馬文霄，葛云，沈從舉，賈首星，李帆，代亞猛，張景

(1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆 石河子 832000；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗室，新疆 石河子 832000)

打穴機(jī)構(gòu)是深施型施肥機(jī)的關(guān)鍵部件，該機(jī)構(gòu)可以將肥料深施至作物根系附近土壤層內(nèi)，能有效避免機(jī)械開溝、挖穴施肥作業(yè)翻動土壤破壞土層結(jié)構(gòu)和損傷果樹根系的問題[1-2].

國內(nèi)外學(xué)者對打穴機(jī)構(gòu)已有相應(yīng)的研究.日本增子利一等[3]設(shè)計了一種土壤改良機(jī)，通過打入裝置能夠定量添加土壤改良劑，通過注入壓縮氣體實(shí)現(xiàn)土壤松動，能夠?qū)ψ魑锿寥榔鸬绞杷勺饔茫欣谧魑锷L.新西蘭懷卡托大學(xué)的Waikato AgriTech Group(WAG)研究團(tuán)隊針對苗圃栽培前打孔過程中存在的打孔間距、打孔尺寸不可調(diào)，打孔質(zhì)量差，打孔過程中易造成土壤壓實(shí)等問題，研發(fā)了一種新型打孔裝備[4].Lawrence等[5]設(shè)計開發(fā)了氣動式膜上打孔機(jī)，可在覆膜壟床上進(jìn)行打穴作業(yè)，用于馬鈴薯的移栽，打穴機(jī)定位精度較高.

近年來，王金武等[6-12]對打穴機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究也取得了一定的進(jìn)展，主要采用齒輪傳動的方式，并通過相關(guān)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)優(yōu)化，以及通過試驗驗證了機(jī)構(gòu)的工作性能.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)韓長杰等[13]設(shè)計了一種多桿驅(qū)動打穴機(jī)構(gòu)，運(yùn)用運(yùn)動學(xué)仿真分析驗證了多桿機(jī)構(gòu)的合理性，并進(jìn)行了田間試驗.李沐桐等[14]結(jié)合精密播種技術(shù)要求并運(yùn)用四桿運(yùn)動學(xué)原理，提出一種旱地回轉(zhuǎn)扎穴式播種方式及其配套機(jī)具，適用于玉米苗期精準(zhǔn)穴施肥.揚(yáng)州大學(xué)奚小波等[15]設(shè)計了一種可移動式氣動深松土施肥機(jī)，實(shí)現(xiàn)了松土、施肥復(fù)式作業(yè)融合，通過氣爆松土注肥的方式，解決了傳統(tǒng)施肥作業(yè)造成果樹易傷根、肥料利用率低等問題.沈從舉等[16]研制了1SZL-420型自激振動深松機(jī)，葫蘆瓜地深松效果良好.賈首星等[17]研制了一種施用固態(tài)肥的履帶自走式果園氣爆深松施肥機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)“氣帶肥” 同步松土注肥作業(yè).

綜上所述，現(xiàn)有打穴機(jī)構(gòu)多采用齒輪傳動，成本較高，打穴深度不足，需要與拖拉機(jī)配套使用.本研究采用一種雙油缸驅(qū)動強(qiáng)壓打穴的方法，設(shè)計了一種液壓升降式打穴機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)果園氣爆深松施肥機(jī)打穴過程中打穴插桿垂直插入土壤的作業(yè)方式，解決了自走式深松施肥機(jī)在果園打穴過程中遇到堅硬犁底層或土壤板結(jié)層打穴阻力大、打穴時間長的問題.

