吊籃式自動移栽機動態喂苗影響因素分析

韓長杰，趙曉偉，郭　輝，趙占軍，張　靜，楊宛章

(新疆農業大學 機械交通學院，烏魯木齊　830052)

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吊籃式自動移栽機動態喂苗影響因素分析

韓長杰，趙曉偉，郭輝，趙占軍，張靜，楊宛章

(新疆農業大學 機械交通學院，烏魯木齊830052)

摘要：吊籃式自動移栽機在移栽過程中遇到移栽地面不平整或車速波動，易造成吊籃式自動移栽機平拋喂苗準確率降低。為此，通過對吊籃式自動移栽機平拋喂苗運動進行分析，提出了改變苗筒喂苗位置來解決此問題的方法。通過分析得出：當栽植器機架傾角逐漸大于-arctan(0.073vm)時，苗筒喂苗位置沿車速方向移動。當栽植器機架傾角逐漸小于-arctan(0.073vm)時，苗筒喂苗位置沿車速方向移動。當栽植器機架傾角恒定時，車速增大，苗筒喂苗位置需要沿車速的相反方向移動；車速度減小時，苗筒喂苗位置需要沿車速方向移動；最佳吊籃接苗位置不隨車速的波動而發生改變。本研究結論為提高吊籃式自動移栽機喂苗準確性奠定理論基礎。

關鍵詞：吊籃；苗筒；自動移栽機；平拋喂苗；軌跡模型

0引言

國內旱地移栽機的研究，始于20世紀70年代，主要是在發達國家移栽機構的基礎上，進行了改進[1-3]，并以半自動移栽機為主；而自動移栽機因結構相對復雜、研究成本高，且移栽模式受缽苗種類不同，結構相差大。目前，自動移栽機在國內尚處于試驗研究階段[4]，主要機型有俞高紅[5-12]等人研究的齒輪行星輪系自動移栽機；陳達[13]等人研究的自動分缽式栽植器；張晨[14]等人研制的2ZB-2穴盤缽苗旱地膜上自動移栽機等。

本文研究對象為韓長杰[15-16]等人設計的自動移栽機，該機喂苗方式為平拋喂苗。在移栽過程中，當受到地面不平整或車速波動時，缽苗不能準確喂入吊籃內，為解決此問題，本文對平拋喂苗運動進行了分析。

1動態喂苗速度分析

吊籃式自動移栽機傳動示意圖，如圖1所示。拖拉機向前行駛驅動地輪轉動，地輪經六方軸驅動栽植器及自動取喂裝置工作。

圖1中：鏈輪1'、1的齒數均為20，鏈輪2'、2的齒數均為17，鏈輪5、6的齒數均為16，鏈輪3的齒數為16，鏈輪4的齒數為20；軸Ⅰ'、Ⅰ為地輪的轉動軸，軸Ⅱ為栽植器的轉動軸，軸Ⅲ為六方軸，軸Ⅳ、軸Ⅴ分別為自動取喂裝置的水平軸、豎直軸。根據傳動關系可得，i12=0.85，i34=1.25，i56=1。

圖1　吊籃式自動移栽機傳動示意圖

根據鏈傳動分析計算得

(1)

其中，n1、n3、n5分別為相應鏈輪的轉速(r/s)。

各鏈輪的速度為

(2)

其中，v1為地輪速度(m/s)；vm為車速(m/s)；vE為缽苗水平速度(m/s)；vF為吊籃速度(m/s)；d1為地輪直徑(m)；r為栽植圓盤半徑(m)；d9為鏈輪9分度圓直徑(m)；δ為地輪滑移系數。

2動態喂苗軌跡分析

以栽植器的轉動中心O為原點，車速反方向為x軸的正方向，豎直向上為y軸的正方向，建立直角坐標系，如圖2所示。圖2中，vm表示車速；O2點為栽植器機架鉸接點；O3點為可伸縮的活門托板末端固定點；a為在吊籃接苗點位置時，吊籃固定點與原點的連線相對水平面的夾角。當栽植器機架繞其鉸接點O2傾斜θ角時，根據幾何關系可得

