挠性圆盘栽植机构的运动轨迹分析.docx

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挠性圆盘栽植机构的运动轨迹分析

挠性圆盘栽植机构的运动轨迹分析

挠性圆盘在作业过程中，除了自身绕圆盘中心转动同时，同时还在水平方向随拖拉机前进方向移动，因此挠性圆盘所做的是沿水平移动与圆周运动的合成复合运动[15]。

由图2-1挠性圆盘边缘的任意一点的轨迹方程为：

（2-1）

式中分别为圆盘边缘任意点的水平位移和垂直位移，单位为,机为机组的前进速度，单位为，为挠性圆盘运动的角速度，单位为，为时间，单位，为圆盘中心距地面高度，单位为，为挠性圆盘的栽植半径，单位为。

对上述公式左右两侧进行一阶求导，得到圆盘边缘任意一点的速度方程：

（2-2）

式中和分别为圆盘边缘任意点的水平速度分量，垂直速度分量，单位为，其速度合成得到公式：

（2-3）

由式中为圆盘边缘任意点的合成速度，单位为。

按“零速投种”理论，投种的水平速度为零时，是最理想的种苗投放状态，此时的水平分量的值为零，但是实际作业过程中发现，对于不同的作物，其种植要求并不能被零速投种满足，因此比较分析比较投放点的水平分量不同方向和大小对移栽机的设计十分重要[16]。

在蔓越莓移栽过程中，秧苗沿圆盘边缘运动，秧苗下落的初始速度被栽植点的水平速度的大小影响，对秧苗下落后的位置和姿态重要参数，从式可以看其水平速度分为三种情况，分别为。

因此引入挠性圆盘运动轨迹的特征参数，其意义是挠性圆盘释放点的线速度与机组的前进速度的比值：

（2-4）

式将带入公式2-2得公式:

（2-5）

令，得：

（2-6）

，即：

（2-7）

，即：

（2-8）

我们可以通过上述公式得到蔓越莓移栽圆盘边缘点的轨迹，如图2-2所示，下面从三种不同情况进行分析：

图2-2挠性圆盘栽植轨迹图

Fig2-2Trajectoryschematicdiagramofflexibledisktransplanter

当，，挠性圆盘边缘任意点的运动轨迹形状为摆线，且只在最低点有一个水平速度为零的拐点。

根据“零速投种”原理[17]，原则上满足此种情况时最能满足秧苗的直立度，但是，不同于颗粒状种子，秧苗长度较长，在被释放后，挠性圆盘下落过程中，秧苗部分仍与挠性圆盘栽植器相接触，随着整个机组向前行进，秧苗会被带着向前移动，另外在覆土铲作用下，土壤有向前的移动速度，会对秧苗产生向前的冲力，因此会造成秧苗向前倾斜，所以当，不是满足秧苗直立度的最佳情况。

当，，挠性圆盘边缘任意点的运动轨迹为短摆线，由图可知此时，挠性圆盘边缘任意点的沿机组前进方向的水平分速度与机组前进方向相同，因此无论在挠性圆盘边缘任意一点释放秧苗，都会存在与沿前进方向一致的水平分速度，所以，秧苗一定会有向前倾斜的趋势，如果覆土不够及时，秧苗会横在垄沟里，不能满足秧苗直立要求。

当，，此时挠性圆盘边缘的任意点的运动轨迹为余摆线，由图可以看到轨迹上出现环扣，在环扣两侧a点和b点都会产生秧苗在释放瞬间绝对运动速度与机组的前进方向相反，秧苗会有向后倾斜的趋势，但是在覆土铲作用下，向后倾斜的秧苗会被土流向前的冲击力所影响，从而将秧苗向前扶正，当然秧苗释放点的水平向后的绝对运动速度不能过大，否则，秧苗的倾斜无法被土流的冲击力克服，使秧苗栽植完成后仍然向后倾斜[18]。

