煙草小苗井窖式移栽機設(shè)計及液壓系統(tǒng)仿真分析

(1.河南省煙草公司 許昌市公司， 河南 許昌 461000；2.許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 許昌 461000)

引言

小苗移栽優(yōu)點很多，比如在促進煙苗根系早生快發(fā)，增強煙草抗旱能力，提高肥料的利用率，增強煙株抗病性，減少感病幾率和病蟲害發(fā)生率方面效果顯著，逐漸得到了重視和推廣[1-2]。煙草小苗移栽主要流程是人工挖出井窖式苗穴，把適齡煙苗垂直栽入預(yù)先完成的井窖苗穴中，再進行澆水，覆膜后形成微型溫室，使煙苗在微型溫室的井窖中生長，待煙苗長到一定高度時，再在地膜上打孔，防止高溫灼傷煙苗,所以也稱為小苗井窖式移栽[3]。相比漂浮育苗常規(guī)移栽， 該移栽方式的優(yōu)點是利用井窖式苗穴營造了適宜的土壤溫度、濕度環(huán)境，增強了煙苗適應(yīng)能力，促進了煙苗的早期生長[4-5]。井窖式移栽新農(nóng)藝實現(xiàn)了煙草小苗的適期早栽，深栽培土問題，有效解決了烤煙最佳移栽時間與壯苗不同步的問題。

小苗井窖式移栽的問題是沒有與該技術(shù)配套的機械化移栽設(shè)備，井窖式移栽主要靠人工或半機械化作業(yè)，無法實現(xiàn)煙草的真正機械化井窖式移栽，由于人工成本較高，實現(xiàn)減工降本目標任務(wù)非常艱巨，目前國內(nèi)現(xiàn)有煙草井窖式移栽設(shè)備主要為打穴機，先采用打穴機挖穴，然后人工投苗、澆水、移栽[6]，人力勞動強度大，機械化程度低，制作出的井窖質(zhì)量差，間距不均勻，難以滿足煙苗移栽的農(nóng)藝要求和用戶需求。

本研究根據(jù)煙草小苗移栽的特點和煙草常規(guī)多連桿鴨嘴式移栽機，進行了思路創(chuàng)新，在常規(guī)鴨嘴式移栽機的基礎(chǔ)上，制作了能夠?qū)崿F(xiàn)小苗機械化挖穴、投苗和澆水等作業(yè)的移栽裝置，增加了液壓傳動系統(tǒng)，擴展了常規(guī)鴨嘴式移栽機使用功能，完成了小苗移栽的機械化難點。

1 煙草小苗井窖式移栽機的主要結(jié)構(gòu)和工作原理

煙草小苗井窖式移栽機的主要結(jié)構(gòu)有常規(guī)鴨嘴式移栽機、螺旋鉆頭、以及液壓傳動系統(tǒng)，如圖1所示。作業(yè)液壓傳動系統(tǒng)包括兩個部分，一是控制井窖式作業(yè)機構(gòu)的升降的系統(tǒng)，主要零部件包括液壓泵、多路閥、液壓缸和油管等；二是控制螺旋鉆頭旋轉(zhuǎn)作業(yè)的系統(tǒng)，主要零部件包括液壓泵、多路閥、液壓馬達和油管等。煙草小苗井窖式移栽作業(yè)機構(gòu)如圖2所示，主要包括螺旋鉆頭、液壓馬達、連接桿和鴨嘴投苗器。

1.鴨嘴式移栽機 2.螺旋鉆頭 3.鴨嘴投苗器圖1 煙草小苗井窖式移栽機

煙草小苗井窖移栽主要工作原理是先在煙壟上打出深度大于200 mm的深孔(井窖)，通過螺旋刀片把挖出的土壤堆放在井窖口四周，鴨嘴式投苗器在行進到井窖苗穴上方時，把煙苗栽入井窖苗穴內(nèi)，稍后通過鴨嘴內(nèi)的澆水裝置向井窖苗穴內(nèi)澆下一定量的水。作業(yè)時由1人駕駛，1人投苗，依次完成井窖制作、移栽、澆水等農(nóng)藝過程，操作簡單。

