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全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計
油菜移栽機送苗機構(gòu)設(shè)計
RAPE TRANSPLANTING MACHING FEEDING MECHANISM DESIGN
學生姓名:
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提交日期： 年 月
全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計
誠 信 聲 明
本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計是本人在指導老師的指導下，進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。
畢業(yè)設(shè)計作者簽名：
年 月 日
目 錄
摘要……………………………………………………………………………1
關(guān)鍵詞…………………………………………………………………………1
1前言……………………………………………………………………………2
1.1課題研究的目的與意義……………………………………………………………2
1.2國內(nèi)外移栽機的研究現(xiàn)狀…………………………………………………………3
1.2.1國外現(xiàn)狀…………………………………………………………………………3
1.2.2國內(nèi)現(xiàn)狀…………………………………………………………………………4
1.3研究內(nèi)容…………………………………………………………………………6
1.4本章小結(jié)……………………………………………………………………………6
2油菜幼苗的農(nóng)藝特性研究……………………………………………………………6
2.1油菜育苗方式………………………………………………………………………6
2.2幼苗的農(nóng)藝特性……………………………………………………………………7
2.3苗盤輸送軌跡分析…………………………………………………………………8
2.4本章小結(jié)…………………………………………………………………………8
3送苗機構(gòu)總體方案擬定………………………………………………………………9
3.1送苗機構(gòu)工作原理…………………………………………………………………9
3.2送苗機構(gòu)方案擬定……………………………………………………………9
3.3送苗機構(gòu)主要參數(shù)設(shè)計………… ………………………………………………11
3.4本章小結(jié)…………………………………………………………………………11
4傳動機構(gòu)設(shè)計………………………………………………………………………11
4.1傳動機構(gòu)參數(shù)設(shè)計………………………………………………………………12
4.1.1步進電機的選擇…………………………………………………………………12
4.1.2傳動比確定……………………………………………………………………12
4.1.3傳動軸參數(shù)設(shè)計…………………………………………………………………12
4.2鏈傳動設(shè)計計算…………………………………………………………………13
4.2.1一級鏈傳動設(shè)計…………………………………………………………………13
4.2.2二級鏈傳動……………………………………………………………………15
4.3齒輪傳動設(shè)計……………………………………………………………………17
4.3.1選擇齒輪類型，材料及齒數(shù)……………………………………………………17
4.3.2按齒面接觸疲勞強度設(shè)計………………………………………………………17
4.3.3按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計………………………………………………………18
4.3.4幾何尺寸計算…………………………………………………………………20
4.3.5齒面接觸疲勞強度校核…………………………………………………………20
4.3.6齒根彎曲疲勞強度校核…………………………………………………………21
4.4傳動軸設(shè)計………………………………………………………………………21
4.4.1軸1設(shè)計…………………………………………………………………………21
4.4.2軸3設(shè)計…………………………………………………………………………24
4.4.3軸4設(shè)計…………………………………………………………………………25
4.5本章小結(jié)…………………………………………………………………………25
5間歇機構(gòu)設(shè)計………………………………………………………………………25
5.1橫向間歇送苗機構(gòu)設(shè)計…………………………………………………………26
5.1.1槽輪機構(gòu)參數(shù)設(shè)計………………………………………………………………26
5.1.2圓柱凸輪機構(gòu)設(shè)計………………………………………………………………27
5.1.3圓柱凸輪軸設(shè)計…………………………………………………………………30
5.2縱向間歇送苗機構(gòu)設(shè)計…………………………………………………………31
5.2.1帶傳動設(shè)計………………………………………………………………………31
5.2.2單銷槽輪機構(gòu)設(shè)計………………………………………………………………32
5.2.3轉(zhuǎn)軸設(shè)計…………………………………………………………………………33
5.3本章小結(jié)…………………………………………………………………………35
6結(jié)束語…………………………………………………………………………35
參考文獻…………………………………………………………………………35
致謝…………………………………………………………………………36
油菜移栽機送苗機構(gòu)設(shè)計
學 生：
指導老師：
（xx農(nóng)業(yè)大學xx學院，xx xxxxxx）
摘 要：移栽是油菜生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，南方油菜移栽生產(chǎn)周期短、勞動強度大、生產(chǎn)效率低，并且目前油菜移栽機多為半自動化。本次設(shè)計針對目前油菜移栽機多為半自動的現(xiàn)狀，通過油菜幼苗移栽機的自動送苗，提高自動化程度，提高生產(chǎn)率。其中自動送苗機構(gòu)主要是由橫向送苗和縱向送苗兩部分組成，通過這兩部分的配合傳動，使苗盤實現(xiàn)“弓”字型運動，方便機械手在準確時間、準確地點取苗。橫向送苗機構(gòu)由三銷槽輪機構(gòu)與圓柱凸輪機構(gòu)組成，移栽機的地輪通過鏈傳動傳動動力，從而帶動槽輪機構(gòu)中的撥盤帶動槽輪來進行間歇運動，槽輪的運動又帶動與其同軸的圓柱凸輪往復(fù)運動，通過一根連桿帶動苗盤橫向送苗。縱向送苗機構(gòu)通過步進電機輸送動力，帶動傳動軸以及單銷槽輪機構(gòu)與同步帶輪運動，從而達到縱向送苗的目的。
關(guān)鍵詞：移栽機;自動送苗;間歇運動;往復(fù)運動
Rape Transplanting Machine Feeding Mechanism Design
Student:
Tutor:Quan La Zhen
(College of Engineering,xxxx Agricultural University, xxxxx, xxxxx,China)
Abstract: Transplanting?is an important link of?rapeseed production, southern?rape transplanting short production cycle, high labor intensity, low production efficiency,?and?the?transplanting machine?for the semi?automation.?This design in view of the present?situation of?rape transplanting machine?is?semi-automatic,?the?rape seedling?transplanting machine?automatic seedling feeding,?improve the degree of automation,?improve productivity.?The automatic seedling feeding mechanism?is mainly composed of?transverse?and longitudinal?feeding seedling?seedling feeding?is composed of two parts,?with the?transmission?of these two parts,the?seedling?disc?"bow"?shape,?convenient?mechanical hand?in?the correct time,?accurate location of?seedling.?Transverse?seedling feeding mechanism?is composed of three?pin wheelhouse mechanism?and?cam mechanism,?transplanting machine?wheel?through the?chain transmission?power,?which led to?the Geneva mechanism?driven by the?Geneva?dial?to intermittent motion,?the reciprocating motion of?cylindrical cam?Geneva?motion?drives?coaxial,through a?connecting rod drives the?seedling?the transverse?feeding?seedling?disc.Vertical feeding seedling mechanism through the stepper motor transport power, to drive the transmission shaft and the pin groove wheel mechanism and synchronous belt wheel movement, so as to achieve the vertical feeding seed.
