摘要：針對目前市面上水稻育秧營養(yǎng)土短缺的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)一種泥漿機(jī)處理水田泥漿，處理后的泥漿可作為天然的營養(yǎng)土載體。建立泥漿泵的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型，研究分析泥漿泵轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)軌跡及規(guī)律，即泥漿泵轉(zhuǎn)子截面圓心做直線運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子表面點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為在平面上呈現(xiàn)出橢圓狀。建立泥漿泵三維虛擬樣機(jī)模型對泥漿泵進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。結(jié)果表明，泥漿泵轉(zhuǎn)子表面不同固定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是一種空間三維運(yùn)動(dòng)，在平面上是一種橢圓，轉(zhuǎn)子表面不同固定點(diǎn)的速度仿真與數(shù)學(xué)模型最大誤差值7.8%。對泥漿泵偏心距參數(shù)、等距半徑參數(shù)、轉(zhuǎn)速參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)尋找最佳組合參數(shù)。泥漿泵最優(yōu)參數(shù)為：偏心距為7.6 mm，等距半徑為24 mm，轉(zhuǎn)速為680 r/min。泥漿機(jī)田間作業(yè)測試結(jié)果表明，泥漿機(jī)輸送泥漿距離可達(dá)50 m，每小時(shí)可注滿1 500盤秧盤，泥漿流量為6～8 m3/h。

關(guān)鍵詞：水稻泥漿機(jī)；育秧技術(shù)；泥漿泵；正交試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：S224.2" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：2095?5553 （2024） 09?0021?07

Design and experiment of mud machine for rice seedling raising

Chen Zhi Zhou Xuefeng Guo Lei Shu Xin

（1. School of Vehicle Engineering， Hunan Biological and Electromechanical Polytechnic， Changsha， 410000， China;

2. Changsha Daoyin Agricultural Technology Co.， Ltd.， Changsha， 410000， China）

Abstract： In view of the shortage of nutrient soil for rice seedling raising in the market， a mud machine is designed to treat paddy mud. The treated mud can be used as a natural nutrient soil carrier. The kinematic mathematical model of the mud pump is established， and the motion trajectory and law of the mud pump rotor are studied and analyzed. The results show that the center of the rotor section of the mud pump moves in a straight line， and the motion trajectory of the rotor surface points presents an ellipse on the plane. The three?dimensional virtual prototype model of the mud pump is established and the kinematics simulation of the mud pump is carried out. The results show that the motion trajectory of different fixed points on the rotor surface of the mud pump is a three?dimensional motion in space， which is an ellipse in the plane. The maximum error between the speed simulation of different fixed points on the rotor surface and the mathematical model is 7.8%. Orthogonal experiments were carried out on the eccentricity parameters， equidistant radius parameters and rotational speed parameters of the mud pump to find the best combination parameters. The optimal parameters of the mud pump are as follows： eccentricity is 7.6 mm， isometric radius is 24 mm， and speed is 680 r/min. Field test results show that the mud conveying distance can reach 50 m， 1 500 rice plates can be filled every hour， and the mud flow rate is 6-8 m3/h.

Keywords： rice mud machine; seedling rearing technology; mud pump； orthogonal test

0 引言

隨著水稻工廠化育苗的不斷推廣普及，育苗基質(zhì)（營養(yǎng)土）[1]的需求量越來越大，已有部分地區(qū)出現(xiàn)營養(yǎng)土短缺的現(xiàn)象。目前農(nóng)戶普遍采用簡單設(shè)備粉碎、篩選營養(yǎng)土，存在肥及藥劑混合不均勻的問題，極易造成秧苗出芽不勻。一些新型輕質(zhì)的營養(yǎng)土不斷涌現(xiàn)，但這些營養(yǎng)土的品質(zhì)、成本等方面存在問題，無法大量推廣應(yīng)用。

營養(yǎng)土要求在大豆田、玉米田等未施用過除草劑的旱地選取，土質(zhì)呈現(xiàn)中性，肥而無雜質(zhì)。一般先進(jìn)行取土晾干后，再粉碎過篩（顆粒直徑2～4 mm）、調(diào)酸（pH 4.5～5.5）、拌肥，才能成為合格的營養(yǎng)土。

