移栽机凸轮摆杆式扶苗机构设计与分析

2 0 0 3 年 9 月 农 业 机 械 学 报 第 34 卷 第 5 期 移栽机凸轮摆杆式扶苗机构设计与分析 3 周德义 孙裕晶 马成林 【 摘要】 移栽机扶苗机构结构参数和运动参数设计合理是保证移栽钵苗直立的关 键 。 分析了无扶苗机构时钵 苗落地后翻转运动过程 , 凸轮摆杆式扶苗机构栽植性能与运动参数关系 , 以及扶苗板运动规律。通过理论分析建立 了 扶苗板运动规律数学模型和扶苗机构初相角数学模 型 。 设计的凸轮摆杆式扶苗机构已用于 2ZB 型导苗筒式移栽 机上。 试验表明 : 该机构工作稳定 , 栽植深度均匀 , 满 足移栽要求。 关键词 : 移栽机 扶苗机构 设计 试验 中图分类号 : S223194 文献标识码 : 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 半自动移栽机设计中 , 常用吊杯式或吊篮式移 栽机 构 1, 2 保证钵苗栽植直立 性 。 导苗管式移栽机 采 用的扶苗机构特点是 : 倾斜导苗筒式扶苗机构 3 通 过控制导苗筒倾角使钵苗落地后自动立正 , 该机构 作业可靠性受机具前进速度影响较大 , 不易保证 ； 栅 栏式扶苗机构 4 利用水平速度为零的栅栏扶持秧苗 覆土镇压 , 保证栽直 度 。 扶苗机构设计关键是减小 钵 苗落地时水平速度 , 使钵苗在静止状态下覆土镇压 , 保证栽直度 , 即所谓零速移 栽 。 基于这种理论 , 本 文 结合纸筒钵苗来研究钵苗落地后运动规律 , 并依此 设计凸轮摆杆式扶苗机构 , 使钵苗在支撑状态下覆 土 , 保证秧苗直 立 。 1 钵苗翻转运动分析 纸筒钵苗具有粘性和塑性 , 在分析钵苗落地与 地面塑性碰撞 时 , 忽略钵苗弹跳和振 动 。 纸筒钵苗 落 地后运动过程 中 , 简化为圆柱型刚体模 型 。 纸筒钵 直 径 25 mm、 高 度 75 mm。 如 图 1, 钵苗重心位置 为 O , 收稿日期 : 2002 05 21 3 地面机械仿生技术教育部重点实验室资助项目 (项目编号 : 961065) 周德义 吉林大学生物与农业工程学院 博士 , 130025 长春市 孙裕晶 吉林大学生物与农业工程学院 博士生 马成林 吉林大学生物与农业工程学院 教授 博士生导师 农 业 机 械 学 报 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 加上秧苗叶质量 , 测得重心高度为 45 mm。 图 1 钵苗翻转运动模型 因移栽作业速度较低且比较稳定 , 为便于分析 , 设移栽机以速 度 vm 匀速前 进 。 在惯 性力作用 下 , 钵 苗绕 A 点作 平面定轴转 动 。 质心回转半径为 R 1 = OA = 4617 mm。 下面分析不扶苗 时 , 纸筒钵苗落地后运动过 程 。 在重力作用下 , 钵苗力学平衡方程为 1 初始条件为 : 初相 角 0 = arctan 1215= 151524 45 2 扶苗机构结构和性能参数 在惯性力作用下 , 无扶苗机构则钵苗落地时将 向前倾倒 , 因此钵苗栽植直立性主要取决于扶苗机 构 。 理想情况应在钵苗落地瞬间进行扶苗 , 使钵苗 水 平速度为零 , 在支撑条件下覆土而不发生前冲和弹 跳 。 受滑移 率 、 摩擦力等随机因素影响 , 钵苗着地 点 随机变化 , 实际上要实现钵苗着地瞬间扶苗是很困 难 的 。 若扶苗机构动作超前 , 则钵苗落到扶苗板上 反 弹 , 钵苗向后躺倒 ； 反之扶苗机构动作滞后 , 由于惯 性作用钵苗向前倒 伏 。 设计中按钵苗着地一段时 间 后扶苗器开始扶持钵 苗进行配置 , 直到覆土完成 , 然 后镇压完成栽植过 程 。 211 总体结构 如 图 2, 扶 苗 机 构 由 凸 轮 、 复合摆 杆 、 平 行四 杆 机 构及扶苗板组 成 。 扶 苗 机构由地轮通过传动链和 变 速箱驱 动 。 送苗盘有 6 个接苗杯 , 凸轮有两个凸 齿。 凸轮与送苗盘转速比 为 3 1。 凸轮和摆杆 O 2F 初始角速 度 0 = arctan R vX 0 co s 的作用是将变速器输出的 1 0 转 动转换成往复 摆 动 。 为 整理可 得 R 1 = g ( sinco s0 - co ssin0 ) ( 0 , 10515 ) (1) 减小摩擦和冲击 , 在摆杆 F 端 安装一滚 轮 。 