油菜幼苗移栽机栽植系统结构设计.docx

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油菜幼苗移栽机栽植系统结构设计

油菜幼苗移栽机栽植系统结构设计

摘要：

本设计根据作物育苗移栽的农艺要求，为实现穴盘苗的高效移栽，通过分析国内外研究现状及发展趋势，找出其中存在问题，并经过一系列的假设和求证，在借鉴已有成果和指导老师精心帮助的基础上，设计了一种新型的油菜幼苗移栽机栽植系统结构。

结构以钢铁为主要材料来源，能实现穴盘苗的高速移栽并能解决伤苗率高等问题，能加快我国实现农业机械化的进程，减轻农民朋友的劳动强度，为解决“三农问题”贡献自己的一份力量。

关键词：

油菜;穴盘苗;移栽机;栽植系统

Theplantingstructuredesignofrapeseedingtransplanter

Abstract:

Basedonagriculturalrequirementofseedlingtransplantation,thispaperisdesignedtoimprovethetransplantefficiencyofplugseedlingthroughanalyzingproblemsinresearchstatusanddevelopmenttrendathomeandabroad.Boastedexistingfindingsandassistancefrommysupervisor,finally,anewtransplantsystemstructureforrapeseedlingtransplanterisdevisedhereviavariousassumptionsanddemonstrations.WithSteelasthemainmaterialsources,thestructurecanpromotethetransplantefficiencyanddecreasetherateofinjuredseedling,accelerateChina'sagriculturalmechanization,reducefarmer'slaborintensityandmayhelpaddressthe"issuesconcerningagriculture,countrysideandfarmers".

Keywords:

Rape;AnakiwaNae;transplanter;plantingsystem

1绪论

1.1研究的意义

油菜是我国的主要油料作物，其种植面积已超过1.2亿亩，我国是世界最大的油菜产区，油菜在我国是仅次于稻、麦、玉米、大豆的第五大作物；同时，油菜是“用地养地”相结合作物，与粮食争地的矛盾较少，不仅有利于增加土壤肥力，而且油菜在后种水稻比小麦后种水稻可增产15%。

目前，油菜和很多其他作物一样，其栽植主要有直播和移栽两大模式。

与直播相比，移栽模式具有很多明显的优势[21]：

1、移栽可以大幅提高作物产量，改善作物品质；

2、移栽是解决多茬作物接茬矛盾，提高复种指数的最重要甚至是唯一的方式；

3、直播油菜根系分布往往较浅且茎细，结果期间若遇大风大雨，往往易发生倒伏，移栽后的则不易发生倒伏【3】；

4、移栽作物还可以有效避免苗期干旱、雨雪和霜冻等自然灾害。

另一方面，油菜移栽是劳动强度极大的一项农事活动，但长期以来油菜移栽均以人工为主，不仅劳动强度大，而且在职质量差，生产率低，成本高，严重影响农民种植油菜的积极性和油菜种植面积的进一步扩大，显然，实现油菜移栽机械化已成为油菜种植生产的迫切需要。

从我国油菜整个种植过程的机械化水平来看，油菜移栽前的机械耕整、开沟。

植保和施肥等环节机械化基本解决，油菜收获机械化也有了较大发展，但油菜移栽机械化一直没有进展，油菜移栽机械花成为制约整个油菜种植业发展的瓶颈【8】。

因此尽快攻克油菜移栽机械化技术难关成为当务之急。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外移栽机发展概况

有关资料显示英国、法国、美国和日本等国在自动移栽机的研制方面取得了一定的成绩，法国在20世纪60年代研制出“皮卡多”自动栽植机【1】，用于裸苗栽植，日本在20世纪70年代研制出TPA-1型全自动栽植机，用于钵苗栽植，大大提高了功效，减轻了劳动强度。

