吊杯式移栽機成穴機構的成穴阻力試驗

楊 波，董 欣，徐允飛，邵 菲，那明君

(東北農業大學 工程學院，哈爾濱 150030)

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吊杯式移栽機成穴機構的成穴阻力試驗

楊 波，董 欣，徐允飛，邵 菲，那明君

(東北農業大學 工程學院，哈爾濱 150030)

成穴機構是吊杯式移栽機的主要工作部件之一，其作業性能直接影響移栽機栽植質量、效率及成穴作業阻力。為深入研究吊杯式移栽機的成穴機構作業參數及結構參數對成穴阻力的影響規律，利用自主研制的仿形成穴機構土槽試驗臺架，模擬成穴機構田間作業狀況進行成穴阻力正交試驗，分析了成穴機構的前進速度、曲軸轉速及成穴鏟寬對成穴阻力的影響；利用成穴阻力試驗數據，應用ANSYS Workbench 15.0對成穴鏟進行有限元分析。結果表明：成穴機構的曲軸轉速對成穴阻力影響最為顯著；當參數組合為成穴機構的曲軸轉速0.3m/s、成穴鏟寬40～70mm、前進速度0.3m/s時，滿足煙草缽苗移栽的成穴農藝和減低成穴阻力要求，成穴鏟設計滿足強度要求。試驗結果可為成穴機構的優化設計提供依據。

煙草缽苗移栽；成穴機構；成穴阻力；正交試驗；有限元分析

0 引言

煙草作為我國的主要經濟作物，其種植已經成為很多地區農民收入和地方稅收的主要部分。我國常年種煙面積在100萬hm2以上，適合于機械化作業的煙田面積約為53萬hm2。20世紀80年代以來，國內高校和科研院所研制出許多適用于小規模田間的煙草種植機械，如煙田松耙除茬機、煙地深松施肥起壟犁、煙田專用覆膜機和小型煙田耕作機等。近年來，研發生產了很多可以實現多種功能的煙草耕種、移栽和收獲機械。研發和推廣煙草移栽機對降低勞動強度、減少人工成本、提高生產效率及滿足擴大煙田生產規模的需求，具有重要的應用價值[1-3]。

移栽技術可有效地提高單產和作物的品質，具有直播難以比擬的優越性及顯著的節本、增產、增收效果。煙苗移栽需要完成開溝、栽煙、培土等工序，機械移栽煙苗可以做到不傷苗、不漏栽，株距均勻，煙苗直立，深度較一致，大大提高了煙苗移栽效率[4-6]。成穴是旱田移栽過程中的首要工序，也是移栽機工作時受外力最大的工作階段，成穴機構的作業性能直接影響移栽機栽植質量、效率及其成穴阻力。因此，優化成穴機構的研究具有重要的意義[7-8]。

本文針對課題組自主研發吊杯式煙草缽苗移栽機的成穴機構，模擬田間作業狀況開展成穴機構成穴阻力的正交試驗研究，旨在探尋煙草缽苗移栽機的成穴機構作業參數及結構參數對成穴阻力的影響規律，確定滿足成穴農藝要求和減小成穴阻力的最佳參數組合，為成穴機構的進一步優化設計提供依據[9]。

1 試驗裝置

1.1 成穴機構試驗裝置結構

成穴機構臺架性能試驗在東北農業大學研制的土槽試驗臺上進行。試驗臺由成穴機構試驗裝置、控制系統及測試系統等部分構成。控制系統主要由減速電機、伺服電機、變頻器及控制柜組成。成穴機構試驗裝置由土槽、滑動導軌、滑動板、成穴機構及支撐架構成。其中，成穴機構由曲軸、連桿、平行桿組、成穴鏟柱焊合、成穴鏟及固定架等構成，如圖1所示。

