張海蕓，李亞萍

(1.新疆石河子職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引言

玉米幼苗移栽在移栽過(guò)程中會(huì)受到惡劣環(huán)境干擾，導(dǎo)致其成活率較低，因此在實(shí)際移栽過(guò)程中需要通過(guò)高效率移栽機(jī)進(jìn)行幼苗移栽。當(dāng)前國(guó)內(nèi)的玉米移栽機(jī)主要以半自動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)為主，在實(shí)際使用過(guò)程中需人工喂苗，存在效率低等問(wèn)題，已經(jīng)無(wú)法滿足我國(guó)大多數(shù)地區(qū)的幼苗移栽需求，因此需要通過(guò)自動(dòng)化送苗裝置提升送苗效率。為此，本文對(duì)玉米移栽機(jī)的自動(dòng)化送苗裝置工作原理進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化送苗裝置。該機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中，需要進(jìn)行有序的分苗、喂苗，以保證幼苗在分苗過(guò)程中不受到損害，并從設(shè)計(jì)成本出發(fā)，以保證所設(shè)計(jì)的自動(dòng)化送苗裝置可滿足農(nóng)戶實(shí)際需求，具有一定實(shí)用價(jià)值。

1 設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)

1.1 育苗方式

本文采用自動(dòng)送苗裝置進(jìn)行玉米缽體苗的移栽，為提高移栽效率，配合自動(dòng)移栽機(jī)的工作原理以及工作方式，選擇穴盤育苗作為本研究的育苗方式。在實(shí)際育苗過(guò)程中，以育苗穴盤作為載體進(jìn)行育苗，使用的育苗穴盤多以塑料材料為主。選擇合適的穴盤對(duì)幼苗成長(zhǎng)有重要作用，穴盤幼苗穴尺寸及間距規(guī)格過(guò)大會(huì)導(dǎo)致面積利用率較低，過(guò)小會(huì)導(dǎo)致右面在生長(zhǎng)過(guò)程中出現(xiàn)連根現(xiàn)象。因此，需要選擇合適的穴盤。本文在設(shè)計(jì)穴盤過(guò)程中主要從以下幾點(diǎn)進(jìn)行考慮：

1)其材料需是塑料材質(zhì)，不易腐敗，使用方便，且可反復(fù)利用；

2)穴盤裝置沒(méi)有棱角，可將其裝在自動(dòng)輸送裝置上進(jìn)行移栽工作；

3)穴盤需要具有一定透明度，便于觀察幼苗根系的生長(zhǎng)情況。育苗穴盤如圖1所示。

圖1 育苗穴盤

基于以上需求，本文選擇的是100穴的育苗穴盤，且為有機(jī)塑料的透明穴盤，可重復(fù)利用5～6次，并可有效回收，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

1.2 總體設(shè)計(jì)

玉米移栽機(jī)自動(dòng)送苗裝置結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該玉米自動(dòng)送苗裝置在研究過(guò)程中主要通過(guò)苗盤對(duì)玉米幼苗進(jìn)行固定，苗盤可在進(jìn)行雙向位移，并可通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)幼苗的頂苗、夾苗、輸苗、落苗等過(guò)程。在實(shí)際工作過(guò)程中，由人工將幼苗放置于苗盤上，之后機(jī)械結(jié)構(gòu)中的小支撐部位便會(huì)將幼苗頂出；此時(shí)大支撐部位則會(huì)回位，在氣缸結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下使苗夾轉(zhuǎn)向架旋轉(zhuǎn)，平行于缽苗；與此同時(shí)，所有獨(dú)立苗夾均會(huì)在氣缸結(jié)構(gòu)的作用下進(jìn)行收縮；接苗機(jī)構(gòu)主要用于缽體苗的夾取工作，將缽體苗放置于苗桶中。在接苗過(guò)程中，底端擋板部分會(huì)打開，同時(shí)拔苗機(jī)構(gòu)開始工作，將接苗機(jī)構(gòu)中的缽體苗進(jìn)行撥動(dòng)，防止缽體苗出現(xiàn)不下落的情況。自動(dòng)送苗機(jī)構(gòu)中的輸送裝置主要由滾子鏈及鏈輪組成，該機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)后便可進(jìn)行缽體苗的運(yùn)輸工作。

