玉米秧苗移栽機(jī)的設(shè)計(jì)

李曉月，陽(yáng)潮聲，袁付偉，陳夢(mèng)琪

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530000)

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玉米秧苗移栽機(jī)的設(shè)計(jì)

李曉月，陽(yáng)潮聲，袁付偉，陳夢(mèng)琪

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530000)

在總結(jié)現(xiàn)有機(jī)型優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型玉米秧苗移栽機(jī)，能夠一次性完成開(kāi)溝、栽苗、覆土及鎮(zhèn)壓等工序。該機(jī)器由栽植機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、開(kāi)溝器、鎮(zhèn)壓輪、覆土機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、懸掛部分及輔助部分等組成。為此，重點(diǎn)介紹了栽植機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)以及機(jī)架及輪架的設(shè)計(jì)。栽植機(jī)構(gòu)由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)演化而來(lái)，連桿作為栽植臂；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪及鏈輪傳動(dòng)；輸送機(jī)構(gòu)采用滾筒和皮帶。實(shí)驗(yàn)證明：該機(jī)栽植效率在85%以上，性能穩(wěn)定，栽植速度較高，減少了栽植手的疲勞強(qiáng)度，給農(nóng)民帶來(lái)較大的方便。

移栽機(jī);玉米秧苗;傳動(dòng)機(jī)構(gòu);栽植機(jī)構(gòu);輸送機(jī)構(gòu)

0 引言

玉米的種植方式分為兩種，即播種和移栽。在我國(guó)北方的高寒地區(qū)，東北三省實(shí)行玉米移栽的方式，而其他地區(qū)多采用播種的方式。玉米移栽是提高玉米產(chǎn)量和質(zhì)量的重要措施，但目前移栽的機(jī)械化程度不高，多以半自動(dòng)的為主，需要人工送苗、喂苗[1]。

目前，我國(guó)主要的移栽機(jī)包括鉗夾式、水輪式、吊杯式、吊籃式、撓性圓盤(pán)式及導(dǎo)管苗式等[2]，如2YZ系列玉米秧苗移栽機(jī)、2BZ系列玉米秧苗移栽機(jī)[3]，這些機(jī)構(gòu)移栽效率低、自動(dòng)化程度不高、互換性差、適應(yīng)能力低。因此，在現(xiàn)有機(jī)型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型的玉米秧苗移栽機(jī)，設(shè)計(jì)和改進(jìn)栽植機(jī)構(gòu)，提高了栽植速度，減少了栽植手的疲勞強(qiáng)度。該機(jī)構(gòu)借鑒插秧的工作原理，采用曲柄搖桿栽植機(jī)構(gòu)，可在曲柄運(yùn)動(dòng)1個(gè)周期內(nèi)完成取苗和栽苗的過(guò)程，提高了玉米移栽的效率[4]。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

玉米秧苗移栽機(jī)主要由動(dòng)力傳動(dòng)部分、栽植機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、開(kāi)溝器及鎮(zhèn)壓輪等部分組成，如圖1所示。傳動(dòng)部分靠行走輪的轉(zhuǎn)動(dòng)把動(dòng)力通過(guò)行走輪傳動(dòng)鏈傳遞給水平傳動(dòng)軸；經(jīng)過(guò)水平橫向的傳動(dòng)后，動(dòng)力從水平傳動(dòng)軸分成兩部分，一部分靠鏈條傳給栽植機(jī)構(gòu)成為栽植機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來(lái)源；另一部分通過(guò)鏈條、錐齒輪傳遞給水平輸送皮帶。此外，整個(gè)機(jī)器用U型螺栓固定于懸掛架上，單體之間靠橫軸接聯(lián)軸器把動(dòng)力傳遞過(guò)去，懸掛架設(shè)有懸掛機(jī)構(gòu)，連接在農(nóng)用拖拉機(jī)上。

1.輸送帶 2.接苗斗 3.從動(dòng)錐齒輪 4.主動(dòng)錐齒輪 5上凸輪擋塊 6.機(jī)架 7.秧夾 8.懸掛架 9.栽植臂 10.曲柄 11.搖桿 12.下凸輪擋塊 13.開(kāi)溝器 14.水平傳動(dòng)軸

