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)
內(nèi)蒙古是我國(guó)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)?;N植而研制的,可一次完成開(kāi)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(guò)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(guò)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。
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(guò)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(wèn)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(guò)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(lái)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
根據(jù)地膜的機(jī)械性能[9](見(jiàn)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)刃用于扎破膜后的劃膜過(guò)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(guò)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
扎孔刀運(yùn)動(dòng)過(guò)程(見(jiàn)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(guò)程、劃膜過(guò)程及恢復(fù)過(guò)程。下刀過(guò)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(guò)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(guò)程與下刀過(guò)程做相反的圓周運(yùn)動(dòng)、相同的直線運(yùn)動(dòng)。
3.2.1 下刀過(guò)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(guò)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?lè)较虻淖鴺?biāo)如表2所示。
表2 下刀過(guò)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(guò)程是一個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)復(fù)合的過(guò)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(guò)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(guò)程
扎孔刀在劃膜過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程
扎孔刀恢復(fù)過(guò)程是一個(gè)圓周與直線相復(fù)合的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。在研究扎孔刀恢復(fù)過(guò)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(guò)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(guò)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
通過(guò)Autocad對(duì)3個(gè)過(guò)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(guò)程和恢復(fù)過(guò)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(guò)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(guò)程中,扎孔刀從劃口處恢復(fù)到初始位置;整個(gè)過(guò)程不會(huì)發(fā)生掛膜現(xiàn)象。
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。
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(guò)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(guò)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(guò)程中,均未出現(xiàn)掛膜現(xiàn)象。
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(guò)程中均無(wú)掛膜現(xiàn)象發(fā)生。
2)下刀過(guò)程和恢復(fù)過(guò)程的運(yùn)動(dòng)軌跡受播種機(jī)前進(jìn)速度影響;劃膜過(guò)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。