鴨嘴式缽苗移栽機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究

張曉龍，伍德林，吳崇友，劉堯堯，高法允

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，合肥 230036)

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鴨嘴式缽苗移栽機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究

張曉龍，伍德林，吳崇友，劉堯堯，高法允

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，合肥 230036)

設(shè)計(jì)出一種缽苗移栽機(jī)，通過對(duì)移栽機(jī)的工作過程的闡述及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定了缽苗落苗過程中零速投苗點(diǎn)，使移栽效果最佳。對(duì)移栽機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)分析，選擇機(jī)車前進(jìn)速度﹑滾筒深度﹑可調(diào)連桿角度為試驗(yàn)因素，得出各試驗(yàn)因素與試驗(yàn)指標(biāo)的關(guān)系。通過正交試驗(yàn)結(jié)果分析各試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響大小，得出最優(yōu)組合。結(jié)果表明：當(dāng)機(jī)車前進(jìn)速度0.30m/s、滾筒深度60mm、連桿角度40°時(shí)，直立度合格指數(shù)為85.18%，株距變異指數(shù)8.73%，漏栽指數(shù)1.68%，為移栽機(jī)結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

缽苗移栽；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；零速投苗；正交試驗(yàn)分析

0 引言

缽苗移栽是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中為獲得高產(chǎn)而采用的一種重要的移栽方式。溫室中育出的缽苗移栽于田間，具有很多優(yōu)點(diǎn)，如延長了作物生長的時(shí)間，提高了單位面積作物的產(chǎn)量，改善了作物品質(zhì)[1]。目前，采用人工移栽缽苗的勞動(dòng)效率很低，且存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、移栽質(zhì)量差等問題，實(shí)現(xiàn)從育苗到移栽的機(jī)械化作業(yè)，可提高經(jīng)濟(jì)效益，因此實(shí)現(xiàn)我國缽苗移栽機(jī)械化已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迫切需要。國外移栽機(jī)械由于發(fā)展時(shí)間早且技術(shù)水平較高，移栽技術(shù)的研究趨向成熟；但目前我國移栽機(jī)普遍存在漏苗、傷苗等問題，使國內(nèi)農(nóng)作物移栽環(huán)節(jié)機(jī)械作業(yè)覆蓋率低[2]。為此，針對(duì)缽苗移栽技術(shù)設(shè)計(jì)一款新型移栽機(jī)，通過建立栽植器運(yùn)動(dòng)軌跡方程及速度方程，分析主要參數(shù)，并通過試驗(yàn)研究尋找影響移栽性能的主要因素，包括直立度合格指數(shù)﹑株距變異系數(shù)指數(shù)﹑漏栽指數(shù)，建立試驗(yàn)基本指標(biāo)的回歸方程，確定移栽的最優(yōu)組合，為進(jìn)一步開展移栽機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)總體結(jié)構(gòu)

該鴨嘴式移栽機(jī)主要由苗架﹑栽植機(jī)構(gòu)、施肥機(jī)構(gòu)﹑傳動(dòng)系統(tǒng)及覆土機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。

1.柴油機(jī) 2.變速箱 3.覆土滾筒 4.減速器 5.固定架 6.栽植機(jī)構(gòu) 7.覆土輪 8.苗盤 9.施肥機(jī)構(gòu) 10.肥料箱 11.調(diào)節(jié)手柄 12.苗架圖1 移栽機(jī)的機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of transplanter

1.2 工作原理

柴油機(jī)通過皮帶輪傳遞動(dòng)力給變速箱，變速箱一端通過鏈傳動(dòng)傳遞到減速器后轉(zhuǎn)化為移栽臂沿著豎直滑軌上下滑動(dòng)，另一端通過鏈傳動(dòng)轉(zhuǎn)化為苗盤的轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)移栽臂沿著滑槽向下滑動(dòng)時(shí)，煙苗從苗盤落入安裝在鴨嘴上端的承接筒，鴨嘴插入土內(nèi)后，轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄上的凸輪頂著彎頭使得鴨嘴張開，煙苗落入土窩；同時(shí)，施肥箱內(nèi)肥料流入施肥管，通過連桿機(jī)構(gòu)和水平滑槽上的齒條與雙聯(lián)齒輪的嚙合，使得施肥管在施肥槽內(nèi)向下滑動(dòng)，肥料落入管洞內(nèi)；覆土輪的壓土面保持傾斜，將土壤擠壓到苗根上再壓實(shí)，起到覆土和鎮(zhèn)壓的作用。移栽結(jié)束后，移栽臂沿著滑軌向上運(yùn)動(dòng)，鴨嘴在復(fù)位彈簧的作用下閉合，經(jīng)過齒輪齒條的嚙合，施肥管向上運(yùn)動(dòng)，擋板堵住了管道內(nèi)肥料的流動(dòng)。施肥深度通過改變連桿角度來實(shí)現(xiàn)；通過手柄控制覆土器高度，調(diào)節(jié)栽植深度。

2 關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)

