玉米钵育移栽机自动供苗装置设计及运动仿真

王海洋，张　伟,候永瑞

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆　163319)



玉米钵育移栽机自动供苗装置设计及运动仿真

王海洋，张伟,候永瑞

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆163319)

摘要：随着大农业的发展，依靠建设高标准田和使用大型农机具使玉米产量和质量都有所提高，但产能空间有限。玉米钵育移栽是提高产量的重要措施之一。针对国内半自动移栽机移栽速度慢、移栽质量差、需要大量人工，国外移栽机结构复杂、成本高的问题，设计了一种由曲柄棘轮机构带动同步带实现送苗和行星齿轮系构成的切苗机构，并建立了机构的运动学模型和优化数学模型。同时，利用MatMLab进行优化求解，当连杆长度为254.88mm、摇杆长度为165.01mm时，传动效果最好，并利用SolidWorks软件进行了仿真分析。结果表明：在电机转速为90r/min时，供苗效果最好，完整度好，切割速度快，合格率高，能够满足移栽要求。该机构稳定性好、工作可靠，为全自动玉米钵育移栽机的研制开发提供了依据。

关键词：玉米；钵育移栽；送苗机构；切苗机构 ；仿真分析

0引言

玉米是我国四大主粮之一，随着我国畜牧业和粮食加工业的迅速发展，玉米的需求量和种植面积逐年增加。据统计，2012年我国玉米播种面积3 503万hm2，比2011年的3 354万hm2扩大约149万hm2，增幅4.4%；2013年全国玉米播种面积达3 632万hm2，比2012年增幅3.7%；玉米总产量达21 848.9万t，比2011年增加产量1 287.5万t，增幅达6.3%[1]。由于粮食工业和畜牧业的快速发展，玉米的需求量也逐年增加，价格也一路水涨船高，增加了农民种植的意愿，且随着玉米种子的改良和全球气温的变暖，适于玉米种植的地带扩大，有向第四积温带扩展趋势[2]。2013/2014年度全国玉米种植面积3 707万hm2，比2012/2013年度增加65万hm2[3]。玉米的种植面积和产量直接左右全国粮食生产的大局，关系到国家粮食安全。确保国家粮食安全这是维护国家安全和稳定、促进国民经济持续、快速、健康发展的必要条件。

玉米的生产主要分为大田直播和育秧移栽。大田直播需要达到一定的气候条件，尤其是要达到生长需要的温度和水分要求。相比于大田直播，育秧移栽能够有效地防御低温冷害、避开春旱且可解决积温不足问题，使产量和经济效益较常规栽培方式分别提高40%和34%左右，并可提早成熟、防御秋霜、降低收获时籽含水率,提高玉米品质[4-5]。但移栽作业耗工费时，国外20世纪30年代就开始研制移栽机，80年代初半自动移栽机已在发达国家的农业中广泛应用；21纪初，随着栽植技术和设备的快速发展，日本等国已大量研制和使用全自动移栽机，移栽机的自动化、机械化程度很高。如意大利Checchi&Magli 公司生产的OTMA 链夹式移栽机和WOLF 吊杯式钵苗移栽机、荷兰Michigan 公司生产的Model4000 导苗管式钵苗移栽机、法国生产的UT-2 型钳夹式移栽机，日本研制的OP290 和OP2100 型白葱移栽机、CT-4S 甜菜移栽机等[6-9]。我国移栽机研制始于20世纪60年代，通过引进国外先进移栽机并消化吸收再创新，研制多种半自动小型移栽机，主要应用于蔬菜等经济作物。如黑龙江省农垦科学院研制的2Z-2型和2Z-6型链夹式移栽机、河北省唐山市农机研制的2ZB-2型钳夹式玉米移栽机、吉林工业大学研制的2ZT移栽机、新疆农科院研制的ZT-2型纸筒甜菜移栽机、黑龙江红兴隆管理局研制ZT-T2型甜菜纸筒移栽机等[9-11]。目前，钵苗移栽技术综合经济效益并不显著，其主要原因在于钵盘造价高、钵育移栽机机械化程度低，需要人工喂苗，特别是现在所使用的钵盘多数是单体钵，不能有序进行喂苗，使用塑料钵盘需要人工分苗和喂苗，增加移栽成本。为此，基于本课题组研制的纸质钵盘的基础上，依据吊篮移栽机的原理，设计的一种自动供苗机构。其中，送苗机构与切苗机构的匹配设计能使送苗机构顺利送苗和切苗机构在准确位置切下钵苗，下落钵苗垂直度好，伤苗率低，切割效率高，能够满足玉米标准垄和大垄双行种植模式移栽需要。

