自動移栽機及其關(guān)鍵部件的設(shè)計研究

馮彩霞

（山西省農(nóng)業(yè)機械發(fā)展中心，山西太原 030031）

0 引言

移栽是蔬菜種植過程的重要環(huán)節(jié)。目前，我國的蔬菜生產(chǎn)基本依靠人工和半自動移栽機移栽。無論人工或半自動移栽，勞動強度都大，作業(yè)效率低，成本高，而且作業(yè)質(zhì)量難以保證。相對人工移栽，半自動移栽可在一定程度提高勞動生產(chǎn)率，但移栽機仍需配置工作人員3～4名/臺。人力成本高、勞動強度大、農(nóng)民年齡偏大等問題限制了蔬菜生產(chǎn)的發(fā)展。

國內(nèi)部分科研機構(gòu)和企業(yè)開始進行自動蔬菜移栽機的研制和生產(chǎn)，但仿造較多，沒有實質(zhì)性的突破。日本、美國等農(nóng)業(yè)機械大國的自動蔬菜移栽機雖然應(yīng)用較多，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，農(nóng)民普遍難以接受，在國內(nèi)的推廣應(yīng)用難度較大，所以設(shè)計一種自動移栽機對我國蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有較大的現(xiàn)實意義。旨在設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、能自動取苗和放苗的自動移栽機，以期進一步解放勞動力，并為取苗機構(gòu)的研制提供合理的設(shè)計參數(shù)。

1 整機機構(gòu)及其工作原理

該蔬菜自動移栽機采用牽引式設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊。主要由機架、輸苗機構(gòu)、取苗機構(gòu)、鴨嘴放苗機構(gòu)、地輪等組成，三維實體模型見圖1。

圖1 移栽機整體結(jié)構(gòu)三維圖

工作時，將苗盤放置在移栽機尾部左右兩側(cè)的輸送帶上，啟動plc控制系統(tǒng)，輸苗機構(gòu)開始動作，兩側(cè)輸送帶依次交替將苗盤輸送到中間的推盤上，液壓缸把苗盤推送到中間步進移位輸送帶的相對位置，苗盤以6穴為橫向，12穴為縱向。平行4連桿取苗機構(gòu)靠電機驅(qū)動進行2次往復(fù)運動，進行取苗、放苗。取苗機構(gòu)分左右2組，苗夾6個/組，2組苗夾錯位排列，在苗盤同一列上間隔取苗并投放到分苗漏斗中，取苗結(jié)束后，苗盤由電機控制橫向移動1格，完成了機具行走作業(yè)前的準備工作。

移栽機行走作業(yè)時，兩組吊杯—鴨嘴移栽機構(gòu)獨立運行，吊杯—鴨嘴機構(gòu)上配置有7個鴨嘴，通過鏈條、鏈輪傳動，與長圓形苗配置杯實現(xiàn)間歇配合；當苗杯移動到分苗漏斗的正下方，電機控制打開漏斗口，進行放苗，在出苗口將秧苗放入吊杯中，完成移栽。當苗盤完成6次橫向移動后，秧苗取盡，苗盤回歸原位后進行退盤（圖2）。

圖2 操作流程

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 送苗機構(gòu)設(shè)計

設(shè)計送苗裝置總體方案時，取苗機構(gòu)位置相對固定。尾部兩側(cè)輸送帶交替輸送苗盤到中間步進移位輸送帶，中間步進移位輸送帶帶動苗盤橫向間歇移動6次后空苗盤被移送到收集筐內(nèi)，步進移位輸送帶回原位，完成一個苗盤的作業(yè)（圖3）。

圖3 送苗機構(gòu)三維圖

因為取苗機構(gòu)是間歇性取苗，步進移位輸送帶需要實現(xiàn)橫向直線往復(fù)間歇運動，為減少結(jié)構(gòu)受力，步進移位輸送帶后側(cè)下方安裝滾輪，前方安裝滑塊，以降低摩擦系數(shù)。分析后確定利用絲桿電機機構(gòu)能穩(wěn)定地實現(xiàn)往復(fù)運動。設(shè)計中選擇剛性較大、結(jié)構(gòu)緊湊，有較高的轉(zhuǎn)動精度螺桿轉(zhuǎn)動、螺母移動結(jié)構(gòu)。螺桿直徑25 mm，導(dǎo)程10。設(shè)計移栽機最快行走速度0.4 m/s，鴨嘴—吊杯輪周長約2 m，轉(zhuǎn)動1周，需要時間5 s，即絲桿推動步進移位輸送帶歸位時間必須小于5 s。

因步進電機轉(zhuǎn)速越大，力矩越小，而且轉(zhuǎn)速太大，容易丟步，設(shè)計中轉(zhuǎn)速定為5轉(zhuǎn)/s，一個苗盤歸位的橫向移動最小距離是220 mm，通過計算可得：絲桿導(dǎo)程度最小需要8.8 mm。查表可得導(dǎo)程大于8.8 mm，且適合安裝的絲桿可選直徑25 mm、導(dǎo)程為10 mm的絲桿機構(gòu)。因步進移位輸送帶橫向勻速運行，而苗盤位置精度要求不是特別高，所以可套用以下公式：