2.1 栽植器的結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

1.減速器 2.鴨嘴 3.復(fù)位彈簧 4.承接筒 5.滑軌 6.移栽臂 7.凸輪 8.彎頭 9.曲柄圖2 鴨嘴式栽植器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic diagram of duckbill transplant unit

移栽機(jī)鴨嘴的張開與閉合通過凸輪和復(fù)位彈簧控制。栽植器的運(yùn)動(dòng)由行走輪帶動(dòng)，通過變速箱轉(zhuǎn)換到合適的速度，曲軸在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)；凸輪的推程輪廓線與彎頭接觸的過程中，使彎頭向下壓右鴨嘴，使鴨嘴張開，凸輪轉(zhuǎn)過推程輪廓線，彎頭對(duì)右鴨嘴的壓力逐漸減小，鴨嘴在復(fù)位彈簧的作用下閉合。

2.2 主要參數(shù)

2.3 主要參數(shù)之間的關(guān)系

由于半自動(dòng)移栽機(jī)需要人工喂苗，栽植頻率過大容易使工作人員疲勞，投苗速度跟不上移栽速度，產(chǎn)生漏苗現(xiàn)象；栽植頻率過小會(huì)使移栽機(jī)工作效率下降。通過對(duì)皖南煙區(qū)移栽機(jī)工作狀況的調(diào)查，當(dāng)栽植頻率=45株/min時(shí)可以使移栽效果達(dá)到最優(yōu)，ω=2π，v0=fS。

2.4 栽植器整體的運(yùn)動(dòng)

建立鴨嘴式栽植器數(shù)學(xué)模型如圖3所示。鴨嘴的運(yùn)動(dòng)由繞移栽臂的斜邊轉(zhuǎn)動(dòng)、順著滑軌的上下運(yùn)動(dòng)和移栽機(jī)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)合成。在不考慮鴨嘴張開的情況，鴨嘴的位移方程為

(1 )

將式(1)對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，可以得到栽植器速度方程為

(2 )

其中，x為鴨嘴水平方向位移；y為鴨嘴豎直方向位移；vx為鴨嘴水平方向移動(dòng)速度；vy為鴨嘴豎直方向移動(dòng)速度；v0為移栽機(jī)前進(jìn)速度；R為鴨嘴繞連接器轉(zhuǎn)動(dòng)半徑；L為曲軸長度；ω為曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；β為連接器上鴨嘴轉(zhuǎn)動(dòng)半徑R與臨邊夾角；t為時(shí)間。

圖3 栽植器數(shù)學(xué)模型Fig.3 The mathematical model of duckbill transplant unit

圖4 栽植器運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

Fig.4 Trajectory schematic diagram of transplanter

當(dāng)λ≥1時(shí)，符合零速投苗原理，運(yùn)動(dòng)參數(shù)應(yīng)該滿足v0≤Rω?？紤]到秧苗從鴨嘴張開到完全脫離鴨嘴需要一段時(shí)間，在實(shí)際的工作過程中，應(yīng)盡量縮短、減小鴨嘴的運(yùn)動(dòng)對(duì)秧苗的直立度及回土效果產(chǎn)生影響。因此，鴨嘴張開瞬間的位置應(yīng)當(dāng)選在A、B或者O2的兩側(cè)，理想的投苗點(diǎn)應(yīng)當(dāng)選在O1BC段[4]。

3 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)材料

材料選取土壤含水率14%～18%，栽植作物為K326煙苗，經(jīng)過缽育栽培，苗齡60天，煙苗的平均高度為15.6cm，平均直徑為8.7cm。為防止煙苗損傷或水分流失而影響試驗(yàn)效果，獲取缽苗試樣后立即進(jìn)行移栽性能試驗(yàn)。栽植時(shí)，煙苗合理株距為55cm。

3.2 試驗(yàn)方法

圖5 試驗(yàn)裝置Fig.5 Experimental device

3.3 單因素試驗(yàn)

3.3.1 試驗(yàn)方法

根據(jù)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝要求，設(shè)定移栽株距為55cm,試驗(yàn)基本工況為：機(jī)車前進(jìn)速度0.45m/s，可調(diào)滾筒深度60mm,可調(diào)連桿角度40°，每次取缽苗100盆。

3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

機(jī)車前進(jìn)速度和試驗(yàn)指標(biāo)的關(guān)系如圖6所示。

圖6 機(jī)車前進(jìn)速度和試驗(yàn)指標(biāo)的關(guān)系Fig.6 Relationships between indexes and the speed of transplanter

由圖6可知：隨著機(jī)車前進(jìn)速度的增加，機(jī)車速度小于0.45m/s時(shí)直立度合格率不斷陡升，株距變異系數(shù)和漏栽率呈上升趨勢；大于0.45m/s時(shí)直立度合格率不斷下降，株距變異系數(shù)陡升直到0.5m/s趨于平衡；速度大于0.5m/s時(shí)漏栽率呈明顯上升趨勢。

可調(diào)滾筒深度與試驗(yàn)指標(biāo)的關(guān)系如圖7所示。

圖7 可調(diào)滾筒深度與試驗(yàn)指標(biāo)的關(guān)系Fig.7 Relationships between indexes and the roller depth

