任永飛，李 杰，林蜀云，鮑向東

(貴州省山地農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，貴陽 550002)

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一種新型曲柄五連桿移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)平衡分析

任永飛，李 杰，林蜀云，鮑向東

(貴州省山地農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，貴陽 550002)

針對貴州丘陵山地地塊小、坡度大的問題，設(shè)計(jì)了一種雙曲柄五連桿單鴨嘴栽植機(jī)構(gòu)，并成功應(yīng)用于2ZBZ-2A型移栽機(jī)。首先闡述了2ZBZ-2A型移栽機(jī)結(jié)構(gòu)形式及栽植部機(jī)構(gòu)的工作原理，然后再利用質(zhì)量代換法分析了五連桿機(jī)構(gòu)平衡條件，得出機(jī)構(gòu)平衡公式；并根據(jù)l1、l2、l3、l4、l5的原始長度、l2桿質(zhì)量，計(jì)算出l1桿飛輪配重質(zhì)量矩為3.15kg·mm，l4桿飛輪配重質(zhì)量矩為6.24kg·mm，栽植臂鴨嘴質(zhì)量矩為21.4kg·mm，可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平衡。最后，采用Adams得出機(jī)構(gòu)栽植點(diǎn)速度、位移仿真曲線，結(jié)合驗(yàn)證性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：該機(jī)構(gòu)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定和適應(yīng)性，滿足設(shè)計(jì)要求。

栽植機(jī)構(gòu)；質(zhì)量代換；雙曲柄；五連桿

0 引言

栽植部結(jié)構(gòu)是蔬菜移栽機(jī)的核心部件，其作業(yè)時(shí)運(yùn)行的穩(wěn)定性決定移栽秧苗的質(zhì)量和效率，栽植機(jī)構(gòu)的大小和質(zhì)量也會(huì)影響移栽機(jī)在田間的作業(yè)效果及適應(yīng)性。貴州省屬于典型丘陵山地，由于蔬菜種植坡度大、地塊小，其蔬菜手工種植生產(chǎn)效低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，不能形成規(guī)?；N植，經(jīng)濟(jì)效益低下。為此，采用質(zhì)量代換法設(shè)計(jì)了一種雙曲柄五連桿單鴨嘴移栽機(jī)構(gòu)，并對機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡分析。該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)更靈活，用于2ZBZ-2A型蔬菜移栽機(jī)，能夠更好地適應(yīng)小地塊、大坡度等地形條件作業(yè)。

1 2ZBZ-2A型移栽機(jī)簡介

2ZBZ-2A型自走式雙壟移栽機(jī)，長、寬、高為2100mm×1200mm×690mm，機(jī)型小巧，結(jié)構(gòu)簡單，適用于山區(qū)、丘陵、塑料大棚內(nèi)等小地塊區(qū)域的煙草、辣椒、茄子、西紅柿、甜菜等多種帶營養(yǎng)缽體育苗作物的移栽作業(yè)。

該機(jī)型配套汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，匹配動(dòng)力3.68kW，通過變速箱、結(jié)合凸輪、離合器分別控制各個(gè)部件實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)要求。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出軸經(jīng)過變速箱帶動(dòng)主軸，主軸通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)移栽機(jī)自走，并可通過改變變速箱檔位以達(dá)到不同的行駛速度的目的，具有自動(dòng)行駛、移栽及橫向投苗等多種實(shí)用性功能。

移栽部件通過鏈傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)與主軸的同步運(yùn)行，通過移栽主板上的各個(gè)傳動(dòng)軸傳動(dòng)，使雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)移栽鴨嘴動(dòng)作，完成往復(fù)圓周運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)與機(jī)器的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)相復(fù)合，可保證鴨嘴的垂直起落，實(shí)現(xiàn)作物的垂直栽植。移栽鴨嘴的開閉由拉線控制，在非移栽作業(yè)區(qū)，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)離合器，控制機(jī)器是否進(jìn)行移栽作業(yè)，操作方便。更換不同齒數(shù)的栽植傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)鏈輪，可以調(diào)節(jié)作物的栽植距離，實(shí)現(xiàn)株距可調(diào)，以滿足不同作物的栽植需要。秧苗投放采用橫向投苗裝置，保證作業(yè)人員有足夠時(shí)間投放秧苗，有效地減少了移栽漏苗率。

2 栽植機(jī)構(gòu)與工作原理

2.1 機(jī)構(gòu)組成

2ZBZ-2A型蔬菜移栽機(jī)的栽植部主要由前曲柄、后曲柄、前曲柄飛輪、后曲柄飛輪、前傳動(dòng)齒輪、后傳動(dòng)齒輪、連桿、栽植臂、鴨嘴及機(jī)架組成，如圖1所示。

