摆杆式烟苗移栽挖穴机的设计与优化分析word20031

摆杆式烟苗移栽挖穴机的设计与优化分析王保帅，杨永发，高延杰，张帅（西南林业大学，机械与交通学院，云南昆明650224）摘要：本研究介绍了一种摆动导杆式的烟苗移栽挖穴机，通过牵引机具地轮驱动四杆机构的急回特性实现了挖穴刀具的零速作业。采用设计软件Pro/Engineer建立了机具的三维模型与运动方程，进行了运动学仿真分析，并对机具作业的不平衡惯性力、平衡块质量与结构、曲柄位置、工作摆杆长度等关键参数对作业质量的影响进行了研究与优化分析。在生产中试制了样机，进行了田间试验，采用正交试验方法对试验苗穴进行了测量与评估，并优化出了最佳作业参数组合。试验表明，牵引速度与挂接误差角对作业质量影响最大，生产中应注重调节。关键词：摆动导杆；惯性力；优化；田间试验中图分类号：S23文献标识码：ADesignandoptimizationanalysisofthetransplantinganddiggingmachineforthetobaccoseedlingtransplantingWangBaoshuai,YangYongfa,GaoYanjie,ZhangShuai(SouthwestForestryUniversity,MechanicalJiaotongUniversity,Kunming650224,China)Abstract:Thispaperintroducesakindofswingguiderodtypeoftobaccoseedlingtransplantinganddiggingmachine,andthequickreturncharacteristicsofthefourbarmechanismdrivenbythetractionmachinetoachievethezerospeedoperation.The3DmodelandmotionequationofthemachineareestablishedbyusingthedesignsoftwarePro/Engineer.Thekinematicssimulationanalysisiscarriedout,andtheinfluenceofkeyparameters,suchastheunbalancedinertiaforce,themassandthestructureofthemachine,thepositionofthecrank,andthelengthoftherod,isstudied.Intheproductionoftheprototype,thefieldexperimentswerecarriedout,andthetestpointsweremeasuredandevaluatedbyorthogonaltestmethod,andtheoptimumoperatingparameterswereoptimized.TestshowthatthetractionspeedandarticulatederrorAnglehasthegreatesteffectinthequalityofhomework,shouldpayattentiontoadjustintheproduction.Keywords:Swingingguiderod;Inertiaforce;Optimization;Fieldtest0引言我国是烟草产业大国，烟草在我国的西南、华南、东北等地区种植范围广泛，是最重要的经济作物之一[1]。而烟苗移栽机械化是提高作业效率，改善烟叶品质，增加产量，保证烟苗成活率的关键环节。目前，国外移栽机的种类繁多，如美国Kennco农机公司研制的半自动膜上打穴移栽机，可实现单行或多行的膜上移栽作业。日本久保田公司研发的全自动鸭嘴式膜上移栽机等[2,3]。国外移栽机技术复杂，且价格较贵。国内移栽机械，如吉林延边自治州农机所研制的2ZL-2型联合栽植机；1982年，中国农科院烟草研究所研制的2ZYM-2型烟棉移栽机等[4,5]。与国外相比，我国对移栽机械的研究起步较晚，且机械化程度不高，作业质量差，不能满足烟草种植的要求[6]。本研究设计了一种适应我国西南烟草种植区地块小，坡度大，转弯半径小，技术相对落后等特点的质量轻、经济性好、使用轻便的小型烟苗移栽挖穴机。1农艺要求我国西南地区烟苗移栽一般在3月下旬到4月初进行，田间测量烟苗移栽农艺参数，如表1所示。表1烟苗移栽农艺参数Tab1Seedlingtransplantingagronomicparameters测量对象农艺参数烟苗单株均高145mm冠部直径90mm栽植深度80～90mm株距45～60cm烟垄垄高30cm行距120cm上垄宽30cm下垄宽80cm根据田间农艺参数，初步确定苗穴直径为200mm，深度为220mm。此外，考虑作业过程中的土壤回流现象[7]，故确定挖穴刀具长度为22cm，直径为20cm；工作摆杆长度为40cm。2机构三维模型与分析2.1Pro/E模型与原理移栽机作业时，通过与牵引机具地轮1固定的驱动链轮10传动，经传动链轮7，带动曲柄5转动；同时，曲柄通过摆杆上的滑槽带动摆杆6往复摆动，实现了挖穴刀具的入土作业；此外，由牵引机具右侧的动力输出轴通过链传动带动R轴上的双联链轮（已剖去），再经链轮8和锥齿轮副变速，使螺旋刀具9高速旋转，达到提升土壤目的；另外，更换链轮10可实现烟苗移栽不同株距的要求，调节刀具伸缩杆或地轮摆角α，可实现挖穴深度可调，并建立Pro/E三维模型，如图1所示。1地轮2机架3曲拐轴4支撑板5曲柄6摆杆7、8传动链轮9挖穴刀具10地轮链轮图1机具三维模型与关键参数Fig1Implement3Dmodelandkeyparameters其中，H为刀尖点到地面的有效距离；L1为挖穴刀具的最大工作长度；L2为摆杆长度；L3为曲柄长度；α为深度调节装置的开合角；γ为曲柄平衡块结构角，β为摆杆平衡块结构角。