1.2 成穴機構工作原理

試驗時，成穴機構模擬移栽機的前進運動由土槽電動機控制驅動，通過變頻器調節控制伺服電機的轉向及頻率，帶動滑動板上的成穴機構前進速度及運動方向的改變，以滿足成穴機構試驗裝置作業參數最佳組合試驗要求；成穴機構垂直于土槽方向的往復運動由減速電機驅動，減速電機的轉速通過控制板上的變頻器調節改變成穴機構的曲軸轉速。曲軸轉動[見圖1(b)]經連桿、平行四桿機構、成穴鏟柱帶動成穴鏟上、下往復運動，平行桿組限制成穴鏟保持豎直狀態。成穴機構向前運動期間，成穴鏟先向下運動入土，然后繼續向下運動，到達極限位置后再向上運動離開壟面，形成穴坑，最后再向上運動達到上極限位置，完成一次成穴周期。煙草缽苗移栽的穴坑由成穴機構前進速度與其垂直于土槽的往復運動的合成來完成。

1.鏈輪 2.轉動曲軸 3.軸承座 4.墊板

1.曲軸 2.連桿 3.平行四桿機構

1.3 成穴阻力測試系統

成穴阻力測試系統主要由伺服電機、減速電機、變頻調速器、電流互感器、BLR-1/100拉壓力傳感器、自主研制的智能四通道測量儀、R232-USB轉換器和裝有數據采集軟件的PC機等組成，如圖2所示。系統通過自主研發的上位機軟件實現對成穴阻力參數的實時采集、在線監測、顯示、記錄回放及數據處理等功能；測試系統上位機軟件基于LebView編程開發。

圖2 前進阻力測試系統框圖

2 成穴機構土槽試驗

2.1 試驗設計

試驗中選擇前進速度、成穴機構曲軸轉速、成穴鏟寬為試驗因素，成穴鏟成穴阻力為評價指標設計三因素三水平正交試驗，試驗水平編碼表如表1所示。

表1 試驗因素水平編碼表

為了綜合分析、評價各因素的優劣性，選擇正交表L9(34)安排正交試驗，安排第4列為空列。為消除誤差影響，根據試驗安排對每組參數組合進行試驗，每組處理重復5次，成穴阻力通過測試系統在線檢測，取5次成穴阻力測試結果的均值作為試驗結果。試驗不考慮試驗因素的交互作用，試驗方案設計及結果分析應用Design Expert6.0軟件，分別采用極差法和方差分析法對指標進行正交分析，綜合平衡法確定各因素的最佳水平。

2.2 試驗結果與分析

2.2.1 成穴阻力試驗結果

正交試驗安排以及對應的成穴阻力試驗結果如表2所示。

表2 正交試驗方案及結果

續表2

2.2.2 試驗結果分析

成穴機構作業時，成穴阻力為指標的正交試驗極差分析與方差分析如表3、表4所示。

極差分析表明：對于試驗指標成穴阻力，數值越小為越佳。通過比較每個因素的不同水平可以得出：因素A成穴機構曲軸轉速較優水平為A2，因素B成穴鏟寬較優水平為B1，因素C機具前進速度較優水平為C2，各因素對成穴阻力的影響主次順序是A>B>C。通過分析確定3個因素優水平組合為A2 B1 C2，即成穴機構曲柄轉速0.3m/s、成穴鏟寬40mm、機具前進速度0.3m/s時，滿足煙草缽苗移栽的成穴農藝要求，成穴機構成穴阻力最小。

方差分析表明：對成穴阻力影響最顯著的因素是成穴機構的曲軸轉速，成穴鏟寬影響次之，機具前進速度的影響最小。

表3 成穴阻力極差分析

表4 成穴阻力方差分析表

曲軸轉速控制成穴鏟入土后，在土壤中存在持續時間，時間越長，成穴鏟擠壓排開的土壤體積越多，所受阻力越大，反之所受阻力越小；成穴鏟寬度的不同，也會使排開土壤體積不同，造成承受阻力不一樣，越寬所受阻力越大。當曲軸轉速與成穴鏟寬度一定時，機具前進速度較小，所成穴坑為“山崖式”，會造成一定壟長內的土壤擠壓；當前進速度較大時，穴坑為“斜坡式”，穴坑雖然變長，但深度不一，土壤擠壓幾率變小，所以在此因素下阻力的影響小。