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

液壓升降式打穴機(jī)構(gòu)如圖1所示，由插桿、液壓油缸、錘擊裝置、滑軌機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向總成組成.以雙液壓油缸為驅(qū)動方式，通過升降曲臂、搖桿及導(dǎo)向總成傳遞動力，使打穴插桿完成打入和提升土壤.其中4個固定鉸支座安裝在機(jī)具底盤上，滑軌機(jī)構(gòu)固定在機(jī)具上，方向與地面垂直；2個液壓油缸對稱安裝在2個固定鉸支座上，活塞桿與升降曲臂鉸接，升降曲臂另一端與導(dǎo)向總成鉸接；錘擊裝置(輔助裝置)固定在導(dǎo)向總成上隨之運(yùn)動.打穴機(jī)構(gòu)實(shí)物圖如圖2所示.

1：液壓油缸；2：搖桿；3：升降曲臂；4：標(biāo)尺；5：錘擊裝置；6：注氣注肥聯(lián)通器；7：導(dǎo)向總成；8：滑軌機(jī)構(gòu)；9：施肥插桿；10：滑軌機(jī)架；11：固定鉸支座；12：噴氣肥口.1：Hydraulic cylinder；2：Joystick；3：Lifting crank；4：Ruler；5：Hammering device；6：Gas injection and fertilizer injection connector；7：Guide assembly；8：Slide rail mechanism；9：Fertilization rod；10：Slide rail frame；11：Fixed hinge support；12：Gas and fertilizer nozzle.圖1 液壓升降式打穴機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Structure diagram of hydraulic lifting hole punching mechanism

圖2 打穴機(jī)構(gòu)實(shí)物圖Figure 2 Physical diagram of punching mechanism

1.2 工作原理

液壓升降式打穴機(jī)構(gòu)由偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(手搖唧筒機(jī)構(gòu))演化[18]而成.打穴機(jī)構(gòu)以雙液壓油缸作為動力源，插桿在導(dǎo)向總成帶動下在固定滑軌機(jī)構(gòu)上具有特定的運(yùn)動.具體工作過程如下：果園氣爆深松施肥機(jī)行駛到施肥位置時，開始進(jìn)行打入工作，液壓油從進(jìn)油口 P 進(jìn)入推動活塞桿往上運(yùn)動，雙油缸活塞桿驅(qū)動升降臂帶動導(dǎo)向總成沿滑軌機(jī)構(gòu)的滑道向下滾動，插桿垂直向下運(yùn)動完成打入工作.當(dāng)實(shí)現(xiàn)“氣帶肥” 同步松土注肥作業(yè)后液壓油從進(jìn)油口 T 進(jìn)入推動活塞桿往下運(yùn)動，雙油缸活塞桿驅(qū)動升降臂帶動導(dǎo)向總成沿滑軌機(jī)構(gòu)的滑道向上滾動，插桿垂直向上運(yùn)動完成垂直提升.行駛至下一工作位置時，以上過程周而復(fù)始，完成打穴作業(yè).

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)果園根系分布特征[19]以及深松施肥要求，要滿足2.5～4.0 m 不同行距果園的通過性要求，確定果園氣爆深松施肥的農(nóng)藝要求及相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表 1 所示.

表1 果園氣爆深松施肥農(nóng)藝要求

2 運(yùn)動學(xué)分析

打穴插桿在打入土壤過程中會遇到堅硬的犁底層和土壤板結(jié)層，當(dāng)打穴插桿垂直打入土壤中阻力較小，可以減小作業(yè)功耗，同時可以降低打穴過程中對果樹根系的損傷程度.因此，要求打穴插桿在水平方向上沒有變動，即運(yùn)動軌跡要求是一條豎直的直線.同時為保證整機(jī)設(shè)計的緊湊型和肥箱以及其他機(jī)構(gòu)的安裝，要求液壓缸的行程不宜過大.打穴過程通過液壓油缸驅(qū)動，油缸活塞桿行程決定插桿的打穴深度.確定活塞桿與升降曲臂鉸接點(diǎn)的運(yùn)動軌跡便可確定液壓缸的行程，因此，需對打穴機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析.

