韓長(zhǎng)杰，趙曉偉，郭　輝，趙占軍，張　靜，楊宛章

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院，烏魯木齊　830052)

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吊籃式自動(dòng)移栽機(jī)動(dòng)態(tài)喂苗影響因素分析

韓長(zhǎng)杰，趙曉偉，郭輝，趙占軍，張靜，楊宛章

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院，烏魯木齊830052)

摘要：吊籃式自動(dòng)移栽機(jī)在移栽過程中遇到移栽地面不平整或車速波動(dòng)，易造成吊籃式自動(dòng)移栽機(jī)平拋喂苗準(zhǔn)確率降低。為此，通過對(duì)吊籃式自動(dòng)移栽機(jī)平拋喂苗運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，提出了改變苗筒喂苗位置來解決此問題的方法。通過分析得出：當(dāng)栽植器機(jī)架傾角逐漸大于-arctan(0.073vm)時(shí)，苗筒喂苗位置沿車速方向移動(dòng)。當(dāng)栽植器機(jī)架傾角逐漸小于-arctan(0.073vm)時(shí)，苗筒喂苗位置沿車速方向移動(dòng)。當(dāng)栽植器機(jī)架傾角恒定時(shí)，車速增大，苗筒喂苗位置需要沿車速的相反方向移動(dòng)；車速度減小時(shí)，苗筒喂苗位置需要沿車速方向移動(dòng)；最佳吊籃接苗位置不隨車速的波動(dòng)而發(fā)生改變。本研究結(jié)論為提高吊籃式自動(dòng)移栽機(jī)喂苗準(zhǔn)確性奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：吊籃；苗筒；自動(dòng)移栽機(jī)；平拋喂苗；軌跡模型

0引言

國(guó)內(nèi)旱地移栽機(jī)的研究，始于20世紀(jì)70年代，主要是在發(fā)達(dá)國(guó)家移栽機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了改進(jìn)[1-3]，并以半自動(dòng)移栽機(jī)為主；而自動(dòng)移栽機(jī)因結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、研究成本高，且移栽模式受缽苗種類不同，結(jié)構(gòu)相差大。目前，自動(dòng)移栽機(jī)在國(guó)內(nèi)尚處于試驗(yàn)研究階段[4]，主要機(jī)型有俞高紅[5-12]等人研究的齒輪行星輪系自動(dòng)移栽機(jī)；陳達(dá)[13]等人研究的自動(dòng)分缽式栽植器；張晨[14]等人研制的2ZB-2穴盤缽苗旱地膜上自動(dòng)移栽機(jī)等。

本文研究對(duì)象為韓長(zhǎng)杰[15-16]等人設(shè)計(jì)的自動(dòng)移栽機(jī)，該機(jī)喂苗方式為平拋喂苗。在移栽過程中，當(dāng)受到地面不平整或車速波動(dòng)時(shí)，缽苗不能準(zhǔn)確喂入吊籃內(nèi)，為解決此問題，本文對(duì)平拋喂苗運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析。

1動(dòng)態(tài)喂苗速度分析

吊籃式自動(dòng)移栽機(jī)傳動(dòng)示意圖，如圖1所示。拖拉機(jī)向前行駛驅(qū)動(dòng)地輪轉(zhuǎn)動(dòng)，地輪經(jīng)六方軸驅(qū)動(dòng)栽植器及自動(dòng)取喂裝置工作。

圖1中：鏈輪1'、1的齒數(shù)均為20，鏈輪2'、2的齒數(shù)均為17，鏈輪5、6的齒數(shù)均為16，鏈輪3的齒數(shù)為16，鏈輪4的齒數(shù)為20；軸Ⅰ'、Ⅰ為地輪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，軸Ⅱ?yàn)樵灾财鞯霓D(zhuǎn)動(dòng)軸，軸Ⅲ為六方軸，軸Ⅳ、軸Ⅴ分別為自動(dòng)取喂裝置的水平軸、豎直軸。根據(jù)傳動(dòng)關(guān)系可得，i12=0.85，i34=1.25，i56=1。

