油菜移栽機槽輪間歇式送苗機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

肖名濤，孫松林*，李凱，魏剛，楊彪

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410128)

油菜移栽機槽輪間歇式送苗機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

肖名濤1,2，孫松林1,2*，李凱1，魏剛1，楊彪1

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410128)

針對油菜移栽機設(shè)計了一套槽輪間歇式送苗機構(gòu)。通過建立送苗機構(gòu)的運動學(xué)與動力學(xué)模型，確定以送苗機構(gòu)驅(qū)動扭矩最小為優(yōu)化目標，以落苗時間與槽輪間歇停頓時間關(guān)系、鏈接數(shù)目與苗杯數(shù)量關(guān)系為約束條件，通過Matlab數(shù)值分析，得出滿足約束條件的較優(yōu)方案，即二指六槽式槽輪間歇機構(gòu)驅(qū)動扭矩為87.2 N·m，間歇停頓時間為0.4 s。試驗表明，優(yōu)化后的機構(gòu)運動流暢，送苗準確率可達92.9%。

油菜移栽機；槽輪送苗機構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計

為適應(yīng)高密度農(nóng)藝要求，油菜機械化移栽通常采用多行同時移栽，如采用大型拖拉機掛接的美國雷納多 RTME1100型半自動多功能移栽機等。中國油菜生產(chǎn)主要集中在長江流域，以稻—油輪作方式為主。大型拖拉機質(zhì)量大，車輪易下陷打滑，破壞水田土壤，不適合在稻—油輪作區(qū)油菜移栽作業(yè)[1–4]。

為解決南方稻—油輪作區(qū)油菜機械化移栽的難題，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院研制了一種基于乘坐式水稻插秧機底盤的四行油菜移栽機。該機采用對稱布置的2套圓環(huán)式送苗機構(gòu)，1套送苗機構(gòu)能分別對2行栽植器送苗。作業(yè)時，2人投苗即能滿足4行同時移栽要求，既節(jié)約了勞動力，也降低了整機質(zhì)量。為提高機構(gòu)送苗的準確性，筆者設(shè)計了槽輪間歇式送苗機構(gòu)，建立了運動學(xué)和動力學(xué)模型，并進行了優(yōu)化設(shè)計。

1 送苗機構(gòu)結(jié)構(gòu)及工作原理

移栽機送苗機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。機構(gòu)運動時，由主動撥盤1帶動槽輪2轉(zhuǎn)動，槽輪底端鏈輪通過鏈條帶動前方左右兩側(cè)轉(zhuǎn)盤底部的小鏈輪轉(zhuǎn)動，與之同軸的轉(zhuǎn)盤上方鏈條掛接有送苗杯(單側(cè)12個，圖中僅表示4個)，苗杯移動到一定的位置由底部投苗口打開苗杯蓋，向下落苗，幼苗進入栽植器，完成1次送苗和投苗動作。

圖1 送苗機構(gòu)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural diagram for the seedling feeder

主動撥盤1以等角速度1ω勻速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)撥盤上的圓銷未進入槽輪的徑向槽時，由于槽輪內(nèi)凹鎖止弧被撥盤1的外凸鎖止弧卡住，故槽輪不動，此時苗杯靜止不動。當(dāng)圓銷進入槽輪的徑向槽時，由圓銷與槽徑的切向力帶動槽輪轉(zhuǎn)動。

如圖1左側(cè)送苗盤所示，苗杯順時針轉(zhuǎn)動，B2 及A1處開有下落口，由B2沿逆時針方向?qū)⒆髠?cè)送苗盤苗杯依次編號1、2、3至12。初始時，B2及A1對應(yīng)的1、4號苗杯落苗空杯。撥盤轉(zhuǎn)1周，苗杯移動2個位置，A1處空杯后4號杯轉(zhuǎn)動到A2位置，B2處1號杯則順時針繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，等待轉(zhuǎn)動到送苗盤另一側(cè)補苗，3號及6號苗杯轉(zhuǎn)動到B2及A1落苗位置，下一個工作循環(huán)5號及8號苗杯投苗。如此，苗杯從A1進入到B2處離開全部空杯。

2 優(yōu)化目標函數(shù)

機構(gòu)運動主要需克服槽輪機構(gòu)轉(zhuǎn)動扭矩 M1和苗杯部分運動所需力矩M2。機構(gòu)運動的總扭矩M= M1+M2。優(yōu)化的目標是使得M最小。

2.1 槽輪的運動學(xué)與動力學(xué)分析

當(dāng)撥盤的角速度一定時，槽輪的角速度及角加速度隨槽數(shù)z的變化而不同。如圖2所示，槽輪在轉(zhuǎn)動過程中，α和β分別表示圓銷和槽輪的角度，并規(guī)定α和β在圓銷進入時為負，圓銷離開時為正。

