膜上移栽機(jī)穴覆土機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

黃閃閃，李　江，朱瑞祥，付作立，翟長(zhǎng)遠(yuǎn)，時(shí)　永

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌　712100)

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膜上移栽機(jī)穴覆土機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

黃閃閃，李江，朱瑞祥，付作立，翟長(zhǎng)遠(yuǎn)，時(shí)永

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌712100)

摘要：針對(duì)現(xiàn)有的膜上移栽機(jī)覆土機(jī)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)條形覆土，存在采光面不足、覆土質(zhì)量不高等問題，提出了一種分流調(diào)節(jié)、變量控制、膜上穴覆土移栽機(jī)覆土機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，完成了關(guān)鍵部件及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該機(jī)構(gòu)采用光電傳感器周期性檢測(cè)凸輪監(jiān)測(cè)孔的位置，定位控制覆土器的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)覆土裝置與車速的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)其穴覆土功能。所設(shè)計(jì)的穴覆土機(jī)構(gòu)，送土量 ，覆土量S=1.17L/m，分流比為1/15～1/5。該研究為膜上移栽機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：移栽機(jī)；穴覆土；精準(zhǔn)作業(yè)；分流調(diào)節(jié)；定位控制

0引言

隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)械化移栽技術(shù)日益受到重視。機(jī)械化移栽技術(shù)可以減少自然災(zāi)害的影響，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證作業(yè)質(zhì)量[1-2]。地膜覆蓋技術(shù)的應(yīng)用對(duì)育苗移栽機(jī)提出了穴栽穴覆土的新要求。目前，國(guó)內(nèi)尚無關(guān)于穴覆土的系統(tǒng)研究。旱地全膜覆土機(jī)[3-4]可實(shí)現(xiàn)膜面均勻條覆土，主要是針對(duì)小麥、玉米等作物，減少了冬春季水的無效蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)秋雨春夏用。滾輪式、滾筒式膜上覆土裝置[5-6]在新疆地區(qū)的作物有所應(yīng)用，但覆土作用是為了固膜，以起到抗旱保墑的作用。在鴨嘴式膜上移栽裝置[7-8]中，覆土鎮(zhèn)壓輪依靠鴨嘴打穴后的自然回土完成覆土鎮(zhèn)壓，不能滿足土壤含水率相對(duì)較高時(shí)覆土質(zhì)量；圓盤、刮板式覆土裝置[9-11]則只能實(shí)現(xiàn)膜邊覆土。在棉花、煙草、蔬菜等農(nóng)作物的生產(chǎn)過程中，農(nóng)藝上廣泛采用覆膜增溫、保墑[12]，但膜后條形覆土已不能滿足精準(zhǔn)作業(yè)[13-14]的要求。針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了一種分流調(diào)節(jié)、變量控制、移栽機(jī)穴覆土機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并采用機(jī)電一體化技術(shù)，開發(fā)了與之配套的控制系統(tǒng)，為膜上移栽機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1整體方案設(shè)計(jì)

1.1結(jié)構(gòu)方案

本試驗(yàn)臺(tái)主要由輸送器殼體、輸送鏈板、鏈條、仿形裝置、分土調(diào)節(jié)裝置、排土器，以及控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

1.放苗裝置　2.送苗裝置　3.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)　4.輸送器殼體　5.輸送鏈

1.2工作原理

如圖2所示：工作時(shí)，覆土機(jī)構(gòu)通過三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)裝置連接，輸送鏈動(dòng)力來源于拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸；輸送鏈板與帶耳式鏈條固接，輸送鏈板取土后向后上方運(yùn)動(dòng)。待土壤運(yùn)動(dòng)至輸送器殼體后部的分土口處，依靠慣性和重力，一部分進(jìn)入回土口，回至膜側(cè)行間，另一部分進(jìn)入覆土口，經(jīng)過溜土板進(jìn)入葉輪。通過調(diào)整分土調(diào)節(jié)板可以改變覆土量與取土量的比。

