吊杯式栽植器的结构改进与参数化设计

王玉伟，李旭英,张　波,鲁国成,何生根

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特　010018)



吊杯式栽植器的结构改进与参数化设计

王玉伟，李旭英,张波,鲁国成,何生根

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特010018)

摘要：吊杯式栽植器是吊杯式移栽机的核心部件，其结构尺寸及运动规律直接影响到秧苗的栽植质量。为了使移栽机在工作过程中减小打穴穴口的尺寸，从而减小对地膜的损害程度，从栽植器的结构与尺寸参数入手，对吊杯的结构安排及各零部件的尺寸进行了改进，利用Pro/E完成了修改后的三维模型；同时，利用pro/program对修改过后的栽植器整体进行了参数化设计，分析了空间凸轮的大小、形状的改变对栽植器杯嘴开合幅度的影响，确定了各参数之间的关系。为适应不同作物的农艺要求，当投苗杯大小发生改变时，吊杯各零部件在保证栽植质量的前提下完成相应的变化，无需重新建立和装配模型，为后续运动仿真节省了重复建模的时间。其研究结果为进一步优化栽植器的结构提供了理论依据。

关键词：吊杯式栽植器；结构改进；空间凸轮；参数化设计

0引言

移栽是蔬菜生产过程中的重要环节之一，具有对气候的补偿作用和使作物生育提早的综合效益。尤其是膜上移栽，具有利于增温调湿、改善作物生长环境、提高肥料利用率、减轻杂草和病虫危害、缩短作物生育期、移栽时不伤根及不缓苗的优点[1-2]。目前研制的能在地膜上移栽的机械主要为吊杯式移栽机和水轮式移栽机，并且多停留在实验阶段[3-5]。吊杯式移栽机就是一种能够实现膜上移栽的半自动栽植机器。到目前为止很多学者对移栽机的运动规律和栽植过程进行了研究，但对于栽植后的栽植质量和在膜上打穴后的穴口大小研究的甚少。由于膜上移栽是在地膜上打穴，如果穴口形成的尺寸过大，会使地膜失去作用，达不到膜上移栽的目的，这也是制约吊杯式移栽机推广应用的主要原因。

影响穴口尺寸的因素较多，经研究发现其主要与吊杯式栽植器的运动特性和结构参数有关，所以在保证栽植运动特性的前提下对栽植器进行了结构改进，使得穴口尺寸更加合理。本文在分析吊杯式移栽机的工作原理和各结构参数之间的关系后，建立了改进过后吊杯式栽植器的三维实体模型，探索了影响穴口开合大小的各参数之间的关系。同时，对吊杯整体结构进行了参数化设计，当吊杯关键部件尺寸发生变化时无需重新建模与装配，即可获得所需要的栽植器模型，提高了设计效率。

1栽植器结构的改进

移栽过程中穴口的大小可以用穴口横向及纵向尺寸来衡量。横向尺寸是栽植器杯嘴完全打开时在土表以下形成的，其方向与机器前进的方向垂直。当栽植器做水平前移和圆周运动的复合运动时,杯嘴的具体运动为摆线形式。为保证栽植效果要确保特征系数λ>1[6-7]，此时在机器前进的方向上形成的穴口大小为纵向尺寸。在保证栽植质量的前提下应尽量减小穴口横向、纵向尺寸。

移栽机的运动特性不符合要求或者栽植器的结构尺寸不合理，都会产生地膜开口过大的现象。所以，若想减小穴口尺寸应在选择合理的特征系数λ下，合理安排栽植器的结构尺寸。在保证栽植质量的前提下使得杯嘴的打开程度尽量减小，如此栽植器以摆线形式向前滑移时，则穴口会相应地减小。本文是在运动特性不变时(即λ不变)优化栽植器的结构参数，降低穴口的尺寸。

改进后的栽植器是在现有的吊杯式移栽机构的结构原理基础上进行改进和设计的[8]，其主要结构如图1所示。

1.1栽植器杯嘴的改进

本次设计在原有栽植器的基础上进行了实际调查，了解到蔬菜育苗时穴盘的标准尺寸为540mm×280mm，而栽植中常用的穴盘的穴数为V50、V72、V128、V200等[9]。目前，采用的吊杯式栽植器的投苗杯口径为80mm，若通过穴数为V128、V200培养的秧苗依然使用口径为80mm的栽植器，则在栽植过程中形成的穴口尺寸相对秧苗来说比较大，应将投苗杯的口径缩小到适合钵苗大小。图1所示为栽植器口径为60mm时的模型。当移栽机栽植较小秧苗时，投苗杯口径应减小，但投苗杯口径减小后，杯嘴旋转主轴容易与投苗杯发生干涉，故将杯嘴主轴移到挂柄外侧；同时，为了简化挂柄的加工工艺，省去了挂柄的折弯。

