張志強(qiáng)，陳 偉，吳英思，杜文亮，樊明壽

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院;b.農(nóng)學(xué)院，呼和浩特 010018)

0 引言

內(nèi)蒙古是我國旱作馬鈴薯的主產(chǎn)區(qū)之一，水資源短缺制約著馬鈴薯單產(chǎn)和總產(chǎn)的提高[1-2]。地膜覆蓋種植馬鈴薯在增溫、保水等方面都獲得了很好的效果[3]，是該地區(qū)馬鈴薯增產(chǎn)采用的重要技術(shù)手段[4]。

2CM-4型旱作馬鈴薯微壟覆膜側(cè)播機(jī)(以下簡(jiǎn)稱播種機(jī))是為了適應(yīng)發(fā)展干旱半干旱地區(qū)馬鈴薯規(guī)模化種植而研制的，可一次完成開溝、施肥、播種、起壟、整形、全鋪膜和覆土[5-6]等作業(yè)。其中，一幅兩壟鋪膜形成的膜溝需設(shè)計(jì)扎孔裝置，即根據(jù)種薯位置在鋪膜后、覆土前對(duì)種薯附件的地膜進(jìn)行自動(dòng)扎孔，以便引導(dǎo)全膜覆蓋種植收集的雨水滲入膜溝土壤。扎孔裝置的核心部件是扎孔刀，其設(shè)計(jì)直接影響扎孔效果。鑒于此，對(duì)扎孔刀進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，從理論上計(jì)算出在播種機(jī)牽引運(yùn)動(dòng)和電吸盤杠桿運(yùn)動(dòng)的共同作用下扎孔刀不同運(yùn)動(dòng)過程中相對(duì)地面的運(yùn)動(dòng)軌跡圖。從軌跡圖中對(duì)劃口長(zhǎng)度、提刀的恢復(fù)過程進(jìn)行分析，檢驗(yàn)是否有掛膜現(xiàn)象發(fā)生，從而為扎孔刀的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)提供理論支持。

1 馬鈴薯覆膜播種膜溝扎孔裝置簡(jiǎn)介

馬鈴薯覆膜播種膜溝扎孔的目的是為了在聚乙烯地膜上扎滲水孔，雨水將會(huì)通過滲水孔滲到膜下種薯附近的土壤內(nèi)，解決了膜溝雨水的滲入問題。扎孔裝置是馬鈴薯覆膜播種膜溝扎孔的核心裝置，由電吸盤[7]和尼龍[8]杠桿組成，如圖1所示。工作時(shí)，電吸盤通電后，杠桿一端的鐵片將會(huì)被快速吸附到電吸盤表面，另一端則帶動(dòng)扎孔刀完成下刀過程；電吸盤持續(xù)通電，扎孔刀保持下刀完成后的動(dòng)作一段時(shí)間；到達(dá)預(yù)定時(shí)間，扎孔完畢，電吸盤斷電，杠桿在彈簧的作用下恢復(fù)到原來的位置，為下一次的扎孔做準(zhǔn)備。扎孔裝置工作狀態(tài)如圖2所示。

1.機(jī)架 2.電吸盤 3.鐵片 4.彈簧 5.杠桿 6.扎孔刀

圖2 扎孔裝置工作圖Fig.2 The prick hole installation working drawing

2 扎孔刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)地膜的機(jī)械性能[9](見表1)可以看出：地膜的拉伸強(qiáng)度較大。為了保證扎孔刀能將膜順利劃破，扎孔刀在與膜接觸的瞬間需要有較大的初始速度。下刀過程中，受ELE-P40/25電吸盤吸力的影響，扎孔刀的質(zhì)量需嚴(yán)格控制；劃膜過程中，扎孔刀破膜寬度與扎孔刀自身厚度相一致，劃膜長(zhǎng)度要保持在100mm以下。扎孔刀的恢復(fù)過程是利用彈簧的彈力將扎孔刀恢復(fù)到初始位置，由于彈簧彈力有限，扎孔刀受到地膜對(duì)其恢復(fù)到原狀的阻力要盡可能小，3個(gè)過程中都不允許出現(xiàn)掛膜現(xiàn)象。結(jié)合以上對(duì)扎孔刀的要求，應(yīng)用SolidWorks軟件[10-13]對(duì)其進(jìn)行三維建模，設(shè)計(jì)了如圖3所示的扎孔刀。

