徐銘辰，牛媛媛，張開(kāi)飛，段　斌，郝玉偉，余泳昌

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州　450002)

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吊籃式移栽機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與仿真分析

徐銘辰，牛媛媛，張開(kāi)飛，段斌，郝玉偉，余泳昌

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州450002)

摘要：針對(duì)吊籃式移栽機(jī)在工作時(shí)穩(wěn)定性差及套種模式下適應(yīng)性差等問(wèn)題，將槽型軌道機(jī)構(gòu)運(yùn)用到傳統(tǒng)吊籃式移栽機(jī)中，設(shè)計(jì)了一種槽型軌道式新型移栽機(jī)。為驗(yàn)證該新型移栽機(jī)工作原理的可行性，運(yùn)用Pro/E軟件進(jìn)行虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)，并在ADAMS仿真軟件中進(jìn)行了裝配模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。仿真結(jié)果表明：槽型軌道式新型移栽機(jī)滿足套種模式下的秧苗移栽要求。

關(guān)鍵詞：移栽機(jī)；吊藍(lán)式；栽植機(jī)構(gòu)；ADAMS

0引言

農(nóng)業(yè)在我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，伴隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，我國(guó)的農(nóng)業(yè)正朝著多元化的方向發(fā)展。在保證了糧食作物面積的基礎(chǔ)上，通常采用套種模式增加經(jīng)濟(jì)作物的種植面積，而制約套種模式推廣的關(guān)鍵因素就是秧苗移栽問(wèn)題?，F(xiàn)有的移栽機(jī)眾多，按照栽植器的類型可以大致分為鉗夾(鏈夾)式、吊籃式、導(dǎo)苗管式和撓性圓盤(pán)式幾類[1-4]。鉗夾(鏈夾)式是由仿形機(jī)構(gòu)控制鉗夾、鏈夾開(kāi)合，但栽植速度比較慢，調(diào)整株距較為困難；導(dǎo)苗管式是由凸輪實(shí)現(xiàn)間歇?jiǎng)幼?，缽苗在?dǎo)苗管中靠自身的重力沿導(dǎo)苗管滑落，但影響該移栽機(jī)栽植效果；撓性圓盤(pán)式由開(kāi)盤(pán)輪、開(kāi)盤(pán)叉來(lái)控制撓圓盤(pán)的開(kāi)合，但栽植深度不穩(wěn)定，且由于圓盤(pán)采用橡膠材料，壽命較短[5-8]。目前，采用比較多的是吊籃式移栽機(jī)；但是由于吊籃式移栽機(jī)工作時(shí)靠凸輪和彈簧共同作用控制吊籃在回轉(zhuǎn)過(guò)程中的開(kāi)合，因此機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，喂苗速度不能過(guò)高，株距調(diào)整不便[9-10]。

槽型軌道在機(jī)床加工中應(yīng)用較多，其工作平穩(wěn)準(zhǔn)確，可靠性較高。所以，為了解決吊籃式移栽機(jī)存在的問(wèn)題，本文采用槽型軌道來(lái)控制來(lái)吊籃開(kāi)合，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，使移栽效果得到進(jìn)一步改善。

1整機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

新型吊籃式移栽機(jī)由開(kāi)溝器、搖臂、吊籃、栽植盤(pán)、槽型軌道、覆土器，以及地輪等部件組成，如圖1所示。其中，槽型軌道與機(jī)架固定連接，可以在安裝時(shí)調(diào)整槽型軌道的位置，以確定最佳的吊籃打開(kāi)角度；搖臂鉸接在右栽植環(huán)上，搖臂上端與吊籃一邊鉸接在一起，下端在槽型軌道內(nèi)滑動(dòng)；左栽植環(huán)和偏心環(huán)由連桿鏈接，連桿分別和左栽植環(huán)及偏心環(huán)鉸接。

