移栽機(jī)鉆穴裝置的設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)

葛 鵬，韓長杰，張 靜，夏廣寶，劉希光

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引言

傳統(tǒng)缽苗移栽的打穴方式主要以被動沖壓式為主，常見的結(jié)構(gòu)主要為偏心盤式鴨嘴栽植器，優(yōu)點(diǎn)是可在膜上直接打穴移栽、不易傷苗、運(yùn)動簡單，能適應(yīng)多種缽苗作物的移栽作業(yè)要求，已逐漸成為膜上移栽的主要機(jī)型[1]；但是對西瓜、甜瓜等秧苗的移栽[2-3]，要求株距在740～760mm范圍內(nèi)，傳統(tǒng)的偏心盤式鴨嘴栽植器會產(chǎn)生明顯的多邊形效應(yīng)，導(dǎo)致穴形不穩(wěn)定及穴孔深度不一致，孔徑變異系數(shù)達(dá)到16.1%[4]。針對被動沖壓式打穴裝置存在的問題，本文設(shè)計(jì)并制作了一種基于多桿式鉆穴裝置。其能夠避免偏心盤式驅(qū)動裝置的多邊形效應(yīng)[5]，由拖拉機(jī)牽引，鉆穴器由電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，完成入土、取土、拋土和出土的主動鉆穴動作，獲得穩(wěn)定穴形的孔。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作過程

鉆穴裝置包括軌跡生成機(jī)構(gòu)和牽引機(jī)架：軌跡生成機(jī)構(gòu)由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和平行四桿機(jī)構(gòu)組合構(gòu)成，主要包括機(jī)架、連桿、搖桿、打穴臂、鉆穴器及配重塊等構(gòu)件；牽引機(jī)架由懸掛梁、地輪總成及連接架構(gòu)成，軌跡生成機(jī)構(gòu)與牽引機(jī)架固連。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.連接架 2.地輪機(jī)架 3.短連桿 4.多桿機(jī)構(gòu)機(jī)架 5.上曲柄 6.同步鏈輪 7.同步鏈條 8.配重塊 9.擺桿 10.下曲柄 11.長連桿 12.12V電動機(jī) 13.打穴臂 14.鉆穴器 15.地輪 16.傳動鏈條圖1 鉆穴裝置整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)拖拉機(jī)以恒定速度前進(jìn)時，地輪經(jīng)過鏈傳動驅(qū)動下曲柄勻速轉(zhuǎn)動，下曲柄與上曲柄由同步鏈條實(shí)現(xiàn)同相位等速轉(zhuǎn)動，打穴臂由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，并通過平行四桿機(jī)構(gòu)保持與地面垂直[6]；鉆穴器與打穴臂固連，在入土和出土?xí)r保持相對地面靜止，并由12V電動機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)；入土?xí)r，鉆頭與回轉(zhuǎn)葉片將土壤切碎，并通過葉片旋轉(zhuǎn)將碎土從穴孔內(nèi)取出，拋撒至穴孔周圍，完成主動鉆穴動作。

2 鉆穴裝置主要工作部件參數(shù)的確定

2.1 軌跡生成機(jī)構(gòu)的空間約束

為避免鉆穴機(jī)構(gòu)作業(yè)時與地輪機(jī)架發(fā)生干涉、碰撞，需合理布置機(jī)構(gòu)的空間結(jié)構(gòu)與相對位置，其空間限制如圖2所示。

L1為軌跡與地輪機(jī)架前梁間距，L2為擺桿到達(dá)極限位置時長連桿與地輪機(jī)架后梁間距，L3為四桿機(jī)構(gòu)的極限長度，L4為地輪機(jī)架前后梁間距，L5為打穴臂與四桿機(jī)構(gòu)機(jī)架間距，H1為連接長短連桿的部分打穴臂長度，H2為打穴臂延長部分的長度，H3為打穴深度，H4為機(jī)架距離地面高度。

圖2 機(jī)構(gòu)空間限位圖

Fig.2 Institutional space limit

1)為鉆孔器及電動機(jī)預(yù)留安裝位置，不能與地輪機(jī)架干涉，要求L1>180mm,L5>180mm；為避免長連桿與地輪機(jī)架干涉，取L2>20mm；為避免曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時與地輪機(jī)架干涉，要求L1+L2+L3