由圖7可知：隨著滾筒深度的增大，直立度合格率先上升達(dá)到60mm后呈下降趨勢，株距變異系數(shù)呈上升趨勢，漏栽率呈下降趨勢；在45mm以后趨于平緩。隨著滾筒深度的增加，栽植深度相應(yīng)增大；而滾筒深度過大，則會(huì)導(dǎo)致缽苗入土深度過淺，直立度合格率下降。

可調(diào)連桿角度與試驗(yàn)指標(biāo)的關(guān)系如圖8所示。

圖8 可調(diào)連桿角度與試驗(yàn)指標(biāo)的關(guān)系

Fig.8 Relationships between indexes and the linkage

由圖8可知：隨著連桿角度的增大，0°～40°之間

直立度合格率呈上升趨勢，漏栽率呈下降趨勢，株距變異系數(shù)起伏波動(dòng)；大于40°之后直立度合格率呈下降趨勢，漏栽率呈上升趨勢，株距變異系數(shù)急劇上升。

3.4 正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果處理分析可知：當(dāng)機(jī)車前進(jìn)速度在0.30～0.60m/s，可調(diào)滾筒深度在30～90mm，連桿角度在30°～50°范圍內(nèi)基本情況用來分析較好，分別選其中的3種工況，如表1所示。選用正交表L9(33)進(jìn)行試驗(yàn)正交。每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值，如表2所示。

表1 因素水平表Table 1 Coding of factor level

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Orthogonal experience results

用Mat Lab對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析處理：A、C因素對(duì)直立度合格率的影響較為顯著，A的影響最為顯著；A、B因素對(duì)株距變異系數(shù)影響較為顯著，B的影響最為顯著，C對(duì)株距變異系數(shù)不明顯；A、B因素對(duì)漏栽指數(shù)的影響較為顯著，B的影響最為顯著，C對(duì)漏栽指數(shù)的影響不明顯。通過正交試驗(yàn)分析結(jié)果和MatLab分析結(jié)果可知：如表3和表4所示，因素水平較優(yōu)組合為A1B2C2，即機(jī)車前進(jìn)速度0.3m/s,滾筒深度60mm,連桿角度40°時(shí)達(dá)到最佳水平。

因素水平最優(yōu)組合A1B2C2的直立度合格率為85.18%，株距變異系數(shù)8.73，漏栽率1.68%，符合預(yù)期，效果較好。

表3 試驗(yàn)指標(biāo)分析Table 3 Text index analysis

表4 回歸方程Table 4 The regression equation

相關(guān)系數(shù)R2代表因素之間的關(guān)系；R2越接近于1，x1﹑x2﹑x3關(guān)系越密切，擬合的效果越好。

4 結(jié)論

1)闡述缽苗移栽機(jī)整機(jī)作業(yè)過程，建立三維模型和數(shù)學(xué)模型，分析栽植器運(yùn)動(dòng)軌跡方程和速度方程，確定零速投苗點(diǎn)使移栽效果最佳。

2)由正交試驗(yàn)和極差方差分析結(jié)果可知：機(jī)車前進(jìn)速度和連桿角度對(duì)直立度合格指數(shù)影響較為顯著，機(jī)車前進(jìn)速度和滾筒深度對(duì)株距變異指數(shù)影響較為顯著，機(jī)車前進(jìn)速度和滾筒深度對(duì)漏栽指數(shù)影響較為顯著。移栽的最優(yōu)組合為機(jī)車前進(jìn)速度0.30m/s，滾筒深度60mm,連桿角度40°。該參數(shù)可達(dá)到的直立度合格率85.18%，株距變異系數(shù)8.73，漏栽率1.68%，符合預(yù)期，效果較好。

[1] 遲明路.覆膜施肥移栽機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究 [D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

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Design and Experimental Study of Duckbill Type Transplanting Machine

Zhang Xiaolong, Wu Delin, Wu Chongyou, Liu Yaoyao, Gao Fayun

(School of Engineering,Anhui Agricultural University,Hefei 230036，China)

A new type of transplanting machine on seedling was designed.Through elaboration and kinematics analysis of the working process of transplanting machine,making seedling drop with zero speed so that its performance could better meet requirement. Chose the speed of locomotive,roller depth,link angle as experimental factors,the corresponding experiments on the transplanter are carried out to illustrate the relationships between the text factors and text index.By orthogonal experiment and analysis,the influence extent of various factors that affect text index and the optimal mix were given.The text results indicate that when the speed of locomotive is 0.3m/s,the roller depth is 60mm and the link angle is 40°,the qualified index is 85.18%,spacing variability index is 8.73 and the leakage planting index is 1.68%,the research has provided a experimental and theoretical basis for further improving quality of transplanting machine.

seedling transplanting; kinematics analysis; delivery seedling zero speed; orthogonal experimental analysis

2016-03-01

農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化基金項(xiàng)目(23260545)

張曉龍(1989-)，男，安徽馬鞍山人，碩士研究生, (E-mail)1192166962@qq.com。

伍德林(1970-)，男，安徽桐城人，副教授，博士，(E-mail)wudelin@126.com。

S223.92

A

1003-188X(2017)03-0134-05