肖名濤，孫松林*，李凱，魏剛，楊彪

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410128)

油菜移栽機(jī)槽輪間歇式送苗機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

肖名濤1,2，孫松林1,2*，李凱1，魏剛1，楊彪1

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410128)

針對(duì)油菜移栽機(jī)設(shè)計(jì)了一套槽輪間歇式送苗機(jī)構(gòu)。通過建立送苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型，確定以送苗機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)扭矩最小為優(yōu)化目標(biāo)，以落苗時(shí)間與槽輪間歇停頓時(shí)間關(guān)系、鏈接數(shù)目與苗杯數(shù)量關(guān)系為約束條件，通過Matlab數(shù)值分析，得出滿足約束條件的較優(yōu)方案，即二指六槽式槽輪間歇機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)扭矩為87.2 N·m，間歇停頓時(shí)間為0.4 s。試驗(yàn)表明，優(yōu)化后的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)流暢，送苗準(zhǔn)確率可達(dá)92.9%。

油菜移栽機(jī)；槽輪送苗機(jī)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

為適應(yīng)高密度農(nóng)藝要求，油菜機(jī)械化移栽通常采用多行同時(shí)移栽，如采用大型拖拉機(jī)掛接的美國雷納多 RTME1100型半自動(dòng)多功能移栽機(jī)等。中國油菜生產(chǎn)主要集中在長江流域，以稻—油輪作方式為主。大型拖拉機(jī)質(zhì)量大，車輪易下陷打滑，破壞水田土壤，不適合在稻—油輪作區(qū)油菜移栽作業(yè)[1–4]。

為解決南方稻—油輪作區(qū)油菜機(jī)械化移栽的難題，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院研制了一種基于乘坐式水稻插秧機(jī)底盤的四行油菜移栽機(jī)。該機(jī)采用對(duì)稱布置的2套圓環(huán)式送苗機(jī)構(gòu)，1套送苗機(jī)構(gòu)能分別對(duì)2行栽植器送苗。作業(yè)時(shí)，2人投苗即能滿足4行同時(shí)移栽要求，既節(jié)約了勞動(dòng)力，也降低了整機(jī)質(zhì)量。為提高機(jī)構(gòu)送苗的準(zhǔn)確性，筆者設(shè)計(jì)了槽輪間歇式送苗機(jī)構(gòu)，建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 送苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及工作原理

移栽機(jī)送苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由主動(dòng)撥盤1帶動(dòng)槽輪2轉(zhuǎn)動(dòng)，槽輪底端鏈輪通過鏈條帶動(dòng)前方左右兩側(cè)轉(zhuǎn)盤底部的小鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，與之同軸的轉(zhuǎn)盤上方鏈條掛接有送苗杯(單側(cè)12個(gè)，圖中僅表示4個(gè))，苗杯移動(dòng)到一定的位置由底部投苗口打開苗杯蓋，向下落苗，幼苗進(jìn)入栽植器，完成1次送苗和投苗動(dòng)作。

圖1 送苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural diagram for the seedling feeder

主動(dòng)撥盤1以等角速度1ω勻速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)撥盤上的圓銷未進(jìn)入槽輪的徑向槽時(shí)，由于槽輪內(nèi)凹鎖止弧被撥盤1的外凸鎖止弧卡住，故槽輪不動(dòng)，此時(shí)苗杯靜止不動(dòng)。當(dāng)圓銷進(jìn)入槽輪的徑向槽時(shí)，由圓銷與槽徑的切向力帶動(dòng)槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

如圖1左側(cè)送苗盤所示，苗杯順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，B2 及A1處開有下落口，由B2沿逆時(shí)針方向?qū)⒆髠?cè)送苗盤苗杯依次編號(hào)1、2、3至12。初始時(shí)，B2及A1對(duì)應(yīng)的1、4號(hào)苗杯落苗空杯。撥盤轉(zhuǎn)1周，苗杯移動(dòng)2個(gè)位置，A1處空杯后4號(hào)杯轉(zhuǎn)動(dòng)到A2位置，B2處1號(hào)杯則順時(shí)針繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，等待轉(zhuǎn)動(dòng)到送苗盤另一側(cè)補(bǔ)苗，3號(hào)及6號(hào)苗杯轉(zhuǎn)動(dòng)到B2及A1落苗位置，下一個(gè)工作循環(huán)5號(hào)及8號(hào)苗杯投苗。如此，苗杯從A1進(jìn)入到B2處離開全部空杯。

