高 峰，韓綠化，馬國鑫

（江蘇大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212016）

0 引 言

甘蔗為禾本科甘蔗屬多年生草本植物，是我國輕工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)不可或缺的重要資源[1]。甘蔗富含糖分和水分，其中蔗糖占比13%～14%，而且富含對人體健康有益的各種微量元素與維生素[2]。目前我國廣東、廣西等地區(qū)甘蔗種植總面積達(dá)上千萬畝，是排在巴西、古巴之后種植面積第三的國家[3]。

人工種植是廣東等地區(qū)蔗農(nóng)種植甘蔗的主要途徑，蔗農(nóng)栽植甘蔗期間，需要大量勞動(dòng)力，完成甘蔗栽植所需的時(shí)間較長，受我國國情的影響，甘蔗種植過程機(jī)械化綜合水平不足50%[4]。

隨著育苗移栽技術(shù)不斷地應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，蔗苗移栽可以提高甘蔗產(chǎn)量、提早甘蔗成熟期，蔗苗移栽比直接播種節(jié)省蔗種20%~30%[1]，但荷蘭、日本等國研制的移栽機(jī)多數(shù)用于黃瓜、番茄等收益高的經(jīng)濟(jì)作物[5]，這些移栽機(jī)的關(guān)鍵部件并不適用于蔗苗移栽。基于以上分析，設(shè)計(jì)滿足蔗苗移栽的移栽機(jī)械具有重大意義。

1 蔗苗移栽機(jī)整機(jī)布局及其工作原理

1.1 蔗苗移栽機(jī)整機(jī)布局

蔗苗移栽機(jī)整機(jī)布局如圖1 所示，移栽機(jī)機(jī)架、分苗裝置、栽植裝置、開溝器等為蔗苗移栽機(jī)的重要組成部件。移栽機(jī)有三個(gè)栽植裝置，與拖拉機(jī)連接的三點(diǎn)懸掛裝置焊接在機(jī)架的管型材上，通過螺栓將開溝器安裝在機(jī)架前部下方，通過調(diào)節(jié)開溝寬度調(diào)節(jié)板的安裝位置實(shí)現(xiàn)開溝器開溝寬度的調(diào)節(jié)；栽植裝置通過螺栓連接安裝在機(jī)架下方，通過調(diào)節(jié)栽植裝置與機(jī)架下方連接塊的安裝位置，實(shí)現(xiàn)栽植行距的可調(diào)性；地輪與機(jī)架螺栓連接，地輪與地輪之間通過六角方軸與聯(lián)軸器連接，防止出現(xiàn)因地輪打滑導(dǎo)致傳動(dòng)比不穩(wěn)定，地輪在本設(shè)計(jì)中不僅為移栽機(jī)關(guān)鍵部件提供驅(qū)動(dòng)力，而且地輪為限深輪，可通過調(diào)節(jié)輪與壟面的高度實(shí)現(xiàn)開溝深度的調(diào)節(jié)；分苗裝置安裝在機(jī)架后方的支撐管上，且分苗杯的開口位置位于栽植裝置栽植空間的正上方；座椅安裝在機(jī)架上，操作人員面對分苗裝置，操作人員可隨時(shí)進(jìn)行作業(yè)，同時(shí)可以避免吸入因開溝作業(yè)引起的塵土；苗盤與機(jī)架上的苗盤支撐架焊接，保證苗盤的穩(wěn)定性。

圖1 蔗苗移栽機(jī)整機(jī)布局

1.2 工作原理

蔗苗移栽機(jī)工作原理流程圖如圖2 所示，地輪為分苗裝置和栽植裝置提供動(dòng)力，地輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)安裝在地輪上的鏈輪，通過鏈傳動(dòng)將動(dòng)力輸送至地輪的輸出軸上，地輪輸出軸將扭矩通過輸出軸上的鏈傳動(dòng)傳遞至栽植裝置與分苗裝置的輸入軸上，然后將動(dòng)力輸送至栽植裝置與分苗裝置。此外，地輪不但作為分苗裝置和栽植裝置動(dòng)力源，而且移栽機(jī)的開溝深度可以通過調(diào)節(jié)地輪和壟面間的高度；本機(jī)裝有三個(gè)栽植裝置，調(diào)節(jié)栽植裝置與機(jī)架間的安裝位置可以調(diào)節(jié)行距。拖拉機(jī)通過三點(diǎn)懸掛系統(tǒng)與移栽機(jī)連接，作業(yè)前，操作人員結(jié)合種植區(qū)域蔗苗移栽要求調(diào)整移栽機(jī)的株距、開溝深度以及開溝寬度。