受加工設(shè)備及工藝的限制，扎孔刀材料采用1.8mm鋼板制作，長(zhǎng)度150mm,寬度12mm。扎孔刀上方孔是扎孔裝置與扎孔刀連接時(shí)的螺栓安裝孔，中間設(shè)有的兩個(gè)橢圓形槽使扎孔刀整體質(zhì)量減輕了57.14%；刀尖沿前進(jìn)方向一側(cè)開刃用于扎破膜后的劃膜過程；刀尖相反于前進(jìn)方向一側(cè)設(shè)計(jì)成圓滑的弧形狀，一方面可以減輕扎孔刀扎孔完成后恢復(fù)到初始位置時(shí)所受的阻力，另一方面也可避免在這一過程中發(fā)生掛膜現(xiàn)象。

表1 地膜的機(jī)械性能Table 1 The mechanical properties of the membrane

圖3 扎孔刀設(shè)計(jì)圖Fig.3 The prick hole's knife design

3 扎孔刀的運(yùn)動(dòng)分析

3.1 運(yùn)動(dòng)分析

扎孔刀運(yùn)動(dòng)過程(見圖4)直接影響扎孔裝置的扎孔效果。本文采用Autocad軟件[14-16]對(duì)扎孔刀進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析與計(jì)算。

1.參考坐標(biāo)系原點(diǎn) 2.坐標(biāo)系原點(diǎn) 3.直線運(yùn)動(dòng) 4.圓周運(yùn)動(dòng) 5.地膜

選取刀尖處某點(diǎn)作為研究參照。扎孔刀工作時(shí)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)為繞杠桿軸中心的圓周運(yùn)動(dòng)和播種機(jī)不斷前進(jìn)時(shí)具有的直線運(yùn)動(dòng)的合成[17-20]。

扎孔刀的運(yùn)動(dòng)可以分為下刀過程、劃膜過程及恢復(fù)過程。下刀過程選取刀尖與地膜接觸前后兩段位移做運(yùn)動(dòng)研究分析；劃膜過程中，扎孔刀只做直線運(yùn)動(dòng)不做圓周運(yùn)動(dòng)；恢復(fù)過程與下刀過程做相反的圓周運(yùn)動(dòng)、相同的直線運(yùn)動(dòng)。

3.2 運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算

3.2.1 下刀過程

用圖4中杠桿軸回轉(zhuǎn)中心(2處)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，播種機(jī)前進(jìn)方向作為X軸，垂直向上作為Y軸建立坐標(biāo)系分析扎孔刀下刀過程，選取6個(gè)點(diǎn)作為參考點(diǎn)。若扎孔刀只做圓周運(yùn)動(dòng)，則6個(gè)點(diǎn)沿逆時(shí)針方向的坐標(biāo)如表2所示。

表2 下刀過程參考點(diǎn)圓周運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)Table 2 Reference point lower knife process circular motion trajectory coordinates mm

扎孔刀的下刀過程是一個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)復(fù)合的過程，即6個(gè)參考點(diǎn)的實(shí)際縱坐標(biāo)不變，實(shí)際橫坐標(biāo)增大，如表3所示。

表3 下刀過程參考點(diǎn)實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)Table 3 Reference point lower knife process actual motion trajectory coordinates mm

3.2.2 劃膜過程

扎孔刀在劃膜過程中只做沿播種機(jī)前進(jìn)方向的直線運(yùn)動(dòng)。根據(jù)實(shí)際要求，選用與下刀過程相同的坐標(biāo)系做分析。選取8個(gè)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，其坐標(biāo)如表4所示。