目前水稻育秧機(jī)械化[2， 3]集中在工廠化育秧[4， 5]及精量播種技術(shù)[6?8]，較少涉及泥漿處理設(shè)備[9， 10]，泥漿是較好的天然載體，泥漿處理存在工作強(qiáng)度大、效率低、不均勻且泥中含石塊影響種子出苗和秧苗機(jī)插等問題。為提高泥漿處理效率，本文設(shè)計(jì)一種水稻育秧泥漿機(jī)，泥漿經(jīng)初步處理后，通過泥漿落料斗進(jìn)入泥漿加工組件，經(jīng)過加工后的泥漿進(jìn)入泥漿泵，泥漿泵通過螺桿的螺旋運(yùn)動(dòng)輸出泥漿到育秧地塊，實(shí)現(xiàn)水田旱地均可育秧。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

水稻育秧泥漿機(jī)由泥漿加工組件、機(jī)架、泥漿泵、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。泥漿加工組件安裝在機(jī)架的上方，主要用于將未加工的粗泥漿加工成適合育種的細(xì)泥漿。機(jī)架作為水稻育秧泥漿機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)，用于支持設(shè)備各部件。泥漿泵用于產(chǎn)生輸送泥漿所需的壓力，并能將加工后的泥漿輸送到秧田。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝于機(jī)架的前部，通過連接軸與拖拉機(jī)的傳動(dòng)軸相連，將拖拉機(jī)的動(dòng)力傳遞給驅(qū)動(dòng)泥漿加工組件與泥漿泵。泥漿經(jīng)過落料斗在泥漿加工組件中經(jīng)過過濾加工后落入泥漿泵中，通過泥漿泵輸送到秧田。

1.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理

主軸花鍵連接拖拉機(jī)傳動(dòng)軸獲取動(dòng)力，主軸上安裝泥漿泵驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪通過皮帶將動(dòng)力傳遞給泥漿泵。副軸通過連軸器連接主軸，副軸上安裝泥漿加工組件驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪將動(dòng)力通過皮帶傳遞給泥漿加工組件。

1.2 泥漿加工組件結(jié)構(gòu)原理

泥漿加工組件工作原理：粗泥漿從進(jìn)料口加到加工組件，粗泥漿經(jīng)過攪拌葉片加工為細(xì)泥漿，經(jīng)過處理后的泥漿經(jīng)過輸出法蘭過濾輸出到泥漿收集斗，如圖3所示。

1.3 泥漿泵結(jié)構(gòu)原理

泥漿泵可輸送含有纖維物和固體顆粒的液體，選用型號(hào)為G25-1，泥漿泵結(jié)構(gòu)如圖4所示。其工作原理為：泥漿從進(jìn)料法蘭進(jìn)入，經(jīng)過定子與螺桿軸[11?14]的相互運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生壓力再由出料法蘭輸出。

2 泥漿泵運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1 泥漿泵定、轉(zhuǎn)子型線方程建立

2.2 泥漿泵轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)規(guī)律

2.2.1 轉(zhuǎn)子中心的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

2.2.2 泥漿泵轉(zhuǎn)子截面上的點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)

2.2.3 嚙合處的速度

3 仿真試驗(yàn)與分析

3.1 三維模型建立

參照螺桿泵G25-1的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立泥漿泵定子、轉(zhuǎn)子、傳動(dòng)軸、連接軸、泥漿泵殼體。其中偏心距e=6 mm，轉(zhuǎn)子等距半徑R=20 mm，定子半徑R0=26.5 mm，轉(zhuǎn)子螺距T1=100 mm，定子螺距T2=200 mm，轉(zhuǎn)子導(dǎo)程186 mm，定子導(dǎo)程183 mm。在三維軟件SolidWorks中，以定子半徑作圓拉伸183 mm，在定子圓面上以定子截面線為輪廓曲線，以半徑為32 mm的螺旋線為掃描切除路徑進(jìn)行實(shí)體掃描切除完成定子的三維模型，轉(zhuǎn)子的三維模型以轉(zhuǎn)子等距半徑作圓，以偏心距e繪制螺旋線圓心，以半徑為26 mm的螺旋線作路徑進(jìn)行實(shí)體拉伸完成轉(zhuǎn)子的三維模型主體。為方便后面的虛擬仿真，在不影響主要仿真參數(shù)的情況下對泥漿泵進(jìn)行一定的簡化，如簡化萬向節(jié)，泵殼、螺栓等結(jié)構(gòu)。在對泥漿泵進(jìn)行裝配時(shí)，以泵殼作為固定件，進(jìn)行裝配，最后裝配好泥漿泵定子、轉(zhuǎn)子、傳動(dòng)軸、連接軸等4個(gè)零件，并進(jìn)行干涉檢查，檢測無干涉現(xiàn)象，泥漿泵裝配三維模型如圖11所示。