2)本文針對不同農(nóng)作物，播深取值范圍為80～100mm。為使打穴臂軌跡能夠滿足播種深度H3，打穴臂最低點(diǎn)應(yīng)當(dāng)滿足H1+H2>H3+H4，H1與H2成反比關(guān)系，H1與b成正比關(guān)系；為避免長連桿與機(jī)架干涉、打穴深度不滿足條件等問題,保證L5>180mm，取b>600mm，L3>917mm，H3>360。

3)根據(jù)現(xiàn)有地輪機(jī)架尺寸，得到H4=1270mm，L4=580mm，并由四桿機(jī)構(gòu)約束條件以及最小傳動角[7]，得到

2.2 基于MatLab優(yōu)化機(jī)構(gòu)參數(shù)

本設(shè)計(jì)的四桿機(jī)構(gòu)屬于曲柄搖桿型，只有選取合適的尺寸參數(shù)才能使機(jī)構(gòu)形成完整封閉的連桿曲線。為使鉆穴器能夠形成相對地面的滾擺線軌跡，根據(jù)四桿機(jī)構(gòu)圖解法[7]，初定圖1中短連桿為400mm，擺桿長度為390mm，長連桿為800mm，上曲柄和下曲柄為150mm。

由于初設(shè)固定鉸鏈C與點(diǎn)D軌跡的相對位置是四桿機(jī)構(gòu)生成軌跡曲線的影響因素，利用懲罰函數(shù)法通過MatLab對機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[8]，四桿機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系如圖3所示。

圖3 四桿機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系

圖3中，鉸鏈E點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)，A點(diǎn)坐標(biāo)為(l4cosα，l4sinα)，C點(diǎn)坐標(biāo)為(l1cosθ，l1sinθ)。

設(shè)B點(diǎn)坐標(biāo)(Bx，By)，則

四桿機(jī)構(gòu)D點(diǎn)坐標(biāo)為

結(jié)合式(1)～式(3)，基于MatLab編程對模型進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)擺線軌跡形成原理[9]，得到理想軌跡與優(yōu)化后D點(diǎn)軌跡的對比圖及優(yōu)化后的軌跡與初設(shè)軌跡對比圖，如圖4所示。

圖4 四桿機(jī)構(gòu)軌跡優(yōu)化結(jié)果對比

當(dāng)優(yōu)化后的軌跡點(diǎn)圖與初設(shè)的目標(biāo)軌跡差異最小時，得到結(jié)果為：l1=644.95，θ=143.63；C點(diǎn)坐標(biāo)xc=-519.36，yc=382.39，取整為(520,380)。

2.3 傳動比的計(jì)算

鉆穴裝置以恒定速度前進(jìn)，鉆穴器的運(yùn)動軌跡與曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中下曲柄的轉(zhuǎn)速有關(guān)。根據(jù)農(nóng)藝需求，設(shè)鉆穴裝置前進(jìn)速度v1為800mm/s，對曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，得到不同轉(zhuǎn)速時打穴器的軌跡對比，如圖5所示。

圖5 下曲柄不同轉(zhuǎn)速的軌跡對比

由圖5可知：當(dāng)下曲柄轉(zhuǎn)速100r/min時，鉆穴器形成余擺線軌跡；當(dāng)轉(zhuǎn)速30r/min時，鉆穴器形成短擺線軌跡，余擺線與短擺線會造成打穴器入土與出土的軌跡重合度不高，導(dǎo)致鉆穴器在打穴時會產(chǎn)生相對地面位移，不利于穴形穩(wěn)定。機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)仿真分析表明：當(dāng)下曲柄轉(zhuǎn)速為65r/min時，鉆穴器形成滾擺線軌跡，入土與出土的重合度較高，此時得到孔距為755mm，可栽孔深為50mm。

