半自動組合式大蔥移栽機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

張吉強(qiáng),李天華,牛子孺,李廣華,王后新,侯加林

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院,山東 泰安 271018;2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 泰安; 3.青州華龍機(jī)械技術(shù)研發(fā)有限公司,山東 濰坊 262500)

0 引言

蔥在人們的日常生活中必不可少,是廚房中不可或缺的調(diào)味品之一。大蔥因含有豐富的維生素和礦物質(zhì),也被譽(yù)為“蔬菜之王”[1]。我國的大蔥種植面積和產(chǎn)量均居世界前列,但種植過程中用工量大、勞動強(qiáng)度高、效率低,機(jī)械化種植水平低,大部分地區(qū)還需要人工種植[2]。國外大蔥移栽機(jī)主要集中在日本,機(jī)型分為兩類:一類是日本久保田公司生產(chǎn)的KN-P6大蔥移栽機(jī),結(jié)構(gòu)簡單,自走在已開好的壟溝內(nèi),但效率較低,僅在0.013～0.02 hm2/h之間;另一類是豐收公司生產(chǎn)OP290/2100大蔥移栽機(jī),結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,基本實(shí)現(xiàn)了大蔥栽植的自動化,效率較高,缺點(diǎn)是栽植深度和株距調(diào)節(jié)范圍小、價(jià)格高且適應(yīng)性差,不合適我國大蔥種植的國情[3-4]。

為此,結(jié)合國內(nèi)大蔥種植模式,同時(shí)借鑒國外的先進(jìn)技術(shù)[5],設(shè)計(jì)了半自動組合式大蔥移栽機(jī),并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn),以期解決國內(nèi)大蔥栽植難題。

1 移栽機(jī)結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

半自動組合式大蔥移栽機(jī)主要由機(jī)架、起壟旋耕裝置、減速器、變速箱、栽植變速箱、水平擺苗裝置、豎直夾苗裝置、直立栽苗裝置及覆土鎮(zhèn)壓輪等組成,如圖1所示,主要性能參數(shù)如表1所示。

1.起壟旋耕裝置 2.減速器 3.變速箱 4.人工座椅 5.栽變速箱 6.水平擺苗裝置 7.蔥苗存放盤 8.覆土鎮(zhèn)壓輪 9.直立栽苗裝置 10.豎直夾苗裝置 11.開溝器 12.傳動鏈圖1 半自動組合式大蔥移栽機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of semi-automatic combined spring onion transplante。

表1 半自動組合式大蔥移栽機(jī)的主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of semi automatic combination spring onion transplanter。

1.2 工作原理

機(jī)具與35 kW以上的拖拉機(jī)配套使用,拖拉機(jī)的動力輸出軸經(jīng)萬向節(jié)帶動減速器[6-7],由減速器輸出端的主動鏈輪通過鏈條帶動旋耕刀主軸和旋耕刀轉(zhuǎn)動旋耕土壤,由開溝器進(jìn)行開溝和起壟。

人工將蔥苗放入水平擺苗裝置的輸送帶上, 相鄰兩個(gè)限位凸起間放1根蔥苗,由栽植變速箱帶動水平擺苗裝置輸送帶及從動軸轉(zhuǎn)動;從動軸在軸承的內(nèi)圈內(nèi)轉(zhuǎn)動,配合從動軸上的被動轉(zhuǎn)輥對輸送帶起到支撐張緊作用;蔥苗經(jīng)水平擺苗裝置輸出端輸送至豎直夾苗裝置內(nèi),并沿豎向輸送至直立栽苗裝置的兩撓性圓盤之間,由位于支架一側(cè)的驅(qū)動軸通過齒輪傳動連接栽植軸,通過圓錐直齒輪和圓柱直齒輪與栽植軸完成動力的傳輸;由栽植軸帶動彈性滾輪夾持裝置轉(zhuǎn)動,彈性滾輪將夾有蔥苗的撓性圓盤夾緊并進(jìn)行轉(zhuǎn)動,蔥苗由水平運(yùn)動轉(zhuǎn)為繞撓性圓盤中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動;在蔥苗與地面垂直時(shí),撓性圓盤張開,蔥苗在重力作用下落到栽植溝內(nèi),最后由覆土鎮(zhèn)壓裝置將回土流壓實(shí),完成栽植過程。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與參數(shù)確定

2.1 機(jī)械傳動設(shè)計(jì)