圖2 槽輪結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the geneva mechanism

式中：R為圓銷指半徑；L為撥盤與槽輪中心距；xr為圓銷至槽輪回轉(zhuǎn)中心的距離。令 R Lλ= ，可得：

建立槽輪運動學(xué)方程[5]：

對β分別求一階及二階導(dǎo)數(shù)，得到槽輪的角速度β˙和角加速度β˙˙。

利用文獻[6]求得當(dāng)前安裝中心距150 mm下各槽輪的轉(zhuǎn)動慣量Jz，編寫Matlab軟件，求得各槽輪在撥盤周期T=1.2 s時的圓銷指勻角速度轉(zhuǎn)動時的扭矩(圖3)。

圖3 部分槽輪的扭矩Fig. 3 Torsion of different geneva mechanism

分析結(jié)果表明：從M3到M8，當(dāng)槽數(shù)越大時，其扭矩變化越平緩，峰值扭矩Mmax也就越小。

2.2 苗杯的運動學(xué)與動力學(xué)分析

送苗機構(gòu)由槽輪間歇機構(gòu)提供動力，因而送苗盤上的苗杯在鏈條的帶動下也作間歇運動，其運動為變速運動。如圖4所示。苗杯的運動分為2部分：一部分是前后的直線運動；另一部分是處于左右兩側(cè)時的半圓周運動。苗杯的變速運動由一部分苗杯的直線變速運動及少數(shù)苗杯的圓周變速運動組成。

圖4 苗杯運動示意圖Fig.4 Skech of the movement of seeding cup

苗杯運動時，速度先變快后變慢，加速度at先為正后為負。建立苗杯在直線運動時的動力學(xué)方程：

式中：Ft為驅(qū)動力；r為苗盤轉(zhuǎn)角半徑；α5為槽輪的角加速度，與β˙˙相同。

圓周運動時，除了提供切向加速度，還要提供向心加速度，建立苗杯在圓周運動時的動力學(xué)方程：

式中：ft為苗杯圓周運動時的切向力；fn為苗杯圓周運動時的徑向力；m1為進入圓周運動的苗杯質(zhì)量；ω5為送苗鏈輪的角速度。

在圓周運動中，向心力并不做功，僅有切向變速運動作用力做功，因此，苗杯在軌道上無論是直線運動還是圓周運動，都只有切向加速度對其做功，其合力

3 約束條件

優(yōu)化 M(x)是使曲柄在勻速轉(zhuǎn)動的過程中最省力，但同時曲柄轉(zhuǎn)動時必須滿足下列時間要求。

3.1 落苗時間與槽輪停歇時間的約束關(guān)系

建立槽輪機構(gòu)的運動時間特性方程：

式中： k為槽輪運動系數(shù)；td為主動撥盤1回轉(zhuǎn)1周時槽輪2的運動時間；T為主動撥盤轉(zhuǎn)1周的總時間；z為槽輪槽數(shù)。

槽輪機構(gòu)的間歇時間特性方程：

式中：ti為槽輪在1個周期的間歇時間；G為撥盤圓銷與槽輪接觸點到槽輪中心的距離。

在多圓銷槽輪機構(gòu)中，設(shè)圓銷數(shù)為n(個)，槽數(shù)為z(個)，則運動時間特性方程[7?9]為：

根據(jù)上述分析可得槽數(shù)與圓銷數(shù)的關(guān)系。在多圓銷情況下，間歇時間

當(dāng)撥盤轉(zhuǎn)動周期T=1.2 s時，多圓銷槽輪的運動時間特性及間歇時間如表1所示。

表1 分苗機構(gòu)的運動時間特性及間歇時間Table 1 Pause time of the seedling feeding geneva mechanism

分析可知，只有ti＞0.3 s，送苗機構(gòu)才能保證有足夠的落苗時間，圓銷數(shù)及槽數(shù)的組合才能滿足要求。由表1得知，當(dāng)n=1，z為1～8時，當(dāng)n=2，z為3～8時，當(dāng)n=3，z為3～4時，當(dāng)n=4，z=3時都可以滿足要求。

3.2 鏈節(jié)數(shù)與苗杯的約束關(guān)系

栽植器的栽植周期T=1.2 s。在結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計中，確定栽植器每完成1次作業(yè)循環(huán)，送苗機構(gòu)轉(zhuǎn)動2個苗杯距離。已知栽植器的主軸與撥盤主軸的傳動比是1∶1，即栽植器每完成1個循環(huán)，撥盤旋轉(zhuǎn)1圈。

選鏈條的型號為06B，其鏈節(jié)距p=9.52 mm，相鄰2個苗杯間的節(jié)數(shù)則苗杯間的實際距離d=9p=85.72 mm。單個分苗盤鏈條上各掛接12個苗杯，得到鏈條的總節(jié)數(shù)為108 節(jié)[13]。