1. 苗夾轉(zhuǎn)向架 2.苗盤固定架橫向移動(dòng)氣缸 3.苗盤固定架縱向移動(dòng)氣缸 4.苗盤固定架 5.步進(jìn)移位機(jī)構(gòu) 6.集排式頂苗機(jī)構(gòu) 7.苗盤大支撐座 8.苗盤小支撐座 9.取苗機(jī)構(gòu) 10.機(jī)架 11.落苗機(jī)構(gòu) 12.接苗機(jī)構(gòu) 13.輸苗機(jī)構(gòu) 14.撥苗機(jī)構(gòu)圖

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 苗盤固定架傾斜角

苗盤固定架主要用于固定苗盤，以提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，便于展開移栽過(guò)程中的各項(xiàng)操作。移栽過(guò)程中需要將缽苗盤放置于苗盤固定架上，且其底部需緊靠于固定架，苗盤的側(cè)面放置固定架下支撐板。通過(guò)以上分析可知：苗盤固定架對(duì)苗盤影響最大的參數(shù)就是固定架的傾斜角度，角度過(guò)小會(huì)導(dǎo)致整個(gè)機(jī)構(gòu)尺寸變大，會(huì)直接導(dǎo)致后續(xù)頂苗過(guò)程受到影響；角度過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致苗盤與地面角度趨于豎直狀態(tài)，缽苗可能會(huì)因?yàn)橹亓τ绊懗霈F(xiàn)下落的情況，尤其是在旱地中作業(yè)會(huì)導(dǎo)致大量缽苗損失。缽體苗在苗盤中的受力分析如圖3所示。

為得到固定架的傾斜角，對(duì)缽體苗在苗盤中的受力情況進(jìn)行分析可知

Fx=Gcosα1

式中Fx—缽體苗受到重力的軸向分力；

G—缽體苗自身重力；

α1—固定架傾斜角。

在實(shí)際分析中要求Fx>0，由此可知

cosα1>0，0<α1<90°

結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行分析，在旱地多為地不平整地面，因此在傾斜角度的選擇時(shí)應(yīng)適當(dāng)提升其角度值，本研究取固定架的傾斜角度為80°。

圖3 缽體苗在苗盤中的受力分析

2.2 步進(jìn)機(jī)構(gòu)齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)

在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中需要采用分批作業(yè)方式進(jìn)行取苗，在此過(guò)程中需要通過(guò)小齒輪進(jìn)行遞進(jìn)帶動(dòng)。對(duì)缽體苗的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析，得到其缽苗盤向下移動(dòng)一格的條件為

式中l(wèi)0—苗盤縱向苗穴中心距；

N—編碼器分辨率；

n—缽苗盤下降一格后編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)的柵格數(shù)；

Z—齒輪齒數(shù)；

m—齒輪模數(shù)；

P—齒輪節(jié)距。

在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)置編碼器的分辨率為400P/R(400個(gè)脈沖每圈)，柵格數(shù)為120，可得

由此可知，n1=[n]=120。

缽苗盤規(guī)格為100穴且每穴直徑為12mm，頂苗桿取孔徑的80%，設(shè)定其尺寸為10mm，該尺寸差距在合理空值范圍內(nèi)。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中需要保證缽苗盤在其縱向移動(dòng)12次后累計(jì)的尺寸誤差需要小于頂苗桿與缽苗學(xué)的半徑差距，即

在實(shí)際工作過(guò)程中，編碼器部分發(fā)出120個(gè)脈沖信號(hào)均被接收器接收到后便會(huì)對(duì)對(duì)氣缸閥部分進(jìn)行控制，氣缸的縱向會(huì)停止移動(dòng)。

