吊杯式移栽机成穴机构的成穴阻力试验

杨 波，董 欣，徐允飞，邵 菲，那明君

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨 150030)



吊杯式移栽机成穴机构的成穴阻力试验

杨 波，董 欣，徐允飞，邵 菲，那明君

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨 150030)

成穴机构是吊杯式移栽机的主要工作部件之一，其作业性能直接影响移栽机栽植质量、效率及成穴作业阻力。为深入研究吊杯式移栽机的成穴机构作业参数及结构参数对成穴阻力的影响规律，利用自主研制的仿形成穴机构土槽试验台架，模拟成穴机构田间作业状况进行成穴阻力正交试验，分析了成穴机构的前进速度、曲轴转速及成穴铲宽对成穴阻力的影响；利用成穴阻力试验数据，应用ANSYS Workbench 15.0对成穴铲进行有限元分析。结果表明：成穴机构的曲轴转速对成穴阻力影响最为显著；当参数组合为成穴机构的曲轴转速0.3m/s、成穴铲宽40～70mm、前进速度0.3m/s时，满足烟草钵苗移栽的成穴农艺和减低成穴阻力要求，成穴铲设计满足强度要求。试验结果可为成穴机构的优化设计提供依据。

烟草钵苗移栽；成穴机构；成穴阻力；正交试验；有限元分析

0 引言

烟草作为我国的主要经济作物，其种植已经成为很多地区农民收入和地方税收的主要部分。我国常年种烟面积在100万hm2以上，适合于机械化作业的烟田面积约为53万hm2。20世纪80年代以来，国内高校和科研院所研制出许多适用于小规模田间的烟草种植机械，如烟田松耙除茬机、烟地深松施肥起垄犁、烟田专用覆膜机和小型烟田耕作机等。近年来，研发生产了很多可以实现多种功能的烟草耕种、移栽和收获机械。研发和推广烟草移栽机对降低劳动强度、减少人工成本、提高生产效率及满足扩大烟田生产规模的需求，具有重要的应用价值[1-3]。

移栽技术可有效地提高单产和作物的品质，具有直播难以比拟的优越性及显著的节本、增产、增收效果。烟苗移栽需要完成开沟、栽烟、培土等工序，机械移栽烟苗可以做到不伤苗、不漏栽，株距均匀，烟苗直立，深度较一致，大大提高了烟苗移栽效率[4-6]。成穴是旱田移栽过程中的首要工序，也是移栽机工作时受外力最大的工作阶段，成穴机构的作业性能直接影响移栽机栽植质量、效率及其成穴阻力。因此，优化成穴机构的研究具有重要的意义[7-8]。

本文针对课题组自主研发吊杯式烟草钵苗移栽机的成穴机构，模拟田间作业状况开展成穴机构成穴阻力的正交试验研究，旨在探寻烟草钵苗移栽机的成穴机构作业参数及结构参数对成穴阻力的影响规律，确定满足成穴农艺要求和减小成穴阻力的最佳参数组合，为成穴机构的进一步优化设计提供依据[9]。

1 试验装置

1.1 成穴机构试验装置结构

成穴机构台架性能试验在东北农业大学研制的土槽试验台上进行。试验台由成穴机构试验装置、控制系统及测试系统等部分构成。控制系统主要由减速电机、伺服电机、变频器及控制柜组成。成穴机构试验装置由土槽、滑动导轨、滑动板、成穴机构及支撑架构成。其中，成穴机构由曲轴、连杆、平行杆组、成穴铲柱焊合、成穴铲及固定架等构成，如图1所示。

1.2 成穴机构工作原理

试验时，成穴机构模拟移栽机的前进运动由土槽电动机控制驱动，通过变频器调节控制伺服电机的转向及频率，带动滑动板上的成穴机构前进速度及运动方向的改变，以满足成穴机构试验装置作业参数最佳组合试验要求；成穴机构垂直于土槽方向的往复运动由减速电机驱动，减速电机的转速通过控制板上的变频器调节改变成穴机构的曲轴转速。曲轴转动[见图1(b)]经连杆、平行四杆机构、成穴铲柱带动成穴铲上、下往复运动，平行杆组限制成穴铲保持竖直状态。成穴机构向前运动期间，成穴铲先向下运动入土，然后继续向下运动，到达极限位置后再向上运动离开垄面，形成穴坑，最后再向上运动达到上极限位置，完成一次成穴周期。烟草钵苗移栽的穴坑由成穴机构前进速度与其垂直于土槽的往复运动的合成来完成。

1.链轮 2.转动曲轴 3.轴承座 4.垫板

1.曲轴 2.连杆 3.平行四杆机构

1.3 成穴阻力测试系统

成穴阻力测试系统主要由伺服电机、减速电机、变频调速器、电流互感器、BLR-1/100拉压力传感器、自主研制的智能四通道测量仪、R232-USB转换器和装有数据采集软件的PC机等组成，如图2所示。系统通过自主研发的上位机软件实现对成穴阻力参数的实时采集、在线监测、显示、记录回放及数据处理等功能；测试系统上位机软件基于LebView编程开发。

图2 前进阻力测试系统框图

2 成穴机构土槽试验

2.1 试验设计

试验中选择前进速度、成穴机构曲轴转速、成穴铲宽为试验因素，成穴铲成穴阻力为评价指标设计三因素三水平正交试验，试验水平编码表如表1所示。

表1 试验因素水平编码表

为了综合分析、评价各因素的优劣性，选择正交表L9(34)安排正交试验，安排第4列为空列。为消除误差影响，根据试验安排对每组参数组合进行试验，每组处理重复5次，成穴阻力通过测试系统在线检测，取5次成穴阻力测试结果的均值作为试验结果。试验不考虑试验因素的交互作用，试验方案设计及结果分析应用Design Expert6.0软件，分别采用极差法和方差分析法对指标进行正交分析，综合平衡法确定各因素的最佳水平。

