油菜毯状苗高速移栽机覆土镇压装置结构设计_汤庆

Ｚ０
＝
１２０Ｑ ＫＢＤ１／２
（５）
Ｋ＝ｓ（１＋０．２７Ｂ）
（６）
式 中 ：Ｚ０——— 下 陷 量 ，ｍｍ；
Ｑ——— 覆 土 镇 压 轮 对 地 面 的 垂 直 作 用 力 ，Ｎ；
Ｂ——— 覆 土 镇 压 轮 宽 度 ，ｍｍ；
Ｄ——— 覆 土 镇 压 轮 直 径 ，ｍｍ；
ｓ——— 土 壤 特 性 参 数 。
镇压是北方旱作农业的一项传统农艺技术措施和 主 要 技 术 环 节 ，其 作 用 一 是 能 提 高 土 壤 坚 实 度 ，使 苗 带 土壤吸收地下水 分 的 能 力 增 加，播 后 及 时 进 行 苗 带 镇 压可使种床紧实 度 适 宜，同 时 还 使 种 子 与 周 围 湿 土 密 接，起到提墒、保 墒 和 供 墒 作 用。 二 是 防 止 风 蚀，镇 压
２ ２
中国农机化学报
２０１６ 年
在 机 架 上 通 过 销 轴 连 接 支 撑 ，支 撑 架 可 以 绕 销 轴 转 动 。 在 支 撑 架 上 连 接 一 个 带 孔 调 节 轴 ，带 孔 调 节 轴 在 机 架 和 支 撑 架 之 间 连 接 一 个 弹 簧 ，通 过 开 口 销 插 入 带 孔 调 节轴上的不同孔可以调节支撑架的旋转位置和初始的 压力值。当工作的时候，机架降落到一 定 高 度，土 壤 给 予 尼 龙 轮 反 作 用 力 使 得 弹 簧 压 缩 ，弹 簧 产 生 的 弹 力 使 得 尼龙 轮 压 实 土 壤 。 在 支 撑 架 后 端 开 有 两 个 方 形 孔 ，半 圆 头方颈螺栓通过这两个方形孔，同时穿过覆土镇 压 轮， 采 用 平 垫 圈 、弹 簧 垫 圈 和 螺 母 紧 固 。 此 覆 土 镇 压 轮 由 尼 龙轮、轴套和滚动轴承组成。同时，两个 方 形 孔 位 置 折 弯一定角度，使得两个尼龙轮之间形成１６°夹角的 Ｖ 型 结构 。 由 于 尼 龙 轮 向 内 倾 斜 ，尼 龙 轮 底 部 平 面 对 土 壤 的 作用力可以分解为向内和向下两个分力。向内的分力 可 以 使 尼 龙 轮 具 有 覆 土 的 功 能 ，而 向 下 的 分 力 可 以 使 尼 龙 轮 具 有 镇 压 的 功 能 ，从 而 实 现 同 时 具 有 覆 土 和 镇 压 的 作用 。 在 支 撑 架 上 焊 接 有 刮 土 板 ，可 以 刮 掉 在 行 驶 过 程 中粘在尼龙轮上的湿土。
汤庆，吴崇友，袁文胜，吴俊，王苏飞．油菜毯状苗高速移栽 机 覆 土 镇 压 装 置 结 构 设 计 ［Ｊ］．中 国 农 机 化 学 报，２０１６，３７ （３）：２０～２２，３３ Ｔａｎｇ Ｑｉｎｇ，Ｗｕ Ｃｈｏｎｇｙｏｕ，Ｙｕａｎ Ｗｅｎｓｈｅｎｇ，Ｗｕ Ｊｕｎ，Ｗａｎｇ Ｓｕｆｅｉ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｎ ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｖｅｒｉｎｇ ｓｏｉｌ ｄｅ－ ｖｉｃｅ ｏｆ ｒａｐｅ ｓｈａｌｌｏｗ ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ，２０１６，３７（３）：２０～２２，３３
０ 引 言
在 南 方 水 稻 油 菜 轮 作 区 ，由 于 茬 口 矛 盾 ，油 菜 无 法 直接播种，必须采用育苗移栽种植方式。 目前，人工移 栽 油 菜 劳 动 强 度 大 、生 产 效 率 低 ；现 有 的 链 夹 式 半 自 动 移栽机作业效 率 低，不 适 应 稻 板 田 移 栽。 为 了 改 善 油 菜 移 栽 现 状 ，在 原 有 的 水 稻 插 秧 机 的 基 础 进 行 改 造 ，设 计了适合移栽油菜毯状苗的油菜高速移栽机。针对油 菜 小 苗 的 特 性 ，油 菜 移 栽 机 中 设 计 了 覆 土 镇 压 装 置 ，对 油菜苗的成苗率 影 响 至 关 重 要，所 以 有 很 多 学 者 都 进 行镇压覆土机构的研究工作 。 ［１－３］
第 ３７ 卷 第 ３ 期 ２０１６ 年 ３ 月
中国农机化学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ
