發(fā)布時間：2020-02-21所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:針對大窩移栽穴制作機(jī)成穴裝置工作過程中成穴頭振動過大、所制窩穴表面粗糙及窩穴合格率不高等問題，設(shè)計了一種帶有圓錐芯螺旋成穴頭的成穴裝置，實(shí)現(xiàn)所制窩穴在不經(jīng)任何處理的情況下窩穴表面有較平滑的弧度及較高的合格率。成穴裝置核心部分由螺旋成穴
摘要:針對大窩移栽穴制作機(jī)成穴裝置工作過程中成穴頭振動過大、所制窩穴表面粗糙及窩穴合格率不高等問題，設(shè)計了一種帶有圓錐芯螺旋成穴頭的成穴裝置，實(shí)現(xiàn)所制窩穴在不經(jīng)任何處理的情況下窩穴表面有較平滑的弧度及較高的合格率。成穴裝置核心部分由螺旋成穴頭和防護(hù)罩組成，二者皆連接在輸入軸上。基于螺旋升土原理，成穴頭主軸設(shè)計成圓錐芯，外表面增設(shè)雙螺旋葉片，可有效增加成穴裝置的穩(wěn)定性。運(yùn)用EDEM軟件對成穴過程進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了上述設(shè)計的可行性。田間試驗(yàn)表明:基于螺旋升土原理設(shè)計的成穴頭，所制窩穴平均窩徑為23.84cm，平均窩深為19.4cm，窩穴合格率為87%，各項(xiàng)指標(biāo)均能實(shí)現(xiàn)大窩穴移栽穴制作機(jī)螺旋成穴頭的預(yù)期要求。
關(guān)鍵詞:成穴裝置;螺旋成穴頭;防護(hù)罩;大窩移栽
0引言
近年來，由于農(nóng)產(chǎn)品種植規(guī)模的不斷擴(kuò)大，農(nóng)村勞動力人數(shù)急劇下降，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對農(nóng)用機(jī)具的使用提出了更高的要求[1]。現(xiàn)有的背負(fù)式移栽井窖制作機(jī)滿足了高質(zhì)、高效制作井窖的要求，幼苗在井窖里能實(shí)現(xiàn)早生快發(fā)，形成適時移栽和集中移栽的新模式。井窖制作機(jī)主要是利用成穴頭周圍土壤壓縮及楔切變形的共同作用產(chǎn)生擠密效應(yīng)，使與成穴頭接觸部分的土壤被擠壓成穴[2]。使用這種方式制作井窖土壤不能被拋至地面，導(dǎo)致幼苗周圍土體過于緊密，一定程度上阻礙了小苗根系的生長，當(dāng)土壤含水率高于30%或者低于15%時，不利于制作井窖[3-4]。
小苗大窩深栽技術(shù)發(fā)展較早，但與之配套的成穴機(jī)具發(fā)展相對滯后。針對上述問題，課題組研制了一種背負(fù)式大窩移栽穴制作機(jī)，基于螺旋升土原理，與成穴裝置接觸的土體會受離心力的作用被拋至窩穴周圍的地面上。這種成穴原理能有效提高成穴效率及降低勞動成本，將適合窩穴制作的土壤含水率范圍提高了1倍。這種成穴裝置中心主軸部分是圓柱芯，在制窩過程中振動較大，所制窩穴的合格率較低，窩深及窩口平整性等有待進(jìn)一步改善[5-6]。
目前，有關(guān)穴制作機(jī)的相關(guān)研究較少。本文提出一種核心部件是圓錐芯的螺旋成穴頭，中間部分設(shè)計成圓錐芯，既減輕自重又增大成穴頭在制窩過程中的平穩(wěn)性。外表面是對稱分布的雙螺旋葉片，利于排土，頂端部分裝有切土刀片。成穴裝置基于螺旋升土原理，以減少土壤與成穴部件之間的相互壓力，降低功耗，提高制穴的合格率。
1成穴裝置結(jié)構(gòu)與工作原理
1.1總體結(jié)構(gòu)
成穴裝置主要由防護(hù)罩、螺旋成穴頭及輸入軸接口組成，圓錐芯主軸位于成穴
1.2成穴裝置工作原理
工作時，小型汽油機(jī)提供動力輸入，通過離心離合器把動力依次傳給第一級減速器、傳動軸、第二級減速器，最后通過輸入軸傳到成穴裝置帶動成穴頭轉(zhuǎn)動;成穴過程主要是通過操作人員將成穴裝置下降至地面，通過切土刀片切碎中心部分土壤，切碎的土壤被高速旋轉(zhuǎn)成穴頭拋出窩穴。
