馬鈴薯覆膜播種膜溝扎孔刀的運動分析與試驗

張志強(qiáng)，陳 偉，吳英思，杜文亮，樊明壽

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院;b.農(nóng)學(xué)院，呼和浩特 010018)

0 引言

內(nèi)蒙古是我國旱作馬鈴薯的主產(chǎn)區(qū)之一，水資源短缺制約著馬鈴薯單產(chǎn)和總產(chǎn)的提高[1-2]。地膜覆蓋種植馬鈴薯在增溫、保水等方面都獲得了很好的效果[3]，是該地區(qū)馬鈴薯增產(chǎn)采用的重要技術(shù)手段[4]。

2CM-4型旱作馬鈴薯微壟覆膜側(cè)播機(jī)(以下簡稱播種機(jī))是為了適應(yīng)發(fā)展干旱半干旱地區(qū)馬鈴薯規(guī)模化種植而研制的，可一次完成開溝、施肥、播種、起壟、整形、全鋪膜和覆土[5-6]等作業(yè)。其中，一幅兩壟鋪膜形成的膜溝需設(shè)計扎孔裝置，即根據(jù)種薯位置在鋪膜后、覆土前對種薯附件的地膜進(jìn)行自動扎孔，以便引導(dǎo)全膜覆蓋種植收集的雨水滲入膜溝土壤。扎孔裝置的核心部件是扎孔刀，其設(shè)計直接影響扎孔效果。鑒于此，對扎孔刀進(jìn)行運動分析，從理論上計算出在播種機(jī)牽引運動和電吸盤杠桿運動的共同作用下扎孔刀不同運動過程中相對地面的運動軌跡圖。從軌跡圖中對劃口長度、提刀的恢復(fù)過程進(jìn)行分析，檢驗是否有掛膜現(xiàn)象發(fā)生，從而為扎孔刀的設(shè)計與試驗提供理論支持。

1 馬鈴薯覆膜播種膜溝扎孔裝置簡介

馬鈴薯覆膜播種膜溝扎孔的目的是為了在聚乙烯地膜上扎滲水孔，雨水將會通過滲水孔滲到膜下種薯附近的土壤內(nèi)，解決了膜溝雨水的滲入問題。扎孔裝置是馬鈴薯覆膜播種膜溝扎孔的核心裝置，由電吸盤[7]和尼龍[8]杠桿組成，如圖1所示。工作時，電吸盤通電后，杠桿一端的鐵片將會被快速吸附到電吸盤表面，另一端則帶動扎孔刀完成下刀過程；電吸盤持續(xù)通電，扎孔刀保持下刀完成后的動作一段時間；到達(dá)預(yù)定時間，扎孔完畢，電吸盤斷電，杠桿在彈簧的作用下恢復(fù)到原來的位置，為下一次的扎孔做準(zhǔn)備。扎孔裝置工作狀態(tài)如圖2所示。

1.機(jī)架 2.電吸盤 3.鐵片 4.彈簧 5.杠桿 6.扎孔刀

圖2 扎孔裝置工作圖Fig.2 The prick hole installation working drawing

2 扎孔刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)地膜的機(jī)械性能[9](見表1)可以看出：地膜的拉伸強(qiáng)度較大。為了保證扎孔刀能將膜順利劃破，扎孔刀在與膜接觸的瞬間需要有較大的初始速度。下刀過程中，受ELE-P40/25電吸盤吸力的影響，扎孔刀的質(zhì)量需嚴(yán)格控制；劃膜過程中，扎孔刀破膜寬度與扎孔刀自身厚度相一致，劃膜長度要保持在100mm以下。扎孔刀的恢復(fù)過程是利用彈簧的彈力將扎孔刀恢復(fù)到初始位置，由于彈簧彈力有限，扎孔刀受到地膜對其恢復(fù)到原狀的阻力要盡可能小，3個過程中都不允許出現(xiàn)掛膜現(xiàn)象。結(jié)合以上對扎孔刀的要求，應(yīng)用SolidWorks軟件[10-13]對其進(jìn)行三維建模，設(shè)計了如圖3所示的扎孔刀。

受加工設(shè)備及工藝的限制，扎孔刀材料采用1.8mm鋼板制作，長度150mm,寬度12mm。扎孔刀上方孔是扎孔裝置與扎孔刀連接時的螺栓安裝孔，中間設(shè)有的兩個橢圓形槽使扎孔刀整體質(zhì)量減輕了57.14%；刀尖沿前進(jìn)方向一側(cè)開刃用于扎破膜后的劃膜過程；刀尖相反于前進(jìn)方向一側(cè)設(shè)計成圓滑的弧形狀，一方面可以減輕扎孔刀扎孔完成后恢復(fù)到初始位置時所受的阻力，另一方面也可避免在這一過程中發(fā)生掛膜現(xiàn)象。