凸轮带 令 = t, L () = F (s)。 对方程两边取拉氏 变 换 , 并将初始条件代入式 (1) 得 动 摆 杆 O 2F 转 动 , 摆 杆 图 2 扶苗机构结构简图 R 1L ( ) = g co s0L ( sin (t) ) - sin0L (co s (t) ) 按拉氏变换展开可得 R 1 s2F (s) - s0 - 0 = O 2F 和 B O 2 刚性连 接 。 由摆杆 B O 2 带动四连 杆摆 动 , 进而带动扶苗板往复运动 , 扶苗板安装于四连杆 CD 延长 边 上 。 通过轮廓曲线控制扶苗 板 E 运动 规 律 , 达到特定要 求 。 g co s0 s + - sin0 性能参 数包 括 : 扶苗板行 程 S 、 扶苗板运动规 律 (位 移 s、 速 度 v ) 和扶苗机构初相 角 0。 即 F (s) = g R 1 s2 (s2 + 2 ) - 0 0 212 扶苗板工作行程确定 图 3 中 , 以移栽机架为参照系 , Z 轴为导苗筒中 sin0 对式 (2) 进行拉氏逆变换得 + + s s2 (2) 心轴线 , X 轴为落苗点前进方向 , O 点为导苗筒中心 在 X 轴投影 点 。 A 点 为 vm = 111 km /h 时钵苗理 论 = g R 1 co s0 1 t- sin (t) - 落苗 点 。 在组合振动 导苗筒式导苗机构试验研 究3 中得出 : 落苗过程中钵苗在前进方向上的理论相对 sin0 1- co s (t) + 0u ( t) + tu ( t) (3) 位移 l = 3174 mm , 理论落苗时间 t = 01421 2 s。 2 0 OA 0 其中 u ( t) 为阶跃函数 , 因 t 0, 有 u ( t) = 1。 将 u ( t) = 1 代入式 (3) , 得钵苗翻转运动方程为 点划线 B C 为开沟器侧板末端位置 , lOB = 16 mm。 X 0、 X 1 分别表示扶苗板初始位 置和最大行程位 置 。 为避免钵苗下落时与扶苗板碰撞 , 消除落苗时 = g R 1 co s0 1 t- sin (t) - 间和位置误差 , 扶苗板初始位置与钵苗落点之间设 置间隙 lX O , m in = 18 mm (纸筒钵苗半径 1215 mm , 扶 sin0 1 1- co s (t) + 0 + 0 t (4) 0 苗板行程过渡区 515 mm )。钵苗落地一段时间后扶 co s0 1 0 1 第 5 期 周德义 等 : 移栽机凸轮摆杆式扶苗机构设计与分析 59 图 3 扶苗板行程示意图 苗板相对机架以速度 vm 向后运动扶持秧苗 , 保证秧 苗 水平 速度为 零 , 在扶苗板扶持下覆 土 、 压 实 , 然 后 迅速复 位 。 为保证移栽过程中钵苗覆土完全 , 取 lB X = tb= 01126 7 s。 扶苗板 扶 苗 和 回 程 时 间 为 : t = t1 + t2 + tb = 01167 8 s。 移栽机栽植频率约 为 1 株 /s, 扶苗机构 大 部分时间处于复位状态 , 保证了扶苗机构和落苗过 程相配 合 。 214 扶苗机构初相角的确定 如 图 4, 扶 苗机构初相 角 0 为扶苗机构启动 时 刻钵苗中心和送苗盘中心连线与投苗口前端和送苗 盘中心连线夹角 , 即 0 = ( t1 - td ) 其 中 = vm (1- )D /R d 4 mm , 则 lOX = lOB + lB X = 20 mm。扶苗板行程 : S = 式 中 t1 扶苗板开始扶苗时 间 lX O + lOX = 38 mm。 td 落苗时间 , td = 01421 2 s 213 扶苗板运动分析 如图 3, 扶苗板运动时 , 位移 s 和速度 v 与机器 前进方向相 反 。 这里讨论扶苗板相对于机架运动 , s、 v 方向 与 X 轴一 致 。 为减少对秧苗冲击 , 扶苗板启 动 时先匀加速运动 , 接触钵苗后以 - vm 匀速运动 , 到 X 1 点返 回 。 扶苗板与钵苗初始间距 为 91243 mm。 