劉洋,李亞雄,趙華偉,王濤,李斌

(1新疆農(nóng)墾科學院機械裝備研究所,石河子832000;2石河子大學機械電氣工程學院,石河子832003)

吊籃式移栽機雙工位喂苗機構的設計

劉洋1,李亞雄1,趙華偉2,王濤1,李斌1

(1新疆農(nóng)墾科學院機械裝備研究所,石河子832000;2石河子大學機械電氣工程學院,石河子832003)

吊籃式移栽機具有成穴和移栽一次完成的特點,但是在使用時喂苗人員勞動強度較大,且易出現(xiàn)漏苗現(xiàn)象。為了解決此問題,設計了一種吊籃式移栽機雙工位喂苗機構。該機構采用栽植單體上的擋鐵推動撥桿,由與之鉸接的拉桿打開喂苗筒上的活門實現(xiàn)向吊籃喂苗;通過計算確定了該機喂苗筒的高度,優(yōu)化了喂苗的位置和提前角。

吊籃式移栽機;喂苗機構;提前角

Abstract:The feature of the bastkate-type transplanter is that it can complete cransplating and caving one time,but the labor intensity is great when it works.Considering this defect,a machinery about bastkatetype transplanter was designed.In this machinery,the iron block of planting monomer is used to push the lever,and the bar which is hinged with it,open the valve of picking seedling tube,thus the planter was thrown in the bastkate.The height of the planting tube is designed based on analyzing,and the position and advanced angle were optimized based on calculating,which can reduce the damage of planter by the bastkate and improve the accuracy of planting.

Key words:transplanter;picking seedling machinery;advance angle of picking seedling;bastkate

20世紀30年代國外發(fā)達國家出現(xiàn)了手工喂苗的栽植機具,50年代研制出多種不同結(jié)構形式的半自動移栽機和簡易制缽機。70年代末B K Huang等發(fā)明了適合自動移栽的空氣整根育苗技術,以此為基礎提出了缽體移栽的系統(tǒng)方案,并設計了精密苗盤播種機和自動移栽機。這種移栽機能夠移栽多種農(nóng)作物,通用性好,缺點是體積大,成本高[1]。80年代初美國出現(xiàn)了自動移栽機,H L Brewer等[2]經(jīng)過多年研究、改進、設計出箱式移栽機。目前,一些發(fā)達的國家已實現(xiàn)甜菜、玉米、蔬菜和煙草等旱地作物的育苗工廠化和移栽機械化。

我國在20世紀70年代開始研制裸根苗移栽機,80年代研制成半自動蔬菜移栽機,但是由于育苗技術落后,配套性能差,綜合效益低等原因都未得到推廣。2009年4月,新疆天業(yè)集團從意大利Ferrari公司引進一臺吊籃式移栽機,該機移栽質(zhì)量好,可以方便地調(diào)節(jié)行距和株距,在使用過程中得到了農(nóng)機工人的好評。據(jù)農(nóng)機工人反映,該機喂苗不方便,受喂苗人員工作頻率的影響,工作時機組車行走速度較慢,移栽效率低;若機車提高作業(yè)速度,吊籃轉(zhuǎn)速將提高,容易造成喂苗人員喂苗不及時,漏苗率提高,并使喂苗人員勞動強度得到極大的提升。因此,為了提高吊籃式移栽機的作業(yè)效率和移栽質(zhì)量,在吊籃式移栽機投苗理論的基礎上設計了一種喂苗機構。

1 喂苗機構的結(jié)構與原理

吊籃式移栽機喂苗與栽植結(jié)構如圖1所示。圖1中箭頭方向是栽植單體轉(zhuǎn)動方向,喂苗機構通過機架固定在移栽單體的上方。喂苗機構主要有喂苗筒、活門、拉桿、撥桿、滾動軸承和彈簧組成,活門與喂苗筒和拉桿分別鉸接,拉桿一端有一根彈簧,不工作時,在彈簧力作用下活門關閉喂苗筒。撥桿的下端安裝一個軸承,撥桿和拉桿之間連接一根彈簧,在彈簧力的作用下使撥桿與拉桿上的軸承始終接觸。

喂苗前,活門處于關閉狀態(tài),由人工將缽苗放入喂苗筒中,擋鐵隨著移栽單體的轉(zhuǎn)動與撥桿下端的軸承接觸,并推動撥桿,撥桿推動拉桿,拉桿打開活門,放在喂苗筒中的缽苗落入栽植單體的吊籃中,這樣就完成了喂苗工作,此時活門處于打開狀態(tài)。

圖1 喂苗和栽植機構Fig.1 The mechanism of feed-seeding and transplanting

2 關鍵部件的設計與計算

2.1 喂苗筒結(jié)構

喂苗筒下端斜口(圖1)的角度對喂苗的可靠性有一定的影響。角度過小時,活門關閉太快,容易夾苗;角度過大時,活門打開時間較長,這樣人工將缽苗放入投苗筒的有效時間太短。另外,在能夠滿足人工投苗所需要時間的情況下,應盡量取較大的傾斜角,以避免夾苗現(xiàn)象的產(chǎn)生。鑒于以上作業(yè)要求,本設計喂苗筒斜口的角度取為45°。