ＤＯＩ：１０．１３７３３／ｊ．ｊｃａｍ．ｉｓｓｎ．２０９５－５５５３．２０１６．０３．００６
Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．３ Ｍａｒ． ２０１６
油菜毯状苗高速移栽机覆土镇压装置结构设计＊
覆土器的作用 是 将 种 沟 内 小 苗 根 部 覆 盖 严 密，并 达到覆土量适宜和覆土均匀的目的。在许多结构设计 上 覆 土 器 作 为 一 个 单 独 的 部 件 来 研 究 ［４－５］，覆 土 器 的 结 构参数与运动参 数 决 定 着 覆 土 器 的 工 作 性 能，不 仅 影 响 覆 土 质 量 ，而 且 影 响 栽 植 深 度 和 株 距 变 化 ，进 而 影 响 成苗率和植株田间分布均匀性。
图 ４ 覆 土 镇 压 轮 结 构 图
Ｆｉｇ．４ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｖｅｒｉｎｇ ｓｏｉｌ ｄｅｖｉｃｅ １．滚 动 轴 承 ２．弹 簧 垫 圈 ３．螺 母 ４．平 垫 圈 ５．轴 套 ６．半 圆 头 方 颈 螺 栓 ７．支 撑 架 ８．弹 簧 ９．带 孔 调 节 轴 １０．开 口 销 １１．机 架 １２．尼 龙 轮 １３．刮 土 板 １４．销 轴
１ 接 地 压 力 分 析
建立覆土镇压轮受力示意图如图１所示。
图 １ 受 力 示 意 图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｒａｗｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ
收 稿 日 期 ：２０１４ 年 １２ 月 １０ 日 修 回 日 期 ：２０１４ 年 １２ 月 １７ 日 ＊ 基 金 项 目 ：江 苏 省 农 机 三 项 工 程 项 目 （ＮＪ２０１１－４４）；江 苏 省 农 机 三 新 工 程 项 目 （ＮＪ２０１２－１０） 第 一 作 者 ：汤 庆 ，１９８５ 年 生 ，男 ，江 苏 徐 州 人 ，硕 士 ，研 究 实 习 员 ；研 究 方 向 为 农 业 机 械 化 工 程 。Ｅ－ｍａｉｌ：２８５８８１２４０＠ｑｑ．ｃｏｍ 通 讯 作 者 ：吴 崇 友 ，１９５９ 年 处 ，男 ，辽 宁 岫 岩 人 ，博 士 ，研 究 员 ，博 导 ；研 究 方 向 为 农 业 机 械 化 工 程 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｙｗｕ５９＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ
其中，覆土镇压轮对 地 面 的 垂 直 作 用 力 Ｑ 与 地 面
对其的作用力 Ｎ 是一对作用力 与 反 作 用 力，所 以 两 个
力的数值相等、方 向 相 反。 覆 土 镇 压 轮 对 地 面 的 压 力
产生的下陷如图 ２ 所 示，覆 土 镇 压 轮 对 地 面 的 垂 直 作 用力Ｑ 对应的作用面积
测定项目
试验１
试验２
样 本 １ 样 本 ２ 样 本 ３ 样 本 １ 样 本 ２样 本 ３
测 定 总 株 数／株
１２０ １２０ １２０ １２０ 源自文库２０ １２０
测定段长度／ｃｍ １ ７８０ １ ７９５ １ ７６５ １ ７６５ １ ７９５ １ ７９５
漏 栽 株 数／株
４ ３ ５ ５ ３ ３
Ｓ ＝ Ｂ ×Ｄ ×ｓｉｎα ＝ Ｂ 槡２Ｚ０Ｄ －Ｚ２０
（７）
度的压实。镇压轮对地面的垂直作用力 Ｑ 在接地面
上 均 匀 分 布 ，接 地 压 力
Ｐ＝Ｑ／Ｓ
（８）
２ 结 构 设 计
在 原 有 的 移 栽 机 基 础 上 ，去 除 了 腹 板 系 统 ，借 用 腹 板高度 调 节 杆 来 调 节 覆 土 镇 压 轮 的 初 始 高 度，通 过 Ｐｒｏ／Ｅ 建立三维模型，如图３所示。
３ 田 间 试 验
本覆土镇压装置通过结构设计进行了样机试制， 并进行了田间 试 验。 对 机 器 栽 植 质 量 进 行 了 测 定，并 对 测 量 数 据 进 行 了 数 据 处 理 ，如 表 １，表 ２ 所 示 。
表 １ 栽 植 质 量 试 验 Ｔａｂ．１ Ｐｌａｎｔｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
