáng)度大，機(jī)械化程度低，制作出的井窖質(zhì)量差，間距不均勻，難以滿足煙苗移栽的農(nóng)藝要求和用戶需求。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種烤煙種植打孔機(jī)械，通過對(duì)主體雙機(jī)架結(jié)構(gòu)以及各部分受力情況的研究，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)井窖打孔功能，在烤煙自動(dòng)移栽技術(shù)領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。

1 烤煙井窖式移栽覆膜插孔機(jī)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 烤煙井窖式移栽覆膜插孔機(jī)設(shè)計(jì)要求

總體方案設(shè)計(jì)作業(yè)部分參數(shù)見表1。

表1 部分作業(yè)參數(shù)Tab.1 The partial operation parameter

1.2 整機(jī)方案

烤煙井窖式移栽覆膜插孔機(jī)整體結(jié)構(gòu)，見圖1。雙支架插孔機(jī)主要由固定支架和可動(dòng)支架組成，固定支架連接拖拉機(jī)和可動(dòng)支架，主要由可動(dòng)支架的起落來完成，動(dòng)力輸出部分由液壓缸來完成插孔，工作時(shí)，液壓缸缸體連接固定在固定支架上，活塞桿連接固定在可動(dòng)支架上面帶動(dòng)支架完成可動(dòng)機(jī)架的起落，插孔筒清土機(jī)械主要設(shè)計(jì)成活塞清土裝置，動(dòng)力由液壓缸來提供。

圖1 烤煙井窖式移栽覆膜插孔機(jī)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure diagram of the flue-cured tobacco pit-type transplanter covered with plastic film

1.3 烤煙井窖式移栽覆膜插孔機(jī)工作原理

插孔裝置位于可動(dòng)機(jī)架，起插孔、清土作用。該裝置由液壓缸提供動(dòng)力，各部件裝配位置，見圖2。

圖2 打孔裝置Fig.2 The punching device

在打孔過程中，拖拉機(jī)帶動(dòng)整機(jī)向前運(yùn)動(dòng)，到達(dá)指定位置后，插孔器由主動(dòng)液壓缸帶動(dòng)，向下運(yùn)動(dòng)，插入土壤后拔出，完成插孔工作。同時(shí)，清土器由活塞液壓缸提供動(dòng)力，在插孔器拔出后以活塞推桿作為實(shí)施零件，從插孔器中空部位穿出，以此推出插孔器內(nèi)存土壤，完成清土工作。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與分析

2.1 插孔器的設(shè)計(jì)

2.1.1 設(shè)計(jì)要求

強(qiáng)度要求：插孔器是整個(gè)機(jī)器中接觸環(huán)境最惡劣的一個(gè)部件，其受力較為復(fù)雜，必須保證其有足夠的剛度。

質(zhì)量要求：在設(shè)計(jì)插孔器時(shí)選擇圓鋼以減輕起質(zhì)量。

剛度要求：應(yīng)保證插孔器在復(fù)雜的受力情況下能有足夠的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。

耐腐蝕性：因?yàn)槠湟苯咏佑|土壤，所以選用合金鋼鋼管以增強(qiáng)其耐腐蝕性。

2.1.2 設(shè)計(jì)思路

插孔器選擇30 mm 圓鋼，避免因?qū)A鋼直接焊接于可動(dòng)支架上使插孔器受熱而損壞，需設(shè)計(jì)一卡盤零件將插孔器單獨(dú)連接于可動(dòng)支架上。同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)推土零件，與插孔器配合完成插孔后清土工作。

2.2 可動(dòng)機(jī)架的設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)要求

強(qiáng)度要求：插孔機(jī)工作環(huán)境惡劣，地面多為凹凸不平，因此，主要起插孔作用的可動(dòng)機(jī)架受力復(fù)雜，同時(shí)還受到固定機(jī)架和拖拉機(jī)施加的力，必須保證其有足夠的強(qiáng)度。

質(zhì)量要求：機(jī)架的質(zhì)量影響到液壓缸的選擇及與其連接的固定機(jī)架，因此，可動(dòng)機(jī)架需結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量小巧。

剛度要求：插孔機(jī)在復(fù)雜的受力情況下，需要足夠的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，以確保插孔機(jī)的平穩(wěn)性。

2.2.2 設(shè)計(jì)思路

烤煙井窖式移栽覆膜插孔機(jī)采用了雙機(jī)架思路，可動(dòng)機(jī)架的橫縱梁采用方鋼，且通過焊接連接，減輕了機(jī)體質(zhì)量，也保證了底盤的強(qiáng)度和剛度?？蓜?dòng)機(jī)架上面連接液壓缸的部位選擇2 mm 鋼板，主機(jī)架與與液壓缸承重板之間用承受柱中間套螺栓柱連接起來，減輕了質(zhì)量也保證了液壓缸承載部分有足夠的強(qiáng)度剛度。液壓缸主架橫縱梁用焊接的方法連接起來。主動(dòng)液壓缸活塞桿連接在可動(dòng)機(jī)架上，活塞桿和主動(dòng)機(jī)架通過活塞板來連接在一起。并且在可動(dòng)機(jī)架和固定機(jī)架上面連接直線導(dǎo)軌約束其直線運(yùn)動(dòng)，其導(dǎo)軌部分連接在可動(dòng)機(jī)架上面，直線滑塊連接在固定機(jī)架上面。