采用此種鏈輪傳動形式，需滿足撥盤每轉(zhuǎn)動 1周，輸送鏈轉(zhuǎn)動2個苗杯的距離，即18個鏈節(jié)。建立圓銷轉(zhuǎn)動1周時鏈節(jié)數(shù)與苗杯的約束關(guān)系方程：

式中：α?為圓銷旋轉(zhuǎn)的角度；β?為槽輪轉(zhuǎn)動的角度。

槽輪下方的驅(qū)動大鏈輪齒數(shù)為3z，其與槽輪固定在一起，槽輪轉(zhuǎn)動β? 時，大鏈輪轉(zhuǎn)動角度?3= ?β，輸送鏈主動軸下端的鏈輪齒數(shù)為 z4，轉(zhuǎn)動角度為 ?4，送苗端的鏈輪齒數(shù)為 z5，轉(zhuǎn)動角度為 ?5，則有：

最終求解得出當(dāng)撥盤轉(zhuǎn)動1周，滿足主動軸上端鏈輪轉(zhuǎn)過18個鏈節(jié)，即z5=18zz4/(nz3)。

鏈接數(shù)量必須滿足此關(guān)系才能保證輸送鏈送苗準確到位。

4 優(yōu)化設(shè)計與試驗

4.1 優(yōu)化設(shè)計

采用Matlab語言編程，將上述關(guān)系式編寫程序文件進行計算，以n、z作為變量，符合落苗時間作為限制條件，得出分苗機構(gòu)峰值扭矩的數(shù)據(jù)(表2)。

表2 不同組合機構(gòu)的扭矩峰值Table 2 Maximum torsion of different combination N·m

結(jié)果表明，槽輪槽數(shù)越多，峰值扭矩越小，槽輪圓銷數(shù)越多，最小峰值出現(xiàn)在2個圓銷、8個槽的槽輪機構(gòu)中，同時2個圓銷，6、7個槽的槽輪扭矩峰值與最小峰值接近，可以通過試驗進一步優(yōu)選，但其他組合與最小值相差在一個數(shù)量級之上，不適合用于設(shè)計優(yōu)選。

根據(jù)程序分別繪制出固定圓銷個數(shù)、改變槽數(shù)(圖4)和改變圓銷個數(shù)、固定槽數(shù)(圖5)的槽輪在整個運動周期內(nèi)的驅(qū)動扭矩變化特性圖。圖4顯示，在各傳動件滿足傳動比要求的前提下，槽數(shù)越多，其曲線越平緩，峰值越低。

圖4 固定圓銷個數(shù)、改變槽數(shù)時槽輪的驅(qū)動扭矩Fig.4 The driving torque of different solt

圖5顯示，各傳動件滿足傳動比要求的前提下，圓銷數(shù)越多，其曲線越平緩，峰值越低，初始值及結(jié)束值也越小。

圖5 改變圓銷個數(shù)、固定槽輪數(shù)時的驅(qū)動扭矩Fig.5 The driving torque of different roundpin

圖4、圖5還表明，在圓銷進入槽輪和退出槽輪時扭矩變化急速增加；在圓銷退出槽輪后到進入下一個槽輪之間扭矩變化平緩，峰值扭矩遠大于一般扭矩，故以機構(gòu)在運行過程中扭矩最小作為優(yōu)化目標函數(shù)合理可行。

4.2 試驗結(jié)果

由于移栽機送苗機構(gòu)送苗合格率受栽植機構(gòu)運動的影響，試驗測試時采用整機試驗，在檢驗栽植合格率時未引入幼苗直立度合格測試，即送苗合格率與栽植合格率相同。

依據(jù)文獻[10,11]設(shè)計試驗，對比上述優(yōu)化計算篩選出的3組最優(yōu)解，驗證分苗機構(gòu)的試驗效果。在同樣的試驗條件下，通過制作表3所述3種形式的分苗機構(gòu)加裝到移栽機進行栽植合格率的試驗。

按南方稻—稻—油的種植模式，油菜移栽試驗選用稻茬田。在移栽前先進行整地，旋耕起壟后，壟面寬110 cm，高10 cm，溝寬30 cm。土壤質(zhì)地為壤土，表面無秸稈及雜草等障礙物，含水率15%～25%，碎土率不小于60%。

試驗時2人投苗，調(diào)節(jié)油門拉桿，在試驗1使撥盤轉(zhuǎn)動周期穩(wěn)定在1.2 s，試驗2、3逐步增大油門，使周期分別為1.0 s和0.8 s。每組試驗重復(fù)3次，每次移栽120株，栽植合格率為平均值。

