黃閃閃，李　江，朱瑞祥，付作立，翟長遠，時　永

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌　712100)

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膜上移栽機穴覆土機構(gòu)設(shè)計

黃閃閃，李江，朱瑞祥，付作立，翟長遠，時永

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌712100)

摘要：針對現(xiàn)有的膜上移栽機覆土機構(gòu)只能實現(xiàn)條形覆土，存在采光面不足、覆土質(zhì)量不高等問題，提出了一種分流調(diào)節(jié)、變量控制、膜上穴覆土移栽機覆土機構(gòu)設(shè)計方案，完成了關(guān)鍵部件及控制系統(tǒng)的設(shè)計。該機構(gòu)采用光電傳感器周期性檢測凸輪監(jiān)測孔的位置，定位控制覆土器的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)覆土裝置與車速的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)其穴覆土功能。所設(shè)計的穴覆土機構(gòu)，送土量 ，覆土量S=1.17L/m，分流比為1/15～1/5。該研究為膜上移栽機的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：移栽機；穴覆土；精準(zhǔn)作業(yè)；分流調(diào)節(jié)；定位控制

0引言

隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，機械化移栽技術(shù)日益受到重視。機械化移栽技術(shù)可以減少自然災(zāi)害的影響，提高勞動生產(chǎn)率，保證作業(yè)質(zhì)量[1-2]。地膜覆蓋技術(shù)的應(yīng)用對育苗移栽機提出了穴栽穴覆土的新要求。目前，國內(nèi)尚無關(guān)于穴覆土的系統(tǒng)研究。旱地全膜覆土機[3-4]可實現(xiàn)膜面均勻條覆土，主要是針對小麥、玉米等作物，減少了冬春季水的無效蒸發(fā)，實現(xiàn)秋雨春夏用。滾輪式、滾筒式膜上覆土裝置[5-6]在新疆地區(qū)的作物有所應(yīng)用，但覆土作用是為了固膜，以起到抗旱保墑的作用。在鴨嘴式膜上移栽裝置[7-8]中，覆土鎮(zhèn)壓輪依靠鴨嘴打穴后的自然回土完成覆土鎮(zhèn)壓，不能滿足土壤含水率相對較高時覆土質(zhì)量；圓盤、刮板式覆土裝置[9-11]則只能實現(xiàn)膜邊覆土。在棉花、煙草、蔬菜等農(nóng)作物的生產(chǎn)過程中，農(nóng)藝上廣泛采用覆膜增溫、保墑[12]，但膜后條形覆土已不能滿足精準(zhǔn)作業(yè)[13-14]的要求。針對上述問題，設(shè)計了一種分流調(diào)節(jié)、變量控制、移栽機穴覆土機構(gòu)設(shè)計方案，并采用機電一體化技術(shù)，開發(fā)了與之配套的控制系統(tǒng)，為膜上移栽機的設(shè)計提供理論依據(jù)。

1整體方案設(shè)計

1.1結(jié)構(gòu)方案

本試驗臺主要由輸送器殼體、輸送鏈板、鏈條、仿形裝置、分土調(diào)節(jié)裝置、排土器，以及控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

1.放苗裝置　2.送苗裝置　3.傳動機構(gòu)　4.輸送器殼體　5.輸送鏈

1.2工作原理

如圖2所示：工作時，覆土機構(gòu)通過三點懸掛機構(gòu)與驅(qū)動裝置連接，輸送鏈動力來源于拖拉機動力輸出軸；輸送鏈板與帶耳式鏈條固接，輸送鏈板取土后向后上方運動。待土壤運動至輸送器殼體后部的分土口處，依靠慣性和重力，一部分進入回土口，回至膜側(cè)行間，另一部分進入覆土口，經(jīng)過溜土板進入葉輪。通過調(diào)整分土調(diào)節(jié)板可以改變覆土量與取土量的比。

圖2　覆土機構(gòu)工作原理示意圖

1.3覆土分流調(diào)節(jié)[14-15]原理

覆土的過程中，農(nóng)藝要求缽苗在栽植期要滿足一定的覆土量，這樣可以減少幼苗周圍土壤水分的蒸發(fā)量，提高幼苗周圍土壤的溫度，保證足夠的營養(yǎng)供給，改善幼苗初期的生長環(huán)境，提高幼苗的成活率[16-17]。

但由于地表土壤總是存在凹凸不平、疏密度不同以及車身自身的震動、車速的波動等外界條件都會使取土量產(chǎn)生波動，進而影響覆土質(zhì)量。

為了提高取土量波動條件下的覆土質(zhì)量，本研究設(shè)計了一種分流控制的覆土機構(gòu)，其原理是：

假設(shè)取土量為z，取土量的波動值為Δz，ε為覆土量與取土量的比例，覆土量的波動值為Δz·ε。為了保證覆土的可靠，ε的取值是小于等于1的數(shù)值，一般ε取值為1/10，則表明覆土量的波動值被抑制了9/10Δz。理論上，分流控制可以有效地降低取土量對覆土量的影響。

