劉洋,李亞雄,趙華偉,王濤,李斌

(1新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所,石河子832000;2石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院,石河子832003)

吊籃式移栽機(jī)雙工位喂苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

劉洋1,李亞雄1,趙華偉2,王濤1,李斌1

(1新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所,石河子832000;2石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院,石河子832003)

吊籃式移栽機(jī)具有成穴和移栽一次完成的特點(diǎn),但是在使用時(shí)喂苗人員勞動強(qiáng)度較大,且易出現(xiàn)漏苗現(xiàn)象。為了解決此問題,設(shè)計(jì)了一種吊籃式移栽機(jī)雙工位喂苗機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)采用栽植單體上的擋鐵推動撥桿,由與之鉸接的拉桿打開喂苗筒上的活門實(shí)現(xiàn)向吊籃喂苗;通過計(jì)算確定了該機(jī)喂苗筒的高度,優(yōu)化了喂苗的位置和提前角。

吊籃式移栽機(jī);喂苗機(jī)構(gòu);提前角

Abstract:The feature of the bastkate-type transplanter is that it can complete cransplating and caving one time,but the labor intensity is great when it works.Considering this defect,a machinery about bastkatetype transplanter was designed.In this machinery,the iron block of planting monomer is used to push the lever,and the bar which is hinged with it,open the valve of picking seedling tube,thus the planter was thrown in the bastkate.The height of the planting tube is designed based on analyzing,and the position and advanced angle were optimized based on calculating,which can reduce the damage of planter by the bastkate and improve the accuracy of planting.

Key words:transplanter;picking seedling machinery;advance angle of picking seedling;bastkate

20世紀(jì)30年代國外發(fā)達(dá)國家出現(xiàn)了手工喂苗的栽植機(jī)具,50年代研制出多種不同結(jié)構(gòu)形式的半自動移栽機(jī)和簡易制缽機(jī)。70年代末B K Huang等發(fā)明了適合自動移栽的空氣整根育苗技術(shù),以此為基礎(chǔ)提出了缽體移栽的系統(tǒng)方案,并設(shè)計(jì)了精密苗盤播種機(jī)和自動移栽機(jī)。這種移栽機(jī)能夠移栽多種農(nóng)作物,通用性好,缺點(diǎn)是體積大,成本高[1]。80年代初美國出現(xiàn)了自動移栽機(jī),H L Brewer等[2]經(jīng)過多年研究、改進(jìn)、設(shè)計(jì)出箱式移栽機(jī)。目前,一些發(fā)達(dá)的國家已實(shí)現(xiàn)甜菜、玉米、蔬菜和煙草等旱地作物的育苗工廠化和移栽機(jī)械化。

我國在20世紀(jì)70年代開始研制裸根苗移栽機(jī),80年代研制成半自動蔬菜移栽機(jī),但是由于育苗技術(shù)落后,配套性能差,綜合效益低等原因都未得到推廣。2009年4月,新疆天業(yè)集團(tuán)從意大利Ferrari公司引進(jìn)一臺吊籃式移栽機(jī),該機(jī)移栽質(zhì)量好,可以方便地調(diào)節(jié)行距和株距,在使用過程中得到了農(nóng)機(jī)工人的好評。據(jù)農(nóng)機(jī)工人反映,該機(jī)喂苗不方便,受喂苗人員工作頻率的影響,工作時(shí)機(jī)組車行走速度較慢,移栽效率低;若機(jī)車提高作業(yè)速度,吊籃轉(zhuǎn)速將提高,容易造成喂苗人員喂苗不及時(shí),漏苗率提高,并使喂苗人員勞動強(qiáng)度得到極大的提升。因此,為了提高吊籃式移栽機(jī)的作業(yè)效率和移栽質(zhì)量,在吊籃式移栽機(jī)投苗理論的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種喂苗機(jī)構(gòu)。

1 喂苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與原理

吊籃式移栽機(jī)喂苗與栽植結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中箭頭方向是栽植單體轉(zhuǎn)動方向,喂苗機(jī)構(gòu)通過機(jī)架固定在移栽單體的上方。喂苗機(jī)構(gòu)主要有喂苗筒、活門、拉桿、撥桿、滾動軸承和彈簧組成,活門與喂苗筒和拉桿分別鉸接,拉桿一端有一根彈簧,不工作時(shí),在彈簧力作用下活門關(guān)閉喂苗筒。撥桿的下端安裝一個(gè)軸承,撥桿和拉桿之間連接一根彈簧,在彈簧力的作用下使撥桿與拉桿上的軸承始終接觸。