Keywords: Transplanting Machine; Automatic send Seedlings; Intermittent Movement; Reciprocating Motion
1 前言
1.1 課題研究的目的與意義
油菜作為我國主要油料作物，是農(nóng)村種植業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，是農(nóng)民經(jīng)濟來源的重要組成部分。但是油菜的移栽是勞動強度很大的一項農(nóng)事活動，我國在油菜種植上，機械化程度嚴重不足，長期以來，油菜的移栽都是以人工為主，這樣不僅勞動強度大，而且在質(zhì)量上也較差，生產(chǎn)率低，成本高，嚴重影響了農(nóng)民種植油菜的積極性和油菜種植面積的擴大。為了提高農(nóng)民的勞動生產(chǎn)率，降低農(nóng)民的勞動強度，國內(nèi)外農(nóng)機者對油菜移栽機械進行了一定的研究，并形成了一定系列的產(chǎn)品。
目前油菜移栽機主要可分為缽苗油菜移栽機和裸苗移栽機兩種。缽苗移栽機的發(fā)展很快，半自動和全自動的缽苗移栽機已經(jīng)研發(fā)出來，缽苗的培育也已經(jīng)實現(xiàn)了工廠化，農(nóng)機與農(nóng)藝結(jié)合成熟，技術(shù)已經(jīng)相當成熟。隨著“無土育苗”的誕生，國內(nèi)油菜幼苗移栽面積正在逐年擴大，面對逐年擴大的移栽面積如果不采用機械作業(yè)是無法實現(xiàn)的，因此研制油菜幼苗移栽機十分必要。與缽苗移栽相比，裸苗移栽具有以下幾個方面的優(yōu)點：
（1） 裸苗移栽技術(shù)的核心是采用無土育苗基質(zhì)培育幼苗和使用促根劑促進幼苗的根系生長。培育出來的幼苗生長很好，根系發(fā)達，移栽時沒有載體，幼苗不會出現(xiàn)萎焉，移栽后緩苗時間短，新生根出生快。通過大量試驗，幼苗成苗率可以達到90%以上，迅速生根，與其他幾種移栽方式相比較，增產(chǎn)可以達到10%左右。
（2） 采用基質(zhì)育苗成本低，取材便利，基質(zhì)具有含水量高，通透性能好，肥料和營養(yǎng)較豐富，起苗、運苗和載苗方便，不傷害幼苗的根的特點。
目前國內(nèi)的油菜裸苗移栽機都是已半自動為主，送苗方式為人工送苗，這樣不僅造成了人工勞動力強度大、移栽速度受到限制、生產(chǎn)效率低等問題，還會出現(xiàn)漏苗現(xiàn)象嚴重等問題。為了解決出現(xiàn)的問題，全自動送苗機構(gòu)的設(shè)計就顯的尤其重要，具有重大意義。
1.2 國內(nèi)外移栽機的研究現(xiàn)狀
目前油菜移栽正在慢慢實現(xiàn)機械化，普通移栽機類型按動力來區(qū)分，一般可分為兩種形式：一種是拖拉機懸掛牽引式，移栽機作為一個工作部件通過拖拉機后面的液壓懸掛系統(tǒng)連接，由拖拉機動力輸出軸傳遞功率給送苗和栽植機構(gòu)，由拖拉機控制行進速度，動力輸出軸變速箱調(diào)節(jié)栽插株距；另一種是自走式移栽機，機身自帶動力，能驅(qū)動自身機器行走和完成分苗、栽植作業(yè)，此種類型一般結(jié)構(gòu)較為緊湊，體型較小，單人乘坐，兩行栽植，苗杯流動式給兩個栽植器分苗栽植。
目前常用的移栽機整機結(jié)構(gòu)大致分為以下幾個部分，即動力部分、傳動機構(gòu)、底盤升降機構(gòu)、送苗機構(gòu)、投苗機構(gòu)、栽植機構(gòu)等。栽植器按類型可分為吊籃式、圓盤式和鉗夾式等，目前以吊籃式栽植器為主，作業(yè)過程一般通過送苗機構(gòu)或手工投苗到栽植器，栽植器采用雙曲柄連桿轉(zhuǎn)動間歇式栽植的工作原理，在圓盤上安裝圓錐筒式栽植器，栽植器由兩片對稱嚙合的半開圓錐筒、同步拉線凸輪機構(gòu)構(gòu)成。工作時，安裝有栽植器的雙曲柄連桿隨著地輪的行走而同步轉(zhuǎn)動，栽植器轉(zhuǎn)動到接觸地壟表面時繼續(xù)向下插入土中，實現(xiàn)打孔功能，繼續(xù)運動到最低點達到栽插深度要求，此時同步拉線凸輪撥動圓錐筒半錐片，放下秧苗，同時由曲柄連桿機構(gòu)帶動栽植器向上離開土壤，完成一次栽植循環(huán)。覆土機構(gòu)采用雙V形雙輪鎮(zhèn)壓的原理實現(xiàn)秧苗栽植時的培土功能[2]。
1.2.1 國外現(xiàn)狀
歐美和日本是世界上最早研究機械化移栽的國家及地區(qū)，初期主要用于商業(yè)價值高的蔬菜，后逐步應(yīng)用到玉米及棉花。以歐洲、北美洲為代表的地區(qū)所研制的大型移栽機。其作業(yè)多采用大型拖拉機懸掛方式，整機較龐大，工作效率較高，適合平原地帶大面積作業(yè)。另一個對油菜移栽機起典型代表的是日本，與歐洲廣闊的平原相比，日本多山丘的地貌更加與我國南方相似，其研制的移栽機可以更好的適應(yīng)于我國南方地帶。2000年以來，以小型精細作業(yè)的蔬菜移栽機蓬勃發(fā)展起來，通過2011年12月福建漳州海峽兩岸農(nóng)業(yè)機械展覽會本文作者有幸參見了最新研制的包括久保田的KP-200半自動蔬菜移栽機、井關(guān)2ZY-2A型移栽機等在內(nèi)的多個國際先進水平的蔬菜苗移栽機。久保田KP-200型移栽機，簡易2人乘用式2行不對稱栽植，適合油菜、萵苣、卷心菜、白菜等的栽植，可在0~30cm內(nèi)自動調(diào)節(jié)壟高，也在28~55cm范圍內(nèi)進行7級行距的調(diào)節(jié)，其升級版KP-200L甚至可以做到往返4行栽植，即調(diào)整栽植器位置，在同一個壟里面進行兩次兩行移栽，達到四行栽植的目的[5]。
