移栽機凸輪擺桿式扶苗機構設計與分析

2 0 0 3 年 9 月 農 業(yè) 機 械 學 報 第 34 卷 第 5 期 移栽機凸輪擺桿式扶苗機構設計與分析 3 周德義 孫裕晶 馬成林 【 摘要】 移栽機扶苗機構結構參數和運動參數設計合理是保證移栽缽苗直立的關 鍵 。 分析了無扶苗機構時缽 苗落地后翻轉運動過程 , 凸輪擺桿式扶苗機構栽植性能與運動參數關系 , 以及扶苗板運動規(guī)律。通過理論分析建立 了 扶苗板運動規(guī)律數學模型和扶苗機構初相角數學模 型 。 設計的凸輪擺桿式扶苗機構已用于 2ZB 型導苗筒式移栽 機上。 試驗表明 : 該機構工作穩(wěn)定 , 栽植深度均勻 , 滿 足移栽要求。 關鍵詞 : 移栽機 扶苗機構 設計 試驗 中圖分類號 : S223194 文獻標識碼 : A D es ign and Ana lysis of a Support in g- seedl in g M echan ism w ith Cam and Com b in ed Rocker Zhou D eyi Sun Yu jing M a Chenglin (J ilin U n iversity ) Abstract Suppo rt ing2seedling m echan ism w ith reasonab le structu ral p aram eters and m ovem en t p aram eters is the key fo r t ran sp lan t ing seedling up righ t ly. T he m ovem en t after the seedling falls to the ground w as analyzed in th is paper, and the relat io n be tw een the t ran sp lan t ing perfo rm ance of the suppo rt ing2seedling m echan ism and it s p aram eters w ere also analyzed. W ith the he lp of com pu ter analyzing, the cu rves of disp lacem en t of suppo rt ing2seedling board and the theo retical ou t loo k of the cam w ere draw n, and the m athem atical m odel of the o rig inal angle of suppo rt ing2 seedling m echan ism w as set up. T he m echan ism w as u sed in 2ZB t ran sp lan ter, and w as p roved in exp erim en ts to be satisfied of the dem and to t ran sp lan t seedling s. Key words T ran sp lan ters, Suppo rt ing2seedling m echan ism , D esign, Exp erim en t 引言 半自動移栽機設計中 , 常用吊杯式或吊籃式移 栽機 構 1, 2 保證缽苗栽植直立 性 。 導苗管式移栽機 采 用的扶苗機構特點是 : 傾斜導苗筒式扶苗機構 3 通 過控制導苗筒傾角使缽苗落地后自動立正 , 該機構 作業(yè)可靠性受機具前進速度影響較大 , 不易保證 ； 柵 欄式扶苗機構 4 利用水平速度為零的柵欄扶持秧苗 覆土鎮(zhèn)壓 , 保證栽直 度 。 扶苗機構設計關鍵是減小 缽 苗落地時水平速度 , 使缽苗在靜止狀態(tài)下覆土鎮(zhèn)壓 , 保證栽直度 , 即所謂零速移 栽 。 