式中，T為驅(qū)動扭矩，絲桿導(dǎo)程L=10 mm；Mg≈300 N（步進移位輸送帶+配件+填土苗盤最大重量不超過30 kg，這里取最大值），綜合摩擦系數(shù)取μ=0.1，給進絲桿的正效率取η=0.85，得驅(qū)動扭矩T=0.056 N*M。

2.2 苗盤推送機構(gòu)

苗盤推送機構(gòu)主要包含苗盤托板、感應(yīng)器、液壓缸組件構(gòu)成。苗盤托板、液壓缸與機架固定，感應(yīng)器固定在苗盤托板底板兩側(cè)。當苗盤輸送裝置將苗盤輸送到托板上，觸動兩側(cè)感應(yīng)器，判斷面盤到位。待系統(tǒng)接收到空苗盤的退盤信號，液壓缸開始動作，將苗盤向前推送，完成推送動作后回歸原位（圖4）。

圖4 苗盤推送機構(gòu)

2.3 液壓缸的選型

液壓缸結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，主要是將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，做直線往復(fù)運動，在實現(xiàn)往復(fù)運動時，沒有傳動間隙，不用減速裝置，而且運動平穩(wěn)。因苗盤加填土的質(zhì)量相對較小，設(shè)計選用的液壓缸完成推盤的動作，液壓缸的行程是主要考慮的因數(shù)。苗盤長540 mm，以苗盤落在皮帶上3/4即可完成推盤。故液壓缸的行程范圍在400～450 mm，設(shè)計中選用ROB/A 20×450的迷你液壓缸，即缸徑20 mm，行程450 mm，壓力14 Mpa。

2.4 取苗機構(gòu)工作原理

取苗機構(gòu)由平行四連桿機構(gòu)、曲柄搖桿、苗夾、磁吸、電機以及帶輪機構(gòu)等幾部分組成（圖5）。

圖5 取苗機構(gòu)三維圖

以左側(cè)取苗機構(gòu)為例，苗夾固定在四連桿機構(gòu)的豎桿（CD）的D端上，始終保持苗夾開口向下。O1、O2、O3為鉸接固定端，O1、O2水平布置，O2、O3垂直布置，其中01ABO2構(gòu)成搖桿機構(gòu)、02CDO3構(gòu)成平行四連桿機構(gòu)。根據(jù)設(shè)計要求，O1端由電機驅(qū)動搖桿O1A做圓周運動，帶動平行四連桿的CO2桿做往復(fù)搖擺運動（圖6）。

圖6 平行四連桿運動簡圖

3 曲柄搖桿的參數(shù)設(shè)計

擺桿的作用是驅(qū)動苗夾取苗、放苗，在取苗、放苗時，應(yīng)保持運動的穩(wěn)定性，所以曲柄搖桿機構(gòu)設(shè)計為無急回特性，對于無急回特性曲柄搖桿機構(gòu)，行程速比系數(shù)中的極位夾角θ=0°，即k=1，當搖桿處于兩個極限位置時，曲柄與連桿共線（圖7）。設(shè)計要求AO1為曲柄a、AB為連桿b、BO2為搖桿c、O1O2為機架d，B點和B1點為極限位置點。其中，設(shè)計擺桿長c=100 mm，擺角ψ=120°，機架長d=335 mm。

圖7 曲柄搖桿機構(gòu)運動簡圖

在△O1BO2和△O1B1O2中：

得：a2+d2=b2+c2

因B點和B1點在極限位置時，a與b共線，所以，

得：

即a=BO=86.6 mm，b=331.2 mm。

4 取苗機構(gòu)的運動軌跡

已知參數(shù)：曲柄86.6 mm、連桿331.2 mm、搖桿100 mm、機架335 mm、平行四連桿機構(gòu)長桿310 mm、短桿80 mm。利用歐德克連桿仿真設(shè)計軟件（Linkage）進行仿真，從仿真動作可以看出，連桿機構(gòu)能夠穩(wěn)定運行，不存在干涉。苗夾運行軌跡為不對稱的“弓背”型（圖8）。該問題可通過調(diào)整搖桿與平行四連桿長桿的夾角來實現(xiàn)苗夾的對稱動作。

圖8 苗夾運動軌跡

5 結(jié)論

本試驗設(shè)計了一種蔬菜缽苗自動移栽機，研究解決了自動移栽過程中的難點，提高了農(nóng)業(yè)機械的自動化程度，有利于擴大蔬菜種植面積。自動移栽機可以提高生產(chǎn)效率，對今后的農(nóng)機自動化研發(fā)具有一定的參考意義。