喂苗前,活門處于關(guān)閉狀態(tài),由人工將缽苗放入喂苗筒中,擋鐵隨著移栽單體的轉(zhuǎn)動與撥桿下端的軸承接觸,并推動撥桿,撥桿推動拉桿,拉桿打開活門,放在喂苗筒中的缽苗落入栽植單體的吊籃中,這樣就完成了喂苗工作,此時(shí)活門處于打開狀態(tài)。

圖1 喂苗和栽植機(jī)構(gòu)Fig.1 The mechanism of feed-seeding and transplanting

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 喂苗筒結(jié)構(gòu)

喂苗筒下端斜口(圖1)的角度對喂苗的可靠性有一定的影響。角度過小時(shí),活門關(guān)閉太快,容易夾苗;角度過大時(shí),活門打開時(shí)間較長,這樣人工將缽苗放入投苗筒的有效時(shí)間太短。另外,在能夠滿足人工投苗所需要時(shí)間的情況下,應(yīng)盡量取較大的傾斜角,以避免夾苗現(xiàn)象的產(chǎn)生。鑒于以上作業(yè)要求,本設(shè)計(jì)喂苗筒斜口的角度取為45°。

2.2 吊籃結(jié)構(gòu)

因?yàn)槲姑鐧C(jī)構(gòu)投下的缽苗在下落的過程中,栽植單體上的吊籃在轉(zhuǎn)動,為了使喂苗機(jī)構(gòu)投落的缽苗能夠準(zhǔn)確落入吊籃中,本設(shè)計(jì)對吊籃的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),即在吊籃的上端安裝一個(gè)苗盒,其結(jié)構(gòu)如圖1所示,這樣只要缽苗落入苗盒中,就保證了投苗的準(zhǔn)確性。

2.3 喂苗位置的確定[3-5]

2.3.1 喂苗筒高度的確定

喂苗筒的高度直接影響喂苗的準(zhǔn)確率及可靠性。喂苗筒過高時(shí),缽苗從喂苗筒活門打開到落入吊籃苗盒中的時(shí)間較長,這會降低喂苗的準(zhǔn)確率;若喂苗筒較低,則擋鐵推動撥桿打開活門的時(shí)間較短,會出現(xiàn)缽苗還未完全掉出喂苗筒而活門就已經(jīng)關(guān)閉的情況,這樣就發(fā)生了夾苗的現(xiàn)象。為了避免這種現(xiàn)象,可以增加擋鐵的長度來延長活門打開時(shí)間,同時(shí)盡量取較低的喂苗筒高度。

缽苗的高度一般在15～20 cm,為了避免夾苗現(xiàn)象,喂苗時(shí)缽苗應(yīng)全部掉出喂苗筒后活門才關(guān)閉。

因此,本設(shè)計(jì)喂苗筒的高度取為缽苗最大高度20 cm。

2.3.2 吊籃接苗瞬時(shí)位置的確定

參照文獻(xiàn)[6-7]確定吊籃接苗的瞬時(shí)位置。

在缽苗下落的過程中,為了減小缽苗落入吊籃時(shí)的損傷,就必須使缽苗受到的橫向沖擊力最小。圖2是缽苗下落示意圖,VT是移栽機(jī)工作行駛速度,因?yàn)槲姑缤埠驮灾矄误w的速度VT相等,所以缽苗在被投落時(shí)與栽植單體的速度VT也相等。缽苗質(zhì)心 M 在下落過程中只受到重力作用,所以速度VM方向垂直向下。吊籃A、B的速度為VA、VB,因?yàn)榈趸@在移栽單體上均布,所以VA與VB的大小相等。為了減小缽苗落入苗盒時(shí)的損傷,應(yīng)使吊籃A、B在水平方向的分速度同時(shí)取較小值時(shí)刻,缽苗落入苗盒。

根據(jù)速度矢量分解得:

上式中 , 00≤θ≤900。

由上面二式可以看出,吊籃A的水平速度與θ的正弦成反比,吊籃B的水平速度與θ的余弦成反比。因此,為了使吊籃A、B的苗盒在接到缽苗時(shí)水平速度都為較小值,只有取θ=45°,即當(dāng)?shù)趸@A、B的軸在移栽單體轉(zhuǎn)軸上方高度相等時(shí)接苗,缽苗的損傷較小。

