撓性夾盤式移栽機移栽過程中缽苗運動分析

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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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)運 動規(guī)律；求證 了翻轉(zhuǎn)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(shè) 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(shè)計及缽苗運動分析提供理論依據(jù)。 關(guān)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(zhuǎn)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 1????????????1 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 ???g??0 ???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(cè)取 拉氏變換，并將初始條件代入 (1)式得 (??) ??g?0 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 ?? ??2??t ??t)??? 1 ??2 ?1??t)???????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(shè)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(zhuǎn) 動 ， 質(zhì) 心 回 轉(zhuǎn) 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(zhuǎn)運動方程為 收稿日期： 2005???? ?1 ??t ?t)??? 1 ?1??t)?????(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(zhuǎn) 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(zhuǎn)動角速度， s； t — 時間， s； H — 夾盤轉(zhuǎn)動軸距離溝底的高度， R — 缽苗轉(zhuǎn)動半徑， ??— 特征系數(shù)， ????R??5) (6) (a)開溝器與投苗點的相對位置 (b) A 點投苗的結(jié)果 (c) B 點投苗的結(jié)果 (d) C 點投苗的結(jié)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(jié)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(yīng)當為 零 ，稱為“ 零 速投苗” 原 理 [1] 。按照這一 原理，由式 (5)得 ????R??t) ??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(yīng)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(yīng) 不 同的土壤條件和栽培要求， 即 t) ?????1 R? ??(7) 投苗點應(yīng)當設(shè)計為可以調(diào)節(jié)的，在給定結(jié)構(gòu)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(jié)論 (1) 缽苗翻轉(zhuǎn)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 ?1??co（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(shè)計的依據(jù)。 (3) 撓性夾盤式栽植器的投苗點應(yīng)當設(shè)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(guān) 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 [J]2003,（ 5） :57[2] 封 均 ,秦 貴 栽 機 的 吊 環(huán) 分 析 與 設(shè) 計 準 則 [J]. 農(nóng)業(yè)機械學報 ,2002,(5)： 48[3] 李 其昀 ,魯善 文 ,李 麗 華 分缽式 栽植器的 試驗 研究 [J]2001,(2)： 30[4] ]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)： 56[2] 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(yù)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