往复直插式麦冬播种装置的设计与优化.pdf
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1、第 卷第 期 年 月西南科技大学学报 :收稿日期:;修回日期:基金项目:四川省科技厅重点项目()作者简介:第一作者,何云飞(),男,硕士研究生,:;通信作者,钟良,男,博士,教授,研究方向为表面工程及增材制造、机械设计等,:往复直插式麦冬播种装置的设计与优化何云飞钟良党兴(西南科技大学制造科学与工程学院四川绵阳 )摘要:为了改善川麦冬播种条件,提高播种效率,基于麦冬苗特性和农艺要求,设计了一种基于曲柄摇块机构的往复直插式麦冬播种装置,实现了以单个电机作为唯一动力完成从苗盘中取苗和播种的动作。运用 编写了播种装置的运动学辅助分析软件讨论部分机构参数对运动轨迹的影响并得到了较优初始值,以理想的播种
2、运动轨迹作为目标对参数进行优化得到了最优结果。运用 和 进行建模仿真,验证了优化结果的可行性。该研究可为麦冬播种机的设计提供理论参考。关键词:播种装置曲柄摇块机构运动学仿真麦冬中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,):,:;麦冬为百合科沿阶草属多年生常绿草本植物,具有极高的药用与保健价值。四川省三台县作为优质麦冬主要产区,麦冬产量占全国总产量的 以上,出口产量占全国 ,是中国国家地理标志产品 。由于川麦冬的播种环节完全依靠人工,生产效率低,劳动强度大,阻碍了川麦冬种植业的发展。实施农业机械化可以减少劳动力的投入,提高农业生产效率,是现阶段在农作物种植上降低人工书书书成本、提高农业经济效益
3、的有效手段 。欧美等发达国家从 世纪 年代就开始了播种机械化研究,由于地广人稀,人均耕地面积较大,设计的自动播种装置多以大型、高速为主,播种效率高、工作稳定,适用于大田大规模种植,现已实现播种机械化 。我国播种栽植机械研究起步较晚,世纪 年代才开始研发。由于我国种植农作物的种类繁多,目前小麦、水稻、玉米等大田农作物播种栽植的机械化程度较高,而瓜果蔬菜、花卉苗木、中药材等作物的播种栽植机械化在经济性、实用性方面不尽人意 。现已成熟的播种栽植装置主要有钳夹式、导苗管式、链夹式、扰性圆盘式和吊篮式。近年来,针对特定作物的播种装置相继出现。黄磊 设计了一种两行乘坐式蔬菜穴盘苗自动栽植机。采用整排间隔取
4、苗,具有穴苗自动输送、分苗机构依次投苗和鸭嘴栽植器同步栽植等功能。张凌峰 测试了芦蒿苗杆形态、弯曲强度等物理性质,分析了芦蒿苗杆在载荷施加下的位移变形,通过改进栽植机的鸭嘴式机械结构来实现芦蒿的扦插动作。姚晗 设计了一种挠盘式大葱栽植机,研究了挠盘式播种装置的特征参数和葱苗在挠盘中的运动轨迹,对葱苗运动参数和挠盘聚合角进行了计算分析。上述研究都是通过改进已成熟的播种栽植装置来满足不同作物的种植需求,但对于种植要求特殊的中药材等作物不具有适用性,所以运用现代设计方法,针对有较高价值的农作物的形貌特征和播种要求设计播种栽植装置成为热点 。为了减轻麦冬种植户的劳动强度,提高种植效率,降低经济成本,本
5、文针对川麦冬苗的形貌特征以及种植的农艺要求,设计了一种基于曲柄摇块机构的往复直插式麦冬播种装置,利用曲柄摇块机构的特点,实现了以单个电机作为唯一动力完成从苗盘中取苗和播种的动作。建立了播种装置的运动学数学模型,利用 编写了麦冬播种装置的运动学分析软件,分析讨论了部分参数对播种轨迹的影响,以理想的运动轨迹为目标对机构参数进行了优化设计,利用 和 建立播种装置的虚拟样机验证了优化结果的可行性。麦冬播种装置设计要求麦冬苗根状茎短粗,生多数须根,直径 ,长 ,宽 ,光滑,具脉 条。播种方式为分株播种,每年 月将母株挖出后去掉块根,选择较为优质的苗切须做种,其种植深度为 ,株距为 ,行距为 。现有的播种
6、机不能满足川麦冬的播种要求 。根据川麦冬种植的农艺以及种植户的要求,麦冬播种装置的设计应满足以下要求 :结构简单,操作方便;栽种直立度高,保证麦冬苗正常生长;制造成本低,农户易接受。麦冬播种装置工作原理 麦冬播种装置设计如图 所示,曲柄摇块机构以曲柄作为主动件,曲柄做旋转运动,通过连杆驱动摇块做往复摆动,其特点是在单一的动力条件下连杆与摇块可以做转动和滑动的复合运动 。利用这一特点,以曲柄摇块机构结构为主,设计了一种往复直插式麦冬播种装置实现取苗和播种,并采用排插式保证行距。图 为一个工位的麦冬播种装置的简图。该麦冬播种装置由摆角放大机构和播种机构组成。摆角放大机构由驱动电机、摇块、连杆、摆杆
