烟草小苗井窖式移栽机设计及液压系统仿真分析

(1.河南省烟草公司 许昌市公司， 河南 许昌 461000；2.许昌职业技术学院， 河南 许昌 461000)

引言

小苗移栽优点很多，比如在促进烟苗根系早生快发，增强烟草抗旱能力，提高肥料的利用率，增强烟株抗病性，减少感病几率和病虫害发生率方面效果显著，逐渐得到了重视和推广[1-2]。烟草小苗移栽主要流程是人工挖出井窖式苗穴，把适龄烟苗垂直栽入预先完成的井窖苗穴中，再进行浇水，覆膜后形成微型温室，使烟苗在微型温室的井窖中生长，待烟苗长到一定高度时，再在地膜上打孔，防止高温灼伤烟苗,所以也称为小苗井窖式移栽[3]。相比漂浮育苗常规移栽， 该移栽方式的优点是利用井窖式苗穴营造了适宜的土壤温度、湿度环境，增强了烟苗适应能力，促进了烟苗的早期生长[4-5]。井窖式移栽新农艺实现了烟草小苗的适期早栽，深栽培土问题，有效解决了烤烟最佳移栽时间与壮苗不同步的问题。

小苗井窖式移栽的问题是没有与该技术配套的机械化移栽设备，井窖式移栽主要靠人工或半机械化作业，无法实现烟草的真正机械化井窖式移栽，由于人工成本较高，实现减工降本目标任务非常艰巨，目前国内现有烟草井窖式移栽设备主要为打穴机，先采用打穴机挖穴，然后人工投苗、浇水、移栽[6]，人力劳动强度大，机械化程度低，制作出的井窖质量差，间距不均匀，难以满足烟苗移栽的农艺要求和用户需求。

本研究根据烟草小苗移栽的特点和烟草常规多连杆鸭嘴式移栽机，进行了思路创新，在常规鸭嘴式移栽机的基础上，制作了能够实现小苗机械化挖穴、投苗和浇水等作业的移栽装置，增加了液压传动系统，扩展了常规鸭嘴式移栽机使用功能，完成了小苗移栽的机械化难点。

1 烟草小苗井窖式移栽机的主要结构和工作原理

烟草小苗井窖式移栽机的主要结构有常规鸭嘴式移栽机、螺旋钻头、以及液压传动系统，如图1所示。作业液压传动系统包括两个部分，一是控制井窖式作业机构的升降的系统，主要零部件包括液压泵、多路阀、液压缸和油管等；二是控制螺旋钻头旋转作业的系统，主要零部件包括液压泵、多路阀、液压马达和油管等。烟草小苗井窖式移栽作业机构如图2所示，主要包括螺旋钻头、液压马达、连接杆和鸭嘴投苗器。

1.鸭嘴式移栽机 2.螺旋钻头 3.鸭嘴投苗器图1 烟草小苗井窖式移栽机

烟草小苗井窖移栽主要工作原理是先在烟垄上打出深度大于200 mm的深孔(井窖)，通过螺旋刀片把挖出的土壤堆放在井窖口四周，鸭嘴式投苗器在行进到井窖苗穴上方时，把烟苗栽入井窖苗穴内，稍后通过鸭嘴内的浇水装置向井窖苗穴内浇下一定量的水。作业时由1人驾驶，1人投苗，依次完成井窖制作、移栽、浇水等农艺过程，操作简单。

1.螺旋钻头 2.液压马达 3.连接杆 4.鸭嘴投苗器图2 烟草小苗井窖式移栽作业机构图

2 液压传动系统结构

利用液压系统体积小、响应快和布局灵活等优点[7]，烟草小苗井窖式移栽机构的传动使用液压系统，实现了发动机到作业部件的动力输出。烟草小苗井窖式移栽机作业液压系统主要分为两路，一路是井窖式作业机构的升降传动系统，主要控制该结构的上下移动，以适应不同高低垄体的烟垄。另一路是制作井窖式苗穴的传动系统，主要空控制螺旋钻头的旋转运动，制作出符合农艺要求的井窖式苗穴。

2.1 升降液压回路

升降液压回路的工作对象主要是小苗井窖式移栽作业机构。由于不同地区，烟垄垄体高低尺寸有差异。在移栽机工作前，按照烟垄垄体的高低，调整小苗井窖式作业结构上下位置，满足垄体高度不同的烟垄作业。移栽机停止工作后，小苗井窖式移栽作业机构在回路作用下，提升到初始位置。

