烤烟井窖式移栽覆膜插孔机的设计

牟窈佳，杜怡霖，李玉龙，王鸿虎，候天龙，杨启志

（江苏大学 农业工程学院，江苏 镇江 212013）

烤烟在我国很多农村地区均有种植，是我国重要的经济作物之一，对改善农村经济，发展现代化农业有着十分重要的意义。移栽是烟草产烟的重要环节，不仅影响烟草品系的生长发育，而且极大地影响了其品质和产量[1]。目前国内烤烟种植主要采用漂盘育苗井窖式移栽，这种移栽方式基本上是人工操作，劳动强度高。同时，这种移栽方式对移栽过程中的雨水和温度的要求非常严格，极其依赖当地气候环境[2]。因此，改进和创新烤烟移栽方式可有效改善烟叶的产质量，降低人力成本，提高工作效率，是目前急需解决的问题。井窖式移栽技术是在覆膜栽培的基础上发展起来的一种新的烤烟移栽技术，能有效缩短烟苗的育苗时间和还苗期，促进烟苗早生快发，保证及时移栽[3-4]；该技术还能提高烟草植株抗逆性，降低病虫害发生率，降低生产成本，提高生产质量及效率，已成为现代烟草农业可持续发展的重要技术[5]。目前，国内外学者对井窖式插孔机已进行了相关研究。在国外，美国Kennco 农机生产公司研制的半自动膜上打穴移栽机[6]，可以实现单行或者多行的膜上移栽和打孔作业,且能根据生产实际调节植物的注水量，但该产品移栽速度慢，自动化程度较低。日本久保田公司研发的一种全自动鸭嘴式膜上移栽打孔机[7]，作业时可实现多行移栽，移栽株距可调，但该机结构复杂，成本高。同时，吉林工业大学机械科学与工程学院对导苗管这种机构进行了研究[8]，找出了影响移栽机性能的因素，为移栽打孔机械的设计提供了数据与科学依据。然而，我国井窖式移栽目前主要依赖于人工和半机械化工作。目前，国内现有烟草井窖式移栽设备主要为打穴机，先采用打穴机挖穴，后人工投苗、浇水、移栽[9]，人力劳动强度大，机械化程度低，制作出的井窖质量差，间距不均匀，难以满足烟苗移栽的农艺要求和用户需求。

针对上述问题，本文设计了一种烤烟种植打孔机械，通过对主体双机架结构以及各部分受力情况的研究，可实现自动井窖打孔功能，在烤烟自动移栽技术领域有较好的应用前景。

1 烤烟井窖式移栽覆膜插孔机总体方案设计

1.1 烤烟井窖式移栽覆膜插孔机设计要求

总体方案设计作业部分参数见表1。

表1 部分作业参数Tab.1 The partial operation parameter

1.2 整机方案

烤烟井窖式移栽覆膜插孔机整体结构，见图1。双支架插孔机主要由固定支架和可动支架组成，固定支架连接拖拉机和可动支架，主要由可动支架的起落来完成，动力输出部分由液压缸来完成插孔，工作时，液压缸缸体连接固定在固定支架上，活塞杆连接固定在可动支架上面带动支架完成可动机架的起落，插孔筒清土机械主要设计成活塞清土装置，动力由液压缸来提供。

图1 烤烟井窖式移栽覆膜插孔机整体结构Fig.1 The overall structure diagram of the flue-cured tobacco pit-type transplanter covered with plastic film

1.3 烤烟井窖式移栽覆膜插孔机工作原理

插孔装置位于可动机架，起插孔、清土作用。该装置由液压缸提供动力，各部件装配位置，见图2。

图2 打孔装置Fig.2 The punching device

在打孔过程中，拖拉机带动整机向前运动，到达指定位置后，插孔器由主动液压缸带动，向下运动，插入土壤后拔出，完成插孔工作。同时，清土器由活塞液压缸提供动力，在插孔器拔出后以活塞推杆作为实施零件，从插孔器中空部位穿出，以此推出插孔器内存土壤，完成清土工作。

2 关键部件的设计与分析

2.1 插孔器的设计

2.1.1 设计要求

强度要求：插孔器是整个机器中接触环境最恶劣的一个部件，其受力较为复杂，必须保证其有足够的刚度。

质量要求：在设计插孔器时选择圆钢以减轻起质量。

刚度要求：应保证插孔器在复杂的受力情况下能有足够的扭转强度和弯曲强度。

耐腐蚀性：因为其要直接接触土壤，所以选用合金钢钢管以增强其耐腐蚀性。

2.1.2 设计思路

插孔器选择30 mm 圆钢，避免因将圆钢直接焊接于可动支架上使插孔器受热而损坏，需设计一卡盘零件将插孔器单独连接于可动支架上。同时设计一个推土零件，与插孔器配合完成插孔后清土工作。