1.螺旋鉆頭 2.液壓馬達 3.連接桿 4.鴨嘴投苗器圖2 煙草小苗井窖式移栽作業(yè)機構(gòu)圖

2 液壓傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

利用液壓系統(tǒng)體積小、響應(yīng)快和布局靈活等優(yōu)點[7]，煙草小苗井窖式移栽機構(gòu)的傳動使用液壓系統(tǒng)，實現(xiàn)了發(fā)動機到作業(yè)部件的動力輸出。煙草小苗井窖式移栽機作業(yè)液壓系統(tǒng)主要分為兩路，一路是井窖式作業(yè)機構(gòu)的升降傳動系統(tǒng)，主要控制該結(jié)構(gòu)的上下移動，以適應(yīng)不同高低壟體的煙壟。另一路是制作井窖式苗穴的傳動系統(tǒng)，主要空控制螺旋鉆頭的旋轉(zhuǎn)運動，制作出符合農(nóng)藝要求的井窖式苗穴。

2.1 升降液壓回路

升降液壓回路的工作對象主要是小苗井窖式移栽作業(yè)機構(gòu)。由于不同地區(qū)，煙壟壟體高低尺寸有差異。在移栽機工作前，按照煙壟壟體的高低，調(diào)整小苗井窖式作業(yè)結(jié)構(gòu)上下位置，滿足壟體高度不同的煙壟作業(yè)。移栽機停止工作后，小苗井窖式移栽作業(yè)機構(gòu)在回路作用下，提升到初始位置。

升降液壓回路結(jié)構(gòu)如圖3所示，其主要工作過程是，發(fā)動機動力輸出到液壓泵2，液壓泵開始工作對液壓回路進行供油，經(jīng)過濾油器1過濾，通過三位四通閥3控制液壓回路開啟、關(guān)閉和供油方向，液壓油通過三位四通閥進入液壓缸，控制液壓缸4伸縮，達到控制小苗井窖式作業(yè)機構(gòu)的升降目的，溢流閥5為了保護液壓回路正常工作壓強。

1.油液過濾器 2.液壓泵 3.三位四通閥 4.升降液壓缸 5.溢流閥圖3 井窖式作業(yè)機構(gòu)升降液壓回路原理圖

2.2 挖穴液壓回路

挖穴液壓回路的工作對象是螺旋鉆頭。小苗井窖式移栽作業(yè)機構(gòu)按照煙壟壟體調(diào)整好位置后，工作時，螺旋鉆頭高速旋轉(zhuǎn)，上下運動完成井窖式苗穴的挖穴作業(yè)。移栽時，開始工作螺旋鉆頭的達到工作轉(zhuǎn)速時間盡量要快。

井窖式苗穴挖穴液壓回路結(jié)構(gòu)如圖4所示，其主要工作過程是，發(fā)動機動力輸出到液壓泵2，液壓泵開始工作對液壓回路進行供油，通過三位四通3閥控制液壓回路開啟、關(guān)閉和供油方向，液壓油通過三位四通閥進入液壓馬達，控制液壓馬達4旋轉(zhuǎn)工作，達到控制螺旋鉆頭旋轉(zhuǎn)作業(yè)制作井窖式苗穴，溢流閥5為了保護液壓回路正常工作壓強。

1.油液過濾器 2.液壓泵 3.三位四通閥 4.液壓馬達 5.溢流閥圖4 螺旋鉆頭工作液壓回路原理圖

3 液壓系統(tǒng)的建模

利用AMESim對液壓回路進行分析，可以直觀的看到液壓系統(tǒng)中的流量和轉(zhuǎn)速變化[7]。本研究為了驗證煙草小苗井窖式移栽機液壓傳動系統(tǒng)的可行性，利用AMESim對煙草小苗井窖式移栽機的兩路液壓系統(tǒng)進行了建模仿真分析，并對其工作情況進行了總結(jié)。

