藜蒿扦插機分苗取苗機構的設計與運動分析

1、藜蒿扦插機分苗取苗機構的設計與運動分析藜蒿（artem isia selen9 ensis）是一種常見蔬菜。20世紀90年代初期人們開始嘗試藜蒿人工栽培，目前培栽區(qū)域已分布于東北、華北、華中等地，其中湖北省武漢市是全國最大的藜蒿產(chǎn)區(qū)i-2。藜蒿的種植生產(chǎn)包括種苗培育、扦插稈制作、整地、田間扦插、施肥等作業(yè)環(huán)節(jié)，其中僅整地已實現(xiàn)機械作業(yè)，但其他環(huán)節(jié)均需人工完成，且效率低、成本高、勞動強度大。藜蒿苗稈的分苗和取苗是實施藜蒿機械化扦插的重要環(huán)節(jié)。由于藜蒿扦插苗稈特殊的物理特性（扦插季節(jié)取木質(zhì)化莖稈且粗壯筆直的藜蒿制作成扦插裸稈，既無根須也無枝葉，長度為8090mm，直徑為6i0 mm)，目前尚無專門

2、的藜蒿栽植機械，而其他作物的栽植機械又不能用于藜蒿扦插作業(yè)。為提高藜蒿扦插的生產(chǎn)效率，減輕勞動強度，筆者研制了一種藜蒿扦插機，分析了藜蒿苗稈在分苗和取苗機構中的運動規(guī)律，旨在建立分苗和取苗過程的運動模型，確定分苗和取苗的最佳速度。1結構與工作原理藜蒿扦插機由苗箱、分苗機構、取苗機構、曲柄搖桿機構、懸掛架、傳動系統(tǒng)、機架、覆土裝置、導苗裝置、接苗裝置和扦插裝置組成，其整機結構如圖1所示。該機可實現(xiàn)分苗、取苗、扦插作業(yè)等多項功能，其工作過程：將人工制作的藜蒿苗稈置人苗箱中，工作時由傳動系統(tǒng)將動力傳遞給動滾筒和曲柄軸；受分苗機構中定滾筒的擾動和苗稈自身重力作用，苗稈在苗箱中實現(xiàn)自動有序擺放；在負壓風

3、機作用下(負壓為16.8 kpa)，取苗機構的氣嘴接頭出口處于負壓狀態(tài)；曲柄搖桿機構中搖桿作回轉運動，攜帶取苗機構的氣嘴接頭做往復式回轉運動，進入苗箱內(nèi)通過負壓吸取苗稈；導苗裝置從氣嘴接頭取下苗稈并將其送人接苗裝置且使其呈直立狀態(tài)；由扦插裝置的栽植臂做回轉運動過程中將接苗裝置中的苗稈插入土壤中，如此連續(xù)作業(yè)。2關鍵部件的設計與分析2.1分苗機構分苗機構主要包括定滾筒和動滾筒，其結構示意圖如圖2所示。工作原理：將人工制作的藜蒿苗稈置入苗箱中，工作時定滾筒轉動，在定滾筒的擾動和苗稈自重作用下，苗稈有序進入定滾筒和動滾筒之間形成的分苗等候區(qū)；氣嘴接頭作往復式回轉運動中，當其接觸動滾筒時，擠壓動滾筒，

4、使之與定滾筒逐步分開形成取苗口，完成分苗過程。藜蒿扦插機工作過程中，一次能扦插多行，每行均設有一對定滾筒與動滾筒。株距設定為l，定滾筒和動滾筒直徑均設為，氣嘴接頭截面寬度為w。，藜蒿苗稈直徑設為，則有關系式2.2取苗機構取苗機構主要包括氣嘴接頭、氣腔軸，其機構簡圖如圖3所示。工作原理：在負壓風機作用下，氣嘴接頭的出口處于負壓狀態(tài)；受曲柄搖桿機構作用，氣嘴接頭作往復式回轉運動進入取苗口，在氣嘴接頭的負壓作用下，分苗等候區(qū)內(nèi)的苗稈被吸附拾取；隨著氣嘴接頭的轉動，被吸附的苗稈隨之退出分苗等候區(qū)，進入下一步的扦插作業(yè)環(huán)節(jié)；此時，在拉簧的作用下，動滾筒復位，取苗口閉合，完成取苗過程。藜蒿扦插機取苗機構的

