煙苗移栽機用澆水裝置的設計與試驗

趙國林,楊 閩,劉建新,楊 騰,趙倉圓,劉劍雄

(1.昆明理工大學 機電工程學院,昆明 650500;2.北京航空航天大學 云南創新研究院,昆明 650504)

0 引言

煙草是我國一種重要的農經作物,其種植面積和產量居世界前列。而移栽作為煙草種植的重要環節,移栽煙苗的成活率直接決定著煙葉的產量和煙農的經濟收入。移栽的同時適量澆水對煙苗成活起到關鍵作用,也是抗旱保墑、節水降耗、減工增收的重要手段[1-3]。

范連祥[4]等設計的煙草自動澆水機中使用了感應裝置,不可避免地增加了電磁閥組和相應控制系統的投入,制造成本較高且在工作時不能與移栽作業保持同步。都基建等[5]、李民朝等[6]、張桂榮等[7]、郭鳳江等[8]研究的煙苗移栽機所用澆水裝置是將所獲取的澆灌用水引入到一個特制容器之中,并通過設置簡易閥門來控制水流通斷,以實現對所移栽煙苗的間歇式澆灌;但由于在作業過程中移栽機存在振動和顫抖,簡易閥門很難密封到不漏水的程度,無法達到節約用水、提高水資源利用率的目的。姬虹等[9]設計的煙苗移栽機澆水系統,可使澆水口實現位移補償,從而克服了澆水時對煙苗沖擊大、澆水位置精度低的缺點;但沒有將澆灌用水準確地澆灌到煙苗上,同樣造成了水資源利用率不高及成本投入較大等問題。

針對上述問題,提出了一種煙苗移栽機用澆水裝置,建立了該裝置的三維模型,并對其關鍵部分做了相關理論研究,且用ADAMS軟件對倒水組件進行了動力學仿真,得到了相關的運動特性;最后,通過對裝置的澆水組件進行澆灌試驗,測量澆灌作業所需時間。結果表明:倒水所需時間和總澆灌時間隨水量的增加而增加;此外,導流器出水口口徑的大小也是影響澆水時間的重要因素,口徑越大,導流速度越快,所需時間越少;澆水裝置在澆水時不會對幼苗和土壤造成強烈沖擊,能夠與移栽機的移栽作業保持同步運行,可提高水資源利用率,適用于缺水少雨地區。

1 裝置結構與工作原理

1.1 裝置結構組成

煙苗移栽機用的澆水裝置主要由澆水組件和倒水組件組成,如圖1所示。圖1中,澆水組件包括導流器、引流管、澆水器,其余部分為倒水組件。組裝時,進水管通過閥門連接移栽機上設置的水箱,獲取澆灌用水,并將其引入儲水器中;儲水器、儲水器鉸軸和儲水器鉸軸座之間相互鉸接,儲水器鉸軸座固定連接在移栽機上;連桿的一端與儲水器鉸接,另一端與曲柄鉸接;曲柄鉸軸座固定設置于移栽機上,曲柄鉸軸鉸接于曲柄鉸軸座上;曲柄的一端與連桿鉸接,另一端固定連接于曲柄鉸軸上;導流器設置于儲水器下方,并設置于儲水器傾倒澆灌用水流經的軌跡上;導流器下方的出水口處連接有引流管,引流管的末端安裝有澆水器,澆水器上分布有若干出水孔。

1.閥門 2.進水管 3.管卡 4.儲水器鉸軸 5.儲水器鉸軸座 6.連桿 7.曲柄 8.曲柄鉸軸 9.曲柄鉸軸座 10.引流管 11.出水孔 12.澆水器 13.導流器 14.儲水器 15.軸套圖1 煙苗移栽機澆水裝置Fig.1 Watering device of tobacco seedling transplanter

1.2 工作原理

在幼苗移栽過程中,接通閥門使水箱里的灌溉用水經進水管流入儲水器內;在驅動力的作用下,曲柄鉸軸繞其自身軸線做回轉運動,同時曲柄與曲柄鉸軸保持同步轉動并驅動連桿運動,儲水器則在連桿的作用下繞儲水器鉸軸做傾轉運動;當儲水器傾轉一定角度且其中的澆灌用水積累到煙苗所需的量時,儲水器繼續傾轉并快速把儲水器內一定量的灌溉用水快速傾倒入下方導流器中,從導流器流出的灌溉用水經引流管,澆灌到移栽后的煙苗上。