2.2 吊籃結(jié)構

因為喂苗機構投下的缽苗在下落的過程中,栽植單體上的吊籃在轉(zhuǎn)動,為了使喂苗機構投落的缽苗能夠準確落入吊籃中,本設計對吊籃的結(jié)構進行了改進,即在吊籃的上端安裝一個苗盒,其結(jié)構如圖1所示,這樣只要缽苗落入苗盒中,就保證了投苗的準確性。

2.3 喂苗位置的確定[3-5]

2.3.1 喂苗筒高度的確定

喂苗筒的高度直接影響喂苗的準確率及可靠性。喂苗筒過高時,缽苗從喂苗筒活門打開到落入吊籃苗盒中的時間較長,這會降低喂苗的準確率;若喂苗筒較低,則擋鐵推動撥桿打開活門的時間較短,會出現(xiàn)缽苗還未完全掉出喂苗筒而活門就已經(jīng)關閉的情況,這樣就發(fā)生了夾苗的現(xiàn)象。為了避免這種現(xiàn)象,可以增加擋鐵的長度來延長活門打開時間,同時盡量取較低的喂苗筒高度。

缽苗的高度一般在15～20 cm,為了避免夾苗現(xiàn)象,喂苗時缽苗應全部掉出喂苗筒后活門才關閉。

因此,本設計喂苗筒的高度取為缽苗最大高度20 cm。

2.3.2 吊籃接苗瞬時位置的確定

參照文獻[6-7]確定吊籃接苗的瞬時位置。

在缽苗下落的過程中,為了減小缽苗落入吊籃時的損傷,就必須使缽苗受到的橫向沖擊力最小。圖2是缽苗下落示意圖,VT是移栽機工作行駛速度,因為喂苗筒和栽植單體的速度VT相等,所以缽苗在被投落時與栽植單體的速度VT也相等。缽苗質(zhì)心 M 在下落過程中只受到重力作用,所以速度VM方向垂直向下。吊籃A、B的速度為VA、VB,因為吊籃在移栽單體上均布,所以VA與VB的大小相等。為了減小缽苗落入苗盒時的損傷,應使吊籃A、B在水平方向的分速度同時取較小值時刻,缽苗落入苗盒。

根據(jù)速度矢量分解得:

上式中 , 00≤θ≤900。

由上面二式可以看出,吊籃A的水平速度與θ的正弦成反比,吊籃B的水平速度與θ的余弦成反比。因此,為了使吊籃A、B的苗盒在接到缽苗時水平速度都為較小值,只有取θ=45°,即當?shù)趸@A、B的軸在移栽單體轉(zhuǎn)軸上方高度相等時接苗,缽苗的損傷較小。

圖2 缽苗下落示意Fig.2 The picture of the seed-droping

2.3.3 喂苗提前角的計算

參照文獻[8-10]計算喂苗提前角。

喂苗時,缽苗從喂苗筒的活門打開到落入吊籃的過程中,吊籃繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的角度就是喂苗提前角。缽苗落下的準確性除與喂苗筒到吊籃的距離有關,還與吊籃在工作時的運動角速度有關,而角速度受移栽機工作行駛速度的影響,所以喂苗提前角是下落高度與移栽機工作行駛速度的函數(shù)。

喂苗時,喂苗筒距處于接苗狀態(tài)的吊籃苗盒垂直距離 h =0.2 m。因為缽苗與吊籃的速度VT相等,所以在計算缽苗相對于吊籃的下落時間時,可以忽略移栽機工作行駛速度VT的影響。根據(jù) t =缽苗下落時間t=0.2 s。

移栽機工作時,每分鐘栽苗約80株,一次可以同時給2個吊籃喂苗,吊籃轉(zhuǎn)一圈喂苗4株,即栽苗單體每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)n=20。根據(jù)角速度公式ω=得吊籃旋轉(zhuǎn)的角速度ω=2.1 r/s。這樣,可以計算得喂苗提前角φ=ωt,從而φ=0.42 r,換算得φ≈24°。

3 結(jié)語

1)吊籃式移栽機雙工位喂苗機構是在現(xiàn)有打穴式移栽機的移栽理論基礎上設計的,該機構通過固定在栽植單體上的擋鐵推動撥桿使喂苗筒上的活門打開,從而完成喂苗工作,可以同時給2個吊籃喂苗。通過改進吊籃結(jié)構,保證了喂苗的準確性。

2)通過分析吊籃的運動規(guī)律,確定了喂苗筒的高度為20cm時較為理想,并計算優(yōu)化了吊籃接苗較為合理的位置,即θ=45°時,對缽苗的損傷較小。由于喂苗筒從投下缽苗到落入吊籃苗盒存在時間差,通過計算得到了最佳的喂苗提前角φ≈24°。

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A Design of Duplex Working Positioned Picking Seedling Machinery of Bastkate-type Transplanter

LIU Yang1,LI Yaxiong1,ZHAO Huawei2,WANG Tao1,LI Bin1
(1 Mechanical Equipment Research Institute,Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Sciences,Shihezi,832000,China;2 College of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China)

S223.94

A

1007-7383(2010)05-0628-03

2010-08-19

國家科技支撐計劃項目(2007BAD44B04)

劉洋(1978-),助理研究員,從事農(nóng)業(yè)機械設計及應用研究;e-mail:lyshz@yahoo.com.cn。