3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型的建立

利用SolidWorks軟件中自帶的虛擬仿真插件Motion進(jìn)行泥漿泵的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，Motion是基于虛擬仿真軟件ADAMS創(chuàng)立的，其操作比ADAMS更簡潔，對SolidWorks中的模型數(shù)據(jù)可進(jìn)行無縫鏈接。將建立好的泥漿泵三維裝配體模型界面切換到運(yùn)動(dòng)算例中，選擇Motion分析，添加運(yùn)動(dòng)副和約束如表1所示。

在添加運(yùn)動(dòng)副后，檢查模型的配合及自由度是否出現(xiàn)冗余，冗余約束會(huì)導(dǎo)致仿真求解失敗或力的計(jì)算不正確，可嘗試通過點(diǎn)的約束取代其他約束，也可在仿真計(jì)算時(shí)，通過算列屬性以套管替代冗余配合的方式來進(jìn)行仿真得到正確的結(jié)果。因轉(zhuǎn)子在定子中運(yùn)動(dòng)屬于一種行星螺旋運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)是因相互之間的螺旋軌跡接觸導(dǎo)致，需施加實(shí)體接觸并精確接觸，同時(shí)施加重心引力，在傳動(dòng)軸上施加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，等速轉(zhuǎn)速240 r/min，仿真時(shí)間為0.3 s，此時(shí)，轉(zhuǎn)子剛好轉(zhuǎn)過一圈多。

3.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果分析

1） 運(yùn)動(dòng)軌跡分析。選取3點(diǎn)作為研究對象，其中點(diǎn)1和點(diǎn)2位于轉(zhuǎn)子表面截面圓心與螺旋線圓心所處直線上，點(diǎn)3處于點(diǎn)1和點(diǎn)2之間。對各點(diǎn)其行路徑跟蹤，得到點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖12所示。

分析轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)軌跡可以得出，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)軌跡并不是一個(gè)平面運(yùn)動(dòng)，而是空間的三維運(yùn)動(dòng)，造成這種現(xiàn)象的原因是轉(zhuǎn)子在定子中轉(zhuǎn)動(dòng)過程中有一定的螺旋前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子表面各點(diǎn)離螺旋中心的距離越大，運(yùn)動(dòng)軌跡所形成的范圍也相應(yīng)增大，在投影面形成一個(gè)橢圓的軌跡，橢圓軌跡驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確性。轉(zhuǎn)子表面各點(diǎn)并不是都與定子接觸，只有離螺旋中心最遠(yuǎn)的點(diǎn)時(shí)刻與定子接觸。

2） 運(yùn)動(dòng)速度和加速度分析。選定的圓弧點(diǎn)在仿真周期內(nèi)的速度、加速度曲線變化規(guī)律如圖13所示。在Motion分析中，可對時(shí)間軸進(jìn)行滑動(dòng)來查看轉(zhuǎn)子模型中不同位置點(diǎn)的速度及加速度情況。

