水稻育秧泥漿機設計與試驗

摘要：針對目前市面上水稻育秧營養土短缺的現象，設計一種泥漿機處理水田泥漿，處理后的泥漿可作為天然的營養土載體。建立泥漿泵的運動學數學模型，研究分析泥漿泵轉子運動軌跡及規律，即泥漿泵轉子截面圓心做直線運動，轉子表面點的運動軌跡為在平面上呈現出橢圓狀。建立泥漿泵三維虛擬樣機模型對泥漿泵進行運動學仿真。結果表明，泥漿泵轉子表面不同固定點的運動軌跡是一種空間三維運動，在平面上是一種橢圓，轉子表面不同固定點的速度仿真與數學模型最大誤差值7.8%。對泥漿泵偏心距參數、等距半徑參數、轉速參數進行正交試驗尋找最佳組合參數。泥漿泵最優參數為：偏心距為7.6 mm，等距半徑為24 mm，轉速為680 r/min。泥漿機田間作業測試結果表明，泥漿機輸送泥漿距離可達50 m，每小時可注滿1 500盤秧盤，泥漿流量為6～8 m3/h。

關鍵詞：水稻泥漿機；育秧技術；泥漿泵；正交試驗

中圖分類號：S224.2" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 09?0021?07

Design and experiment of mud machine for rice seedling raising

Chen Zhi Zhou Xuefeng Guo Lei Shu Xin

（1. School of Vehicle Engineering， Hunan Biological and Electromechanical Polytechnic， Changsha， 410000， China;

2. Changsha Daoyin Agricultural Technology Co.， Ltd.， Changsha， 410000， China）

Abstract： In view of the shortage of nutrient soil for rice seedling raising in the market， a mud machine is designed to treat paddy mud. The treated mud can be used as a natural nutrient soil carrier. The kinematic mathematical model of the mud pump is established， and the motion trajectory and law of the mud pump rotor are studied and analyzed. The results show that the center of the rotor section of the mud pump moves in a straight line， and the motion trajectory of the rotor surface points presents an ellipse on the plane. The three?dimensional virtual prototype model of the mud pump is established and the kinematics simulation of the mud pump is carried out. The results show that the motion trajectory of different fixed points on the rotor surface of the mud pump is a three?dimensional motion in space， which is an ellipse in the plane. The maximum error between the speed simulation of different fixed points on the rotor surface and the mathematical model is 7.8%. Orthogonal experiments were carried out on the eccentricity parameters， equidistant radius parameters and rotational speed parameters of the mud pump to find the best combination parameters. The optimal parameters of the mud pump are as follows： eccentricity is 7.6 mm， isometric radius is 24 mm， and speed is 680 r/min. Field test results show that the mud conveying distance can reach 50 m， 1 500 rice plates can be filled every hour， and the mud flow rate is 6-8 m3/h.

Keywords： rice mud machine; seedling rearing technology; mud pump； orthogonal test

0 引言

隨著水稻工廠化育苗的不斷推廣普及，育苗基質（營養土）[1]的需求量越來越大，已有部分地區出現營養土短缺的現象。目前農戶普遍采用簡單設備粉碎、篩選營養土，存在肥及藥劑混合不均勻的問題，極易造成秧苗出芽不勻。一些新型輕質的營養土不斷涌現，但這些營養土的品質、成本等方面存在問題，無法大量推廣應用。

營養土要求在大豆田、玉米田等未施用過除草劑的旱地選取，土質呈現中性，肥而無雜質。一般先進行取土晾干后，再粉碎過篩（顆粒直徑2～4 mm）、調酸（pH 4.5～5.5）、拌肥，才能成為合格的營養土。

目前水稻育秧機械化[2， 3]集中在工廠化育秧[4， 5]及精量播種技術[6?8]，較少涉及泥漿處理設備[9， 10]，泥漿是較好的天然載體，泥漿處理存在工作強度大、效率低、不均勻且泥中含石塊影響種子出苗和秧苗機插等問題。為提高泥漿處理效率，本文設計一種水稻育秧泥漿機，泥漿經初步處理后，通過泥漿落料斗進入泥漿加工組件，經過加工后的泥漿進入泥漿泵，泥漿泵通過螺桿的螺旋運動輸出泥漿到育秧地塊，實現水田旱地均可育秧。