將裝置中傾倒灌溉用水組件的關鍵部分曲柄、連桿、儲水器簡化為如圖2所示的機構運動簡圖,圖2中參數所表示的含義如表1所示。

表1 圖2中各參數的含義Table 1 The meaning of each parameter in figure 2 above

圖2 關鍵部件的機構運動簡圖Fig.2 Mechanism movement diagram of key components

設曲柄AB為原動件并以等角速度ω逆時針轉動,存在極位夾角θ;在曲柄轉動1個周期中,設其從AB1→AB2為推程,從AB2→AB1為回程,故該機構運動過程中的行程速比系數K[10]為

(1)

式中V1-推程時C點的平均速度(m/s);

V2-回程時C點的平均速度(m/s);

T1-推程所需時間(s);

T2-回程所需時間(s);

δ1-曲柄從AB1至AB2轉過的角度(°);

δ2-曲柄從AB2至AB1轉過的角度(°);

θ-極位夾角(°)。

由式(1)可知:推程平均速度大于回程的平均速度,即儲水器在做傾轉倒水過程中的平均速度大于其往回轉動而儲水過程中的平均速度。

2 關鍵部分分析

2.1 數學模型的建立及理論分析

為進一步研究該裝置的關鍵部件(即曲柄連桿機構)的運動特性,采用復數矢量法建立機構運動過程中的數學模型,并對其運動過程進行運動學分析[10-11]。如圖3所示:以A點作為復坐標系原點,以水平方向為x軸(x軸向右為正方向)、豎直方向為y軸(豎直向上為正方向),建立復坐標系XOY,作出封閉矢量多邊形圖并標記各矢量。圖3中各相關參數及符號含義如表2所示。

表2 封閉矢量多邊形圖中相關參數的含義Table 2 Interpretation of relevant parameters in closed vector polygon graphs

圖3 封閉矢量多邊形圖Fig.3 Closed vector polygon map

在矢量多邊形中,各矢量之和為0,即

(2)

(3)

其中,各矢量的方位角θ都由x軸開始,沿逆時針方向計量為正。在運動過程中的變量為θ1、θ2、θ3,常量為L1、L2、L3、L4、θ4,且設已知初始時刻原動件(曲柄AB)的方位角為θ1、等角速度為ω1。將封閉矢量方程式(2)表示為復數形式為

L1eiθ1+L2eiθ2=L3eiθ3+L4eiθ4

(4)

應用歐拉公式eiθ=cosθ+isinθ將式(4)實部與虛部分離得

(5)

聯立上式(5),即可解得角位移為

(6)

(7)

將式(4)對時間t求導可得

L1ω1eiθ1+L2ω2eiθ2=L3ω3eiθ3+L4ω4eiθ4

(8)

由于L4為兩機架間距離,固定不動,所以ω4=0,因此式(8)可寫為

L1ω1eiθ1+L2ω2eiθ2=L3ω3eiθ3

(9)

將式(9)的實部和虛部分離得

(10)

將式(10)中兩式之后聯立即可解得

(11)

(12)

式中ω1-曲柄L1的角速度(rad/s);

ω2-連桿L2的角速度(rad/s);

ω3-搖桿L3的角速度(rad/s)。

將式(10)對時間t求導并寫為矩陣形式可得

(13)

由式(13)可解得

(14)

(15)

式中α2-連桿L2的角加速度(rad/s2);

α3-搖桿L3的角加速度(rad/s2)。

由式(15)可知:連桿BC、搖桿DC在運動過程的中角位移θ2、θ3與各桿的桿長和曲柄AB的角位移θ1有關,當各桿的桿長固定后,θ2、θ3隨θ1的變化而變化;而搖桿DC的角速度ω3和角加速度α3、連桿BC的角速度ω2和角加速度α2隨各桿的角位移θ、各桿長度L的變化而變化,當桿長固定時,決定其運動速度和加速度的主要因素為ω1。

