撓性夾盤式移栽機移栽過程中缽苗運動分析
2006 年 2 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 2 期 - 45 - 0 y o o mg mg x A 圖 1 缽苗翻轉運動模型 0 R 1 0 0 g 撓性夾盤式移栽機移栽過程中缽苗運動分 析 孫榮國,李成華,張 偉 (沈陽農(nóng)業(yè)大 學 工程學院,沈 陽 110161) 摘 要:撓性 夾盤式移栽機 工作過程中 ,缽苗在繞夾盤 軸心轉動的同 時 ,隨牽引動 力沿水平方向 勻速運動, 由此可 知, 缽 苗的 運 動是 沿 水平方 向運 動 和圓周 運動 的 合成。 為此 , 分析了 撓性 夾 盤式移 栽機 缽 苗運動 軌 跡及其翻轉運 動規(guī)律;求證 了翻轉運動方 程;探討了合 理的缽苗投苗 區(qū)間 , 證實了 特征系數(shù) >1 是撓性夾 盤式栽 植器 設 計及保 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 機移栽 部 件 (夾盤角度 )的設計及缽苗運動分析提供理論依據(jù)。 關鍵詞:農(nóng)業(yè)工程;撓性夾盤式移栽機;運動分析;缽 苗 中圖分類號: 獻標 識碼: A 文章編號: 1003 188X(2006)02 0045 03 1 缽苗的運動分 析 苗翻轉運動分析 移栽用缽 苗 的營養(yǎng)缽 由 草 炭 、 蛭石 和 壤土制成 , 在重 力作 用下, 缽苗 落地后 運動 過程的力學平衡方程為 11 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 0) , 忽略 缽 苗的彈跳 和 振 動 , 將 缽 苗 (試驗用缽苗 為 德制 苗機育植 )落地后的運動簡化 初始角速 度 1 為立方體剛體模型運動過程 。缽體 長度 35度 整理得 g0 0 (1) 35高 度 35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 30 如圖 1 所示。 式中 0o, 令 t , L ( ) F ( S ), 對方程 (1)兩側取 拉氏變換,并將初始條件代入 (1)式得 () g0 L t) 0 L t)按拉氏變換展開得 R s 2 F (s) s g s 1 0 0 s 2 2 s 2 2 即 F(s) g 1 (0) (0) (2) 0 2 ) 0 s(2 ) s 2)進行拉氏逆變換得 g 1 2t t) 1 2 1t)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)t ) (3) 設移栽機以速度 速前進 。在慣性 力作用下 ,缽 苗 繞 A 點 做 平 面 定 軸 轉 動 , 質(zhì) 心 回 轉 半 徑 為 式中 u(t) 階躍函數(shù)。 當 t 0 時, 有 u(t) 1。將 u(t) 1 代入式 (3), 得缽苗翻轉運動方程為 收稿日期: 2005 1 t t) 1 1t)(0) (0)t (4) 基金項目:教育部高等學校骨干教師資助項目 作 者 簡 介 : 孫 榮 國 ( 1981-) , 男 , 遼 寧 東 港 人 , 碩 士 研 究 生 ,( 0 2 0 2 通訊作者:李成華( 1958-) ,男,遼寧興城人 ,教 授 , ( 0 2006 年 2 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 2 期 - 46 - 苗移栽運動分析 缽苗在繞 夾 盤軸心 轉 動 的同時, 隨 牽引動力 沿 水平方向 勻 速運動。 移 栽時,缽 苗 的運動是 沿 水 平 2006 年 2 月 農(nóng) 機 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) g 方向運動 與 沿夾盤圓 周 運動的合 成 ,缽苗的 運 動 軌 跡參數(shù)方程為 x t t)y H R t) 式中 拖拉機前進速度, m/s; 夾盤轉動角速度, s; t 時間, s; H 夾盤轉動軸距離溝底的高度, R 缽苗轉動半徑, 特征系數(shù), R5) (6) (a)開溝器與投苗點的相對位置 (b) A 點投苗的結果 (c) B 點投苗的結果 (d) C 點投苗的結果 圖 3 投苗點的位置 缽苗運動軌跡的形狀取決 于 值的大小。 當 1 時,不能形成余擺線 環(huán)扣,如圖 2 所示。 缽苗運動 軌 跡曲線上 各 切點的方 向 就是缽苗 運 動的絕對速度方向。