1结构组成与工作原理

1.1结构组成

该供苗装置主由送苗轨道、曲柄棘轮、切苗机构、传动机构及支架等组成，整体结构如图1所示。SolidWorks软件中自带链条插件，但是在建模中不显示，途中的链条只是在做仿真中才出现[12-14]。

1.锯齿式圆盘切割刀　2.钵育秧苗　3.送苗轨道

1.2工作原理

移栽作业时，由人工将纸制钵育秧苗放在送苗轨道上，作业时由地轮提供动力来源，带动曲柄棘轮机构驱动带刺的同步输送带，实现秧苗的间歇运动；另一方面依靠锥形齿轮实现横向切割所需动力来源。向前输送秧苗时，切割圆盘处于钵盘边缘运动；送苗停止后，由切割圆盘切割钵苗；切割的单钵苗再由后续钵苗推着向前运动脱离送苗轨道，落入下面栽植机构中，完成一次栽苗运动，反复连续进行。

2关键部件的设计

2.1传动系统的设计

传动系统包括送苗和切苗系统传动系。送苗系统传动系是由5根平行的可转动轴组成，切苗系统传动系由2根平行轴组成，动力来源于安装在六轴上的从动锥齿轮与安装的二轴上的主动锥齿轮垂直配合。根据图2试验台传动系统简图可知：该传动系由多个链轮、同步带轮及齿轮组成。为了简化设计步骤，减小计算量及设计加工量，第1链轮与第2链轮等大，第5链轮与第6链轮等大。

1.第1链轮　2.第2链轮　3.第3链轮

假设棘轮每次转过45°带动同步带完成一次喂苗，预定供苗速度为120株/min，轴3的转速为

(1)

主动同步带轮与从动同步带轮等大，同步带与同步带轮配合后，同步带表面到轴心的半径r=40mm，每次供给一个钵苗同步带轮转过φ，则

(2)

φ=0.199rad

n6=φ×120=23.88rad/min

由于同步带轮为等大，则

n5=n6=23.88rad/min

(3)

选择主动链轮参数z4=23，则从动齿轮z6为

z6≈14.47 ⟹z6=15

查工况系数f1(摘自GB/T 18150-2006)，f1=1.4；查主动链轮齿数系数f2(摘自GB/T 18150-2006)，f2=0.53[15]。修正功率为

pc=pf1f2=0.16×1.4×0.53=0.12(kW)

(4)

在承载能力图上选取滚子链为10A-1，链条节距为p=15.875mm(GB/T 1243)。链结数为

(5)

其中，a0为初选中心距，f3=4.965，则

调整后，选取整数为x0=60节(即比计算值大且最接近的偶数值)。链条速度为

(6)

其润滑要求给予定期手工供油润滑[16]。

由于每分钟设定供苗速度为120株，即n1=n2=120r/min锯齿形切割圆盘为对称两个安装，所以n6=60r/min，主动锥齿轮与从动锥齿轮传动比为1:2。由于z7=z8，所以n6=n7=60r/min 。

2.2送苗轨道的设计

由于机构传动系统由多个同步带轮、链轮及棘轮等组成，传动比设计主要采用由后向前推算，所应用的钵体为本课题组所研制的10连钵纸质钵盘，每次输送1个钵苗，每个钵苗长度为50mm，如图3所示。

图3　纸质钵盘物理尺寸

纸质的钵盘在培育秧苗后吸收一部分水分，且培养秧苗放入培养土发生横向膨胀，而纵向膨胀小可以不考虑。移栽使用的是德美亚系类种子，培养35天后，三叶一心到四叶一心进行移栽，秧苗高度230mm、茎粗10mm，此时纸质钵盘的宽度为38mm、高度为35mm；同时，考虑到轨道材料与纸质钵育秧苗有一定的摩擦力作用，确定轨道宽度为40mm，高度为37mm。由于移栽机械在大田中工作环境恶劣、颠簸严重，为防止钵苗从送苗轨道上跌落，设计了送苗轨道，如图4所示。

