煙苗移栽機澆水系統(tǒng)的設計

姬 虹,李保謙,張秀麗

(1.河南農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院,鄭州 450002;2.河南職業(yè)技術(shù)學院 汽車工程學院,鄭州 450046)

0 引言

我國是世界上主要煙葉生產(chǎn)國,具有悠久的煙葉種植歷史,在多個省市都有煙草種植,曾達到世界煙草種植面積的30%以上。但是,煙草種植屬于勞動密集型農(nóng)業(yè),前期對人工需求大,且煙葉移栽對工期要求嚴格,因此搶工、搶時是每年煙草種植中重要工作要求[1]。在我國,煙苗移栽設備包括撓性圓盤式移栽機構(gòu)、鏈夾式移栽機構(gòu)、導苗管式移栽機構(gòu)、吊杯式移栽機構(gòu)、鴨嘴式移栽機構(gòu)、滑道分缽輪式移栽機構(gòu)及雙輸送帶式移栽機構(gòu)7種[2],盡管移栽機構(gòu)種類眾多,但各有優(yōu)缺點。煙草在移栽時屬于煙葉移栽返苗期,根部或多或少受到損傷,造成煙苗根部吸收能力減弱,且此時田間土地蒸騰作用仍在進行,容易造成煙株體內(nèi)缺少水分導致煙苗萎蔫。為保證煙苗平安度過返苗期,需要對煙苗所在附近土壤進行充分水分供應,用于保障煙苗附近土壤在發(fā)生蒸騰作用時煙苗植株對水分吸收,使煙苗正常生長。據(jù)了解,煙苗返苗期一般為7～10天,移栽情況良好時返苗期可縮短至6～7天,返苗期的縮短有利于煙苗生長。煙苗在移栽時需水量在1.0kg/株能保證煙苗順利度過返苗期,若澆水量在2.0kg/株以上,則可以保證在4～5天內(nèi)能滿足煙葉生長,若7～10天無降雨則需進行人工灌溉。由此可見:返苗期水對煙葉生長至關(guān)重要,但煙葉返苗期生長也受其他因素的影響[3-4]。

目前,我國針對煙葉定根水噴淋設備按照觸發(fā)方式進行劃分為機械觸發(fā)式和電子觸發(fā)式兩類:機械觸發(fā)式有2ZY-1型煙草移栽機、2YZS自走式煙草移栽機、陜西省煙草公司安康市公司做的定量澆水閥、山東華盛農(nóng)業(yè)藥機械有限責任公司開發(fā)的自動澆水器、張桂榮發(fā)明的澆水裝置及鄭揖等發(fā)明的定量澆水裝置;電子觸發(fā)式有劉雙喜等發(fā)明的定量澆水機、王雙喜等設計的煙草澆水系統(tǒng)、山東農(nóng)業(yè)大學發(fā)明的煙草自動澆水機等[5],但仍不能滿足我國現(xiàn)有已在要求。

為更好提高澆水效率,設計了一種定點煙苗澆水機構(gòu),采用電子觸發(fā)式澆水,通過側(cè)面澆水方式,最大限度避開煙苗根部,同時采用相對靜止方式實現(xiàn)定點大水量澆水方式。

1 設計原理及機構(gòu)

1.1 設計原理

設計原理:澆水機構(gòu)澆水時,其出水口能夠?qū)崿F(xiàn)與移栽車體方向相反但等速的運動,并在完成澆水后迅速復位,然后周而復始重復循環(huán)相對定點澆水。由于實現(xiàn)了快速復位,所以每次移栽后澆水不存在累計誤差,從而保證煙苗定點澆水位置相對穩(wěn)定。移栽機作業(yè)如圖1所示。

電子控制方面采用霍爾傳感器感應觸發(fā)啟動澆水機構(gòu)反向移動,反向移動時間可通過動力接觸時間做調(diào)整,采用車體電源取電作業(yè)。

其優(yōu)點在于采用此結(jié)構(gòu)仿行移栽后,澆水方式為煙苗提供充足水分,而人工澆水為在固定位置澆水。此機構(gòu)相當于保證澆水出水口始終同煙苗位置相對不變,可保證足夠澆水量。通過電控保證澆水循環(huán)準確性,可有效防止機械累計誤差產(chǎn)生,降低田間勞動強度,在提高機械化作業(yè)速率的同時提高了煙苗成活率,減少補苗工作量,有利于煙葉生長。

1.2 總體設計

移栽澆水機構(gòu)相關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖2所示。機具匹配后橋與雙曲柄鴨嘴移栽器一同使用,作業(yè)時車體后橋上裝有單相轉(zhuǎn)動取力器,后橋取力器結(jié)合動力通過鏈傳動一路傳遞至雙曲柄鴨嘴移栽機;第2路動力傳遞至澆水機構(gòu);澆水機構(gòu)上附帶霍爾傳感器控制電路,接受到霍爾傳感器信號,使電磁離合器結(jié)合,電磁離合器將帶電0～1.8s之間(可做調(diào)節(jié)),將第2組動力傳遞至齒輪及齒條機構(gòu)。

