挠性夹盘式移栽机移栽过程中钵苗运动分析

2006 年 2 月 农 机 化 研 究 第 2 期 - 45 - 0 y o o mg mg x A 图 1 钵苗翻转运动模型 0 R 1 0 0 g 挠性夹盘式移栽机移栽过程中钵苗运动分 析 孙荣国，李成华，张 伟 （沈阳农业大 学 工程学院，沈 阳 110161） 摘 要：挠性 夹盘式移栽机 工作过程中 ，钵苗在绕夹盘 轴心转动的同 时 ，随牵引动 力沿水平方向 匀速运动， 由此可 知， 钵 苗的 运 动是 沿 水平方 向运 动 和圆周 运动 的 合成。 为此 ， 分析了 挠性 夹 盘式移 栽机 钵 苗运动 轨 迹及其翻转运 动规律；求证 了翻转运动方 程；探讨了合 理的钵苗投苗 区间 , 证实了 特征系数 1 是挠性夹 盘式栽 植器 设 计及保 证移 栽 质量的 基本 依 据和正 常工 作 的必要 条件 。 其目的 是为 挠 性夹盘 式移 栽 机移栽 部 件 (夹盘角度 )的设计及钵苗运动分析提供理论依据。 关键词：农业工程；挠性夹盘式移栽机；运动分析；钵 苗 中图分类号： S223.94 文献标 识码： A 文章编号： 1003 188X(2006)02 0045 03 1 钵苗的运动分 析 1.1 钵苗翻转运动分析 移栽用钵 苗 的营养钵 由 草 炭 、 蛭石 和 壤土制成 ， R1 OA 34.7mm 。在重 力作 用下， 钵苗 落地后 运动 过程的力学平衡方程为 mR 21mgR sin1 0 -1 o 具有粘性 和 塑性。在 分 析钵苗下 落 与地 面塑 性 碰 撞 初相角 0 tan (17.5/30) 30.3 时 ， 忽略 钵 苗的弹跳 和 振 动 ， 将 钵 苗 (试验用钵苗 为 德制 perfect2000 育苗机育植 )落地后的运动简化 初始角速 度 tan1 vx0 R1 cos0 为立方体刚体模型运动过程 。钵体 长度 35mm、宽度 整理得 R1gsin cos0 cossin 0 (1) 35mm、 高 度 35mm(可调 )， 钵苗质心 位 置为 O,加上秧 苗质量， 测 得 钵体和 钵 苗总体的 质 心高度 为 30mm， 如图 1 所示。 式中 0o， 120.3o 令 t ， L ( ) F ( S )， 对方程 (1)两侧取 拉氏变换，并将初始条件代入 (1)式得 R1 L() gcos0 L sin(t) sin 0 L cos(t)按拉氏变换展开得 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 对式 (2)进行拉氏逆变换得 g R1 1 cos 2 t sin(t)sin 1 2 1cos(t)因移栽作 业 速度较低 且 比较稳 定 ， 为 便于分析 ， (0)u(t ) (0)tu (t ) (3) 设移栽机以速度 Vm 匀速前进 。在惯性 力作用下 ，钵 苗 绕 A 点 做 平 面 定 轴 转 动 ， 质 心 回 转 半 径 为 式中 u(t) 阶跃函数。 当 t 0 时， 有 u(t) 1。将 u(t) 1 代入式 (3)， 得钵苗翻转运动方程为 收稿日期： 2005-05-10 cos1 t sin(t)sin 1 1cos(t)(0) (0)t (4) 基金项目：教育部高等学校骨干教师资助项目 作 者 简 介 ： 孙 荣 国 （ 1981-） ， 男 ， 辽 宁 东 港 人 ， 硕 士 研 究 生 ，（ E-mail） R1 0 2 0 2 。 通讯作者：李成华（ 1958-） ，男，辽宁兴城人 ,教 授 ， （ E-mail） 0 2006 年 2 月 农 机 化 研 究 第 2 期 - 46 - 。 1.2 钵苗移栽运动分析 钵苗在绕 夹 盘轴心 转 动 的同时， 随 牵引动力 沿 水平方向 匀 速运动。 移 栽时，钵 苗 的运动是 沿 水 平 2006 年 2 月 农 机 化 研 究 第 2 期 - 47 - A C 钵苗轨迹曲线 A C B B 开沟 器 (a) 回土 流 (b) A C A C B B (c) (d) vt 0 g 方向运动 与 沿夹盘圆 周 运动的合 成 ，钵苗的 运 动 轨 迹参数方程为 x t cos(t)y H R sin(t) 式中 Vt 拖拉机前进速度， m/s； 夹盘转动角速度， rad/s； t 时间， s； H 夹盘转动轴距离沟底的高度， mm； R 钵苗转动半径， mm； 特征系数， Rvt (5) (6) (a)开沟器与投苗点的相对位置 (b) A 点投苗的结果 (c) B 点投苗的结果 (d) C 点投苗的结果 图 3 投苗点的位置 钵苗运动轨迹的形状取决 于 值的大小。 当 1 时，不能形成余摆线 环扣，如图 2 所示。 钵苗运动 轨 迹曲线上 各 切点的方 向 就是钵苗 运 动的绝对速度方向。