水稻栽植機(jī)秧針部件結(jié)構(gòu)分析與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

楊洪觀，郭占斌，劉天祥，張　昆

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶　163319)

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水稻栽植機(jī)秧針部件結(jié)構(gòu)分析與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

楊洪觀，郭占斌，劉天祥，張昆

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶163319)

摘要：針對(duì)水稻植質(zhì)缽育秧盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種秧針部件，并分析了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理。以洋馬VP6型高速插秧機(jī)為機(jī)型，在不改變?cè)瓩C(jī)通用性的情況下，選擇秧針部件的3個(gè)切割角度為主要因素，以秧針部件取秧力、切塊體積為指標(biāo)，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)。由此為得到秧針的結(jié)構(gòu)參數(shù)最佳組合和后續(xù)的試驗(yàn)精確性提供了依據(jù)，從而保證了栽植質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：水稻；植質(zhì)缽育秧盤；秧針；正交試驗(yàn)

0引言

水稻是我國(guó)主要糧食作物之一，實(shí)現(xiàn)水稻機(jī)械化栽植已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)。水稻栽植模式大致分為直播和移栽兩大類：直播模式分為水直播和旱直播，移栽模式分為淺移栽和深移栽。淺栽模式又劃分為有序栽植和無(wú)序栽植。目前，有序淺栽機(jī)分為精準(zhǔn)拋秧機(jī)、擺栽機(jī)、插秧機(jī)等機(jī)型，深栽機(jī)分為普通插秧機(jī)和高速插秧機(jī)等機(jī)型[1-3]。隨著水稻種植機(jī)械化的發(fā)展，水稻有序栽植成為近幾年研究的重點(diǎn)。水稻植質(zhì)缽育機(jī)械化栽培技術(shù)是黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的科研成果，具有無(wú)緩苗、苗齊、苗壯、節(jié)種、節(jié)土、秸稈還田、提高水稻產(chǎn)量及保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)資源等特點(diǎn)[4]。

在國(guó)外，日本最早開始研究缽體苗栽植機(jī)，井關(guān)公司和實(shí)產(chǎn)業(yè)都生產(chǎn)移栽機(jī)產(chǎn)品，其次有尼日利亞、韓國(guó)和印度等國(guó)家；但缽體苗移栽機(jī)使用時(shí)存在成本高和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等綜合問(wèn)題，未能得到全面推廣[5]。在我國(guó)，最近的缽苗移栽機(jī)研究主要有水稻植質(zhì)缽育秧栽植機(jī)、水稻缽體苗插秧機(jī)及水稻缽體苗擺栽秧機(jī)等，這些機(jī)具都具有很強(qiáng)的增產(chǎn)效果[6]。

乘坐式高速插秧機(jī)是水稻栽植的主要機(jī)具，秧針是取秧作業(yè)的主要部件之一，其結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能決定和影響水稻插秧機(jī)的插秧效果。為此，本文以水稻植質(zhì)缽育有序栽植為依據(jù)，洋馬VP6型乘坐式高速插秧機(jī)為機(jī)型，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)合理的秧針部件。該部件適用于水稻植質(zhì)缽育秧栽植作業(yè)，可解決秧針部件取秧力小、切塊均勻等問(wèn)題。

1植質(zhì)育秧盤的結(jié)構(gòu)

水稻植質(zhì)缽育秧盤結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。秧盤寬度尺寸為 280mm，缽塊與缽數(shù)的縱橫缽距尺寸規(guī)格為20mm，縱向29穴，橫向 14 穴；按照經(jīng)緯線排列組合，共406穴；缽體為截錐型，上口直徑為Φ14mm，下口直徑為Φ10mm，高 20mm；紙盤壁厚3～4mm，紙缽按縱橫向排列組合，秧盤質(zhì)量為280～300g[7]。