圖1 富來威2ZQ-4型油菜移栽機
Fig 1 Fulaiwei 2ZQ-4 Rape Seedling transplanter
井關(guān)的PVHR2兩行半自動蔬菜移栽機，單人乘坐式，帶環(huán)形分苗器，可一人完成兩個栽植器的投苗工作。環(huán)形分苗器上布置有26個苗杯，苗杯在輸送鏈的作用下轉(zhuǎn)動，到達栽植器上方時，通過特殊的觸發(fā)裝置，可實現(xiàn)奇偶數(shù)錯開落苗，奇數(shù)類苗杯轉(zhuǎn)動到左側(cè)的栽植器上方時打開苗杯底蓋，秧苗下落至栽植器，偶數(shù)類苗杯在通過左側(cè)栽植器上方時不落苗，繼續(xù)運動到分苗盤右側(cè)栽植器時才打開底蓋落苗，這樣就保證了苗杯可以同時落入底下并行的兩個栽植器，分苗質(zhì)量高、結(jié)構(gòu)運動可靠，單人投苗節(jié)省了勞動力，降低了生產(chǎn)成本，提高了勞動效率。
1.2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀
我國從在 20 世紀 60 年代開始從發(fā)達國家引進并研制移栽機，初期用于玉米、棉花，后陸續(xù)發(fā)展到煙草、油菜。1979年四川省溫江地區(qū)農(nóng)機所研制了2ZYS-4型移栽機，1980年北京市農(nóng)機所研制了2ZSB-2型缽苗移載機。2008年，南通富來威農(nóng)業(yè)裝備有限公司研制的2ZQ-4型油菜移栽機，如圖1.1所示，是一種新型的半自動油菜秧苗移栽機械，主要用于油菜的裸苗和缽苗移栽。該機型由中、小型拖拉機拖動,拖拉機與移栽機之間采用三點懸掛的方法聯(lián)接，前端帶有開溝器，使用鏈條鉗夾式栽植器，4人乘坐投苗，能進行4行移栽，由人工將油菜苗投入到鉗夾上方苗盒,隨著鉗夾的運動油菜苗被夾持到圓盤上做圓周運動，轉(zhuǎn)到最低點時送到已開好的苗溝，鉗夾打開，秧苗落入溝中，隨后被鎮(zhèn)壓輪覆土壓密。
目前，國內(nèi)很多單位在現(xiàn)階段機械化移栽研制的基礎(chǔ)上研制了自走式半自動移栽機。自走式機型體型較小，操作靈活，轉(zhuǎn)彎容易，但其一般都以單行或兩行移栽為主。其栽植速度受到人工喂苗速度的限制，一般單人投苗速度在 40～50 株/min，最快可以達到60株/min。如圖1.2所示，湖南農(nóng)業(yè)大學研制的2ZY-1型煙草移栽機，該機采用汽油發(fā)動機，經(jīng)皮帶輪傳動至主變速箱分兩部分輸出，一部分通過皮帶輪傳動至鏈輪箱驅(qū)動地輪工作，另一部分鏈傳動至副變速箱驅(qū)動栽植機構(gòu)進行栽植作業(yè)。煙苗投入投苗轉(zhuǎn)盤，栽植機構(gòu)運動到最高頂住投苗轉(zhuǎn)盤的內(nèi)舍，煙苗落入栽植器，栽植器上下往復(fù)運動完成投苗，隨即雙V型覆土輪對已栽植的煙苗進行培土。
圖2 湖南農(nóng)業(yè)大學2ZY-1型煙草移栽機
Fig 2 2ZY-1Tobacco Seedling Transplanter of Hunan Agricultural University
目前，就移栽機送苗機構(gòu)這一塊，國內(nèi)擁有缽苗移栽機送苗和裸苗移栽機送苗兩種。其中帶有送苗機構(gòu)的缽苗移栽機送苗方式主要分為帶式送苗、導管送苗和圓盤送苗等方式。以上三種帶有送苗機構(gòu)的缽苗移栽機雖然提高了移栽速率，降低了人工勞動力強度，但是大部分移栽機缺少漏苗檢測控制系統(tǒng)，即使具有也存在不穩(wěn)定的問題，會有漏苗現(xiàn)象的出現(xiàn)，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，市場的普及率低。目前市場上流通的主要移栽機任然是半自動的缽苗移栽機。與缽苗移栽技術(shù)相比，裸苗移栽技術(shù)發(fā)展相對較晚，技術(shù)還處于研究階段。目前國內(nèi)所研制的裸苗移栽機是半自動化的，送苗方式還是以人工送苗為主，人工勞動力強度大，移栽效率低，漏苗嚴重，產(chǎn)量低?，F(xiàn)在國外只有日本研制出了全自動的裸苗移栽機，這種機型含有送苗機構(gòu)和取苗移栽機械手，首先送苗機構(gòu)把苗盤送入，機械手取出苗盤里面的第一課幼苗，接著機械手對夾苗器進行喂苗，幼苗會隨著夾苗器運行而落入開溝器開出來的小溝中，然后就是蓋土，壓平。在機械手喂苗的時候，送苗機構(gòu)會快速的完成第二課幼苗的輸送，等待機械手來夾取第二課幼苗，如此循環(huán)，完成全自動的送苗移栽動作，具有送苗、喂苗、移栽一體化的優(yōu)點，提高了移栽效率，降低了勞動生產(chǎn)強度，但是缺乏了對漏苗的檢測，移栽時候的漏苗情況嚴重，且移載機械手的取苗也不穩(wěn)定，對幼苗的傷害較大，影響了油菜的產(chǎn)量。研制出經(jīng)濟實用性全自動化、只能化的油菜幼苗移栽機成為了當前的研究重點，而研制自動送苗機構(gòu)是油菜幼苗移栽機實現(xiàn)全自動化的關(guān)鍵[9]。