2.2建立运动方程以牵引机具前进方向为x轴正向，竖直方向为y轴正向，建立坐标系。刀尖点A的运动是由机具的前进速度Vm与工作摆杆摆动运动的合成，则刀尖点A的运动方程为：cos()mXVttRAsin()YHtRA对时间t求一阶导数得：sin()xmVVRAtcos()yVRAt则刀尖点的绝对速度为：22()()xyVVV22[sin()][cos()]mVRAtRAt式中，刀尖点与摆杆回转中心的距离2212RALL，Vm为机具牵引速度，ω为摆杆的角速度。2.3绘制运动轨迹收稿日期：2015-11-20基金项目：云南省教育厅科学研究基金项目（2012Z070），云南省科技厅支持项目（2011CF007）第一作者：王保帅（1989－），河南周口人，硕士，主要研究机械制造及其自动化方向，E-mail:[e-mail]通讯作者：杨永发（1965－），云南昆明人，博士，副教授，硕士生导师，E-mail:[e-mail]运用Pro/E进行运动学仿真分析，并绘制刀尖点A的运动轨迹，如图2所示。由分析结果可知，相邻两刀尖点A的水平距离约为50cm，有效深度约为205mm。因此，设置相应的传动比，可实现烟苗移栽不同株距的要求。图2刀具运动轨迹仿真分析Fig2SimulationAnalysisoftoolmotiontrajectory3机构关键参数的影响3.1惯性力的优化分析机构运动惯性力可以简化为一个通过质心的总惯性力和总惯性力偶矩[8]，故机构的平衡条件为：110,0nmIIFM总惯性力偶矩的影响与外加的驱动力矩和阻抗力矩有关，为简化计算，通常对机构只进行惯性力平衡[9,10]。故采用复数向量法求得机构的总质量矩与总惯性力为：3112241121223334()()iiiiiiSMRmremlemremreemle331121121122333()()iiiiiIPMRmremlkemremreke311434111333()()iiIPPPPiQkePiQke式中，11121Pmpml，111Qmq，32233Pmpmp，32233Qmqmq；M为机构活动构件的总质量，m为构件质量，sR为活动构件总质心的向径，r为构件质心向径，l为构件长度，ψ为各杆件与x轴所夹锐角。机构惯性力平衡就要求总惯性力始终为零，即使jP和jQ等于零，即110,0PQ，330,0PQ。因此，为达到平衡条件必须在两连架杆1、3加上相应的平衡质量矩：1211212233();()SmpmlSmpmp图3摆动导杆机构关键参数Fig3Keyparametersswingingguidebarmechanism该机具采用摆动导杆机构，其质心在杆件上，q1=q2=q3=0，如图3所示。运用Pro/E软件测得杆长与质心位置1313200,450,100,330lmmlmmpmmpmm，构件1、2、3质量为11.4,mkg230.4,6.8mkgmkg。故需在连架上所加装相应的平衡质量矩：'''31111121()22010Smrmrmlgmm'''32332233()224410Smrmrmrgmm3.2曲柄位置与摆杆长度的影响图4曲柄位置与摆杆长度的影响Fig4Effectofcrankpositionandswingrodlength由图4可知，曲柄安装位置决定了导杆机构极位夹角θ的大小，反应了机构急回特性的快慢[11,12]。因此，曲柄安装位置必须大于曲柄长度，故导杆机构极位夹角θ必须小于45°。1801/145KK1.67K取导杆机构行程速度变化系数K=1.5，计算得θ=36°；因此sin36200/x，解得x=340.5mm。工作摆杆长度决定了挖穴刀具应尽可能的垂直入土、出土，即刀尖点的运动轨迹曲率应尽可能的大。因此，摆杆长度应大于2x=681mm。此处取摆杆长度为700mm。3.3平衡块质量与结构的优化为满足机构惯性力平衡条件，要求构件质心必须位于杆件回转轴线上[13,14]，需对曲柄平衡块的质量和质心位置进行优化。运用Pro/E质量属性功能，测得曲柄质量为11.4mkg，体积为5311.920110Vmm，并对平衡块结构角γ进行敏感度分析，如图5所示。图5平衡块结构角敏感度分析Fig5Anglesensitivityanalysisofbalancedblockstructure由图5可知，在相同材料密度的情况下，平衡块体积'1V应等于曲柄体积V1，可使曲柄质心位于回转轴线上，故初步确定平衡块结构角度区间为50°～70°。采用行为建模法，并确定优化参数，如表2所示。表2优化参数的设置Tab2Setofoptimizationparameters约束条件设计变量运算方法平衡块体积1'VV平衡块厚度h=15mm过渡圆角R=15°连接宽度B=50mm平衡块结构角γMDS优化方法迭代次数为40次运用Pro/E软件的可行性与优化分析功能，进行单目标函数的优化分析，当优化迭代次数为为40次时，目标值收敛于1.92×105处，求得平衡块模型结构角最优解为54.59，如图6所示。同理可得，摆杆平衡块结构角最优解为71.6。图6平衡块结构角的优化Fig6Optimizationofbalancedblockstructure4田间试验选取挖穴质量为目标函数y(反映苗穴深度、株距、回土率等的综合指标，为每测量10个苗穴的合格数量)。协同云南省曲靖市国营模具三厂进行样机的试制，并在马龙乡试验田进行了田间试验。采用正交试验法进行试验结果的测量与评估[15]，选用49(3)L正交试验表，并安排试验因素水平，如表3、4。表3试验因素水平表Tab3Experimentalfactorleveltable因素水平1水