烤煙井窖式移栽覆膜插孔機的設計

牟窈佳，杜怡霖，李玉龍，王鴻虎，候天龍，楊啟志

（江蘇大學 農業工程學院，江蘇 鎮江 212013）

烤煙在我國很多農村地區均有種植，是我國重要的經濟作物之一，對改善農村經濟，發展現代化農業有著十分重要的意義。移栽是煙草產煙的重要環節，不僅影響煙草品系的生長發育，而且極大地影響了其品質和產量[1]。目前國內烤煙種植主要采用漂盤育苗井窖式移栽，這種移栽方式基本上是人工操作，勞動強度高。同時，這種移栽方式對移栽過程中的雨水和溫度的要求非常嚴格，極其依賴當地氣候環境[2]。因此，改進和創新烤煙移栽方式可有效改善煙葉的產質量，降低人力成本，提高工作效率，是目前急需解決的問題。井窖式移栽技術是在覆膜栽培的基礎上發展起來的一種新的烤煙移栽技術，能有效縮短煙苗的育苗時間和還苗期，促進煙苗早生快發，保證及時移栽[3-4]；該技術還能提高煙草植株抗逆性，降低病蟲害發生率，降低生產成本，提高生產質量及效率，已成為現代煙草農業可持續發展的重要技術[5]。目前，國內外學者對井窖式插孔機已進行了相關研究。在國外，美國Kennco 農機生產公司研制的半自動膜上打穴移栽機[6]，可以實現單行或者多行的膜上移栽和打孔作業,且能根據生產實際調節植物的注水量，但該產品移栽速度慢，自動化程度較低。日本久保田公司研發的一種全自動鴨嘴式膜上移栽打孔機[7]，作業時可實現多行移栽，移栽株距可調，但該機結構復雜，成本高。同時，吉林工業大學機械科學與工程學院對導苗管這種機構進行了研究[8]，找出了影響移栽機性能的因素，為移栽打孔機械的設計提供了數據與科學依據。然而，我國井窖式移栽目前主要依賴于人工和半機械化工作。目前，國內現有煙草井窖式移栽設備主要為打穴機，先采用打穴機挖穴，后人工投苗、澆水、移栽[9]，人力勞動強度大，機械化程度低，制作出的井窖質量差，間距不均勻，難以滿足煙苗移栽的農藝要求和用戶需求。

針對上述問題，本文設計了一種烤煙種植打孔機械，通過對主體雙機架結構以及各部分受力情況的研究，可實現自動井窖打孔功能，在烤煙自動移栽技術領域有較好的應用前景。

1 烤煙井窖式移栽覆膜插孔機總體方案設計

1.1 烤煙井窖式移栽覆膜插孔機設計要求

總體方案設計作業部分參數見表1。

表1 部分作業參數Tab.1 The partial operation parameter

1.2 整機方案

烤煙井窖式移栽覆膜插孔機整體結構，見圖1。雙支架插孔機主要由固定支架和可動支架組成，固定支架連接拖拉機和可動支架，主要由可動支架的起落來完成，動力輸出部分由液壓缸來完成插孔，工作時，液壓缸缸體連接固定在固定支架上，活塞桿連接固定在可動支架上面帶動支架完成可動機架的起落，插孔筒清土機械主要設計成活塞清土裝置，動力由液壓缸來提供。

圖1 烤煙井窖式移栽覆膜插孔機整體結構Fig.1 The overall structure diagram of the flue-cured tobacco pit-type transplanter covered with plastic film

1.3 烤煙井窖式移栽覆膜插孔機工作原理

插孔裝置位于可動機架，起插孔、清土作用。該裝置由液壓缸提供動力，各部件裝配位置，見圖2。

圖2 打孔裝置Fig.2 The punching device

在打孔過程中，拖拉機帶動整機向前運動，到達指定位置后，插孔器由主動液壓缸帶動，向下運動，插入土壤后拔出，完成插孔工作。同時，清土器由活塞液壓缸提供動力，在插孔器拔出后以活塞推桿作為實施零件，從插孔器中空部位穿出，以此推出插孔器內存土壤，完成清土工作。

2 關鍵部件的設計與分析

2.1 插孔器的設計

2.1.1 設計要求

強度要求：插孔器是整個機器中接觸環境最惡劣的一個部件，其受力較為復雜，必須保證其有足夠的剛度。

質量要求：在設計插孔器時選擇圓鋼以減輕起質量。

剛度要求：應保證插孔器在復雜的受力情況下能有足夠的扭轉強度和彎曲強度。

耐腐蝕性：因為其要直接接觸土壤，所以選用合金鋼鋼管以增強其耐腐蝕性。

2.1.2 設計思路

插孔器選擇30 mm 圓鋼，避免因將圓鋼直接焊接于可動支架上使插孔器受熱而損壞，需設計一卡盤零件將插孔器單獨連接于可動支架上。同時設計一個推土零件，與插孔器配合完成插孔后清土工作。