圖2 蔗苗移栽機(jī)工作原理流程圖

2 移栽機(jī)機(jī)架方案設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析

2.1 移栽機(jī)機(jī)架方案設(shè)計(jì)

合理布置移栽機(jī)每個(gè)部件的位置，使其能夠穩(wěn)定的安裝在移栽機(jī)上，圖3 為設(shè)計(jì)的移栽機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 移栽機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)示意圖

移栽機(jī)機(jī)架主要采用焊接工藝。使用一根長3 070 mm 的100 mm 方管、四根長度為100 mm 的60 mm 方管以及兩塊側(cè)板焊接組成機(jī)架基本框架；為了增加基本框架的強(qiáng)度，基本框架方管間均焊接小型方管；基本框架前后橫梁方管通過三根縱梁方管焊接連接，不僅可以增加機(jī)架的強(qiáng)度，而且可用于栽植裝置與機(jī)架的連接；在前橫梁方管上方焊接有三點(diǎn)懸掛裝置，用于連接拖拉機(jī)；后橫梁方管一、二、三上均焊接座椅支撐方管、分苗裝置支撐方管以及苗架支撐方管，用于安裝座椅、分苗裝置以及苗架，可根據(jù)座椅和人、分苗裝置以及苗架的質(zhì)量選擇不同類型的方管；基本框架的兩個(gè)側(cè)板下方焊接有軸承座安裝架。機(jī)架使用不同厚度的方管進(jìn)行焊接，達(dá)到了預(yù)期目的，使移栽機(jī)的安裝簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、減輕了機(jī)架質(zhì)量、提高了機(jī)架的強(qiáng)度和剛度。

2.2 靜力學(xué)分析

蔗苗移栽機(jī)作業(yè)過程中，移栽機(jī)機(jī)架是主要的承載和定位部件，應(yīng)滿足強(qiáng)度和剛度要求，保證移栽機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性。

根據(jù)移栽機(jī)機(jī)架的方案設(shè)計(jì)繪制3D 模型并導(dǎo)入Workbench 中。在進(jìn)行有限元分析前需對移栽機(jī)機(jī)架進(jìn)行模型的材料設(shè)置，移栽機(jī)機(jī)架采用管型材[6]，材料的屈服強(qiáng)度為235 MPa、泊松比為0.3、彈性模量為2×1011Pa，密度為7 850 kg/m3。圖4 為有限元仿真前處理，網(wǎng)格單元邊長設(shè)置為10 mm,生成的網(wǎng)格數(shù)量為311 527，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為151 501，施加的載荷分別為：人的重力為650 N、分苗裝置重力為250 N。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)[7]發(fā)現(xiàn)當(dāng)開溝器的開溝深度為30~300 mm 時(shí)，開溝器水平工作阻力為50~500 N，因此靜力學(xué)分析中開溝器水平工作阻力選取500 N。移栽機(jī)機(jī)架的約束設(shè)定在三點(diǎn)懸掛處，其位置分別為H、I 和G。

圖4 有限元仿真前處理

移栽機(jī)機(jī)架在工作狀況下的有限元分析如圖5 所示，移栽機(jī)機(jī)架的管型材的尺寸最小為60mm×60mm，工作負(fù)載下的最大綜合位移為1.873 mm，最大應(yīng)力為65.386 MPa，最大應(yīng)力小于移栽機(jī)機(jī)架材料的屈服強(qiáng)度235 MPa，結(jié)果表明移栽機(jī)機(jī)架的設(shè)計(jì)符合強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)要求。移栽機(jī)機(jī)架的位移量相對于管型材的長度和寬度而言，變化量非常小，結(jié)果表明該移栽機(jī)機(jī)架的剛度足夠，能夠保證蔗苗移栽機(jī)在工作期間各個(gè)部件的定位基本不變。

圖5 移栽機(jī)機(jī)架有限元分析

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)一款半自動(dòng)蔗苗移栽機(jī)械，完成了蔗苗移栽機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)的布局以及移栽機(jī)機(jī)架的靜力學(xué)分析，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的移栽機(jī)機(jī)架能夠在正常的栽植作業(yè)下保持移栽機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性，后續(xù)將針對不同環(huán)境對移栽效果的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。