2.2 機(jī)構(gòu)工作原理

蔬菜種植對缽苗栽植質(zhì)量具有直立度要求，要保證栽植缽苗具有理想直立度，需要栽植器的定植點(diǎn)在水平方向上瞬時(shí)速度矢量相對地面為零，即“零速投苗原理”[1-4]。本機(jī)構(gòu)是根據(jù)零速投苗原理設(shè)計(jì)，具體工作原理如下：前曲柄、后曲柄與機(jī)架上固定軸承相連，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)通過鏈條傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)雙曲柄同步轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)整個(gè)雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)連桿、栽植臂及移栽鴨嘴規(guī)律動(dòng)作，完成往復(fù)圓周運(yùn)動(dòng)。由于前曲柄連接連桿到栽植臂，后曲柄較短，栽植臂可實(shí)現(xiàn)兩端搖擺運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)與機(jī)器的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)相復(fù)合，可保證鴨嘴的垂直起落，實(shí)現(xiàn)作物的垂直栽植。鴨嘴的開閉由拉線控制，拉線端與凸輪機(jī)構(gòu)相連接，凸輪旋轉(zhuǎn)1周，即完成1個(gè)投苗動(dòng)作。

1.后曲柄 2.后傳動(dòng)齒輪 3.后曲柄飛輪 4.機(jī)架 5.前曲柄飛輪 6.前傳動(dòng)齒輪 7.前曲柄 8.連桿 9.鴨嘴 10.栽植臂 11.拉線

3 機(jī)構(gòu)的平衡理論分析

通過圖1分析，得出圖2所示的運(yùn)動(dòng)簡圖。其中，桿l3、l4為曲柄，l5是固定在機(jī)架上。蔬菜移栽機(jī)栽植過程中，栽植部結(jié)構(gòu)為雙曲柄5桿機(jī)構(gòu)，雙曲柄的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角均同步，在分析過程中，將雙曲柄視為單曲柄進(jìn)行分析。為保證五桿機(jī)構(gòu)在工作過程中完全平衡，則在雙曲柄l2、l4桿(BA延長線、DE延長線)上配重飛輪，在已知l5桿(DC延長線上)安裝鴨嘴。本文利用質(zhì)量代換法[5-7]列出質(zhì)心守恒方程式，算出l1、l4桿上飛輪配重質(zhì)量矩及l(fā)3桿上鴨嘴的質(zhì)量矩。

設(shè)機(jī)構(gòu)總質(zhì)心所在位置為S，則原點(diǎn)S的矢量為

(1)

(2)

將式(2)帶入式(1)，得

m2l1)eiφ1+m2r2eiθ2eiφ2+m3r3eiθ3eiφ3+

(m4r4eiθ4+m2l4)eiφ4+2m3l5eiθ5]

(3)

其中，eiφ1、eiφ2、eiφ3、eiφ4為與時(shí)間有關(guān)的矢量。

滿足機(jī)構(gòu)的封閉矢量方程式為

l1eiφ1+l2eiφ2=l3eiφ3+l4eiφ4-l5eiθ5

(4)

將式(4)帶入式(3)消去eiφ2，得

(5)

m1r1eiθ1+m2l1-m2r2l12eiθ2=0

m3r3eiθ3+m2r2l32eiθ2=0

m4r4eiθ4+m2l4+m2r2l42eiθ2=0

(6)

由于桿l1、l2、l3、l4都是直桿件，桿件的質(zhì)心都在兩鉸鏈連線上，則θ1=θ2=θ3=θ4=0°，可以得到平衡條件為

m1r1=m2l1-m2r2l12

m3r3=m2r2l32

m4r4=m2l4-m2r2l42

(7)

=3.15kg·mm

=21.4kg·mm

=6.24kg·mm

最后，得出飛輪與鴨嘴的質(zhì)量配置，即l1桿飛輪配重質(zhì)量矩為3.15kg·mm，l4桿飛輪配重質(zhì)量矩為6.24kg·mm，栽植臂鴨嘴質(zhì)量矩為21.4kg·mm。

圖2 擺動(dòng)力完全平衡的線性矢量法

4 陣仿真分析

通過數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出l1桿飛輪配重質(zhì)量矩為3.15kg·mm，l4桿飛輪配重質(zhì)量矩為6.24kg·mm，栽植臂鴨嘴質(zhì)量矩為21.4kgmm。在Adams中定義畫出桿件長度、飛輪質(zhì)量及各桿的質(zhì)量，進(jìn)行仿真分析、結(jié)論驗(yàn)證，結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3(b)速度、位移分析曲線，A點(diǎn)為初始點(diǎn)，B、C、D、E點(diǎn)速度為零，此時(shí)是栽植點(diǎn)與土壤接觸時(shí)刻或投苗時(shí)刻，其對應(yīng)的位移最小。列出A、B、C、D、E點(diǎn)的時(shí)間表進(jìn)行分析，如表1所示。

圖3 機(jī)構(gòu)平衡分析

項(xiàng)目時(shí)間/s項(xiàng)目時(shí)間/sA0B4.4C8.8D13.35E17.75......