图 ２ 覆 土 镇 压 轮 下 陷 图 Ｆｉｇ．２ Ｂｏｇｇｉｎｇ ｄｏｗｎ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｖｅｒｉｎｇ ｓｏｉｌ ｄｅｖｉｃｅ
将镇压轮近似 地 看 作 刚 体，忽 略 轮 下 土 壤 向 两 侧 的流动，则接地 面 上 边 缘 和 中 心 部 位 的 土 壤 被 同 等 程
图 ３ 覆 土 镇 压 装 置 三 维 模 型 ｉｇ．３ ３Ｄ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｖｅｒｉｎｇ ｓｏｉｌ ｄｅｖｉｃｅ
在油菜小苗移栽的过程中，通过波纹盘开 沟之后， 油菜小苗通过移 栽 机 插 到 沟 内，此 时 需 要 将 沟 两 边 翻 出 的 土 壤 覆 盖 到 小 苗 的 根 部 ，并 将 土 壤 压 紧 ，使 小 苗 根 部与湿土严密 接 触，提 高 成 活 率。 传 统 的 覆 土 镇 压 机 构采用覆土器和镇压轮组合使用，这种结构较 为复杂， 制造成 本 较 高。 本 次 设 计 的 覆 土 镇 压 轮 机 构 结 构 简 单 ，能 够 同 时 实 现 覆 土 和 镇 压 功 能 ，如 图 ４ 所 示 。
埋 苗 株 数／株
８ ７ １２ ９ ８ ６
后种床土壤由疏 松 状 态 变 为 紧 实 状 态，有 效 防 止 风 力 冲击，特别是苗带镇压，可在种床土壤的两侧形成 一 定 宽度的肩墙，从 而 避 免 大 风 对 苗 穴 的 侵 袭。 一 般 机 械 中镇压器作为一 个 单 独 的 部 分 实 施 镇 压，有 的 学 者 也 对镇压器做了一些研究 。 ［６－７］
汤庆，吴崇友，袁文胜，吴俊，王苏飞
（农 业 部 南 京 农 业 机 械 化 研 究 所 ，南 京 市 ，２１００１４）
摘要：南方稻油轮作的区油菜不适宜直播，只能采用育苗移栽，然而传统人工移栽效率低、成本高。为提高 效 率，设 计 毯 状 苗高速移栽机。覆土镇压装置是毯状苗高速移栽机的重要部件，对于成苗率至关重要。针对覆土镇压装置进 行 理 论 分 析 和结构设计，并且通过田间试验验证本次设计的覆土镇压装置效果良好，能够满足农艺需求，减少了传统油菜 移 栽 劳 动 强 度 ，提 高 了 效 率 。 关 键 词 ：高 速 移 栽 机 ；镇 压 覆 土 ；结 构 设 计 ；农 业 机 械 化 中 图 分 类 号 ：Ｓ２２３．９２ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：２０９５－５５５３（２０１６）０３－００２０－０４
ｆ——— 地 面 与 覆 土 镇 压 轮 之 间 的 摩 擦 力 ，Ｎ；
μ——— 地 面 与 覆 土 镇 压 轮 之 间 的 摩 擦 系 数 。 由 式 １、式 ２ 可 得
Ｎ
＝
ｋｌ１Δｌｃｏｓα Ｌ（ｃｏｓα＋μｓｉｎα）
（４）
在垂直力 Ｑ 的作用 下，镇 压 轮 在 非 刚 性 路 面 上 下
陷量 Ｚ０的计算可以简化为
对于在原 有 的 水 稻 插 秧 机 改 造 的 小 苗 油 菜 移 栽 机，不适宜单独 安 装 覆 土 器 和 镇 压 轮。 一 是 由 于 单 独 安装会造成总 体 重 量 的 加 大，使 得 动 力 不 足。 二 是 由 于移栽为小苗需要开沟、插苗、覆土和镇压的过程 一 致 性较好。针对这 个 问 题，将 镇 压 和 覆 土 做 在 一 个 机 构 上，设计了 Ｖ 型覆土镇压装置。
ｆ＝μＮ 式 中 ：Ｎ ——— 地 面 对 覆 土 镇 压 轮 作 用 力 ，Ｎ；
（３）
Ｌ———杆 ＡＢ 的长度，ｍｍ；
ｌ１———压簧接触点距 Ａ 点的距离，ｍｍ；
α———杆 ＡＢ 与水平面之间的夹角，（°）；
Ｆｋ ——— 弹 簧 压 缩 力 ，Ｎ；
ｋ——— 弹 簧 刚 度 ，Ｎ／ｍｍ；
Δｌ——— 弹 簧 压 缩 量 ，ｍｍ；
第３期
汤庆 等：油菜毯状苗高速移栽机覆土镇压装置结构设计
２ １
在正常工作条 件 下，地 面 对 覆 土 镇 压 轮 的 作 用 力
和弹簧的压力共同作用 在 中 间 连 杆 上，在 左 端 Ａ 铰 链
处形成平衡杠杆。根据杠杆平衡原理可得
Ｆｋｌ１ｃｏｓα＝ＮＬｃｏｓα＋ｆＬｓｉｎα
（１）
Ｆｋ＝ｋΔｌ
（２）