大蒜直立栽種器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

崔榮江，薦世春，徐文藝，馬繼春，王小瑜

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南　250100)

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大蒜直立栽種器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

崔榮江，薦世春，徐文藝，馬繼春，王小瑜

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南250100)

摘要：大蒜種體入土后的直立度控制技術(shù)是影響大蒜播種機(jī)播種質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。為此，根據(jù)吊藍(lán)移栽機(jī)原理，設(shè)計(jì)了一種偏心式大蒜直立栽種器，并提出一種逆向設(shè)計(jì)扇形打開器的方法。樣機(jī)試驗(yàn)表明：在栽種速度0.2m/s、圓盤栽種半徑165mm、栽種株距130mm條件下，直立栽種率在98%以上，滿足大蒜機(jī)械化播種要求，扇形打開器與設(shè)計(jì)吻合；不足之處在于：整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸方面還需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。該研究為大蒜直立栽種器的設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：大蒜直立栽種器；扇形打開器；直立栽種

0引言

直立栽種是我國(guó)大蒜種植的傳統(tǒng)農(nóng)藝要求，直立栽種可以使蒜頭質(zhì)量大、橫徑大[1]。目前，人工點(diǎn)播的方式是播種主要方式，很難實(shí)現(xiàn)大蒜規(guī)范化種植，不規(guī)范的種植模式嚴(yán)重阻礙著大蒜機(jī)械化收獲的推廣應(yīng)用。因此，要提高大蒜生產(chǎn)機(jī)械化水平，形成大蒜標(biāo)準(zhǔn)化種植及生產(chǎn)全程機(jī)械化，首要環(huán)節(jié)是開發(fā)高效適用的大蒜機(jī)械化播種裝備，其核心內(nèi)容之一是大蒜種體直立栽種技術(shù)與裝置[2]。

國(guó)外大蒜種植多采用隨機(jī)播種，排種器為轉(zhuǎn)勺式或氣吸式，其種植農(nóng)藝和國(guó)內(nèi)差距較大。國(guó)內(nèi)比較有代表性的直立栽種器是中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)金磊[3]在2007 年研究的同步垂直插入直立投種機(jī)構(gòu)，其反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為行星輪機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，為大蒜直立播種器設(shè)計(jì)提供了較好研究基礎(chǔ)。2013年，李瑞川[4]等采用行星輪種植機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了WZ-4 型大蒜種植機(jī)。2011 年，何岳平[5]等將水稻插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)工作原理作為大蒜栽植機(jī)栽植系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，從理論上證明了優(yōu)化后的分插機(jī)構(gòu)工作參數(shù)符合大蒜栽植的農(nóng)藝需求。

本文在對(duì)大蒜種體入土后直立栽種條件研究基礎(chǔ)上[6]，將吊籃式移栽機(jī)原理作為大蒜栽種機(jī)栽植系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種偏心式大蒜直立栽種器，并提出逆向設(shè)計(jì)扇形打開器的方法，為大蒜直立栽種器的設(shè)計(jì)提供了參考。

1大蒜種體物理參數(shù)

蒜種為金鄉(xiāng)紫皮大蒜，選取形狀規(guī)范、個(gè)頭飽滿的蒜瓣作為測(cè)量對(duì)象，每個(gè)等級(jí)隨機(jī)取樣50粒蒜種作為測(cè)量樣本，分別測(cè)量大蒜種體的長(zhǎng)度L(mm)、寬度B(mm)、高度H(mm)和質(zhì)量M(g)作為大蒜種體形態(tài)分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1　蒜種數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

2機(jī)械結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1　整機(jī)結(jié)構(gòu)

栽種機(jī)構(gòu)包括栽種鴨嘴、固定軸、栽種軸、栽種圓盤1、驅(qū)動(dòng)鏈輪、偏心拉桿、栽種圓盤2、扇形打開器、偏心圓盤及固定座，如圖1所示。栽種圓盤1和栽種圓盤2通過(guò)軸承座安裝在固定軸上，栽種軸通過(guò)滑套安裝在栽種圓盤1和栽種圓盤2之間，通過(guò)偏心拉桿將偏心圓盤與栽種軸連接，形成偏心直立栽種機(jī)構(gòu)。其中，扇形打開器固定在固定軸上，栽種鴨嘴固定在栽種軸上，驅(qū)動(dòng)鏈輪與栽種圓盤1固定連接。

