撓性夾盤式移栽機(jī)移栽過程中缽苗運(yùn)動(dòng)分析

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2006 年 2 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 2 期 - 45 - 0 y ??o ??o mg mg x A 圖 1 缽苗翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模型 ??0 ??R ??1 ??0 0 ????g 撓性夾盤式移栽機(jī)移栽過程中缽苗運(yùn)動(dòng)分 析 孫榮國，李成華，張 偉 （沈陽農(nóng)業(yè)大 學(xué) 工程學(xué)院，沈 陽 110161） 摘 要：撓性 夾盤式移栽機(jī) 工作過程中 ，缽苗在繞夾盤 軸心轉(zhuǎn)動(dòng)的同 時(shí) ，隨牽引動(dòng) 力沿水平方向 勻速運(yùn)動(dòng)， 由此可 知， 缽 苗的 運(yùn) 動(dòng)是 沿 水平方 向運(yùn) 動(dòng) 和圓周 運(yùn)動(dòng) 的 合成。 為此 ， 分析了 撓性 夾 盤式移 栽機(jī) 缽 苗運(yùn)動(dòng) 軌 跡及其翻轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)規(guī)律；求證 了翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方 程；探討了合 理的缽苗投苗 區(qū)間 , 證實(shí)了 特征系數(shù) ??>1 是撓性夾 盤式栽 植器 設(shè) 計(jì)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(jī)移栽 部 件 (夾盤角度 )的設(shè)計(jì)及缽苗運(yùn)動(dòng)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(jī)；運(yùn)動(dòng)分析；缽 苗 中圖分類號(hào)： 獻(xiàn)標(biāo) 識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1003— 188X(2006)02— 0045— 03 1 缽苗的運(yùn)動(dòng)分 析 苗翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)分析 移栽用缽 苗 的營(yíng)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(yùn)動(dòng) 過程的力學(xué)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(dòng) ， 將 缽 苗 (試驗(yàn)用缽苗 為 德制 苗機(jī)育植 )落地后的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化 初始角速 度 ? ?? 1 為立方體剛體模型運(yùn)動(dòng)過程 。缽體 長(zhǎng)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(cè) 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(duì)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(jìn)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(jī)以速度 速前進(jìn) 。在慣性 力作用下 ，缽 苗 繞 A 點(diǎn) 做 平 面 定 軸 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 質(zhì) 心 回 轉(zhuǎn) 半 徑 為 式中 u(t) — 階躍函數(shù)。 當(dāng) t ＞ 0 時(shí)， 有 u(t) ＝ 1。將 u(t) ＝ 1 代入式 (3)， 得缽苗翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方程為 收稿日期： 2005???? ?1 ??t ?t)??? 1 ?1??t)?????(0) ???(0)t (4) 基金項(xiàng)目：教育部高等學(xué)校骨干教師資助項(xiàng)目 作 者 簡(jiǎn) 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(jī) 化 研 究 第 2 期 - 46 - 苗移栽運(yùn)動(dòng)分析 缽苗在繞 夾 盤軸心 轉(zhuǎn) 動(dòng) 的同時(shí)， 隨 牽引動(dòng)力 沿 水平方向 勻 速運(yùn)動(dòng)。 移 栽時(shí)，缽 苗 的運(yùn)動(dòng)是 沿 水 平 2006 年 2 月 農(nóng) 機(jī) 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(yùn)動(dòng) 與 沿夾盤圓 周 運(yùn)動(dòng)的合 成 ，缽苗的 運(yùn) 動(dòng) 軌 跡參數(shù)方程為 x ? ??t ????t)????y ??H ??R t) 式中 拖拉機(jī)前進(jìn)速度， m/s； ??— 夾盤轉(zhuǎn)動(dòng)角速度， s； t — 時(shí)間， s； H — 夾盤轉(zhuǎn)動(dòng)軸距離溝底的高度， R — 缽苗轉(zhuǎn)動(dòng)半徑， ??— 特征系數(shù)， ????R??5) (6) (a)開溝器與投苗點(diǎn)的相對(duì)位置 (b) A 點(diǎn)投苗的結(jié)果 (c) B 點(diǎn)投苗的結(jié)果 (d) C 點(diǎn)投苗的結(jié)果 圖 3 投苗點(diǎn)的位置 缽苗運(yùn)動(dòng)軌跡的形狀取決 于 ??值的大小。 當(dāng) ??≤ 1 時(shí)，不能形成余擺線 環(huán)扣，如圖 2 所示。 缽苗運(yùn)動(dòng) 軌 跡曲線上 各 切點(diǎn)的方 向 就是缽苗 運(yùn) 動(dòng)的絕對(duì)速度方向。