圖1　秧盤結(jié)構(gòu)形式

2秧針部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

2.1　秧針部件的設(shè)計(jì)要求

秧針結(jié)構(gòu)應(yīng)容易插入秧苗塊中，取秧要準(zhǔn)確，分秧要徹底，插秧要保證秧苗質(zhì)量[8]。植質(zhì)缽育秧栽植最大的特點(diǎn)是定點(diǎn)定量的進(jìn)給，屬于有序栽植，所以要求栽植機(jī)構(gòu)每次要整齊地切下缽穴，保證秧針不易產(chǎn)生傷苗和空穴。秧針結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，三維實(shí)體圖如圖3所示。

1)植質(zhì)缽育栽植機(jī)秧針設(shè)計(jì)包括切割部、安裝柄。其特征在于切割部外廓橫向?qū)挾瘸叽鏗1，取H1=18mm，與秧門兩側(cè)間隙為2mm，可保證秧針順利通過(guò)秧門。

2)切割部前端左右側(cè)上對(duì)稱設(shè)有刃口，其刃口刃前角為α。

3)切割部上平面與安裝柄平面之間的前傾角為β。

4)切割部前端左、右側(cè)對(duì)稱刃口平面之間為刃傾角γ。切割部上的護(hù)秧槽橫向?qū)挾瘸叽鏗2為8mm，秧針開口長(zhǎng)度為66mm。

1.刃前角　2.切割部　3.安裝柄

圖3　秧針三維實(shí)體圖

2.2　秧針部件的材料選擇

2.2.1秧針部件受力分析

秧針部件插取秧盤時(shí)受到秧盤的切割阻力q為分布載荷(N)和安裝約束力Fx、Fy(N)，其受力情況如圖4所示。

2.2.2不同材質(zhì)、相同受力秧針部件有限元分析

運(yùn)用有限元分析軟件，分別對(duì)材質(zhì)為不銹鋼合金秧針部件和優(yōu)質(zhì)碳素鋼秧針部件施加相同約束力，處理后可以分別得到應(yīng)力和位移(變形)云圖，如圖5和圖6所示。

圖4　秧針部件受力圖

圖5　秧針應(yīng)力云圖

圖6　秧針部件位移(變形)云圖

由圖5、圖6可知：不銹鋼合金材質(zhì)秧針應(yīng)力最大值σmax為2 705.93N/mm2，優(yōu)質(zhì)碳素鋼材質(zhì)秧針應(yīng)力最大值σmax為2 711.94N/mm2；而不銹鋼合金材質(zhì)秧針位移(變形)最大值εmax為1.000mm，優(yōu)質(zhì)碳素鋼材質(zhì)秧針位移(變形)最大值εmax為1.627mm。對(duì)比分析可知，不銹鋼合金材質(zhì)秧針強(qiáng)度優(yōu)于優(yōu)質(zhì)碳素鋼材質(zhì)秧針,所以秧針部件采用不銹鋼合金材質(zhì)比優(yōu)質(zhì)碳素剛材質(zhì)適合[9]。

2.3　栽植機(jī)構(gòu)工作原理

秧針的取秧動(dòng)作靠栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也就是說(shuō)栽植機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)動(dòng)參數(shù)決定秧針?biāo)俣?、加速度及運(yùn)動(dòng)軌跡的變化。洋馬VP6型高速插秧機(jī)采用偏心齒輪栽植機(jī)構(gòu)，如圖7所示。

1.推秧凸輪　2.推秧?yè)軛U　3.推秧彈簧

該分插機(jī)構(gòu)配有5個(gè)偏心安裝的齒輪，半徑相同；太陽(yáng)輪固定不動(dòng)，兩邊對(duì)稱布置兩對(duì)齒輪，靠近太陽(yáng)輪的齒輪及兩端齒輪構(gòu)成行星輪，其栽植臂與曲柄搖桿式栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式相似。栽植臂固定在行星齒輪上，推秧凸輪固定在行星系架上，行星系架在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，行星齒輪相對(duì)行星系架轉(zhuǎn)動(dòng)；由于栽植臂相對(duì)于推秧凸輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)推秧?xiàng)U運(yùn)動(dòng)，使彈簧壓縮產(chǎn)生的彈力實(shí)現(xiàn)推秧動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)推秧?xiàng)U將缽苗從秧針彈入田中。由于行星輪架轉(zhuǎn)動(dòng)1周完成2次插秧動(dòng)作，在中心軸轉(zhuǎn)速降低的情況下，單位時(shí)間內(nèi)插次反而增多，并且取秧瞬間線速度下降，傷苗率隨之減少[10]。