圖2　覆土機(jī)構(gòu)工作原理示意圖

1.3覆土分流調(diào)節(jié)[14-15]原理

覆土的過程中，農(nóng)藝要求缽苗在栽植期要滿足一定的覆土量，這樣可以減少幼苗周圍土壤水分的蒸發(fā)量，提高幼苗周圍土壤的溫度，保證足夠的營(yíng)養(yǎng)供給，改善幼苗初期的生長(zhǎng)環(huán)境，提高幼苗的成活率[16-17]。

但由于地表土壤總是存在凹凸不平、疏密度不同以及車身自身的震動(dòng)、車速的波動(dòng)等外界條件都會(huì)使取土量產(chǎn)生波動(dòng)，進(jìn)而影響覆土質(zhì)量。

為了提高取土量波動(dòng)條件下的覆土質(zhì)量，本研究設(shè)計(jì)了一種分流控制的覆土機(jī)構(gòu)，其原理是：

假設(shè)取土量為z，取土量的波動(dòng)值為Δz，ε為覆土量與取土量的比例，覆土量的波動(dòng)值為Δz·ε。為了保證覆土的可靠，ε的取值是小于等于1的數(shù)值，一般ε取值為1/10，則表明覆土量的波動(dòng)值被抑制了9/10Δz。理論上，分流控制可以有效地降低取土量對(duì)覆土量的影響。

2關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1排土裝置[18-22]

排土裝置主要包括葉輪、直流電機(jī)軸承等。軸的一端與直流電機(jī)相連，另一端通過鍵連接葉輪，葉輪為圓弧形曲面，防止土壤聚集在葉輪根部，不便于滑落。為了確定排土器的安裝位置L和H，保證土壤的著地點(diǎn)在安全距離之內(nèi)，分別對(duì)端部土壤質(zhì)點(diǎn)和根部土壤質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行分析，其工作狀態(tài)如圖3所示。

試驗(yàn)用機(jī)型為PVHR2-E18，其作業(yè)效率為3 600株/時(shí)，插值深度為0.04～0.06m，株距LZ=0.4～0.6m，t=1s/株。根據(jù)鴨嘴預(yù)實(shí)驗(yàn)可知，覆土量為V=0.08～0.24L/m。如圖3所示，在作業(yè)時(shí)，弧AD和弧BC為工作面，則葉輪尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為

(1)

式中R、r—葉輪端面外圓半徑、內(nèi)圓半徑(m)；

l—排土器的長(zhǎng)度(m)；

η—有效工作系數(shù)。

如圖4所示：以葉輪中心軸為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系。端部土壤質(zhì)點(diǎn)在離心力的作用下直接被拋出，離開葉輪后的位移方程為

(2)

式中L、H—葉輪中心與缽苗的水平距離和垂直距離(m)；

Vτ—土壤質(zhì)點(diǎn)離開斜面時(shí)的切速度(m/s)；

θ—Vτ與x方向之間的夾角(rad)。

土壤質(zhì)點(diǎn)著地點(diǎn)位置必須滿足L-Sa≤Smax≤L+Sa，得到

式中Sa—土壤質(zhì)點(diǎn)著落點(diǎn)的安全距離(mm)。

根部土壤質(zhì)點(diǎn)滑行至葉輪末端，離開葉輪后的位移方程為

(3)

式中Vγ、Vτ—土壤質(zhì)點(diǎn)離開斜面時(shí)徑向速度和切向速度(m/s)。

(a)端部和根部土壤質(zhì)點(diǎn)初始狀態(tài)

(b)　端部土壤質(zhì)點(diǎn)終點(diǎn)狀態(tài)

(c)　根部土壤質(zhì)點(diǎn)休止角位置

(d)　根部土壤質(zhì)點(diǎn)終點(diǎn)位置

圖4　排土裝置工作過程中土壤質(zhì)點(diǎn)受力分析圖

對(duì)根部土壤質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行分析：

在滑落的斜面上，對(duì)土壤質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行受力分析

(4)