考慮機(jī)具的緊湊性和安全性，防止機(jī)具在有一定坡度的地面上行駛過程中插桿與地面接觸，插桿底部安裝在距離地面251 mm位置處，此時打穴機(jī)構(gòu)鉸接點(diǎn)C距離地面1 223 mm，首先根據(jù)打穴深度確定鉸接點(diǎn)C的終點(diǎn)位置，然后確定C點(diǎn)的最大行程為1 012 mm.

A、B、C、Q為機(jī)構(gòu)初始安裝位置點(diǎn)，此時油缸行程為0；A1、B1、C1、Q1為終止位置點(diǎn)此時油缸行程達(dá)到最大；α指CQ與y軸負(fù)方向的夾角，β指MN與BN的夾角.A,B,C,Q are the initial installation positions of the mechanism,and the cylinder stroke is 0 at this time;A1,B1,C1,and Q1 are the end positions and the cylinder stroke reaches the maximum;α refers to the negative direction of CQ and y axis，and β refers to the included angle between MN and BN.圖3 液壓升降式打穴機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖Figure 3 Schematic diagram of movement of hydraulic lifting hole punching mechanism

構(gòu)建液壓升降式打穴機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖如圖3所示，以液壓升降式打穴機(jī)構(gòu)插桿末端初始安裝位置O為原點(diǎn)，水平方向為x軸方向，豎直方向為y軸方向建立平面直角坐標(biāo)系.分析機(jī)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動學(xué)方程，初定常量為：固定鉸支座M、N的長度lMN(mm),搖桿BN的長度lBN(mm)，O點(diǎn)到線段MN的垂直距離l1，N點(diǎn)到y(tǒng)軸的垂直距離l2，升降曲臂的尺寸.機(jī)構(gòu)初始安裝位置搖桿BN與MN的夾角β(82°)，液壓缸安裝在M(763,183)位置處.C和C1表示打穴機(jī)構(gòu)導(dǎo)向滑輪初始安裝位置和插桿打入土壤最深處的狀態(tài)，lAM、lA1M分別對應(yīng)液壓缸最小和最大行程的長度.通過逆向求解液壓缸活塞桿與升降曲臂鉸接點(diǎn)A的位置坐標(biāo)，建立打穴機(jī)構(gòu)關(guān)鍵鉸接點(diǎn)運(yùn)動學(xué)方程.

由圖3可知，打穴機(jī)構(gòu)桿件有下列幾何關(guān)系：

lBCsin(α+∠BCQ)-lBNcosβ=l2

(1)

升降曲臂與搖桿鉸接點(diǎn)B的運(yùn)動方程為：

C點(diǎn)的運(yùn)動方程為：

C點(diǎn)的速度方程為：

升降曲臂與活塞桿鉸接點(diǎn)A的運(yùn)動方程為：

把(2)式代入整理得A點(diǎn)的運(yùn)動方程為：

液壓油缸的行程：

S=lA1M-lAM

(7)

式中，∠BCQ=19°，∠ACQ=20°，∠MNB=82°，∠MNB1=112°，lAB=115mm，lBC=698 mm，lAC= 810 mm，lBN=400 mm，lMN=145 mm，l1=183 mm，l2=518 mm.將以上數(shù)值分別代入相應(yīng)計算公式，求得S=190 mm,即液壓缸行程確定為190 mm.液壓升降式打穴機(jī)構(gòu)具體尺寸如表2所示.