基于這種理論 , 本 文 結合紙筒缽苗來研究缽苗落地后運動規(guī)律 , 并依此 設計凸輪擺桿式扶苗機構 , 使缽苗在支撐狀態(tài)下覆 土 , 保證秧苗直 立 。 1 缽苗翻轉運動分析 紙筒缽苗具有粘性和塑性 , 在分析缽苗落地與 地面塑性碰撞 時 , 忽略缽苗彈跳和振 動 。 紙筒缽苗 落 地后運動過程 中 , 簡化為圓柱型剛體模 型 。 紙筒缽 直 徑 25 mm、 高 度 75 mm。 如 圖 1, 缽苗重心位置 為 O , 收稿日期 : 2002 05 21 3 地面機械仿生技術教育部重點實驗室資助項目 (項目編號 : 961065) 周德義 吉林大學生物與農業(yè)工程學院 博士 , 130025 長春市 孫裕晶 吉林大學生物與農業(yè)工程學院 博士生 馬成林 吉林大學生物與農業(yè)工程學院 教授 博士生導師 農 業(yè) 機 械 學 報 2 0 0 3 年 58 m R 2 = m gR 1 sin (- 0 ) s s2 + 2 2 2 1 s (s2 + 2 ) 2 1 2 2 加上秧苗葉質量 , 測得重心高度為 45 mm。 圖 1 缽苗翻轉運動模型 因移栽作業(yè)速度較低且比較穩(wěn)定 , 為便于分析 , 設移栽機以速 度 vm 勻速前 進 。 在慣 性力作用 下 , 缽 苗繞 A 點作 平面定軸轉 動 。 質心回轉半徑為 R 1 = OA = 4617 mm。 下面分析不扶苗 時 , 紙筒缽苗落地后運動過 程 。 在重力作用下 , 缽苗力學平衡方程為 1 初始條件為 : 初相 角 0 = arctan 1215= 151524 45 2 扶苗機構結構和性能參數 在慣性力作用下 , 無扶苗機構則缽苗落地時將 向前傾倒 , 因此缽苗栽植直立性主要取決于扶苗機 構 。 理想情況應在缽苗落地瞬間進行扶苗 , 使缽苗 水 平速度為零 , 在支撐條件下覆土而不發(fā)生前沖和彈 跳 。 受滑移 率 、 摩擦力等隨機因素影響 , 缽苗著地 點 隨機變化 , 實際上要實現缽苗著地瞬間扶苗是很困 難 的 。 若扶苗機構動作超前 , 則缽苗落到扶苗板上 反 彈 , 缽苗向后躺倒 ； 反之扶苗機構動作滯后 , 由于慣 性作用缽苗向前倒 伏 。 設計中按缽苗著地一段時 間 后扶苗器開始扶持缽 苗進行配置 , 直到覆土完成 , 然 后鎮(zhèn)壓完成栽植過 程 。 211 總體結構 如 圖 2, 扶 苗 機 構 由 凸 輪 、 復合擺 桿 、 平 行四 桿 機 構及扶苗板組 成 。 扶 苗 機構由地輪通過傳動鏈和 變 速箱驅 動 。 送苗盤有 6 個接苗杯 , 凸輪有兩個凸 齒。 凸輪與送苗盤轉速比 為 3 1。 凸輪和擺桿 O 2F 初始角速 度 0 = arctan R vX 0 co s 的作用是將變速器輸出的 1 0 轉 動轉換成往復 擺 動 。 為 整理可 得 R 1 = g ( sinco s0 - co ssin0 ) ( 0 , 10515 ) (1) 減小摩擦和沖擊 , 在擺桿 F 端 安裝一滾 輪 。 凸輪帶 令 = t, L () = F (s)。 對方程兩邊取拉氏 變 換 , 并將初始條件代入式 (1) 得 動 擺 桿 O 2F 轉 動 , 擺 桿 圖 2 扶苗機構結構簡圖 R 1L ( ) = g co s0L ( sin (t) ) - sin0L (co s (t) ) 按拉氏變換展開可得 R 1 s2F (s) - s0 - 0 = O 2F 和 B O 2 剛性連 接 。 由擺桿 B O 2 帶動四連 桿擺 動 , 進而帶動扶苗板往復運動 , 扶苗板安裝于四連桿 CD 延長 邊 上 。 通過輪廓曲線控制扶苗 板 E 運動 規(guī) 律 , 達到特定要 求 。 g co s0 s + - sin0 性能參 數包 括 : 扶苗板行 程 S 、 扶苗板運動規(guī) 律 (位 移 s、 速 度 v ) 和扶苗機構初相 角 0。 