圖1　吊籃式自動(dòng)移栽機(jī)傳動(dòng)示意圖

根據(jù)鏈傳動(dòng)分析計(jì)算得

(1)

其中，n1、n3、n5分別為相應(yīng)鏈輪的轉(zhuǎn)速(r/s)。

各鏈輪的速度為

(2)

其中，v1為地輪速度(m/s)；vm為車速(m/s)；vE為缽苗水平速度(m/s)；vF為吊籃速度(m/s)；d1為地輪直徑(m)；r為栽植圓盤半徑(m)；d9為鏈輪9分度圓直徑(m)；δ為地輪滑移系數(shù)。

2動(dòng)態(tài)喂苗軌跡分析

以栽植器的轉(zhuǎn)動(dòng)中心O為原點(diǎn)，車速反方向?yàn)閤軸的正方向，豎直向上為y軸的正方向，建立直角坐標(biāo)系，如圖2所示。圖2中，vm表示車速；O2點(diǎn)為栽植器機(jī)架鉸接點(diǎn)；O3點(diǎn)為可伸縮的活門托板末端固定點(diǎn)；a為在吊籃接苗點(diǎn)位置時(shí)，吊籃固定點(diǎn)與原點(diǎn)的連線相對(duì)水平面的夾角。當(dāng)栽植器機(jī)架繞其鉸接點(diǎn)O2傾斜θ角時(shí)，根據(jù)幾何關(guān)系可得

(3)

其中，s1為A、B兩點(diǎn)的水平距離(m)；s2為A、B兩點(diǎn)的豎直距離(m)；s3為B、O3兩點(diǎn)的水平距離(m)；l為O2、O兩點(diǎn)的距離(m)；θ為栽植器機(jī)架傾角(°)；l0為O3點(diǎn)的x軸坐標(biāo)(m)。

1.活門托板　2.活門　3.苗筒　4.栽植器機(jī)架

2.1吊籃接苗位置

為保障缽苗準(zhǔn)確落入吊籃內(nèi)，且缽苗與吊籃的碰撞較小，需確定吊籃最佳接苗位置。

在圖2直角坐標(biāo)系xOy中，由分析可得

(4)

其中，h0為栽植器機(jī)架固定點(diǎn)O2到活門托板的豎直距離(m)；h為吊籃固定點(diǎn)到吊籃上平面的豎直距離(m)；h1為缽苗從落苗位置平拋運(yùn)動(dòng)到吊籃接苗位置的豎直位移(m)。

當(dāng)缽苗與吊籃的水平速度相同時(shí)，缽苗與吊籃在水平方向上無碰撞，此時(shí)吊籃接苗位置為其最佳接苗位置，可得

(5)

式中ω—栽植器圓周運(yùn)動(dòng)的角速度(rad/s)。

聯(lián)立式(1)、式(2)、式(5)得

(6)

由式(6)可知：當(dāng)栽植器機(jī)架傾角恒定時(shí)，最佳接苗位置不隨車速波動(dòng)而發(fā)生變化。

2.2苗筒喂苗位置

苗筒喂苗位置依靠活門托板長(zhǎng)度來控制，其長(zhǎng)度是苗筒喂苗點(diǎn)B1到活門托板固定點(diǎn)O3的距離，如圖2所示。

當(dāng)栽植器機(jī)架傾角為θ時(shí)，分析可得

(7)

其中，x2為缽苗水平位移(m)；h2為缽苗豎直位移(m)；t2為運(yùn)動(dòng)時(shí)間(s)；g為重力加速度(m/s2)；l1為活門托板長(zhǎng)度(m)。

聯(lián)立式(1)～式(5)、式(7)得

(8)