3試驗(yàn)因素選擇

秧針的切割角度決定秧針部件的主要結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能決定并影響水稻插秧機(jī)的插秧效果，故選取秧針A刃前角α、B前傾角β、C刃傾角γ這3個(gè)切割角度為主要因素，秧針部件取秧力、切塊體積為指標(biāo)。由于秧針切割刃傾角對(duì)翻倒率和漂秧率影響顯著，在50°～55°之間功耗最小[9]，為了進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，選擇切割刃傾角50°、52°、55°為試驗(yàn)角度。刃前角和前傾角試驗(yàn)角度取值區(qū)間如試驗(yàn)因素表1所示。

表1　試驗(yàn)因素表

4指標(biāo)與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

4.1　秧盤育秧

選取植質(zhì)缽育秧盤為試驗(yàn)秧盤，對(duì)水稻種子進(jìn)行浸種、催芽并將其種植在缽育秧盤內(nèi)，培育生長(zhǎng)至三葉一心，株高12～15cm時(shí)，滿足栽植要求狀態(tài)。

4.2　切塊體積的計(jì)算

切塊體積(V)=切塊質(zhì)量(M)/土壤容重

土壤容重是單位體積土壤的干重，通常用g/cm3表示，采用環(huán)刀法測(cè)定。

4.2.1準(zhǔn)備工作

環(huán)刀(100cm3)、小鐵鏟、削土刀、鋁盒、凡士林、電子天秤及鋁盒若干，將其逐個(gè)編號(hào)并稱量記錄每個(gè)鋁盒的質(zhì)量(精確到0.1g)，記為M0。

4.2.2科學(xué)采樣

選擇好試驗(yàn)缽育秧盤和土壤，去除秧苗，將缽育秧盤和土壤均勻混合一起；先將環(huán)刀平穩(wěn)全部壓入土壤內(nèi)，用削土刀將環(huán)刀周圍的多余土壤去除；取出環(huán)刀，再小心將環(huán)刀的上托取下，用削土刀將環(huán)刀兩端的土壤進(jìn)行削平，使得環(huán)刀內(nèi)土壤容積一定,用電子天秤稱量環(huán)刀及濕土重，記為M。在采樣過(guò)程，盡量確保不擾動(dòng)環(huán)刀內(nèi)的土壤，若環(huán)刀內(nèi)的土壤出現(xiàn)虧缺或松動(dòng)現(xiàn)象，則需要重新采集土樣。

4.2.3烘干土壤

將環(huán)刀和采集土樣帶回室內(nèi)，在環(huán)刀內(nèi)取出20g左右土樣放在鋁盒內(nèi)并稱其質(zhì)量，記為M1。放入恒溫為105℃烘箱內(nèi)6～8h烘干至恒重，稱量鋁盒及烘干土質(zhì)量，記為M2[11]。

4.2.4精確計(jì)算

土壤容重=(M-G)×100/V(100+W)

其中，M為環(huán)刀及濕土重(g)；G為環(huán)刀質(zhì)量(g)；V=πr2h，為環(huán)刀容積；h為環(huán)刀高度；r為環(huán)刀刃口內(nèi)半徑。

土壤含水量W=(烘干前鋁盒及土樣質(zhì)量M1-烘干后鋁盒及土樣質(zhì)量M2)/(烘干后鋁盒及土樣質(zhì)量M2-烘干空鋁盒質(zhì)量M0)×100%

4.3　秧針取秧切割力的計(jì)算

取秧力=秧針質(zhì)量×取秧速度

4.3.1試驗(yàn)儀器

高速動(dòng)態(tài)記錄儀(高速攝像機(jī))及其配套的視頻采集系統(tǒng)、可視化圖像監(jiān)視系統(tǒng)和圖像輔助分析軟件，如圖8所示。該設(shè)備主要用來(lái)進(jìn)行栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，主要對(duì)機(jī)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)速度、加速度和軌跡進(jìn)行分析與計(jì)算。