齒條固定在滑軌上,在滑軌前端固定有澆水出口,澆水出口隨著齒條移動而移動,到達預設時間后,電磁離合器斷開動力輸入;齒條前端位置有撥叉軸,撥叉一端同撥叉軸相連,中部旋轉(zhuǎn)點在移栽機具機架上,撥叉另一端固定有彈簧,彈簧另一端固定在與移栽機具上;撥叉上固定撥叉軸處為長槽,撥叉軸可沿著撥叉滑動,在結(jié)束動力輸入后在彈簧作用下澆水出口返回至初始位置。

移栽機具其主要技術(shù)參數(shù)如下:

外形尺寸/mm:1090×750×820(移栽機具)

900×250×223(澆水機構(gòu))

移栽速度/s·株-1:2

移栽壟間距/mm:1200

移栽株距/mm:500(理論)

澆水時間/s:0～1.8(理論)

澆水位置誤差/mm:-9～81(理論)

澆水量/mL·株-1:0～1000(理論)

電磁離合器散熱方式:自然風冷

轉(zhuǎn)動副潤滑方式:脂潤滑

2 關(guān)鍵部分設計

2.1 定點原理設計

機具采用輪式結(jié)構(gòu)驅(qū)動,田間作業(yè)過程中存在輪胎滑移問題,因此存在一定滑移率。后橋軸驅(qū)動輪胎為7.5～16拖拉機輪胎,其極限滑移率可高至0.2。本次田間使用栽植狀態(tài)下取滑移率為0～0.087,極限值為0.2。7.5～16輪胎查中華人民共和國國家標準GB2979-91農(nóng)業(yè)輪胎系列,其新胎充氣后外徑R-1型花紋其圓周直徑為810mm[6-7]。本設計采用后橋取力,在測試中其旁邊傳動比為i=6:1;澆水機構(gòu)采用齒輪齒條機構(gòu),可認為齒輪分度圓線速度即為齒條運動直線速度,即澆水出口運動線速度。設計上,齒輪齒條采用模數(shù)m=3,齒輪齒數(shù)z=30。

設計前提為移栽速度為2s/株,移栽株距為500mm,則由設計原理可知

i7-輪=6

所以,澆水結(jié)構(gòu)與輪子之間傳動比為

移栽機設計工作速度(m/s)為

根據(jù)設計,采用齒輪模數(shù)m=3、齒數(shù)z=30,可計算出齒輪分度圓線速度和齒條固定端頭澆水口線速度。為保證澆水線速度方向同移栽機移動線速度方向相反,則澆水出口理想線速度為

在田間工作過程中,由于土地濕度與土壤顆粒大小不同等因素都會對輪子滑移產(chǎn)生影響,因此存在滑移率變化問題。本文取極限滑移率為0.2,則此時移栽機速率為

v移滑0.2=v移栽機×(1-0.2)=0.2(m/s)

通過澆水時間變化情況可得出澆水口在設定條件下定點能力變化范圍,依據(jù)上述計算作出其變化范圍曲線公式。

設計無滑移情況,其變化率為

k1=v澆水-v移栽機=-5(mm/s)

則其曲線為

y=k1t(0

滑移率為0.2情況(Cy)下,其變化率為

k2=v澆水-v滑移0.2=45(mm/s)

則其曲線為

y=k2t(0

根據(jù)上述方程,可作出定點移栽在設計范圍內(nèi)其定點出現(xiàn)偏移量圖,如圖4所示。由圖4可以看出:本次設計在設計參數(shù)范圍內(nèi)定點情況存在設計誤差;隨著澆水時間變化,澆水口定點誤差偏差量隨之呈現(xiàn)區(qū)間變化;澆水定點變化也與輪胎田間滑移率有很大關(guān)系,滑移率越大其在相同時間點上其偏差也越大?，F(xiàn)實情況中,滑移率是動態(tài)變化值,在定點澆水時澆水時間根據(jù)田間工況進行時長調(diào)整,因此可認為其澆水出口相對設計定點存在位移飄移,范圍在圖4所在封閉區(qū)間內(nèi),且飄移具有隨機性。極限偏差范圍為-9～81mm,因使用鴨嘴移栽起移栽煙坑大小在12～15cm之間,可認為定點澆水最大偏差在允許范圍內(nèi)。

圖4 澆水口理論定點偏差量Fig.4 Theoretical fixed point deviation of watering hole

2.2 澆水電路原理設計

設計上采用霍爾傳感器觸發(fā)式促使動力經(jīng)電磁離合器傳遞至澆水機構(gòu),主要使用元件如下:①電磁離合器,220V AC;②時間繼電器,220V AC;③霍爾接近傳感器,220V AC;④電源,12V DC;⑤逆變器,12V DC轉(zhuǎn)220V AC;⑥中間繼電器,220V AC 14P。

