面向大窩移栽的螺旋成穴裝置設計與試驗

喻麗華,胡長壽,徐志波,張富貴,符德龍

(1.貴州大學 機械工程學院,貴陽 550025;2.貴州省煙草公司畢節市公司,貴州 畢節 551700)

0 引言

近年來,由于農產品種植規模的不斷擴大,農村勞動力人數急劇下降,現代農業對農用機具的使用提出了更高的要求[1]。現有的背負式移栽井窖制作機滿足了高質、高效制作井窖的要求,幼苗在井窖里能實現早生快發,形成適時移栽和集中移栽的新模式。井窖制作機主要是利用成穴頭周圍土壤壓縮及楔切變形的共同作用產生擠密效應,使與成穴頭接觸部分的土壤被擠壓成穴[2]。使用這種方式制作井窖土壤不能被拋至地面,導致幼苗周圍土體過于緊密,一定程度上阻礙了小苗根系的生長,當土壤含水率高于30%或者低于15%時,不利于制作井窖[3-4]。

小苗大窩深栽技術發展較早,但與之配套的成穴機具發展相對滯后。針對上述問題,課題組研制了一種背負式大窩移栽穴制作機,基于螺旋升土原理,與成穴裝置接觸的土體會受離心力的作用被拋至窩穴周圍的地面上。這種成穴原理能有效提高成穴效率及降低勞動成本,將適合窩穴制作的土壤含水率范圍提高了1倍。這種成穴裝置中心主軸部分是圓柱芯,在制窩過程中振動較大,所制窩穴的合格率較低,窩深及窩口平整性等有待進一步改善[5-6]。

目前,有關穴制作機的相關研究較少。本文提出一種核心部件是圓錐芯的螺旋成穴頭,中間部分設計成圓錐芯,既減輕自重又增大成穴頭在制窩過程中的平穩性。外表面是對稱分布的雙螺旋葉片,利于排土,頂端部分裝有切土刀片。成穴裝置基于螺旋升土原理,以減少土壤與成穴部件之間的相互壓力,降低功耗,提高制穴的合格率。

1 成穴裝置結構與工作原理

1.1 總體結構

成穴裝置主要由防護罩、螺旋成穴頭及輸入軸接口組成,圓錐芯主軸位于成穴頭內部,與螺旋葉片焊接固定在一起,如圖1所示。

1.輸入軸 2.連接筒 3.防護罩 4.螺旋成穴頭圖1 成穴裝置結構圖Fig.1 Cavitation device structure

1.2 成穴裝置工作原理

工作時,小型汽油機提供動力輸入,通過離心離合器把動力依次傳給第一級減速器、傳動軸、第二級減速器,最后通過輸入軸傳到成穴裝置帶動成穴頭轉動;成穴過程主要是通過操作人員將成穴裝置下降至地面,通過切土刀片切碎中心部分土壤,切碎的土壤被高速旋轉成穴頭拋出窩穴。

2 螺旋成穴裝置設計及參數分析

2.1 防護罩

防護罩作為成穴裝置的一部分,在成穴過程中起著重要作用。防護罩通過連接筒固定在輸入軸上,連接筒可以上下移動,調節范圍在10cm以內,可根據實際需求調節防護罩的高度。成穴頭工作時拋出的土體,在防護罩的阻擋下均勻落到窩穴周圍,從而增加了窩穴凹面的平整度。為減輕成穴裝置的總體質量,把聚碳酸酯PC(Polycarbonate)作為防護罩的選材。聚碳酸酯是一種工程塑料,具有較好的耐磨性、耐沖擊性、抗老化性及較高的強度[7]。

2.2 螺旋成穴頭的設計

成穴裝置是大窩移栽穴制作機工作的關鍵部件,大窩移栽農藝要求所制窩穴形狀整體呈錐形、窩面平整且尺寸較大。成穴頭主要尺寸設計借鑒了挖坑機螺旋升土原理,當成穴頭處于工作狀態時,土壤全部或是絕大部分在離心力的作用下被拋至窩穴周圍的地面上,依據此原理設計了一種雙螺旋圓錐芯成穴頭。考慮到成穴頭升土效率、窩穴合格率及成穴頭在高速運轉時的平穩性,螺旋葉片采用雙葉片對稱分布的方式;同時,為減輕成穴頭的質量,成穴頭中心主軸設計成圓錐芯。螺旋成穴頭的結構示意圖[6]如圖2所示。

圖2 螺旋成穴頭結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of helical acupoint structure

2.3 螺旋成穴頭相關參數

1)基本參數。根據文獻[8]大窩移栽窩穴制作農藝要求,所制窩穴需滿足:窩口為圓形,下部為圓錐形,窩徑D0為200～250mm,窩深H0為150～200mm,成形窩底有10～20mm之間的回土高度。所以,成穴頭的外端直徑D取值在180～270mm 范圍內[8]。對于正處于移栽期的幼苗,需要充分吸收陽光進行光合作用,合成生長發育所需的營養物質。根據經驗公式D=D0×90%,計算后結果取整,求得成穴頭的外端直徑D=200mm,內部主軸圓錐芯直徑取d=120mm。在制窩過程中,為防止防護罩與壟面接觸,成穴頭不完全鉆入土壤即可達到窩穴尺寸,所以高度應取H=200mm。

2)工作參數。α為成穴頭螺旋升角,計算公式為

α=arctan(H/πD)

(1)

其中,h為螺旋葉片的高度;D為窩穴口徑。將上述數據代入公式(1),求得α=11.4°。

成穴轉速對成穴頭的工作情況有很大的影響,不僅影響輸入功率、成穴效率,而且還會增加螺旋葉片的磨損。

(2)