根據(jù)煙草小苗井窖式移栽機的液壓系統(tǒng)工作原理，在AMESim分析軟件中建立了液壓模型，液壓系統(tǒng)建模如圖5所示。其中，左側(cè)模型圖為升降液壓系統(tǒng)，右側(cè)模型圖為挖穴液壓回路。

兩路液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1和表2所示。

4 仿真結(jié)果

利用AMESim的仿真運行模式，開始運行后，煙草小苗井窖式移栽機液壓模型進行仿真運行。通過設(shè)定運行時間和頻率，以獲得控制井窖式移栽機構(gòu)升降的工作曲線圖和控制螺旋鉆頭挖穴的工作曲線圖。

圖5 液壓系統(tǒng)模型

表1 升降液壓回路主要參數(shù)

表2 挖穴液壓回路主要參數(shù)

本次仿真主要目的是煙草小苗井窖式移栽機準備工作和工作過程中，升降機構(gòu)的升降控制和螺旋鉆頭旋轉(zhuǎn)控制工作情況。仿真結(jié)束后，升降機構(gòu)液壓缸位移曲線圖和液壓馬達轉(zhuǎn)速曲線圖，控制信號曲線圖以及挖穴機構(gòu)速度上升曲線，如圖6～圖8所示。

圖6 煙草小苗移栽機升降機構(gòu)工作曲線圖

圖7 煙草小苗移栽機挖穴機構(gòu)工作曲線圖

圖8 煙草小苗移栽機挖穴機構(gòu)速度上升曲線圖

5 仿真分析

從圖6可以看出，升降液壓缸驅(qū)動井窖式移栽機構(gòu)升降情況，完全按照所設(shè)定信號進行工作：0～5 s，信號為0，液壓回路準備工作；5～25 s，液壓缸驅(qū)動工作機構(gòu)完成了上升過程；25～30 s，信號為0，三位四通閥關(guān)閉油路，井窖式移栽機構(gòu)停留在預(yù)升位置；30～35 s液壓缸驅(qū)動工作機構(gòu)完成階段下降過程并停止預(yù)降位置，隨后井窖式移栽機構(gòu)階段下降，回到最初位置。液壓回路工作過程中，通過曲線可以看出工作過程很平順。從仿真結(jié)果可以看出，該液壓回路能夠?qū)崿F(xiàn)井窖式移栽機構(gòu)的正常升降工作，能夠根據(jù)不同壟體高低調(diào)整井窖式移栽機構(gòu)的上下位置，滿足設(shè)計要求。

從圖7可以看出，液壓馬達驅(qū)動螺旋鉆頭旋轉(zhuǎn)工作，按照所設(shè)定信號進行工作：0～5 s，信號為0,液壓回路準備工作；5～15 s，液壓馬達驅(qū)動螺旋鉆頭正常旋轉(zhuǎn)工作，模擬井窖式苗穴制作；15～20 s，液壓馬達停止工作，螺旋鉆頭停止作業(yè)；20～30 s螺旋鉆頭反向旋轉(zhuǎn)。從仿真結(jié)果可以看出，該液壓回路控制螺旋鉆頭速度比較穩(wěn)定，滿足設(shè)計要求。

從圖8中可以看出螺旋鉆頭速度上升時間在第5 s 和第7.5 s之間，加速時間為2.5 s。速度上升比較快，方便于小苗井窖式移栽機在不同煙壟之間轉(zhuǎn)彎換行作業(yè)。從仿真曲線可以看出速度響應(yīng)比較快，可以滿足煙草小苗井窖式移栽機的快速轉(zhuǎn)場作業(yè)。

6 結(jié)論

本研究利用AMESim對煙草小苗井窖式移栽機構(gòu)的液壓回路進行了建模仿真分析。通過仿真的到了關(guān)鍵機構(gòu)的工作情況，直觀的看出了液壓回路的性能特點,為今后小苗井窖式移栽相關(guān)設(shè)計提供了參考。