中藥材移栽機關鍵部件設計研究

劉曉秋

（山西省農(nóng)業(yè)機械發(fā)展中心，山西太原 030002）

隨著中藥材、蔬菜等作物種植面積的日益擴大，對移栽機的需求量也日益增加。目前，國內(nèi)移栽方式主要是依靠人工和半自動移栽機進行作業(yè)，但隨著農(nóng)業(yè)從業(yè)人員逐步減少，同時育苗移栽技術也逐漸成熟，對提高移栽效率、降低勞動強度有了新的要求。相對于國外，我國的移栽技術起步較晚，全自動插秧機由于其結(jié)構復雜、造價過高，致使大部分自動移栽機技術不是很成熟，而現(xiàn)階段使用和研制的多為半自動移栽機。因此，結(jié)合當前移栽機的結(jié)構特點，重點對移栽機的移栽機構進行了升級改進設計。

1 移栽系統(tǒng)的總體設計

該設計采用SolidWorks建模，如圖1所示為單套機構。一臺2行自走式半自動移栽機需配套2套移栽機構，移栽機構通過螺栓固定在自走式半自動移栽機的2個獨立單體上，動力由半自動移栽機通過鏈輪傳動提供，總動力大于8馬力[1]。該機構單套外形尺寸為1 200 mm×380 mm×750 mm，安裝方便，結(jié)構簡單，移栽機構的旋轉(zhuǎn)架旋轉(zhuǎn)1周，苗夾進行兩次取苗、喂苗，苗杯轉(zhuǎn)過3個，苗盤經(jīng)過槽輪機構驅(qū)動輸送兩格。3個苗夾安裝在一根旋轉(zhuǎn)軸上，共兩組旋轉(zhuǎn)反復作業(yè)，一次作業(yè)取苗3株后通過護苗桶，將秧苗放入苗杯。

單套移載機構三維模型見圖1。

圖1 單套移載機構三維模型

2 關鍵部件設計

2.1 旋轉(zhuǎn)架工作原理

旋轉(zhuǎn)架圍繞一級旋轉(zhuǎn)軸（5號）旋轉(zhuǎn)，導向盤和6號不完全齒輪與機架固定，3號齒輪與9號齒輪同軸，3號齒輪置于旋轉(zhuǎn)架內(nèi)側(cè)，9號齒輪置于旋轉(zhuǎn)架外側(cè)，與6號不完全齒輪嚙合。二級旋轉(zhuǎn)軸上裝配苗夾和10號齒輪，10號齒輪置于旋轉(zhuǎn)架內(nèi)側(cè)，與3號齒輪嚙合。

旋轉(zhuǎn)架傳動三維模型見圖2。

圖2 旋轉(zhuǎn)架傳動三維模型

當動力傳輸給7號鏈輪，機架圍繞一級旋轉(zhuǎn)軸開始順勢正旋轉(zhuǎn)，因?qū)虮P和不完全齒輪固定在機架上，9號齒輪與6號齒輪進入嚙合狀態(tài)，其在圍繞一級旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的同時，開始順時針自轉(zhuǎn)，3號齒輪進行同步自轉(zhuǎn)。3號齒輪與10號齒輪一直處于嚙合狀態(tài)，10號齒輪在跟隨機架旋轉(zhuǎn)的同時，開始進行逆時針旋轉(zhuǎn)。

2.2 傳動設計

齒輪傳動設計見圖3。

圖3 齒輪傳動設計

由圖3可知，三組齒輪圓心在同一中心線上，共4個齒輪兩兩嚙合。其中，10號齒輪與3號齒輪中心距90 mm；9號齒輪與6號不完全齒輪的中心距135 mm。根據(jù)公式：

式中：a——中心距；

Z1，Z2——齒輪齒數(shù)；

M——為模數(shù)（3，10兩齒輪相等）；10號齒輪和3號齒輪設定齒輪系數(shù)：M1=Z2=2；得3號和10號齒輪為45，分度圓直徑為90 mm；6號齒輪為不完全齒輪，切除2/3的齒數(shù)，在9，6號齒輪嚙合時：

Z1=1/3 Z2；

設定齒輪系數(shù)為1.5，可得9號齒輪齒數(shù)Z1為45，分度圓直徑67.5 mm；

6號齒輪齒數(shù)Z2為135，分度圓直徑202.5 mm。

3 夾苗裝置的設計

3.1 工作原理

門形夾形狀設計見圖4。

圖4 門形夾形狀設計

夾苗裝置功能是為了成功夾住秧苗以便提起，如圖4所示，門形夾寬為70 mm。在實際應用中，可通過更改門夾寬度來適應不同型號的苗缽[2]。

門形夾由回位彈簧控制處于常閉狀態(tài)，當旋轉(zhuǎn)架旋轉(zhuǎn)到合適位置，由位置機構控制轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，帶動撥片推開銷子，門形夾向上打開，在夾苗的同時進行拔苗，隨后轉(zhuǎn)軸脫離位置機構[3]；當旋轉(zhuǎn)架帶動門形夾轉(zhuǎn)到護苗桶上方時，位置機構控制轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，苗夾打開，隨后脫離控制機構，苗夾自動閉合[4-5]。

3.2 苗夾運動仿真

設旋轉(zhuǎn)架軌跡為A圓（不動圓），半徑為R；

苗夾旋轉(zhuǎn)軌跡為B圓（旋轉(zhuǎn)圓），半徑為r；

同一狀態(tài)下點P與B圓繞各自圓心轉(zhuǎn)過的角度之比為-k。以點A為坐標原點、水平向右為x軸正向建立平面直角坐標系。

為計算方便，假定初始時刻B圓位于A圓右側(cè)，點P（x，y）位于B圓右側(cè)，如圖5所示。

苗夾端點軌跡分析見圖5。

計算參數(shù)方程：

當B圓繞A圓圓心轉(zhuǎn)過θ角時，根據(jù)圓的參數(shù)方程可知：

xB=R cosθ；

圖5 苗夾端點軌跡分析

yB=R sinθ.

此時點P繞B圓圓心轉(zhuǎn)過角-kθ，即：

xP=xB+r cos（-kθ）；

yP=yB+r sin（-kθ）.

旋轉(zhuǎn)架半徑為225 mm；苗夾旋轉(zhuǎn)半徑為130 mm；6號齒輪與9號齒輪的傳動比為1∶3，即k=3，所以苗夾端點P的軌跡參數(shù)方程：

x=R cosθ+r cos（-3θ）；

y=R sinθ+r sin（-3θ）.

4 結(jié)論

針對半自動移栽機，對移栽機的關鍵部件進行了升級改進。通過對部件的運動仿真，基本滿足該移栽機的改進要求。