2.2 可動機架的設計

2.2.1 設計要求

強度要求：插孔機工作環境惡劣，地面多為凹凸不平，因此，主要起插孔作用的可動機架受力復雜，同時還受到固定機架和拖拉機施加的力，必須保證其有足夠的強度。

質量要求：機架的質量影響到液壓缸的選擇及與其連接的固定機架，因此，可動機架需結構簡單，質量小巧。

剛度要求：插孔機在復雜的受力情況下，需要足夠的扭轉強度和彎曲強度，以確保插孔機的平穩性。

2.2.2 設計思路

烤煙井窖式移栽覆膜插孔機采用了雙機架思路，可動機架的橫縱梁采用方鋼，且通過焊接連接，減輕了機體質量，也保證了底盤的強度和剛度。可動機架上面連接液壓缸的部位選擇2 mm 鋼板，主機架與與液壓缸承重板之間用承受柱中間套螺栓柱連接起來，減輕了質量也保證了液壓缸承載部分有足夠的強度剛度。液壓缸主架橫縱梁用焊接的方法連接起來。主動液壓缸活塞桿連接在可動機架上，活塞桿和主動機架通過活塞板來連接在一起。并且在可動機架和固定機架上面連接直線導軌約束其直線運動，其導軌部分連接在可動機架上面，直線滑塊連接在固定機架上面。

2.3 株距可調設計

2.3.1 設計要求

在烤煙井窖式移栽覆膜插孔機中，所需要的株距規定在500～600 mm 間距可調，這就要使得插孔器在可動機架上面可以左右移動，

2.3.2 設計思路

活塞推桿間距可調：活塞推桿間距可調可以通過活塞推板上面縱向開孔來實現，然后由螺母連接固定在推桿上面。結構圖，見圖4。

圖3 烤煙井窖式移栽覆膜插孔機可動機架Fig.3 Flue-cured tobacco pit-type transplant covered with plastic film socket machine movable frame

圖4 插孔機活塞推桿可調結構圖Fig.4 The piston push rod adjustable structure diagram of jack machine

插孔器間距可調：插孔器間距可調可以通過可動機架上面開縱向U 型孔來實現，由插孔器固定零件來實現插孔器在可動機架上面的固定。結構圖，見圖5。

圖5 插孔器間距可調結構圖Fig.5 The adjustable jack spacing

3 關鍵零部件受力的ANSYS仿真分析

由于零件活塞推板要滿足必要的強度分析，對其進行有限元分析，機架的材料選用的是Q235，其抗拉強度為375～460 MPa，彈性模量E=200 GPa，泊松比μ為0.25～0.33，正常情況下取0.33。

3.1 活塞推板ANSYS分析

活塞推板的中間受力為：

如圖6、圖7 分別為活塞推板應力分析圖，活塞推板應變分析圖。

圖6 活塞推板應力分析圖Fig.6 The piston pusher stress analysis

圖7 活塞推板應變分析圖Fig.7 The piston pusher strain analysis

經ANSYS 軟件力學分析得：活塞推板的最大應力為224.13 Pa，最大形變3.87×10-3mm。活塞推板的最大形變發生在推板兩條側條上，完全滿足性能要求。

3.2 主動液壓缸承受板ANSYS分析

主動液壓缸承受板的受力為：

如圖8、圖9 分別為主動液壓缸承受板應力分析圖，主動液壓缸承受板應變分析圖。

圖8 主動液壓缸承受板應力分析圖Fig.8 The stress analysis diagram of active hydraulic cylinder bearing plate

圖9 主動液壓缸承受板應變分析圖Fig.9 The strain analysis diagram of active hydraulic cylinder bearing plate

經ANSYS軟件力學分析得出：主動液壓缸承受板的最大應力13.0 MPa，最大形變3.87×10-3mm。主動液壓缸承受板的最大形變發生在支撐橫梁中間上，完全滿足性能要求。

4 結語

本文通過設計了一種烤煙井窖式移栽覆膜插孔機，提出一種全新的雙機架結構，它由可動機架和固定機架組成，通過雙機架懸掛式設計完成可動機架和固定機架的配合，活塞清土部件和可動機架的配合，實現插孔機的插孔工作。為滿足不同株距要求，根據孔間距的不同，在可動機架上面合理地設計了U 型調節株距裝置，可以靈活地調節株距；對活塞推板、主動液壓缸活塞板等關鍵部件進行了ANSYS 仿真分析，生成各部分應力應變分析圖，分析結果未出現強度剛度不足等問題，滿足所設計要求；本文對烤煙移栽插孔機的研究，可減輕西南丘陵地區山地多、作業條件差等因素對插孔機作業的影響，提高作業效率，降低人工勞動強度，對現代煙草農業的可持續發展具有重要作用。