自动移栽机及其关键部件的设计研究
时间：2023-02-14 14:30:09 来源：千叶帆 本文已影响人
冯彩霞
（山西省农业机械发展中心，山西太原 030031）
移栽是蔬菜种植过程的重要环节。目前，我国的蔬菜生产基本依靠人工和半自动移栽机移栽。无论人工或半自动移栽，劳动强度都大，作业效率低，成本高，而且作业质量难以保证。相对人工移栽，半自动移栽可在一定程度提高劳动生产率，但移栽机仍需配置工作人员3～4名/台。人力成本高、劳动强度大、农民年龄偏大等问题限制了蔬菜生产的发展。
国内部分科研机构和企业开始进行自动蔬菜移栽机的研制和生产，但仿造较多，没有实质性的突破。日本、美国等农业机械大国的自动蔬菜移栽机虽然应用较多，但其结构复杂，价格昂贵，农民普遍难以接受，在国内的推广应用难度较大，所以设计一种自动移栽机对我国蔬菜产业的发展具有较大的现实意义。旨在设计一种结构简单、能自动取苗和放苗的自动移栽机，以期进一步解放劳动力，并为取苗机构的研制提供合理的设计参数。
该蔬菜自动移栽机采用牵引式设计，结构紧凑。主要由机架、输苗机构、取苗机构、鸭嘴放苗机构、地轮等组成，三维实体模型见图1。
图1 移栽机整体结构三维图
工作时，将苗盘放置在移栽机尾部左右两侧的输送带上，启动plc控制系统，输苗机构开始动作，两侧输送带依次交替将苗盘输送到中间的推盘上，液压缸把苗盘推送到中间步进移位输送带的相对位置，苗盘以6穴为横向，12穴为纵向。平行4连杆取苗机构靠电机驱动进行2次往复运动，进行取苗、放苗。取苗机构分左右2组，苗夹6个/组，2组苗夹错位排列，在苗盘同一列上间隔取苗并投放到分苗漏斗中，取苗结束后，苗盘由电机控制横向移动1格，完成了机具行走作业前的准备工作。
移栽机行走作业时，两组吊杯—鸭嘴移栽机构独立运行，吊杯—鸭嘴机构上配置有7个鸭嘴，通过链条、链轮传动，与长圆形苗配置杯实现间歇配合；
当苗杯移动到分苗漏斗的正下方，电机控制打开漏斗口，进行放苗，在出苗口将秧苗放入吊杯中，完成移栽。当苗盘完成6次横向移动后，秧苗取尽，苗盘回归原位后进行退盘（图2）。
图2 操作流程
2.1 送苗机构设计
设计送苗装置总体方案时，取苗机构位置相对固定。尾部两侧输送带交替输送苗盘到中间步进移位输送带，中间步进移位输送带带动苗盘横向间歇移动6次后空苗盘被移送到收集筐内，步进移位输送带回原位，完成一个苗盘的作业（图3）。
图3 送苗机构三维图
因为取苗机构是间歇性取苗，步进移位输送带需要实现横向直线往复间歇运动，为减少结构受力，步进移位输送带后侧下方安装滚轮，前方安装滑块，以降低摩擦系数。分析后确定利用丝杆电机机构能稳定地实现往复运动。设计中选择刚性较大、结构紧凑，有较高的转动精度螺杆转动、螺母移动结构。螺杆直径25 mm，导程10。设计移栽机最快行走速度0.4 m/s，鸭嘴—吊杯轮周长约2 m，转动1周，需要时间5 s，即丝杆推动步进移位输送带归位时间必须小于5 s。
因步进电机转速越大，力矩越小，而且转速太大，容易丢步，设计中转速定为5转/s，一个苗盘归位的横向移动最小距离是220 mm，通过计算可得：丝杆导程度最小需要8.8 mm。查表可得导程大于8.8 mm，且适合安装的丝杆可选直径25 mm、导程为10 mm的丝杆机构。因步进移位输送带横向匀速运行，而苗盘位置精度要求不是特别高，所以可套用以下公式：
式中，T为驱动扭矩，丝杆导程L=10 mm；
Mg≈300 N（步进移位输送带+配件+填土苗盘最大重量不超过30 kg，这里取最大值），综合摩擦系数取μ=0.1，给进丝杆的正效率取η=0.85，得驱动扭矩T=0.056 N*M。
2.2 苗盘推送机构
苗盘推送机构主要包含苗盘托板、感应器、液压缸组件构成。苗盘托板、液压缸与机架固定，感应器固定在苗盘托板底板两侧。当苗盘输送装置将苗盘输送到托板上，触动两侧感应器，判断面盘到位。待系统接收到空苗盘的退盘信号，液压缸开始动作，将苗盘向前推送，完成推送动作后回归原位（图4）。
图4 苗盘推送机构
2.3 液压缸的选型
液压缸结构简单、工作可靠，主要是将液压能转变为机械能，做直线往复运动，在实现往复运动时，没有传动间隙，不用减速装置，而且运动平稳。因苗盘加填土的质量相对较小，设计选用的液压缸完成推盘的动作，液压缸的行程是主要考虑的因数。苗盘长540 mm，以苗盘落在皮带上3/4即可完成推盘。故液压缸的行程范围在400～450 mm，设计中选用ROB/A 20×450的迷你液压缸，即缸径20 mm，行程450 mm，压力14 Mpa。
2.4 取苗机构工作原理
取苗机构由平行四连杆机构、曲柄摇杆、苗夹、磁吸、电机以及带轮机构等几部分组成（图5）。
图5 取苗机构三维图
以左侧取苗机构为例，苗夹固定在四连杆机构的竖杆（CD）的D端上，始终保持苗夹开口向下。O1、O2、O3为铰接固定端，O1、O2水平布置，O2、O3垂直布置，其中01ABO2构成摇杆机构、02CDO3构成平行四连杆机构。根据设计要求，O1端由电机驱动摇杆O1A做圆周运动，带动平行四连杆的CO2杆做往复摇摆运动（图6）。
图6 平行四连杆运动简图
摆杆的作用是驱动苗夹取苗、放苗，在取苗、放苗时，应保持运动的稳定性，所以曲柄摇杆机构设计为无急回特性，对于无急回特性曲柄摇杆机构，行程速比系数中的极位夹角θ=0°，即k=1，当摇杆处于两个极限位置时，曲柄与连杆共线（图7）。设计要求AO1为曲柄a、AB为连杆b、BO2为摇杆c、O1O2为机架d，B点和B1点为极限位置点。其中，设计摆杆长c=100 mm，摆角ψ=120°，机架长d=335 mm。
图7 曲柄摇杆机构运动简图
在△O1BO2和△O1B1O2中：
得：a2+d2=b2+c2
因B点和B1点在极限位置时，a与b共线，所以，
得：
即a=BO=86.6 mm，b=331.2 mm。
已知参数：曲柄86.6 mm、连杆331.2 mm、摇杆100 mm、机架335 mm、平行四连杆机构长杆310 mm、短杆80 mm。利用欧德克连杆仿真设计软件（Linkage）进行仿真，从仿真动作可以看出，连杆机构能够稳定运行，不存在干涉。苗夹运行轨迹为不对称的“弓背”型（图8）。该问题可通过调整摇杆与平行四连杆长杆的夹角来实现苗夹的对称动作。
图8 苗夹运动轨迹
本试验设计了一种蔬菜钵苗自动移栽机，研究解决了自动移栽过程中的难点，提高了农业机械的自动化程度，有利于扩大蔬菜种植面积。自动移栽机可以提高生产效率，对今后的农机自动化研发具有一定的参考意义。
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