设 过渡区内扶苗板运动加速度为 a , 扶苗板与钵苗接 触时间为 t1 , 分离时间为 t2 , 则扶苗板相对运动方程 为 D 地轮与送苗盘之间传动 比 地轮滑移 率 R d 地轮半径 , R d = 0125 m 由此可得扶苗机构初相角模型 : 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 ) 扶苗板相对速度为 a t ( t 0, t1 ) v = vm ( t t1 , t2 ) (6) 图 4 扶苗机构初相角示意图 落苗过程分析 5 表明 : 工作速度 vm 变化对落苗 扶苗板与钵苗接触条件 时间 td 影响较 小 。 而送苗盘角速 度 和工作速 度 vm s1 = 1 a t2 - vm t1 = 01005 5 m (7) 2 1 扶苗板总行程 成 正 比 。 受土壤阻力等因素影 响 , 地轮滑移 率 和 投 苗 角 0 有变 化 , 因 此 , 调试中扶苗机构初 相角需 根 据机器前进速度按实测结果确 定 。 S = 1 a t2 + vm ( t2 - t1 ) = 01038 m (8) 2 3 扶苗机构结构参数的确定 由式 (7) 和 (8) 可得 : t2 = 01026 143 s。 求解式 (7) 时显然有 t2 t1 , 故取 t1 = 01015 s, 则 有 a= 228183 m /s2。 可见过渡区内扶苗加速度较大 , 而且工作速度 越 大 , 加速度越 大 。 此时扶苗板未与钵苗接 触 , 不 会 对钵苗遭成冲 击 。 在扶苗板表面贴一层耐油橡 胶 , 使 扶苗板与钵苗平稳接触 , 橡胶还可防锈 , 减少扶苗板 与纸筒粘 附 。 扶苗板 到 达 X 1 点后以速 度 v b 匀速 返 回 。 为保证扶苗板运动准确和及时复 位 , 摆 杆 OB 末 端连接复位弹 簧 。 降低扶苗板回程速度可减小扶苗机构冲击 , 取 v b= 013 m /s。 由扶苗板回程距 离 S 求得回程时间 为 扶苗机构结构参数主要包 括 : 凸轮升 程 h、 凸 轮 轮廓曲 线 、 摆杆和平行四杆长 度 。 311 凸轮升程和凸轮齿廓曲线设计 根据扶苗板 运动规律和结构配置 , 沿圆周均匀 配置 2 个凸齿 , 凸轮升程 h = 8184 mm , 齿廓曲线变 化规律如图 5 所示 , 实际凸轮廓线通过局部圆整理 论廓线而 成 。 312 摆杆机构参数配置 复合摆杆和平行四连杆不仅能够转换构件运动 方 式 , 还起放大扶苗板行程作 用 。 根据 传动 比 i 的 要 求配置摆杆机构参 数 。 如 图 2, 设 FO 2 = l1、 O 2B = l2、 1 1 1 农 业 机 械 学 报 2 0 0 3 年 60 = = 413 测 试 。 试验条 件 : 玉米品种吉 单 159, 苗 龄 3 叶 1 心 , 钵苗平均高度 130 mm , 测区长度为 15 m , 土壤湿度 13184% 15142%。 试验时先标定测试车速 度 , 依 次 按设定 速度进行试 验 , 同时测试作业速 度 、 株 距 、 滑 移 率和秧苗直立状 况 。 试验结果见 表 1, 移栽合格 率 为 95116%。 表 1 扶苗机构土槽移栽玉米试验 结果 图 5 凸轮升程曲线 机组速度 次序 测区钵 不合格株数 O 3B = l3、 O 3C = l4。 根据结构配置 , 有 h = l1 sin1 l3 sin2 = l2 sin1 S = l4 sin2 (10) /km h- 1 苗株 数 漏栽 数 重栽 数 斜栽 数 伤秧 数 倒伏 数 根据装配要 求 , 确 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 从而求得 : l2 = 63 mm , l3 = 32 mm。 4 试验和验证 在吉林大学农业工程实验室土槽试验台上进行 注 : 秧苗主茎秆倾 斜 30 以上为斜 栽 。 试验表 明 : 作业速度 为 112 116 km /h 时栽 植 质量比较稳 定 。 栽直率大 于 95% , 漏栽率小 于 2% , 栽植深度均匀 , 覆土厚度稳定 , 满足半自动移栽要 求。 参 考 文 献 1 宋洪 波 , 安凤 平 , 史 岩 . 偏心式移栽机的研 究 . 农业机械学 报 , 1997, 28 (增 刊 ): 41 45 2 封 俊 , 秦 贵 , 宋卫堂 等 . 移栽机的吊杯运动分析与设计准 则 . 农业机械学 报 , 2002, 33 (5) :