移栽機(jī)凸輪擺桿式扶苗機(jī)構(gòu)設(shè)計與分析

2 0 0 3 年 9 月 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報 第 34 卷 第 5 期 移栽機(jī)凸輪擺桿式扶苗機(jī)構(gòu)設(shè)計與分析 3 周德義 孫裕晶 馬成林 【 摘要】 移栽機(jī)扶苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)設(shè)計合理是保證移栽缽苗直立的關(guān) 鍵 。 分析了無扶苗機(jī)構(gòu)時缽 苗落地后翻轉(zhuǎn)運動過程 , 凸輪擺桿式扶苗機(jī)構(gòu)栽植性能與運動參數(shù)關(guān)系 , 以及扶苗板運動規(guī)律。通過理論分析建立 了 扶苗板運動規(guī)律數(shù)學(xué)模型和扶苗機(jī)構(gòu)初相角數(shù)學(xué)模 型 。 設(shè)計的凸輪擺桿式扶苗機(jī)構(gòu)已用于 2ZB 型導(dǎo)苗筒式移栽 機(jī)上。 試驗表明 : 該機(jī)構(gòu)工作穩(wěn)定 , 栽植深度均勻 , 滿 足移栽要求。 關(guān)鍵詞 : 移栽機(jī) 扶苗機(jī)構(gòu) 設(shè)計 試驗 中圖分類號 : S223194 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 : A D es ign and Ana lysis of a Support in g- seedl in g M echan ism w ith Cam and Com b in ed Rocker Zhou D eyi Sun Yu jing M a Chenglin (J ilin U n iversity ) Abstract Suppo rt ing2seedling m echan ism w ith reasonab le structu ral p aram eters and m ovem en t p aram eters is the key fo r t ran sp lan t ing seedling up righ t ly. T he m ovem en t after the seedling falls to the ground w as analyzed in th is paper, and the relat io n be tw een the t ran sp lan t ing perfo rm ance of the suppo rt ing2seedling m echan ism and it s p aram eters w ere also analyzed. W ith the he lp of com pu ter analyzing, the cu rves of disp lacem en t of suppo rt ing2seedling board and the theo retical ou t loo k of the cam w ere draw n, and the m athem atical m odel of the o rig inal angle of suppo rt ing2 seedling m echan ism w as set up. T he m echan ism w as u sed in 2ZB t ran sp lan ter, and w as p roved in exp erim en ts to be satisfied of the dem and to t ran sp lan t seedling s. Key words T ran sp lan ters, Suppo rt ing2seedling m echan ism , D esign, Exp erim en t 引言 半自動移栽機(jī)設(shè)計中 , 常用吊杯式或吊籃式移 栽機(jī) 構(gòu) 1, 2 保證缽苗栽植直立 性 。 導(dǎo)苗管式移栽機(jī) 采 用的扶苗機(jī)構(gòu)特點是 : 傾斜導(dǎo)苗筒式扶苗機(jī)構(gòu) 3 通 過控制導(dǎo)苗筒傾角使缽苗落地后自動立正 , 該機(jī)構(gòu) 作業(yè)可靠性受機(jī)具前進(jìn)速度影響較大 , 不易保證 ； 柵 欄式扶苗機(jī)構(gòu) 4 利用水平速度為零的柵欄扶持秧苗 覆土鎮(zhèn)壓 , 保證栽直 度 。 扶苗機(jī)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵是減小 缽 苗落地時水平速度 , 使缽苗在靜止?fàn)顟B(tài)下覆土鎮(zhèn)壓 , 保證栽直度 , 即所謂零速移 栽 。 