2.3 送苗裝置部件設(shè)計(jì)

頂苗裝置主要功能是將缽苗從穴中頂出，其運(yùn)動(dòng)主要由凸輪裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，如圖4所示。

1.頂針 2.頂苗凸輪軸 3.回位彈簧 4.頂針導(dǎo)柱 5.導(dǎo)板

該結(jié)構(gòu)中含有頂針導(dǎo)柱，上有一排頂針，可將穴中的缽苗頂出，前文設(shè)計(jì)其尺寸為10mm。工作時(shí)，通過(guò)凸輪軸帶動(dòng)頂針運(yùn)動(dòng)，采用循環(huán)往復(fù)式收縮及伸出將缽苗頂出，從而實(shí)現(xiàn)頂苗過(guò)程。

接苗裝置機(jī)構(gòu)主要由一排空心結(jié)構(gòu)組成，該結(jié)構(gòu)并未完全封閉，頂苗過(guò)程完成后接苗裝置就會(huì)接收到一整排缽體苗；之后機(jī)構(gòu)便在其自身結(jié)構(gòu)中進(jìn)行一定角度的旋轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)至分苗機(jī)構(gòu)上方，并將玉米缽苗放置于分苗裝置承接筒。在整個(gè)過(guò)程中，其運(yùn)動(dòng)軌跡為弧形，該種運(yùn)行方式會(huì)保證其運(yùn)動(dòng)過(guò)程不出現(xiàn)震蕩，且不會(huì)出現(xiàn)脫落等情況。接苗裝置如圖5所示。

1.旋轉(zhuǎn)軸 2.動(dòng)力軸 3.空腔機(jī)構(gòu)

圖6為分苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。由圖6可知：該機(jī)構(gòu)將一排成承接通固定于鏈條上，通過(guò)鏈條的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)套筒的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)與地輪相連，可實(shí)現(xiàn)與地輪部分的協(xié)同工作，便于將玉米苗按照一定間距進(jìn)行分苗處理，且隨著地輪的運(yùn)動(dòng)分苗裝置可以連續(xù)運(yùn)動(dòng)。

1.承接筒 2.導(dǎo)向鏈輪 3.換向機(jī)構(gòu) 4.動(dòng)力輸入輪

2.4 自動(dòng)輸苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖7為自動(dòng)輸苗機(jī)構(gòu)的二維設(shè)計(jì)圖。由圖7可看出：該結(jié)構(gòu)中左輪軸上端用套筒將其固定，配合螺栓將其與左固定板連接在一起，右輪軸上端通過(guò)螺栓固定在減速箱上。該結(jié)構(gòu)采用鏈傳動(dòng)方式，右端固定架具有一定可轉(zhuǎn)動(dòng)空間，其轉(zhuǎn)動(dòng)中心點(diǎn)為減速箱的橫梁圓柱，轉(zhuǎn)動(dòng)幅度不大。結(jié)構(gòu)中的鏈輪三以及鏈輪四均安裝在鏈輪的連接軸上，鏈輪三安裝在連接軸上部，鏈輪四安裝在連接軸下部。通過(guò)螺栓將傳感器固定于右鏈輪軸上，鏈輪三轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)周期會(huì)對(duì)傳感器造成4次觸發(fā)，傳動(dòng)鏈系統(tǒng)則固定于固定架的橫板上。

1.輸苗支架 2.鏈傳動(dòng)右固定架 3.輸苗桶傳送鏈 4.傳感器固定架 5.傳感器 6.鏈輪三 7.螺栓 8.右鏈輪連接軸 9.鏈輪四 10.輸苗后板 11.連接板 12.減速箱下板 13.減速箱 14.鏈傳動(dòng)左輪軸 15.左鏈輪上固定套筒

本機(jī)構(gòu)采用傳動(dòng)鏈進(jìn)行傳動(dòng)，因此需對(duì)傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行分析。自動(dòng)送苗裝置與地輪傳動(dòng)比可表示為