7、组成,作为播种装置的动力输入部分。播种机构主要由从动杆、图 曲柄摇块机构原理图 图 麦冬播种装置设计简图 西南科技大学学报第 卷播种臂、苗夹、滚轮、挡杆组成,滚轮可在播种臂侧板的槽中转动,播种臂末端装有苗夹,苗夹开合装置通过与挡杆配合可控制苗夹开合。工作原理图 为摆角放大机构的原理图,其中 为输入曲柄,为机架,与竖直方向有一个倾斜角度,曲柄 与连杆 组成转动副,连杆 与摇块 、摇块 组成移动副,摆杆 与摇块 组成转动副。曲柄回转时,连杆 既以摇块 的中心 点转动又与摇块 作相对滑动,从而使 绕点 处轴实现大角度摆动。图 为播种机构的原理图,滚轮与播种臂侧板滑槽的相对运动可简化为曲柄摇块机构。从
8、动杆 作为输入曲柄,摆杆 始终与从动杆 平行。为机架,为播种臂,曲柄 与播种臂 组成转动副,播种臂 与摇块 组成移动副,摇块 与机架 组成转动副。当 进行圆周运动时,播种臂 末端苗夹 点的运动轨迹为一对称的蚌型曲线,对称轴与 点、点连线重合,蚌型曲线的顶点在该对称轴上。当从动杆 跟随摆杆 在一定范围内摆动时,点的运动轨迹是蚌型曲线的一部分,成“”字形。根据总体设计,进行播种动作时整机不移动,所以整机每移动一个株距停止后,曲柄 旋转一周,带动播种臂 运动,通过播种臂上的苗夹开合装置控制苗夹在 点抓取麦冬苗,苗夹处于 点松开幼苗并且速度为零,完成播种动作,即 为取苗段,为播种段,为返程段。曲柄摇块
9、机构拥有急回特性,返程比往程要快,为了保证麦冬苗栽插平稳,通过电机驱动曲柄 顺时针旋转,使取苗播种的速度小于返程的速度。图 摆角放大机构原理图 图 播种机构原理图 麦冬播种装置分析模型的建立、参数的优化及验证 运动学模型的建立与参数影响分析 运动学模型的建立由于传统图解法的计算效率以及计算精度并不理想,所以采用复数矢量法代替图解法,对往复直插式麦冬播种装置进行动力学分析,通过机构之间的位置关系建立方程,并对时间进行求导,得到各构件的位移、速度、加速度方程 。根据复数矢量法的相关原理,以曲柄 输入轴 点位置为中心建立坐标轴,将麦冬播种装置分为多个封闭的矢量图形,分别建立矢量方程。如图所示,该装置
10、能够分成 个不同的封闭矢量图形。()封闭的矢量图型 将 ,设为矢量,得到矢量方程:()其复数形式表示为:()将式()分离实部与虚部,得:()由式()可求得变量:,。式()对时间 求一次导数,得到速度关系式:()由式()可得变量:,。式()对时间 求二次导数,得到加速度关系式:()第 期何云飞,等:往复直插式麦冬播种装置的设计与优化由式()可求得变量:,。式()式()中:为 转动的角速度;为 转动的角速度;为 转动的角加速度;为 转动的角加速度;为 变化的速度;为 变化的加速度。()封闭的矢量图型 将 ,设为矢量,得到矢量方程:()其复数形式表示为:()将式()分离实部与虚部,得:()由式()可
11、求得变量:,。式()对时间 求一次导数,得到速度关系式:()由式()可求得变量:,。式()对时间 求二次导数,得到加速度关系式:()由式()可得变量:,。式()式()中:为 转动的角速度;为 转动的角速度;为 转动的角加速度;为 转动的角加速度;为 变化的速度;为 变化的加速度。()封闭的矢量图型 将 ,设为矢量,得到矢量方程:()其复数形式表示为:()将式()分离实部与虚部,得:()由式()可得变量:,。式()对时间 求一次导数,得到速度关系式:()由式()可得变量:,。式()对时间 求二次导,得到加速度关系式:()由式()可求得变量:,。式()式()中,为 转动的角速度;为 转动的角速度;
12、为 转动的角加速度;为 转动的角加速度;为 的变化速度;为 的变化加速度。对播种臂末端苗夹 点的运动状态进行分析。的坐标位置方程为:()()()点的速度方程:()点的加速度方程:()点运动方程的变量可根据几何关系由上述封闭矢量图形运动方程的变量传递得到。由图 可知,。图 播种装置机构简图 西南科技大学学报第 卷 机构的压力角分析为了保证传力性能良好,机构压力角一般不超过 ,当压力角接近 时,机构会产生自锁,从而不能运转。如图 所示,杆 对杆 的作用力 与 点的速度 之间的夹角 为该机构的压力角,由图 可推导出计算公式为:()现已确定设计参数 ,。根据上节已推出的公式,以曲柄 朝 轴正方向为初始
13、位置,得到曲柄顺时针旋转一周压力角的变化如图 所示。当摆杆 与机架 重合时,压力角达到最小,当摆杆 到达极限位置时,压力角达到最大,压力角在机器运动过程中始终不超过 ,所以传力效果满足设计要求。图 压力角示意图 图 压力角的变化曲线 部分机构参数与播种轨迹的关系根据第二节方程建立麦冬播种装置运动的数学模型,利用 中的 模块编写辅助分析软件,其人机交互界面如图 所示,通过输入麦冬播种装置不同的参数可得到不同的播种轨迹以及运动学特性,通过分析可总结出各变量对轨迹的影响规律,并以理想作业性能为目标进行参数优化。现已确定曲柄 长度 、机架 长度 、机架 长度 、摆杆 长度 ,讨论曲柄 长度、播种臂 长
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