新型蔗苗移栽機的設計與研究

高 峰，韓綠化，馬國鑫

（江蘇大學 農業工程學院，江蘇 鎮江 212016）

0 引 言

甘蔗為禾本科甘蔗屬多年生草本植物，是我國輕工業和第三產業不可或缺的重要資源[1]。甘蔗富含糖分和水分，其中蔗糖占比13%～14%，而且富含對人體健康有益的各種微量元素與維生素[2]。目前我國廣東、廣西等地區甘蔗種植總面積達上千萬畝，是排在巴西、古巴之后種植面積第三的國家[3]。

人工種植是廣東等地區蔗農種植甘蔗的主要途徑，蔗農栽植甘蔗期間，需要大量勞動力，完成甘蔗栽植所需的時間較長，受我國國情的影響，甘蔗種植過程機械化綜合水平不足50%[4]。

隨著育苗移栽技術不斷地應用到農業生產中，蔗苗移栽可以提高甘蔗產量、提早甘蔗成熟期，蔗苗移栽比直接播種節省蔗種20%~30%[1]，但荷蘭、日本等國研制的移栽機多數用于黃瓜、番茄等收益高的經濟作物[5]，這些移栽機的關鍵部件并不適用于蔗苗移栽?；谝陨戏治?，設計滿足蔗苗移栽的移栽機械具有重大意義。

1 蔗苗移栽機整機布局及其工作原理

1.1 蔗苗移栽機整機布局

蔗苗移栽機整機布局如圖1 所示，移栽機機架、分苗裝置、栽植裝置、開溝器等為蔗苗移栽機的重要組成部件。移栽機有三個栽植裝置，與拖拉機連接的三點懸掛裝置焊接在機架的管型材上，通過螺栓將開溝器安裝在機架前部下方，通過調節開溝寬度調節板的安裝位置實現開溝器開溝寬度的調節；栽植裝置通過螺栓連接安裝在機架下方，通過調節栽植裝置與機架下方連接塊的安裝位置，實現栽植行距的可調性；地輪與機架螺栓連接，地輪與地輪之間通過六角方軸與聯軸器連接，防止出現因地輪打滑導致傳動比不穩定，地輪在本設計中不僅為移栽機關鍵部件提供驅動力，而且地輪為限深輪，可通過調節輪與壟面的高度實現開溝深度的調節；分苗裝置安裝在機架后方的支撐管上，且分苗杯的開口位置位于栽植裝置栽植空間的正上方；座椅安裝在機架上，操作人員面對分苗裝置，操作人員可隨時進行作業，同時可以避免吸入因開溝作業引起的塵土；苗盤與機架上的苗盤支撐架焊接，保證苗盤的穩定性。

圖1 蔗苗移栽機整機布局

1.2 工作原理

蔗苗移栽機工作原理流程圖如圖2 所示，地輪為分苗裝置和栽植裝置提供動力，地輪的轉動帶動安裝在地輪上的鏈輪，通過鏈傳動將動力輸送至地輪的輸出軸上，地輪輸出軸將扭矩通過輸出軸上的鏈傳動傳遞至栽植裝置與分苗裝置的輸入軸上，然后將動力輸送至栽植裝置與分苗裝置。此外，地輪不但作為分苗裝置和栽植裝置動力源，而且移栽機的開溝深度可以通過調節地輪和壟面間的高度；本機裝有三個栽植裝置，調節栽植裝置與機架間的安裝位置可以調節行距。拖拉機通過三點懸掛系統與移栽機連接，作業前，操作人員結合種植區域蔗苗移栽要求調整移栽機的株距、開溝深度以及開溝寬度。

圖2 蔗苗移栽機工作原理流程圖

2 移栽機機架方案設計及靜力學分析

2.1 移栽機機架方案設計

合理布置移栽機每個部件的位置，使其能夠穩定的安裝在移栽機上，圖3 為設計的移栽機機架結構示意圖。

圖3 移栽機機架結構示意圖

移栽機機架主要采用焊接工藝。使用一根長3 070 mm 的100 mm 方管、四根長度為100 mm 的60 mm 方管以及兩塊側板焊接組成機架基本框架；為了增加基本框架的強度，基本框架方管間均焊接小型方管；基本框架前后橫梁方管通過三根縱梁方管焊接連接，不僅可以增加機架的強度，而且可用于栽植裝置與機架的連接；在前橫梁方管上方焊接有三點懸掛裝置，用于連接拖拉機；后橫梁方管一、二、三上均焊接座椅支撐方管、分苗裝置支撐方管以及苗架支撐方管，用于安裝座椅、分苗裝置以及苗架，可根據座椅和人、分苗裝置以及苗架的質量選擇不同類型的方管；基本框架的兩個側板下方焊接有軸承座安裝架。機架使用不同厚度的方管進行焊接，達到了預期目的，使移栽機的安裝簡單、結構緊湊、減輕了機架質量、提高了機架的強度和剛度。

2.2 靜力學分析

蔗苗移栽機作業過程中，移栽機機架是主要的承載和定位部件，應滿足強度和剛度要求，保證移栽機的可靠性和穩定性。

根據移栽機機架的方案設計繪制3D 模型并導入Workbench 中。在進行有限元分析前需對移栽機機架進行模型的材料設置，移栽機機架采用管型材[6]，材料的屈服強度為235 MPa、泊松比為0.3、彈性模量為2×1011Pa，密度為7 850 kg/m3。圖4 為有限元仿真前處理，網格單元邊長設置為10 mm,生成的網格數量為311 527，節點數量為151 501，施加的載荷分別為：人的重力為650 N、分苗裝置重力為250 N。通過查閱相關文獻[7]發現當開溝器的開溝深度為30~300 mm 時，開溝器水平工作阻力為50~500 N，因此靜力學分析中開溝器水平工作阻力選取500 N。移栽機機架的約束設定在三點懸掛處，其位置分別為H、I 和G。

圖4 有限元仿真前處理

移栽機機架在工作狀況下的有限元分析如圖5 所示，移栽機機架的管型材的尺寸最小為60mm×60mm，工作負載下的最大綜合位移為1.873 mm，最大應力為65.386 MPa，最大應力小于移栽機機架材料的屈服強度235 MPa，結果表明移栽機機架的設計符合強度和剛度設計要求。移栽機機架的位移量相對于管型材的長度和寬度而言，變化量非常小，結果表明該移栽機機架的剛度足夠，能夠保證蔗苗移栽機在工作期間各個部件的定位基本不變。

圖5 移栽機機架有限元分析

3 結 語

本文設計一款半自動蔗苗移栽機械，完成了蔗苗移栽機整機結構的布局以及移栽機機架的靜力學分析，結果表明所設計的移栽機機架能夠在正常的栽植作業下保持移栽機的穩定性和可靠性，后續將針對不同環境對移栽效果的影響進行實驗。