王玉偉，李旭英,張　波,魯國成,何生根

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特　010018)

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吊杯式栽植器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)與參數(shù)化設(shè)計(jì)

王玉偉，李旭英,張波,魯國成,何生根

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特010018)

摘要：吊杯式栽植器是吊杯式移栽機(jī)的核心部件，其結(jié)構(gòu)尺寸及運(yùn)動(dòng)規(guī)律直接影響到秧苗的栽植質(zhì)量。為了使移栽機(jī)在工作過程中減小打穴穴口的尺寸，從而減小對地膜的損害程度，從栽植器的結(jié)構(gòu)與尺寸參數(shù)入手，對吊杯的結(jié)構(gòu)安排及各零部件的尺寸進(jìn)行了改進(jìn)，利用Pro/E完成了修改后的三維模型；同時(shí)，利用pro/program對修改過后的栽植器整體進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)，分析了空間凸輪的大小、形狀的改變對栽植器杯嘴開合幅度的影響，確定了各參數(shù)之間的關(guān)系。為適應(yīng)不同作物的農(nóng)藝要求，當(dāng)投苗杯大小發(fā)生改變時(shí)，吊杯各零部件在保證栽植質(zhì)量的前提下完成相應(yīng)的變化，無需重新建立和裝配模型，為后續(xù)運(yùn)動(dòng)仿真節(jié)省了重復(fù)建模的時(shí)間。其研究結(jié)果為進(jìn)一步優(yōu)化栽植器的結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：吊杯式栽植器；結(jié)構(gòu)改進(jìn)；空間凸輪；參數(shù)化設(shè)計(jì)

0引言

移栽是蔬菜生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)之一，具有對氣候的補(bǔ)償作用和使作物生育提早的綜合效益。尤其是膜上移栽，具有利于增溫調(diào)濕、改善作物生長環(huán)境、提高肥料利用率、減輕雜草和病蟲危害、縮短作物生育期、移栽時(shí)不傷根及不緩苗的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。目前研制的能在地膜上移栽的機(jī)械主要為吊杯式移栽機(jī)和水輪式移栽機(jī)，并且多停留在實(shí)驗(yàn)階段[3-5]。吊杯式移栽機(jī)就是一種能夠?qū)崿F(xiàn)膜上移栽的半自動(dòng)栽植機(jī)器。到目前為止很多學(xué)者對移栽機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和栽植過程進(jìn)行了研究，但對于栽植后的栽植質(zhì)量和在膜上打穴后的穴口大小研究的甚少。由于膜上移栽是在地膜上打穴，如果穴口形成的尺寸過大，會(huì)使地膜失去作用，達(dá)不到膜上移栽的目的，這也是制約吊杯式移栽機(jī)推廣應(yīng)用的主要原因。

影響穴口尺寸的因素較多，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)其主要與吊杯式栽植器的運(yùn)動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，所以在保證栽植運(yùn)動(dòng)特性的前提下對栽植器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，使得穴口尺寸更加合理。本文在分析吊杯式移栽機(jī)的工作原理和各結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系后，建立了改進(jìn)過后吊杯式栽植器的三維實(shí)體模型，探索了影響穴口開合大小的各參數(shù)之間的關(guān)系。同時(shí)，對吊杯整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)，當(dāng)?shù)醣P(guān)鍵部件尺寸發(fā)生變化時(shí)無需重新建模與裝配，即可獲得所需要的栽植器模型，提高了設(shè)計(jì)效率。

1栽植器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

移栽過程中穴口的大小可以用穴口橫向及縱向尺寸來衡量。橫向尺寸是栽植器杯嘴完全打開時(shí)在土表以下形成的，其方向與機(jī)器前進(jìn)的方向垂直。當(dāng)栽植器做水平前移和圓周運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí),杯嘴的具體運(yùn)動(dòng)為擺線形式。為保證栽植效果要確保特征系數(shù)λ>1[6-7]，此時(shí)在機(jī)器前進(jìn)的方向上形成的穴口大小為縱向尺寸。在保證栽植質(zhì)量的前提下應(yīng)盡量減小穴口橫向、縱向尺寸。