由图 2 可知， 当 1 时， 在 轨迹曲线 上 不存在与 移 栽机前进 方 向相反的 水 平 速 度分量，要实现零速投苗是不可能的；当 1 时， 余摆线环 扣 的下半部 分 具有与移 栽 机前进方 向 相 反 的水平速度分量 ，才能 实现零速投苗 。因此， 1 是挠性夹盘式栽植器正常工作的必要条件。 2 投苗点的选择 已有的试验结果表明 ,为了保证钵苗移栽时 直 立，从夹 盘 上向下投 苗 时， 钵苗 在 水平方向 的 分 速 度应当为 零 ，称为“ 零 速投苗” 原 理 1 。按照这一 原理，由式 (5)得 vx vt Rsin(t) 0 当 1 时 ， 有 两个 解 ， 即 图 3(a)中 的 A 点 和 C 点。理论上，只 有 A 点和 C 点能够实现零速投 苗 。 如果在 A 点投苗 (如图 3(b)所示 )， 此时夹盘虽 然 为 的 “零速 投 苗 ” ， 但 此时 的投苗点 太 高 ， 不利 于 钵 苗 的站立。即使钵苗直立，由于钵苗在 A 点以后存在 向后的水平速度分量，也会将钵苗向后推倒。 如果在 C 点投苗 (如图 3(d)所示 )， 钵苗虽然 也 在“零速 投 苗”点， 但 钵苗可能 投 放在回土 流 上 ， 使钵苗向 前 倾斜，钵 苗 在投苗后 向 前的水平 速 度 分 量会使钵苗更加向前倾斜。同时， 由于投苗在回土 流上，栽植的深度将发生变化。 实际的投苗点应当在余摆线 的 AC 段之间。 如 果在 A 点和 B 点之前投苗，夹盘会一边向下运 动 ， 一边将秧 苗 向后推， 有 可能使秧 苗 呈向后倾 倒 的 状 态；如果在 B 点投苗 (如图 3(c)所示 )，此时投苗点 最低，但是向后的水平分量最大， 没有垂直方向的 速度分量， 同样会引起秧苗向后倾倒，但是倾倒的 角度比 A 点投 苗的倾角小 (如图 3(b)所示 )。因此， 在 B 点以后 C 点以前投苗才是合理的。 投苗点必须在开沟器回土流之前， 既不能远离 回土流， 也 不能在回 土 流之上。 如 果远离回 土 流 ， 秧苗可能倾倒，即在 A 点投苗可能出现的情况； 如 果投苗在回土流之上， 秧苗有可能沿回土流向前倾 倒，即 在 C 点投苗可能出现的情况 ( 如图 3( d )所 示 )， 栽植 深 度变浅或 覆 土量不 足 ， 出 现漏钵的 现 象 。 因此，开 沟 器和投苗 点 的相对位 置 对于栽植 质 量 是 非常重要的 。 为了适应 不 同的土壤条件和栽培要求， 即 sin(t) vt 1 R (7) 投苗点应当设计为可以调节的，在给定结构参数和 显然，当 1 时，表明挠性夹盘式移栽器 无 法实现零速投苗；当 1 时，可以实现零速投苗； 当 1 时， 式 (7)只有 1 个解，为摆线的拐点， 也 是最低 点 ， 其 水平速度 分 量为零 (有些研究认为 这 是 栽植参数 的 条件 下 ， 理 论 上存在一 个 最佳的投 苗 点 。 3 结论 (1) 钵苗翻转运动方程为 理想的投 苗 点 )。 不同投苗点的钵 苗 投放情况如图 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 图 2 钵苗运动轨迹 2006 年 2 月 农 机 化 研 究 第 2 期 - 47 - (2) 挠性夹盘式栽植器的特征系数 1 是其正 常工作的必要条件，也是设计的依据。 (3) 挠性夹盘式栽植器的投苗点应当设计在余 摆线最低点 B 点之后和 C 点之前，并注意投苗 点 与 开沟器的 相 对位置关 系 ，以避免 将 秧苗投放 在 回 土 流上 。 参考文献： 1 周德义 ,马成林 .移栽机凸轮摆杆式扶苗机构设计 与分析 J.农业机械学报 ,2003,（ 5） :57-60. 2 封 均 ,秦 贵 .移 栽 机 的 吊 环 分 析 与 设 计 准 则 J. 农业机械学报 ,2002,(5)： 48-50. 3 李 其昀 ,鲁善 文 ,李 丽 华 .滑道 分钵式 栽植器的 试验 研究 J.农业机械学报 ,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 页 ) 参考文献： 1 臧 英，高焕 文保护性 耕 作对农田土 壤 风蚀影响 的试验研究 J农业 工 程学报， 2003 ， 19(2)： 56-60. 2 朱朝 云 ，丁 国栋 ，杨 明远 风 沙物 理学 M北 京： 中国林业出版社 ,1992. 3 臧 英 .保护性耕作防止土壤风蚀的试验研究 D. 北京：中国农业大学， 2003 4 K.G. 布伦格 尔 . 旱地农业理论与实 践 M. 北京 : 中 国农业出版社 ,1987. 5 M.J.柯 克 比 ， R.P.C.摩 根 .土壤侵蚀 M.北 京 ： 水 利电力出版社 ,1985. 6 姚文艺风力侵蚀及其预报方 法 J. 中国水 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