由圖13可以看出，從速度上分析可知點(diǎn)1的速度最大，點(diǎn)2的速度最小，點(diǎn)3的速度位于最大與最小值之間。通過前面的速度公式可求得最大速度為804.25 mm/s，最小速度為201.06 mm/s，仿真結(jié)果顯示最大速度為765.1 mm/s，誤差為4.9%，最小速度為185.3 mm/s，誤差為7.8%。誤差的大小與仿真求解器的計(jì)算步長有關(guān)，解釋法和仿真法相互證明了各自的正確性。從加速度分析可知，3點(diǎn)的加速度趨勢一致，基本呈現(xiàn)出一定的比例關(guān)系，這是由于位于轉(zhuǎn)子上的點(diǎn)隨著離螺旋中心距離逐漸增大，其加速度也相應(yīng)成比例的增大。曲線上的大尖峰主要是由解釋器計(jì)算和轉(zhuǎn)子進(jìn)行螺旋前進(jìn)運(yùn)動(dòng)引起的突變。進(jìn)一步分析轉(zhuǎn)子表面上點(diǎn)1在運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)各個(gè)方向的速度及加速度的變化規(guī)律，如圖14所示。點(diǎn)1在X軸與Y軸方向上基本呈現(xiàn)出一種勻速運(yùn)動(dòng)，在Z軸方向上只有在進(jìn)行螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí)，有一定的速度突變，點(diǎn)1在各個(gè)方向的加速度基本為0。

3.4 最優(yōu)參數(shù)組合與驗(yàn)證

為研究轉(zhuǎn)子表面線速度與偏心距、轉(zhuǎn)子等距半徑、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的最佳組合關(guān)系，以偏心距e、轉(zhuǎn)子等距半徑R、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速W為試驗(yàn)因素，以轉(zhuǎn)子表面最大線速度v為評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)方法試驗(yàn)。采用Design-Expert12 Trial軟件，根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)三因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)。因素水平編碼表如表2所示，其中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速主要模擬拖拉機(jī)怠速時(shí)的轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及響應(yīng)值如表3所示。

回歸方程進(jìn)行方差分析如表4所示?；貧w模型顯著性水平P值小于0.01，表明回歸模型顯著，擬合程度較好，模型失擬項(xiàng)P值為0.435gt;0.05，即回歸方程與實(shí)際擬合中非正常的誤差比例較小，說明試驗(yàn)誤差較小。

應(yīng)用Design-Expert12.0 Trial尋優(yōu)功能，對回歸方程進(jìn)行求解，在100組數(shù)據(jù)中計(jì)算出最佳組合參數(shù)，偏心距e為7.666 mm，等距半徑R為23.918 mm，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速W為681.261 r/min，在此參數(shù)條件下轉(zhuǎn)子表面最大線速度v為261.501 m/s，如圖15所示。

為進(jìn)一步驗(yàn)證泥漿機(jī)的作業(yè)性能，設(shè)計(jì)泥漿泵關(guān)鍵參數(shù)偏心距e為7.6 mm，等距半徑R為24 mm，以泥漿流量和輸送距離作為評價(jià)指標(biāo)，對設(shè)計(jì)完成的泥漿機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)場所為經(jīng)過打田機(jī)處理過的水稻田，泥漿密度在1.2～1.3 t/m3，運(yùn)用拖拉機(jī)牽引泥漿機(jī)，拖拉機(jī)啟動(dòng)后設(shè)定在怠速狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速680 r/min，將初步處理好的泥漿經(jīng)過泥漿機(jī)過濾并通過軟管輸出，軟管長度可達(dá)到50 m，泥漿機(jī)每小時(shí)可注滿1 500盤秧盤，泥漿流量為6～8 m3/h，作業(yè)順暢，無堵塞，現(xiàn)場試驗(yàn)效果良好。

4 結(jié)論

1） 為應(yīng)對水稻育秧營養(yǎng)土短缺的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)一種泥漿機(jī)，水稻育秧泥漿機(jī)由泥漿加工組件、機(jī)架、泥漿泵、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，泥漿機(jī)能方便連接拖拉機(jī)動(dòng)力。

2） 對泥漿泵進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，對比數(shù)學(xué)模型，速度特性仿真最大誤差為7.8%，數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型和虛擬仿真模型的正確性。

3） 通過現(xiàn)場田間試驗(yàn)，泥漿機(jī)輸送泥漿距離可達(dá)50 m，每小時(shí)可注滿1 500盤秧盤，作業(yè)順暢，無堵塞，能夠從水稻田獲取泥漿作為營養(yǎng)土載體，可實(shí)現(xiàn)水田旱地育秧。泥漿機(jī)提高泥漿處理效率，改善人工勞動(dòng)強(qiáng)度，降低人工成本，效果顯著。

參 考 文 獻(xiàn)

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