移栽機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性不符合要求或者栽植器的結(jié)構(gòu)尺寸不合理，都會(huì)產(chǎn)生地膜開口過大的現(xiàn)象。所以，若想減小穴口尺寸應(yīng)在選擇合理的特征系數(shù)λ下，合理安排栽植器的結(jié)構(gòu)尺寸。在保證栽植質(zhì)量的前提下使得杯嘴的打開程度盡量減小，如此栽植器以擺線形式向前滑移時(shí)，則穴口會(huì)相應(yīng)地減小。本文是在運(yùn)動(dòng)特性不變時(shí)(即λ不變)優(yōu)化栽植器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，降低穴口的尺寸。

改進(jìn)后的栽植器是在現(xiàn)有的吊杯式移栽機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和設(shè)計(jì)的[8]，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1栽植器杯嘴的改進(jìn)

本次設(shè)計(jì)在原有栽植器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)際調(diào)查，了解到蔬菜育苗時(shí)穴盤的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為540mm×280mm，而栽植中常用的穴盤的穴數(shù)為V50、V72、V128、V200等[9]。目前，采用的吊杯式栽植器的投苗杯口徑為80mm，若通過穴數(shù)為V128、V200培養(yǎng)的秧苗依然使用口徑為80mm的栽植器，則在栽植過程中形成的穴口尺寸相對秧苗來說比較大，應(yīng)將投苗杯的口徑縮小到適合缽苗大小。圖1所示為栽植器口徑為60mm時(shí)的模型。當(dāng)移栽機(jī)栽植較小秧苗時(shí)，投苗杯口徑應(yīng)減小，但投苗杯口徑減小后，杯嘴旋轉(zhuǎn)主軸容易與投苗杯發(fā)生干涉，故將杯嘴主軸移到掛柄外側(cè)；同時(shí)，為了簡化掛柄的加工工藝，省去了掛柄的折彎。

1.投苗杯　2.復(fù)位彈簧　3.滾動(dòng)軸承　4.掛柄　5.吊杯主軸

若投苗杯口徑減小，杯嘴尺寸也應(yīng)當(dāng)減小。變化后的杯嘴插入到地表以下進(jìn)行打穴時(shí)必然會(huì)減小穴口的橫向尺寸。杯嘴由方形變?yōu)閳A弧形，省去了方形杯嘴兩側(cè)的折彎空間，當(dāng)杯嘴在土壤中縱向滑移時(shí)，使得地膜的損壞程度減小。圖2為改進(jìn)前的杯嘴，圖3為改進(jìn)后的杯嘴。

圖2　改進(jìn)前杯嘴

圖3　改進(jìn)后杯嘴

1.2建立空間凸輪與杯嘴開合的關(guān)系方程

栽植器通過兩邊的轉(zhuǎn)柄和彈簧卡子固定在移栽機(jī)的轉(zhuǎn)盤上，而移栽機(jī)轉(zhuǎn)盤的安裝位置一般情況下是固定不動(dòng)的，所以要求兩轉(zhuǎn)柄之間的距離不能發(fā)生變化，當(dāng)投苗杯的尺寸發(fā)生變化時(shí)，必須修改空間凸輪的大小來確保栽植器杯嘴的開合規(guī)律，如圖4所示?？臻g凸輪的高度直接影響杯嘴的打開程度，而凸輪的形狀影響到杯嘴開合的規(guī)律[8]。

圖4　空間凸輪大小與杯嘴開合的關(guān)系

空間凸輪與滾動(dòng)軸承的有效接觸長度為

式中h—空間凸輪的高度；

s1—轉(zhuǎn)柄右側(cè)到投苗杯左側(cè)的距離；

s2—杯嘴主軸到投苗杯左側(cè)的距離；

l1—杯嘴主軸到軸承中心的距離；

r—滾動(dòng)軸承的半徑；

θ—軸承中心線與投苗杯左側(cè)的夾角；

O—杯嘴主軸旋轉(zhuǎn)中心；

A—軸承起始位置；

B′—左側(cè)杯嘴的起始位置；

B″—右側(cè)杯嘴的起始位置。

轉(zhuǎn)柄在做空間回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，安裝在轉(zhuǎn)柄上的空間凸輪與滾動(dòng)軸承相接觸，凸輪的高度h直接影響杯嘴的開啟程度，圖5所示為杯嘴完全打開時(shí)。當(dāng)杯嘴完全打開時(shí)，圖中B`B``的距離為杯嘴張開時(shí)的最大距離(記為S)。掛柄移動(dòng)位置的簡圖如圖6所示。