式中FN—葉輪對(duì)土壤質(zhì)點(diǎn)的支持力(N)；

Ff—葉輪對(duì)土壤質(zhì)點(diǎn)的摩擦力(N)；

G—土壤質(zhì)點(diǎn)的重力(N)。

可得：a=g(sinγ-μcosγ)。

土壤質(zhì)點(diǎn)在滑落的同時(shí)葉輪旋轉(zhuǎn)，土壤屬性和葉輪材料、結(jié)構(gòu)尺寸、轉(zhuǎn)速一定時(shí)，α、μ、ω一定。將a和t代入公式(5)即可求出β和Vγ。

(5)

式中α—土壤的自然休止角(rad)；

β—土壤質(zhì)點(diǎn)離開葉輪時(shí)與水平面的夾角(rad)；

ω—直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速(r/min)。

土壤質(zhì)點(diǎn)作向心運(yùn)動(dòng)：Vτ=Shω=(R-r)ω

將Vγ、Vτ代入式(3)中，土壤質(zhì)點(diǎn)著落點(diǎn)位置必須滿足L-Sa≤Smin≤L+Sa，可得到H和L的關(guān)系。

2.2分土調(diào)節(jié)裝置[20-21]

分土調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由固定板、銷軸、調(diào)節(jié)板、滑槽固定螺釘組成。固定板和調(diào)節(jié)板將溜土口和回土口隔離開，當(dāng)土壤輸送至送土口，一部分進(jìn)入溜土口，另一部分進(jìn)入回土口，回土量與送土量的比例可以手動(dòng)調(diào)節(jié)。受結(jié)構(gòu)尺寸的限制，為了使調(diào)節(jié)板與輸送鏈板不發(fā)生機(jī)械干涉，同時(shí)保證送土口與溜土口和回土口有合適的距離，使土壤在離心力的作用下能夠拋至該位置，裝置增加一個(gè)固定板，減小調(diào)節(jié)板的半徑增大調(diào)節(jié)范圍，可滿足不同作物對(duì)覆土量的要求?；叟c調(diào)節(jié)板端部的運(yùn)動(dòng)軌跡相一致，固定板與外殼為一體，與調(diào)節(jié)板通過銷軸聯(lián)接，可繞銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.底板　2.溜土口　3.固定板　4.側(cè)板　5.滑槽　6.固定螺釘

2.3輸土裝置設(shè)計(jì)[10,20-22]

輸土裝置包括鏈輪、導(dǎo)向輪、帶耳式鏈條和輸土鏈板仿形輪。帶耳式鏈條與角鋼式輸土鏈板通過螺栓連接，通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)鏈板完成輸土作業(yè)。鏈輪為驅(qū)動(dòng)輪，其軸通過鏈傳動(dòng)與地輪聯(lián)接取其傳動(dòng)比i=1.5。

則輸送鏈板的速度為

vs=vzi=(0.45～0.90)m/s

輸送裝置升運(yùn)量

Q=LsHsvstsφk

(6)

式中Ls—角鋼的長(zhǎng)度(m)；

Hs—角鋼的高度(m)；

vs—輸送鏈板的速度(m/s)；

ts—行走一個(gè)株距的時(shí)間(s)；

φ—充滿系數(shù)，取值見表1；

k—傾斜系數(shù)，取值見表2；

Q—輸送器的升運(yùn)量(m3)。

表1　充滿系數(shù)φ的取值

表2　傾斜系數(shù)k的取值

3檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1控制方案

監(jiān)控系統(tǒng)包括控制器、激光光電傳感器直流電機(jī)?？刂破鬟x擇AT89C51列單片機(jī)[23]，主要完成凸輪處位置信號(hào)的采集、顯示和直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。根據(jù)工作原理，檢測(cè)系統(tǒng)采用圖6控制方案進(jìn)行。

圖6　檢測(cè)系統(tǒng)控制方案流程圖

3.2控制算法

影響光電傳感器安裝位置的因素有鴨嘴尖端到覆土器旋轉(zhuǎn)軸距離的水平投影La，覆土器的工作過程、覆土的安全距離±Sa。根據(jù)栽植和覆土作業(yè)的先后順序，將覆土裝置置于栽植機(jī)構(gòu)之后。因此，La使電機(jī)開始動(dòng)作時(shí)間相對(duì)滯后T0，即造成安裝滯后角γ0。設(shè)v為移栽機(jī)的前進(jìn)速度，則T0=Sa/v。

