喻麗華,胡長壽,徐志波,張富貴,符德龍

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,貴陽 550025;2.貴州省煙草公司畢節(jié)市公司,貴州 畢節(jié) 551700)

0 引言

近年來,由于農(nóng)產(chǎn)品種植規(guī)模的不斷擴(kuò)大,農(nóng)村勞動(dòng)力人數(shù)急劇下降,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)農(nóng)用機(jī)具的使用提出了更高的要求[1]?，F(xiàn)有的背負(fù)式移栽井窖制作機(jī)滿足了高質(zhì)、高效制作井窖的要求,幼苗在井窖里能實(shí)現(xiàn)早生快發(fā),形成適時(shí)移栽和集中移栽的新模式。井窖制作機(jī)主要是利用成穴頭周圍土壤壓縮及楔切變形的共同作用產(chǎn)生擠密效應(yīng),使與成穴頭接觸部分的土壤被擠壓成穴[2]。使用這種方式制作井窖土壤不能被拋至地面,導(dǎo)致幼苗周圍土體過于緊密,一定程度上阻礙了小苗根系的生長,當(dāng)土壤含水率高于30%或者低于15%時(shí),不利于制作井窖[3-4]。

小苗大窩深栽技術(shù)發(fā)展較早,但與之配套的成穴機(jī)具發(fā)展相對(duì)滯后。針對(duì)上述問題,課題組研制了一種背負(fù)式大窩移栽穴制作機(jī),基于螺旋升土原理,與成穴裝置接觸的土體會(huì)受離心力的作用被拋至窩穴周圍的地面上。這種成穴原理能有效提高成穴效率及降低勞動(dòng)成本,將適合窩穴制作的土壤含水率范圍提高了1倍。這種成穴裝置中心主軸部分是圓柱芯,在制窩過程中振動(dòng)較大,所制窩穴的合格率較低,窩深及窩口平整性等有待進(jìn)一步改善[5-6]。

目前,有關(guān)穴制作機(jī)的相關(guān)研究較少。本文提出一種核心部件是圓錐芯的螺旋成穴頭,中間部分設(shè)計(jì)成圓錐芯,既減輕自重又增大成穴頭在制窩過程中的平穩(wěn)性。外表面是對(duì)稱分布的雙螺旋葉片,利于排土,頂端部分裝有切土刀片。成穴裝置基于螺旋升土原理,以減少土壤與成穴部件之間的相互壓力,降低功耗,提高制穴的合格率。

1 成穴裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

成穴裝置主要由防護(hù)罩、螺旋成穴頭及輸入軸接口組成,圓錐芯主軸位于成穴頭內(nèi)部,與螺旋葉片焊接固定在一起,如圖1所示。

1.輸入軸 2.連接筒 3.防護(hù)罩 4.螺旋成穴頭圖1 成穴裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Cavitation device structure

1.2 成穴裝置工作原理

工作時(shí),小型汽油機(jī)提供動(dòng)力輸入,通過離心離合器把動(dòng)力依次傳給第一級(jí)減速器、傳動(dòng)軸、第二級(jí)減速器,最后通過輸入軸傳到成穴裝置帶動(dòng)成穴頭轉(zhuǎn)動(dòng);成穴過程主要是通過操作人員將成穴裝置下降至地面,通過切土刀片切碎中心部分土壤,切碎的土壤被高速旋轉(zhuǎn)成穴頭拋出窩穴。

2 螺旋成穴裝置設(shè)計(jì)及參數(shù)分析

2.1 防護(hù)罩

防護(hù)罩作為成穴裝置的一部分,在成穴過程中起著重要作用。防護(hù)罩通過連接筒固定在輸入軸上,連接筒可以上下移動(dòng),調(diào)節(jié)范圍在10cm以內(nèi),可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)節(jié)防護(hù)罩的高度。成穴頭工作時(shí)拋出的土體,在防護(hù)罩的阻擋下均勻落到窩穴周圍,從而增加了窩穴凹面的平整度。為減輕成穴裝置的總體質(zhì)量,把聚碳酸酯PC(Polycarbonate)作為防護(hù)罩的選材。聚碳酸酯是一種工程塑料,具有較好的耐磨性、耐沖擊性、抗老化性及較高的強(qiáng)度[7]。

2.2 螺旋成穴頭的設(shè)計(jì)