作業(yè)時(shí)，將秧苗投入到吊籃中，隨栽植器一起做圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)栽植器旋轉(zhuǎn)到接近地面位置時(shí)，吊籃在槽型軌道和搖臂的組成的開(kāi)啟裝置的控制下，迅速?gòu)堥_(kāi)，將秧苗垂直下落在開(kāi)溝器開(kāi)出的苗溝中，經(jīng)過(guò)覆土、壓實(shí)完成定植工作；吊籃繼續(xù)隨栽植器旋轉(zhuǎn)，并在槽型軌道的控制下緩慢地閉合，當(dāng)?shù)趸@旋轉(zhuǎn)到一定的位置時(shí)完全閉合，開(kāi)始下一次栽苗過(guò)程。采用這種栽植器能夠提高栽植質(zhì)量和直立度，減小沖擊力，且機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、使用壽命較長(zhǎng)，適應(yīng)高速度栽植，可提高栽植可靠性。

2槽型軌道的設(shè)計(jì)

栽植器要和槽型軌道相配合才能完成吊籃的張開(kāi)和關(guān)閉動(dòng)作，因此槽型軌道的設(shè)計(jì)是否合理對(duì)于移栽機(jī)的栽植效果至關(guān)重要。圖2所示為槽型軌道圖。

圖2　槽型軌道

栽植器在工作過(guò)程中，地輪的動(dòng)力通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)左、右栽植盤(pán)回轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)搖臂和吊籃做圓周運(yùn)動(dòng)；搖臂插入槽型軌道的一段沿槽型軌道，有一個(gè)軸向的位移，從而控制吊籃的開(kāi)啟和關(guān)閉。因此，槽型軌道的設(shè)計(jì)參數(shù)與搖臂和吊籃的結(jié)構(gòu)尺寸密切相關(guān)。吊籃結(jié)構(gòu)的尺寸需要滿足在移栽過(guò)程中秧苗能夠以盡量小的沖擊落入吊籃，隨吊籃運(yùn)動(dòng)到接近地面時(shí)，吊籃的張開(kāi)角度能夠使秧苗順利落入開(kāi)溝器開(kāi)出的溝中。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過(guò)計(jì)算確定槽型軌道控制搖臂運(yùn)動(dòng)規(guī)律：當(dāng)槽型軌道轉(zhuǎn)角為0°～45°時(shí)，搖臂以余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律軸向移動(dòng)15mm，這一過(guò)程中吊籃在搖臂的軸向移動(dòng)作用下逐漸張開(kāi)；當(dāng)槽型軌道轉(zhuǎn)角45°～105°時(shí)，搖臂處于遠(yuǎn)程休止位，相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸位置固定不變，對(duì)應(yīng)秧苗從吊籃投入開(kāi)溝器開(kāi)出的溝中，完成秧苗的投遞；當(dāng)槽型軌道轉(zhuǎn)角105°～150°時(shí)，搖臂以余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律向軸的另一端移動(dòng)15mm，吊籃在搖臂的控制下緩慢閉合，起到一定的扶苗作用；當(dāng)槽型軌道轉(zhuǎn)角150°～360°時(shí)，搖臂處于近程休止位置相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸位置固定不變，吊籃始終處于閉合狀態(tài)，等待來(lái)自人工或送苗機(jī)構(gòu)輸送的秧苗。搖臂每旋轉(zhuǎn)1周完成一次接苗、送苗及投苗作業(yè)。

根據(jù)搖臂的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定搖臂在移栽機(jī)工作過(guò)程中的位移方程。

搖臂推程位移方程為

h=15

phi1=pi/4

x=105×(pi/4)×t

y=h×(1-cos(pi×45×t/phi1))/2

z=0

搖臂遠(yuǎn)休止位移方程為

h=15

x=105×pi/4+105×(pi/3)×t

y=h

z=0

搖臂回程位移方程為

h=15

phi2=pi/4

x=105×7×pi/12+105×(pi/4)×t

y=h×(1+cos(pi×45×t/phi2))/2

z=0

搖臂近休止位移方程為

x=105×5×pi/6+105×7×pi/6×t

y=0

z=0

根據(jù)上述搖臂在移栽機(jī)工作過(guò)程中的位移方程，利用Pro/E軟件進(jìn)行槽型軌道的建模，繪制出槽型軌道的軌跡線和模型，如圖3、圖4所示。