2.3 基于Ansys的成穴鏟有限元分析

在SolidWorks中建立三維模型，通過.x_t格式導入Ansys進行分析計算[10-11]，如圖3所示。

1.曲軸 2.連桿 3.平行四桿機構

默認材料為結構鋼Structural Steel，選用CFD方式劃分網格，設置Max Face Size為10mm，如圖4所示；Ansys受力云圖如圖5所示。

圖4 成穴鏟的網格劃分

圖5 Ansys受力云圖

由圖5可知：成穴鏟的最大應力為16.266 MPa，最大應力點出現在成穴鏟與固定支架的連接處(即螺栓緊固處附近)及成穴鏟柱下端斜邊緣處；斜面的設計是為了方便螺栓緊固，避免了當成穴鏟入土過深時此處與土壤作用造成的阻力加大。這是因為螺栓緊固周圍為應力集中處，而鏟柱下端邊緣會受到成穴阻力的杠桿效應力。由成穴鏟總變形圖可以看出：成穴鏟的最大變形量為0.133mm，最大變形發生在成穴鏟板尖部與鏟翼邊處。通過對成穴鏟的有限元分析，得到的成穴鏟最大集中應力為76.916MPa，遠小于材料的許用應力[σ]=157MPa，成穴鏟尖及鏟翼的最大變

形也極其微小。由此可知：成穴鏟材料的選取和設計符合作業過程中的強度要求，工作過程安全。

3 結論

1)搭建的成穴機構試驗裝置的試驗臺架能夠綜合考察影響成穴阻力的各種因素，實現對煙草缽苗移栽成穴機構成穴阻力的性能試驗。

2)試驗分析了各因素對成穴阻力的影響，得出成穴機構的曲軸轉速對成穴阻力的影響最顯著。在保證滿足煙苗移栽成穴農藝要求的前提下，成穴機構降低成穴阻力的最優參數組合為：成穴機構的曲軸轉速36r/min，成穴鏟寬40～70mm，前進速度0.3m/s。此時，成穴機構的成穴阻力為350～435N。

3)通過對成穴鏟的有限元分析，得到成穴鏟最大集中應力為16.266 MPa，遠小于許用應力[σ] = 157 MPa，成穴鏟尖及鏟翼的最大變形也極其微小。成穴鏟設計滿足強度要求，為期進一步的優化設計提供理論依據。

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The Hole Forming Resistance Test of Cavitation Mechanism of Hanging Cup Type Transplanting Machine

Yang Bo, Dong Xin, Xu Yunfei, Shao Fei, Na Mingjun

(Engineering College，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China)

The hole forming mechanism is one of the main working components of the hanging cup type transplanting machine, and its working performance directly affects the quality and efficiency of the transplanting machine and the hole forming resistance. the operation parameters and structure parameters of cavitation mechanism of hanging cup type transplanting machine on acupoint resistance were investigated. Which using self-developed copying Cavitation mechanism of soil bin test bench, orthogonal experiment of hole forming resistance simulating the field operation condition was carried out. The forward speed of the hole forming mechanism, the rotational speed of the crank shaft and the width of the hole on the hole forming resistance were analyzed. The results show that the speed of the crank shaft of the forming mechanism has the most significant influence on the resistance of the hole. Under the conditions of crankshaft speed of 0.3m/s, spade wide of 40mm～70mm, advancing velocity of 0.3m/s, the combination of experimental factors meets the requirements of the tobacco seedling transplanting and reducing the hole forming resistance. The experimental results provide the basis for the optimization design of the hole forming mechanism.

tobacco seedling transplanting; cavitation mechanism; the hole forming resistance; orthogonal test; finite element analysis

2016-08-12

黑龍江省應用技術與開發計劃項目(GC13B604)

楊 波(1992-) 男 ，山西晉城人，碩士研究生，(E-mail)yangbo5066@163.com。

董 欣(1962-)，女，吉林德惠人，教授，碩士，(E-mail)Dongxin@neau.edu.cn。

S223.92

A

1003-188X(2017)10-0194-04