2.3栽植器機(jī)架傾角范圍

吊籃式栽植器在移栽過程中，栽植器機(jī)架隨地面起伏變化做上下浮動(dòng)，栽植器與懸掛主梁的連接形式如圖3所示。栽植器機(jī)架與固定板鉸接，并通過固定板接懸掛主梁。栽植器機(jī)架向上傾斜的極限位置為其向上接觸到固定板，向下傾斜的極限位置為其向下接觸到限位板。栽植器機(jī)架傾角范圍為

(9)

1.栽植器機(jī)架　2.限位板　3.懸掛點(diǎn)　4、5.固定板

3動(dòng)態(tài)喂苗影響因素分析

本文只分析栽植器機(jī)架傾角θ和車速vm對(duì)活門托板長(zhǎng)度l1變化的影響。部分參數(shù)依據(jù)韓長(zhǎng)杰等人研制的自動(dòng)取喂裝置和吊籃式栽植器組裝成的自動(dòng)移栽機(jī)：d1為0.57m，d9為0.086 4m，g為9.8m/s2，h0為0.51m，h為0.02m，h3和h4均為0.02m，l0為0.5m，l為0.75m，l3為0.065m，l4為0.185m，r為0.252m，橡膠輪胎在農(nóng)田內(nèi)的滑移系數(shù)δ為0.05[17]。將各參數(shù)代入式(8)、式(9)得

(10)

-6.2°<θ<17.1°

式(10)對(duì)栽植器機(jī)架傾角θ求導(dǎo)并令導(dǎo)數(shù)為0可得

θ≈-arctan(0.073vm)

(11)

3.1栽植器機(jī)架傾角對(duì)喂苗位置的影響

栽植器機(jī)架傾角與活門托板長(zhǎng)度的關(guān)系，如圖4所示。由圖4及式(11)可知：當(dāng)栽植器機(jī)架傾角大于-arctan(0.073vm)時(shí)，隨著栽植器機(jī)架傾角逐漸增大，活門托板長(zhǎng)度也逐漸增大，此時(shí)苗筒喂苗位置沿車速方向移動(dòng)；當(dāng)栽植器機(jī)架傾角小于-arctan(0.073vm)時(shí)，隨著栽植器機(jī)架傾角逐漸減小，活門托板長(zhǎng)度逐漸增大，此時(shí)苗筒喂苗位置沿車速方向移動(dòng)，才能滿足準(zhǔn)確喂苗。

圖4　栽植器機(jī)架傾角與活門托板長(zhǎng)度的關(guān)系

從圖2可知：當(dāng)栽植器接苗位置在第1象限內(nèi)時(shí)，栽植器吊籃上下浮動(dòng)較大，不利于接苗；當(dāng)栽植器接苗位置在第3、第4象限內(nèi)時(shí)，第1、第2象限內(nèi)的吊籃將會(huì)干涉缽苗落入吊籃，無法接苗，故接苗位置選擇在第2象限內(nèi)。

由圖4可知：當(dāng)活門托板長(zhǎng)度在0.7～0.78m浮動(dòng)時(shí)，缽苗均能從苗筒中下落后進(jìn)入吊籃，此時(shí)落苗口恰好處在如圖2中的第2象限，因此能夠?qū)崿F(xiàn)從吊籃最佳接苗位置接苗。

3.2車速對(duì)喂苗位置的影響

車速與活門托板長(zhǎng)度的關(guān)系，如圖5所示。車速越大，活門托板長(zhǎng)度越小，苗筒喂苗位置需要沿車速反方向移動(dòng)。不同的是，當(dāng)栽植器機(jī)架傾角在2°與-6°時(shí)，兩直線出現(xiàn)交叉現(xiàn)象。這主要是因?yàn)樵谠灾财鳈C(jī)架傾角大小為-arctan(0.073vm)時(shí)，活門托板長(zhǎng)度最小，故栽植器機(jī)架傾角在-arctan(0.073vm)兩側(cè)存在活門托板長(zhǎng)度相等且苗筒能準(zhǔn)確喂苗的情況。