1.3 研究內(nèi)容
本課題在于解決油菜裸苗移栽機送苗機構(gòu)存在的問題，做到既有效解決當前我國油菜裸苗移栽機在移栽過程中不能實現(xiàn)自動送苗的缺陷，又順應(yīng)國內(nèi)外油菜移栽機的發(fā)展方向。在已有的移栽機送苗機構(gòu)的基礎(chǔ)上研制出一種簡單的自動送苗機構(gòu)，并通過理論分析和計算，做到優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高生產(chǎn)效率。
（1） 通過對油菜移栽機送苗機構(gòu)現(xiàn)狀的研究，提出當前存在的主要問題，并且針對這些問題，確定研究的方向和目標。通過已有的移栽機研制基礎(chǔ)，結(jié)合油菜秧苗的物理特性及移栽的特點，設(shè)計出適合油菜移栽的送苗機構(gòu)。
（2） 油菜幼苗移栽機送苗機構(gòu)設(shè)計。對油菜苗盤的形狀的大小測量，實現(xiàn)自動送苗所需要的要求，確定出合適的方案。
（3） 傳動機構(gòu)的設(shè)計。研究油菜移栽時苗盤的運動軌跡和速度，以及取苗、送苗所需的運轉(zhuǎn)及間歇時間設(shè)計出合理的的送苗機構(gòu)。結(jié)合對送苗機構(gòu)進行運動學分析、動力學分析及機構(gòu)的總體優(yōu)化，設(shè)計出合適的傳動機構(gòu)。
1.4 本章小結(jié)
本章節(jié)主要介紹了課題的研究目的和意義以及移栽機在國內(nèi)外的發(fā)展情況。由于我國是油菜種植大國，但是油菜移栽送苗機構(gòu)基本上是半自動化，工作效率低，因此自動化的油菜幼苗移栽機送苗機構(gòu)的研究及其重要。
2 油菜幼苗的農(nóng)藝特性研究
送苗機構(gòu)是半自動的油菜移栽機實現(xiàn)全自動化的重要組成部分。機構(gòu)主要是將幼苗送到指定的位子，并定時定距的輸送每一株幼苗，保證機械手能夠做到準確的取到幼苗。在這輸送過程中，送苗機構(gòu)要做到兩點：第一是需要定時、定距的輸送每一株幼苗；第二是機構(gòu)必須做到每顆幼苗之間的輸送有間隔時間，因為機械手定點取苗到將幼苗放入到苗夾上有時間間隔。因此在設(shè)計送苗機構(gòu)前必須先確定好苗盤的運動軌跡很重要。本章通過對幼苗和苗盤的農(nóng)藝特性研究，選定合適的苗盤輸送軌跡，為后面的送苗機構(gòu)設(shè)計提供數(shù)據(jù)上面的基礎(chǔ)。
2.1 油菜育苗方式
油菜幼苗移栽選苗齡為30-40天，苗高18-20cm，幼苗4或5葉1心為最佳。移栽的合理密度是8000到1萬株每畝。現(xiàn)在我國油菜的育苗方法常見的有兩種：一是育苗床育苗；二是穴盤育苗。
育苗床育苗是選用向陽、土質(zhì)疏松肥沃、靠近水源，利于灌溉、方便管理的田作為苗床，將油菜籽撒播在育苗床上，待油菜長到移栽苗齡時將幼苗連根，帶一部分土壤拔起，進行移栽，這種育苗方式移栽比較簡單，但是會對苗根造成一定的損傷，適合傳統(tǒng)人工移栽，如圖3所示。
圖3 油菜苗床育苗
Fig 3 Seeding bed of rape
穴盤育苗一般都是在溫室大棚內(nèi)進行培育的，是將油菜種子播撒在有營養(yǎng)基質(zhì)的穴盤內(nèi)，穴盤材料多為聚乙苯乙烯泡沫塑料，耐水和秧苗營養(yǎng)液浸泡，使用年限一般3到5年，消毒以后可以重復(fù)使用，如圖4所示。
圖4 油菜穴盤育苗
Fig 4 Seeding tray of rape
2.2 幼苗的農(nóng)藝特性
針對油菜機械化移栽，我們優(yōu)先選用穴盤苗，一方面是因為穴盤苗的大小、高矮比較均勻、根系發(fā)達，秧苗底部帶有營養(yǎng)基，增加了秧苗底部的質(zhì)量，秧苗在移栽機苗杯內(nèi)下落的時候因質(zhì)心下移，其下落姿勢不容易發(fā)生擺動，和踢毽子一樣，在下落的過程中始終保持根部朝下；另一方面，機械化移栽與人工移栽相比，速度較快，一般是人工移栽速度的10倍以上，對于移栽機送苗的速度要求較高，約60株/min，而傳統(tǒng)育苗床培育出來的油菜苗，幼苗根生長在同一土塊上，在手工投苗的過程中，秧苗根部容易糾纏在一起，在高速投苗作業(yè)中，容易傷到幼苗甚至扯斷苗根，而穴盤苗本身生長在各自的營養(yǎng)基內(nèi)，可以實現(xiàn)快速的送苗。
2.3 苗盤輸送軌跡分析