(3)

其中，s1為A、B兩點的水平距離(m)；s2為A、B兩點的豎直距離(m)；s3為B、O3兩點的水平距離(m)；l為O2、O兩點的距離(m)；θ為栽植器機架傾角(°)；l0為O3點的x軸坐標(m)。

1.活門托板　2.活門　3.苗筒　4.栽植器機架

2.1吊籃接苗位置

為保障缽苗準確落入吊籃內，且缽苗與吊籃的碰撞較小，需確定吊籃最佳接苗位置。

在圖2直角坐標系xOy中，由分析可得

(4)

其中，h0為栽植器機架固定點O2到活門托板的豎直距離(m)；h為吊籃固定點到吊籃上平面的豎直距離(m)；h1為缽苗從落苗位置平拋運動到吊籃接苗位置的豎直位移(m)。

當缽苗與吊籃的水平速度相同時，缽苗與吊籃在水平方向上無碰撞，此時吊籃接苗位置為其最佳接苗位置，可得

(5)

式中ω—栽植器圓周運動的角速度(rad/s)。

聯立式(1)、式(2)、式(5)得

(6)

由式(6)可知：當栽植器機架傾角恒定時，最佳接苗位置不隨車速波動而發生變化。

2.2苗筒喂苗位置

苗筒喂苗位置依靠活門托板長度來控制，其長度是苗筒喂苗點B1到活門托板固定點O3的距離，如圖2所示。

當栽植器機架傾角為θ時，分析可得

(7)

其中，x2為缽苗水平位移(m)；h2為缽苗豎直位移(m)；t2為運動時間(s)；g為重力加速度(m/s2)；l1為活門托板長度(m)。

聯立式(1)～式(5)、式(7)得

(8)

2.3栽植器機架傾角范圍

吊籃式栽植器在移栽過程中，栽植器機架隨地面起伏變化做上下浮動，栽植器與懸掛主梁的連接形式如圖3所示。栽植器機架與固定板鉸接，并通過固定板接懸掛主梁。栽植器機架向上傾斜的極限位置為其向上接觸到固定板，向下傾斜的極限位置為其向下接觸到限位板。栽植器機架傾角范圍為

(9)

1.栽植器機架　2.限位板　3.懸掛點　4、5.固定板

3動態喂苗影響因素分析

本文只分析栽植器機架傾角θ和車速vm對活門托板長度l1變化的影響。部分參數依據韓長杰等人研制的自動取喂裝置和吊籃式栽植器組裝成的自動移栽機：d1為0.57m，d9為0.086 4m，g為9.8m/s2，h0為0.51m，h為0.02m，h3和h4均為0.02m，l0為0.5m，l為0.75m，l3為0.065m，l4為0.185m，r為0.252m，橡膠輪胎在農田內的滑移系數δ為0.05[17]。將各參數代入式(8)、式(9)得

(10)

-6.2°<θ<17.1°

式(10)對栽植器機架傾角θ求導并令導數為0可得

θ≈-arctan(0.073vm)

(11)

3.1栽植器機架傾角對喂苗位置的影響

栽植器機架傾角與活門托板長度的關系，如圖4所示。由圖4及式(11)可知：當栽植器機架傾角大于-arctan(0.073vm)時，隨著栽植器機架傾角逐漸增大，活門托板長度也逐漸增大，此時苗筒喂苗位置沿車速方向移動；當栽植器機架傾角小于-arctan(0.073vm)時，隨著栽植器機架傾角逐漸減小，活門托板長度逐漸增大，此時苗筒喂苗位置沿車速方向移動，才能滿足準確喂苗。

圖4　栽植器機架傾角與活門托板長度的關系

從圖2可知：當栽植器接苗位置在第1象限內時，栽植器吊籃上下浮動較大，不利于接苗；當栽植器接苗位置在第3、第4象限內時，第1、第2象限內的吊籃將會干涉缽苗落入吊籃，無法接苗，故接苗位置選擇在第2象限內。