基于這種理論 , 本 文 結(jié)合紙筒缽苗來研究缽苗落地后運動規(guī)律 , 并依此 設(shè)計凸輪擺桿式扶苗機(jī)構(gòu) , 使缽苗在支撐狀態(tài)下覆 土 , 保證秧苗直 立 。 1 缽苗翻轉(zhuǎn)運動分析 紙筒缽苗具有粘性和塑性 , 在分析缽苗落地與 地面塑性碰撞 時 , 忽略缽苗彈跳和振 動 。 紙筒缽苗 落 地后運動過程 中 , 簡化為圓柱型剛體模 型 。 紙筒缽 直 徑 25 mm、 高 度 75 mm。 如 圖 1, 缽苗重心位置 為 O , 收稿日期 : 2002 05 21 3 地面機(jī)械仿生技術(shù)教育部重點實驗室資助項目 (項目編號 : 961065) 周德義 吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 博士 , 130025 長春市 孫裕晶 吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 博士生 馬成林 吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 教授 博士生導(dǎo)師 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報 2 0 0 3 年 58 m R 2 = m gR 1 sin (- 0 ) s s2 + 2 2 2 1 s (s2 + 2 ) 2 1 2 2 加上秧苗葉質(zhì)量 , 測得重心高度為 45 mm。 圖 1 缽苗翻轉(zhuǎn)運動模型 因移栽作業(yè)速度較低且比較穩(wěn)定 , 為便于分析 , 設(shè)移栽機(jī)以速 度 vm 勻速前 進(jìn) 。 在慣 性力作用 下 , 缽 苗繞 A 點作 平面定軸轉(zhuǎn) 動 。 質(zhì)心回轉(zhuǎn)半徑為 R 1 = OA = 4617 mm。 下面分析不扶苗 時 , 紙筒缽苗落地后運動過 程 。 在重力作用下 , 缽苗力學(xué)平衡方程為 1 初始條件為 : 初相 角 0 = arctan 1215= 151524 45 2 扶苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和性能參數(shù) 在慣性力作用下 , 無扶苗機(jī)構(gòu)則缽苗落地時將 向前傾倒 , 因此缽苗栽植直立性主要取決于扶苗機(jī) 構(gòu) 。 理想情況應(yīng)在缽苗落地瞬間進(jìn)行扶苗 , 使缽苗 水 平速度為零 , 在支撐條件下覆土而不發(fā)生前沖和彈 跳 。 受滑移 率 、 摩擦力等隨機(jī)因素影響 , 缽苗著地 點 隨機(jī)變化 , 實際上要實現(xiàn)缽苗著地瞬間扶苗是很困 難 的 。 若扶苗機(jī)構(gòu)動作超前 , 則缽苗落到扶苗板上 反 彈 , 缽苗向后躺倒 ； 反之扶苗機(jī)構(gòu)動作滯后 , 由于慣 性作用缽苗向前倒 伏 。 設(shè)計中按缽苗著地一段時 間 后扶苗器開始扶持缽 苗進(jìn)行配置 , 直到覆土完成 , 然 后鎮(zhèn)壓完成栽植過 程 。 211 總體結(jié)構(gòu) 如 圖 2, 扶 苗 機(jī) 構(gòu) 由 凸 輪 、 復(fù)合擺 桿 、 平 行四 桿 機(jī) 構(gòu)及扶苗板組 成 。 扶 苗 機(jī)構(gòu)由地輪通過傳動鏈和 變 速箱驅(qū) 動 。 送苗盤有 6 個接苗杯 , 凸輪有兩個凸 齒。 凸輪與送苗盤轉(zhuǎn)速比 為 3 1。 凸輪和擺桿 O 2F 初始角速 度 0 = arctan R vX 0 co s 的作用是將變速器輸出的 1 0 轉(zhuǎn) 動轉(zhuǎn)換成往復(fù) 擺 動 。 為 整理可 得 R 1 = g ( sinco s0 - co ssin0 ) ( 0 , 10515 ) (1) 減小摩擦和沖擊 , 在擺桿 F 端 安裝一滾 輪 。 凸輪帶 令 = t, L () = F (s)。 對方程兩邊取拉氏 變 換 , 并將初始條件代入式 (1) 得 動 擺 桿 O 2F 轉(zhuǎn) 動 , 擺 桿 圖 2 扶苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖 R 1L ( ) = g co s0L ( sin (t) ) - sin0L (co s (t) ) 按拉氏變換展開可得 R 1 s2F (s) - s0 - 0 = O 2F 和 B O 2 剛性連 接 。 由擺桿 B O 2 帶動四連 桿擺 動 , 進(jìn)而帶動扶苗板往復(fù)運動 , 扶苗板安裝于四連桿 CD 延長 邊 上 。 通過輪廓曲線控制扶苗 板 E 運動 規(guī) 律 , 達(dá)到特定要 求 。 