吊篮式移栽机关键部件的设计与仿真分析

徐铭辰，牛媛媛，张开飞，段　斌，郝玉伟，余泳昌

(河南农业大学 机电工程学院，郑州　450002)



吊篮式移栽机关键部件的设计与仿真分析

徐铭辰，牛媛媛，张开飞，段斌，郝玉伟，余泳昌

(河南农业大学 机电工程学院，郑州450002)

摘要：针对吊篮式移栽机在工作时稳定性差及套种模式下适应性差等问题，将槽型轨道机构运用到传统吊篮式移栽机中，设计了一种槽型轨道式新型移栽机。为验证该新型移栽机工作原理的可行性，运用Pro/E软件进行虚拟样机设计，并在ADAMS仿真软件中进行了装配模型的运动学仿真。仿真结果表明：槽型轨道式新型移栽机满足套种模式下的秧苗移栽要求。

关键词：移栽机；吊蓝式；栽植机构；ADAMS

0引言

农业在我国的经济发展过程中发挥着重要作用，伴随着农业结构的调整，我国的农业正朝着多元化的方向发展。在保证了粮食作物面积的基础上，通常采用套种模式增加经济作物的种植面积，而制约套种模式推广的关键因素就是秧苗移栽问题。现有的移栽机众多，按照栽植器的类型可以大致分为钳夹(链夹)式、吊篮式、导苗管式和挠性圆盘式几类[1-4]。钳夹(链夹)式是由仿形机构控制钳夹、链夹开合，但栽植速度比较慢，调整株距较为困难；导苗管式是由凸轮实现间歇动作，钵苗在导苗管中靠自身的重力沿导苗管滑落，但影响该移栽机栽植效果；挠性圆盘式由开盘轮、开盘叉来控制挠圆盘的开合，但栽植深度不稳定，且由于圆盘采用橡胶材料，寿命较短[5-8]。目前，采用比较多的是吊篮式移栽机；但是由于吊篮式移栽机工作时靠凸轮和弹簧共同作用控制吊篮在回转过程中的开合，因此机构较复杂，喂苗速度不能过高，株距调整不便[9-10]。

槽型轨道在机床加工中应用较多，其工作平稳准确，可靠性较高。所以，为了解决吊篮式移栽机存在的问题，本文采用槽型轨道来控制来吊篮开合，简化了结构，使移栽效果得到进一步改善。

1整机的结构及工作原理

新型吊篮式移栽机由开沟器、摇臂、吊篮、栽植盘、槽型轨道、覆土器，以及地轮等部件组成，如图1所示。其中，槽型轨道与机架固定连接，可以在安装时调整槽型轨道的位置，以确定最佳的吊篮打开角度；摇臂铰接在右栽植环上，摇臂上端与吊篮一边铰接在一起，下端在槽型轨道内滑动；左栽植环和偏心环由连杆链接，连杆分别和左栽植环及偏心环铰接。

作业时，将秧苗投入到吊篮中，随栽植器一起做圆周运动，当栽植器旋转到接近地面位置时，吊篮在槽型轨道和摇臂的组成的开启装置的控制下，迅速张开，将秧苗垂直下落在开沟器开出的苗沟中，经过覆土、压实完成定植工作；吊篮继续随栽植器旋转，并在槽型轨道的控制下缓慢地闭合，当吊篮旋转到一定的位置时完全闭合，开始下一次栽苗过程。采用这种栽植器能够提高栽植质量和直立度，减小冲击力，且机构简单、维修方便、使用寿命较长，适应高速度栽植，可提高栽植可靠性。

2槽型轨道的设计

栽植器要和槽型轨道相配合才能完成吊篮的张开和关闭动作，因此槽型轨道的设计是否合理对于移栽机的栽植效果至关重要。图2所示为槽型轨道图。

图2　槽型轨道

栽植器在工作过程中，地轮的动力通过链传动带动左、右栽植盘回转，进而带动摇臂和吊篮做圆周运动；摇臂插入槽型轨道的一段沿槽型轨道，有一个轴向的位移，从而控制吊篮的开启和关闭。因此，槽型轨道的设计参数与摇臂和吊篮的结构尺寸密切相关。吊篮结构的尺寸需要满足在移栽过程中秧苗能够以尽量小的冲击落入吊篮，随吊篮运动到接近地面时，吊篮的张开角度能够使秧苗顺利落入开沟器开出的沟中。根据设计要求，经过计算确定槽型轨道控制摇臂运动规律：当槽型轨道转角为0°～45°时，摇臂以余弦加速度运动规律轴向移动15mm，这一过程中吊篮在摇臂的轴向移动作用下逐渐张开；当槽型轨道转角45°～105°时，摇臂处于远程休止位，相对于旋转轴位置固定不变，对应秧苗从吊篮投入开沟器开出的沟中，完成秧苗的投递；当槽型轨道转角105°～150°时，摇臂以余弦加速度运动规律向轴的另一端移动15mm，吊篮在摇臂的控制下缓慢闭合，起到一定的扶苗作用；当槽型轨道转角150°～360°时，摇臂处于近程休止位置相对于旋转轴位置固定不变，吊篮始终处于闭合状态，等待来自人工或送苗机构输送的秧苗。摇臂每旋转1周完成一次接苗、送苗及投苗作业。