随着钵体苗育苗技术的日趋完善，钵苗移栽技术已在国外被广泛地应用。

国外发达国家本领域的研究与应用起步较早，用于种植蔬菜和经济作物，进而用于玉米等粮食作物，移栽技术和设备发展很快【12】。

国外钵苗移植机械的种类较多，主要有3种：

一为钳夹式钵苗移栽机[23]；

二为导苗管式钵苗移栽机，其又可细分为推落苗式、指落苗式直播落苗式；

三为篮式钵苗移栽机。

1.2.2国内移栽机发展概况

目前国内很多单位正在从事油菜移栽机的研究工作，主要是引进和借鉴国外台移栽机的基础上进行改进仿造【4】。

我国目前研制和推广的栽植机基本上是半自动化机型，在栽植过程中，首先由人工将幼苗喂入到移栽机构，再由机具完成开沟、放苗、扶苗、覆土和镇压等工作【2】。

全自动移栽机是由人工或机械喂入一组幼苗，由移栽机自动完成分苗和栽植工作。

我国目前移栽机主要有以下几类【7】：

一、钳夹式移栽机，主要代表为2ZT型移栽机和UT-2型移栽机；

二、挠性圆盘式栽植机；

三、吊篮式栽植机；

四、带式栽植机；

五、导苗管式栽植机。

1.2.3栽植系统的发展现状

栽植机构及配套栽植器是移栽机的核心部件【6】，现在的应用比较广泛的栽植器主要由以下几种：

1）钳夹式栽植器；

2）圆盘式栽植器；

3）吊环式栽植器；

4）导苗管式栽植器。

1.3国内外移栽机械化发展存在的主要问题

经过40年的研究和推广，我国的旱地栽植机械有了较大的进展，但是目前仍然处在起步阶段，在许多方面还是空白或存在问题[24]：

1、移栽机与配套技术机具脱节；

2、机具高速作业时易出现漏苗、缺苗和伤苗等情况，可靠性差；

3、机具自动化程度尚待提高。

所以，我研究的栽植系统意在改善上述问题，推进我国油菜种植机械化尽份微薄之力。

2方案设计

2.1国内外方案研究

移栽机械是育苗技术的关键设备,只有移栽技术过硬，才能降低制造成本，成本降低了才有可能使移栽机械得到普及{25}。

我国在70年代中期就研制了第一台玉米移栽的机械之后继续投入大量的精力和人力。

又开发和引用了多种适用于蔬菜，棉花，玉米，甜菜等经济作物的栽植机械，但均因为育苗技术太落后，配套性能差，综合效益低等原因，均未得到推广应用。

近几年来，随着育苗技术的发展以及劳动力成本的上升，推动了栽植机械的研制开发工作，又有多种新型栽植机的出现。

但从总体上讲，目前我国研制使用的移栽机械都是半自动式的。

全自动的移栽机因结构复杂，成本高，而仅处在研究起步阶段。

而从国外进口的移栽机械又由于和中国的农业大环境不能够很好的融合而没有得到认可【15】。

所以为了推广油菜的种植，提高农民种植的积极性，就必须有一种价格既经济又能够大大降低农民的劳动强度的移栽机的出世。

为此，我们可以从国内外现有的移栽机入手，取其精华，优化设计。

归纳起来，我国研制的或使用的半自动的移栽机及国外的移栽机不外乎有以下几种结构形式：

2.1.1钳夹式移栽机

依靠人工将秧苗喂入到在转动轮上的钳夹，秧苗被夹持着强制性随着转动，到达苗沟时，钳夹张开，将秧苗插入到土层之中。

随着秧夹的转动，秧苗和秧夹就会被分开，于是秧苗被栽植到土壤中。

这种机械的结构简单，株距和栽植深度稳定，但作业速度低，一般为30～45株/分，而且容易夹伤秧苗，栽植的秧苗容易倾倒和被土壤埋没。

这种机型由于栽植速度慢而没有得到推广应用。

钳夹式移栽机典型代表是1979年山西省运城地区农机所研制的2ZMB-2型钵苗移栽机。

2.1.2链夹式栽植机