g co s0 s + - sin0 性能參 數(shù)包 括 : 扶苗板行 程 S 、 扶苗板運動規(guī) 律 (位 移 s、 速 度 v ) 和扶苗機(jī)構(gòu)初相 角 0。 即 F (s) = g R 1 s2 (s2 + 2 ) - 0 0 212 扶苗板工作行程確定 圖 3 中 , 以移栽機(jī)架為參照系 , Z 軸為導(dǎo)苗筒中 sin0 對式 (2) 進(jìn)行拉氏逆變換得 + + s s2 (2) 心軸線 , X 軸為落苗點前進(jìn)方向 , O 點為導(dǎo)苗筒中心 在 X 軸投影 點 。 A 點 為 vm = 111 km /h 時缽苗理 論 = g R 1 co s0 1 t- sin (t) - 落苗 點 。 在組合振動 導(dǎo)苗筒式導(dǎo)苗機(jī)構(gòu)試驗研 究3 中得出 : 落苗過程中缽苗在前進(jìn)方向上的理論相對 sin0 1- co s (t) + 0u ( t) + tu ( t) (3) 位移 l = 3174 mm , 理論落苗時間 t = 01421 2 s。 2 0 OA 0 其中 u ( t) 為階躍函數(shù) , 因 t 0, 有 u ( t) = 1。 將 u ( t) = 1 代入式 (3) , 得缽苗翻轉(zhuǎn)運動方程為 點劃線 B C 為開溝器側(cè)板末端位置 , lOB = 16 mm。 X 0、 X 1 分別表示扶苗板初始位 置和最大行程位 置 。 為避免缽苗下落時與扶苗板碰撞 , 消除落苗時 = g R 1 co s0 1 t- sin (t) - 間和位置誤差 , 扶苗板初始位置與缽苗落點之間設(shè) 置間隙 lX O , m in = 18 mm (紙筒缽苗半徑 1215 mm , 扶 sin0 1 1- co s (t) + 0 + 0 t (4) 0 苗板行程過渡區(qū) 515 mm )。缽苗落地一段時間后扶 co s0 1 0 1 第 5 期 周德義 等 : 移栽機(jī)凸輪擺桿式扶苗機(jī)構(gòu)設(shè)計與分析 59 圖 3 扶苗板行程示意圖 苗板相對機(jī)架以速度 vm 向后運動扶持秧苗 , 保證秧 苗 水平 速度為 零 , 在扶苗板扶持下覆 土 、 壓 實 , 然 后 迅速復(fù) 位 。 為保證移栽過程中缽苗覆土完全 , 取 lB X = tb= 01126 7 s。 扶苗板 扶 苗 和 回 程 時 間 為 : t = t1 + t2 + tb = 01167 8 s。 移栽機(jī)栽植頻率約 為 1 株 /s, 扶苗機(jī)構(gòu) 大 部分時間處于復(fù)位狀態(tài) , 保證了扶苗機(jī)構(gòu)和落苗過 程相配 合 。 214 扶苗機(jī)構(gòu)初相角的確定 如 圖 4, 扶 苗機(jī)構(gòu)初相 角 0 為扶苗機(jī)構(gòu)啟動 時 刻缽苗中心和送苗盤中心連線與投苗口前端和送苗 盤中心連線夾角 , 即 0 = ( t1 - td ) 其 中 = vm (1- )D /R d 4 mm , 則 lOX = lOB + lB X = 20 mm。扶苗板行程 : S = 式 中 t1 扶苗板開始扶苗時 間 lX O + lOX = 38 mm。 td 落苗時間 , td = 01421 2 s 213 扶苗板運動分析 如圖 3, 扶苗板運動時 , 位移 s 和速度 v 與機(jī)器 前進(jìn)方向相 反 。 這里討論扶苗板相對于機(jī)架運動 , s、 v 方向 與 X 軸一 致 。 為減少對秧苗沖擊 , 扶苗板啟 動 時先勻加速運動 , 接觸缽苗后以 - vm 勻速運動 , 到 X 1 點返 回 。 扶苗板與缽苗初始間距 為 91243 mm。 設(shè) 過渡區(qū)內(nèi)扶苗板運動加速度為 a , 扶苗板與缽苗接 觸時間為 t1 , 分離時間為 t2 , 則扶苗板相對運動方程 為 D 地輪與送苗盤之間傳動 比 地輪滑移 率 R d 地輪半徑 , R d = 0125 m 由此可得扶苗機(jī)構(gòu)初相角模型 : 0 = D ( t1 - td ) vm (1- ) /R d (9) 1 2 2 a t s= 1 2 ( t 0, t1 ) (5) 2 a t1 + vm ( t- t1 ) ( t t1 , t2 ) 扶苗板相對速度為 a t ( t 0, t1 ) v = vm ( t t1 , t2 ) (6) 圖 4 扶苗機(jī)構(gòu)初相角示意圖 落苗過程分析 5 表明 : 工作速度 vm 變化對落苗 扶苗板與缽苗接觸條件 時間 td 影響較 小 。 而送苗盤角速 度 和工作速 度 vm s1 = 1 a t2 - vm t1 = 01005 5 m (7) 2 1 扶苗板總行程 成 正 比 。 