根据摇臂的运动规律，确定摇臂在移栽机工作过程中的位移方程。

摇臂推程位移方程为

h=15

phi1=pi/4

x=105×(pi/4)×t

y=h×(1-cos(pi×45×t/phi1))/2

z=0

摇臂远休止位移方程为

h=15

x=105×pi/4+105×(pi/3)×t

y=h

z=0

摇臂回程位移方程为

h=15

phi2=pi/4

x=105×7×pi/12+105×(pi/4)×t

y=h×(1+cos(pi×45×t/phi2))/2

z=0

摇臂近休止位移方程为

x=105×5×pi/6+105×7×pi/6×t

y=0

z=0

根据上述摇臂在移栽机工作过程中的位移方程，利用Pro/E软件进行槽型轨道的建模，绘制出槽型轨道的轨迹线和模型，如图3、图4所示。

图3　槽型轨道轨迹线

图4　槽型轨道模型

3槽型轨道的仿真分析

基于在上述槽型轨道设计的基础上，进行了在由槽型轨道控制下的吊篮的仿真分析。将Pro/E文件导入Adams中，选择吊篮质心位置Part_8.cm作为测量对象进行仿真，结果如图5所示。为了表示出相邻两个吊篮在工作过程中的空间位置关系，分别选择相邻两个吊篮的质心位Part_8.cm、Part_9.cm作为测量对象进行仿真，分别测量出相邻两个吊篮的运动轨迹，结果如图6所示。

图5　吊篮质心位移、速度、加速度曲线

图6　相邻两个吊篮位置关系图

从图5吊篮质心位置的位移和速度曲线中可以看出：当吊篮沿Y方向的运动轨迹到达-800、-2 300、-3 800mm位置时，吊篮在Y方向上的位移有一段时间保持不变，此时吊篮的质心位置沿Y方向的速度变化范围为-30～30mm/s。这段时间是吊篮整个圆周运动的最低点，吊篮带动秧苗植入土壤中，吊篮相对于地面的绝对速度很小，保证了秧苗入土时的稳定性，有利于提高秧苗的栽植效果。从图6位置曲线可以观察到：两个吊篮质心空间位置在一定时间段内保持水平不变，相对应的吊篮运动就实现了相邻两个吊篮运动过程中的秧苗移栽，保证了吊篮在整个移栽过程中的稳定性，进一步验证了移栽机在移栽过程中的可靠性。

4结论

1)对槽型轨道进行了设计，并根据摇臂的运动规律在移栽机中的位移方程，利用Pro/E软件进行槽型轨道的建模，绘制出槽型轨道的轨迹线及模型。

2)采用槽型轨道控制移栽机，结构简单、实用，能够满足套种模式下秧苗移栽的各项要求，可以提高栽植速度、降低劳动强度、提高栽植可靠性。

3)对设计出的槽型轨道运用虚拟仿真软件进行仿真，结果表明：理论上满足移栽要求。本文可为进一步研究自动化程度高、移栽性能好的移栽机提供理论依据。

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[11]陈艳霞，陈磊．ANSYS Workbench 工程应用案例精通[M]．北京：电子工业出版社,2012.

Key Institutions Design and Simulation Analysis of Nacelle Transplanter

Xu Mingchen， Niu Yuanyuan， Zhang Kaifei， Duan Bin， Hao Yuwei， Yu Yongchang

(College of Mechanical and Electrical Engineering of Henan Agricultural University，Zhengzhou 450002，China)

Abstract：Aiming at the poor stability and the problem of poor adaptability of interplanting mode etc when nacelle type transplanting machine is working，the groove type rail mechanism was applied to traditional nacelle type transplanting machine by designing a groove type rail type transplanter. In order to verify the feasibility of working principle of the model of transplanting machine , virtual prototype used Pro/E software to design virtual prototype and carried on the kinematics simulation of the assembly model in ADAMS simulation software in this paper. According to the final simulation results,the groove type rail in transplanting machine meet the seedling transplanting interplanting mode.

Key words：transplanting machine； nacelle; transplanting mechanism；ADAMS

文章编号：1003-188X(2016)02-0096-04

中图分类号：S223.94

文献标识码：A

作者简介：徐铭辰(1987-)，男，河南周口人，硕士研究生，(E-mail)xuch-1987@163.com。通讯作者：余泳昌(1955-)，男，河南杞县人，教授，博士生导师，(E-mail)hnyych@163.com。

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201303011-4)

收稿日期：2015-01-26