2.2 運動特性分析

引入各構件的具體參數,利用MatLab基于以上所推導的公式編程,繪制該曲柄搖桿機構的角速度、角加速度曲線圖進行運動分析[12],結果表明:當L1=152.281mm、L2=303.45mm、L3=221.37mm、L4=310.54mm、L4與x軸的夾角θ4固定為143.71°時,設置主動件的轉速為1.5708rad/s,得出連桿L2和搖桿L3的角速度、角加速度在曲柄角位移θ1從0°到360°運動過程中的曲線圖,如圖4所示。

圖4 桿2和桿3的速度、加速度曲線圖Fig.4 Speed and acceleration curves of rod 2 and rod 3

由圖4可以看出:當曲柄角位移θ1在0°～80°和180°～360°范圍內時,連桿L2和搖桿L3的角速度ω2、ω3,角加速度α2、α3較為平緩;而當曲柄角位移θ1在80°～180°范圍內時,倒水組件的儲水器歷經了一個倒水過程,其連桿L2和搖桿L3的角加速度α2、α3均出現了兩個峰值,且角速度ω2和ω3在130°附近達到最大峰值,滿足快速傾倒澆灌用水的需求。

3 倒水組件的ADAMS動力學仿真

為了進一步分析該澆水裝置的相關特性,利用ADAMS軟件對倒水組件進行仿真分析,如圖5所示。將該澆水裝置的虛擬樣機上半部分倒水組件導入ADAMS軟件中,并在各連接處添加相應的運動副,設置重力加速度為9.8m/s2,方向為豎直向下;定義虛擬樣機中各結構的材料和密度,各軸承材料選用高碳鉻軸承鋼(GCr15),密度為密度7.85g/cm3,其余各部件采用45鋼,密度為7.85g/cm3;隨后,在各鉸接處軸承與軸連接的運動副上添加摩擦因數,查閱相關資料定義摩擦因數為0.15;在曲柄鉸軸上添加旋轉驅動,參數為90d*time,方向為逆時針轉動;最后,設置仿真時間為4s,步數為200步,并進行求解、仿真。仿真后得到運動軌跡線i、j、k分別為曲柄逆時針旋轉1周過程中儲水器的質心、連桿與儲水器鉸接處、曲柄與連桿鉸接處的運動軌跡線。

圖5 ADAMS中的仿真模型及其運動軌跡Fig.5 The simulation model and its trajectory in ADAMS

工作過程中,4s內曲柄剛好逆時針回轉1周,而儲水器在連桿的驅動下做了1次擺動運動,即在進水管不間斷地將澆灌用水引入儲水器的過程中儲水器完成了1次倒水工作,并在倒水完成后開始為下一次倒水做儲存澆灌用水的準備。圖6為儲水器在運動仿真過程中的速度、加速度曲線圖,所測的點為儲水器的質心。

圖6 儲水器質心的速度、加速度仿真曲線圖Fig.6 The velocity and acceleration simulation curve of the center of mass of the water reservoir

由圖6可以看出:儲水器運動的角加速度曲線在剛開始運動時候出現了少許波動,隨后呈現平穩上升的趨勢,在1.2s時角加速度達到最大值,隨后快速下降,在經歷了一個波谷后回逐漸上升回到初始值;而其角速度曲線從開始運動時緩慢上升,在1.2s時因角加速度達到最大值,此時角速度曲線的斜率達到最大,上升最快,1.44s時角速度曲線達到峰值,隨后緩慢降低,同樣在經歷了一個波谷后緩慢上升回到初始值。因此,可認為角速度曲線處于波峰期間儲水器經歷了一個快速倒水的過程,滿足澆水裝置澆灌作業的需求。

4 試驗

進一步研究澆水裝置的澆水性能以及影響澆水時間快慢的因素,為裝置的各部件參數設置、優化以及后期將其設于移栽機上與移栽作業保持協調工作提供理論支持。以每次澆水所需時間作為試驗指標,針對不同的澆水量測量其從倒水開始至倒水結束、倒水開始至水從澆水器流出的總時長,并在同一水量條件下驗證不同導流器出水口口徑是否會對澆灌時間產生顯著影響。