1.投苗杯　2.复位弹簧　3.滚动轴承　4.挂柄　5.吊杯主轴

若投苗杯口径减小，杯嘴尺寸也应当减小。变化后的杯嘴插入到地表以下进行打穴时必然会减小穴口的横向尺寸。杯嘴由方形变为圆弧形，省去了方形杯嘴两侧的折弯空间，当杯嘴在土壤中纵向滑移时，使得地膜的损坏程度减小。图2为改进前的杯嘴，图3为改进后的杯嘴。

图2　改进前杯嘴

图3　改进后杯嘴

1.2建立空间凸轮与杯嘴开合的关系方程

栽植器通过两边的转柄和弹簧卡子固定在移栽机的转盘上，而移栽机转盘的安装位置一般情况下是固定不动的，所以要求两转柄之间的距离不能发生变化，当投苗杯的尺寸发生变化时，必须修改空间凸轮的大小来确保栽植器杯嘴的开合规律，如图4所示。空间凸轮的高度直接影响杯嘴的打开程度，而凸轮的形状影响到杯嘴开合的规律[8]。

图4　空间凸轮大小与杯嘴开合的关系

空间凸轮与滚动轴承的有效接触长度为

式中h—空间凸轮的高度；

s1—转柄右侧到投苗杯左侧的距离；

s2—杯嘴主轴到投苗杯左侧的距离；

l1—杯嘴主轴到轴承中心的距离；

r—滚动轴承的半径；

θ—轴承中心线与投苗杯左侧的夹角；

O—杯嘴主轴旋转中心；

A—轴承起始位置；

B′—左侧杯嘴的起始位置；

B″—右侧杯嘴的起始位置。

转柄在做空间回转运动时，安装在转柄上的空间凸轮与滚动轴承相接触，凸轮的高度h直接影响杯嘴的开启程度，图5所示为杯嘴完全打开时。当杯嘴完全打开时，图中B`B``的距离为杯嘴张开时的最大距离(记为S)。挂柄移动位置的简图如图6所示。

图5　杯嘴完全打开图

图6　挂柄移动位置简图

图6中AB′为挂柄原来的位置，当空间凸轮推动轴承使得杯嘴完全打开时，A′B为挂柄移动后的位置，轴承中心由原来的A位置移动到了A′位置。θ为挂柄与投苗杯左侧的夹角，ψ为挂柄转过的角度。杯嘴底部由原来的B位置移动到B`位置，而轴承实际移动的距离为AC，杯嘴实际移动的距离为BD。由相似三角形原理可得

式中l1—杯嘴主轴到轴承中心的距离；

l2—杯嘴主轴到杯嘴底部的距离；

BD—杯嘴实际移动的距离；

AC—轴承实际移动的距离。

AC即为凸轮与轴承的有效接触长度。

由图4中的关系可知，AC=l，杯嘴完全张开后距离为2BD，则图5中有

当空间凸轮的高度发生变化时，会影响杯嘴的最大张开距离，为保证杯嘴的开启闭合规律[8]，在凸轮的高度发生变化时，凸轮的形状也要发生相应的变化。空间凸轮的板金图如图7所示。

图7　空间凸轮的板金图

当凸轮高度由h变为h′时，为保持杯嘴的张开时间不变，则m不能发生变化；为保证杯嘴的开始张开和开始闭合时间不变，则α不变，那么凸轮中n应该发生相应的变化来保持α不变。

2吊杯式栽植器的参数化设计

栽植器是经过左右两边的转柄安装固定在两转盘上的，安装和拆卸比较方便。转盘安装固定在移栽机的主轴上，转盘之间的距离固定为197mm，所以要求栽植器两转柄之间的距离不能发生变化,栽植器总体宽度为274mm不能发生变化。当投苗杯的口径大小发生变化时，为保证秧苗的栽植质量，分析了杯嘴、空间凸轮的参数变化，建立了各零部件之间参数的关系，如表1所示。