由圖 2 可知， 當(dāng) ??≤ 1 時(shí)， 在 軌跡曲線 上 不存在與 移 栽機(jī)前進(jìn) 方 向相反的 水 平 速 度分量，要實(shí)現(xiàn)零速投苗是不可能的；當(dāng) ??＞ 1 時(shí)， 余擺線環(huán) 扣 的下半部 分 具有與移 栽 機(jī)前進(jìn)方 向 相 反 的水平速度分量 ，才能 實(shí)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(diǎn)的選擇 已有的試驗(yàn)結(jié)果表明 ,為了保證缽苗移栽時(shí) 直 立，從夾 盤 上向下投 苗 時(shí)， 缽苗 在 水平方向 的 分 速 度應(yīng)當(dāng)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(dāng) ??＞ 1 時(shí) ， 有 兩個(gè) 解 ， 即 圖 3(a)中 的 A 點(diǎn) 和 C 點(diǎn)。理論上，只 有 A 點(diǎn)和 C 點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)零速投 苗 。 如果在 A 點(diǎn)投苗 (如圖 3(b)所示 )， 此時(shí)夾盤雖 然 為 的 “零速 投 苗 ” ， 但 此時(shí) 的投苗點(diǎn) 太 高 ， 不利 于 缽 苗 的站立。即使缽苗直立，由于缽苗在 A 點(diǎn)以后存在 向后的水平速度分量，也會(huì)將缽苗向后推倒。 如果在 C 點(diǎn)投苗 (如圖 3(d)所示 )， 缽苗雖然 也 在“零速 投 苗”點(diǎn)， 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(huì)使缽苗更加向前傾斜。同時(shí)， 由于投苗在回土 流上，栽植的深度將發(fā)生變化。 實(shí)際的投苗點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在余擺線 的 之間。 如 果在 A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)之前投苗，夾盤會(huì)一邊向下運(yùn) 動(dòng) ， 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(diǎn)投苗 (如圖 3(c)所示 )，此時(shí)投苗點(diǎn) 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(huì)引起秧苗向后傾倒，但是傾倒的 角度比 A 點(diǎn)投 苗的傾角小 (如圖 3(b)所示 )。因此， 在 B 點(diǎn)以后 C 點(diǎn)以前投苗才是合理的。 投苗點(diǎn)必須在開溝器回土流之前， 既不能遠(yuǎn)離 回土流， 也 不能在回 土 流之上。 如 果遠(yuǎn)離回 土 流 ， 秧苗可能傾倒，即在 A 點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn) 的相對(duì)位 置 對(duì)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(diǎn)應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)為可以調(diào)節(jié)的，在給定結(jié)構(gòu)參數(shù)和 顯然，當(dāng) ??＜ 1 時(shí)，表明撓性夾盤式移栽器 無 法實(shí)現(xiàn)零速投苗；當(dāng) ???1 時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)零速投苗； 當(dāng) ??＝ 1 時(shí)， 式 (7)只有 1 個(gè)解，為擺線的拐點(diǎn)， 也 是最低 點(diǎn) ， 其 水平速度 分 量為零 (有些研究認(rèn)為 這 是 栽植參數(shù) 的 條件 下 ， 理 論 上存在一 個(gè) 最佳的投 苗 點(diǎn) 。 3 結(jié)論 (1) 缽苗翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方程為 理想的投 苗 點(diǎn) )。 不同投苗點(diǎn)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(yùn)動(dòng)軌跡 2006 年 2 月 農(nóng) 機(jī) 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(jì)的依據(jù)。 (3) 撓性夾盤式栽植器的投苗點(diǎn)應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)在余 擺線最低點(diǎn) B 點(diǎn)之后和 C 點(diǎn)之前，并注意投苗 點(diǎn) 與 開溝器的 相 對(duì)位置關(guān) 系 ，以避免 將 秧苗投放 在 回 土 流上 。 參考文獻(xiàn)： [1] 周德義 ,馬成林 與分析 [J]2003,（ 5） :57[2] 封 均 ,秦 貴 栽 機(jī) 的 吊 環(huán) 分 析 與 設(shè) 計(jì) 準(zhǔn) 則 [J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) ,2002,(5)： 48[3] 李 其昀 ,魯善 文 ,李 麗 華 分缽式 栽植器的 試驗(yàn) 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(xiàn)： [1] 臧 英，高煥 文．保護(hù)性 耕 作對(duì)農(nóng)田土 壤 風(fēng)蝕影響 的試驗(yàn)研究 [J]．農(nóng)業(yè) 工 程學(xué)報(bào)， 2003 ， 19(2)： 56[2] 朱朝 云 ，丁 國棟 ，楊 明遠(yuǎn) ．風(fēng) 沙物 理學(xué) [M]．北 京： 中國林業(yè)出版社 ,1992. 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