2.2 可动机架的设计

2.2.1 设计要求

强度要求：插孔机工作环境恶劣，地面多为凹凸不平，因此，主要起插孔作用的可动机架受力复杂，同时还受到固定机架和拖拉机施加的力，必须保证其有足够的强度。

质量要求：机架的质量影响到液压缸的选择及与其连接的固定机架，因此，可动机架需结构简单，质量小巧。

刚度要求：插孔机在复杂的受力情况下，需要足够的扭转强度和弯曲强度，以确保插孔机的平稳性。

2.2.2 设计思路

烤烟井窖式移栽覆膜插孔机采用了双机架思路，可动机架的横纵梁采用方钢，且通过焊接连接，减轻了机体质量，也保证了底盘的强度和刚度。可动机架上面连接液压缸的部位选择2 mm 钢板，主机架与与液压缸承重板之间用承受柱中间套螺栓柱连接起来，减轻了质量也保证了液压缸承载部分有足够的强度刚度。液压缸主架横纵梁用焊接的方法连接起来。主动液压缸活塞杆连接在可动机架上，活塞杆和主动机架通过活塞板来连接在一起。并且在可动机架和固定机架上面连接直线导轨约束其直线运动，其导轨部分连接在可动机架上面，直线滑块连接在固定机架上面。

2.3 株距可调设计

2.3.1 设计要求

在烤烟井窖式移栽覆膜插孔机中，所需要的株距规定在500～600 mm 间距可调，这就要使得插孔器在可动机架上面可以左右移动，

2.3.2 设计思路

活塞推杆间距可调：活塞推杆间距可调可以通过活塞推板上面纵向开孔来实现，然后由螺母连接固定在推杆上面。结构图，见图4。

图3 烤烟井窖式移栽覆膜插孔机可动机架Fig.3 Flue-cured tobacco pit-type transplant covered with plastic film socket machine movable frame

图4 插孔机活塞推杆可调结构图Fig.4 The piston push rod adjustable structure diagram of jack machine

插孔器间距可调：插孔器间距可调可以通过可动机架上面开纵向U 型孔来实现，由插孔器固定零件来实现插孔器在可动机架上面的固定。结构图，见图5。

图5 插孔器间距可调结构图Fig.5 The adjustable jack spacing

3 关键零部件受力的ANSYS仿真分析

由于零件活塞推板要满足必要的强度分析，对其进行有限元分析，机架的材料选用的是Q235，其抗拉强度为375～460 MPa，弹性模量E=200 GPa，泊松比μ为0.25～0.33，正常情况下取0.33。

3.1 活塞推板ANSYS分析

活塞推板的中间受力为：

如图6、图7 分别为活塞推板应力分析图，活塞推板应变分析图。

图6 活塞推板应力分析图Fig.6 The piston pusher stress analysis

图7 活塞推板应变分析图Fig.7 The piston pusher strain analysis

经ANSYS 软件力学分析得：活塞推板的最大应力为224.13 Pa，最大形变3.87×10-3mm。活塞推板的最大形变发生在推板两条侧条上，完全满足性能要求。

3.2 主动液压缸承受板ANSYS分析

主动液压缸承受板的受力为：

如图8、图9 分别为主动液压缸承受板应力分析图，主动液压缸承受板应变分析图。

图8 主动液压缸承受板应力分析图Fig.8 The stress analysis diagram of active hydraulic cylinder bearing plate

图9 主动液压缸承受板应变分析图Fig.9 The strain analysis diagram of active hydraulic cylinder bearing plate

经ANSYS软件力学分析得出：主动液压缸承受板的最大应力13.0 MPa，最大形变3.87×10-3mm。主动液压缸承受板的最大形变发生在支撑横梁中间上，完全满足性能要求。

4 结语

本文通过设计了一种烤烟井窖式移栽覆膜插孔机，提出一种全新的双机架结构，它由可动机架和固定机架组成，通过双机架悬挂式设计完成可动机架和固定机架的配合，活塞清土部件和可动机架的配合，实现插孔机的插孔工作。为满足不同株距要求，根据孔间距的不同，在可动机架上面合理地设计了U 型调节株距装置，可以灵活地调节株距；对活塞推板、主动液压缸活塞板等关键部件进行了ANSYS 仿真分析，生成各部分应力应变分析图，分析结果未出现强度刚度不足等问题，满足所设计要求；本文对烤烟移栽插孔机的研究，可减轻西南丘陵地区山地多、作业条件差等因素对插孔机作业的影响，提高作业效率，降低人工劳动强度，对现代烟草农业的可持续发展具有重要作用。