2.4 鉆穴器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

鉆穴器(見圖6)由錐形頭與兩片回轉(zhuǎn)葉片構(gòu)成，隨打穴臂完成入土、出土的動作；由12V電動機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，完成碎土、送土的主動鉆穴動作。為保證回轉(zhuǎn)葉片具有切削刀片具有良好的切土性能、足夠的強(qiáng)度和沖擊韌性，葉片的切土角為50°。考慮到鉆穴器在打穴過程中只有下半部分入土及穴孔內(nèi)壁土壤坍塌等因素，為保證穴深不小于50mm，最低穴徑不小于85mm，取a2=125mm，取a1=110mm。圖6中，a1為回轉(zhuǎn)葉片半徑，a2為錐形頭長度。

圖6 鉆穴器的結(jié)構(gòu)

2.5 地輪傳動部件的參數(shù)

如圖7所示，地輪通過地輪棘舌與軸孔的嚙合傳遞轉(zhuǎn)矩給地輪軸，通過壓簧達(dá)到棘舌的限位作用，試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)棘舌與地輪軸凹槽的嚙合效果不理想，會產(chǎn)生跳舌現(xiàn)象影響傳動。本文設(shè)計(jì)一種異形齒，使異形齒與軸孔充分嚙合，保證了地輪傳動更加穩(wěn)定、可靠。異形齒結(jié)構(gòu)如圖8所示。

1.地輪軸 2.地輪法蘭盤 3.壓簧 4.地輪棘舌

圖8 異形齒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structure of a profiled member

異形齒參數(shù)依照地輪軸的相關(guān)尺寸及相對位置而定，取代棘舌位置并與地輪軸嚙合。圖8中：S1=30mm，S2=4.8mm，S3=16mm，S4=35.2mm，R1=20mm，R2=35mm。為保證異形齒強(qiáng)度，取厚度為10mm。

3 田間鉆穴試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間鉆穴試驗(yàn)于2017年9月在新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)地進(jìn)行。在試驗(yàn)鉆穴前，為使土壤呈松軟狀態(tài)，人工將試驗(yàn)地翻松，去除石塊殘膜等雜物。試驗(yàn)地土壤類型為壤土，0～10cm土層的平均容重1.41g/cm3，平均含水率45.95%，土壤緊實(shí)度92.5kPa。

3.2 試驗(yàn)方法

牽引機(jī)架與拖拉機(jī)通過三點(diǎn)懸掛的方式掛接，拖拉機(jī)動力為29.4kW。作業(yè)時，打孔機(jī)構(gòu)保持800mm/s速度前進(jìn)，設(shè)置移栽理論株距為755mm，選取機(jī)組速度平穩(wěn)階段打出的孔作為測量樣本。

試驗(yàn)依照國家標(biāo)準(zhǔn)中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JB/T 10291—2001)，測量孔距、孔徑和孔深數(shù)據(jù)以合格率作為測試指標(biāo)[10-11]，并計(jì)算相應(yīng)的變異系數(shù)。

1)孔距合格率：設(shè)理論間距為Xr(mm)，測量相鄰兩孔的間距Xi(mm)，若0.8Xr

2)孔徑合格率：設(shè)理論孔徑為Dr(mm)，測量穴孔端面直徑Di(mm)，若0.8Dr

3)孔深合格率：根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，穴孔的深度范圍在理論打孔深度的±10mm內(nèi)認(rèn)為孔徑合格，取理論穴孔深度為50mm。將合格孔徑樣本與樣本總數(shù)的比值作為孔距合格率。孔深合格率、孔深的變異系數(shù)是對穴形均勻度的評價(jià)。

