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： 献标 识码： A 文章编号： 1003 188X(2006)02 0045 03 1 钵苗的运动分 析 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 ， 在重 力作 用下， 钵苗 落地后 运动 过程的力学平衡方程为 11 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 0) ， 忽略 钵 苗的弹跳 和 振 动 ， 将 钵 苗 (试验用钵苗 为 德制 苗机育植 )落地后的运动简化 初始角速 度 1 为立方体刚体模型运动过程 。钵体 长度 35度 整理得 g0 0 (1) 35高 度 35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 30 如图 1 所示。 式中 0o， 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 () g0 L t) 0 L t)按拉氏变换展开得 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)进行拉氏逆变换得 g 1 2t t) 1 2 1t)因移栽作 业 速度较低 且 比较稳 定 ， 为 便于分析 ， (0)u(t ) (0)t ) (3) 设移栽机以速度 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 1 t t) 1 1t)(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 ，（ 0 2 0 2 通讯作者：李成华（ 1958-） ，男，辽宁兴城人 ,教 授 ， （ 0 2006 年 2 月 农 机 化 研 究 第 2 期 - 46 - 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) 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 t)y H R t) 式中 拖拉机前进速度， m/s； 夹盘转动角速度， s； t 时间， s； H 夹盘转动轴距离沟底的高度， R 钵苗转动半径， 特征系数， R5) (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 Rt) 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 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 t) 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 。 1 t t） 0 2 1 1co（s 0 2 t） 0 t y R 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 与分析 J2003,（ 5） :572 封 均 ,秦 贵 栽 机 的 吊 环 分 析 与 设 计 准 则 J. 农业机械学报 ,2002,(5)： 483 李 其昀 ,鲁善 文 ,李 丽 华 分钵式 栽植器的 试验 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 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)： 562 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 D. 北京：中国农业大学， 2003 4 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 克 比 ， 根 M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):16D:1003 188X(2006)02 0043 63319,of of to as At it