一種新型曲柄五連桿移栽機栽植機構(gòu)平衡分析

任永飛，李 杰，林蜀云，鮑向東

(貴州省山地農(nóng)業(yè)機械研究所，貴陽 550002)

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一種新型曲柄五連桿移栽機栽植機構(gòu)平衡分析

任永飛，李 杰，林蜀云，鮑向東

(貴州省山地農(nóng)業(yè)機械研究所，貴陽 550002)

針對貴州丘陵山地地塊小、坡度大的問題，設(shè)計了一種雙曲柄五連桿單鴨嘴栽植機構(gòu)，并成功應(yīng)用于2ZBZ-2A型移栽機。首先闡述了2ZBZ-2A型移栽機結(jié)構(gòu)形式及栽植部機構(gòu)的工作原理，然后再利用質(zhì)量代換法分析了五連桿機構(gòu)平衡條件，得出機構(gòu)平衡公式；并根據(jù)l1、l2、l3、l4、l5的原始長度、l2桿質(zhì)量，計算出l1桿飛輪配重質(zhì)量矩為3.15kg·mm，l4桿飛輪配重質(zhì)量矩為6.24kg·mm，栽植臂鴨嘴質(zhì)量矩為21.4kg·mm，可實現(xiàn)機構(gòu)運動平衡。最后，采用Adams得出機構(gòu)栽植點速度、位移仿真曲線，結(jié)合驗證性試驗數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：該機構(gòu)具有較強的穩(wěn)定和適應(yīng)性，滿足設(shè)計要求。

栽植機構(gòu)；質(zhì)量代換；雙曲柄；五連桿

0 引言

栽植部結(jié)構(gòu)是蔬菜移栽機的核心部件，其作業(yè)時運行的穩(wěn)定性決定移栽秧苗的質(zhì)量和效率，栽植機構(gòu)的大小和質(zhì)量也會影響移栽機在田間的作業(yè)效果及適應(yīng)性。貴州省屬于典型丘陵山地，由于蔬菜種植坡度大、地塊小，其蔬菜手工種植生產(chǎn)效低、勞動強度大，不能形成規(guī)模化種植，經(jīng)濟效益低下。為此，采用質(zhì)量代換法設(shè)計了一種雙曲柄五連桿單鴨嘴移栽機構(gòu)，并對機構(gòu)進行平衡分析。該機構(gòu)運動更靈活，用于2ZBZ-2A型蔬菜移栽機，能夠更好地適應(yīng)小地塊、大坡度等地形條件作業(yè)。

1 2ZBZ-2A型移栽機簡介

2ZBZ-2A型自走式雙壟移栽機，長、寬、高為2100mm×1200mm×690mm，機型小巧，結(jié)構(gòu)簡單，適用于山區(qū)、丘陵、塑料大棚內(nèi)等小地塊區(qū)域的煙草、辣椒、茄子、西紅柿、甜菜等多種帶營養(yǎng)缽體育苗作物的移栽作業(yè)。

該機型配套汽油發(fā)動機，匹配動力3.68kW，通過變速箱、結(jié)合凸輪、離合器分別控制各個部件實現(xiàn)不同運動要求。發(fā)動機動力輸出軸經(jīng)過變速箱帶動主軸，主軸通過鏈傳動帶動驅(qū)動輪運動，實現(xiàn)移栽機自走，并可通過改變變速箱檔位以達到不同的行駛速度的目的，具有自動行駛、移栽及橫向投苗等多種實用性功能。

移栽部件通過鏈傳動實現(xiàn)與主軸的同步運行，通過移栽主板上的各個傳動軸傳動，使雙曲柄連桿機構(gòu)旋轉(zhuǎn)，從而帶動移栽鴨嘴動作，完成往復(fù)圓周運動。這種運動與機器的前進運動相復(fù)合，可保證鴨嘴的垂直起落，實現(xiàn)作物的垂直栽植。移栽鴨嘴的開閉由拉線控制，在非移栽作業(yè)區(qū)，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)離合器，控制機器是否進行移栽作業(yè)，操作方便。更換不同齒數(shù)的栽植傳動機構(gòu)的調(diào)節(jié)鏈輪，可以調(diào)節(jié)作物的栽植距離，實現(xiàn)株距可調(diào)，以滿足不同作物的栽植需要。秧苗投放采用橫向投苗裝置，保證作業(yè)人員有足夠時間投放秧苗，有效地減少了移栽漏苗率。