圖3　槽型軌道軌跡線

圖4　槽型軌道模型

3槽型軌道的仿真分析

基于在上述槽型軌道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了在由槽型軌道控制下的吊籃的仿真分析。將Pro/E文件導(dǎo)入Adams中，選擇吊籃質(zhì)心位置Part_8.cm作為測(cè)量對(duì)象進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5所示。為了表示出相鄰兩個(gè)吊籃在工作過(guò)程中的空間位置關(guān)系，分別選擇相鄰兩個(gè)吊籃的質(zhì)心位Part_8.cm、Part_9.cm作為測(cè)量對(duì)象進(jìn)行仿真，分別測(cè)量出相鄰兩個(gè)吊籃的運(yùn)動(dòng)軌跡，結(jié)果如圖6所示。

圖5　吊籃質(zhì)心位移、速度、加速度曲線

圖6　相鄰兩個(gè)吊籃位置關(guān)系圖

從圖5吊籃質(zhì)心位置的位移和速度曲線中可以看出：當(dāng)?shù)趸@沿Y方向的運(yùn)動(dòng)軌跡到達(dá)-800、-2 300、-3 800mm位置時(shí)，吊籃在Y方向上的位移有一段時(shí)間保持不變，此時(shí)吊籃的質(zhì)心位置沿Y方向的速度變化范圍為-30～30mm/s。這段時(shí)間是吊籃整個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)的最低點(diǎn)，吊籃帶動(dòng)秧苗植入土壤中，吊籃相對(duì)于地面的絕對(duì)速度很小，保證了秧苗入土?xí)r的穩(wěn)定性，有利于提高秧苗的栽植效果。從圖6位置曲線可以觀察到：兩個(gè)吊籃質(zhì)心空間位置在一定時(shí)間段內(nèi)保持水平不變，相對(duì)應(yīng)的吊籃運(yùn)動(dòng)就實(shí)現(xiàn)了相鄰兩個(gè)吊籃運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的秧苗移栽，保證了吊籃在整個(gè)移栽過(guò)程中的穩(wěn)定性，進(jìn)一步驗(yàn)證了移栽機(jī)在移栽過(guò)程中的可靠性。

4結(jié)論

1)對(duì)槽型軌道進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并根據(jù)搖臂的運(yùn)動(dòng)規(guī)律在移栽機(jī)中的位移方程，利用Pro/E軟件進(jìn)行槽型軌道的建模，繪制出槽型軌道的軌跡線及模型。

2)采用槽型軌道控制移栽機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用，能夠滿足套種模式下秧苗移栽的各項(xiàng)要求，可以提高栽植速度、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高栽植可靠性。

3)對(duì)設(shè)計(jì)出的槽型軌道運(yùn)用虛擬仿真軟件進(jìn)行仿真，結(jié)果表明：理論上滿足移栽要求。本文可為進(jìn)一步研究自動(dòng)化程度高、移栽性能好的移栽機(jī)提供理論依據(jù)。

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Key Institutions Design and Simulation Analysis of Nacelle Transplanter

Xu Mingchen， Niu Yuanyuan， Zhang Kaifei， Duan Bin， Hao Yuwei， Yu Yongchang

(College of Mechanical and Electrical Engineering of Henan Agricultural University，Zhengzhou 450002，China)

Abstract：Aiming at the poor stability and the problem of poor adaptability of interplanting mode etc when nacelle type transplanting machine is working，the groove type rail mechanism was applied to traditional nacelle type transplanting machine by designing a groove type rail type transplanter. In order to verify the feasibility of working principle of the model of transplanting machine , virtual prototype used Pro/E software to design virtual prototype and carried on the kinematics simulation of the assembly model in ADAMS simulation software in this paper. According to the final simulation results,the groove type rail in transplanting machine meet the seedling transplanting interplanting mode.

Key words：transplanting machine； nacelle; transplanting mechanism；ADAMS

文章編號(hào)：1003-188X(2016)02-0096-04

中圖分類號(hào)：S223.94

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：徐銘辰(1987-)，男，河南周口人，碩士研究生，(E-mail)xuch-1987@163.com。通訊作者：余泳昌(1955-)，男，河南杞縣人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)hnyych@163.com。

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201303011-4)

收稿日期：2015-01-26