工作時(shí)，由輸送帶、接苗斗、栽植機(jī)構(gòu)的相互配合實(shí)現(xiàn)整個(gè)栽植過(guò)程，首先玉米秧苗靠輸送帶的運(yùn)輸，掉落在常閉的接苗斗內(nèi)，等待秧夾運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)接苗斗接住秧苗并夾緊，在栽植臂的帶動(dòng)下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。秧夾的打開(kāi)和關(guān)閉靠上下安裝的上凸輪擋塊和下凸輪擋塊實(shí)現(xiàn)，在接苗時(shí)打開(kāi)然后夾住接苗斗里的秧苗。接苗斗是一個(gè)具有一定斜度安裝彈簧的對(duì)開(kāi)的常閉容器，打開(kāi)靠的是秧夾的作用力。當(dāng)秧夾運(yùn)動(dòng)到底部時(shí)，凸輪擋塊推動(dòng)秧夾桿，使左右秧夾桿脫離彈簧的束縛，秧夾打開(kāi)，使秧苗落到開(kāi)溝器開(kāi)好的溝里；接著開(kāi)溝器的土壤回落到秧苗的根部,由后面的鎮(zhèn)壓輪壓實(shí)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)移栽過(guò)程。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力傳動(dòng)部分

根據(jù)機(jī)具的大體布局，確定傳動(dòng)布局，機(jī)具采用行走輪作為傳動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源，主要是因?yàn)樾凶咻唫鲃?dòng)能滿足機(jī)具的動(dòng)力需求，同時(shí)行走輪可以設(shè)計(jì)成螺旋調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)具的高度以滿足不同的地形和農(nóng)藝要求。傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.軸承座 2.滾筒 3.鏈條 4主動(dòng)錐齒輪 5.從動(dòng)錐齒輪 6.鏈條 7.水平傳動(dòng)軸 8.聯(lián)軸器 9.鏈條 10.行走輪安裝盤(pán)

11.曲柄 12.運(yùn)動(dòng)曲線 13.秧夾安裝座

圖2 傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖

工作時(shí)，通過(guò)行走輪傳動(dòng)鏈將動(dòng)力傳送至水平傳動(dòng)軸上，水平傳動(dòng)軸經(jīng)過(guò)水平橫向輸送之后到達(dá)機(jī)具另一側(cè)。水平傳動(dòng)軸上安裝1個(gè)大鏈輪和1個(gè)小鏈輪，動(dòng)力在此處一分為二：一方面，大鏈輪通過(guò)鏈條和惰性鏈輪、曲柄鏈輪把動(dòng)力傳遞給栽植臂的曲柄，從而帶動(dòng)栽植機(jī)構(gòu)工作，此處采用惰性鏈輪是因?yàn)樵灾脖鄣霓D(zhuǎn)向和行走輪的旋轉(zhuǎn)方向相反。另一方面，水平傳動(dòng)軸上的小鏈輪通過(guò)鏈條傳給短軸，然后靠一對(duì)傳動(dòng)比為1的錐齒輪換向傳給輸送滾筒，作為輸送機(jī)構(gòu)的動(dòng)力。正常工作時(shí)，栽植機(jī)構(gòu)和輸送機(jī)構(gòu)配合工作，兩者之間滿足一定的傳動(dòng)關(guān)系。

2.2 栽植機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

栽植機(jī)構(gòu)選用曲柄搖桿式，該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。該軌跡滿足了垂直栽植的要求，也可以模擬手工栽植的上下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)秧苗到達(dá)底部時(shí)，栽植手停留時(shí)間較短，不影響后續(xù)的工序，減少了土壤對(duì)秧夾頭部的作用。四桿的連接長(zhǎng)度分別為a=80mm，b=180mm,c=140mm，d=170mm。其中，a為曲柄，也是主動(dòng)桿；c為搖桿；b是固定桿；d作為連桿同時(shí)也是栽植臂。各桿件靠銷軸連接，搖桿通過(guò)鍵和動(dòng)力軸連接。

圖3 栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

該機(jī)構(gòu)在連桿的端部裝上秧夾，且秧夾靠套筒和螺栓連接，使得秧夾可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖4所示。秧夾的開(kāi)關(guān)通過(guò)擋板和復(fù)位彈簧控制，機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動(dòng)到一定的位置時(shí)，打開(kāi)秧夾，接住秧苗，然后向下運(yùn)動(dòng)到一定的栽植位置時(shí)靠凸輪擋塊的推動(dòng)作用打開(kāi)秧夾，使秧苗落下[5]，如此循環(huán)工作。