圖5　杯嘴完全打開圖

圖6　掛柄移動(dòng)位置簡圖

圖6中AB′為掛柄原來的位置，當(dāng)空間凸輪推動(dòng)軸承使得杯嘴完全打開時(shí)，A′B為掛柄移動(dòng)后的位置，軸承中心由原來的A位置移動(dòng)到了A′位置。θ為掛柄與投苗杯左側(cè)的夾角，ψ為掛柄轉(zhuǎn)過的角度。杯嘴底部由原來的B位置移動(dòng)到B`位置，而軸承實(shí)際移動(dòng)的距離為AC，杯嘴實(shí)際移動(dòng)的距離為BD。由相似三角形原理可得

式中l(wèi)1—杯嘴主軸到軸承中心的距離；

l2—杯嘴主軸到杯嘴底部的距離；

BD—杯嘴實(shí)際移動(dòng)的距離；

AC—軸承實(shí)際移動(dòng)的距離。

AC即為凸輪與軸承的有效接觸長度。

由圖4中的關(guān)系可知，AC=l，杯嘴完全張開后距離為2BD，則圖5中有

當(dāng)空間凸輪的高度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)影響杯嘴的最大張開距離，為保證杯嘴的開啟閉合規(guī)律[8]，在凸輪的高度發(fā)生變化時(shí)，凸輪的形狀也要發(fā)生相應(yīng)的變化?？臻g凸輪的板金圖如圖7所示。

圖7　空間凸輪的板金圖

當(dāng)凸輪高度由h變?yōu)閔′時(shí)，為保持杯嘴的張開時(shí)間不變，則m不能發(fā)生變化；為保證杯嘴的開始張開和開始閉合時(shí)間不變，則α不變，那么凸輪中n應(yīng)該發(fā)生相應(yīng)的變化來保持α不變。

2吊杯式栽植器的參數(shù)化設(shè)計(jì)

栽植器是經(jīng)過左右兩邊的轉(zhuǎn)柄安裝固定在兩轉(zhuǎn)盤上的，安裝和拆卸比較方便。轉(zhuǎn)盤安裝固定在移栽機(jī)的主軸上，轉(zhuǎn)盤之間的距離固定為197mm，所以要求栽植器兩轉(zhuǎn)柄之間的距離不能發(fā)生變化,栽植器總體寬度為274mm不能發(fā)生變化。當(dāng)投苗杯的口徑大小發(fā)生變化時(shí)，為保證秧苗的栽植質(zhì)量，分析了杯嘴、空間凸輪的參數(shù)變化，建立了各零部件之間參數(shù)的關(guān)系，如表1所示。

當(dāng)經(jīng)過不同穴盤培育出體積不一樣的秧苗時(shí)，投苗杯的大小應(yīng)該適應(yīng)秧苗的大小而發(fā)生變化。所以，在轉(zhuǎn)柄距離不發(fā)生變化的前提下來改變投苗杯的大小，且要保證杯嘴的開啟程度B′B″及杯嘴的開合規(guī)律，就必須相應(yīng)地改變栽植器的空間凸輪、左梁、右梁及杯嘴等零部件的尺寸以及形狀。前面已經(jīng)分析了空間凸輪的改變對栽植的影響，通過對

栽植器各零部件之間參數(shù)關(guān)系及配合關(guān)系的分析，建立了栽植器各部分的系統(tǒng)聯(lián)系，為進(jìn)一步在Pro/E中進(jìn)行參數(shù)化做準(zhǔn)備。

表1　栽植器各參數(shù)之間的關(guān)系

W為投苗杯口徑，K為杯嘴變化系數(shù)；W<60時(shí)K=1，60≤W<70時(shí)K=2，70≤W<80時(shí)K=3，80≤W時(shí)K=4。