油菜移栽機的機械手在移栽的時候，先將幼苗從苗盤里取出，然后放到油菜移栽機的苗夾上，從而完成取苗動作。在這個過程中，機械手的取苗點和運動的軌跡是固定，且每取一顆幼苗所花的時間為。由于機械手的限制，送苗機構(gòu)輸送幼苗的輸送點是固定的，且苗與苗之間的輸送間隔時間為，其中。因此在設(shè)計送苗機構(gòu)時候需要保證定時定點的間歇式輸送幼苗。現(xiàn)在選用的苗盤尺寸為337mm×337mm，苗孔數(shù)10×10孔，各個穴孔上徑26mm×26mm，底下開有小孔，下孔徑8mm×8mm，孔的底部有直徑5mm左右的小圓孔，通過圓孔，油菜苗可以汲取底部的營養(yǎng)液，相鄰兩穴孔中心距25mm，苗盤高為40mm，如圖5所示。根據(jù)該苗盤的特點可知，幼苗在輸送過程中苗盤是一個整體，不能和缽苗輸送一樣，只需要往一個方向輸送缽苗。該送苗機構(gòu)在送苗時候必須進行兩個方向的輸送，即：橫向輸送和縱向輸送。這樣才能完成完整的整盤幼苗的輸送。
圖5 實驗苗盤
Fig 5 Experiment seedlings dish
2.4 本章小結(jié)
本章節(jié)主要介紹了油菜幼苗的農(nóng)藝特性研究，其中包括油菜的育苗方式、油菜幼苗的農(nóng)藝特性和苗盤的軌跡分析。油菜幼苗移栽選苗齡為30-40天，苗高18-20cm，幼苗4或5葉1心為最佳。移栽的合理密度是8000到1萬株每畝?，F(xiàn)在我國常見的油菜育苗方式有育苗床育苗和穴盤育苗兩種，經(jīng)過分析以后可知穴盤育苗更適合送苗機構(gòu)實現(xiàn)自動化送苗。但是在選用穴盤育苗時該送苗機構(gòu)在送苗時候必須進行兩個方向的輸送，即橫向輸送和縱向輸送。
3 送苗機構(gòu)總體方案擬定
自動送苗機構(gòu)是作為全自動油菜幼苗移栽機重要組成部分，該機構(gòu)的主要功能是把幼苗給逐個的輸送到取苗口，代替半自動移栽機的人工送苗，從而降低了勞動力強度，提高工作效率。在第2章中，根據(jù)實驗苗盤的特性分析出苗盤的運送運動應(yīng)該按“弓”字形的運動軌跡來完成苗盤的整體輸送。本章根據(jù)苗盤的特性，將自動送苗機構(gòu)設(shè)計成橫向送苗機構(gòu)和縱向送苗機構(gòu)。對機構(gòu)進行理論分析，確定其主要參數(shù)。
3.1 送苗機構(gòu)工作原理
送苗機構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。移栽時，拖拉機除了帶動移栽機，同時帶動鏈輪12運動，由鏈輪12來帶動槽輪機構(gòu)（三銷槽輪）7運動,從而槽輪機構(gòu)7帶動圓柱凸輪6轉(zhuǎn)動，6帶動連桿2橫向運動，2帶動苗盤支架11與苗盤4完成橫向送苗；電動機14通過齒輪傳動帶動齒輪軸15轉(zhuǎn)動，從而帶動小鏈輪9運動，小鏈輪9帶動鏈1傳動，軸13帶動單銷槽輪機構(gòu)16傳動，16帶動同步帶輪運動，同步帶輪帶動苗盤完成縱向送苗。
3.2 送苗機構(gòu)方案擬定
根據(jù)前面的分析，送苗機構(gòu)在輸送過程中需要滿足以下3個條件：
（1）送苗機構(gòu)做到定時定距的輸送幼苗；
（2）橫向送苗機構(gòu)為圓柱凸輪控制的間歇式往復(fù)輸送苗盤;
（3）縱向送苗機構(gòu)為電機控制的間歇式單方向送苗盤。
根據(jù)以上條件可知：送苗機構(gòu)的傳動組成為間歇傳動機構(gòu)和往復(fù)傳動機構(gòu)兩大部分組成。
能完成間歇運動的間歇機構(gòu)主要有棘輪間歇機構(gòu)、不完全齒輪間歇機構(gòu)、槽輪間歇機構(gòu)等。由于棘輪間歇機構(gòu)和不完全齒輪間歇機構(gòu)在運動中剛性沖擊太大，運動精度低，很難滿足本機構(gòu)要求的定時定距的精度要求；槽輪間歇機構(gòu)與前兩個機構(gòu)相比，雖然在傳動過程中仍然會存在剛性沖擊，但是其結(jié)構(gòu)簡單、方便制作，且每次轉(zhuǎn)角都固定，較精確，機械效率高。經(jīng)過對比，槽輪間歇機構(gòu)相對與棘輪間歇機構(gòu)和不完全齒輪間歇機構(gòu)而言，可以滿足所需精度和定距間歇運動，因此本次送苗機構(gòu)的間歇傳動機構(gòu)選擇槽輪機構(gòu)。
能完成往復(fù)傳動的機構(gòu)可供選擇的有平面四桿機構(gòu)、曲柄滑塊機構(gòu)、圓柱凸輪機構(gòu)等。平面四桿機構(gòu)和曲柄滑塊機構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、磨損輕、傳遞動力大等優(yōu)點，在往復(fù)式傳動中應(yīng)用最廣泛，但是平面四桿機構(gòu)和曲柄滑塊機構(gòu)在同等時間內(nèi)傳動的距離是不相等的，不符合本機構(gòu)定時定距的要求；圓柱凸輪機構(gòu)是利用曲線凹槽來完成往復(fù)式運動的操作，具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、能完成各種復(fù)雜運動要求等優(yōu)點，雖然加工比較困難，但是當圓柱凸輪的角速度一定時，從動件作勻速直線運動，滿足送苗機構(gòu)所要求的定時定距的要求，因此本次送苗機構(gòu)的往復(fù)傳動機構(gòu)選擇援助凸輪機構(gòu)。