2關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1排土裝置[18-22]

排土裝置主要包括葉輪、直流電機軸承等。軸的一端與直流電機相連，另一端通過鍵連接葉輪，葉輪為圓弧形曲面，防止土壤聚集在葉輪根部，不便于滑落。為了確定排土器的安裝位置L和H，保證土壤的著地點在安全距離之內(nèi)，分別對端部土壤質(zhì)點和根部土壤質(zhì)點進行分析，其工作狀態(tài)如圖3所示。

試驗用機型為PVHR2-E18，其作業(yè)效率為3 600株/時，插值深度為0.04～0.06m，株距LZ=0.4～0.6m，t=1s/株。根據(jù)鴨嘴預(yù)實驗可知，覆土量為V=0.08～0.24L/m。如圖3所示，在作業(yè)時，弧AD和弧BC為工作面，則葉輪尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計為

(1)

式中R、r—葉輪端面外圓半徑、內(nèi)圓半徑(m)；

l—排土器的長度(m)；

η—有效工作系數(shù)。

如圖4所示：以葉輪中心軸為原點建立直角坐標(biāo)系。端部土壤質(zhì)點在離心力的作用下直接被拋出，離開葉輪后的位移方程為

(2)

式中L、H—葉輪中心與缽苗的水平距離和垂直距離(m)；

Vτ—土壤質(zhì)點離開斜面時的切速度(m/s)；

θ—Vτ與x方向之間的夾角(rad)。

土壤質(zhì)點著地點位置必須滿足L-Sa≤Smax≤L+Sa，得到

式中Sa—土壤質(zhì)點著落點的安全距離(mm)。

根部土壤質(zhì)點滑行至葉輪末端，離開葉輪后的位移方程為

(3)

式中Vγ、Vτ—土壤質(zhì)點離開斜面時徑向速度和切向速度(m/s)。

(a)端部和根部土壤質(zhì)點初始狀態(tài)

(b)　端部土壤質(zhì)點終點狀態(tài)

(c)　根部土壤質(zhì)點休止角位置

(d)　根部土壤質(zhì)點終點位置

圖4　排土裝置工作過程中土壤質(zhì)點受力分析圖

對根部土壤質(zhì)點進行分析：

在滑落的斜面上，對土壤質(zhì)點進行受力分析

(4)

式中FN—葉輪對土壤質(zhì)點的支持力(N)；

Ff—葉輪對土壤質(zhì)點的摩擦力(N)；

G—土壤質(zhì)點的重力(N)。

可得：a=g(sinγ-μcosγ)。

土壤質(zhì)點在滑落的同時葉輪旋轉(zhuǎn)，土壤屬性和葉輪材料、結(jié)構(gòu)尺寸、轉(zhuǎn)速一定時，α、μ、ω一定。將a和t代入公式(5)即可求出β和Vγ。

(5)

式中α—土壤的自然休止角(rad)；

β—土壤質(zhì)點離開葉輪時與水平面的夾角(rad)；

ω—直流電機的轉(zhuǎn)速(r/min)。

土壤質(zhì)點作向心運動：Vτ=Shω=(R-r)ω

將Vγ、Vτ代入式(3)中，土壤質(zhì)點著落點位置必須滿足L-Sa≤Smin≤L+Sa，可得到H和L的關(guān)系。

2.2分土調(diào)節(jié)裝置[20-21]

分土調(diào)節(jié)機構(gòu)主要由固定板、銷軸、調(diào)節(jié)板、滑槽固定螺釘組成。固定板和調(diào)節(jié)板將溜土口和回土口隔離開，當(dāng)土壤輸送至送土口，一部分進入溜土口，另一部分進入回土口，回土量與送土量的比例可以手動調(diào)節(jié)。受結(jié)構(gòu)尺寸的限制，為了使調(diào)節(jié)板與輸送鏈板不發(fā)生機械干涉，同時保證送土口與溜土口和回土口有合適的距離，使土壤在離心力的作用下能夠拋至該位置，裝置增加一個固定板，減小調(diào)節(jié)板的半徑增大調(diào)節(jié)范圍，可滿足不同作物對覆土量的要求?；叟c調(diào)節(jié)板端部的運動軌跡相一致，固定板與外殼為一體，與調(diào)節(jié)板通過銷軸聯(lián)接，可繞銷軸轉(zhuǎn)動。

1.底板　2.溜土口　3.固定板　4.側(cè)板　5.滑槽　6.固定螺釘

2.3輸土裝置設(shè)計[10,20-22]

輸土裝置包括鏈輪、導(dǎo)向輪、帶耳式鏈條和輸土鏈板仿形輪。帶耳式鏈條與角鋼式輸土鏈板通過螺栓連接，通過鏈傳動帶動鏈板完成輸土作業(yè)。鏈輪為驅(qū)動輪，其軸通過鏈傳動與地輪聯(lián)接取其傳動比i=1.5。