排土器的工作過程分為2個(gè)階段：第1個(gè)階段是土壤在葉輪中的運(yùn)動(dòng)；第2個(gè)階段是土壤離開葉輪到落入孔穴的運(yùn)動(dòng)。因此，其工作過程電機(jī)開始動(dòng)作時(shí)間相對(duì)提前T=t1+t2，即造成安裝滯后角γ1。

第2個(gè)階段中：由式(3)求出，覆土的安全距離與孔穴的半徑有關(guān)，引起滯后角γ2，t2=γ2/ω。

圖7　凸輪結(jié)構(gòu)示意圖

將時(shí)間因素轉(zhuǎn)化為凸輪上的角度γ=γ0+γ1+γ2=ω(T0+T1+T2),從而確定A′。在監(jiān)測(cè)位置處開設(shè)監(jiān)測(cè)孔，則當(dāng)凸輪在旋轉(zhuǎn)至其他位置時(shí)，阻斷光通路，當(dāng)旋轉(zhuǎn)至?xí)r，光通路打開，以監(jiān)測(cè)光通路是否阻斷即可判斷位置信號(hào)[24]。為了保證位置監(jiān)測(cè)的靈敏性和精確性，選擇對(duì)射式激光光電傳感器(ESJG-12T20N0)型，上海鼎巨電子電氣有限公司)為位置監(jiān)測(cè)部件，其感應(yīng)方式為遮斷式，響應(yīng)時(shí)間<3ms，激光波長(zhǎng)為650nm，工作環(huán)境溫度在-55～55℃

直流電機(jī)在電機(jī)啟動(dòng)和停止時(shí)分別采用分段加速和分段減速控制，使電機(jī)相對(duì)平穩(wěn)地啟動(dòng)和停止。

4結(jié)論

1)分流調(diào)節(jié)可以有效地?cái)M制輸送土量波動(dòng)，提高穴覆土質(zhì)量。

2)從覆膜移栽及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展來看，膜上移栽穴覆土技術(shù)將得到推廣應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的分流調(diào)節(jié)、變量調(diào)節(jié)、膜上穴覆土移栽機(jī)覆土機(jī)構(gòu)，為膜上移栽機(jī)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

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Design of the Soil-covered Mechanism in Holes of the Transplanting Machine

Huang Shanshan，Li Jiang，Zhu Ruixiang，F(xiàn)u Zuoli，Zhai Changyuan，Shi Yong

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

Abstract：The existing soil-covered mechanism of the transplanting machine can only cover soil in strips.There are some problems such as the lack of lighting surface, the low quality and seedling injured.Therefore, the article put forward a new design scheme based on flow division adjustment, variable control and the soil-covered mechanism of the up-film transplanting machine, and then completed the design for key parts and control system. In order to satisfy the function of covering soil in holes, the device adopted a hall sensor to detect the position of a hole in the cam, which was installed in the planting mechanism, in a period of one circle.Meanwhile,it could realize not only the positioning control for the rotation of soil-covered mechanism but also the adaptive control between the device and split ratio.The soil-covered mechanism we designed, whose amount of soil taken is 1.17 litre per meter and soil covered is 0.08 to 0.24 litre per meter, provided the theoretical basis of the design of the up-film transplanting machine.

Key words：machine; soil in holes; operation; division adjustment; control

文章編號(hào)：1003-188X(2016)07-0152-05

中圖分類號(hào)：S233.92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：黃閃閃(1989-)，女，湖北襄陽人，碩士研究生，(E-mail)1220112321@qq.com。通訊作者：朱瑞祥(1956-)，男，陜西三原人，教授，(E-mail)zrxjdxy2006@ sohu.com。

基金項(xiàng)目：十二五"國(guó)家"科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD14B11)

收稿日期：2015-06-15