即 F (s) = g R 1 s2 (s2 + 2 ) - 0 0 212 扶苗板工作行程確定 圖 3 中 , 以移栽機架為參照系 , Z 軸為導苗筒中 sin0 對式 (2) 進行拉氏逆變換得 + + s s2 (2) 心軸線 , X 軸為落苗點前進方向 , O 點為導苗筒中心 在 X 軸投影 點 。 A 點 為 vm = 111 km /h 時缽苗理 論 = g R 1 co s0 1 t- sin (t) - 落苗 點 。 在組合振動 導苗筒式導苗機構試驗研 究3 中得出 : 落苗過程中缽苗在前進方向上的理論相對 sin0 1- co s (t) + 0u ( t) + tu ( t) (3) 位移 l = 3174 mm , 理論落苗時間 t = 01421 2 s。 2 0 OA 0 其中 u ( t) 為階躍函數 , 因 t 0, 有 u ( t) = 1。 將 u ( t) = 1 代入式 (3) , 得缽苗翻轉運動方程為 點劃線 B C 為開溝器側板末端位置 , lOB = 16 mm。 X 0、 X 1 分別表示扶苗板初始位 置和最大行程位 置 。 為避免缽苗下落時與扶苗板碰撞 , 消除落苗時 = g R 1 co s0 1 t- sin (t) - 間和位置誤差 , 扶苗板初始位置與缽苗落點之間設 置間隙 lX O , m in = 18 mm (紙筒缽苗半徑 1215 mm , 扶 sin0 1 1- co s (t) + 0 + 0 t (4) 0 苗板行程過渡區(qū) 515 mm )。缽苗落地一段時間后扶 co s0 1 0 1 第 5 期 周德義 等 : 移栽機凸輪擺桿式扶苗機構設計與分析 59 圖 3 扶苗板行程示意圖 苗板相對機架以速度 vm 向后運動扶持秧苗 , 保證秧 苗 水平 速度為 零 , 在扶苗板扶持下覆 土 、 壓 實 , 然 后 迅速復 位 。 為保證移栽過程中缽苗覆土完全 , 取 lB X = tb= 01126 7 s。 扶苗板 扶 苗 和 回 程 時 間 為 : t = t1 + t2 + tb = 01167 8 s。 移栽機栽植頻率約 為 1 株 /s, 扶苗機構 大 部分時間處于復位狀態(tài) , 保證了扶苗機構和落苗過 程相配 合 。 214 扶苗機構初相角的確定 如 圖 4, 扶 苗機構初相 角 0 為扶苗機構啟動 時 刻缽苗中心和送苗盤中心連線與投苗口前端和送苗 盤中心連線夾角 , 即 0 = ( t1 - td ) 其 中 = vm (1- )D /R d 4 mm , 則 lOX = lOB + lB X = 20 mm。扶苗板行程 : S = 式 中 t1 扶苗板開始扶苗時 間 lX O + lOX = 38 mm。 td 落苗時間 , td = 01421 2 s 213 扶苗板運動分析 如圖 3, 扶苗板運動時 , 位移 s 和速度 v 與機器 前進方向相 反 。 這里討論扶苗板相對于機架運動 , s、 v 方向 與 X 軸一 致 。 為減少對秧苗沖擊 , 扶苗板啟 動 時先勻加速運動 , 接觸缽苗后以 - vm 勻速運動 , 到 X 1 點返 回 。 扶苗板與缽苗初始間距 為 91243 mm。 設 過渡區(qū)內扶苗板運動加速度為 a , 扶苗板與缽苗接 觸時間為 t1 , 分離時間為 t2 , 則扶苗板相對運動方程 為 D 地輪與送苗盤之間傳動 比 地輪滑移 率 R d 地輪半徑 , R d = 0125 m 由此可得扶苗機構初相角模型 : 0 = D ( t1 - td ) vm (1- ) /R d (9) 1 2 2 a t s= 1 2 ( t 0, t1 ) (5) 2 a t1 + vm ( t- t1 ) ( t t1 , t2 ) 扶苗板相對速度為 a t ( t 0, t1 ) v = vm ( t t1 , t2 ) (6) 圖 4 扶苗機構初相角示意圖 落苗過程分析 5 表明 : 工作速度 vm 變化對落苗 扶苗板與缽苗接觸條件 時間 td 影響較 小 。 