半自動組合式大蔥移栽機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成如圖2所示。工作時(shí),其動力輸入軸與拖拉機(jī)輸出軸連接,由輸入軸連接減速器工作,由減速器的第1輸出軸通過鏈輪鏈條傳動帶動旋耕機(jī)主軸和旋耕刀轉(zhuǎn)動進(jìn)行旋耕,由減速器第2輸出軸通過變速箱和雙排鏈輪傳動帶動栽植變速箱工作。栽植變速箱共分布5個(gè)輸出轉(zhuǎn)輥和1個(gè)栽植軸,第1輸出轉(zhuǎn)輥和第3輸出轉(zhuǎn)輥分別連接兩豎直夾苗輸送帶的主動軸,第2輸出轉(zhuǎn)輥和第4輸出轉(zhuǎn)輥分別連接兩豎直夾苗輸送帶的被動軸,由第5輸出轉(zhuǎn)輥?zhàn)鳛樗綌[苗裝置的主動軸,由栽植軸為直立栽苗裝置提供動力輸入。栽植變速箱結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成Fig.2 System structure and composition。

1.第1輸出轉(zhuǎn)輥 2.第2輸出轉(zhuǎn)輥 3.第3輸出轉(zhuǎn)輥 4.栽植軸 5.第5輸出轉(zhuǎn)輥 6.第6輸出轉(zhuǎn)輥圖3 栽植變速箱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of transmission structure planted。

2.2 水平擺苗裝置設(shè)計(jì)

為了解決人工擺苗的隨機(jī)性問題及減輕整機(jī)質(zhì)量,設(shè)計(jì)了水平擺苗裝置。水平擺苗裝置采用等間距的限位凸起設(shè)計(jì),保證了放入后的蔥苗間距相等,克服了人工擺苗的隨機(jī)性;同時(shí),輸送帶間隔板上分布42個(gè)減輕孔,在達(dá)到隔離輸送帶目的的同時(shí)減輕了間隔板質(zhì)量,最大程度上減輕了整機(jī)質(zhì)量。另外,設(shè)有張緊裝置,可以使水平輸送帶產(chǎn)生一定的預(yù)緊力,防止水平輸送帶在被動轉(zhuǎn)輥上打滑,同時(shí)控制輸送帶撓度,以減小輸送阻力。

水平擺苗裝置主要由輸送帶、主動軸、被動轉(zhuǎn)輥、張緊裝置、限位凸起和間隔板等6部分組成,如圖4所示。水平擺苗裝置的動力輸入由栽植變速箱的第5輸出轉(zhuǎn)輥提供,從動軸安裝在水平擺苗裝置的輸出端,在從動軸的首尾兩端各安裝有60000-2RS深溝球軸承。從動軸采用階梯軸設(shè)計(jì),最大直徑為12mm,最小直徑為8mm,且從動軸上均布4個(gè)轉(zhuǎn)輥,轉(zhuǎn)輥外圈直徑為28mm,轉(zhuǎn)輥結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。深溝球軸承外圈設(shè)有六角螺母C級M5,利用張緊桿調(diào)節(jié)深溝球軸承及從動軸在調(diào)節(jié)孔道內(nèi)的位置,來實(shí)現(xiàn)對輸送帶的張緊。間隔板位于機(jī)架的中間位置,主要作用是隔離上下水平輸送帶,上面分布42個(gè)減輕孔,孔徑為44mm,設(shè)置貫穿孔的目的是減輕間隔板質(zhì)量。輸送帶采用柔性PVC材質(zhì),可降低蔥苗在傳輸過程中的損傷率,兩限位凸起截面形狀為倒梯字型,上底為20mm,下底為30 mm,上底到下底的垂直高度為15mm,此截面形狀尺寸設(shè)計(jì)可滿足我國大部分地區(qū)蔥苗直徑的種植農(nóng)藝要求。

1.從動軸 2.張緊桿 3.固定板 4.輸送帶 5.限位凸起 6.主動軸 7.機(jī)架 8.張緊螺母 9.調(diào)節(jié)孔道圖4 水平擺苗裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the horizontal swinging device。

1.間隔板 2.減輕孔 3.被動轉(zhuǎn)輥 4.軸承圖5 水平擺苗裝置結(jié)構(gòu)局部示意圖Fig.5 Local structure diagram of horizontal pendulum seedling device。

蔥苗莖稈的運(yùn)動是水平輸送帶運(yùn)動和機(jī)器前進(jìn)運(yùn)動的合成,運(yùn)動軌跡方程為

(1)

式中Va—水平輸送帶傳輸速度(m/s);