2 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)主要需克服槽輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩 M1和苗杯部分運(yùn)動(dòng)所需力矩M2。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的總扭矩M= M1+M2。優(yōu)化的目標(biāo)是使得M最小。

2.1 槽輪的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析

當(dāng)撥盤的角速度一定時(shí)，槽輪的角速度及角加速度隨槽數(shù)z的變化而不同。如圖2所示，槽輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，α和β分別表示圓銷和槽輪的角度，并規(guī)定α和β在圓銷進(jìn)入時(shí)為負(fù)，圓銷離開時(shí)為正。

圖2 槽輪結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the geneva mechanism

式中：R為圓銷指半徑；L為撥盤與槽輪中心距；xr為圓銷至槽輪回轉(zhuǎn)中心的距離。令 R Lλ= ，可得：

建立槽輪運(yùn)動(dòng)學(xué)方程[5]：

對(duì)β分別求一階及二階導(dǎo)數(shù)，得到槽輪的角速度β˙和角加速度β˙˙。

利用文獻(xiàn)[6]求得當(dāng)前安裝中心距150 mm下各槽輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jz，編寫Matlab軟件，求得各槽輪在撥盤周期T=1.2 s時(shí)的圓銷指勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的扭矩(圖3)。

圖3 部分槽輪的扭矩Fig. 3 Torsion of different geneva mechanism

分析結(jié)果表明：從M3到M8，當(dāng)槽數(shù)越大時(shí)，其扭矩變化越平緩，峰值扭矩Mmax也就越小。

2.2 苗杯的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析

送苗機(jī)構(gòu)由槽輪間歇機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，因而送苗盤上的苗杯在鏈條的帶動(dòng)下也作間歇運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)為變速運(yùn)動(dòng)。如圖4所示。苗杯的運(yùn)動(dòng)分為2部分：一部分是前后的直線運(yùn)動(dòng)；另一部分是處于左右兩側(cè)時(shí)的半圓周運(yùn)動(dòng)。苗杯的變速運(yùn)動(dòng)由一部分苗杯的直線變速運(yùn)動(dòng)及少數(shù)苗杯的圓周變速運(yùn)動(dòng)組成。

圖4 苗杯運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.4 Skech of the movement of seeding cup

苗杯運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度先變快后變慢，加速度at先為正后為負(fù)。建立苗杯在直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程：

式中：Ft為驅(qū)動(dòng)力；r為苗盤轉(zhuǎn)角半徑；α5為槽輪的角加速度，與β˙˙相同。

圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，除了提供切向加速度，還要提供向心加速度，建立苗杯在圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程：

式中：ft為苗杯圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的切向力；fn為苗杯圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的徑向力；m1為進(jìn)入圓周運(yùn)動(dòng)的苗杯質(zhì)量；ω5為送苗鏈輪的角速度。

在圓周運(yùn)動(dòng)中，向心力并不做功，僅有切向變速運(yùn)動(dòng)作用力做功，因此，苗杯在軌道上無論是直線運(yùn)動(dòng)還是圓周運(yùn)動(dòng)，都只有切向加速度對(duì)其做功，其合力

3 約束條件

優(yōu)化 M(x)是使曲柄在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中最省力，但同時(shí)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)必須滿足下列時(shí)間要求。

3.1 落苗時(shí)間與槽輪停歇時(shí)間的約束關(guān)系

建立槽輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間特性方程：

式中： k為槽輪運(yùn)動(dòng)系數(shù)；td為主動(dòng)撥盤1回轉(zhuǎn)1周時(shí)槽輪2的運(yùn)動(dòng)時(shí)間；T為主動(dòng)撥盤轉(zhuǎn)1周的總時(shí)間；z為槽輪槽數(shù)。