1.秧夾 2.復(fù)位彈簧 3.固定螺栓 4.安裝架 5.栽植臂

秧夾是一個(gè)對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，有左右秧夾桿、夾板和復(fù)位彈簧組成，作用是夾住秧苗，跟隨栽植臂一起運(yùn)動(dòng)。秧夾設(shè)計(jì)成常閉形式，復(fù)位彈簧控制秧夾的關(guān)閉，凸輪擋塊控制秧夾的打開(kāi)。

2.3 輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

采用了一橫向的輸送橡膠帶來(lái)輸送秧苗，這樣在人工上苗時(shí)能有多個(gè)上苗點(diǎn)，減小栽植手的疲勞強(qiáng)度。輸送帶和栽植機(jī)構(gòu)通過(guò)內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)鏈協(xié)調(diào)工作。

輸送帶主要由3部分組成，即皮帶、兩個(gè)滾筒和錐齒輪，如圖5所示。

1.滾筒 2.皮帶 3，4.嚙合的錐齒輪 5.擋板 6.側(cè)孔 7.軸承座

滾筒由直徑為60mm空心圓鋼焊接而成，在滾筒兩端的筒臂上分別焊接了5個(gè)均勻分布的凸臺(tái)，凸臺(tái)和輸送帶上的孔配合，帶動(dòng)皮帶運(yùn)動(dòng)，也防止皮帶打滑。皮帶采用的是輸送橡膠軟皮帶。適宜栽植的玉米高度約為10～15cm，因此設(shè)計(jì)皮帶寬度為180mm[6]。間隔擋板均勻地固定在皮帶上，間隔擋板的數(shù)量為14塊；此外，皮帶上每側(cè)都打有側(cè)孔，每側(cè)打25個(gè)側(cè)孔。

2.4 接苗斗的設(shè)計(jì)

接苗斗結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1.安裝架 2.復(fù)位彈簧 3.左擋片 4復(fù)位彈簧 5.右擋片

秧苗是經(jīng)人工運(yùn)送到輸送帶的，經(jīng)過(guò)一小段距離的運(yùn)輸，掉落到接苗斗里，等待秧夾的夾取。接苗斗是一個(gè)漏斗狀的盛苗盤(pán)，由對(duì)稱的兩薄板組成，在薄板的轉(zhuǎn)軸上安裝彈簧；接苗斗的下方呈倒V形，主要是為了讓秧夾能順利地打開(kāi)接苗斗。工作時(shí)，秧夾向上運(yùn)動(dòng)打開(kāi)秧夾，秧夾傳遞作用力給接苗斗，接苗斗打開(kāi)，秧苗掉下，夾住秧苗，然后在彈簧的作用下接苗斗再次閉合[7]。

整個(gè)接苗斗安裝在安裝架上，如圖7所示。接苗斗主要由厚度為1.2mm的鈑金制成，輕便靈活，且工藝性好。

圖7 機(jī)架結(jié)構(gòu)圖

2.5 機(jī)架的設(shè)計(jì)

機(jī)架整體框架是由30mm×30mm×3mm、60mm×60mm×5mm、50mm×3mm×5mm等方鋼管和矩形鋼管焊接而成，機(jī)架上安裝軸的地方使用的是6mm厚的鋼板，其他地方為了減輕質(zhì)量采用的是2mm厚的薄板。

2.6 輪架的設(shè)計(jì)

輪架用于固定行走輪。為適應(yīng)不同的農(nóng)藝要求和地形，行走輪的高度必須設(shè)置為可調(diào)式的，參照已有結(jié)構(gòu)再結(jié)合該機(jī)具的尺寸和結(jié)構(gòu)需求，設(shè)計(jì)了如圖8所示的輪架，調(diào)節(jié)時(shí)可通過(guò)旋轉(zhuǎn)上邊的螺旋桿調(diào)整軸調(diào)整。輪架的旋轉(zhuǎn)軸和整個(gè)輪架用U型螺栓固定在拖架上。