2.3 株距可調(diào)設(shè)計(jì)

2.3.1 設(shè)計(jì)要求

在烤煙井窖式移栽覆膜插孔機(jī)中，所需要的株距規(guī)定在500～600 mm 間距可調(diào)，這就要使得插孔器在可動(dòng)機(jī)架上面可以左右移動(dòng)，

2.3.2 設(shè)計(jì)思路

活塞推桿間距可調(diào)：活塞推桿間距可調(diào)可以通過活塞推板上面縱向開孔來實(shí)現(xiàn)，然后由螺母連接固定在推桿上面。結(jié)構(gòu)圖，見圖4。

圖3 烤煙井窖式移栽覆膜插孔機(jī)可動(dòng)機(jī)架Fig.3 Flue-cured tobacco pit-type transplant covered with plastic film socket machine movable frame

圖4 插孔機(jī)活塞推桿可調(diào)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The piston push rod adjustable structure diagram of jack machine

插孔器間距可調(diào)：插孔器間距可調(diào)可以通過可動(dòng)機(jī)架上面開縱向U 型孔來實(shí)現(xiàn)，由插孔器固定零件來實(shí)現(xiàn)插孔器在可動(dòng)機(jī)架上面的固定。結(jié)構(gòu)圖，見圖5。

圖5 插孔器間距可調(diào)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The adjustable jack spacing

3 關(guān)鍵零部件受力的ANSYS仿真分析

由于零件活塞推板要滿足必要的強(qiáng)度分析，對(duì)其進(jìn)行有限元分析，機(jī)架的材料選用的是Q235，其抗拉強(qiáng)度為375～460 MPa，彈性模量E=200 GPa，泊松比μ為0.25～0.33，正常情況下取0.33。

3.1 活塞推板ANSYS分析

活塞推板的中間受力為：

如圖6、圖7 分別為活塞推板應(yīng)力分析圖，活塞推板應(yīng)變分析圖。

圖6 活塞推板應(yīng)力分析圖Fig.6 The piston pusher stress analysis

圖7 活塞推板應(yīng)變分析圖Fig.7 The piston pusher strain analysis

經(jīng)ANSYS 軟件力學(xué)分析得：活塞推板的最大應(yīng)力為224.13 Pa，最大形變3.87×10-3mm?；钊瓢宓淖畲笮巫儼l(fā)生在推板兩條側(cè)條上，完全滿足性能要求。

3.2 主動(dòng)液壓缸承受板ANSYS分析

主動(dòng)液壓缸承受板的受力為：

如圖8、圖9 分別為主動(dòng)液壓缸承受板應(yīng)力分析圖，主動(dòng)液壓缸承受板應(yīng)變分析圖。

圖8 主動(dòng)液壓缸承受板應(yīng)力分析圖Fig.8 The stress analysis diagram of active hydraulic cylinder bearing plate

圖9 主動(dòng)液壓缸承受板應(yīng)變分析圖Fig.9 The strain analysis diagram of active hydraulic cylinder bearing plate

經(jīng)ANSYS軟件力學(xué)分析得出：主動(dòng)液壓缸承受板的最大應(yīng)力13.0 MPa，最大形變3.87×10-3mm。主動(dòng)液壓缸承受板的最大形變發(fā)生在支撐橫梁中間上，完全滿足性能要求。

4 結(jié)語

本文通過設(shè)計(jì)了一種烤煙井窖式移栽覆膜插孔機(jī)，提出一種全新的雙機(jī)架結(jié)構(gòu)，它由可動(dòng)機(jī)架和固定機(jī)架組成，通過雙機(jī)架懸掛式設(shè)計(jì)完成可動(dòng)機(jī)架和固定機(jī)架的配合，活塞清土部件和可動(dòng)機(jī)架的配合，實(shí)現(xiàn)插孔機(jī)的插孔工作。為滿足不同株距要求，根據(jù)孔間距的不同，在可動(dòng)機(jī)架上面合理地設(shè)計(jì)了U 型調(diào)節(jié)株距裝置，可以靈活地調(diào)節(jié)株距；對(duì)活塞推板、主動(dòng)液壓缸活塞板等關(guān)鍵部件進(jìn)行了ANSYS 仿真分析，生成各部分應(yīng)力應(yīng)變分析圖，分析結(jié)果未出現(xiàn)強(qiáng)度剛度不足等問題，滿足所設(shè)計(jì)要求；本文對(duì)烤煙移栽插孔機(jī)的研究，可減輕西南丘陵地區(qū)山地多、作業(yè)條件差等因素對(duì)插孔機(jī)作業(yè)的影響，提高作業(yè)效率，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。