1.偏心拉桿　2.栽種圓盤2　3.扇形打開器　4.栽種鴨嘴　5.固定軸　6.栽種軸　7.栽種圓盤1　8.驅(qū)動(dòng)鏈輪　9.偏心圓盤　10固定座

2.2　工作過(guò)程

動(dòng)力通過(guò)驅(qū)動(dòng)鏈輪傳入，通過(guò)栽種圓盤1和驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)栽種鴨嘴轉(zhuǎn)動(dòng)，在偏心連接板和偏心圓盤的作用下，栽種鴨嘴實(shí)現(xiàn)垂直入土；當(dāng)栽種鴨嘴入土到合適位置時(shí)，扇形打開器與碰撞轉(zhuǎn)軸發(fā)生接觸，連接桿下移，鴨嘴活動(dòng)部件打開一定角度，栽植作物落入土中；當(dāng)栽種鴨嘴出土后，扇形打開器與碰撞轉(zhuǎn)軸分離，在復(fù)位彈簧的作用下，鴨嘴活動(dòng)部件回位，完成一次栽種，依此循環(huán)。

2.3　工作原理

大蒜直立栽種器的運(yùn)動(dòng)本質(zhì)為6個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)(ABCD)圓周運(yùn)動(dòng)和機(jī)組水平移動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，如圖2所示。

圖2　栽植系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

在栽種過(guò)程中要滿足種體“零速”投種要求，即滿足軌跡特征參數(shù)λ≥1，如圖 3所示。與栽植器下降段投種相比，上升階段投種，種體和栽植器在豎直方向的相對(duì)速度更大，分離時(shí)間更短，更有利于投苗。鴨嘴栽種器最佳投種時(shí)間應(yīng)該是圖3中所示軌跡OB段。

圖3　軌跡特征參數(shù)

3主要工作部件

3.1　栽種圓盤

在栽種深度和株距確定的情況下，其栽種圓盤半徑?jīng)Q定著栽種鴨嘴的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，該軌跡決定著栽種鴨嘴在土壤中形成的種穴形狀。栽種鴨嘴運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示。設(shè)栽種鴨嘴入土深度為H=55mm、B=45 mm、S=130 mm，根據(jù)大蒜栽植系統(tǒng)工作參數(shù)與成穴參數(shù)的關(guān)系[6]，取栽種圓盤半徑為165mm。

3.2　栽種鴨嘴

栽種鴨嘴結(jié)構(gòu)如圖5所示。鴨嘴固定半件固定在栽種軸上，碰撞桿通過(guò)連接板與鴨嘴活動(dòng)半件連接；當(dāng)碰撞桿與扇形打開器接觸時(shí)，鴨嘴活動(dòng)半件打開，接觸解除后，在復(fù)位彈簧的作用下，鴨嘴活動(dòng)半件閉合。

大蒜種體形態(tài)不同于其它移栽體，本身形態(tài)不具有保證直立的支撐面，要依靠栽種鴨嘴形成的土穴來(lái)定位，根據(jù)上述測(cè)量大蒜種體物理參數(shù)和栽種鴨嘴運(yùn)動(dòng)軌跡，取鴨嘴最大打開角度為20°。

1.鴨嘴固定半件　2.鴨嘴活動(dòng)半件　3.復(fù)位彈簧　4.碰撞桿

3.3　扇形打開器

扇形打開器是整個(gè)栽種系統(tǒng)的核心部件，決定著栽種鴨嘴在規(guī)定的時(shí)間和地點(diǎn)及打開和閉合規(guī)定的角度，使鴨嘴中的蒜瓣掉入其剛開出的種穴中，如圖6所示。

通過(guò)公式計(jì)算的方法設(shè)計(jì)扇形打開曲面，其計(jì)算過(guò)程非常復(fù)雜。根據(jù)動(dòng)力學(xué)仿真軟件、三維建模軟件和激光切割軟件間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系，提出一種逆向設(shè)計(jì)和生產(chǎn)扇形打開器的方法，設(shè)計(jì)過(guò)程如圖7所示。

圖6　扇形打開器工作示意圖

圖7　逆向設(shè)計(jì)扇形打開器示意圖

根據(jù)圖7逆向設(shè)計(jì)扇形打開器示意圖，對(duì)扇形打開器的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行介紹，該直立栽種器的主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和工作參數(shù)如表2所示。

表2　直立栽種器結(jié)構(gòu)尺寸和工作參數(shù)

1)步驟1：根據(jù)對(duì)直立栽種器的結(jié)構(gòu)分析，建立直立栽種器的三維模型，如圖8所示。

圖8　栽種器三維模型

2)步驟2：將三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件，生成直立栽種器的虛擬樣機(jī)模型，根據(jù)大蒜實(shí)際栽種需要軌跡和鴨嘴打開角度，添加相關(guān)運(yùn)動(dòng)約束和驅(qū)動(dòng)函數(shù)，確定栽種鴨嘴在規(guī)定的時(shí)間和地點(diǎn)及打開和閉合規(guī)定的角度，如圖9所示。