当经过不同穴盘培育出体积不一样的秧苗时，投苗杯的大小应该适应秧苗的大小而发生变化。所以，在转柄距离不发生变化的前提下来改变投苗杯的大小，且要保证杯嘴的开启程度B′B″及杯嘴的开合规律，就必须相应地改变栽植器的空间凸轮、左梁、右梁及杯嘴等零部件的尺寸以及形状。前面已经分析了空间凸轮的改变对栽植的影响，通过对

栽植器各零部件之间参数关系及配合关系的分析，建立了栽植器各部分的系统联系，为进一步在Pro/E中进行参数化做准备。

表1　栽植器各参数之间的关系

W为投苗杯口径，K为杯嘴变化系数；W<60时K=1，60≤W<70时K=2，70≤W<80时K=3，80≤W时K=4。

Pro/E除了本身具备功能完善的设计、分析、辅助制造等功能外，还给设计者提供了许多二次开发工具。而“pro/program”是Pro/E给每个模型提供的一个主要设计步骤和参数列表记载的工具，利用此工具可以将某些经常要更改的步骤或尺寸,事先以语句的方式写入，在使用时点击Regenerate只需输入关键部件的参数，便可直接生成零件[10-11]。在完成对各零部件的参数化之后，进行装配并将装配体内各零部件的参数利用execute语句建立起联系，由此完成整体的参数化。完成参数化的栽植器口径可以在55、60、65、70、75、80、85mm之间变化，图8、图9是投苗杯为常用口径60、80mm时栽植器整体的变化。

图8　W=60mm时的栽植器

图9　W=80mm时的栽植器

3栽植器不同参数下的运动仿真

完成对栽植器的整体参数化设计之后，在pro/E的mechianism的模块下对栽植器进行运动仿真。根据移栽的实践经验，定义电机的转速为30°/s。以杯嘴最低端的中间部位为参考点进行运动分析，选取常用投苗杯口径60、80mm进行仿真分析，观察杯嘴的开合程度。图10、图11分别为投苗杯口径为60、80mm下杯嘴参考点的横向位移。图10显示杯嘴由0～25mm内有规律的开合，图11显示杯嘴由0～35.5mm内有规律的开合。分析比较图10、图11可知：当投苗杯口径由60mm变为80mm，杯嘴的最大横向位移增加，打穴穴口的横向值增加，对地膜的损坏程度变大。

图10　W=60mm时杯嘴参考点的运动轨迹

图11　W=80mm时杯嘴参考点的运动轨迹

4结论

1)对吊杯式栽植器的部分零件进行了结构改进,分析了空间凸轮的改变对栽植器杯嘴开启幅度的影响,确定了凸轮参数与杯嘴开启幅度之间的关系方程。

2)对吊杯式栽植器整体进行了参数化设计。当投苗杯口径发生比生变化时，栽植器模型自动更新。便于分析结构的合理性与干涉检查，提高了建模的效率。

3)当投苗杯口径发生变化时，杯嘴的横向位移发生相应的变化,在移栽不同作物时应根据自身的农艺要求及穴盘的大小选择合理的投苗杯口径，以减小对地膜的损害程度。

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Improvement and Parametric Design of Dibble-type Transplanting Device

Wang Yuwei, Li Xuying, Zhang Bo, Lu Guocheng, He Shenggen

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：Dibble-type transplanting device is a core component of dibble-type transplanter, the structural size and rules of movement directly affect the quality of seedling planting.In order to reduce the foveolar size during the working process, thereby reducing the film damage, from the structure and size parameters of transplanter, improved the structural arrangement and the size of the components, using PRO/E to complete the three-dimensional model modified,using pro/grogram completed the parameterized design for whole planter improved, analyzes the influence that spatial cam size and shape changes for transplanter cup mouth closing amplitude, determined the link between the various parameters, In order to meet the requirements of different crops of agronomic, when dropping seedling cup size changed, the components in the dibble-type transplanting device will complete the corresponding changes under the planting quality, it is not need to re-establish the model, saved the time for motion simulation. The research results provide a theoretical basis for further optimization of transplanter.

Key words：dibble-type transplanting device; structural improvement; spatial cam; parametric design

文章编号：1003-188X(2016)03-0060-05

中图分类号：S223.9；S220.3

文献标识码：A

作者简介：王玉伟(1989-)，男，河北衡水人，硕士研究生，(E-mail)1057065487@qq.com。通讯作者：李旭英(1963-)，女，内蒙古巴彦淖尔人，教授，硕士生导师，(E-mail)lixuy2000@yahoo.com.cn。

基金项目：国家自然科学基金项目(51465048);内蒙古自治区高等学校研究项目(NJZY050)

收稿日期：2015-02-10