圖2 缽苗下落示意Fig.2 The picture of the seed-droping

2.3.3 喂苗提前角的計(jì)算

參照文獻(xiàn)[8-10]計(jì)算喂苗提前角。

喂苗時(shí),缽苗從喂苗筒的活門打開到落入吊籃的過程中,吊籃繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的角度就是喂苗提前角。缽苗落下的準(zhǔn)確性除與喂苗筒到吊籃的距離有關(guān),還與吊籃在工作時(shí)的運(yùn)動角速度有關(guān),而角速度受移栽機(jī)工作行駛速度的影響,所以喂苗提前角是下落高度與移栽機(jī)工作行駛速度的函數(shù)。

喂苗時(shí),喂苗筒距處于接苗狀態(tài)的吊籃苗盒垂直距離 h =0.2 m。因?yàn)槔徝缗c吊籃的速度VT相等,所以在計(jì)算缽苗相對于吊籃的下落時(shí)間時(shí),可以忽略移栽機(jī)工作行駛速度VT的影響。根據(jù) t =缽苗下落時(shí)間t=0.2 s。

移栽機(jī)工作時(shí),每分鐘栽苗約80株,一次可以同時(shí)給2個(gè)吊籃喂苗,吊籃轉(zhuǎn)一圈喂苗4株,即栽苗單體每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)n=20。根據(jù)角速度公式ω=得吊籃旋轉(zhuǎn)的角速度ω=2.1 r/s。這樣,可以計(jì)算得喂苗提前角φ=ωt,從而φ=0.42 r,換算得φ≈24°。

3 結(jié)語

1)吊籃式移栽機(jī)雙工位喂苗機(jī)構(gòu)是在現(xiàn)有打穴式移栽機(jī)的移栽理論基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的,該機(jī)構(gòu)通過固定在栽植單體上的擋鐵推動撥桿使喂苗筒上的活門打開,從而完成喂苗工作,可以同時(shí)給2個(gè)吊籃喂苗。通過改進(jìn)吊籃結(jié)構(gòu),保證了喂苗的準(zhǔn)確性。

2)通過分析吊籃的運(yùn)動規(guī)律,確定了喂苗筒的高度為20cm時(shí)較為理想,并計(jì)算優(yōu)化了吊籃接苗較為合理的位置,即θ=45°時(shí),對缽苗的損傷較小。由于喂苗筒從投下缽苗到落入吊籃苗盒存在時(shí)間差,通過計(jì)算得到了最佳的喂苗提前角φ≈24°。

[1]李其昀.機(jī)械化育苗移栽的現(xiàn)狀和展望[J].農(nóng)機(jī)化研究,2006(3):26-27.

[2]劉磊,陳永成,畢新勝,等.吊籃式移栽機(jī)栽植器運(yùn)動參數(shù)的研究[J].石河子大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,26(4):504-506.

[3]安鳳平,龔麗農(nóng).2YZ-40型吊籃式缽苗栽植機(jī)的研究[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè),1999(2):18-22.

[4]孫裕晶,馬成林,左春檉.組合振動導(dǎo)苗筒式導(dǎo)苗機(jī)構(gòu)試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2001,32(6):30-33.

[5]宋洪波,安鳳平,史巖.偏心式移栽機(jī)的研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),1997,28(增刊):41-45.

[6]封俊,秦貴,宋衛(wèi)堂,等.移栽機(jī)的吊杯運(yùn)動分析與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2002,33(5):48-50.

[7]封俊,顧世康,曾愛軍,等.栽植機(jī)的性能評價(jià)指標(biāo)與檢測方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),1998,14(2):73-77.

[8]哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2002.

[9]李寶筏.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2003.

[10]周德義,孫裕晶,馬成林.移栽機(jī)凸輪擺桿式扶苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2003,34(5):57-60.

A Design of Duplex Working Positioned Picking Seedling Machinery of Bastkate-type Transplanter

LIU Yang1,LI Yaxiong1,ZHAO Huawei2,WANG Tao1,LI Bin1
(1 Mechanical Equipment Research Institute,Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Sciences,Shihezi,832000,China;2 College of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China)

S223.94

A

1007-7383(2010)05-0628-03

2010-08-19

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2007BAD44B04)

劉洋(1978-),助理研究員,從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究;e-mail:lyshz@yahoo.com.cn。