Vb—機(jī)器前進(jìn)速度(m/s)。

由式(1)可以看出:蔥苗莖稈的運(yùn)動軌跡是一條斜率為Vb/Va的直線。在實(shí)際擺苗作業(yè)中,機(jī)器前進(jìn)速度與水平輸送帶的速度的比值會影響輸蔥苗莖稈的運(yùn)動軌跡。

2.3 直立栽苗裝置的設(shè)計(jì)

直立栽苗裝置作為移栽機(jī)的關(guān)鍵部件,其性能要求如下:能夠?qū)崿F(xiàn)高密度栽植、高直立度栽植和較低的蔥苗漏栽率。其中,栽植株距為3～5cm,直立度達(dá)到75%以上,漏栽率≤4%。

直立栽苗裝置由機(jī)架、撓性圓盤、栽植軸、限位叉、彈性滾輪夾持裝置和栽植軸等組成,如圖6所示。工作時(shí),由位于機(jī)架一側(cè)的栽植軸為直立栽苗裝置提供動力輸入,通過齒輪傳動連接撓性圓盤軸,齒輪傳動部分包括直齒圓柱齒輪(GB/Z 18620.2-2002)和圓錐齒輪(GB11365-89);由撓性圓盤軸帶動彈性滾輪夾持裝置轉(zhuǎn)動,且分別通過固定座安裝在兩個(gè)撓性圓盤的外側(cè);限位叉起支撐撓性圓盤的作用,防止其在作業(yè)過程中跑偏。

1.機(jī)架 2.撓性圓盤 3.彈性滾輪支架 4.彈性滾輪 5.軸承支撐座 6.固定盤 7.限位叉 8.支撐架 9.圓柱直齒輪 10.撓性圓盤軸 11.圓錐直齒輪 12.彈性滾輪夾持裝置 13.栽植軸 14.軸承 15.固定板圖6 直立栽苗裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of the structure of the erect seedling device。

2.3.1 確定蔥苗莖稈上各點(diǎn)的運(yùn)動軌跡方程

作業(yè)時(shí),圓性撓盤在繞自身傳動軸作圓周運(yùn)動的同時(shí),沿機(jī)組做水平移動的勻速轉(zhuǎn)動,因此圓性撓盤栽苗的運(yùn)動是機(jī)組水平移動運(yùn)動和自身圓周運(yùn)動的合運(yùn)動。由于蔥苗各點(diǎn)距圓性撓盤中心的長度不同,所以蔥苗各點(diǎn)的運(yùn)動軌跡和速度是不同的。蔥苗莖稈上各點(diǎn)的運(yùn)動軌跡方程為

(2)

M=dω/v

(3)

式中v—牽引裝置拖拉機(jī)的前進(jìn)速度(m/s);

ω—圓性撓盤轉(zhuǎn)動的角速度(rad/s);

t—時(shí)間(s);

D—圓盤中心距溝底的高度(m);

d—蔥苗各點(diǎn)距撓盤中心線的距離(m);

M—特征參數(shù)。

2.3.2 零速度栽苗分析

直立栽苗裝置要達(dá)到零速度栽苗的要求,即直立栽苗裝置在投苗時(shí)的水平速度Vx=0。

將式(1)蔥苗上各點(diǎn)的運(yùn)動軌跡方程對時(shí)間t求導(dǎo),可得直立栽苗裝置在水平和垂直方向的速度分量Vx、Vy為

(4)

對于直立栽苗裝置,蔥苗上最多只有1點(diǎn)的絕對速度為零,在絕對速度為零的位置落下才能夠保證最大的直立度。蔥苗體在長度方向的速度解析圖如圖7所示。

圖7 蔥苗體在長度方向的速度解析圖Fig.7 Velocity analysis of onion seedling body in the direction of length。

2.3.3 彈性滾輪夾持裝置的設(shè)計(jì)

彈性滾輪夾持裝置作為直立栽苗裝置中的關(guān)鍵部件,其工作狀態(tài)直接影響蔥苗夾持點(diǎn)和釋放點(diǎn)位置,繼而影響蔥苗直立度。因此,彈性滾輪夾持裝置的設(shè)計(jì)是確保蔥苗直立栽植的關(guān)鍵一步,主要由固定座、彈性滾輪支架和彈性滾輪等3部分組成,如圖8所示。其固定座采用圓弧形狀設(shè)計(jì),并在一端設(shè)有與固定盤固定的固定支架,固定座上固定有沿固定盤徑向均布設(shè)置的滾輪支架,共12個(gè),其彈性滾輪支架與地面的夾角β=8°,如圖9所示。滾輪支架的端部安裝有可在撓性圓盤表面滾動的彈性滾輪,彈性滾輪采用柔性橡膠材質(zhì)。