綜上所述，自動送苗機構(gòu)傳動機構(gòu)選擇槽輪傳動機構(gòu)和圓柱凸輪機構(gòu)來分別完成間歇式傳動和往復(fù)式傳動。
主視圖
俯視圖
1.鏈2；2.連桿；3.大鏈輪2；4.苗盤；5.軸6；6.圓柱凸輪軸；7.槽輪機構(gòu)（三銷）；8.軸1；9.小鏈輪；10.軸5；11.苗盤架；12.大鏈輪1；13.軸4；14.步進電機；15.齒輪軸3；16.槽輪機構(gòu)（單銷）
圖6 油菜移栽機送苗機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖
Fig 6 Rape seedling transplanting machine to send organization structure
3.3 送苗機構(gòu)主要參數(shù)的設(shè)計
由于送苗機構(gòu)要求是與移栽機實現(xiàn)同步的送苗，但是縱向送苗的控制選擇用步進電機控制，因此縱向送苗的動力來自步進電機，則橫向送苗的動力也就取自于移栽機上面的地輪，所以送苗機構(gòu)在自動送苗的同時同樣滿足移栽機的數(shù)據(jù)條件。在移栽機正常工作情況下，已知送苗機構(gòu)自動送苗給出的時間是每株幼苗所用時間t=1s，則移栽機正常工作情況下所用時間T≥t=1s。由于移栽機地輪的輸出功率無法確定，只能確定拖動移栽機的動力額定功率，假設(shè)額定功率為3.3KW，且動力的輸送功率主要用于拖動移栽機運動，則整個送苗機構(gòu)的所需功率計算如下：
(1)
式中：F1 ——克服苗盤，苗盤支架，圓柱凸輪從動件所受重力需要的力；
F2 ——克服苗盤所受重力需要的力；
V1 ——橫向送苗的苗盤運動的速度；
V2 ——縱向送苗的苗盤運動的速度；
t2 ——為縱向送苗所用時間；
t2 ——橫向送苗所用時間。
3.4 本章小結(jié)
本章節(jié)主要是對送苗機構(gòu)方案的擬定，通過對送苗機構(gòu)的工作原理和參數(shù)的設(shè)計，確定送苗機構(gòu)的功率大小以及該送苗機構(gòu)在輸送過程中需要滿足的條件有：送苗機構(gòu)做到定時定距的輸送幼苗；橫向送苗機構(gòu)均為間歇式雙向輸送苗盤；縱向送苗機構(gòu)為間歇單方向輸送苗盤。
4 傳動機構(gòu)設(shè)計
橫向送苗傳動需要從移栽機的地輪取得動力，通過一級鏈傳動，動力傳到大鏈輪1所在的軸1，在軸1上的三銷撥盤分得動力，傳給橫向送苗機構(gòu);縱向送苗動力來源于電機的輸出，通過電機輸出動力到小齒輪，然后小齒輪帶動大齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動軸2轉(zhuǎn)動，軸2上的二級鏈傳動的大鏈輪2將動力傳給小鏈輪2，與小鏈輪2在同軸4上的單銷撥盤分得動力，傳動機構(gòu)完成對縱向送苗機構(gòu)的動力傳送。
4.1 傳動機構(gòu)參數(shù)計算
查表可得各傳動機構(gòu)的傳動效率如下表：
表1 機械元件傳動效率表
Table 1 Mechanical components transmission efficiency table
效率
鏈輪
帶
槽輪
軸承
齒輪
0.97
0.96
0.9
0.98
0.96
4.1.1 步進電機的選擇
由于前面算出縱向送苗的功率為6.25W，且傳動當中會有功率的損耗，所以選擇57系列的57BYG250H步進電機，與驅(qū)動器相連，通過程序控制，來確定步進電機的功率與轉(zhuǎn)速。確定步進電機功率為40W，轉(zhuǎn)速n機=80r/min。
4.1.2 傳動比確定
（1） 橫向送苗
根據(jù)第三章中公式（1）算出來的速度初選軸2轉(zhuǎn)速=15.17r/min，移栽機地輪轉(zhuǎn)速=20r/min，則橫向送苗的總傳動比
橫向送苗的傳動主要有鏈輪傳動和槽輪傳動，則分配傳動比，。
（2） 縱向送苗
根據(jù)第三章公式（1）算出的速度初選軸5轉(zhuǎn)速=45.45r/min，由于步進電機轉(zhuǎn)速n機=80r/min，則縱向送苗的總傳動比
縱向送苗的傳動主要有齒輪傳動、鏈輪傳動、槽輪傳動以及帶傳動，則分配傳動比為：，，，。
4.1.3 傳動軸參數(shù)計算
（1）計算傳動軸1、2、3、4、5的轉(zhuǎn)速
已知移栽機地輪的轉(zhuǎn)速=20r/min，=15.17r/min，=45.45r/min
(2)
（2）計算傳動軸1、2、3、4、5的功率
(3)
4.2 鏈傳動設(shè)計計算
4.2.1 一級鏈傳動設(shè)計
此鏈傳動用于送苗機構(gòu)與移栽機地輪的連接，垂直安裝。
（1）選擇鏈輪齒數(shù)
鏈傳動比：
(4)
查機械設(shè)計手冊，選小鏈輪齒數(shù)z1=25，大鏈輪齒數(shù)z2=iz1=1.31×25=31.75，取z2=31，z2<120，合適。
（2）確定計算功率
已知鏈傳動工作平穩(wěn)，電動機拖動，由機械設(shè)計手冊[7]可選KM=1.1，=1.2， =1.22。