而送苗盤角速 度 和工作速 度 vm s1 = 1 a t2 - vm t1 = 01005 5 m (7) 2 1 扶苗板總行程 成 正 比 。 受土壤阻力等因素影 響 , 地輪滑移 率 和 投 苗 角 0 有變 化 , 因 此 , 調試中扶苗機構初 相角需 根 據機器前進速度按實測結果確 定 。 S = 1 a t2 + vm ( t2 - t1 ) = 01038 m (8) 2 3 扶苗機構結構參數的確定 由式 (7) 和 (8) 可得 : t2 = 01026 143 s。 求解式 (7) 時顯然有 t2 t1 , 故取 t1 = 01015 s, 則 有 a= 228183 m /s2。 可見過渡區(qū)內扶苗加速度較大 , 而且工作速度 越 大 , 加速度越 大 。 此時扶苗板未與缽苗接 觸 , 不 會 對缽苗遭成沖 擊 。 在扶苗板表面貼一層耐油橡 膠 , 使 扶苗板與缽苗平穩(wěn)接觸 , 橡膠還可防銹 , 減少扶苗板 與紙筒粘 附 。 扶苗板 到 達 X 1 點后以速 度 v b 勻速 返 回 。 為保證扶苗板運動準確和及時復 位 , 擺 桿 OB 末 端連接復位彈 簧 。 降低扶苗板回程速度可減小扶苗機構沖擊 , 取 v b= 013 m /s。 由扶苗板回程距 離 S 求得回程時間 為 扶苗機構結構參數主要包 括 : 凸輪升 程 h、 凸 輪 輪廓曲 線 、 擺桿和平行四桿長 度 。 311 凸輪升程和凸輪齒廓曲線設計 根據扶苗板 運動規(guī)律和結構配置 , 沿圓周均勻 配置 2 個凸齒 , 凸輪升程 h = 8184 mm , 齒廓曲線變 化規(guī)律如圖 5 所示 , 實際凸輪廓線通過局部圓整理 論廓線而 成 。 312 擺桿機構參數配置 復合擺桿和平行四連桿不僅能夠轉換構件運動 方 式 , 還起放大扶苗板行程作 用 。 根據 傳動 比 i 的 要 求配置擺桿機構參 數 。 如 圖 2, 設 FO 2 = l1、 O 2B = l2、 1 1 1 農 業(yè) 機 械 學 報 2 0 0 3 年 60 = = 413 測 試 。 試驗條 件 : 玉米品種吉 單 159, 苗 齡 3 葉 1 心 , 缽苗平均高度 130 mm , 測區(qū)長度為 15 m , 土壤濕度 13184% 15142%。 試驗時先標定測試車速 度 , 依 次 按設定 速度進行試 驗 , 同時測試作業(yè)速 度 、 株 距 、 滑 移 率和秧苗直立狀 況 。 試驗結果見 表 1, 移栽合格 率 為 95116%。 表 1 扶苗機構土槽移栽玉米試驗 結果 圖 5 凸輪升程曲線 機組速度 次序 測區(qū)缽 不合格株數 O 3B = l3、 O 3C = l4。 根據結構配置 , 有 h = l1 sin1 l3 sin2 = l2 sin1 S = l4 sin2 (10) /km h- 1 苗株 數 漏栽 數 重栽 數 斜栽 數 傷秧 數 倒伏 數 根據裝配要 求 , 確 定 : l1 = 70 mm、 l4 = 153 mm 和 O 2、 O 3 位 置 。 前面分析得出 : 扶苗板行程 S = 38 mm , 因此 i= S l2 l4 h l1 l3 從而求得 : l2 = 63 mm , l3 = 32 mm。 4 試驗和驗證 在吉林大學農業(yè)工程實驗室土槽試驗臺上進行 注 : 秧苗主莖稈傾 斜 30 以上為斜 栽 。 試驗表 明 : 作業(yè)速度 為 112 116 km /h 時栽 植 質量比較穩(wěn) 定 。 栽直率大 于 95% , 漏栽率小 于 2% , 栽植深度均勻 , 覆土厚度穩(wěn)定 , 滿足半自動移栽要 求。 參 考 文 獻 1 宋洪 波 , 安鳳 平 , 史 巖 . 偏心式移栽機的研 究 . 農業(yè)機械學 報 , 1997, 28 (增 刊 ): 41 45 2 封 俊 , 秦 貴 , 宋衛(wèi)堂 等 . 移栽機的吊杯運動分析與設計準 則 . 農業(yè)機械學 報 , 2002, 33 (5) :