式中I—自動(dòng)送苗裝置與地輪傳動(dòng)比

n1—地輪轉(zhuǎn)速；

n2—自動(dòng)送苗裝置轉(zhuǎn)速；

N—自動(dòng)送苗裝置周期送苗數(shù)，取4；

A—株距，取30cm；

D1—地輪直徑；

δB—滑移率，取5%。

則有

在進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中主要采用三級(jí)傳動(dòng)模式：一級(jí)傳動(dòng)的主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的齒數(shù)均設(shè)置為20，二級(jí)傳動(dòng)的主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的齒數(shù)均設(shè)置為20，三級(jí)傳動(dòng)的主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的齒數(shù)均設(shè)置為20。

對(duì)傳動(dòng)鏈條的節(jié)數(shù)進(jìn)行分析，其計(jì)算公式為

式中Z1—制動(dòng)輪齒數(shù)，取20；

Z2—從動(dòng)輪齒數(shù)，取20；

L—鏈傳動(dòng)中心距；

P—鏈節(jié)節(jié)距，取13。

取L1=280mm，計(jì)算一級(jí)傳動(dòng)鏈條節(jié)數(shù)，即

取L2=320mm，計(jì)算二級(jí)傳動(dòng)鏈條節(jié)數(shù)，即

取L3=650mm，計(jì)算三級(jí)傳動(dòng)鏈條節(jié)數(shù)，即

3 田間試驗(yàn)

在以上設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合性分析，并進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中，將綜合傷苗率和成功取苗率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并進(jìn)行綜合性分析，在此基礎(chǔ)上得到相應(yīng)的結(jié)果。在實(shí)際分析中主要通過(guò)以下統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算，即

CSR=GDR+SDR

式中GSR—綜合傷苗率；

GDR—缽苗基質(zhì)破損率；

SDR—缽苗損傷率；

SPR—成功取苗率；

WSD—?dú)埩簟⑵茡p基質(zhì)質(zhì)量；

WES—取出缽苗質(zhì)量；

NDR—損傷缽苗數(shù)量；

NS—取苗總數(shù)；

NPR—成功取出缽苗總數(shù)。

通過(guò)以上統(tǒng)計(jì)方式分析試驗(yàn)，得出的結(jié)果如表1和表2所示。

表1 頂苗氣缸壓力試驗(yàn)結(jié)果

表2 取苗氣缸壓力試驗(yàn)結(jié)果

由表1、表2可知：在頂苗時(shí)，氣缸壓力在小于0.4MPa時(shí)其取苗成功率不斷上升，超過(guò)0.4MPa后取苗成功率不斷下降，因此頂苗氣缸的最佳壓力設(shè)置在0.4MPa，此時(shí)綜合傷苗率也在合理范圍；同理，可知取苗壓力設(shè)置在0.25MPa為最佳。

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了實(shí)用性較強(qiáng)的自動(dòng)送苗裝置。結(jié)合育苗穴盤實(shí)際需求，選擇100穴的育苗穴盤，且為有機(jī)塑料的透明穴盤，可重復(fù)利用5～6次，并且可有效回收，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

2)旱地多為不平整地面，因此在傾斜角度的選擇時(shí)應(yīng)適當(dāng)提升其角度值，本研究取固定架的傾斜角度為80°。

3)對(duì)缽體苗的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析，并對(duì)自動(dòng)送苗裝置部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本機(jī)構(gòu)采用傳動(dòng)鏈進(jìn)行傳動(dòng)，因此在需要對(duì)傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比進(jìn)行綜合研究，一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)傳動(dòng)鏈條的傳動(dòng)鏈條節(jié)數(shù)分別為64、70、122。

4)通過(guò)田間試驗(yàn)，確定頂苗氣缸的最佳壓力設(shè)置在0.4MPa，最佳取苗壓力設(shè)置在0.25MPa。

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