1.固定座 2.彈性滾輪 3.彈性滾輪支架圖8 彈性滾輪夾持裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structure diagram of elastic roller clamping device。

圖9 彈性滾輪支架與水平地面的夾角示意圖Fig.9 Diagram of the Angle between the elastic roller support and the horizontal floor。

3 樣機(jī)性能試驗(yàn)及分析

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

對大蔥移栽機(jī)進(jìn)行性能及生產(chǎn)指標(biāo)考核試驗(yàn),驗(yàn)證大蔥移栽機(jī)在正常情況下的作業(yè)效果,以及樣機(jī)在本地區(qū)是否具有先進(jìn)性、是否符合本地區(qū)大蔥種植農(nóng)藝要求。

3.2 試驗(yàn)基本條件

田間性能試驗(yàn)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)南校區(qū)大蔥試驗(yàn)田進(jìn)行。試驗(yàn)地屬于一年兩熟地區(qū),土壤為壤土,年平均降水量500mm左右,粘度適中;堅(jiān)實(shí)度247.5×104Pa,土壤含水率9.3%(0～5 cm)、11.7%(5～10cm)[8-9]。試驗(yàn)地平整,覆土嚴(yán)實(shí),能夠滿足試驗(yàn)要求。

采用高度L=250mm、直徑D=10mm的蔥苗,質(zhì)量在30～40g,一次試驗(yàn)移栽40棵蔥苗,每組試驗(yàn)重復(fù)3次;分別記錄每次試驗(yàn)所用的時(shí)間、大蔥移栽的總株數(shù)、栽植深度、埋苗和傷苗的個(gè)數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)。

在整機(jī)行進(jìn)速度為0.2km/h的情況下,主要對栽植深度合格率、埋苗率、傷苗率和純作業(yè)生產(chǎn)率4個(gè)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測試[10-13],結(jié)果如表2所示。

表2 測試結(jié)果Table 2 Test results。

試驗(yàn)過程中,整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠,關(guān)鍵功能部件能夠有效完成開溝、起壟、移栽和覆土鎮(zhèn)壓作業(yè),工作過程協(xié)調(diào)穩(wěn)定,能夠?qū)崿F(xiàn)各項(xiàng)作業(yè)功能。移栽機(jī)在試驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)存在以下問題:

1)在開溝起壟過程中,由于設(shè)置有較深的旋耕深度,因此旋耕刀所受阻力較大,旋耕刀面強(qiáng)度需要提高。在接下來的優(yōu)化設(shè)計(jì)中,應(yīng)該深入分析旋耕刀的工作參數(shù),提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,同時(shí)在保證蔥苗栽植質(zhì)量的前提下采用較大功率的拖拉機(jī)進(jìn)行牽引工作。

2)在進(jìn)行蔥苗擺放時(shí),需要3～4人進(jìn)行人工將蔥苗擺放到水平擺苗裝上,人工強(qiáng)度較大且效率低。解決的辦法是設(shè)計(jì)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)自動將蔥苗從存放盤擺放到水平擺苗裝置上,從而節(jié)省勞動力,降低栽植費(fèi)用。

3)直立栽苗裝置進(jìn)行栽苗時(shí),圓性撓盤會不定時(shí)出現(xiàn)左右擺動的情況,影響栽苗直立度和栽植深度,解決的方案是在圓性撓盤上側(cè)加一個(gè)桁架固定在機(jī)架上。

4 結(jié)論

1)根據(jù)國內(nèi)大蔥的栽植模式,設(shè)計(jì)出了半自動組合式大蔥移栽機(jī),可一次栽植2行,能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)旋耕、開溝、起壟、移栽和鎮(zhèn)壓等功能。

2)針對配套動力輪距與大蔥種植壟距不匹配的問題,在原方案的基礎(chǔ)上增加旋耕開溝起壟機(jī),使開溝起壟機(jī)與移栽機(jī)于一體,成功解決了配套動力輪距與壟距不匹配的問題。

3)蔥苗水平輸送采用帶有等間距槽型的柔性PVC帶,垂直輸送帶采用小間距槽型具有柔性的PU帶,這兩種輸送帶有力保證了蔥苗無損傷等距輸送,滿足栽植等株距、不倒伏、高垂直度等指標(biāo)要求。