1 整體結構與工作原理

水稻育秧泥漿機由泥漿加工組件、機架、泥漿泵、傳動機構等組成，如圖1所示。泥漿加工組件安裝在機架的上方，主要用于將未加工的粗泥漿加工成適合育種的細泥漿。機架作為水稻育秧泥漿機的支撐結構，用于支持設備各部件。泥漿泵用于產生輸送泥漿所需的壓力，并能將加工后的泥漿輸送到秧田。傳動機構安裝于機架的前部，通過連接軸與拖拉機的傳動軸相連，將拖拉機的動力傳遞給驅動泥漿加工組件與泥漿泵。泥漿經過落料斗在泥漿加工組件中經過過濾加工后落入泥漿泵中，通過泥漿泵輸送到秧田。

1.1 傳動機構結構原理

主軸花鍵連接拖拉機傳動軸獲取動力，主軸上安裝泥漿泵驅動輪，驅動輪通過皮帶將動力傳遞給泥漿泵。副軸通過連軸器連接主軸，副軸上安裝泥漿加工組件驅動輪，驅動輪將動力通過皮帶傳遞給泥漿加工組件。

1.2 泥漿加工組件結構原理

泥漿加工組件工作原理：粗泥漿從進料口加到加工組件，粗泥漿經過攪拌葉片加工為細泥漿，經過處理后的泥漿經過輸出法蘭過濾輸出到泥漿收集斗，如圖3所示。

1.3 泥漿泵結構原理

泥漿泵可輸送含有纖維物和固體顆粒的液體，選用型號為G25-1，泥漿泵結構如圖4所示。其工作原理為：泥漿從進料法蘭進入，經過定子與螺桿軸[11?14]的相互運動產生壓力再由出料法蘭輸出。

2 泥漿泵運動學分析

2.1 泥漿泵定、轉子型線方程建立

2.2 泥漿泵轉子運動規律

2.2.1 轉子中心的運動規律

2.2.2 泥漿泵轉子截面上的點的運動

2.2.3 嚙合處的速度

3 仿真試驗與分析

3.1 三維模型建立

參照螺桿泵G25-1的結構參數，建立泥漿泵定子、轉子、傳動軸、連接軸、泥漿泵殼體。其中偏心距e=6 mm，轉子等距半徑R=20 mm，定子半徑R0=26.5 mm，轉子螺距T1=100 mm，定子螺距T2=200 mm，轉子導程186 mm，定子導程183 mm。在三維軟件SolidWorks中，以定子半徑作圓拉伸183 mm，在定子圓面上以定子截面線為輪廓曲線，以半徑為32 mm的螺旋線為掃描切除路徑進行實體掃描切除完成定子的三維模型，轉子的三維模型以轉子等距半徑作圓，以偏心距e繪制螺旋線圓心，以半徑為26 mm的螺旋線作路徑進行實體拉伸完成轉子的三維模型主體。為方便后面的虛擬仿真，在不影響主要仿真參數的情況下對泥漿泵進行一定的簡化，如簡化萬向節，泵殼、螺栓等結構。在對泥漿泵進行裝配時，以泵殼作為固定件，進行裝配，最后裝配好泥漿泵定子、轉子、傳動軸、連接軸等4個零件，并進行干涉檢查，檢測無干涉現象，泥漿泵裝配三維模型如圖11所示。

3.2 運動學仿真模型的建立

利用SolidWorks軟件中自帶的虛擬仿真插件Motion進行泥漿泵的運動學仿真，Motion是基于虛擬仿真軟件ADAMS創立的，其操作比ADAMS更簡潔，對SolidWorks中的模型數據可進行無縫鏈接。將建立好的泥漿泵三維裝配體模型界面切換到運動算例中，選擇Motion分析，添加運動副和約束如表1所示。

在添加運動副后，檢查模型的配合及自由度是否出現冗余，冗余約束會導致仿真求解失敗或力的計算不正確，可嘗試通過點的約束取代其他約束，也可在仿真計算時，通過算列屬性以套管替代冗余配合的方式來進行仿真得到正確的結果。因轉子在定子中運動屬于一種行星螺旋運動，這種運動是因相互之間的螺旋軌跡接觸導致，需施加實體接觸并精確接觸，同時施加重心引力，在傳動軸上施加旋轉運動，等速轉速240 r/min，仿真時間為0.3 s，此時，轉子剛好轉過一圈多。

3.3 運動學仿真結果分析

1） 運動軌跡分析。選取3點作為研究對象，其中點1和點2位于轉子表面截面圓心與螺旋線圓心所處直線上，點3處于點1和點2之間。對各點其行路徑跟蹤，得到點的運動軌跡如圖12所示。