槽輪機(jī)構(gòu)的間歇時(shí)間特性方程：

式中：ti為槽輪在1個(gè)周期的間歇時(shí)間；G為撥盤圓銷與槽輪接觸點(diǎn)到槽輪中心的距離。

在多圓銷槽輪機(jī)構(gòu)中，設(shè)圓銷數(shù)為n(個(gè))，槽數(shù)為z(個(gè))，則運(yùn)動(dòng)時(shí)間特性方程[7?9]為：

根據(jù)上述分析可得槽數(shù)與圓銷數(shù)的關(guān)系。在多圓銷情況下，間歇時(shí)間

當(dāng)撥盤轉(zhuǎn)動(dòng)周期T=1.2 s時(shí)，多圓銷槽輪的運(yùn)動(dòng)時(shí)間特性及間歇時(shí)間如表1所示。

表1 分苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間特性及間歇時(shí)間Table 1 Pause time of the seedling feeding geneva mechanism

分析可知，只有ti＞0.3 s，送苗機(jī)構(gòu)才能保證有足夠的落苗時(shí)間，圓銷數(shù)及槽數(shù)的組合才能滿足要求。由表1得知，當(dāng)n=1，z為1～8時(shí)，當(dāng)n=2，z為3～8時(shí)，當(dāng)n=3，z為3～4時(shí)，當(dāng)n=4，z=3時(shí)都可以滿足要求。

3.2 鏈節(jié)數(shù)與苗杯的約束關(guān)系

栽植器的栽植周期T=1.2 s。在結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)中，確定栽植器每完成1次作業(yè)循環(huán)，送苗機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)2個(gè)苗杯距離。已知栽植器的主軸與撥盤主軸的傳動(dòng)比是1∶1，即栽植器每完成1個(gè)循環(huán)，撥盤旋轉(zhuǎn)1圈。

選鏈條的型號(hào)為06B，其鏈節(jié)距p=9.52 mm，相鄰2個(gè)苗杯間的節(jié)數(shù)則苗杯間的實(shí)際距離d=9p=85.72 mm。單個(gè)分苗盤鏈條上各掛接12個(gè)苗杯，得到鏈條的總節(jié)數(shù)為108 節(jié)[13]。

采用此種鏈輪傳動(dòng)形式，需滿足撥盤每轉(zhuǎn)動(dòng) 1周，輸送鏈轉(zhuǎn)動(dòng)2個(gè)苗杯的距離，即18個(gè)鏈節(jié)。建立圓銷轉(zhuǎn)動(dòng)1周時(shí)鏈節(jié)數(shù)與苗杯的約束關(guān)系方程：

式中：α?為圓銷旋轉(zhuǎn)的角度；β?為槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

槽輪下方的驅(qū)動(dòng)大鏈輪齒數(shù)為3z，其與槽輪固定在一起，槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)β? 時(shí)，大鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度?3= ?β，輸送鏈主動(dòng)軸下端的鏈輪齒數(shù)為 z4，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為 ?4，送苗端的鏈輪齒數(shù)為 z5，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為 ?5，則有：

最終求解得出當(dāng)撥盤轉(zhuǎn)動(dòng)1周，滿足主動(dòng)軸上端鏈輪轉(zhuǎn)過18個(gè)鏈節(jié)，即z5=18zz4/(nz3)。

鏈接數(shù)量必須滿足此關(guān)系才能保證輸送鏈送苗準(zhǔn)確到位。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用Matlab語言編程，將上述關(guān)系式編寫程序文件進(jìn)行計(jì)算，以n、z作為變量，符合落苗時(shí)間作為限制條件，得出分苗機(jī)構(gòu)峰值扭矩的數(shù)據(jù)(表2)。