工作原理与钳夹式移栽机相似，栽植部件安装在环形链条上，秧苗由人工喂到链夹上，由链夹将秧苗栽植到土壤中【11】。

由于只改变了传动方式，因此其性能与钳夹式移栽机相同。

如黑龙江省农垦科学院2Z-2型玉米钵苗移栽机。

2.1.3挠性圆盘移栽机

此移栽机的主要特点是夹持秧苗可以不受钳夹或链夹数量的限制，因此对株距的适应姓能好。

人工将秧苗放置到两片可以变形的挠性圆盘内，由圆盘的转动将秧苗栽植到土壤中，完成栽植过程[22]。

圆盘一般采用橡胶材料制成，结构简单实用，但株距和栽植深度不稳定，也容易出现埋苗【16】。

同时，挠性圆盘的受命较短。

如新疆农科院农机所的2ZT-2型纸筒甜菜移栽机【18】。

2.1.4吊篮式移栽机

吊篮式移栽机主要适合钵苗移栽，由人工将钵苗放入到型如吊篮式的栽植爪内，栽植爪随着机构转动，当快要到达投苗点时，栽植爪开始被强制性打开，钵苗开始脱落，在拖拉机的前进速度和钵苗的下落速度的合成速度在水平方向等于零时，钵苗开始被定点栽植（当然，这种现象只可能在理论上实现，我们所要做的就是使钵苗的栽植时刻尽可能的接近这个点）【13】。

随着撞在偏心圆盘上的栽植爪进入开沟器开好的沟内。

此时。

在固定轨道的作用下。

栽植爪的下部张开落下并立即被覆土定植，而栽植爪在离开固定轨道后自动关闭。

2.1.5导苗管式移栽机

在前面的几种移栽机中秧苗或钵苗的运动都不是自由的，鸡都是被强制性做着运动，所以很容易伤到苗，而导苗管式移栽机与上述几种移栽机相比较就有所不同了。

秧苗在导苗管式移栽机的运动是自由的，不是强制性的，因此不易伤苗。

另一方面，喂入器是由多个水平转动的喂入桶或者是较长的输送带构成，人工喂苗时，不必像上述移栽机一样逐个喂入。

人只需往喂入器里面不断的放苗即可保证露苗现象的发生，所以其喂如速度可以大大提高，作业速度能达到每分钟60－70株，比钳甘式移栽机提高30％－50％。

这种移栽机的优点是速度快、效率高，但缺点也很明显，那就是不易控制钵苗的栽直质量且结构比较复杂。

如中国农业大学的2ZDF型导苗管式移栽机。

2.1.6带式栽植机

带式栽植机由水平输送带和倾斜输送带组成，两带的运动速度不同，钵苗在水平输送带上直立前进，在水平输送带末端翻倒在倾斜输送带上，运动到倾斜输送带末端，钵苗翻转直立落到苗沟中【19】。

这种栽植机机构简单，栽植频率高达240株/分，但是，在工作可靠性方面需要进一步改进。

如山东工程学院的2ZG-2型钵苗移栽机。

目前的移栽机由于大部分是半自动化，且是人工喂钵，栽植速度有限，喂入频度不能超过60株/分，否则就会使人感到紧张，容易出现漏苗现象，劳动强度大，生产率不高，仅为人工栽植的2-5倍。

全自动化移栽机，理论上可以提高喂苗频率，但由于结构复杂，制造成本高，而且对育苗技术要求高，因此，仍处于试验阶段。

移栽质量不稳定，尤其是没有扶苗装置的移栽机，秧苗的直立度、株距、深度等都不能完全达到农业技术要求【17】。

2.2方案的设计

在研究完国内外移栽机栽植系统的优缺点后，如何尽可能去将自己的想法应用于实践中，从而去改善这些已存在移栽机不足之处，成为本方案选择的主要意义所在。

新型移栽机意在解决的主要问题在于幼苗的入土过程要尽量消除有伤苗嫌疑的装置部分，而在入土后未覆土之前要保证幼苗的直立度，不要东倒西歪【9】，为了解决这个问题，在本设计的新型栽植系统中特确定以一定深度和直径的圆孔作为苗穴，而幼苗的入土过程是通过一长落苗筒实现的，而为了保证落苗的精确性，特将主动轴与输出轴之间的运动传动比给定为1:

1，而将落苗装置的运动设计为圆周运动；入完秒后，将覆土装置设计为镇压轮覆土方式，覆完土后就将浇水装置匹配于栽植系统中。

所以，可将总体方案的设计任务定为以下4个部分：

打孔、放苗、覆土和浇水。

2.2.1总体结构的设计

其中，为了保证幼苗的立苗度，本设计采用打孔为苗穴的方式，根据穴盘苗的具体尺寸大小和栽插深度来决定打孔装置的具体尺寸,其中打孔深度为5厘米，打孔直径为5厘米。

栽植系统装在四方体方形框内，其简单示意图如下：

图1栽植系统主要工作部分

Figure1plantingsystemworkingpart

2.2.2打孔装置的设计

其中，打孔部分采用轴为中心，将打孔器【10】焊接于中心轴上，根据株距距确定每个打孔装置的位置，行距确定每个打孔器之间的间隔及其在轴上的位置，轴的尾端用轴承和轴承座将其固定于铁架上，打孔装置简易示意图如下：

图2打孔装置

Figure2punchdevice

2.2.3运动的传动设计

打孔为苗穴的移栽方式最大难题是如何保证幼苗的放置孔内时机能与打孔时机保持同步，解决这一难题的前提是要将打孔装置的运动同比转化至放苗装置。

其中第一传动部分可用链传动将打孔轴的运动形式同比传至另一传动轴；第二部分是通过第二根传动轴将打孔装置的运动通过锥齿轮变向传动给分别位于放苗装置的输出轴上，以此来实现与打孔装置同步放苗的预期目标。

其简单示意图如下：

图3运动传动图

Figure3motiontransmissiondiagram

2.2.4放苗装置的设计

打孔轴上每个打孔器上装有6个打尖端，打孔轴上的运动是以1:

1的传动比传送至输出轴上的，为了保证放苗速度与打孔速度保持一致，确定放苗装置是以中心轴为中心，以一定直径的圆为分布轨迹，6个落苗筒阵列分布于圆的圆边上，同时为了实现幼苗的落入位置与打孔位置一致，特于落苗筒的底端有一活动挡板，活动挡板与位于落苗筒下的落苗挡板以极小间距配合，当落苗器跟着输出轴旋转到落苗挡板上的缺口部分时活动挡板会自动开启，幼苗即会顺着落苗圆筒自动掉入秧穴内【20】。

其简单示意图如下：

图4放苗装置

Figure4Plantsputtingdevice

2.2.5覆土装置的设计

覆土装置是采用现已广泛应用的V形双轮，相比较装有开沟机的移栽机上的双轮，本设计由于装有打孔装置，所以双轮的尺寸不是很大，它是通过空心铁棒连接于本装置的后架上，且每个覆土轮与水平面成60°角分布。

由上可知，幼苗的入土深度最多为5厘米，为了保证秧苗的最佳生长环境，拟定覆土轮工作时的入土深度为3厘米。

其简单示意图如下：

图5覆土装置

Figure5casingdevice

2.2.6浇水装置的设计

此处省略 NNNNNNNNNNNN字。

如需要完整说明书和设计图纸等.请联系 扣扣：

九七一九二零八零零另提供全套机械毕业设计下载！

该论文已经通过答辩

放完苗覆完土，接下来的就是浇水了。

浇水装置采用了简单的水管浇水方式，原理为在整个机架的上方固定一个大水桶，在水桶口引出一根较大水管，然后在适当位置分成6根小水管分别固定在在每个镇压轮后上方空间内，浇水后的镇压轮轨迹与幼苗所在凸起部分形成交替隔沟，使其浇水更合理。

其简单示意图如下：

1.水桶2.水管

图6浇水装置

Figure6wateringdevice

2.3牵引装置的选择

由于栽植系统是以打孔轴的旋转运动带动后部工作装置进行移栽工作，而打孔轴的运动是依靠牵引装置的牵引力实现旋转运动的，所以选定拖拉机作为移栽系统的动力部分，而整个移栽机的组成部分还包括旋耕机、取苗装置和送苗装置等，这里就不确定拖拉机的具体型号了。