成穴裝置是大窩移栽穴制作機(jī)工作的關(guān)鍵部件,大窩移栽農(nóng)藝要求所制窩穴形狀整體呈錐形、窩面平整且尺寸較大。成穴頭主要尺寸設(shè)計(jì)借鑒了挖坑機(jī)螺旋升土原理,當(dāng)成穴頭處于工作狀態(tài)時(shí),土壤全部或是絕大部分在離心力的作用下被拋至窩穴周圍的地面上,依據(jù)此原理設(shè)計(jì)了一種雙螺旋圓錐芯成穴頭?？紤]到成穴頭升土效率、窩穴合格率及成穴頭在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的平穩(wěn)性,螺旋葉片采用雙葉片對(duì)稱分布的方式;同時(shí),為減輕成穴頭的質(zhì)量,成穴頭中心主軸設(shè)計(jì)成圓錐芯。螺旋成穴頭的結(jié)構(gòu)示意圖[6]如圖2所示。

圖2 螺旋成穴頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of helical acupoint structure

2.3 螺旋成穴頭相關(guān)參數(shù)

1)基本參數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[8]大窩移栽窩穴制作農(nóng)藝要求,所制窩穴需滿足:窩口為圓形,下部為圓錐形,窩徑D0為200～250mm,窩深H0為150～200mm,成形窩底有10～20mm之間的回土高度。所以,成穴頭的外端直徑D取值在180～270mm 范圍內(nèi)[8]。對(duì)于正處于移栽期的幼苗,需要充分吸收陽光進(jìn)行光合作用,合成生長發(fā)育所需的營養(yǎng)物質(zhì)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式D=D0×90%,計(jì)算后結(jié)果取整,求得成穴頭的外端直徑D=200mm,內(nèi)部主軸圓錐芯直徑取d=120mm。在制窩過程中,為防止防護(hù)罩與壟面接觸,成穴頭不完全鉆入土壤即可達(dá)到窩穴尺寸,所以高度應(yīng)取H=200mm。

2)工作參數(shù)。α為成穴頭螺旋升角,計(jì)算公式為

α=arctan(H/πD)

(1)

其中,h為螺旋葉片的高度;D為窩穴口徑。將上述數(shù)據(jù)代入公式(1),求得α=11.4°。

成穴轉(zhuǎn)速對(duì)成穴頭的工作情況有很大的影響,不僅影響輸入功率、成穴效率,而且還會(huì)增加螺旋葉片的磨損。

(2)

其中,Fr為一個(gè)無因次相似準(zhǔn)數(shù),在相同的工作條件下,α不變,r0就不變;α為成穴頭的螺旋升角(°);β為土粒運(yùn)動(dòng)方向與地面的夾角(°),取β=30°;f2為土壤之間的摩擦因數(shù),取f2=1;φ1為土壤與螺旋葉片的夾角(°),取φ1=30°;ξ為螺旋葉片與水平地面的夾角(°)。

將以上所選數(shù)據(jù)代入公式(3)求得Fr=4.2,則

(3)

其中,g為重力加速度(m/s2),取g=9.8 m/s2;r0為螺旋平均半徑(m),取r0=D/4。將數(shù)據(jù)代入公式(3)取整,得到轉(zhuǎn)速n=560r/min,滿足成穴裝置作業(yè)的要求[9-10]。

2.4 螺旋成穴頭的選材

成穴頭工作時(shí),主要依靠刀片切土觸底,整個(gè)過程對(duì)切土刀片的強(qiáng)度及耐磨性有很高的要求?？紤]到加工難度及經(jīng)濟(jì)成本,可選用2mm的65Mn鋼作為螺旋葉片的材料,65Mn鋼熱處理后可得較高的硬度、較好的耐磨性和切削性[11]。選用耐磨性較好的優(yōu)質(zhì)碳素鋼作為圓錐芯主軸的材料[12],刀片切土過程如圖3所示。

圖3 刀片切土示意圖Fig.3 Schematic diagram of cutting soil with blade

3 仿真分析

3.1 建立仿真模型

EDEM軟件是一家英國公司開發(fā)的可用于模擬和分析散體顆粒的CAE軟件,主要應(yīng)用于仿真和分析工業(yè)生產(chǎn)中顆粒系統(tǒng)的處理過程及其制造設(shè)備的生產(chǎn)過程。運(yùn)用EDEM軟件對(duì)成穴過程進(jìn)行仿真分析,仿真界面如圖4所示。

圖4 EDEM仿真界面圖Fig.4 Simulation diagram of acupoint formation

在Globals中設(shè)置仿真的名稱,定義顆粒與顆粒接觸模型,設(shè)定顆粒與幾何體之間的接觸模型為無滑動(dòng)接觸模型,選擇重力加速度為9.8m/s2。為了方便計(jì)算機(jī)進(jìn)行求解,將土壤顆粒全部簡化為規(guī)則的球形,主要參數(shù)設(shè)置如表1所示[13]。

