自動移栽機及其關鍵部件的設計研究

馮彩霞

（山西省農業機械發展中心，山西太原 030031）

0 引言

移栽是蔬菜種植過程的重要環節。目前，我國的蔬菜生產基本依靠人工和半自動移栽機移栽。無論人工或半自動移栽，勞動強度都大，作業效率低，成本高，而且作業質量難以保證。相對人工移栽，半自動移栽可在一定程度提高勞動生產率，但移栽機仍需配置工作人員3～4名/臺。人力成本高、勞動強度大、農民年齡偏大等問題限制了蔬菜生產的發展。

國內部分科研機構和企業開始進行自動蔬菜移栽機的研制和生產，但仿造較多，沒有實質性的突破。日本、美國等農業機械大國的自動蔬菜移栽機雖然應用較多，但其結構復雜，價格昂貴，農民普遍難以接受，在國內的推廣應用難度較大，所以設計一種自動移栽機對我國蔬菜產業的發展具有較大的現實意義。旨在設計一種結構簡單、能自動取苗和放苗的自動移栽機，以期進一步解放勞動力，并為取苗機構的研制提供合理的設計參數。

1 整機機構及其工作原理

該蔬菜自動移栽機采用牽引式設計，結構緊湊。主要由機架、輸苗機構、取苗機構、鴨嘴放苗機構、地輪等組成，三維實體模型見圖1。

圖1 移栽機整體結構三維圖

工作時，將苗盤放置在移栽機尾部左右兩側的輸送帶上，啟動plc控制系統，輸苗機構開始動作，兩側輸送帶依次交替將苗盤輸送到中間的推盤上，液壓缸把苗盤推送到中間步進移位輸送帶的相對位置，苗盤以6穴為橫向，12穴為縱向。平行4連桿取苗機構靠電機驅動進行2次往復運動，進行取苗、放苗。取苗機構分左右2組，苗夾6個/組，2組苗夾錯位排列，在苗盤同一列上間隔取苗并投放到分苗漏斗中，取苗結束后，苗盤由電機控制橫向移動1格，完成了機具行走作業前的準備工作。

移栽機行走作業時，兩組吊杯—鴨嘴移栽機構獨立運行，吊杯—鴨嘴機構上配置有7個鴨嘴，通過鏈條、鏈輪傳動，與長圓形苗配置杯實現間歇配合；當苗杯移動到分苗漏斗的正下方，電機控制打開漏斗口，進行放苗，在出苗口將秧苗放入吊杯中，完成移栽。當苗盤完成6次橫向移動后，秧苗取盡，苗盤回歸原位后進行退盤（圖2）。

圖2 操作流程

2 關鍵部件設計

2.1 送苗機構設計

設計送苗裝置總體方案時，取苗機構位置相對固定。尾部兩側輸送帶交替輸送苗盤到中間步進移位輸送帶，中間步進移位輸送帶帶動苗盤橫向間歇移動6次后空苗盤被移送到收集筐內，步進移位輸送帶回原位，完成一個苗盤的作業（圖3）。

圖3 送苗機構三維圖

因為取苗機構是間歇性取苗，步進移位輸送帶需要實現橫向直線往復間歇運動，為減少結構受力，步進移位輸送帶后側下方安裝滾輪，前方安裝滑塊，以降低摩擦系數。分析后確定利用絲桿電機機構能穩定地實現往復運動。設計中選擇剛性較大、結構緊湊，有較高的轉動精度螺桿轉動、螺母移動結構。螺桿直徑25 mm，導程10。設計移栽機最快行走速度0.4 m/s，鴨嘴—吊杯輪周長約2 m，轉動1周，需要時間5 s，即絲桿推動步進移位輸送帶歸位時間必須小于5 s。

因步進電機轉速越大，力矩越小，而且轉速太大，容易丟步，設計中轉速定為5轉/s，一個苗盤歸位的橫向移動最小距離是220 mm，通過計算可得：絲桿導程度最小需要8.8 mm。查表可得導程大于8.8 mm，且適合安裝的絲桿可選直徑25 mm、導程為10 mm的絲桿機構。因步進移位輸送帶橫向勻速運行，而苗盤位置精度要求不是特別高，所以可套用以下公式：