表2 不同組合機(jī)構(gòu)的扭矩峰值Table 2 Maximum torsion of different combination N·m

結(jié)果表明，槽輪槽數(shù)越多，峰值扭矩越小，槽輪圓銷數(shù)越多，最小峰值出現(xiàn)在2個(gè)圓銷、8個(gè)槽的槽輪機(jī)構(gòu)中，同時(shí)2個(gè)圓銷，6、7個(gè)槽的槽輪扭矩峰值與最小峰值接近，可以通過試驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)選，但其他組合與最小值相差在一個(gè)數(shù)量級(jí)之上，不適合用于設(shè)計(jì)優(yōu)選。

根據(jù)程序分別繪制出固定圓銷個(gè)數(shù)、改變槽數(shù)(圖4)和改變圓銷個(gè)數(shù)、固定槽數(shù)(圖5)的槽輪在整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的驅(qū)動(dòng)扭矩變化特性圖。圖4顯示，在各傳動(dòng)件滿足傳動(dòng)比要求的前提下，槽數(shù)越多，其曲線越平緩，峰值越低。

圖4 固定圓銷個(gè)數(shù)、改變槽數(shù)時(shí)槽輪的驅(qū)動(dòng)扭矩Fig.4 The driving torque of different solt

圖5顯示，各傳動(dòng)件滿足傳動(dòng)比要求的前提下，圓銷數(shù)越多，其曲線越平緩，峰值越低，初始值及結(jié)束值也越小。

圖5 改變圓銷個(gè)數(shù)、固定槽輪數(shù)時(shí)的驅(qū)動(dòng)扭矩Fig.5 The driving torque of different roundpin

圖4、圖5還表明，在圓銷進(jìn)入槽輪和退出槽輪時(shí)扭矩變化急速增加；在圓銷退出槽輪后到進(jìn)入下一個(gè)槽輪之間扭矩變化平緩，峰值扭矩遠(yuǎn)大于一般扭矩，故以機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中扭矩最小作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)合理可行。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

由于移栽機(jī)送苗機(jī)構(gòu)送苗合格率受栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的影響，試驗(yàn)測試時(shí)采用整機(jī)試驗(yàn)，在檢驗(yàn)栽植合格率時(shí)未引入幼苗直立度合格測試，即送苗合格率與栽植合格率相同。

依據(jù)文獻(xiàn)[10,11]設(shè)計(jì)試驗(yàn)，對(duì)比上述優(yōu)化計(jì)算篩選出的3組最優(yōu)解，驗(yàn)證分苗機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)效果。在同樣的試驗(yàn)條件下，通過制作表3所述3種形式的分苗機(jī)構(gòu)加裝到移栽機(jī)進(jìn)行栽植合格率的試驗(yàn)。

按南方稻—稻—油的種植模式，油菜移栽試驗(yàn)選用稻茬田。在移栽前先進(jìn)行整地，旋耕起壟后，壟面寬110 cm，高10 cm，溝寬30 cm。土壤質(zhì)地為壤土，表面無秸稈及雜草等障礙物，含水率15%～25%，碎土率不小于60%。

試驗(yàn)時(shí)2人投苗，調(diào)節(jié)油門拉桿，在試驗(yàn)1使撥盤轉(zhuǎn)動(dòng)周期穩(wěn)定在1.2 s，試驗(yàn)2、3逐步增大油門，使周期分別為1.0 s和0.8 s。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，每次移栽120株，栽植合格率為平均值。

表3 栽植合格率Table 3 Pass percentage of planting

通過對(duì)比，同樣的作業(yè)環(huán)境下，2個(gè)圓銷、6個(gè)槽輪的組合形式在T=1.2 s的條件下栽植效果最好，栽植合格率最高，達(dá)到92.9%，滿足旱地移栽機(jī)性能指標(biāo)規(guī)范。該方案是優(yōu)化設(shè)計(jì)的較優(yōu)方案。

5 討 論

在槽輪間歇式運(yùn)動(dòng)中，槽輪運(yùn)轉(zhuǎn)所需扭矩大小與槽輪的圓銷數(shù)和槽數(shù)成反比。在小型農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩較小，適當(dāng)增加圓銷數(shù)和槽數(shù)可提高槽輪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的抗負(fù)載能力。