由表1可知：B、C、D、E點(diǎn)都是下一個(gè)投苗時(shí)間，AB時(shí)間為4.4s，BC時(shí)間為4.4s，CD時(shí)間為4.55，DE時(shí)間為4.4s，…,每次到下一投苗時(shí)間約為4.4s，時(shí)間誤差范圍很小，說明投苗時(shí)間穩(wěn)定，則栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定，機(jī)構(gòu)平衡。

6 驗(yàn)證性試驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證該機(jī)構(gòu)實(shí)際作業(yè)效果，于2015年11月26日在貴州省惠水縣三都鎮(zhèn)進(jìn)行試驗(yàn)，如圖4所示。

圖4 移栽機(jī)試驗(yàn)

通過試驗(yàn)，測量移栽株距評估移栽雙曲柄五桿機(jī)構(gòu)的平衡性。試驗(yàn)方法參照旱地栽植機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10291-2013性能實(shí)驗(yàn)要求，每次每行連續(xù)測定株苗80株，算出株距平均值，重復(fù)5次，算出總平均值，栽植質(zhì)量測量同時(shí)進(jìn)行[1]。結(jié)果如表2所示。

表2 栽植試驗(yàn)數(shù)據(jù)

結(jié)果顯示：數(shù)據(jù)變化區(qū)間[1，4]mm，秧苗株距誤差小，則說明移栽頻率較穩(wěn)定；排除在田間試驗(yàn)時(shí)其他因素的影響，機(jī)構(gòu)在田間的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，故此機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了完全平衡。

5 結(jié)論

在進(jìn)行鉸鏈五桿機(jī)構(gòu)擺動(dòng)力完全平衡時(shí)，若1個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的質(zhì)量和質(zhì)心位置已經(jīng)確定，則另外3個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的質(zhì)量矩及其位置就能求出。利用質(zhì)量動(dòng)代換法分析桿件配重平衡，為移栽機(jī)的平面機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。根據(jù)平衡方程，計(jì)算加在l1桿端的質(zhì)量矩3.15kg·mm、l3桿端鴨嘴質(zhì)量矩為6.24kg·mm、l4桿端質(zhì)量矩為21.4kg·mm。

試驗(yàn)結(jié)果表明：通過質(zhì)量動(dòng)代換法平衡的五桿機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、適用性強(qiáng)、效率高、作業(yè)質(zhì)量好。

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Balance Analysis of Planting Mechanism of a New Type of Crank Five-bar Linkages Transplanter

Ren Yongfei, Li Jie, Lin Shuyun, Bao Xiangdong

(Guizhou Mountain Agricultural Machinery Research Institute, Guiyang 550002, China)

To the problems of small massif and large slope in Guizhou, a type of double cranks five-bar linkages single duckbill plant mechanism was designed and successfully applied in 2ZBZ - 2A type transplanting machine. Firstly, the structure and working principle of 2ZBZ - 2A type transplanting machine was stated. Then, balance conditions of five-bar linkages was analyzed with mass substitution method, and the mechanism balance equation was derived. On the basis of original length of l1,l2,l3,l4,l5and mass of l2, the flywheel mass moment of l4and l5were working out as 3.15kg·mm, 6.24kgmm respectively, and 21.4kgmm for planting arm duckbill, the results indicated that the mechanism balance can be achieved. Finally, mechanism planting speed, displacement simulation curve were obtained through the software adams, combining with the verification test data, the results show that the mechanism has great stability and adaptability which satisfying design demands.

planting mechanism; mass substitution; double cranks; five-bar lingages

2016-03-31

貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目(黔科合農(nóng)G字[2013]4002)；中央補(bǔ)助地方科技基礎(chǔ)條件專項(xiàng)基金項(xiàng)目(黔科合條中補(bǔ)地[2015]4001)

任永飛(1987-)，男，貴州遵義人，助理工程師，(E-mail)729634224@qq.com。

李 杰(1964-)，男，貴陽人，工程師，(E-mail)1987819272@qq.com。

S223.9

A

1003-188X(2017)04-0047-04