2 栽植機構(gòu)與工作原理

2.1 機構(gòu)組成

2ZBZ-2A型蔬菜移栽機的栽植部主要由前曲柄、后曲柄、前曲柄飛輪、后曲柄飛輪、前傳動齒輪、后傳動齒輪、連桿、栽植臂、鴨嘴及機架組成，如圖1所示。

2.2 機構(gòu)工作原理

蔬菜種植對缽苗栽植質(zhì)量具有直立度要求，要保證栽植缽苗具有理想直立度，需要栽植器的定植點在水平方向上瞬時速度矢量相對地面為零，即“零速投苗原理”[1-4]。本機構(gòu)是根據(jù)零速投苗原理設(shè)計，具體工作原理如下：前曲柄、后曲柄與機架上固定軸承相連，汽油發(fā)動機通過鏈條傳動驅(qū)動雙曲柄同步轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動整個雙曲柄連桿機構(gòu)旋轉(zhuǎn)，并帶動連桿、栽植臂及移栽鴨嘴規(guī)律動作，完成往復(fù)圓周運動。由于前曲柄連接連桿到栽植臂，后曲柄較短，栽植臂可實現(xiàn)兩端搖擺運動，這種運動與機器的前進運動相復(fù)合，可保證鴨嘴的垂直起落，實現(xiàn)作物的垂直栽植。鴨嘴的開閉由拉線控制，拉線端與凸輪機構(gòu)相連接，凸輪旋轉(zhuǎn)1周，即完成1個投苗動作。

1.后曲柄 2.后傳動齒輪 3.后曲柄飛輪 4.機架 5.前曲柄飛輪 6.前傳動齒輪 7.前曲柄 8.連桿 9.鴨嘴 10.栽植臂 11.拉線

3 機構(gòu)的平衡理論分析

通過圖1分析，得出圖2所示的運動簡圖。其中，桿l3、l4為曲柄，l5是固定在機架上。蔬菜移栽機栽植過程中，栽植部結(jié)構(gòu)為雙曲柄5桿機構(gòu)，雙曲柄的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角均同步，在分析過程中，將雙曲柄視為單曲柄進行分析。為保證五桿機構(gòu)在工作過程中完全平衡，則在雙曲柄l2、l4桿(BA延長線、DE延長線)上配重飛輪，在已知l5桿(DC延長線上)安裝鴨嘴。本文利用質(zhì)量代換法[5-7]列出質(zhì)心守恒方程式，算出l1、l4桿上飛輪配重質(zhì)量矩及l(fā)3桿上鴨嘴的質(zhì)量矩。

設(shè)機構(gòu)總質(zhì)心所在位置為S，則原點S的矢量為

(1)

(2)

將式(2)帶入式(1)，得

m2l1)eiφ1+m2r2eiθ2eiφ2+m3r3eiθ3eiφ3+

(m4r4eiθ4+m2l4)eiφ4+2m3l5eiθ5]

(3)

其中，eiφ1、eiφ2、eiφ3、eiφ4為與時間有關(guān)的矢量。

滿足機構(gòu)的封閉矢量方程式為

l1eiφ1+l2eiφ2=l3eiφ3+l4eiφ4-l5eiθ5

(4)

將式(4)帶入式(3)消去eiφ2，得

(5)

m1r1eiθ1+m2l1-m2r2l12eiθ2=0

m3r3eiθ3+m2r2l32eiθ2=0

m4r4eiθ4+m2l4+m2r2l42eiθ2=0

(6)

由于桿l1、l2、l3、l4都是直桿件，桿件的質(zhì)心都在兩鉸鏈連線上，則θ1=θ2=θ3=θ4=0°，可以得到平衡條件為

m1r1=m2l1-m2r2l12

m3r3=m2r2l32

m4r4=m2l4-m2r2l42

(7)

=3.15kg·mm

=21.4kg·mm

=6.24kg·mm

最后，得出飛輪與鴨嘴的質(zhì)量配置，即l1桿飛輪配重質(zhì)量矩為3.15kg·mm，l4桿飛輪配重質(zhì)量矩為6.24kg·mm，栽植臂鴨嘴質(zhì)量矩為21.4kg·mm。

圖2 擺動力完全平衡的線性矢量法

4 陣仿真分析

通過數(shù)學(xué)模型，計算出l1桿飛輪配重質(zhì)量矩為3.15kg·mm，l4桿飛輪配重質(zhì)量矩為6.24kg·mm，栽植臂鴨嘴質(zhì)量矩為21.4kgmm。在Adams中定義畫出桿件長度、飛輪質(zhì)量及各桿的質(zhì)量，進行仿真分析、結(jié)論驗證，結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3(b)速度、位移分析曲線，A點為初始點，B、C、D、E點速度為零，此時是栽植點與土壤接觸時刻或投苗時刻，其對應(yīng)的位移最小。列出A、B、C、D、E點的時間表進行分析，如表1所示。

圖3 機構(gòu)平衡分析

項目時間/s項目時間/sA0B4.4C8.8D13.35E17.75......