圖9　軌跡生成模型

3)步驟3：生成碰撞桿質(zhì)心相對(duì)驅(qū)動(dòng)圓盤的軌跡曲線，并提取該軌跡的數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入三維軟件，生成扇形打開器三維模型，如圖10所示。

圖10　扇形打開器三維模型

4)步驟4：將扇形打開器三維模型導(dǎo)入直立栽種器的虛擬樣機(jī)模型，去掉栽種鴨嘴的驅(qū)動(dòng)約束，在碰撞桿與扇形打開器之間添加接觸約束，如圖11所示。

圖11　軌跡驗(yàn)證模型

5)步驟5：通過(guò)激光切割，加工出滿足該直立栽種器的扇形打開器，如圖12所示。

圖12　扇形打開器

4樣機(jī)試驗(yàn)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，試制單行樣機(jī)，并在土槽內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。土壤類型為沙壤土，翻耕平整，土壤堅(jiān)實(shí)度為300～500 N/mm2，機(jī)組前進(jìn)速度為0.2m/s，采取人工投種的方式。

1)樣機(jī)1試驗(yàn)：樣機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中存在栽種軸扭轉(zhuǎn)問(wèn)題，嚴(yán)重影響著栽種效果。

2)樣機(jī)2試驗(yàn)：為解決栽種軸逆轉(zhuǎn)問(wèn)題，去掉3根栽種軸，添加3根橫梁，將左右兩栽種圓盤連成一體，如圖13所示。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明：該樣機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，直立栽種率在98%以上，滿足大蒜機(jī)械化播種要求，扇形打開器與設(shè)計(jì)吻合，如圖14所示。

圖13　樣機(jī)試驗(yàn)

圖14　栽種效果

5結(jié)論

1)樣機(jī)試驗(yàn)表明：偏心式大蒜直立栽種器可以滿足大蒜直立栽種需求；逆向設(shè)計(jì)扇形打開器的方法簡(jiǎn)單、可靠、實(shí)用。

2)目前樣機(jī)設(shè)計(jì)還較為粗糙，栽種株距是設(shè)計(jì)株距的一倍，在整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸方面還需要做進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]金誠(chéng)謙，袁文勝，吳崇友，等.大蒜播種時(shí)鱗芽朝向?qū)Υ笏馍L(zhǎng)發(fā)育影響的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2008, 24(4):155-158.

[2]崔榮江，張華，徐文藝，等.我國(guó)大蒜機(jī)械化生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展思路探討[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2015, 37(3):264-267.

[3]金磊.大蒜種植機(jī)械設(shè)計(jì)[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué), 2007.

[4]李瑞川，孫雪，宋傳濤，等.WZ-4 型大蒜種植機(jī)械的概述及研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2013，51(5):15-18.JP

[5]何岳平，陳青春，何瑞銀，等.大蒜栽植機(jī)栽植系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42(2)：88-93．

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Design and Test of Garlic Upright Plant

Cui Rongjiang， Jian Shichun， Xu Wenyi， Ma Jichun， Wang Xiaoyu

(Shandong Agriculture Machinery Research Institute, Jinan 250100, China)

Abstract：Garlic kind of body after the grave upright degree control technology is one of the key factors affecting the quality of garlic seeder seeding technology. According to the principle of hanging blue transplanting machine, design a kind of eccentric garlic erect plant, and puts forward a kind of reverse design fan open methods. Prototype test showed that the plant speed 0.2 m/s, disc radius of plant 165mm, plant planting distance 130 mm, erect plant rate over 98%, meet the requirements of mechanization planting garlic, fan-shaped opener in accordance with the design; Deficiencies in the whole mechanical structure size aspects still need further optimization design. The study offer reference to the garlic of upright plant design.

Key words：garlic upright plant; the fan opening; erect plant

中圖分類號(hào)：S223.2+6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)09-0201-05

作者簡(jiǎn)介：崔榮江(1983-)，男，山東巨野人，助理工程師，(E-mail) cuirongjiang2009@163.com。通訊作者：薦世春(1963-)，男，濟(jì)南人，研究員，(E-mail)jscsh2002@163.com。

基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2015PE004)；山東省農(nóng)業(yè)重大應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目(魯財(cái)農(nóng)指[2014]38號(hào))；濟(jì)南市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(201401273)

收稿日期：2015-08-14