撓性夾盤式移栽機(jī)移栽過程中缽苗運(yùn)動(dòng)分析

2006 年 2 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 2 期 - 45 - 0 y o o mg mg x A 圖 1 缽苗翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模型 0 R 1 0 0 g 撓性夾盤式移栽機(jī)移栽過程中缽苗運(yùn)動(dòng)分 析 孫榮國，李成華，張 偉 （沈陽農(nóng)業(yè)大 學(xué) 工程學(xué)院，沈 陽 110161） 摘 要：撓性 夾盤式移栽機(jī) 工作過程中 ，缽苗在繞夾盤 軸心轉(zhuǎn)動(dòng)的同 時(shí) ，隨牽引動(dòng) 力沿水平方向 勻速運(yùn)動(dòng)， 由此可 知， 缽 苗的 運(yùn) 動(dòng)是 沿 水平方 向運(yùn) 動(dòng) 和圓周 運(yùn)動(dòng) 的 合成。 為此 ， 分析了 撓性 夾 盤式移 栽機(jī) 缽 苗運(yùn)動(dòng) 軌 跡及其翻轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)規(guī)律；求證 了翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方 程；探討了合 理的缽苗投苗 區(qū)間 , 證實(shí)了 特征系數(shù) 1 是撓性夾 盤式栽 植器 設(shè) 計(jì)及保 證移 栽 質(zhì)量的 基本 依 據(jù)和正 常工 作 的必要 條件 。 其目的 是為 撓 性夾盤 式移 栽 機(jī)移栽 部 件 (夾盤角度 )的設(shè)計(jì)及缽苗運(yùn)動(dòng)分析提供理論依據(jù)。 關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)工程；撓性夾盤式移栽機(jī)；運(yùn)動(dòng)分析；缽 苗 中圖分類號： S223.94 文獻(xiàn)標(biāo) 識碼： A 文章編號： 1003 188X(2006)02 0045 03 1 缽苗的運(yùn)動(dòng)分 析 1.1 缽苗翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)分析 移栽用缽 苗 的營養(yǎng)缽 由 草 炭 、 蛭石 和 壤土制成 ， R1 OA 34.7mm 。在重 力作 用下， 缽苗 落地后 運(yùn)動(dòng) 過程的力學(xué)平衡方程為 mR 21mgR sin1 0 -1 o 具有粘性 和 塑性。在 分 析缽苗下 落 與地 面塑 性 碰 撞 初相角 0 tan (17.5/30) 30.3 時(shí) ， 忽略 缽 苗的彈跳 和 振 動(dòng) ， 將 缽 苗 (試驗(yàn)用缽苗 為 德制 perfect2000 育苗機(jī)育植 )落地后的運(yùn)動(dòng)簡化 初始角速 度 tan1 vx0 R1 cos0 為立方體剛體模型運(yùn)動(dòng)過程 。缽體 長度 35mm、寬度 整理得 R1gsin cos0 cossin 0 (1) 35mm、 高 度 35mm(可調(diào) )， 缽苗質(zhì)心 位 置為 O,加上秧 苗質(zhì)量， 測 得 缽體和 缽 苗總體的 質(zhì) 心高度 為 30mm， 如圖 1 所示。 式中 0o， 120.3o 令 t ， L ( ) F ( S )， 對方程 (1)兩側(cè)取 拉氏變換，并將初始條件代入 (1)式得 R1 L() gcos0 L sin(t) sin 0 L cos(t)按拉氏變換展開得 R s 2 F (s) s gcos sin s 1 0 0 s 2 2 s 2 2 即 F(s) g cos sin 1 (0) (0) (2) 0 s2 (s2 2 ) 0 s(s2 2 ) s s2 對式 (2)進(jìn)行拉氏逆變換得 g R1 1 cos 2 t sin(t)sin 1 2 1cos(t)因移栽作 業(yè) 速度較低 且 比較穩(wěn) 定 ， 為 便于分析 ， (0)u(t ) (0)tu (t ) (3) 設(shè)移栽機(jī)以速度 Vm 勻速前進(jìn) 。在慣性 力作用下 ，缽 苗 繞 A 點(diǎn) 做 平 面 定 軸 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 質(zhì) 心 回 轉(zhuǎn) 半 徑 為 式中 u(t) 階躍函數(shù)。 當(dāng) t 0 時(shí)， 有 u(t) 1。將 u(t) 1 代入式 (3)， 得缽苗翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方程為 收稿日期： 2005-05-10 cos1 t sin(t)sin 1 1cos(t)(0) (0)t (4) 基金項(xiàng)目：教育部高等學(xué)校骨干教師資助項(xiàng)目 作 者 簡 介 ： 孫 榮 國 （ 1981-） ， 男 ， 遼 寧 東 港 人 ， 碩 士 研 究 生 ，（ E-mail） R1 0 2 0 2 。 通訊作者：李成華（ 1958-） ，男，遼寧興城人 ,教 授 ， （ E-mail） 0 2006 年 2 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 2 期 - 46 - 。 1.2 缽苗移栽運(yùn)動(dòng)分析 缽苗在繞 夾 盤軸心 轉(zhuǎn) 動(dòng) 的同時(shí)， 隨 牽引動(dòng)力 沿 水平方向 勻 速運(yùn)動(dòng)。 