圖5　車速與活門托板長(zhǎng)度的關(guān)系

4結(jié)論

1)對(duì)吊籃式自動(dòng)移栽機(jī)自動(dòng)取喂裝置喂苗運(yùn)動(dòng)進(jìn)行理論分析，得出活門擋板長(zhǎng)度與栽植器機(jī)架傾角和車速之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。

2)當(dāng)栽植器機(jī)架傾角大于-arctan(0.073vm)時(shí)，隨著栽植器機(jī)架傾角逐漸增大，活門托板長(zhǎng)度也逐漸增大，此時(shí)苗筒喂苗位置沿車速方向移動(dòng)；當(dāng)栽植器機(jī)架傾角小于-arctan(0.073vm)時(shí)，隨著栽植器機(jī)架傾角逐漸減小，活門托板長(zhǎng)度逐漸增大，此時(shí)苗筒喂苗位置沿車速方向移動(dòng)，才能滿足準(zhǔn)確喂苗。

3)當(dāng)栽植器機(jī)架傾角恒定時(shí)，車速增大，活門托板長(zhǎng)度減小，苗筒喂苗位置需要沿車速反方向移動(dòng)，且最佳喂苗位置不隨車速的變化而改變。

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Trajectory and Influencing Factors of Dynamic Dropping Seedling Analysis for Nacelle-type Automatic Transplanter

Han Changjie,Zhao Xiaowei, Guo Hui, Zhao Zhanjun, Zhang Jing, Yang Wanzhang

Abstract：A new-style automatic transplanter that is composed of automatic feeding system and nacelle-type planting apparatus is designed. Artificial to pick seedling and feed seedling is replaced by automatic feeding system. Because of the seedlings that leave automatic feeding system will move to nacelle in horizontal projectile motion, decreasing of dropping seedling accuracy from field unevenness or speed changeable of automatic transplanter. In order to solve the low dropping seedling accuracy, the dropping seedling of the automatic transplanter is analyzed, and a scheme that changes dropping seedling location of guiding tube is proposed. The mathematics model of the shutter plate length is established, and the model is simulated by Matlab R2011b. when the change of planting apparatus traction frame angle and speed in the course of transplanting, the length variation of the shutter plate length is analyzed in this paper. According to the automatic transplanter which is composed of automatic feeding system and planting apparatus with nacelle, some parameters of the model is determined.The results show that when the traction frame of planting apparatus gradually more than -arctan(0.073vm), the dropping seedling edge of guiding tube shift to the speed direction; when the traction frame of planting apparatus gradually less than -arctan(0.073vm), the dropping seedling edge of guiding tube shift to the speed direction, and then moves at the speed direction; when the tilt angle of traction frame don’t change, as the speed increases, the dropping seedling location of the guiding tube moves at the reverse speed direction, and as the speed slowly, the dropping seedling location of guiding tube moves at the speed direction, and the best dropping seedling position will not change as only the speed changes.The movement mechanism analysis will provide theoretical foundation for improving the dropping seedling reliability of the nacelle-type automatic transplanter.

Key words：nacelle; guiding tube; automatic transplanter; horizontal projectile dropping seedling; trajectory model

文章編號(hào)：1003-188X(2016)07-0110-04

中圖分類號(hào)：S223.92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：韓長(zhǎng)杰(1980-)，男，河南遂平人，副教授，博士，(E-mail)hcj_627@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50905153)；新疆農(nóng)機(jī)開發(fā)項(xiàng)目(2011-NJKY-07)；新疆自治區(qū)高技術(shù)發(fā)展研究計(jì)劃項(xiàng)目(201211117)；留學(xué)人員擇優(yōu)資助項(xiàng)目(2014)

收稿日期：2015-06-18