計算功率為
Pc=KMP=1.1×1.2×1.22×0.1kW=0.16kW (5)
初定中心距a0，取定鏈節(jié)數(shù)Lp，a0=(30~50)p，取a0=30p。
(6)
取Lp =90節(jié)(取偶數(shù))。
（3）確定鏈節(jié)距p
首先確定系數(shù)KZ，KL，KP。,由機械設(shè)計手冊[7]查得小鏈輪齒數(shù)系數(shù)KZ=1.34；
由機械設(shè)計手冊查得KL=1.09。選單排鏈，由表查得KP=1.0。所需傳遞的額定功率為
(7)
由查機械設(shè)計手冊選擇滾子鏈型號為06B，鏈節(jié)距p=9.525mm。
（4）確定鏈長和中心距
計算鏈長
(8)
計算中心距
(9)
實際安裝中心距 a=295mm。
（5）求作用在軸上的力
計算鏈速
(10)
工作壓力。
工作平穩(wěn)，取壓軸力系數(shù)KQ=1.2。
軸上的壓力。
潤滑方式采用油脂潤滑[8]，滾子鏈型號06B，鏈輪齒數(shù)z1=25，z2=31，中心a=285mm壓軸力FQ=1500N。
（6）鏈輪的基本尺寸
①小鏈輪1的尺寸
輪的基本尺寸為：p=9.525mm, z1=25, =6.35mm, =8.26mm，鏈輪采用整體式鋼制鏈輪，材料為45鋼，根據(jù)機械設(shè)計中有關(guān)鏈輪的計算公式，有
(11)
綜合上述計算結(jié)果可得：鏈輪分度圓直徑d為76mm，齒頂圓直徑damax取80mm，齒根圓直徑df為70mm，齒高hamax為3mm，最大軸凸緣直徑dg為66mm，輪轂厚度h為14mm，輪轂長度l為40mm，輪轂直徑damin為78mm。
②大鏈輪1的尺寸
輪的基本尺寸為：p=9.525mm, z=31, =6.35mm, =8.26mm, 鏈輪采用整體式鋼制鏈輪，材料為45鋼。
根據(jù)小鏈輪1的計算公式可知：鏈輪的分度圓直徑為94mm，齒頂圓直徑取98mm，齒根圓直徑為88mm，齒高為2mm，最大軸凸緣直徑為84mm，輪轂厚度10mm，輪轂長度30mm，輪轂直徑48mm。
4.2.2 二級鏈傳動設(shè)計
（1）選擇鏈輪齒數(shù)鏈傳動比：
查機械設(shè)計手冊[7]，選小鏈輪齒數(shù)z2=25。大鏈輪齒數(shù)z1= z2 /i=31.25，取z1=31。
（2）確定計算功率
已知鏈傳動工作平穩(wěn)，電動機拖動，由機械設(shè)計手冊選KM=1.1，=1.2,=1.22，計算功率為
=
（3）初定中心距a0，取定鏈節(jié)數(shù)LP，a0=(30~50)p，取a0=30p。
取Lp=90節(jié)。
（4）確定鏈節(jié)距p
由機械設(shè)計手冊查得小鏈輪齒數(shù)系數(shù)KZ=1.34；由機械設(shè)計手冊查得KL=1.09。
選單排鏈，由機械設(shè)計手冊查得KP=1.0。所需傳遞的額定功率為
由查機械設(shè)計手冊選擇滾子鏈型號為06B，鏈節(jié)距p=9.525mm。
（5）確定鏈長和中心距
計算鏈長
計算中心距
實際安裝中心距 a=295mm。
（6） 求作用在軸上的力
計算鏈速
工作拉力F=1000P/v=833N
工作平穩(wěn)，取壓軸力系數(shù)KQ=1.2
軸上的壓力FQ=KQ×F≈1000N
潤滑方式采用油脂潤滑，滾子鏈型號06B，鏈輪齒數(shù)z1=25，z2=31，中心a=295mm，壓軸力FQ=1000N。
（7）鏈輪的基本尺寸
①小鏈輪2的尺寸
輪的基本尺寸為：p=9.525mm, z=25, =6.35mm, =8.26mm, 鏈輪采用整體式鋼制鏈輪，材料為45鋼， 根據(jù)前面一級鏈輪計算小鏈輪的方法計算以后可知：鏈輪的分度圓直徑為76mm，齒頂圓直徑取80mm，齒根圓直徑為70mm，齒高為3mm，最大軸凸緣直徑為66mm，輪轂厚度14mm，輪轂長度22mm，輪轂直徑78mm。
②大鏈輪2的尺寸
輪的基本尺寸為：p=9.525mm, z=31, =6.35mm, =8.26mm, 鏈輪采用整體式鋼制鏈輪，材料為45鋼，根據(jù)前面一級鏈輪計算小鏈輪的方法計算以后可知：鏈輪的分度圓直徑為94mm，齒頂圓直徑取98mm，齒根圓直徑為88mm，齒高為2mm，最大軸凸緣直徑為84mm，輪轂厚度10mm，輪轂長度30mm，輪轂直徑48mm。
4.3 齒輪傳動設(shè)計
4.3.1 選擇齒輪類型，材料及齒數(shù)
（1）按圖6所示的機構(gòu)圖，齒輪傳動選擇用圓柱直齒輪傳動。
（2）材料選擇：通過分析以后，小齒輪材料選擇用40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料選擇用45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，兩者的材料硬度差值為40HBS。
（3）為了滿足設(shè)計要求，以便達到精確的送苗，所以初選小齒輪齒數(shù)Z1=21，大齒輪齒Z2=2.23×33=46.83，取Z2=47。
4.3.2 按齒面接觸疲勞強度設(shè)計