表3 栽植合格率Table 3 Pass percentage of planting

通過對比，同樣的作業(yè)環(huán)境下，2個圓銷、6個槽輪的組合形式在T=1.2 s的條件下栽植效果最好，栽植合格率最高，達到92.9%，滿足旱地移栽機性能指標規(guī)范。該方案是優(yōu)化設(shè)計的較優(yōu)方案。

5 討 論

在槽輪間歇式運動中，槽輪運轉(zhuǎn)所需扭矩大小與槽輪的圓銷數(shù)和槽數(shù)成反比。在小型農(nóng)機設(shè)計中，由于發(fā)動機驅(qū)動扭矩較小，適當(dāng)增加圓銷數(shù)和槽數(shù)可提高槽輪運動機構(gòu)的抗負載能力。

槽輪機構(gòu)在圓銷進入和退出槽輪時，扭矩顯著增大，會產(chǎn)生沖擊，對驅(qū)動電機或發(fā)動機產(chǎn)生瞬時反扭矩，影響機構(gòu)運轉(zhuǎn)的平順性。在整機設(shè)計中可以優(yōu)化其他工作機構(gòu)的位置或運動特性來平衡槽輪運動的沖擊。

由于在圓銷進入槽輪和退出槽輪時扭矩急速增加，而在圓銷退出槽輪后到進入下一個槽輪之間扭矩很小，在優(yōu)化設(shè)計中，不能以圓銷旋轉(zhuǎn)1個周期的驅(qū)動扭矩均值最小作為優(yōu)化目標，而應(yīng)以峰值扭矩最小為優(yōu)化目標。

[1] 官春云，譚太龍，王國槐，等．湖南高產(chǎn)油菜的產(chǎn)量構(gòu)成特點及主要栽培措施[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，37(4)：351–355．

[2] 官春云．油菜機械化生產(chǎn)中農(nóng)藝與農(nóng)機相結(jié)合的探索與實踐[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，37(6)：674–677．

[3] 袁文勝，吳崇友，于修剛，等．粘重土壤條件下油菜移栽機械化研究前景初探[J]．中國農(nóng)機化，2011(1)：69–71，99．

[4] 官春云．改變冬油菜栽培方式，提高和發(fā)展油菜生產(chǎn)[J]．中國油料作物學(xué)報，2006，28(1)：83–85．

[5] 章磊，趙鵬兵．槽輪機構(gòu)的運動分析與優(yōu)化設(shè)計[J]．科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11(18)：4198–4202．

[6] 劉守法，許行之．剛體轉(zhuǎn)動慣量虛擬仿真測量方法[J].機床與液壓，2010，38(1)：110–112．

[7] Fiolini G，Rea P．The pure-rolling cam-equivalent of the geneva mechanism[J]．Mechanism and Machine Theory，2006，41(11)：1320–1335．

[8] Jyhjone L，Binheng J．Design of geneva mechanisms with curved slots for non-undercutting manufacturing[J]. Mechanism and Machine Theory，2009，44(6)：1192–1200．

[9] 濮良貴，紀名剛．機械設(shè)計基礎(chǔ)[M]．北京：高等教育出版社，2006：165–180．

[10] JB/T 10291—2001，旱地栽植機械[S]．

[11] NY/T1924—2010，油菜移栽機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范[S]．

責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：羅 維

Optimal design of intermittent seedling feeding geneva mechanism for rape transplanter

XIAO Ming-tao1,2，SUN Song-lin1,2*，LI Kai1，WEI Gang1，YANG Biao1
(1.College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2.Hunan Modern Agricultural Machinery Engineering & Technology Research Center, Changsha 410128, China)

An intermittent seedling feeding geneva mechanism for rape transplanter was designed. By analyzing the molds of kinematics and dynamics of the seedling feeding mechanism, the minimum drive torque was determined as the optimization goal. The relationships between seedling drop time and geneva pause time and between link number and seedling cup were set as constraints. A two slot and six round pin geneva mechanism with drive torque equal to 87.2 N·m and pause time equal to 0.4 s was found to be the optimal scheme satisfying the constraints by Matlab software analyzing. The test results shows the optimized mechanism runs smoothly and the seedling feeding accuracy rate reached up to 92.9%.

rape transplanter; seedling feeding geneva mechanism; optimumal design

S223.9

A

1007?1032(2014)02?0211?05

10.13331/j.cnki.jhau.2014.02.021

投稿網(wǎng)址：http://www.hunau.net/qks

2013–11–19

國家“十二·五”科技支撐計劃項目(2011BAD20B083)

肖名濤(1981—)，男，湖南桑植人，博士研究生，講師，主要從事農(nóng)業(yè)機械創(chuàng)新設(shè)計與試驗研究，xiaomentor@163.com；*通信作者，hnndssl@163.com