1)高速動(dòng)態(tài)記錄儀。型號(hào)：Trouble Shooter HR高速動(dòng)態(tài)記錄儀，主要參數(shù)：拍攝速度為500F/sec；標(biāo)準(zhǔn)記憶時(shí)間為5幀/s；圖像規(guī)定輸出格式為NFF、BMP、AVI等；最大分辨率為480×640。

2)視頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3)可視化圖像監(jiān)視系統(tǒng)。

4)圖像輔助分析軟件。

4.3.2試驗(yàn)方法與步驟

利用高速攝像技術(shù)分析系統(tǒng)對(duì)栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行分析。

1)對(duì)高速攝像機(jī)采樣頻率進(jìn)行調(diào)整，保證其與高速栽植機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)分差頻率相匹配；

2)在栽植機(jī)構(gòu)上做好標(biāo)記，以便分析時(shí)進(jìn)行標(biāo)定，并以此作為分析基準(zhǔn)；

3)調(diào)整高速攝像機(jī)的重放頻率，使得與視頻采集的頻率相匹配，以避免由于丟失數(shù)據(jù)而造成分析結(jié)果失真；

4)啟動(dòng)栽植機(jī)，使栽植機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速達(dá)到300r/min，在高速級(jí)狀態(tài)下進(jìn)行圖像采集[8]。

圖8　TroubleShooter HR高速動(dòng)態(tài)記錄儀

4.4　正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)是一種針對(duì)多因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)試驗(yàn)方法，可將多個(gè)試驗(yàn)因素，按照水平間的組合均勻搭配,安排合理、試驗(yàn)周期短，可以有效地減少試驗(yàn)次數(shù)。其試驗(yàn)結(jié)果獲得信息多，是一種多水平、多因素、效率較高的試驗(yàn)方法[12]。

選取秧針刃前角α、前傾角β、刃傾角γ這3個(gè)切割角度為主要因素，以秧針部件取秧力、切塊體積為指標(biāo)，根據(jù)三因素三水平，采用L9(34)正交設(shè)計(jì)，正交試驗(yàn)如表2所示。

表2　三因素三水平正交試驗(yàn)表

5結(jié)論

在分析了水稻植質(zhì)缽育秧盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種秧針部件，并分析了秧針部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理。以洋馬VP6型高速插秧機(jī)為機(jī)型，在不改變?cè)瓩C(jī)通用性情況下，采用正交試驗(yàn)法，選擇秧針部件的刃前角α、前傾角β、刃傾角γ這3個(gè)切割角度為主要因素，以秧針部件取秧力、切塊體積為指標(biāo)，設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，得到了秧針的結(jié)構(gòu)參數(shù)最佳組合，旨在對(duì)后續(xù)試驗(yàn)的精確性提供依據(jù) 。

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The Structural Analysis and Experiment Design of Rice Planting Machine Cutter Parts

Yang Hongguan， Guo Zhanbin， Liu Tianxiang， Zhang Kun

(College of Information Technology, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319,China)

Abstract：For the structure characteristics of rice boards planting quality , a kind of seedling needle parts is designed, the structure characteristics and working principle are analyzed. The YangMa VP6 is been the type of high-speed transplanter for models. In the cases of being not changed about the original machine general, the seedling needle parts of three cutting angles are the main factors. Rail force of seeding needle parts and cutting volume are as the indicators.The orthogonal experiment is designed. For getting the structure parameters optimal combination of the seedling needle and providing the basis for subsequent test accuracy, the quality of planting is been sure.

Key words：rice; bowl of rice transplanting； seedling needle； orthogonal test

中圖分類號(hào)：S223.91

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)10-0145-05

作者簡(jiǎn)介：楊洪觀(1990-)，男(柯爾克孜族)，黑龍江富裕人，碩士研究生，(E-mail)593398495@qq.com。通訊作者：郭占斌(1966-)，男，黑龍江寶清人，教授，碩士生導(dǎo)師，博士。

基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD06B01)

收稿日期：2015-09-24