由圖 2 可知, 當 1 時, 在 軌跡曲線 上 不存在與 移 栽機前進 方 向相反的 水 平 速 度分量,要實現(xiàn)零速投苗是不可能的;當 1 時, 余擺線環(huán) 扣 的下半部 分 具有與移 栽 機前進方 向 相 反 的水平速度分量 ,才能 實現(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 投苗點的選擇 已有的試驗結果表明 ,為了保證缽苗移栽時 直 立,從夾 盤 上向下投 苗 時, 缽苗 在 水平方向 的 分 速 度應當為 零 ,稱為“ 零 速投苗” 原 理 1 。按照這一 原理,由式 (5)得 Rt) 0 當 1 時 , 有 兩個 解 , 即 圖 3(a)中 的 A 點 和 C 點。理論上,只 有 A 點和 C 點能夠?qū)崿F(xiàn)零速投 苗 。 如果在 A 點投苗 (如圖 3(b)所示 ), 此時夾盤雖 然 為 的 “零速 投 苗 ” , 但 此時 的投苗點 太 高 , 不利 于 缽 苗 的站立。即使缽苗直立,由于缽苗在 A 點以后存在 向后的水平速度分量,也會將缽苗向后推倒。 如果在 C 點投苗 (如圖 3(d)所示 ), 缽苗雖然 也 在“零速 投 苗”點, 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, 由于投苗在回土 流上,栽植的深度將發(fā)生變化。 實際的投苗點應當在余擺線 的 之間。 如 果在 A 點和 B 點之前投苗,夾盤會一邊向下運 動 , 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 點投苗 (如圖 3(c)所示 ),此時投苗點 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 點投 苗的傾角小 (如圖 3(b)所示 )。因此, 在 B 點以后 C 點以前投苗才是合理的。 投苗點必須在開溝器回土流之前, 既不能遠離 回土流, 也 不能在回 土 流之上。 如 果遠離回 土 流 , 秧苗可能傾倒,即在 A 點投苗可能出現(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 的相對位 置 對于栽植 質(zhì) 量 是 非常重要的 。 為了適應 不 同的土壤條件和栽培要求, 即 t) 1 R (7) 投苗點應當設計為可以調(diào)節(jié)的,在給定結構參數(shù)和 顯然,當 1 時,表明撓性夾盤式移栽器 無 法實現(xiàn)零速投苗;當 1 時,可以實現(xiàn)零速投苗; 當 1 時, 式 (7)只有 1 個解,為擺線的拐點, 也 是最低 點 , 其 水平速度 分 量為零 (有些研究認為 這 是 栽植參數(shù) 的 條件 下 , 理 論 上存在一 個 最佳的投 苗 點 。 3 結論 (1) 缽苗翻轉運動方程為 理想的投 苗 點 )。 不同投苗點的缽 苗 投放情況如圖 3 所示 。 1 t t) 0 2 1 1co(s 0 2 t) 0 t y R 1 1 H 1 x 圖 2 缽苗運動軌跡 2006 年 2 月 農(nóng) 機 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,也是設計的依據(jù)。 (3) 撓性夾盤式栽植器的投苗點應當設計在余 擺線最低點 B 點之后和 C 點之前,并注意投苗 點 與 開溝器的 相 對位置關 系 ,以避免 將 秧苗投放 在 回 土 流上 。 參考文獻: 1 周德義 ,馬成林 與分析 J2003,( 5) :572 封 均 ,秦 貴 栽 機 的 吊 環(huán) 分 析 與 設 計 準 則 J. 農(nóng)業(yè)機械學報 ,2002,(5): 483 李 其昀 ,魯善 文 ,李 麗 華 分缽式 栽植器的 試驗 研究 J2001,(2): 304 of 001,(1): 74 10161, of of it it be of is of is of so t is 1 is of it is t to of ey (上接第 44 頁 ) 參考文獻: 1 臧 英,高煥 文保護性 耕 作對農(nóng)田土 壤 風蝕影響 的試驗研究 J農(nóng)業(yè) 工 程學報, 2003 , 19(2): 562 朱朝 云 ,丁 國棟 ,楊 明遠 風 沙物 理學 M北 京: 中國林業(yè)出版社 ,1992. 3 臧 英 D. 北京:中國農(nóng)業(yè)大學, 2003 4 布倫格 爾 . 旱地農(nóng)業(yè)理論與實 踐 M. 北京 : 中 國農(nóng)業(yè)出版社 ,1987. 5 克 比 , 根 M京 : 水 利電力出版社 ,1985. 6 姚文藝風力侵蝕及其預報方 法 J. 中國水 土 保 持, 1994,(3):16D:1003 188X(2006)02 0043 63319,of of to as At it