2.2 试验结果与分析

2.2.1 成穴阻力试验结果

正交试验安排以及对应的成穴阻力试验结果如表2所示。

表2 正交试验方案及结果

续表2

2.2.2 试验结果分析

成穴机构作业时，成穴阻力为指标的正交试验极差分析与方差分析如表3、表4所示。

极差分析表明：对于试验指标成穴阻力，数值越小为越佳。通过比较每个因素的不同水平可以得出：因素A成穴机构曲轴转速较优水平为A2，因素B成穴铲宽较优水平为B1，因素C机具前进速度较优水平为C2，各因素对成穴阻力的影响主次顺序是A>B>C。通过分析确定3个因素优水平组合为A2 B1 C2，即成穴机构曲柄转速0.3m/s、成穴铲宽40mm、机具前进速度0.3m/s时，满足烟草钵苗移栽的成穴农艺要求，成穴机构成穴阻力最小。

方差分析表明：对成穴阻力影响最显著的因素是成穴机构的曲轴转速，成穴铲宽影响次之，机具前进速度的影响最小。

表3 成穴阻力极差分析

表4 成穴阻力方差分析表

曲轴转速控制成穴铲入土后，在土壤中存在持续时间，时间越长，成穴铲挤压排开的土壤体积越多，所受阻力越大，反之所受阻力越小；成穴铲宽度的不同，也会使排开土壤体积不同，造成承受阻力不一样，越宽所受阻力越大。当曲轴转速与成穴铲宽度一定时，机具前进速度较小，所成穴坑为“山崖式”，会造成一定垄长内的土壤挤压；当前进速度较大时，穴坑为“斜坡式”，穴坑虽然变长，但深度不一，土壤挤压几率变小，所以在此因素下阻力的影响小。

2.3 基于Ansys的成穴铲有限元分析

在SolidWorks中建立三维模型，通过.x_t格式导入Ansys进行分析计算[10-11]，如图3所示。

1.曲轴 2.连杆 3.平行四杆机构

默认材料为结构钢Structural Steel，选用CFD方式划分网格，设置Max Face Size为10mm，如图4所示；Ansys受力云图如图5所示。

图4 成穴铲的网格划分

图5 Ansys受力云图

由图5可知：成穴铲的最大应力为16.266 MPa，最大应力点出现在成穴铲与固定支架的连接处(即螺栓紧固处附近)及成穴铲柱下端斜边缘处；斜面的设计是为了方便螺栓紧固，避免了当成穴铲入土过深时此处与土壤作用造成的阻力加大。这是因为螺栓紧固周围为应力集中处，而铲柱下端边缘会受到成穴阻力的杠杆效应力。由成穴铲总变形图可以看出：成穴铲的最大变形量为0.133mm，最大变形发生在成穴铲板尖部与铲翼边处。通过对成穴铲的有限元分析，得到的成穴铲最大集中应力为76.916MPa，远小于材料的许用应力[σ]=157MPa，成穴铲尖及铲翼的最大变

形也极其微小。由此可知：成穴铲材料的选取和设计符合作业过程中的强度要求，工作过程安全。

3 结论

1)搭建的成穴机构试验装置的试验台架能够综合考察影响成穴阻力的各种因素，实现对烟草钵苗移栽成穴机构成穴阻力的性能试验。

2)试验分析了各因素对成穴阻力的影响，得出成穴机构的曲轴转速对成穴阻力的影响最显著。在保证满足烟苗移栽成穴农艺要求的前提下，成穴机构降低成穴阻力的最优参数组合为：成穴机构的曲轴转速36r/min，成穴铲宽40～70mm，前进速度0.3m/s。此时，成穴机构的成穴阻力为350～435N。

3)通过对成穴铲的有限元分析，得到成穴铲最大集中应力为16.266 MPa，远小于许用应力[σ] = 157 MPa，成穴铲尖及铲翼的最大变形也极其微小。成穴铲设计满足强度要求，为期进一步的优化设计提供理论依据。

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The Hole Forming Resistance Test of Cavitation Mechanism of Hanging Cup Type Transplanting Machine

Yang Bo, Dong Xin, Xu Yunfei, Shao Fei, Na Mingjun

(Engineering College，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China)

The hole forming mechanism is one of the main working components of the hanging cup type transplanting machine, and its working performance directly affects the quality and efficiency of the transplanting machine and the hole forming resistance. the operation parameters and structure parameters of cavitation mechanism of hanging cup type transplanting machine on acupoint resistance were investigated. Which using self-developed copying Cavitation mechanism of soil bin test bench, orthogonal experiment of hole forming resistance simulating the field operation condition was carried out. The forward speed of the hole forming mechanism, the rotational speed of the crank shaft and the width of the hole on the hole forming resistance were analyzed. The results show that the speed of the crank shaft of the forming mechanism has the most significant influence on the resistance of the hole. Under the conditions of crankshaft speed of 0.3m/s, spade wide of 40mm～70mm, advancing velocity of 0.3m/s, the combination of experimental factors meets the requirements of the tobacco seedling transplanting and reducing the hole forming resistance. The experimental results provide the basis for the optimization design of the hole forming mechanism.

tobacco seedling transplanting; cavitation mechanism; the hole forming resistance; orthogonal test; finite element analysis

2016-08-12

黑龙江省应用技术与开发计划项目(GC13B604)

杨 波(1992-) 男 ，山西晋城人，硕士研究生，(E-mail)yangbo5066@163.com。

董 欣(1962-)，女，吉林德惠人，教授，硕士，(E-mail)Dongxin@neau.edu.cn。

S223.92

A

1003-188X(2017)10-0194-04