式中，T為驅動扭矩，絲桿導程L=10 mm；Mg≈300 N（步進移位輸送帶+配件+填土苗盤最大重量不超過30 kg，這里取最大值），綜合摩擦系數取μ=0.1，給進絲桿的正效率取η=0.85，得驅動扭矩T=0.056 N*M。

2.2 苗盤推送機構

苗盤推送機構主要包含苗盤托板、感應器、液壓缸組件構成。苗盤托板、液壓缸與機架固定，感應器固定在苗盤托板底板兩側。當苗盤輸送裝置將苗盤輸送到托板上，觸動兩側感應器，判斷面盤到位。待系統接收到空苗盤的退盤信號，液壓缸開始動作，將苗盤向前推送，完成推送動作后回歸原位（圖4）。

圖4 苗盤推送機構

2.3 液壓缸的選型

液壓缸結構簡單、工作可靠，主要是將液壓能轉變為機械能，做直線往復運動，在實現往復運動時，沒有傳動間隙，不用減速裝置，而且運動平穩。因苗盤加填土的質量相對較小，設計選用的液壓缸完成推盤的動作，液壓缸的行程是主要考慮的因數。苗盤長540 mm，以苗盤落在皮帶上3/4即可完成推盤。故液壓缸的行程范圍在400～450 mm，設計中選用ROB/A 20×450的迷你液壓缸，即缸徑20 mm，行程450 mm，壓力14 Mpa。

2.4 取苗機構工作原理

取苗機構由平行四連桿機構、曲柄搖桿、苗夾、磁吸、電機以及帶輪機構等幾部分組成（圖5）。

圖5 取苗機構三維圖

以左側取苗機構為例，苗夾固定在四連桿機構的豎桿（CD）的D端上，始終保持苗夾開口向下。O1、O2、O3為鉸接固定端，O1、O2水平布置，O2、O3垂直布置，其中01ABO2構成搖桿機構、02CDO3構成平行四連桿機構。根據設計要求，O1端由電機驅動搖桿O1A做圓周運動，帶動平行四連桿的CO2桿做往復搖擺運動（圖6）。

圖6 平行四連桿運動簡圖

3 曲柄搖桿的參數設計

擺桿的作用是驅動苗夾取苗、放苗，在取苗、放苗時，應保持運動的穩定性，所以曲柄搖桿機構設計為無急回特性，對于無急回特性曲柄搖桿機構，行程速比系數中的極位夾角θ=0°，即k=1，當搖桿處于兩個極限位置時，曲柄與連桿共線（圖7）。設計要求AO1為曲柄a、AB為連桿b、BO2為搖桿c、O1O2為機架d，B點和B1點為極限位置點。其中，設計擺桿長c=100 mm，擺角ψ=120°，機架長d=335 mm。

圖7 曲柄搖桿機構運動簡圖

在△O1BO2和△O1B1O2中：

得：a2+d2=b2+c2

因B點和B1點在極限位置時，a與b共線，所以，

得：

即a=BO=86.6 mm，b=331.2 mm。

4 取苗機構的運動軌跡

已知參數：曲柄86.6 mm、連桿331.2 mm、搖桿100 mm、機架335 mm、平行四連桿機構長桿310 mm、短桿80 mm。利用歐德克連桿仿真設計軟件（Linkage）進行仿真，從仿真動作可以看出，連桿機構能夠穩定運行，不存在干涉。苗夾運行軌跡為不對稱的“弓背”型（圖8）。該問題可通過調整搖桿與平行四連桿長桿的夾角來實現苗夾的對稱動作。

圖8 苗夾運動軌跡

5 結論

本試驗設計了一種蔬菜缽苗自動移栽機，研究解決了自動移栽過程中的難點，提高了農業機械的自動化程度，有利于擴大蔬菜種植面積。自動移栽機可以提高生產效率，對今后的農機自動化研發具有一定的參考意義。