分析轉子的運動軌跡可以得出，轉子運動軌跡并不是一個平面運動，而是空間的三維運動，造成這種現象的原因是轉子在定子中轉動過程中有一定的螺旋前進運動。轉子表面各點離螺旋中心的距離越大，運動軌跡所形成的范圍也相應增大，在投影面形成一個橢圓的軌跡，橢圓軌跡驗證了數學模型的正確性。轉子表面各點并不是都與定子接觸，只有離螺旋中心最遠的點時刻與定子接觸。

2） 運動速度和加速度分析。選定的圓弧點在仿真周期內的速度、加速度曲線變化規律如圖13所示。在Motion分析中，可對時間軸進行滑動來查看轉子模型中不同位置點的速度及加速度情況。

由圖13可以看出，從速度上分析可知點1的速度最大，點2的速度最小，點3的速度位于最大與最小值之間。通過前面的速度公式可求得最大速度為804.25 mm/s，最小速度為201.06 mm/s，仿真結果顯示最大速度為765.1 mm/s，誤差為4.9%，最小速度為185.3 mm/s，誤差為7.8%。誤差的大小與仿真求解器的計算步長有關，解釋法和仿真法相互證明了各自的正確性。從加速度分析可知，3點的加速度趨勢一致，基本呈現出一定的比例關系，這是由于位于轉子上的點隨著離螺旋中心距離逐漸增大，其加速度也相應成比例的增大。曲線上的大尖峰主要是由解釋器計算和轉子進行螺旋前進運動引起的突變。進一步分析轉子表面上點1在運動周期內各個方向的速度及加速度的變化規律，如圖14所示。點1在X軸與Y軸方向上基本呈現出一種勻速運動，在Z軸方向上只有在進行螺旋運動時，有一定的速度突變，點1在各個方向的加速度基本為0。

3.4 最優參數組合與驗證

為研究轉子表面線速度與偏心距、轉子等距半徑、轉子轉速之間的最佳組合關系，以偏心距e、轉子等距半徑R、轉子轉速W為試驗因素，以轉子表面最大線速度v為評價指標進行正交試驗方法試驗。采用Design-Expert12 Trial軟件，根據Box-Behnken試驗設計原理，設計三因素三水平的響應面試驗。因素水平編碼表如表2所示，其中轉子轉速主要模擬拖拉機怠速時的轉速。試驗設計方案及響應值如表3所示。

回歸方程進行方差分析如表4所示。回歸模型顯著性水平P值小于0.01，表明回歸模型顯著，擬合程度較好，模型失擬項P值為0.435gt;0.05，即回歸方程與實際擬合中非正常的誤差比例較小，說明試驗誤差較小。

應用Design-Expert12.0 Trial尋優功能，對回歸方程進行求解，在100組數據中計算出最佳組合參數，偏心距e為7.666 mm，等距半徑R為23.918 mm，轉子轉速W為681.261 r/min，在此參數條件下轉子表面最大線速度v為261.501 m/s，如圖15所示。

為進一步驗證泥漿機的作業性能，設計泥漿泵關鍵參數偏心距e為7.6 mm，等距半徑R為24 mm，以泥漿流量和輸送距離作為評價指標，對設計完成的泥漿機進行現場試驗。試驗場所為經過打田機處理過的水稻田，泥漿密度在1.2～1.3 t/m3，運用拖拉機牽引泥漿機，拖拉機啟動后設定在怠速狀態，發動機轉速680 r/min，將初步處理好的泥漿經過泥漿機過濾并通過軟管輸出，軟管長度可達到50 m，泥漿機每小時可注滿1 500盤秧盤，泥漿流量為6～8 m3/h，作業順暢，無堵塞，現場試驗效果良好。

4 結論

1） 為應對水稻育秧營養土短缺的現象，設計一種泥漿機，水稻育秧泥漿機由泥漿加工組件、機架、泥漿泵、傳動機構等組成，泥漿機能方便連接拖拉機動力。

2） 對泥漿泵進行運動學仿真，對比數學模型，速度特性仿真最大誤差為7.8%，數據相互驗證數學模型和虛擬仿真模型的正確性。

3） 通過現場田間試驗，泥漿機輸送泥漿距離可達50 m，每小時可注滿1 500盤秧盤，作業順暢，無堵塞，能夠從水稻田獲取泥漿作為營養土載體，可實現水田旱地育秧。泥漿機提高泥漿處理效率，改善人工勞動強度，降低人工成本，效果顯著。

參 考 文 獻

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