表2 液壓升降式打穴機(jī)構(gòu)各構(gòu)件參數(shù)表

3 打穴機(jī)構(gòu)ADAMS運(yùn)動仿真分析

針對上述機(jī)構(gòu)參數(shù)對打穴機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并利用三維造型軟件Solidworks完成打穴機(jī)構(gòu)三維虛擬裝配，將裝配體導(dǎo)入Adams[20]，并對缸筒與活塞桿之間添加移動副，滑輪與滑軌之間添加移動副，鉸支座與缸筒、搖桿，升降曲臂與活塞桿、搖桿之間添加轉(zhuǎn)動副，其虛擬仿真模型如圖4所示，得到打穴機(jī)構(gòu)搖桿和桿與升降曲臂鉸接點(diǎn)B的軌跡如圖5所示.添加完約束后在液壓缸與活塞桿上添加0.05*time移動函數(shù)，重力加速度默認(rèn)為 -9.806 65，設(shè)置仿真步數(shù)為200，工作步長設(shè)置為0.01，仿真時間為4 s,對其進(jìn)行運(yùn)動仿真.

圖4 液壓升降式打穴機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖Figure 4 ADAMS virtual simulation model

運(yùn)動初期受活塞桿推力作用液壓缸逆時針旋轉(zhuǎn)，搖桿也逆時針旋轉(zhuǎn)，鉸接點(diǎn)B的橫坐標(biāo)增大，縱坐標(biāo)減小，當(dāng)旋轉(zhuǎn)至與水平面的極限位置(仿真時間為1.0 s，β=65°)時，此時搖桿開始順時針旋轉(zhuǎn)，B點(diǎn)的橫坐標(biāo)開始減小，縱坐標(biāo)開始增大，當(dāng)搖桿旋轉(zhuǎn)至與水平面垂直(仿真時間為3.0 s，β=90°)時，B點(diǎn)橫坐標(biāo)繼續(xù)減小，縱坐標(biāo)也開始減小.位移曲線的斜率表示速度，由圖5可知，B點(diǎn)橫坐標(biāo)位移圖斜率先減小后增大，對應(yīng)的速度圖像也是先減小后增大.B點(diǎn)位移圖像縱坐標(biāo)出現(xiàn)兩次峰值，其對應(yīng)速度圖像的速度大小亦有兩次為零.從速度圖像可知，在整個過程中無明顯沖擊，運(yùn)動較平穩(wěn).

圖5 B點(diǎn)仿真位移、速度圖像Figure 5 Simulation of displacement and velocity at point B

打穴機(jī)構(gòu)活塞桿與升降曲臂鉸接點(diǎn)A的軌跡如圖6所示，鉸接點(diǎn)B的橫坐標(biāo)與A點(diǎn)類似，運(yùn)動過程亦無明顯沖擊，滿足機(jī)構(gòu)運(yùn)動的合理性.由噴氣肥口軌跡圖7可知，噴氣肥口沿Z軸縱坐標(biāo)豎直下降，在水平方向上沒有改變，滿足機(jī)構(gòu)設(shè)計的要求.

圖6 A點(diǎn)仿真位移、速度圖像Figure 6 Simulation of displacement and velocity at point A

圖7 噴氣肥口仿真位移圖像Figure 7 Displacement image of air jet fertilizer port simulation

利用ADAMS軟件仿真分析打穴機(jī)構(gòu)運(yùn)動情況，如圖8所示.

圖8 ADAMS運(yùn)動仿真軌跡Figure 8 ADAMS motion simulation trajectory

仿真結(jié)果表明，打穴機(jī)構(gòu)工作過程中，圖中A點(diǎn)做拋物線運(yùn)動，B點(diǎn)繞桿件BN做圓周運(yùn)動，滑塊C受滑軌約束做上下直線運(yùn)動.打穴機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的軌跡姿態(tài)，各個桿件之間不存在干涉情況，滿足液壓升降式打穴機(jī)構(gòu)的工作要求.

4 液壓升降式打穴機(jī)構(gòu)打穴性能試驗

4.1 試驗條件

試驗地選在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第二師二十九團(tuán)園藝二連庫爾勒香梨示范園，果園地形平坦.果園氣爆深松施肥機(jī)由煙臺嘉華車輛部件有限公司試制(圖9).

