新型蔗苗移栽机的设计与研究

2022-05-02韩绿化马国鑫

农业装备技术 2022年2期

高峰，韩绿化，马国鑫

（江苏大学农业工程学院，江苏镇江 212016）

0 引言

甘蔗为禾本科甘蔗属多年生草本植物，是我国轻工业和第三产业不可或缺的重要资源[1]。甘蔗富含糖分和水分，其中蔗糖占比13%～14%，而且富含对人体健康有益的各种微量元素与维生素[2]。目前我国广东、广西等地区甘蔗种植总面积达上千万亩，是排在巴西、古巴之后种植面积第三的国家[3]。

人工种植是广东等地区蔗农种植甘蔗的主要途径，蔗农栽植甘蔗期间，需要大量劳动力，完成甘蔗栽植所需的时间较长，受我国国情的影响，甘蔗种植过程机械化综合水平不足50%[4]。

随着育苗移栽技术不断地应用到农业生产中，蔗苗移栽可以提高甘蔗产量、提早甘蔗成熟期，蔗苗移栽比直接播种节省蔗种20%~30%[1]，但荷兰、日本等国研制的移栽机多数用于黄瓜、番茄等收益高的经济作物[5]，这些移栽机的关键部件并不适用于蔗苗移栽。基于以上分析，设计满足蔗苗移栽的移栽机械具有重大意义。

1 蔗苗移栽机整机布局及其工作原理

1.1 蔗苗移栽机整机布局

蔗苗移栽机整机布局如图1 所示，移栽机机架、分苗装置、栽植装置、开沟器等为蔗苗移栽机的重要组成部件。移栽机有三个栽植装置，与拖拉机连接的三点悬挂装置焊接在机架的管型材上，通过螺栓将开沟器安装在机架前部下方，通过调节开沟宽度调节板的安装位置实现开沟器开沟宽度的调节；栽植装置通过螺栓连接安装在机架下方，通过调节栽植装置与机架下方连接块的安装位置，实现栽植行距的可调性；地轮与机架螺栓连接，地轮与地轮之间通过六角方轴与联轴器连接，防止出现因地轮打滑导致传动比不稳定，地轮在本设计中不仅为移栽机关键部件提供驱动力，而且地轮为限深轮，可通过调节轮与垄面的高度实现开沟深度的调节；分苗装置安装在机架后方的支撑管上，且分苗杯的开口位置位于栽植装置栽植空间的正上方；座椅安装在机架上，操作人员面对分苗装置，操作人员可随时进行作业，同时可以避免吸入因开沟作业引起的尘土；苗盘与机架上的苗盘支撑架焊接，保证苗盘的稳定性。

图1 蔗苗移栽机整机布局

1.2 工作原理

蔗苗移栽机工作原理流程图如图2 所示，地轮为分苗装置和栽植装置提供动力，地轮的转动带动安装在地轮上的链轮，通过链传动将动力输送至地轮的输出轴上，地轮输出轴将扭矩通过输出轴上的链传动传递至栽植装置与分苗装置的输入轴上，然后将动力输送至栽植装置与分苗装置。此外，地轮不但作为分苗装置和栽植装置动力源，而且移栽机的开沟深度可以通过调节地轮和垄面间的高度；本机装有三个栽植装置，调节栽植装置与机架间的安装位置可以调节行距。拖拉机通过三点悬挂系统与移栽机连接，作业前，操作人员结合种植区域蔗苗移栽要求调整移栽机的株距、开沟深度以及开沟宽度。

图2 蔗苗移栽机工作原理流程图

2 移栽机机架方案设计及静力学分析

2.1 移栽机机架方案设计

合理布置移栽机每个部件的位置，使其能够稳定的安装在移栽机上，图3 为设计的移栽机机架结构示意图。

图3 移栽机机架结构示意图

移栽机机架主要采用焊接工艺。使用一根长3 070 mm 的100 mm 方管、四根长度为100 mm 的60 mm 方管以及两块侧板焊接组成机架基本框架；为了增加基本框架的强度，基本框架方管间均焊接小型方管；基本框架前后横梁方管通过三根纵梁方管焊接连接，不仅可以增加机架的强度，而且可用于栽植装置与机架的连接；在前横梁方管上方焊接有三点悬挂装置，用于连接拖拉机；后横梁方管一、二、三上均焊接座椅支撑方管、分苗装置支撑方管以及苗架支撑方管，用于安装座椅、分苗装置以及苗架，可根据座椅和人、分苗装置以及苗架的质量选择不同类型的方管；基本框架的两个侧板下方焊接有轴承座安装架。机架使用不同厚度的方管进行焊接，达到了预期目的，使移栽机的安装简单、结构紧凑、减轻了机架质量、提高了机架的强度和刚度。

2.2 静力学分析

蔗苗移栽机作业过程中，移栽机机架是主要的承载和定位部件，应满足强度和刚度要求，保证移栽机的可靠性和稳定性。

根据移栽机机架的方案设计绘制3D 模型并导入Workbench 中。在进行有限元分析前需对移栽机机架进行模型的材料设置，移栽机机架采用管型材[6]，材料的屈服强度为235 MPa、泊松比为0.3、弹性模量为2×1011Pa，密度为7 850 kg/m3。图4 为有限元仿真前处理，网格单元边长设置为10 mm,生成的网格数量为311 527，节点数量为151 501，施加的载荷分别为：人的重力为650 N、分苗装置重力为250 N。通过查阅相关文献[7]发现当开沟器的开沟深度为30~300 mm 时，开沟器水平工作阻力为50~500 N，因此静力学分析中开沟器水平工作阻力选取500 N。移栽机机架的约束设定在三点悬挂处，其位置分别为H、I 和G。

图4 有限元仿真前处理

移栽机机架在工作状况下的有限元分析如图5 所示，移栽机机架的管型材的尺寸最小为60mm×60mm，工作负载下的最大综合位移为1.873 mm，最大应力为65.386 MPa，最大应力小于移栽机机架材料的屈服强度235 MPa，结果表明移栽机机架的设计符合强度和刚度设计要求。移栽机机架的位移量相对于管型材的长度和宽度而言，变化量非常小，结果表明该移栽机机架的刚度足够，能够保证蔗苗移栽机在工作期间各个部件的定位基本不变。