移 栽時(shí)，缽 苗 的運(yùn)動(dòng)是 沿 水 平 2006 年 2 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 2 期 - 47 - A C 缽苗軌跡曲線 A C B B 開溝 器 (a) 回土 流 (b) A C A C B B (c) (d) vt 0 g 方向運(yùn)動(dòng) 與 沿夾盤圓 周 運(yùn)動(dòng)的合 成 ，缽苗的 運(yùn) 動(dòng) 軌 跡參數(shù)方程為 x t cos(t)y H R sin(t) 式中 Vt 拖拉機(jī)前進(jìn)速度， m/s； 夾盤轉(zhuǎn)動(dòng)角速度， rad/s； t 時(shí)間， s； H 夾盤轉(zhuǎn)動(dòng)軸距離溝底的高度， mm； R 缽苗轉(zhuǎn)動(dòng)半徑， mm； 特征系數(shù)， Rvt (5) (6) (a)開溝器與投苗點(diǎn)的相對位置 (b) A 點(diǎn)投苗的結(jié)果 (c) B 點(diǎn)投苗的結(jié)果 (d) C 點(diǎn)投苗的結(jié)果 圖 3 投苗點(diǎn)的位置 缽苗運(yùn)動(dòng)軌跡的形狀取決 于 值的大小。 當(dāng) 1 時(shí)，不能形成余擺線 環(huán)扣，如圖 2 所示。 缽苗運(yùn)動(dòng) 軌 跡曲線上 各 切點(diǎn)的方 向 就是缽苗 運(yùn) 動(dòng)的絕對速度方向。由圖 2 可知， 當(dāng) 1 時(shí)， 在 軌跡曲線 上 不存在與 移 栽機(jī)前進(jìn) 方 向相反的 水 平 速 度分量，要實(shí)現(xiàn)零速投苗是不可能的；當(dāng) 1 時(shí)， 余擺線環(huán) 扣 的下半部 分 具有與移 栽 機(jī)前進(jìn)方 向 相 反 的水平速度分量 ，才能 實(shí)現(xiàn)零速投苗 。因此， 1 是撓性夾盤式栽植器正常工作的必要條件。 2 投苗點(diǎn)的選擇 已有的試驗(yàn)結(jié)果表明 ,為了保證缽苗移栽時(shí) 直 立，從夾 盤 上向下投 苗 時(shí)， 缽苗 在 水平方向 的 分 速 度應(yīng)當(dāng)為 零 ，稱為“ 零 速投苗” 原 理 1 。按照這一 原理，由式 (5)得 vx vt Rsin(t) 0 當(dāng) 1 時(shí) ， 有 兩個(gè) 解 ， 即 圖 3(a)中 的 A 點(diǎn) 和 C 點(diǎn)。理論上，只 有 A 點(diǎn)和 C 點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)零速投 苗 。 如果在 A 點(diǎn)投苗 (如圖 3(b)所示 )， 此時(shí)夾盤雖 然 為 的 “零速 投 苗 ” ， 但 此時(shí) 的投苗點(diǎn) 太 高 ， 不利 于 缽 苗 的站立。即使缽苗直立，由于缽苗在 A 點(diǎn)以后存在 向后的水平速度分量，也會將缽苗向后推倒。 如果在 C 點(diǎn)投苗 (如圖 3(d)所示 )， 缽苗雖然 也 在“零速 投 苗”點(diǎn)， 但 缽苗可能 投 放在回土 流 上 ， 使缽苗向 前 傾斜，缽 苗 在投苗后 向 前的水平 速 度 分 量會使缽苗更加向前傾斜。同時(shí)， 由于投苗在回土 流上，栽植的深度將發(fā)生變化。 實(shí)際的投苗點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在余擺線 的 AC 段之間。 如 果在 A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)之前投苗，夾盤會一邊向下運(yùn) 動(dòng) ， 一邊將秧 苗 向后推， 有 可能使秧 苗 呈向后傾 倒 的 狀 態(tài)；如果在 B 點(diǎn)投苗 (如圖 3(c)所示 )，此時(shí)投苗點(diǎn) 最低，但是向后的水平分量最大， 沒有垂直方向的 速度分量， 同樣會引起秧苗向后傾倒，但是傾倒的 角度比 A 點(diǎn)投 苗的傾角小 (如圖 3(b)所示 )。因此， 在 B 點(diǎn)以后 C 點(diǎn)以前投苗才是合理的。 投苗點(diǎn)必須在開溝器回土流之前， 既不能遠(yuǎn)離 回土流， 也 不能在回 土 流之上。 如 果遠(yuǎn)離回 土 流 ， 秧苗可能傾倒，即在 A 點(diǎn)投苗可能出現(xiàn)的情況； 如 果投苗在回土流之上， 秧苗有可能沿回土流向前傾 倒，即 在 C 點(diǎn)投苗可能出現(xiàn)的情況 ( 如圖 3( d )所 示 )， 栽植 深 度變淺或 覆 土量不 足 ， 出 現(xiàn)漏缽的 現(xiàn) 象 。 因此，開 溝 器和投苗 點(diǎn) 的相對位 置 對于栽植 質(zhì) 量 是 非常重要的 。 為了適應(yīng) 不 同的土壤條件和栽培要求， 即 sin(t) vt 1 R (7) 投苗點(diǎn)應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)為可以調(diào)節(jié)的，在給定結(jié)構(gòu)參數(shù)和 顯然，當(dāng) 1 時(shí)，表明撓性夾盤式移栽器 無 法實(shí)現(xiàn)零速投苗；當(dāng) 1 時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)零速投苗； 當(dāng) 1 時(shí)， 式 (7)只有 1 個(gè)解，為擺線的拐點(diǎn)， 也 是最低 點(diǎn) ， 其 水平速度 分 量為零 (有些研究認(rèn)為 這 是 栽植參數(shù) 的 條件 下 ， 理 論 上存在一 個(gè) 最佳的投 苗 點(diǎn) 。 3 結(jié)論 (1) 缽苗翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方程為 理想的投 苗 點(diǎn) )。 不同投苗點(diǎn)的缽 苗 投放情況如圖 3 所示 。 cosR1 1 t sin（ t） sin0 2 1 1co（s 0 2 t） 0 t y R Vt 1 1 H 1 x 圖 2 缽苗運(yùn)動(dòng)軌跡 2006 年 2 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 2 期 - 47 - (2) 撓性夾盤式栽植器的特征系數(shù) 1 是其正 常工作的必要條件，也是設(shè)計(jì)的依據(jù)。 (3) 撓性夾盤式栽植器的投苗點(diǎn)應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)在余 擺線最低點(diǎn) B 點(diǎn)之后和 C 點(diǎn)之前，并注意投苗 點(diǎn) 與 開溝器的 相 對位置關(guān) 系 ，以避免 將 秧苗投放 在 回 土 流上 。 參考文獻(xiàn)： 1 周德義 ,馬成林 .移栽機(jī)凸輪擺桿式扶苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 與分析 J.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) ,2003,（ 5） :57-60. 2 封 均 ,秦 貴 .移 栽 機(jī) 的 吊 環(huán) 分 析 與 設(shè) 計(jì) 準(zhǔn) 則 J. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) ,2002,(5)： 48-50. 3 李 其昀 ,魯善 文 ,李 麗 華 .滑道 分缽式 栽植器的 試驗(yàn) 研究 J.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) ,2001,(2)： 30-33. 4 Dong Feng,Bai Xueyuan,Zha Jianwen,etc.Feeding Mechanism of Belt Conveyer Type Seedling Trans- planterJ.Transactions of the CSAE,2001,(1)： 74-77. Seedling Kinematical Analysis of Soft Disc-type Transplanter SUN Rong-guo， LI Cheng-hua， ZHANG Wei (College of Engineering, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161,China) Abstract： During working process of soft disc-type transplanting machine, while the seedling rotates around the axle center of chucking plate, it uniformly moves along horizontal direction following with tractive force. This it can be seen the motion of seedling is the composition of horizontal motion and oracular motion Hence, the seedling kinematical path and its overturn motion characteristics are analyzed； the overturn movement equation is proved； the rational throwing region of seedling so discussed It is demonstrated that the characteristic coefficient 1 is essential condition for the design and operation of the transplanter, and it is also the precondition of It provides theoretical basis to design the transplanting components and analyze the motion of seedling for soft disc-type transplanter Key words： agricultural engineering； soft disc-type transplanting machines； kinematical analysis； seedling . (上接第 44 頁 ) 參考文獻(xiàn)： 1 臧 英，高煥 文保護(hù)性 耕 作對農(nóng)田土 壤 風(fēng)蝕影響 的試驗(yàn)研究 J農(nóng)業(yè) 工 程學(xué)報(bào)， 2003 ， 19(2)： 56-60. 2 朱朝 云 ，丁 國棟 ，楊 明遠(yuǎn) 風(fēng) 沙物 理學(xué) M北 京： 中國林業(yè)出版社 ,1992. 3 臧 英 .保護(hù)性耕作防止土壤風(fēng)蝕的試驗(yàn)研究 D. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2003 4 K.G. 布倫格 爾 . 旱地農(nóng)業(yè)理論與實(shí) 踐 M. 北京 : 中 國農(nóng)業(yè)出版社 ,1987. 5 M.J.柯 克 比 ， R.P.C.摩 根 .土壤侵蝕 M.北 京 ： 水 利電力出版社 ,1985. 6 姚文藝風(fēng)力侵蝕及其預(yù)報(bào)方 法 J. 中國水 土 保 持， 1994,(3):16-19. Abstract ID:1003 188X(2006)02 0043 EA Research on Soil Wind-erosion Mechanism ZHANG Wei, LIANG Yuan, WANG Chun (College of Engineering, Heilongjiang August First Land Reclamation University, Daqing 163319,China) Abstract: This paper states the research course of soil wind-erosion and the main root of creating wind-erosion which generates from farmland and deteriorated grassland. This paper also discusses its generated r