由表1可知：B、C、D、E點都是下一個投苗時間，AB時間為4.4s，BC時間為4.4s，CD時間為4.55，DE時間為4.4s，…,每次到下一投苗時間約為4.4s，時間誤差范圍很小，說明投苗時間穩(wěn)定，則栽植機構(gòu)運行穩(wěn)定，機構(gòu)平衡。

6 驗證性試驗與分析

為驗證該機構(gòu)實際作業(yè)效果，于2015年11月26日在貴州省惠水縣三都鎮(zhèn)進行試驗，如圖4所示。

圖4 移栽機試驗

通過試驗，測量移栽株距評估移栽雙曲柄五桿機構(gòu)的平衡性。試驗方法參照旱地栽植機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10291-2013性能實驗要求，每次每行連續(xù)測定株苗80株，算出株距平均值，重復(fù)5次，算出總平均值，栽植質(zhì)量測量同時進行[1]。結(jié)果如表2所示。

表2 栽植試驗數(shù)據(jù)

結(jié)果顯示：數(shù)據(jù)變化區(qū)間[1，4]mm，秧苗株距誤差小，則說明移栽頻率較穩(wěn)定；排除在田間試驗時其他因素的影響，機構(gòu)在田間的運動平穩(wěn)，故此機構(gòu)實現(xiàn)了完全平衡。

5 結(jié)論

在進行鉸鏈五桿機構(gòu)擺動力完全平衡時，若1個運動構(gòu)件的質(zhì)量和質(zhì)心位置已經(jīng)確定，則另外3個運動構(gòu)件的質(zhì)量矩及其位置就能求出。利用質(zhì)量動代換法分析桿件配重平衡，為移栽機的平面機構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)。根據(jù)平衡方程，計算加在l1桿端的質(zhì)量矩3.15kg·mm、l3桿端鴨嘴質(zhì)量矩為6.24kg·mm、l4桿端質(zhì)量矩為21.4kg·mm。

試驗結(jié)果表明：通過質(zhì)量動代換法平衡的五桿機構(gòu)，運動平穩(wěn)、適用性強、效率高、作業(yè)質(zhì)量好。

[1] 劉敏，張明，緒言，等.2ZBZ-2A型移栽機栽植機構(gòu)運動學(xué)分析與試驗[J].農(nóng)機化研究，2015，37(11)：31-36.

[2] 金誠謙，吳崇友，袁文勝.鏈夾式移栽機栽植作業(yè)質(zhì)量影響因素分析[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2008，39(9)：196-198.

[3] 崔巍，趙亮，宋建農(nóng)，等.吊環(huán)式移栽機栽植器運動學(xué)分析實驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2012,43(z1)：35-38.

[4] 武科,畢新勝，陳永成.吊籃式移栽機栽植器的研究[J].農(nóng)機化研究，2010,32(6):73-75.

[5] 張策.機械動力學(xué)[M].天津:天津大學(xué)，2007.

[6] 趙新華.平面連桿結(jié)構(gòu)擺動力與擺動力矩完全平衡的質(zhì)量動代替法[J].機械工程學(xué)報，1992，28(6)：62-67.

[7] 楊延力，張明.平面連桿機構(gòu)力與擺動力矩完全平衡的一般理論[J].機械工程學(xué)報，1992,28(6):99-102.

[8] 趙云.農(nóng)業(yè)機械分析與綜合[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[9] 毛鵬軍，李晶，張松鴿,等.七桿式移栽機栽植機構(gòu)運動學(xué)分析：基于MatLab[J].農(nóng)機化研究,2015，35(12)：59-62.

Balance Analysis of Planting Mechanism of a New Type of Crank Five-bar Linkages Transplanter

Ren Yongfei, Li Jie, Lin Shuyun, Bao Xiangdong

(Guizhou Mountain Agricultural Machinery Research Institute, Guiyang 550002, China)

To the problems of small massif and large slope in Guizhou, a type of double cranks five-bar linkages single duckbill plant mechanism was designed and successfully applied in 2ZBZ - 2A type transplanting machine. Firstly, the structure and working principle of 2ZBZ - 2A type transplanting machine was stated. Then, balance conditions of five-bar linkages was analyzed with mass substitution method, and the mechanism balance equation was derived. On the basis of original length of l1,l2,l3,l4,l5and mass of l2, the flywheel mass moment of l4and l5were working out as 3.15kg·mm, 6.24kgmm respectively, and 21.4kgmm for planting arm duckbill, the results indicated that the mechanism balance can be achieved. Finally, mechanism planting speed, displacement simulation curve were obtained through the software adams, combining with the verification test data, the results show that the mechanism has great stability and adaptability which satisfying design demands.

planting mechanism; mass substitution; double cranks; five-bar lingages

2016-03-31

貴州省科技計劃項目(黔科合農(nóng)G字[2013]4002)；中央補助地方科技基礎(chǔ)條件專項基金項目(黔科合條中補地[2015]4001)

任永飛(1987-)，男，貴州遵義人，助理工程師，(E-mail)729634224@qq.com。

李 杰(1964-)，男，貴陽人，工程師，(E-mail)1987819272@qq.com。

S223.9

A

1003-188X(2017)04-0047-04