图4　送苗轨道示意图

2.3切割圆盘刀设计

由于现在所使用的纸制钵盘韧性较强，切割时易发生变形、钵盘碎散、伤苗率高，满足不了移栽要求，所以拟采用行星齿轮系；采用大齿轮带动小齿轮配合，使切割刀片高速旋转，从而使该机构能实现横纵向同时切割(滑切)。锯齿切割圆盘如图5所示。

1.主动齿轮　2.驱动轴　3.从动轮系

切割装置为行星齿轮系，切割刀臂轴线与钵盘中心线共线，当钵盘外侧两个边线被切断时，可以求得所需切割圆盘刀最小半径，两点同时被切下时可以求得圆盘刀的最小直径，即图中黑色三角形斜边，则

考虑到配合中的误差，选取整数70mm。

2.4曲柄棘轮设计

2.4.1棘轮的设计

选用单动式棘轮机[17-19]构棘轮每次转过的角度ψ为

(7)

式中z—棘轮的齿数；

k—棘爪一次推过的齿数。

由设计要求可知棘轮每次转过角度ψ=45°，棘爪推过1个齿，求得

按照强度要求，确定模数为4，可以求出棘轮设计参数为

(8)

其中，m为模数；da为顶圆直径；h为齿高；df为齿根圆直径；h1为棘爪高度；a1为棘爪底长度；p为齿间距；L为棘爪长度；θ为齿槽夹角。

计算出棘轮的主要尺寸后，棘轮结构如图6所示。

图6　棘轮结构简图

根据D和h先画出齿顶圆和齿根圆；按照齿数等分齿顶圆，得到A，C ，…等点，并由任一等分点A作弦AB=a=m ；由B到第2等分点C作弦BC；自B、C点分别作角度∠OBC=∠OCB=90°-θ；以O为圆心、OB为半径，画圆交齿根圆于E点，连CE得齿轮工作面，连BE得全部齿形。

2.4.2曲柄摇杆的设计

利用SolidWorks软件辅助设计曲柄棘轮机构，采用SolidWorks设计曲柄摇杆机构。已知行程速比系数K，摇杆的长度及其摆角ψ，根据给定的行程速比系数K，可以计算出极位夹角θ为

(9)

任选一点为固定铰链点D,选择长度比例尺μL，根据摆角ψ(为了使棘轮能够顺利进入齿槽中，应使得摆角大于棘轮转过角度，这里选择摆角为47°)作摇杆的两个极限位置C1D和C2D，如图7所示。

图7　曲柄摇杆设计示意图

连接直线C1C2，过C2点作C1C2的垂线C2M，并作∠C2C1N=90°-θ，C1N与C2M交于点P，所得∠C1PC2=θ。

作ΔC1PC2的外接圆，在此圆周上任取一点A作为曲柄的固定铰接中心，分别连接AC1和AC2，则∠C1AC2=∠C1PC2=θ。因为点A的位置是在圆周上任取，故有无穷多解，设曲柄和摆杆的回转中心水平，则可确定曲柄的位置。

当点A的位置确定后，可根据摇杆在极限位置时曲柄和连杆共线的原理，连接AC1和AC2，得

lAC2=lBC+lABlAC1=lBC-lAB

(10)

其中，lAB和lBC分别为曲柄和连杆的长度。以上两式相减和相加后得

连线AD的长度，即为机架的长度lAD。

通常设计单位为mm， 所以精度为小数点后3位的设计结果应完全满足于工程实际需要。若使用解析法进行设计， 其结果也会有一定的精度和偏差。如果有明确的要求，在SolidWorks 中可调整精度，最高设置为小数点后8 位。

3关键部件的优化设计

设计时，该机构中曲柄、连杆、摆杆、机架的长度分别为l1、l2、l3和l4，初始位置角度为φ0。取曲柄长度为l1=1，机架的长度为l4=4。决定机构部分杆长尺寸l2、l3，以及摇杆按照已知运动规律开始运动时曲柄所处的位置角φ0应该列为设计变量[20]，则有