因此所设计的移栽机应该选择合理的结构和参数，以满足秧苗对直立度的要求，保证秧苗移栽成功率。

2.4秧苗输送和栽植过程运动学分析

秧苗在输送机构和圆盘上的运动学分析

秧苗在输送和栽植过程中，完成秧苗输送机构与挠性圆盘栽植机构的配合是最重要的环节之一。

秧苗被夹姿态合的理性是为下一步栽植成功提供了有力保障。

因此对秧苗在秧苗输送机构和圆盘栽植机构上的运动学分析十分必要，可以对秧苗的整个运动情况进行更系统的了解，对秧苗输送和栽植机构的设计做好基础研究。

在之前的分析过程中已经得到了秧苗在挠性圆盘机构上的运动过程，位移方程为2-1，速度方程为2-2，则对位移方程求二阶导得到圆盘边缘任意点的角加速方程是为：

（2-9）

秧苗输送机构的正常作业是靠同步带齿轮转动带动同步带转动，使秧苗随同步带运动，时间为t，为方便分析，建立如图2-3所示坐标系：

图2-3秧苗在同步带秧苗输送装置上的运动分析图

Fig2-3seedlinginseedlingsynchronousbeltconveyingdevicemovement

秧苗在同步带上的传动，其秧苗相对机架的位移方程为：

（2-10）

式中α为同步带与水平面之间的夹角。

同步带转速为，则得公式：

（2-11）

秧苗相对机架的速度方程为:

（2-12）

通过计算并对计算结果进行分析，得到如图2-4所示蔓越莓的栽植情况。

从图上可以看出为了秧苗能在秧苗输送机构和挠性圆盘栽植机构的顺利交接，秧苗必须能成功从秧苗输送机构输送到挠性圆盘的夹持点A，如果在A点之前释放秧苗则圆盘不能夹住，即使夹住也不能保证秧苗的夹持位置和姿态，也不能保证保持夹持长度合适。

1同步带2挠性圆盘3秧苗4地面

图2-4秧苗输送和栽植配合示意图

Figure2-4Seedlingconveyingandplantingwithsketchmap

秧苗释放后的运动分析

根据挠性圆盘的工作原理和对其运动轨迹的分析可知，秧苗在夹持点受两个圆盘之间的压力所产生的摩擦力作用，其运动是随圆盘转动的转速和随机组水平向前速度的合成，秧苗在圆盘释放点所受的压力因圆盘夹角变大而消失，同时摩擦力消失，秧苗被释放，在秧苗根部接触到土壤之前，秧苗只受重力作用，且质心设在秧苗中心，因此此时秧苗除了有水平和转动的合成运动，还有受重力作用的自由落体运动。

根据上述条件建立如图2-5所示秧苗释放后的运动模型，如图所示，画出来秧苗被释放位置和秧苗根部接触地面的位置示意图，以地面水平方向为轴，以沿圆盘中心垂直方向为轴，坐标原点为。

秧苗从夹持到释放的夹角为，秧苗接触地面之后与地面的夹角为，圆盘中心距地面距离为，秧苗质心点为,其圆盘角速度为，秧苗长度为。

因此秧苗释放位置质心的坐标为，接触土壤质心坐标为。

图2-5秧苗投放示意图

Figure2-5diagramofseedlinglanding

秧苗释放后的旋转角度δ为：

（2-13）

则秧苗整个运动过程中旋转的角度θ：

（2-14）

秧苗的垂直方向的运动为自由落体，其质心在垂直方向纵坐标为：

（2-15）

（2-16）

因此秧苗下落距离为：

（2-17）

秧苗释放时，其垂直方向的原始速度为：

（2-18）

秧下落时间为，根据重力加速度原理，秧苗垂直下落速度为：

（2-19）

则秧苗垂直位移为：

（2-20）

带入公式化简得到

（2-21）

秧苗的水平位移的大小是直接影响到秧苗的最后栽植姿态，分析得到方向位移公式为：

（2-22）

将特征参数带入公式得到水平方向的位移为：

（2-23）

秧苗根部接触到土壤后，秧苗的运动变成了以秧苗与土壤接触点为圆心的圆周转动，根据上述对圆盘边缘轨迹分析得知当λ>1时，其速度合速度方向是与机组前进方向相反，能减小秧苗的倾角，由公式可知，其合速度越大，秧苗的水平位移越大，但是如果合速度过大，则会扶持秧苗过度，同样使秧苗倾斜，合适的λ值能保证秧苗的直立，因此在移栽机设计过程中应该十分注重λ值，以便实现移栽机设计的合理性。