其中,Fr為一個無因次相似準數,在相同的工作條件下,α不變,r0就不變;α為成穴頭的螺旋升角(°);β為土粒運動方向與地面的夾角(°),取β=30°;f2為土壤之間的摩擦因數,取f2=1;φ1為土壤與螺旋葉片的夾角(°),取φ1=30°;ξ為螺旋葉片與水平地面的夾角(°)。

將以上所選數據代入公式(3)求得Fr=4.2,則

(3)

其中,g為重力加速度(m/s2),取g=9.8 m/s2;r0為螺旋平均半徑(m),取r0=D/4。將數據代入公式(3)取整,得到轉速n=560r/min,滿足成穴裝置作業的要求[9-10]。

2.4 螺旋成穴頭的選材

成穴頭工作時,主要依靠刀片切土觸底,整個過程對切土刀片的強度及耐磨性有很高的要求。考慮到加工難度及經濟成本,可選用2mm的65Mn鋼作為螺旋葉片的材料,65Mn鋼熱處理后可得較高的硬度、較好的耐磨性和切削性[11]。選用耐磨性較好的優質碳素鋼作為圓錐芯主軸的材料[12],刀片切土過程如圖3所示。

圖3 刀片切土示意圖Fig.3 Schematic diagram of cutting soil with blade

3 仿真分析

3.1 建立仿真模型

EDEM軟件是一家英國公司開發的可用于模擬和分析散體顆粒的CAE軟件,主要應用于仿真和分析工業生產中顆粒系統的處理過程及其制造設備的生產過程。運用EDEM軟件對成穴過程進行仿真分析,仿真界面如圖4所示。

圖4 EDEM仿真界面圖Fig.4 Simulation diagram of acupoint formation

在Globals中設置仿真的名稱,定義顆粒與顆粒接觸模型,設定顆粒與幾何體之間的接觸模型為無滑動接觸模型,選擇重力加速度為9.8m/s2。為了方便計算機進行求解,將土壤顆粒全部簡化為規則的球形,主要參數設置如表1所示[13]。

表1 仿真主要參數設置Table 1 Settings of main parameters for simulation

3.2 仿真結果及分析

螺旋成穴頭仿真結果圖如圖5所示。選取轉速為560r/min的仿真結果作為分析對象,不僅能觀察到成穴頭的下行過程,還能夠得到成穴時螺旋葉片與土壤顆粒的相互作用過程,最后獲得成穴過程中接觸力的信息。由圖5可以看出:標記顏色的土壤顆粒在離心力的作用下被拋至窩穴周圍,成穴頭繼續下行窩穴逐漸形成,所制窩穴凹面平整,成穴頭工作穩定,仿真結果達到預期要求[14]。

圖5 螺旋成穴頭仿真結果圖Fig.5 Simulation results of helical acupoint

4 田間試驗

4.1 試驗地點、內容及流程

1)試驗地點為金沙縣西洛街道開化村(N:27o25′39.72″;E:106°08′3.33″海拔:1 264.62m)。待測地已于試驗前10天搶墑起壟(每行約50m,旋耕2次、起壟)。

2)試驗時間為2018年4月3日。試驗前,觀察壟體情況,選擇有代表性的植煙地,壟體表面為一壟雙行的平面,每隔40cm用石灰標記1個點,壟高30cm,壟寬150cm。土壤具有一定程度粘連,平均濕度20%且約1～2cm的土層有一定程度的板結。田間試驗情況如圖6所示。

圖6 試驗現場圖片Fig.6 Test field picture

3)試驗使用的主要儀器有小型背負式汽油機、鋼直尺、水平尺、相機、緊實度測量儀、轉速測量儀、振動測量儀、標桿及秒表等。

4)試驗內容主要包括窩徑、窩深及成穴效率。試驗流程:①啟動汽油機,試作業檢測運行是否正常;②在同一塊試驗地塊連續制作50窩穴;③做好相應的數據記錄。

4.2 試驗樣機

使用UG三維制圖軟件,根據求得的相關參數繪制螺旋成穴頭三維模型,并且加工出試驗樣機,如圖7所示。

圖7 試驗樣機Fig.7 The experimental prototype

4.3 試驗結果分析

根據穴制作機所制50個窩穴試驗數據,繪制成窩穴測量參數頻數分布直方圖,如圖8所示。

圖8 窩穴測量參數頻數分布直方圖Fig.8 Histogram of frequency distribution of measurement parameters in pit

試驗結果統計如表2所示。試驗表明:窩徑、窩深平均值能滿足移栽農藝的要求,成穴頭工作時的平穩性及窩穴合格率能夠實現設計要求。

表2 試驗結果統計Table 2 Statistics of test results

5 結論

1)具有一定培土功能的防護罩,避免了現有成穴裝置所制窩穴凹面不平整的問題。成穴頭主軸設計成圓錐芯,增加了成穴裝置工作時的穩定性,一定程度上避免了以前成穴裝置存在的不足,使得成穴合格率有大幅度提高。

2)田間試驗表明:基于螺旋升土原理設計的螺旋成穴頭,所制窩穴的平均窩徑為23.84cm,平均窩深為19.4cm,窩穴合格率為87%。以上各項指標均滿足大窩穴移栽螺旋成穴頭的設計要求。

3)下一步改進思路是把大窩穴移栽與井窖移栽結合起來,設計一種新的成穴裝置,即大窩套小窩。先用圓錐芯螺旋成穴頭制作大窩,下一步在大窩里使用井窖制作機再打一個井窖,把大窩與井窖兩種移栽方式的優點結合起來,為小苗的生長發育提供最有利的環境。