受土壤阻力等因素影 響 , 地輪滑移 率 和 投 苗 角 0 有變 化 , 因 此 , 調(diào)試中扶苗機(jī)構(gòu)初 相角需 根 據(jù)機(jī)器前進(jìn)速度按實測結(jié)果確 定 。 S = 1 a t2 + vm ( t2 - t1 ) = 01038 m (8) 2 3 扶苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定 由式 (7) 和 (8) 可得 : t2 = 01026 143 s。 求解式 (7) 時顯然有 t2 t1 , 故取 t1 = 01015 s, 則 有 a= 228183 m /s2。 可見過渡區(qū)內(nèi)扶苗加速度較大 , 而且工作速度 越 大 , 加速度越 大 。 此時扶苗板未與缽苗接 觸 , 不 會 對缽苗遭成沖 擊 。 在扶苗板表面貼一層耐油橡 膠 , 使 扶苗板與缽苗平穩(wěn)接觸 , 橡膠還可防銹 , 減少扶苗板 與紙筒粘 附 。 扶苗板 到 達(dá) X 1 點后以速 度 v b 勻速 返 回 。 為保證扶苗板運動準(zhǔn)確和及時復(fù) 位 , 擺 桿 OB 末 端連接復(fù)位彈 簧 。 降低扶苗板回程速度可減小扶苗機(jī)構(gòu)沖擊 , 取 v b= 013 m /s。 由扶苗板回程距 離 S 求得回程時間 為 扶苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包 括 : 凸輪升 程 h、 凸 輪 輪廓曲 線 、 擺桿和平行四桿長 度 。 311 凸輪升程和凸輪齒廓曲線設(shè)計 根據(jù)扶苗板 運動規(guī)律和結(jié)構(gòu)配置 , 沿圓周均勻 配置 2 個凸齒 , 凸輪升程 h = 8184 mm , 齒廓曲線變 化規(guī)律如圖 5 所示 , 實際凸輪廓線通過局部圓整理 論廓線而 成 。 312 擺桿機(jī)構(gòu)參數(shù)配置 復(fù)合擺桿和平行四連桿不僅能夠轉(zhuǎn)換構(gòu)件運動 方 式 , 還起放大扶苗板行程作 用 。 根據(jù) 傳動 比 i 的 要 求配置擺桿機(jī)構(gòu)參 數(shù) 。 如 圖 2, 設(shè) FO 2 = l1、 O 2B = l2、 1 1 1 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報 2 0 0 3 年 60 = = 413 測 試 。 試驗條 件 : 玉米品種吉 單 159, 苗 齡 3 葉 1 心 , 缽苗平均高度 130 mm , 測區(qū)長度為 15 m , 土壤濕度 13184% 15142%。 試驗時先標(biāo)定測試車速 度 , 依 次 按設(shè)定 速度進(jìn)行試 驗 , 同時測試作業(yè)速 度 、 株 距 、 滑 移 率和秧苗直立狀 況 。 試驗結(jié)果見 表 1, 移栽合格 率 為 95116%。 表 1 扶苗機(jī)構(gòu)土槽移栽玉米試驗 結(jié)果 圖 5 凸輪升程曲線 機(jī)組速度 次序 測區(qū)缽 不合格株數(shù) O 3B = l3、 O 3C = l4。 根據(jù)結(jié)構(gòu)配置 , 有 h = l1 sin1 l3 sin2 = l2 sin1 S = l4 sin2 (10) /km h- 1 苗株 數(shù) 漏栽 數(shù) 重栽 數(shù) 斜栽 數(shù) 傷秧 數(shù) 倒伏 數(shù) 根據(jù)裝配要 求 , 確 定 : l1 = 70 mm、 l4 = 153 mm 和 O 2、 O 3 位 置 。 前面分析得出 : 扶苗板行程 S = 38 mm , 因此 i= S l2 l4 h l1 l3 從而求得 : l2 = 63 mm , l3 = 32 mm。 4 試驗和驗證 在吉林大學(xué)農(nóng)業(yè)工程實驗室土槽試驗臺上進(jìn)行 注 : 秧苗主莖稈傾 斜 30 以上為斜 栽 。 試驗表 明 : 作業(yè)速度 為 112 116 km /h 時栽 植 質(zhì)量比較穩(wěn) 定 。 栽直率大 于 95% , 漏栽率小 于 2% , 栽植深度均勻 , 覆土厚度穩(wěn)定 , 滿足半自動移栽要 求。 參 考 文 獻(xiàn) 1 宋洪 波 , 安鳳 平 , 史 巖 . 偏心式移栽機(jī)的研 究 . 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué) 報 , 1997, 28 (增 刊 ): 41 45 2 封 俊 , 秦 貴 , 宋衛(wèi)堂 等 . 移栽機(jī)的吊杯運動分析與設(shè)計準(zhǔn) 則 . 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué) 報 , 2002, 33 (5) :