2螺旋成穴裝置設(shè)計及參數(shù)分析
2.1防護(hù)罩
防護(hù)罩作為成穴裝置的一部分，在成穴過程中起著重要作用。防護(hù)罩通過連接筒固定在輸入軸上，連接筒可以上下移動，調(diào)節(jié)范圍在10cm以內(nèi)，可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)節(jié)防護(hù)罩的高度。成穴頭工作時拋出的土體，在防護(hù)罩的阻擋下均勻落到窩穴周圍，從而增加了窩穴凹面的平整度。為減輕成穴裝置的總體質(zhì)量，把聚碳酸酯PC(Polycarbonate)作為防護(hù)罩的選材。聚碳酸酯是一種工程塑料，具有較好的耐磨性、耐沖擊性、抗老化性及較高的強(qiáng)度[7]。
2.2螺旋成穴頭的設(shè)計
成穴裝置是大窩移栽穴制作機(jī)工作的關(guān)鍵部件，大窩移栽農(nóng)藝要求所制窩穴形狀整體呈錐形、窩面平整且尺寸較大。成穴頭主要尺寸設(shè)計借鑒了挖坑機(jī)螺旋升土原理，當(dāng)成穴頭處于工作狀態(tài)時，土壤全部或是絕大部分在離心力的作用下被拋至窩穴周圍的地面上，依據(jù)此原理設(shè)計了一種雙螺旋圓錐芯成穴頭。考慮到成穴頭升土效率、窩穴合格率及成穴頭在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時的平穩(wěn)性，螺旋葉片采用雙葉片對稱分布的方式;同時，為減輕成穴頭的質(zhì)量，成穴頭中心主軸設(shè)計成圓錐芯。螺旋成穴頭的結(jié)構(gòu)示意圖[6]如圖2所示。
2.3螺旋成穴頭相關(guān)參數(shù)
1)基本參數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[8]大窩移栽窩穴制作農(nóng)藝要求，所制窩穴需滿足:窩口為圓形，下部為圓錐形，窩徑D0為200～250mm，窩深H0為150～200mm，成形窩底有10～20mm之間的回土高度。所以，成穴頭的外端直徑D取值在180～270mm范圍內(nèi)[8]。對于正處于移栽期的幼苗，需要充分吸收陽光進(jìn)行光合作用，合成生長發(fā)育所需的營養(yǎng)物質(zhì)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式D=D0×90%，計算后結(jié)果取整，求得成穴頭的外端直徑D=200mm，內(nèi)部主軸圓錐芯直徑取d=120mm。在制窩過程中，為防止防護(hù)罩與壟面接觸，成穴頭不完全鉆入土壤即可達(dá)到窩穴尺寸，所以高度應(yīng)取H=200mm。
2.4螺旋成穴頭的選材
成穴頭工作時，主要依靠刀片切土觸底，整個過程對切土刀片的強(qiáng)度及耐磨性有很高的要求。考慮到加工難度及經(jīng)濟(jì)成本，可選用2mm的65Mn鋼作為螺旋葉片的材料，65Mn鋼熱處理后可得較高的硬度、較好的耐磨性和切削性[11]。選用耐磨性較好的優(yōu)質(zhì)碳素鋼作為圓錐芯主軸的材料[12]，刀片切土過程如圖3所示。
3仿真分析
3.1建立仿真模型
EDEM軟件是一家英國公司開發(fā)的可用于模擬和分析散體顆粒的CAE軟件，主要應(yīng)用于仿真和分析工業(yè)生產(chǎn)中顆粒系統(tǒng)的處理過程及其制造設(shè)備的生產(chǎn)過程。運(yùn)用EDEM軟件對成穴過程進(jìn)行仿真分析，仿真界面如圖4所示。
在Globals中設(shè)置仿真的名稱，定義顆粒與顆粒接觸模型，設(shè)定顆粒與幾何體之間的接觸模型為無滑動接觸模型，選擇重力加速度為9.8m/s2。為了方便計算機(jī)進(jìn)行求解，將土壤顆粒全部簡化為規(guī)則的球形，主要參數(shù)設(shè)置如表1所示[13]。