(11)

其他两个杆的长度分别为曲柄长度的倍数。设曲柄和摇杆的初始角φ0和φ0分别为

(12)

(13)

3.1确定约束条件

曲柄摇杆机构应满足曲柄存在的条件为

(14)

(15)

(16)

当曲柄[π,2π]如图8所示区间上运动时，相应约束条件为

图8　最小传动角示意图

3.2目标函数的建立

目标函数可根据已知的运动规律和机构实际运动规律之间的偏差最小作为指标来建立，即取机构的期望输出角ψ=f0(φ0)和实际输出角ψi=fi(φ0)的平方误差积分最小作为目标函数，则

式中ψEi—期望输出角，ψEi=ψE(φi)；

m—输入角的等分数；

ψi—实际输出角。

由图9可知αi、βi、ρi满足如下关系，即

其中，l1、l2、l3、l4、ρi分别对应杆长；φi为杆AB与AD的夹角；αi为杆BD与杆CD的夹角；βi为杆AD与杆BD的夹角；ψi为杆AD与杆CD的夹角。

图9　摇杆实际输出角

3.3运用MatLab优化计算程序计算得到最优解

曲柄摇杆机构中，曲柄长度50mm，机架的长度200mm，曲柄转速120r/min，经利用MatLab优化计算[21-23]，连杆机构实现函数优化设计最优解为：连杆相对长度l2=5.0976，摇杆相对长度l3=3.3002，输出角平方误差之和f*=0.0076。最优点的性能约束函数值为：最小BCD夹角约束函数值g1*=-7.1214，最大BCD夹角约束函数值g2*=-0.0000。即曲柄的长度为50mm，连杆的长度为254.88mm，摆杆的长度为165.01mm。

利用SolidWorks软件对曲柄摇杆机构进行仿真分析验证，将建立的模型利用SolidWorks软件自带的SolidWorks motion功能分析，如图10所示。添加旋转马达120r/min，在Motion Mannager工具栏上单击“运动算例属性”按钮，将每分钟帧数设为100，在3D接触分辨率下选择使用精度接触。摇杆角位移如图11所示。从图11中可以看出：摆杆的摆动角度为47°，满足设计要求。

图10　迭代拟合图

4仿真分析与结果分析

通过仿真分析确定电机最佳转速，确定供苗的最佳速度，电机转速变化范围在60～120r/min。所得试验结果如图12所示。

图11　摇杆角位移

图12　电机转速—钵苗进给量

由图12可以看出：在电机转速大于100r/min时，钵苗进给量明显大于50mm，造成切钵不完整、伤苗率高的现象，满足不了移栽要求；当电机转速在80～100r/min之间时，电机转速对钵苗进给量影响不大。综合考虑，选择电机转速为90r/min。

图13所示为电机转速为90r/min时仿真切割钵苗的效果图。由图13可以看出：切割合格率高。

图13　仿真结果

5结论

1)利用MatLab软件对该供苗装置关键部件中的曲柄摇杆机构进行优化，结果表明：当曲柄摇杆机构中的连杆长度为254.88mm、摆杆的长度为165.01mm时，能达到最好的供苗效果，从而为后续样机的加工试验提供了理论依据。

2)利用SolidWorks软件对模型进行仿真分析得知：在电机转速为90r/min时，供苗效果最好，但与最初设定的供苗速度有一定差距。原图是由于机构间歇供苗，速度变量大，动量突然变化惯性对其有一定的影响，应将同步输送带进行处理，增加钵苗与输送带之间的摩擦力。

参考文献：

[1]国家统计局.中华人民共和国国家统计局年度数据，玉米播种面积及玉米产量年度数据[EB/OL].[2015-07-02].http://data.stats.gov.cn/easyquery.htm?cn=C01.

[2]季太明，杨明，纪仰慧，等.黑龙江省近45年积温变化及积温带的演变趋势[J].中国农业气象，2009,30(2)：133-137.

[3]魏斌,高笑天.2012/2013年度玉米市场分析及2013/2014年度展望[J].农业展望，2013(8):11-14.

[4]L.J.Kutz.Robotic transplanting of bedding plants [J].Transactions of the ASAE，1987,30(3)：586-590.