控制電路如圖5所示。

1.發(fā)電機 2.12V DC電源 3.逆變器 4.霍爾傳感器 5.時間繼電器 6.14P小型繼電器 7.電磁離合器圖5 澆水電控原理圖Fig.5 Schematic diagram of electric watering control

工作時,霍爾傳感器根據(jù)工況控制調(diào)節(jié)通電時長,通過電路與機械結(jié)構(gòu)相互配合實現(xiàn)變時澆水與調(diào)整澆水提前或延后時間點。設計上,電路由發(fā)動機為電源供電,電源再通過逆變器轉(zhuǎn)換交流轉(zhuǎn)換為整個控制電路供電,霍爾傳感器采用感應金屬常開傳感器,感應到信號后為帶延時斷電電路時間繼電器接通供電,時間繼電器通過中間繼電器控制電磁離合器供電,從而達到定時電磁離合器通斷電目的。

2.3 澆水機構(gòu)設計

澆水機構(gòu)采用齒輪齒條結(jié)構(gòu),齒條固定于直線滑軌上,由電磁離合器傳遞動力,如圖6所示。由圖6可看出:將其旋轉(zhuǎn)運動通過齒輪齒條轉(zhuǎn)換成直線運動,完成單次運動后,根據(jù)杠桿原理由彈簧將脫離動力的齒條經(jīng)撥叉作用使其返回初始位置,依據(jù)傳感器信號周而復始做循環(huán)動作。

1.齒條 2.電磁離合器動力傳遞總成 3.齒輪 4.澆水固定點 5.恢復撥叉 6.恢復撥叉旋轉(zhuǎn)點 7.恢復彈簧固定點圖6 澆水結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Watering structure

3 田間試驗與結(jié)果

3.1 試驗基本條件

田間性能試驗在河南省許昌市桂村鄉(xiāng)進行,試驗地屬于清明節(jié)后移栽區(qū),移栽耕深集中在20～30cm,且土壤質(zhì)地疏松,土層深厚,土壤呈現(xiàn)微酸性。采用壟上移栽,在移栽前10天完成起壟,最終移栽壟高為30cm,壟面寬度可達到35～40cm,壟間距為1.2m。試驗地為煙草與其他作物2年輪作,縱深為200m凈地。

試驗采用煙苗為漂浮育苗,均做好煉苗工作,煙苗采用8～10cm大苗,移栽苗零為60～70天。澆水試驗進行5組,取單組20次澆水記錄結(jié)果。

3.2 試驗結(jié)果

移栽機澆水試驗結(jié)果如表1所示。

表1 煙苗移栽機澆水系統(tǒng)試驗性能結(jié)果Table 1 Results of watering system test of tobacco seedling transplanter

3.2.1 澆水動作可靠性

本機構(gòu)在縱深200m田間連續(xù)往返作業(yè),其動力結(jié)合電磁離合器均可實現(xiàn)每次動力結(jié)合,澆水恢復撥叉在每次動力撤離均可實現(xiàn)在電磁離合器下次結(jié)合前完成澆水固定點復位。經(jīng)測試,在單次加水工作區(qū)間即完成600次移栽,其工作狀態(tài)穩(wěn)定。

3.2.2 澆水電路可靠性

根據(jù)田間試驗,在縱深200m田間連續(xù)往返作業(yè),控制單元均可實現(xiàn)優(yōu)良工作性能,在單次加水作業(yè)即完成600次移栽,工作狀態(tài)穩(wěn)定。

3.2.3 定點澆水位移偏差量

本次試驗采用0.8s澆水、1.3s澆水、1.8s澆水3種模式測試田間工作狀態(tài)下其定點澆水能力,對在3種不同澆水時長下澆水位移相對設計定點偏差進行測量統(tǒng)計。圖7～圖9為不同定點澆水時間內(nèi)出水口位移偏差頻率直方圖。

圖7 0.8s澆水位移偏差圖Fig.7 Displacement deviation diagram of 0.8 second waterin

圖8 1.3s澆水位移偏差圖Fig.8 Displacement deviation diagram of 1.3 second watering

圖9 1.8s澆水位移偏差圖Fig.9 Displacement deviation diagram of 1.8 second watering

由圖7～圖9可知:澆水定點位移分別發(fā)生16～26mm、30～40mm、42～52mm的偏移,其偏移主要集中在19～22mm、33～35mm、44～48mm,呈現(xiàn)正態(tài)分布趨勢。

4 結(jié)論

1)澆水機構(gòu)在機械和電路上可以滿足煙草移栽強度要求,可實現(xiàn)單次注水完成600次移栽要求,完全滿足煙葉移栽農(nóng)藝要求。

2)試驗結(jié)果表明:移栽澆水口偏差在設計理論范圍內(nèi),滿足移栽澆水農(nóng)藝要求。其偏差量表明:四輪農(nóng)用車輛在標準煙田移栽存在滑移率,滑移率隨著不同田間狀況在發(fā)生變化,但仍滿足田間移栽農(nóng)藝要求。