表1 仿真主要參數(shù)設(shè)置Table 1 Settings of main parameters for simulation

3.2 仿真結(jié)果及分析

螺旋成穴頭仿真結(jié)果圖如圖5所示。選取轉(zhuǎn)速為560r/min的仿真結(jié)果作為分析對(duì)象,不僅能觀察到成穴頭的下行過程,還能夠得到成穴時(shí)螺旋葉片與土壤顆粒的相互作用過程,最后獲得成穴過程中接觸力的信息。由圖5可以看出:標(biāo)記顏色的土壤顆粒在離心力的作用下被拋至窩穴周圍,成穴頭繼續(xù)下行窩穴逐漸形成,所制窩穴凹面平整,成穴頭工作穩(wěn)定,仿真結(jié)果達(dá)到預(yù)期要求[14]。

圖5 螺旋成穴頭仿真結(jié)果圖Fig.5 Simulation results of helical acupoint

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)地點(diǎn)、內(nèi)容及流程

1)試驗(yàn)地點(diǎn)為金沙縣西洛街道開化村(N:27o25′39.72″;E:106°08′3.33″海拔:1 264.62m)。待測(cè)地已于試驗(yàn)前10天搶墑起壟(每行約50m,旋耕2次、起壟)。

2)試驗(yàn)時(shí)間為2018年4月3日。試驗(yàn)前,觀察壟體情況,選擇有代表性的植煙地,壟體表面為一壟雙行的平面,每隔40cm用石灰標(biāo)記1個(gè)點(diǎn),壟高30cm,壟寬150cm。土壤具有一定程度粘連,平均濕度20%且約1～2cm的土層有一定程度的板結(jié)。田間試驗(yàn)情況如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片F(xiàn)ig.6 Test field picture

3)試驗(yàn)使用的主要儀器有小型背負(fù)式汽油機(jī)、鋼直尺、水平尺、相機(jī)、緊實(shí)度測(cè)量儀、轉(zhuǎn)速測(cè)量儀、振動(dòng)測(cè)量儀、標(biāo)桿及秒表等。

4)試驗(yàn)內(nèi)容主要包括窩徑、窩深及成穴效率。試驗(yàn)流程:①啟動(dòng)汽油機(jī),試作業(yè)檢測(cè)運(yùn)行是否正常;②在同一塊試驗(yàn)地塊連續(xù)制作50窩穴;③做好相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄。

4.2 試驗(yàn)樣機(jī)

使用UG三維制圖軟件,根據(jù)求得的相關(guān)參數(shù)繪制螺旋成穴頭三維模型,并且加工出試驗(yàn)樣機(jī),如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)樣機(jī)Fig.7 The experimental prototype

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)穴制作機(jī)所制50個(gè)窩穴試驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制成窩穴測(cè)量參數(shù)頻數(shù)分布直方圖,如圖8所示。

圖8 窩穴測(cè)量參數(shù)頻數(shù)分布直方圖Fig.8 Histogram of frequency distribution of measurement parameters in pit

試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示。試驗(yàn)表明:窩徑、窩深平均值能滿足移栽農(nóng)藝的要求,成穴頭工作時(shí)的平穩(wěn)性及窩穴合格率能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)要求。

表2 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of test results

5 結(jié)論

1)具有一定培土功能的防護(hù)罩,避免了現(xiàn)有成穴裝置所制窩穴凹面不平整的問題。成穴頭主軸設(shè)計(jì)成圓錐芯,增加了成穴裝置工作時(shí)的穩(wěn)定性,一定程度上避免了以前成穴裝置存在的不足,使得成穴合格率有大幅度提高。

2)田間試驗(yàn)表明:基于螺旋升土原理設(shè)計(jì)的螺旋成穴頭,所制窩穴的平均窩徑為23.84cm,平均窩深為19.4cm,窩穴合格率為87%。以上各項(xiàng)指標(biāo)均滿足大窩穴移栽螺旋成穴頭的設(shè)計(jì)要求。

3)下一步改進(jìn)思路是把大窩穴移栽與井窖移栽結(jié)合起來,設(shè)計(jì)一種新的成穴裝置,即大窩套小窩。先用圓錐芯螺旋成穴頭制作大窩,下一步在大窩里使用井窖制作機(jī)再打一個(gè)井窖,把大窩與井窖兩種移栽方式的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來,為小苗的生長發(fā)育提供最有利的環(huán)境。