升降液压回路结构如图3所示，其主要工作过程是，发动机动力输出到液压泵2，液压泵开始工作对液压回路进行供油，经过滤油器1过滤，通过三位四通阀3控制液压回路开启、关闭和供油方向，液压油通过三位四通阀进入液压缸，控制液压缸4伸缩，达到控制小苗井窖式作业机构的升降目的，溢流阀5为了保护液压回路正常工作压强。

1.油液过滤器 2.液压泵 3.三位四通阀 4.升降液压缸 5.溢流阀图3 井窖式作业机构升降液压回路原理图

2.2 挖穴液压回路

挖穴液压回路的工作对象是螺旋钻头。小苗井窖式移栽作业机构按照烟垄垄体调整好位置后，工作时，螺旋钻头高速旋转，上下运动完成井窖式苗穴的挖穴作业。移栽时，开始工作螺旋钻头的达到工作转速时间尽量要快。

井窖式苗穴挖穴液压回路结构如图4所示，其主要工作过程是，发动机动力输出到液压泵2，液压泵开始工作对液压回路进行供油，通过三位四通3阀控制液压回路开启、关闭和供油方向，液压油通过三位四通阀进入液压马达，控制液压马达4旋转工作，达到控制螺旋钻头旋转作业制作井窖式苗穴，溢流阀5为了保护液压回路正常工作压强。

1.油液过滤器 2.液压泵 3.三位四通阀 4.液压马达 5.溢流阀图4 螺旋钻头工作液压回路原理图

3 液压系统的建模

利用AMESim对液压回路进行分析，可以直观的看到液压系统中的流量和转速变化[7]。本研究为了验证烟草小苗井窖式移栽机液压传动系统的可行性，利用AMESim对烟草小苗井窖式移栽机的两路液压系统进行了建模仿真分析，并对其工作情况进行了总结。

根据烟草小苗井窖式移栽机的液压系统工作原理，在AMESim分析软件中建立了液压模型，液压系统建模如图5所示。其中，左侧模型图为升降液压系统，右侧模型图为挖穴液压回路。

两路液压系统的主要参数如表1和表2所示。

4 仿真结果

利用AMESim的仿真运行模式，开始运行后，烟草小苗井窖式移栽机液压模型进行仿真运行。通过设定运行时间和频率，以获得控制井窖式移栽机构升降的工作曲线图和控制螺旋钻头挖穴的工作曲线图。

图5 液压系统模型

表1 升降液压回路主要参数

表2 挖穴液压回路主要参数

本次仿真主要目的是烟草小苗井窖式移栽机准备工作和工作过程中，升降机构的升降控制和螺旋钻头旋转控制工作情况。仿真结束后，升降机构液压缸位移曲线图和液压马达转速曲线图，控制信号曲线图以及挖穴机构速度上升曲线，如图6～图8所示。

图6 烟草小苗移栽机升降机构工作曲线图

图7 烟草小苗移栽机挖穴机构工作曲线图

图8 烟草小苗移栽机挖穴机构速度上升曲线图

5 仿真分析

从图6可以看出，升降液压缸驱动井窖式移栽机构升降情况，完全按照所设定信号进行工作：0～5 s，信号为0，液压回路准备工作；5～25 s，液压缸驱动工作机构完成了上升过程；25～30 s，信号为0，三位四通阀关闭油路，井窖式移栽机构停留在预升位置；30～35 s液压缸驱动工作机构完成阶段下降过程并停止预降位置，随后井窖式移栽机构阶段下降，回到最初位置。液压回路工作过程中，通过曲线可以看出工作过程很平顺。从仿真结果可以看出，该液压回路能够实现井窖式移栽机构的正常升降工作，能够根据不同垄体高低调整井窖式移栽机构的上下位置，满足设计要求。

从图7可以看出，液压马达驱动螺旋钻头旋转工作，按照所设定信号进行工作：0～5 s，信号为0,液压回路准备工作；5～15 s，液压马达驱动螺旋钻头正常旋转工作，模拟井窖式苗穴制作；15～20 s，液压马达停止工作，螺旋钻头停止作业；20～30 s螺旋钻头反向旋转。从仿真结果可以看出，该液压回路控制螺旋钻头速度比较稳定，满足设计要求。

从图8中可以看出螺旋钻头速度上升时间在第5 s 和第7.5 s之间，加速时间为2.5 s。速度上升比较快，方便于小苗井窖式移栽机在不同烟垄之间转弯换行作业。从仿真曲线可以看出速度响应比较快，可以满足烟草小苗井窖式移栽机的快速转场作业。

6 结论

本研究利用AMESim对烟草小苗井窖式移栽机构的液压回路进行了建模仿真分析。通过仿真的到了关键机构的工作情况，直观的看出了液压回路的性能特点,为今后小苗井窖式移栽相关设计提供了参考。