5、取苗主要通過曲柄搖桿機構實現(xiàn)。根據(jù)曲柄搖桿存在的條件可得到ab為最短桿，根據(jù)實際設定參數(shù)曲柄ab= 50 mm，機架連桿ad=500 mm，則可獲得連桿bc=490 mm，搖桿cd= 72 mm。3苗稈的運動學分析3.1分苗過程以動、定滾筒橫截面圓心010z連線的中點0為坐標原點，建立直角平面坐標系xoy，圖4為分苗機構運動簡圖。將藜蒿苗稈簡化為質(zhì)量均勻的圓柱體模型（下同），且以其質(zhì)心p為研究對象，設p點的坐標為(xp，yp)，得到p點的軌跡方程為式中s為動滾筒軸心01的位移，oswo；rl為苗稈的半徑(mm)，rl一5 mm；r。為滾筒的半徑(mm)，r2=17.5 mm; wo為氣嘴接頭橫

6、截面寬度(mm) ,wo =10 mm。對(3)、(4)式進行一階求導并整理可得到p點速度為(5)對(5)式進行二階求導并整理可得到p點加速度為(6)對于(5)式和(6)式，%和ap在os%lo mm內(nèi)其值均為逐漸增大，當s-lo mm時，%取值0.02 m/s，以。取值1.2 m/sz。3.2取苗過程苗稈被氣嘴接頭吸附之后，苗稈隨氣嘴裝置與曲柄一起運動，為研究取苗過程苗稈的運動狀況，建立取苗機構運動簡圖（圖5）。以苗稈質(zhì)心p為研究對象，運用獨立位置方程法6。83在平面內(nèi)對曲柄搖桿機構進行分析，以a點為起點，建立矢量方程9。123得到c點和p點位置d.=lieiol -i-lzei02 =14

7、 -i-laeioa(7)式中d。為ac距離(ram)；dp為ap距離(ram)；lo為pd的長度(ram)，lo =194 mm；z1為曲柄ab的長度(ram)，z150 mm；z2為連桿bc的長度(ram)，z2490 mm；z3為搖桿cd的長度(mm)，z372 mm；14為ad的長度(ram)，14500 mm;臼，為曲柄ab的轉角；臼。為連桿bc的轉角；晚為搖桿cd轉角；盧為搖桿cd與pd之間的夾角。式中以為bd與ad之間的夾角。對(9)式兩邊乘以共軛復數(shù)，消除以，即得到分解(10)式的實部和虛部得到從圖6-a可知分苗過程中，藜蒿苗稈繞著定滾筒橫截面圓心02作變速圓周運動，此運動與(

8、3)式和(4)式推導一致。由圖6-b、c可知，苗稈初始為平衡狀態(tài)處于po點，動滾筒瞬間移動，苗稈產(chǎn)生速度和加速度，當動滾筒位移大小不超過9 mm時，苗稈運動速度與加速度緩慢增大，動滾筒位移大小超過9 mm時，藜蒿苗稈速度與加速度瞬間急劇增大，4分苗與取苗機構的仿真與驗證4.1仿真過程使用matlab繪制上述方程的曲線圖，可得藜蒿扦插機分苗取苗過程的軌跡、速度、加速度曲線圖（圖6，圖7）。到達p1點時最大速度為0.02 m/s，最大加速度為1.2 m/s2，此過程與15)式和(6)式理論推導一致，說明藜蒿苗稈在接近出苗口時，其主要受到豎直方向上氣嘴接頭的瞬時負壓吸附作用、自重和其他苗稈的擠壓作用