表1 地膜的機(jī)械性能Table 1 The mechanical properties of the membrane

圖3 扎孔刀設(shè)計圖Fig.3 The prick hole's knife design

3 扎孔刀的運動分析

3.1 運動分析

扎孔刀運動過程(見圖4)直接影響扎孔裝置的扎孔效果。本文采用Autocad軟件[14-16]對扎孔刀進(jìn)行運動分析與計算。

1.參考坐標(biāo)系原點 2.坐標(biāo)系原點 3.直線運動 4.圓周運動 5.地膜

選取刀尖處某點作為研究參照。扎孔刀工作時的絕對運動為繞杠桿軸中心的圓周運動和播種機(jī)不斷前進(jìn)時具有的直線運動的合成[17-20]。

扎孔刀的運動可以分為下刀過程、劃膜過程及恢復(fù)過程。下刀過程選取刀尖與地膜接觸前后兩段位移做運動研究分析；劃膜過程中，扎孔刀只做直線運動不做圓周運動；恢復(fù)過程與下刀過程做相反的圓周運動、相同的直線運動。

3.2 運動軌跡計算

3.2.1 下刀過程

用圖4中杠桿軸回轉(zhuǎn)中心(2處)作為坐標(biāo)原點，播種機(jī)前進(jìn)方向作為X軸，垂直向上作為Y軸建立坐標(biāo)系分析扎孔刀下刀過程，選取6個點作為參考點。若扎孔刀只做圓周運動，則6個點沿逆時針方向的坐標(biāo)如表2所示。

表2 下刀過程參考點圓周運動軌跡坐標(biāo)Table 2 Reference point lower knife process circular motion trajectory coordinates mm

扎孔刀的下刀過程是一個圓周運動與直線運動復(fù)合的過程，即6個參考點的實際縱坐標(biāo)不變，實際橫坐標(biāo)增大，如表3所示。

表3 下刀過程參考點實際運動軌跡坐標(biāo)Table 3 Reference point lower knife process actual motion trajectory coordinates mm

3.2.2 劃膜過程

扎孔刀在劃膜過程中只做沿播種機(jī)前進(jìn)方向的直線運動。根據(jù)實際要求，選用與下刀過程相同的坐標(biāo)系做分析。選取8個點作為參考點，其坐標(biāo)如表4所示。

表4 劃膜過程參考點實際運動軌跡坐標(biāo)Table 4 Reference point laceration mulch process actual motion trajectory coordinates mm

3.2.3 恢復(fù)過程

扎孔刀恢復(fù)過程是一個圓周與直線相復(fù)合的運動過程。在研究扎孔刀恢復(fù)過程時，選用圖4中1處作為坐標(biāo)原點，播種機(jī)前進(jìn)方向作為X軸，垂直向上作為Y軸建立參考坐標(biāo)系，選取6個點作為參考點。其未加直線運動的坐標(biāo)如表5所示，實際坐標(biāo)如表6所示。

表5 恢復(fù)過程參考點圓周運動軌跡坐標(biāo)Table 5 Reference point recover process circular motion trajectory coordinates mm

表6 恢復(fù)過程參考點實際運動軌跡坐標(biāo)Table 6 Reference point recover process actual motion trajectory coordinates mm

3.3 運動分析

通過Autocad對3個過程中參考點的實際軌跡坐標(biāo)值分析完成之后，將這些參考點實際坐標(biāo)值繪制軌跡圖做運動分析[21-23]，如圖5所示。

圖5 刀尖點相對地面運動軌跡圖Fig.5 Tool tip relative to ground motion trajectory

軌跡圖結(jié)果分析：扎孔裝置扎孔刀下刀過程和恢復(fù)過程的運動軌跡為擺線，播種機(jī)前進(jìn)速度影響擺線的形狀。劃膜過程中，劃口長短與播種機(jī)前進(jìn)速度及刀尖保持時間有關(guān)。相同的劃口長度要求下，機(jī)組前進(jìn)速度越快，則刀尖最下端保持時間越短； 恢復(fù)過程中，扎孔刀從劃口處恢復(fù)到初始位置；整個過程不會發(fā)生掛膜現(xiàn)象。

4 田間試驗與結(jié)果

4.1 試驗基本條件

田間試驗在內(nèi)蒙古呼和浩特市內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械廠進(jìn)行。試驗設(shè)備包括2CM-4型馬鈴薯微壟覆膜側(cè)播機(jī)、扎孔裝置、約翰迪爾904拖拉機(jī)、ACERe471G筆記本1臺、光電傳感器、光電編碼器、Dunlop RP8242電源、扎孔刀等。

4.2 試驗結(jié)果

裝有該扎孔刀的扎孔裝置田間試驗扎孔效果圖如圖6所示。

圖6 扎孔刀扎孔效果圖Fig.6 The prick hole's knife prick rendering drawing

試驗結(jié)果表明：扎孔刀下刀過程中能將膜扎破；受地膜拉伸強(qiáng)度影響，實際進(jìn)入劃膜過程的時間略晚于理論分析時間，導(dǎo)致劃口長度偏短，劃口的寬度與扎孔刀厚度相同；在3個過程中，均未出現(xiàn)掛膜現(xiàn)象。

5 結(jié)論

1)試驗結(jié)果與運動分析結(jié)果一致。扎孔刀在下刀、劃膜、恢復(fù)3個過程中均無掛膜現(xiàn)象發(fā)生。

2)下刀過程和恢復(fù)過程的運動軌跡受播種機(jī)前進(jìn)速度影響；劃膜過程中劃口長度與播種機(jī)前進(jìn)速度、刀尖最下端保持時間的綜合作用有關(guān)，前進(jìn)速度越快，則刀尖最下端保持時間越短。