槽輪機(jī)構(gòu)在圓銷進(jìn)入和退出槽輪時(shí)，扭矩顯著增大，會(huì)產(chǎn)生沖擊，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生瞬時(shí)反扭矩，影響機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)的平順性。在整機(jī)設(shè)計(jì)中可以優(yōu)化其他工作機(jī)構(gòu)的位置或運(yùn)動(dòng)特性來平衡槽輪運(yùn)動(dòng)的沖擊。

由于在圓銷進(jìn)入槽輪和退出槽輪時(shí)扭矩急速增加，而在圓銷退出槽輪后到進(jìn)入下一個(gè)槽輪之間扭矩很小，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，不能以圓銷旋轉(zhuǎn)1個(gè)周期的驅(qū)動(dòng)扭矩均值最小作為優(yōu)化目標(biāo)，而應(yīng)以峰值扭矩最小為優(yōu)化目標(biāo)。

[1] 官春云，譚太龍，王國槐，等．湖南高產(chǎn)油菜的產(chǎn)量構(gòu)成特點(diǎn)及主要栽培措施[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，37(4)：351–355．

[2] 官春云．油菜機(jī)械化生產(chǎn)中農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)相結(jié)合的探索與實(shí)踐[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，37(6)：674–677．

[3] 袁文勝，吳崇友，于修剛，等．粘重土壤條件下油菜移栽機(jī)械化研究前景初探[J]．中國農(nóng)機(jī)化，2011(1)：69–71，99．

[4] 官春云．改變冬油菜栽培方式，提高和發(fā)展油菜生產(chǎn)[J]．中國油料作物學(xué)報(bào)，2006，28(1)：83–85．

[5] 章磊，趙鵬兵．槽輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11(18)：4198–4202．

[6] 劉守法，許行之．剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量虛擬仿真測量方法[J].機(jī)床與液壓，2010，38(1)：110–112．

[7] Fiolini G，Rea P．The pure-rolling cam-equivalent of the geneva mechanism[J]．Mechanism and Machine Theory，2006，41(11)：1320–1335．

[8] Jyhjone L，Binheng J．Design of geneva mechanisms with curved slots for non-undercutting manufacturing[J]. Mechanism and Machine Theory，2009，44(6)：1192–1200．

[9] 濮良貴，紀(jì)名剛．機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]．北京：高等教育出版社，2006：165–180．

[10] JB/T 10291—2001，旱地栽植機(jī)械[S]．

[11] NY/T1924—2010，油菜移栽機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范[S]．

責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：羅 維

Optimal design of intermittent seedling feeding geneva mechanism for rape transplanter

XIAO Ming-tao1,2，SUN Song-lin1,2*，LI Kai1，WEI Gang1，YANG Biao1
(1.College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2.Hunan Modern Agricultural Machinery Engineering & Technology Research Center, Changsha 410128, China)

An intermittent seedling feeding geneva mechanism for rape transplanter was designed. By analyzing the molds of kinematics and dynamics of the seedling feeding mechanism, the minimum drive torque was determined as the optimization goal. The relationships between seedling drop time and geneva pause time and between link number and seedling cup were set as constraints. A two slot and six round pin geneva mechanism with drive torque equal to 87.2 N·m and pause time equal to 0.4 s was found to be the optimal scheme satisfying the constraints by Matlab software analyzing. The test results shows the optimized mechanism runs smoothly and the seedling feeding accuracy rate reached up to 92.9%.

rape transplanter; seedling feeding geneva mechanism; optimumal design

S223.9

A

1007?1032(2014)02?0211?05

10.13331/j.cnki.jhau.2014.02.021

投稿網(wǎng)址：http://www.hunau.net/qks

2013–11–19

國家“十二·五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAD20B083)

肖名濤(1981—)，男，湖南桑植人，博士研究生，講師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究，xiaomentor@163.com；*通信作者，hnndssl@163.com