則輸送鏈板的速度為

vs=vzi=(0.45～0.90)m/s

輸送裝置升運量

Q=LsHsvstsφk

(6)

式中Ls—角鋼的長度(m)；

Hs—角鋼的高度(m)；

vs—輸送鏈板的速度(m/s)；

ts—行走一個株距的時間(s)；

φ—充滿系數(shù)，取值見表1；

k—傾斜系數(shù)，取值見表2；

Q—輸送器的升運量(m3)。

表1　充滿系數(shù)φ的取值

表2　傾斜系數(shù)k的取值

3檢測系統(tǒng)設(shè)計

3.1控制方案

監(jiān)控系統(tǒng)包括控制器、激光光電傳感器直流電機?？刂破鬟x擇AT89C51列單片機[23]，主要完成凸輪處位置信號的采集、顯示和直流電機的旋轉(zhuǎn)。根據(jù)工作原理，檢測系統(tǒng)采用圖6控制方案進行。

圖6　檢測系統(tǒng)控制方案流程圖

3.2控制算法

影響光電傳感器安裝位置的因素有鴨嘴尖端到覆土器旋轉(zhuǎn)軸距離的水平投影La，覆土器的工作過程、覆土的安全距離±Sa。根據(jù)栽植和覆土作業(yè)的先后順序，將覆土裝置置于栽植機構(gòu)之后。因此，La使電機開始動作時間相對滯后T0，即造成安裝滯后角γ0。設(shè)v為移栽機的前進速度，則T0=Sa/v。

排土器的工作過程分為2個階段：第1個階段是土壤在葉輪中的運動；第2個階段是土壤離開葉輪到落入孔穴的運動。因此，其工作過程電機開始動作時間相對提前T=t1+t2，即造成安裝滯后角γ1。

第2個階段中：由式(3)求出，覆土的安全距離與孔穴的半徑有關(guān)，引起滯后角γ2，t2=γ2/ω。

圖7　凸輪結(jié)構(gòu)示意圖

將時間因素轉(zhuǎn)化為凸輪上的角度γ=γ0+γ1+γ2=ω(T0+T1+T2),從而確定A′。在監(jiān)測位置處開設(shè)監(jiān)測孔，則當(dāng)凸輪在旋轉(zhuǎn)至其他位置時，阻斷光通路，當(dāng)旋轉(zhuǎn)至?xí)r，光通路打開，以監(jiān)測光通路是否阻斷即可判斷位置信號[24]。為了保證位置監(jiān)測的靈敏性和精確性，選擇對射式激光光電傳感器(ESJG-12T20N0)型，上海鼎巨電子電氣有限公司)為位置監(jiān)測部件，其感應(yīng)方式為遮斷式，響應(yīng)時間<3ms，激光波長為650nm，工作環(huán)境溫度在-55～55℃

直流電機在電機啟動和停止時分別采用分段加速和分段減速控制，使電機相對平穩(wěn)地啟動和停止。

4結(jié)論

1)分流調(diào)節(jié)可以有效地擬制輸送土量波動，提高穴覆土質(zhì)量。

2)從覆膜移栽及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展來看，膜上移栽穴覆土技術(shù)將得到推廣應(yīng)用。本文設(shè)計的分流調(diào)節(jié)、變量調(diào)節(jié)、膜上穴覆土移栽機覆土機構(gòu)，為膜上移栽機的設(shè)計提供技術(shù)支撐。

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Design of the Soil-covered Mechanism in Holes of the Transplanting Machine

Huang Shanshan，Li Jiang，Zhu Ruixiang，F(xiàn)u Zuoli，Zhai Changyuan，Shi Yong

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

Abstract：The existing soil-covered mechanism of the transplanting machine can only cover soil in strips.There are some problems such as the lack of lighting surface, the low quality and seedling injured.Therefore, the article put forward a new design scheme based on flow division adjustment, variable control and the soil-covered mechanism of the up-film transplanting machine, and then completed the design for key parts and control system. In order to satisfy the function of covering soil in holes, the device adopted a hall sensor to detect the position of a hole in the cam, which was installed in the planting mechanism, in a period of one circle.Meanwhile,it could realize not only the positioning control for the rotation of soil-covered mechanism but also the adaptive control between the device and split ratio.The soil-covered mechanism we designed, whose amount of soil taken is 1.17 litre per meter and soil covered is 0.08 to 0.24 litre per meter, provided the theoretical basis of the design of the up-film transplanting machine.

Key words：machine; soil in holes; operation; division adjustment; control

文章編號：1003-188X(2016)07-0152-05

中圖分類號：S233.92

文獻標(biāo)識碼：A

作者簡介：黃閃閃(1989-)，女，湖北襄陽人，碩士研究生，(E-mail)1220112321@qq.com。通訊作者：朱瑞祥(1956-)，男，陜西三原人，教授，(E-mail)zrxjdxy2006@ sohu.com。

基金項目：十二五"國家"科技支撐計劃項目(2012BAD14B11)

收稿日期：2015-06-15