而移栽系统与动力装置的连接方式采用一直广泛使用的三点悬挂装置，同时，可在三点悬挂装置加根可拆装的支撑杆，以便无需使用移栽系统时拆下包养。

其简单的示意图如下：

图7三点悬挂装置

Figure7triangularsuspension

3系统零件的设计和计算

3.1打孔装置的尺寸计算

根据要求，打孔深度为5厘米，打孔直径为5厘米；株距为20厘米，行距为30厘米，每次作业为6行。

由此，给定打孔装置的工作半径为r。

图8打孔器

Figure8Holepuncher

如图所示，由于株距为20厘米，所以虚线圆周长:

L=6×20cm=120cm

所以虚线圆半径：

r=120÷π÷2≈19.1cm

其中打孔深度为5厘米，孔直径为5厘米，所以打孔圆柱加尖头部分总长为5厘米，圆柱部分直径为5厘米；加固圆形方条的内径指定为90厘米，外径指定为100厘米。

3.2轴的设计与校核

3.2.1主从动轴的的设计与校核

由上文可知，移栽装置的前进速度为720米每小时，而打孔装置的最大周长为120厘米，由此主动轴的转速为600r/h。

由于打孔装置打孔是靠移栽机构的重力下压实现，所以取每个打孔装置打一个孔所需力为500N，一次性实现打6个孔所需力：

F=6×500=3000N

所以，打孔装置瞬时所需功率

P=F×V=3000×0.2=600W

于是打孔装置所在轴的材料选用45钢调质处理，轴的最小直径

d1≥C

=47.2mm

（1）

考虑到键槽对轴强度削弱的影响，轴径应加大5%，则

d1=1.05×47.2=49.6mm

由于从动轴运动必须与主动轴保持同步，所以传动比为1:

1，但从动轴由于需要需加6键槽，所以从动轴最小直径

d2=47.2×1.056=69.8mm

所以，取定主动轴的直径为75mm。

查表可知，选定轴承为深沟球轴承6014GB/T276-1994，其宽度为20厘米，又移栽行距为30cm，

l1=300×5=1500mm

取两边的打孔器中线位置与轴承中线位置各50mm，所以主动轴的的长度

L=1500+2×50+2×20=1640mm

所以主动轴的体积V=3.14×37.52×1640=7441cm3

轴的材料选定为45钢，45钢的密度查表可知近似为7.9g/cm3，所以主动轴的质量为

M=7441×7.9=58784g=58.784kg

所以，主动轴的重力为G=Mg≈588N,因此，初步给定栽植系统所受重力为4000N,轴的转速为10r/min，打孔轴所受功率为P=600w,所以

转矩T=9550P/n=573KN/m

（2）

取打孔装置共为G=600N，轴上受到水平力F=400N,并且假设重量在轴上呈线性分布

1.绘制轴的受力简图：

2.求水平支反力：

FAH=FBH=F/2=200N（3）

3.绘制水平面弯矩图：

MCH=MAHLAB/2=1.422X105（N.mm）（4）

4.求垂直支反力:

由

得

FAVLAC-FCVLBC=0（5）

由

得FAV+FCV-G=O

求得FAV=175NFCV=225N

5.绘制垂直面弯矩图：

截面B的弯矩

MAC=MBC=FACXLAC=1.544X105（N.mm）（6）

6.绘制合成弯矩图：

根据M=

得

（7）

7.绘制转矩图：

T=9550P/n=573KN/m（8）

8.绘制当量弯矩图：

（9）

当由当量弯矩图和轴的结构图可知，B处和D处最优可能是危险截面，应该计算器当量弯矩。

此处可将轴的扭转剪应力看作脉动循环，取ɑ≈0.6,则

B截面：

=2.766x105（N.mm）（10）

D截面：

=2.453x105（N.mm）（11）

9.校核危险截面处的强度：

B截面：

（12）

D截面：

（13）

故轴的强度足够。

图9轴的受力分析与强度计算

Fig9Theforceanalisisandstrengthcalculationofshaft

3.2.2导苗管旋转轴的设计与校核

由于从动轴与6个导苗管轴连接，所以每个导苗管的承载功率为

P1=P/6=100W（13）

因此，旋转轴直径

d3=C

=21.5mm（14）

考虑到键槽对轴强度削弱的影响，轴径应加大5%，所以

d3=1.05×21.5=22.6mm

因此，选定轴的直径为30mm。

另外输出轴的校核与主动轴的校核类似，在这里就不一一校核了。

3.2.3轴承的设计与校核

由上文可知，主动轴的最大直径为75mm，所以查表可知可选用GB/T276-1994中的0尺寸系列的6014号轴承；从动轴的直径与主动轴相同，故零件的选择与主动轴一致。

已知装轴承处的轴径为70mm，转速为10r/min,选用深沟球轴承6214，C0=30.5KN：

对深沟球轴承，其径向基本额定载荷

（15）

式中

—基本额定动载荷，查表8-23得

=30.5kN

—载荷系数，查表取

=1

—当量动载荷，N

—基本额定寿命，本机预设寿命

=4000h

—轴承转速，r/min

—寿命指数，对球轴承

=3

P=7429.4N

故在规定条件下，6014轴承可用；以同样方法，校核轴承6005同样可用。

3.3传动部分设计

本移栽装置必须保持打一个孔栽一棵苗的精度，所以主动轴的运动形式必须与导苗管处的旋转轴运动保持一致。

在主动轴与从动轴之间选择链传动，并以1:

1为传动比。

主从动轴的安装位置是和地面保持平行的，而导苗管旋转轴是垂直于地面的，要想实现运动的转换必须是用锥齿轮，而每排的6个导苗管必须保持同步，因此实现运动转换的锥齿轮必须分度圆直径一致。

3.3.1直齿锥齿轮的设计

根据本移栽系统的要求及查表可知，选定锥齿轮的模数m=4，齿数z=30，由此可

知：

齿顶高

（16）

齿根高

（17）

d=mz=30×4=120mm（18）

df=d-2hfcosδ=113mm（19）

da=d+2hacosδ=125.6mm（20）

（21）

（22）

δa=δ+θa=47.4°（23）

δf=δ-θf=42°（24）

式中：

分别为齿顶角和齿根角;

为分度圆锥角；

分别为顶锥角和根锥角。

由此可得下表：

表1锥齿轮主要参数表

Table1bevelgearmainparameters

mzdf

dfθaθf

430125.6

1132.4°3°

从动轴与输出轴之间的传动比为1:

1，所以输出轴上的锥齿轮主要参数和主动轴上的锥齿轮是一致的。

3.3.2直齿锥齿轮的校核

轴夹角为

的一对钢制直齿圆锥齿轮的齿面接触强度验算公式为

（25）

其中：

（26）

（27）

（28）

其中K=2.3，μ=1。

=18.86MPa

=550MPa（29）

齿面的接触疲劳强度符合设计要求。

根据当量圆柱齿轮，可得齿根弯曲疲劳强度验算式

（30）

（32）

齿根的弯曲疲劳强度符合要求。

3.3.3轴中心距的计算

由上文可知，株距为20cm，考虑到打孔器的直径宽度和落苗器的直径，初步给定两轴的中心距为两倍株距40cm。

另一方面，当幼苗从落苗筒底端落下时，会以一定的初速度向下落，其中初速度可以分解为落苗装置所在圆平面内直径方向和切向方向两个速度。

对于直径方向速度来说，系统是以20cm/s的速度前进的，幼苗的下落高度为20cm，所以由位移与速度的关系可知：

s=v0t+½at2（33）

式中，由于系统是水平前行的，所以初始速度v0=0；取a=10，s=0.2m，所以

0.2=5t²（34）

t=0.2s

因此，幼苗的前拋距离为

s1=vt=4cm（35）

对于切线方向的速度来说，幼苗落入秒空所需时间为0.2秒，落苗筒中心所在平面圆的半径为7cm，而平面圆的角速度和打孔器的角速度是一样的，所以平面圆切向速度与打孔器切向速度之比为

i=70÷191≈0.35

所以，平