4.1 試驗用具與條件

試驗在昆明理工大學機電工程學院實驗室進行,試驗裝置如圖7所示。

1.漏斗 2.軟管 3.計時器 4.澆水器 5.量杯圖7 試驗裝置圖Fig.7 Test device diagram

試驗用具主要有PVC透明軟管1根,長1m,內徑50mm,厚度3mm;佰諾brmb-001電子秒表計時器,精確度為0.01s;佳樂祺塑料量杯1個,口徑22cm,高度26.5cm,量程5000mL;榮興RX-88塑料漏斗3個,出水口口徑分別為4.6、4.3、3.7cm;3D打印澆水器1個,材料為光敏樹脂,進水口直徑50mm,出水口直徑136mm,出水口上分布的若干出水小孔直徑為8mm。將漏斗與軟管、軟管與澆水器通過卡箍卡緊連接,使得軟管呈現一定的彎曲度,并將整個試驗裝置固定于試驗臺上。

4.2 試驗過程

通過量杯量取一定體積的水,借助人力將量杯里的水一次性快速倒入漏斗中,倒水時盡量做到使量杯中的水從量杯流出的軌跡與漏斗中部出水口處相吻合,即將水往漏斗中心傾倒,并在量杯傾轉倒出的水不溢出的條件下做到盡量快速傾倒,測量時間1(為水開始從量杯中流出至量杯中的水倒完)和時間2(為水從量杯中流出至最后從澆水器流完)。水量的選取從600mL開始每次增加300mL直到3600mL,共11組。每組水量下重復進行20次,取每組中所測的兩個時間的平均值,如表3所示。

表3 試驗數據表1Table 3 Test data sheet 1

為驗證導流口口徑的大小對澆水時間的影響是否顯著,固定每次取2200mL的水,并分別采用4.6、4.3、3.7cm口徑的漏斗分3組做澆灌試驗,每組重復10次,記錄從倒水開始至水從澆水器流完的總時間,數據如表4所示。

表4 試驗數據表2Table 4 Test data sheet 2 s

4.3 試驗結果與分析

以表3中的水量作為橫坐標、所測時間作為縱坐標,利用Origin軟件作出試驗中水量與所對應時間的散點圖,并根據散點圖做一元線性回歸擬合,得到水量-時間關系擬合線圖,如圖8所示。

圖8 水量-時間關系的擬合線圖Fig.8 Fitting line graph of time-water volume relationship

圖8中,y1為從量杯中倒水開始至倒水結束的過程所用時間隨水量的變化而變化的擬合線。可以看出:倒水所需時間隨水量的增加而呈線性關系增加,其關系式為

y1=a1+b1x

(16)

其中,y2為從量杯中倒水開始至水從澆水器流完整個過程所用時間隨水量的變化而變化的線性回歸擬合線。可以看出:總時間隨水量的增加而增加,且該線的斜率相對y1較大,其關系式為

y2=a2+b2x

(17)

基于以上試驗結果和擬合出的式(16)、式(17)可求得:當澆水量為1.5、2、2.5L時,有97.135%的把握估計出倒水時間所在區間分別為(0.956s,1.056s)、(1.064s,1.177s)、(1.172s,1.298s);有92.462%的把握估計[15]出總時間所在區間分別為(2.649s,2.931s)、(2.825s,3.144s)、(3.001s,3.357s)。

基于表4中的針對不同出水口口徑的導流器測量其澆水所用時間,并計算得出單因素方差分析表,如表5所示。因為F>F0.95(2,27)=3.3541,所以認為導流器出水口的口徑大小對澆水時間的影響是顯著的,其置信度為95%。

表5 單因素方差分析表Table 5 One-way analysis of variance table

5 結論與展望

1)根據需要設計了一種移栽機用澆水裝置,對其運動特性進行了理論研究和動力學仿真分析,結果表明:裝置在工作過程中滿足快速倒水并有足夠時間儲水的需求。將裝置設置于移栽機上,通過相互協調配合可與移栽機的移栽保持同步作業,起到了抗旱保商、節水降耗的作用。

2)若出現因澆水量大使澆水時間長而導致澆水裝置在移栽機不間斷地行走過程中將水澆灌在煙苗種植區域以外的問題,可設置一個往復機構進行位移補償,使其在澆水時帶動引流管往移栽機前進方向的反方向運動,可滿足一定時間內相對煙苗處于靜止狀態完成澆水需求。