圖8 輪架結(jié)構(gòu)圖

3 性能試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)計(jì)算得行走輪的最大轉(zhuǎn)速為12.31r/min，最大栽植速度為84株/min。栽植要求：移栽機(jī)可以在不同硬度的土壤中工作，株距合格率在85%以上。選擇的土壤分別為新耕地、麥茬地、稻茬地、泥地[8]；每種土壤栽植5行秧苗，每次試驗(yàn)選取100株長(zhǎng)勢(shì)均勻的秧苗。秧苗的尺寸參數(shù)如表1所示，機(jī)器的性能試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表1 玉米秧苗尺寸參數(shù)表

表2 玉米移栽機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知：秧苗在新耕地里栽植深度一致性比較好，株距也較合理，秧苗重播率、漏播率都較??；在泥地里栽植深度一致性較差，株距合格率較低，行走輪最容易發(fā)生滑移。

4 結(jié)論

該玉米秧苗移栽機(jī)性能穩(wěn)定，栽植均勻性比較好，適應(yīng)性比較強(qiáng)，株距、行距滿足玉米移栽農(nóng)藝要求，突破了以往自動(dòng)移栽的技術(shù)瓶頸，為以后的研究提供了參考依據(jù)[9]。但是，該機(jī)器還存在一些問(wèn)題，如栽植機(jī)構(gòu)不夠靈活，調(diào)節(jié)不方便；輸送機(jī)構(gòu)不夠緊湊；傳動(dòng)部分也過(guò)于復(fù)雜；鎮(zhèn)壓輪和開(kāi)溝器的可調(diào)性差。另外，也需要進(jìn)一步增加玉米秧苗移栽機(jī)的附加功能，如鋪膜、起壟、補(bǔ)水、施肥等功能，既可提高機(jī)具的工作效率，也可節(jié)省過(guò)多的勞動(dòng)力輸入，對(duì)大面積推廣玉米移栽有著很重要的意義[10]。

[1] 宋小雨，張晉國(guó)，王學(xué)良，等.玉米移栽機(jī)自動(dòng)送苗裝置的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013，35(2):85-88.

[2] 史志清.玉米自動(dòng)移栽機(jī)關(guān)鍵部件的研究[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),1998.

[3] 金攀,劉強(qiáng).栽植機(jī)械的主要類型及性能特點(diǎn)[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè),2012(3):67.

[4] 付曉明，張偉，牛釗軍.栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013,35(10)：11-14.

[5] 肖明濤，孫松林，羅海峰.雙平行多桿栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014,30(17)：25-30.

[6] 胡波,侯林山.玉米秧苗移栽機(jī)械化綜合研究[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化,1997(3):41-42.

[7] 劉敏，張明，緒言，等.2ZBZ-2A型移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015，35(11)：31-36.

[8] 宋小雨.帶有自動(dòng)送苗機(jī)構(gòu)的玉米秧苗移栽機(jī)的研制[D].保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[9] 牛釗軍,張偉，付曉明.全自動(dòng)玉米缽育移栽機(jī)移栽機(jī)發(fā)展趨勢(shì)的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014，36(7)：242-243.

[10] 徐麗明，張鐵中，史志清.玉米自動(dòng)移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000(4)：58-60.

Design of Corn Seedling Transplanter

Li Xiaoyue, Yang Chaosheng, Yuan Fuwei, Chen Mengqi

(Institute of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530000，China)

Based on the advantages and disadvantages of the existing models, a new kind of corn seedling transplanter is designed. It can ditch,plant seedling,cover the soil,suppress the soil. It are made of planting seedling mechanism,conveying mechanism,furrow opener,press wheel,overbite soil mechanism,transmission mechanism,suspension part,supplementary part and so on. Planting seedling mechanism,transmission mechanism,conveying mechanism,frame and wheel carrier are introduced in detail. Plant seedling mechanism is evolved from crank and rocker mechanism, connecting rod is regarded as planting arm；gear transmission and chain transmission are applied into the transmission mechanism; drum and belt are applied into the conveying mechanism.The practical production proves that the efficiency of the machine is 85%,planting speed is high. It reduces the fatigue strength of planting hand and it is convenient for farmer.

transplanting; corn seedling；transmission mechanism；planting seedling mechanism；conveying mechanism

2016-05-22

廣西教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃項(xiàng)目(2015C343)

李曉月(1993-)，女，濟(jì)南人，碩士研究生，(E-mail)15578804947@163.com。

S223.92

A

1003-188X(2017)07-0117-04