9、。從圖7-a可知，取苗過程中，藜蒿苗稈被吸附在氣嘴接頭上隨著搖桿一起做圓周變速往復運動，運動過程中2個相對原點a的極限位置坐標為p1(431.3，181.4)、pz(622.1，150.8)，搖桿的擺角么p1dp2為59.7。由圖7-b、c可知，在取苗運動過程中，不同曲柄轉速對應氣嘴接頭未吸附苗稈回轉過程中最大角速度與最大角加速度、氣嘴接頭吸附苗稈回轉過程中苗稈最大角速度與最大角加速度（表1）。在1個取苗運動循環(huán)中，取苗起始點pi處，氣嘴接頭瞬時角速度為o，角加速度達到最大值（曲柄轉速為25 r/rain時，最大角加速度為6.6 rad/s2），有利于其吸附苗稈避免傷苗。氣嘴接頭吸附苗稈之后，

10、苗稈與氣嘴接頭一起擺動且角速度呈增大趨勢，在到達取苗終點p2前出現(xiàn)角速度最大值(曲柄轉速為25 r/rain時，最大角速度為1.9 rad/s)，苗稈從p1到p2其加速度變化（曲柄轉速為25 r/min時，角加速度變化為o6.6 rad/s2）比較平穩(wěn)，有利于氣嘴接頭不因慣性力過大而導致苗稈與氣嘴接頭分離形成漏取。氣嘴接頭在取苗過程中，其空載（未吸附苗稈）相對負載（吸附苗稈）速度變化快，避免了氣嘴接頭吸附苗稈后在運動過程中出現(xiàn)苗稈掉落現(xiàn)象。4.2驗證試驗為驗證機構設計合理性，利用自制的功能試驗臺架（圖8）進行分苗取苗單行驗證試驗。設定性能指標為合格指數(shù)、漏取指數(shù)、重取指數(shù)、掉落指數(shù)，合格指數(shù)為

11、氣嘴接頭單次成功吸取單根裸稈的次數(shù)與取苗總次數(shù)之比；漏取指數(shù)為氣嘴接頭單次未能吸取裸稈的次數(shù)與取苗總次數(shù)之比；其他指數(shù)為非合格吸取或者非漏取次數(shù)與取苗總次數(shù)之比。根據(jù)以上運動學分析結果顯示，在已知分苗、取苗機構相關結構參數(shù)情況下，曲柄的轉速cu，是影響分苗取苗機構能否完成功能的主要因素。試驗參數(shù)設定：定滾筒轉速，取苗機構氣管內(nèi)負壓p= 16.8 kpa，調(diào)節(jié)曲柄的轉速，可得到試驗數(shù)據(jù)（表2）。從試驗結果可得知，在定滾筒轉速和負壓值一定、調(diào)節(jié)曲柄轉速的情況下，機構分離和拾取藜蒿苗稈的平均合格指數(shù)為0.82，標準差為2.6110-z，由此可得合格指數(shù)的變異系數(shù)為3.20/。驗證結果表明分苗取苗機構功能是可行性的。5討論試驗結果表明，藜蒿苗稈在分苗過程中緊貼定滾筒表面作圓周運動，接近出苗口時主要受到豎直方向上氣嘴接頭的瞬時負壓吸附作用、自重和其他苗稈的擠壓作用，速度和加速度大小急劇增大，確定分苗中苗稈的速度口。取0.02 m/s、加速度以。取1.2 m/s2時可有效實現(xiàn)分苗功能。通過分析藜蒿苗稈的軌跡、速度、加速度的變化規(guī)律，確定了藜蒿苗稈在取苗過程中曲柄不同轉速情況下，均可有效實現(xiàn)取苗功能，當轉速叫，為25 r/min時，苗稈最大角速度為1.9 rad/s，最大角加速度為6.