圖9 果園氣爆深松施肥機(jī)及打穴機(jī)構(gòu)Figure 9 Orchard gas explosion deep pine fertilizing machine and hole punching mechanism

土壤含水率和土壤堅實(shí)度是影響打穴插桿打入土壤中所受阻力的兩個重要因素，影響打穴的工作效率.且土壤堅實(shí)度與插桿所受阻力成正比，因此有必要對打穴插桿試驗地進(jìn)行土壤含水率和土壤堅實(shí)度的測定.

試驗儀器設(shè)備主要包括：浙江托普儀器有限公司生產(chǎn)的 TZS-Ⅰ型土壤水分測量儀(相對百分誤差：≤ 3%)，浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司生產(chǎn)的TJSD-750 型土壤堅實(shí)度測定儀(測量精度：±0.5%)，以及鋼卷尺、皮卷尺、秒表、小鐵鏟等[2].試驗地塊(長×寬)為80 m×60 m，土壤含水率為41.1%.選取5個測點(diǎn)，在0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70 cm土壤深度位置處用土壤堅實(shí)度測定儀測定土壤堅實(shí)度，測定的相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 土壤堅實(shí)度測定值

4.2 試驗方法

在上述測點(diǎn)附近進(jìn)行試驗.根據(jù)果園根系分布特征，初定打穴深度為650 mm.每次控制打穴深度(650 mm)，測定打穴時間.具體試驗步驟如下：氣爆深松施肥機(jī)行駛至定點(diǎn)位置后，按下“打穴”按鈕時同時啟動秒表，觀察打穴機(jī)構(gòu)標(biāo)尺，當(dāng)打穴深度達(dá)到650 mm時，關(guān)閉秒表然后讀數(shù)并記錄，以上過程重復(fù)5次.

4.3 試驗結(jié)果與分析

試驗數(shù)據(jù)如表4所示.

表4 試驗數(shù)據(jù)表

通過試驗測試結(jié)果可知，液壓升降式打穴機(jī)構(gòu)采取液壓傳動的方式，輸出的力較大，工作比較平穩(wěn)，易于實(shí)現(xiàn)快速起動、制動和頻繁地?fù)Q向，實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動.該機(jī)構(gòu)較好地實(shí)現(xiàn)果園氣爆深松施肥機(jī)打穴過程中打穴插桿垂直插入土壤的作業(yè)方式，且入土垂直度較高，平均值為88.73°.打穴效果如圖10所示.打穴深度達(dá)650 mm時，平均打穴時間為8.42 s，該機(jī)構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性；5個測點(diǎn)中測點(diǎn)1土壤堅實(shí)度最大值最小為2.98 Mpa，打穴時間最短為7.9 s，測點(diǎn)3土壤堅實(shí)度最大值為3.61 Mpa，打穴時間最長為9.0 s，滿足果園打穴深施的技術(shù).

圖10 打穴效果圖Figure 10 Punching effect picture

5 結(jié)論

1) 設(shè)計了一種液壓升降式打穴機(jī)構(gòu)，通過控制液壓油缸的行程可以控制打穴(施肥)深度，在液壓油缸強(qiáng)壓和錘擊裝置的聯(lián)合作用下，可以滿足堅硬犁底層或板結(jié)層的快速打穴作業(yè)，減少了打穴時間，提高了作業(yè)效率.

2) 通過對液壓升降式打穴機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，建立了打穴機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)模型，通過逆向分析確定了液壓缸的行程及活塞桿頂端的軌跡，行程S=190 mm；通過ADAMS仿真軟件驗證了模型的準(zhǔn)確性.

3) 進(jìn)行了田間試驗，驗證了機(jī)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性，打穴時間最短為7.9 s，打穴深度650 mm,打穴孔直徑為40 mm，入土垂直度較高，工作效率為225穴/h，試驗結(jié)果表明液壓升降式打穴機(jī)構(gòu)能夠滿足果園深施肥打穴的農(nóng)藝要求.