Pro/E除了本身具備功能完善的設(shè)計(jì)、分析、輔助制造等功能外，還給設(shè)計(jì)者提供了許多二次開發(fā)工具。而“pro/program”是Pro/E給每個(gè)模型提供的一個(gè)主要設(shè)計(jì)步驟和參數(shù)列表記載的工具，利用此工具可以將某些經(jīng)常要更改的步驟或尺寸,事先以語句的方式寫入，在使用時(shí)點(diǎn)擊Regenerate只需輸入關(guān)鍵部件的參數(shù)，便可直接生成零件[10-11]。在完成對各零部件的參數(shù)化之后，進(jìn)行裝配并將裝配體內(nèi)各零部件的參數(shù)利用execute語句建立起聯(lián)系，由此完成整體的參數(shù)化。完成參數(shù)化的栽植器口徑可以在55、60、65、70、75、80、85mm之間變化，圖8、圖9是投苗杯為常用口徑60、80mm時(shí)栽植器整體的變化。

圖8　W=60mm時(shí)的栽植器

圖9　W=80mm時(shí)的栽植器

3栽植器不同參數(shù)下的運(yùn)動(dòng)仿真

完成對栽植器的整體參數(shù)化設(shè)計(jì)之后，在pro/E的mechianism的模塊下對栽植器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。根據(jù)移栽的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，定義電機(jī)的轉(zhuǎn)速為30°/s。以杯嘴最低端的中間部位為參考點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，選取常用投苗杯口徑60、80mm進(jìn)行仿真分析，觀察杯嘴的開合程度。圖10、圖11分別為投苗杯口徑為60、80mm下杯嘴參考點(diǎn)的橫向位移。圖10顯示杯嘴由0～25mm內(nèi)有規(guī)律的開合，圖11顯示杯嘴由0～35.5mm內(nèi)有規(guī)律的開合。分析比較圖10、圖11可知：當(dāng)投苗杯口徑由60mm變?yōu)?0mm，杯嘴的最大橫向位移增加，打穴穴口的橫向值增加，對地膜的損壞程度變大。

圖10　W=60mm時(shí)杯嘴參考點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡

圖11　W=80mm時(shí)杯嘴參考點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡

4結(jié)論

1)對吊杯式栽植器的部分零件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn),分析了空間凸輪的改變對栽植器杯嘴開啟幅度的影響,確定了凸輪參數(shù)與杯嘴開啟幅度之間的關(guān)系方程。

2)對吊杯式栽植器整體進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)。當(dāng)投苗杯口徑發(fā)生比生變化時(shí)，栽植器模型自動(dòng)更新。便于分析結(jié)構(gòu)的合理性與干涉檢查，提高了建模的效率。

3)當(dāng)投苗杯口徑發(fā)生變化時(shí)，杯嘴的橫向位移發(fā)生相應(yīng)的變化,在移栽不同作物時(shí)應(yīng)根據(jù)自身的農(nóng)藝要求及穴盤的大小選擇合理的投苗杯口徑，以減小對地膜的損害程度。

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Improvement and Parametric Design of Dibble-type Transplanting Device

Wang Yuwei, Li Xuying, Zhang Bo, Lu Guocheng, He Shenggen

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：Dibble-type transplanting device is a core component of dibble-type transplanter, the structural size and rules of movement directly affect the quality of seedling planting.In order to reduce the foveolar size during the working process, thereby reducing the film damage, from the structure and size parameters of transplanter, improved the structural arrangement and the size of the components, using PRO/E to complete the three-dimensional model modified,using pro/grogram completed the parameterized design for whole planter improved, analyzes the influence that spatial cam size and shape changes for transplanter cup mouth closing amplitude, determined the link between the various parameters, In order to meet the requirements of different crops of agronomic, when dropping seedling cup size changed, the components in the dibble-type transplanting device will complete the corresponding changes under the planting quality, it is not need to re-establish the model, saved the time for motion simulation. The research results provide a theoretical basis for further optimization of transplanter.

Key words：dibble-type transplanting device; structural improvement; spatial cam; parametric design

文章編號(hào)：1003-188X(2016)03-0060-05

中圖分類號(hào)：S223.9；S220.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：王玉偉(1989-)，男，河北衡水人，碩士研究生，(E-mail)1057065487@qq.com。通訊作者：李旭英(1963-)，女，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)lixuy2000@yahoo.com.cn。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51465048);內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校研究項(xiàng)目(NJZY050)

收稿日期：2015-02-10