2.5传动系统设计

由地轮驱动的移栽机在工作过程中容易产生滑移现象，影响栽植效果，这是移栽机工作过程中不可比避免的，但是可以通过设计减小滑移率，因此本文所设计的挠性圆盘式蔓越莓移栽机将利用拖拉机后轮充当地轮，后轮的转动作为移栽机的输入动力，这样可以减小滑移率，保证移栽机的栽植质量。

在田间作业过程中，移栽机在拖拉机的牵引力作用下向前行进。

整个移栽机的动力传动系统如图所示，拖拉机后轮与链轮连接，动力通过链轮与的传动，带动所安装的移栽机动力轴转动，动力轴上的链轮与链轮的传动作为给秧苗输送机构的输入动力，为改变传动方向，设计圆锥齿轮和的齿轮传动，带动同步带齿轮和的转动，实现秧苗输送的动力传递，动力轴上的链轮带动链轮转动，驱动挠性圆盘栽植器的转动，完成秧苗的栽植动作，而左侧的动力传动过程与右侧结构对称，传动部件选择相同，从而完成整个移栽机的动力传递过程。

图2-6传动路线图

Fig.2-6Transmissionroute

2.6挠性圆盘式移栽机的基本参数计算

为了便于设计，需计算移栽机的设计参数，以满足移栽机的移栽功能。

下表1-1是挠性圆盘式移栽机设计的基本参数：

表1-1挠性圆盘式移栽机设计的基本参数

Table1-1basicdesignparametersofflexibledisctransplanter

符号

意义

备注

栽植频率：

单位时间内移栽机移栽秧苗的株数

栽植株距

根据所移栽的农作物的农艺要求确定

整体前进速度

即拖拉机牵引速度

秧苗输送机构秧槽之间的距离

栽植圆盘半径

栽植圆盘转速

拖拉机后轮半径

拖拉机后轮转速

圆盘栽植器转速

秧苗输送机构动力输出转速

秧苗输送机构的带速

传送带送苗处运动半径

同步带向圆盘投苗的最大时间间隔

移栽机输入动力与所设计挠性圆盘栽植机构的传动比

地轮输入动力与秧苗输送机构的传动比

特征参数

在计算蔓越莓移栽机的设计参数之前应该先了解其工作的固定条件，移栽机工作时，假设挠性圆盘的栽植频率固定，根据蔓越莓移栽的农艺要求，蔓越莓的栽植株0.15-0.2m，由于地轮为拖拉机后轮，因此不考虑滑移率。

根据这些固定条件进行设计参数的计算：

地轮的转动角速度为：

（2-24）

地轮的转速，即动力输入转速为：

（2-25）

动力经过传动系统，分配到圆盘栽植机构转速为：

（2-26）

此时圆盘栽植器的角速度为：

（2-27）

圆盘边缘的线速度：

（2-28）

秧苗输送机构动力输出转速，即同步带轮工作转速为：

（2-29）

同步带秧苗输送装置的角速度为：

（2-30）

由此得秧苗输送机构同步传送带的线速度为：

（2-31）

式中为同步带的节距长度。

秧苗输送机构的苗槽间距为：

（2-32）

栽植频率，机组前进速度，和株距之间的关系为：

（2-33）

由公式可知，目前的挠性圆盘的秧苗输送大部分采用人工喂苗，由人工将秧苗投放如秧苗输送机构，传统的极限栽植频率为60，一般为40—60，因此一般取秧苗的栽植频率为50，秧苗的投放速度虽然能被本文所设计的秧苗输送机构大大增大，但是由于投放频率被人所限制，设栽植频率为150，根据蔓越莓移栽的农艺要求，蔓越莓的栽植株距为0.20，因此在不考虑滑移率的情况下，可得移栽机的前进速度为0.5。

根据蔓越莓移栽的农艺要求，设计挠性圆盘式蔓越莓移栽机的重要设计参数选取如下：

地轮直径为900，，挠性圆盘直径为，得到计算株距。

由于拖拉机的后轮滑移率趋近于零，因此对移栽机工作的影响因素不考虑滑移率。

通过对挠性圆盘移栽机构的轨迹分析可知，当特征参数时，能满足秧苗直立的条件，因此整个移栽机的设计必须保证能λ的大小可以变化，为此本文设计的传动系统采用链轮传动，用改变链轮的传动比来使特征参数可以调节，以便找到合适的数值。

本文选择与作者设计的移栽机