表4 劃膜過程參考點(diǎn)實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)Table 4 Reference point laceration mulch process actual motion trajectory coordinates mm

3.2.3 恢復(fù)過程

扎孔刀恢復(fù)過程是一個(gè)圓周與直線相復(fù)合的運(yùn)動(dòng)過程。在研究扎孔刀恢復(fù)過程時(shí)，選用圖4中1處作為坐標(biāo)原點(diǎn)，播種機(jī)前進(jìn)方向作為X軸，垂直向上作為Y軸建立參考坐標(biāo)系，選取6個(gè)點(diǎn)作為參考點(diǎn)。其未加直線運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)如表5所示，實(shí)際坐標(biāo)如表6所示。

表5 恢復(fù)過程參考點(diǎn)圓周運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)Table 5 Reference point recover process circular motion trajectory coordinates mm

表6 恢復(fù)過程參考點(diǎn)實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)Table 6 Reference point recover process actual motion trajectory coordinates mm

3.3 運(yùn)動(dòng)分析

通過Autocad對(duì)3個(gè)過程中參考點(diǎn)的實(shí)際軌跡坐標(biāo)值分析完成之后，將這些參考點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)值繪制軌跡圖做運(yùn)動(dòng)分析[21-23]，如圖5所示。

圖5 刀尖點(diǎn)相對(duì)地面運(yùn)動(dòng)軌跡圖Fig.5 Tool tip relative to ground motion trajectory

軌跡圖結(jié)果分析：扎孔裝置扎孔刀下刀過程和恢復(fù)過程的運(yùn)動(dòng)軌跡為擺線，播種機(jī)前進(jìn)速度影響擺線的形狀。劃膜過程中，劃口長(zhǎng)短與播種機(jī)前進(jìn)速度及刀尖保持時(shí)間有關(guān)。相同的劃口長(zhǎng)度要求下，機(jī)組前進(jìn)速度越快，則刀尖最下端保持時(shí)間越短； 恢復(fù)過程中，扎孔刀從劃口處恢復(fù)到初始位置；整個(gè)過程不會(huì)發(fā)生掛膜現(xiàn)象。

4 田間試驗(yàn)與結(jié)果

4.1 試驗(yàn)基本條件

田間試驗(yàn)在內(nèi)蒙古呼和浩特市內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械廠進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)備包括2CM-4型馬鈴薯微壟覆膜側(cè)播機(jī)、扎孔裝置、約翰迪爾904拖拉機(jī)、ACERe471G筆記本1臺(tái)、光電傳感器、光電編碼器、Dunlop RP8242電源、扎孔刀等。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

裝有該扎孔刀的扎孔裝置田間試驗(yàn)扎孔效果圖如圖6所示。

圖6 扎孔刀扎孔效果圖Fig.6 The prick hole's knife prick rendering drawing

試驗(yàn)結(jié)果表明：扎孔刀下刀過程中能將膜扎破；受地膜拉伸強(qiáng)度影響，實(shí)際進(jìn)入劃膜過程的時(shí)間略晚于理論分析時(shí)間，導(dǎo)致劃口長(zhǎng)度偏短，劃口的寬度與扎孔刀厚度相同；在3個(gè)過程中，均未出現(xiàn)掛膜現(xiàn)象。

5 結(jié)論

1)試驗(yàn)結(jié)果與運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果一致。扎孔刀在下刀、劃膜、恢復(fù)3個(gè)過程中均無掛膜現(xiàn)象發(fā)生。

2)下刀過程和恢復(fù)過程的運(yùn)動(dòng)軌跡受播種機(jī)前進(jìn)速度影響；劃膜過程中劃口長(zhǎng)度與播種機(jī)前進(jìn)速度、刀尖最下端保持時(shí)間的綜合作用有關(guān)，前進(jìn)速度越快，則刀尖最下端保持時(shí)間越短。