3.2仿真結(jié)果及分析
螺旋成穴頭仿真結(jié)果圖如圖5所示。選取轉(zhuǎn)速為560r/min的仿真結(jié)果作為分析對象，不僅能觀察到成穴頭的下行過程，還能夠得到成穴時螺旋葉片與土壤顆粒的相互作用過程，最后獲得成穴過程中接觸力的信息。由圖5可以看出:標(biāo)記顏色的土壤顆粒在離心力的作用下被拋至窩穴周圍，成穴頭繼續(xù)下行窩穴逐漸形成，所制窩穴凹面平整，成穴頭工作穩(wěn)定，仿真結(jié)果達(dá)到預(yù)期要求[14]。
4田間試驗(yàn)
4.1試驗(yàn)地點(diǎn)、內(nèi)容及流程
1)試驗(yàn)地點(diǎn)為金沙縣西洛街道開化村(N:27o25'39.72″;E:106°08'3.33″海拔:1264.62m)。待測地已于試驗(yàn)前10天搶墑起壟(每行約50m，旋耕2次、起壟)。
2)試驗(yàn)時間為2018年4月3日。試驗(yàn)前，觀察壟體情況，選擇有代表性的植煙地，壟體表面為一壟雙行的平面，每隔40cm用石灰標(biāo)記1個點(diǎn)，壟高30cm，壟寬150cm。土壤具有一定程度粘連，平均濕度20%且約1～2cm的土層有一定程度的板結(jié)。田間試驗(yàn)情況如圖6所示。
3)試驗(yàn)使用的主要儀器有小型背負(fù)式汽油機(jī)、鋼直尺、水平尺、相機(jī)、緊實(shí)度測量儀、轉(zhuǎn)速測量儀、振動測量儀、標(biāo)桿及秒表等。
4)試驗(yàn)內(nèi)容主要包括窩徑、窩深及成穴效率。試驗(yàn)流程:①啟動汽油機(jī)，試作業(yè)檢測運(yùn)行是否正常;②在同一塊試驗(yàn)地塊連續(xù)制作50窩穴;③做好相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄。4.2試驗(yàn)樣機(jī)使用UG三維制圖軟件，根據(jù)求得的相關(guān)參數(shù)繪制螺旋成穴頭三維模型，并且加工出試驗(yàn)樣機(jī)，如圖7所示。
4.3試驗(yàn)結(jié)果分析
根據(jù)穴制作機(jī)所制50個窩穴試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制成窩穴測量參數(shù)頻數(shù)分布直方圖，如圖8所示。
試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計如表2所示。試驗(yàn)表明:窩徑、窩深平均值能滿足移栽農(nóng)藝的要求，成穴頭工作時的平穩(wěn)性及窩穴合格率能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計要求。
5結(jié)論
1)具有一定培土功能的防護(hù)罩，避免了現(xiàn)有成穴裝置所制窩穴凹面不平整的問題。成穴頭主軸設(shè)計成圓錐芯，增加了成穴裝置工作時的穩(wěn)定性，一定程度上避免了以前成穴裝置存在的不足，使得成穴合格率有大幅度提高。
2)田間試驗(yàn)表明:基于螺旋升土原理設(shè)計的螺旋成穴頭，所制窩穴的平均窩徑為23.84cm，平均窩深為19.4cm，窩穴合格率為87%。以上各項(xiàng)指標(biāo)均滿足大窩穴移栽螺旋成穴頭的設(shè)計要求。
3)下一步改進(jìn)思路是把大窩穴移栽與井窖移栽結(jié)合起來，設(shè)計一種新的成穴裝置，即大窩套小窩。先用圓錐芯螺旋成穴頭制作大窩，下一步在大窩里使用井窖制作機(jī)再打一個井窖，把大窩與井窖兩種移栽方式的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，為小苗的生長發(fā)育提供最有利的環(huán)境。