[5]陈风，陈永成，王维新. 旱地移栽机现状和发展趋势[J].农机化研究，2005(3)：24-26.

[6]方宪法.我国旱地移栽机械技术现状及发展趋势[J].农业机械，2010(1)：35-36.

[7]于修刚,袁文胜,吴崇友,等.我国油菜移栽机研发现状与链夹式移栽机的改进[J].农机化研究,2011,33(1):232-234.

[8]金城谦,吴崇友,袁文胜.链夹式移栽机栽植作业质量影响因素分析[J].农业机械学报, 2008,39(9):196-198.

[9]叶秉良，刘安，俞高红，等. 蔬菜钵苗移栽机取苗机构人机交互参数优化与试验[J].农业机械学报，2013(02):57-62.

[10]韩豹.水稻营养钵育苗全自动移栽机的设计[J].东北农业大学学报，2003,34(3)：275-278.

[11]张晋西，蔡维，谭芬.Solidworks Motion 机械运动仿真实例教程[M]. 北京：清华大学出版社，2013：59-63.

[12]姚建娣，谢龙汉，杜如虚. SolidWorks 2010三维设计及制图[M]. 北京：清华大学出版社，2011：59-63.

[13]白荣宏.SolidWorks数控编程[M].北京:人民邮电出版社,2006.

[14]常德功，樊智敏，姚兆明，等.带传动和链传动设计手册[K].北京:化学工业出版社,2010.

[15]徐灏，邱宣怀，蔡春源，等.机械设计手册(12卷)[K].北京：机械工业出版社,1998.

[16]王文良，李安生，唐维纲,等.棘轮机构的参数设计[J].棘轮传动，2010,12(34):27-29.

[17]田佩林.齿式棘轮机构运动精度分析计算[J].广西机械，2002(2)：34-38.

[18]钱力.沈晓滨.王良文.李安生,等.自动机械中槽轮-凸轮组合机构的计算机辅助设计[J].机械传动，2010(10)：89-94.

[19]刘志刚.基于MATALAB的曲柄摇杆机构优化分析[J].食品与机械，2014,30(3):40-45.

[20]汲文峰，吴启明，黄海东，等.基于振动机理的藜蒿扦插机分苗机构设计与试验[J].农业工程学报，2015(1):21-27.

[21]苏金明，刘同.MatLab高级编程[M].北京:电子工业出版社,2005.

[22]苏金明,阮沈勇,王永利,等.MATLAB工程数学[M].北京:电子工业出版社,2005.

Abstract ID:1003-188X(2016)06-0143-EA

The Design and Motion Simulation of the Corn Pot Seedling Machines

Wang Haiyang，Zhang wei ,Hou Yongrui

(Heilongjiang Bayi Agricultural university Faculty of Engineering, Daqing 163319, China)

Abstract：With the development of agriculture and the help of high standard of the farmland and use of large agricultural implements, the quality and output of corns have improving, but the ability is limited. In order to solve the problem, pot seedling is used. Semi-automatic seedling machines’ low speed, bad quality and high cost made it unpopular. Cutting seeders with the help of crank ratchet driving seeders and planetary gear is designed based on the paper seedling tray made by Heilongjiang Bayi Agricultural University. The equation of mechanisms’ kinematics and optimized parameter was found.The MATLAB showed the optimized result is that the length of linkage and rocker is 254.88mm and 165.01mm,which works well. The result of SolidWorks Motions showed that the works and seedling tray is well, the speed of cutting seedling tray and percent of pass is high at the speed of 90r/min, which meets the agronomic requirements. The mechanisms provide the basis of design of fully automated corn pot seedling machines.

Key words：corn; pot seedling; seedling feeder; cutting seeders; motion simulation

文章编号：1003-188X(2016)06-0143-06

中图分类号：S223.92

文献标识码：A

作者简介：王海洋(1990-)，男，黑龙江兰西人，硕士研究生,(E-mail)wanghaiyang5188@163.com。通讯作者：张伟(1966-)，男，辽宁大连人，教授，博士生导师,(E-mail)zhang66wei@126.com。

基金项目：黑龙江省高校创新团队建设计划项目(2014TD010)

收稿日期：2015-07-22