為保證試驗(yàn)精度，試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值，如表1、圖9所示。

表1 鉆穴裝置測試結(jié)果

圖9 整機(jī)鉆穴效果

4 結(jié)果及分析

鉆穴機(jī)構(gòu)在實(shí)際工作中的平均孔距為761.5mm，與理論孔距755mm差距不大，孔距合格率在95%，孔距變異系數(shù)3.2%。根據(jù)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JB/T 10291—2001)中移栽機(jī)性能指標(biāo)，孔距變異系數(shù)應(yīng)當(dāng)≤20%，試驗(yàn)值小于指標(biāo)值，說明機(jī)構(gòu)運(yùn)行比較穩(wěn)定，穴距差異不大，能夠滿足移栽需求。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，軌跡生成機(jī)構(gòu)的連桿較重，往復(fù)運(yùn)動中會產(chǎn)生較大慣性，打穴臂在上升過程中會對鏈條產(chǎn)生較大載荷，傳動過程中抖動會造成打穴臂不能穩(wěn)定形成理論擺線軌跡，造成了實(shí)際孔距數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)存在一定的偏差。因此，要在保證機(jī)構(gòu)強(qiáng)度和功能不受影響情況下，減輕曲柄搖桿的質(zhì)量，從而減小鏈條負(fù)載，保證打穴臂往復(fù)運(yùn)動的穩(wěn)定性和連續(xù)性。

試驗(yàn)測量得到平均孔深49.7mm、孔深合格率95.12%。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，孔深變異系數(shù)應(yīng)當(dāng)≥75%，試驗(yàn)值大于指標(biāo)值，平均孔深在40～60mm范圍內(nèi)，孔深變異系數(shù)5.1%，符合栽植要求。孔深的變異系數(shù)與機(jī)構(gòu)的成穴軌跡有關(guān)，試驗(yàn)中拖拉機(jī)的牽引速度不能保持恒定。前文驗(yàn)證了拖拉機(jī)能夠在平穩(wěn)的水泥地面牽引地輪機(jī)架保持穩(wěn)定的前進(jìn)速度，試驗(yàn)中在凹凸不平的田地里地輪會產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，導(dǎo)致了鉆孔器的運(yùn)動軌跡不穩(wěn)定。因此，為保證裝置能夠生成穩(wěn)定的運(yùn)動軌跡，建議整平地面。

平均孔徑為91.3mm、孔徑合格率90.26%，基本滿足穴盤苗栽植需求，孔徑變異系數(shù)5.2%，孔徑穩(wěn)定性與鉆孔器的轉(zhuǎn)速有關(guān)。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高轉(zhuǎn)速條件下的孔徑變異系數(shù)小于低轉(zhuǎn)速。李旭英[4]等將傳統(tǒng)的鴨嘴式栽植器進(jìn)行改良，試驗(yàn)結(jié)果平均孔徑變異系數(shù)達(dá)到16.1%，高于本文所得到的試驗(yàn)結(jié)果，說明多桿式鉆穴機(jī)構(gòu)的穴形更穩(wěn)定。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，孔徑、孔深的變異系數(shù)與土壤濕度、鉆穴器轉(zhuǎn)速及有效工作時間有關(guān)。土壤濕度上升，土壤粘度隨之提高，穴孔的內(nèi)壁不易坍塌；低轉(zhuǎn)速時成型的穴孔穴壁容易坍塌，導(dǎo)致各穴孔的穴徑不一致，高轉(zhuǎn)速條件下成型的穴孔則更加穩(wěn)定；鉆孔器的有效工作時間與運(yùn)動軌跡有關(guān)，即鉆孔器入土與出土的時間越久，成型效果越好。

5 結(jié)論

1)通過運(yùn)動學(xué)分析和計(jì)算確定了鉆穴裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在拖拉機(jī)前進(jìn)速度為800mm/s、曲柄轉(zhuǎn)速65r/min的情況下，鉆穴器在打穴時能夠保持相對地面靜止，入土與出土?xí)r軌跡的重合度較高，電動機(jī)帶動鉆穴器完成碎土和拋土的主動鉆穴動作。

2)基于MatLab對機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到擺桿長度為390mm，擺桿鉸鏈相對下曲柄鉸鏈坐標(biāo)(520，380)；對地輪進(jìn)行改良，避免了跳齒現(xiàn)象，使機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定。

3)研制的鉆穴裝置能夠較好地完成鉆穴工作。田間試驗(yàn)表明：孔距合格率95%，孔距變異系數(shù)3.2%，孔深合格率95.12%，孔深變異系數(shù)5.1%，孔徑合格率90.26%，孔徑變異系數(shù)為5.2%，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)果的孔徑變異系數(shù)5.2%，低于文獻(xiàn)中所提的傳統(tǒng)栽植器16.1%，說明多桿式鉆穴裝置的穴形更穩(wěn)定、可行。