由圖4可知：當活門托板長度在0.7～0.78m浮動時，缽苗均能從苗筒中下落后進入吊籃，此時落苗口恰好處在如圖2中的第2象限，因此能夠實現從吊籃最佳接苗位置接苗。

3.2車速對喂苗位置的影響

車速與活門托板長度的關系，如圖5所示。車速越大，活門托板長度越小，苗筒喂苗位置需要沿車速反方向移動。不同的是，當栽植器機架傾角在2°與-6°時，兩直線出現交叉現象。這主要是因為在栽植器機架傾角大小為-arctan(0.073vm)時，活門托板長度最小，故栽植器機架傾角在-arctan(0.073vm)兩側存在活門托板長度相等且苗筒能準確喂苗的情況。

圖5　車速與活門托板長度的關系

4結論

1)對吊籃式自動移栽機自動取喂裝置喂苗運動進行理論分析，得出活門擋板長度與栽植器機架傾角和車速之間的運動學模型。

2)當栽植器機架傾角大于-arctan(0.073vm)時，隨著栽植器機架傾角逐漸增大，活門托板長度也逐漸增大，此時苗筒喂苗位置沿車速方向移動；當栽植器機架傾角小于-arctan(0.073vm)時，隨著栽植器機架傾角逐漸減小，活門托板長度逐漸增大，此時苗筒喂苗位置沿車速方向移動，才能滿足準確喂苗。

3)當栽植器機架傾角恒定時，車速增大，活門托板長度減小，苗筒喂苗位置需要沿車速反方向移動，且最佳喂苗位置不隨車速的變化而改變。

參考文獻：

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[17]北京農業工程大學.農業機械學(上冊)[M].北京：中國農業出版社，2003.

Trajectory and Influencing Factors of Dynamic Dropping Seedling Analysis for Nacelle-type Automatic Transplanter

Han Changjie,Zhao Xiaowei, Guo Hui, Zhao Zhanjun, Zhang Jing, Yang Wanzhang

Abstract：A new-style automatic transplanter that is composed of automatic feeding system and nacelle-type planting apparatus is designed. Artificial to pick seedling and feed seedling is replaced by automatic feeding system. Because of the seedlings that leave automatic feeding system will move to nacelle in horizontal projectile motion, decreasing of dropping seedling accuracy from field unevenness or speed changeable of automatic transplanter. In order to solve the low dropping seedling accuracy, the dropping seedling of the automatic transplanter is analyzed, and a scheme that changes dropping seedling location of guiding tube is proposed. The mathematics model of the shutter plate length is established, and the model is simulated by Matlab R2011b. when the change of planting apparatus traction frame angle and speed in the course of transplanting, the length variation of the shutter plate length is analyzed in this paper. According to the automatic transplanter which is composed of automatic feeding system and planting apparatus with nacelle, some parameters of the model is determined.The results show that when the traction frame of planting apparatus gradually more than -arctan(0.073vm), the dropping seedling edge of guiding tube shift to the speed direction; when the traction frame of planting apparatus gradually less than -arctan(0.073vm), the dropping seedling edge of guiding tube shift to the speed direction, and then moves at the speed direction; when the tilt angle of traction frame don’t change, as the speed increases, the dropping seedling location of the guiding tube moves at the reverse speed direction, and as the speed slowly, the dropping seedling location of guiding tube moves at the speed direction, and the best dropping seedling position will not change as only the speed changes.The movement mechanism analysis will provide theoretical foundation for improving the dropping seedling reliability of the nacelle-type automatic transplanter.

Key words：nacelle; guiding tube; automatic transplanter; horizontal projectile dropping seedling; trajectory model

文章編號：1003-188X(2016)07-0110-04

中圖分類號：S223.92

文獻標識碼：A

作者簡介：韓長杰(1980-)，男，河南遂平人，副教授，博士，(E-mail)hcj_627@163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(50905153)；新疆農機開發項目(2011-NJKY-07)；新疆自治區高技術發展研究計劃項目(201211117)；留學人員擇優資助項目(2014)

收稿日期：2015-06-18