（1）試算小齒輪分度圓直徑，即
(12)
確定公式中的各參數(shù)數(shù)值：通過查機械設(shè)計手冊[7]，查的KHt=1.4；齒寬系數(shù)φd=0.63；區(qū)域系數(shù)ZH=2.5；彈性影響系數(shù)ZE=189.8MP；重合度系數(shù)Zε=0.873；小齒輪，大齒輪。
計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
。
計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
=
(13)
計算接觸疲勞許用應(yīng)力
(14)
將上面的數(shù)據(jù)帶入式（13）中計算得：
（2）調(diào)整小齒輪分度圓直徑
計算圓周速度
(15)
計算齒寬
(16)
計算載荷系數(shù)：
查機械設(shè)計手冊[7]得：動載荷系數(shù)Kv=1；直齒輪齒間載荷分配系數(shù)KHα=1；使用系數(shù)KA=1.2；齒向分布系數(shù)KHβ=1，
(17)
按照實際載荷系數(shù)算得分度圓直徑
(18)
及相應(yīng)的齒輪模數(shù)
(19)
4.3.3 按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計
（1）試算模數(shù)，即
(20)
查機械設(shè)計手冊[7]得：取齒形系數(shù)YFa1=4.42、YFa2=4.01；取修正系數(shù)Ysa1=1.54、Ysa2=1.69；取齒根彎曲疲勞極限為=311.1Mpa、=480.0Mpa；取彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=1.38，KFN2=1.4；取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4；重合度系數(shù)Yε=0.688。
計算彎曲疲勞強度許用應(yīng)力
(21)
(22)
計算大小齒輪進行比較
(23)
大齒輪數(shù)值較大，所以取0.027。
計算模數(shù)
(24)
（2）調(diào)整齒輪模數(shù)
計算圓周速度v
計算齒寬b
計算寬高比
計算載荷系數(shù)：
查機械設(shè)計手冊[7]得：動載荷系數(shù)Kv=1；直齒輪齒間載荷分配系數(shù)KFα=1；使用系數(shù)KA=1.2；齒向分布系數(shù)KFβ=1。
按照實際載荷系數(shù)算得分度圓模數(shù)
對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲疲勞強度所決定的承載能力，因此取由彎曲疲勞強度算得的模數(shù)1.94mm，進行圓整為標準值m=2mm，按接觸疲勞強度算得的分度圓直徑d1=49.63mm，算出小齒輪齒數(shù)z1=d1/m=24.82。取z1=25，則大齒輪齒數(shù)z2=25x2=50，兩齒輪齒數(shù)互為質(zhì)數(shù)。
4.3.4 幾何尺寸計算
（1）計算分度圓直徑d1和d2：
(25)
取d1=50mm；d2=100mm
（2）計算中心距：
(26)
取=75mm
（3）計算齒輪寬度b：
取,
4.3.5齒面接觸疲勞強度校核
根據(jù)前面的計算公式計算出：
KH=1.91，T1=6858N.mm，d1=48.5mm，u=3.2，ZH=1.56，ZE=189.8MPa，Zε=0.91。將它們帶入下式（28）中，得到
(27)
齒面接觸疲勞強度滿足要求，并且齒面接觸應(yīng)力比標準齒輪有所下降。
4.3.6 齒根彎曲疲勞強度校核
根據(jù)前面的計算公式計算出：
KF=1.85，T1=6858N.mm，YFa1=1.89，YSa1=1.85，YFa2=1.76，YSa2=1.93，Yε=0.74，m=1.5mm，z1=33，d1=48.5mm，u=3.2,ZH=1.56,ZE=189.8MPa,Zε=0.91。將它們帶入下式（29）中，得到
(28)
齒根彎曲疲勞強度滿足要求，并且小齒輪抵抗彎曲疲勞破壞的能力大于大齒輪。
4.4 傳動軸設(shè)計
4.4.1 軸1設(shè)計
（1）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
軸1采用材料為40Cr,A0取100，根據(jù)公式
(29)
可得，≥18.42mm ，根據(jù)軸的強度要求，則取=20mm,根據(jù)裝配的要求，軸端倒角為2×45°,各軸間處倒角半徑為R1.5。
根據(jù)軸承支架，鏈輪和槽輪撥盤之間的裝配關(guān)系，可以確定軸的各段的長度和直徑，即：=31mm，=20mm；=89mm，=24mm；=400mm，=32mm；=155mm，=28mm；=44mm，=24mm；=31mm，=20mm。
圖7 軸1的結(jié)構(gòu)圖
Fig 7 Shaft 1 structure
（2）軸上零件定位
大鏈輪1要固定在軸1的段上面，其周向定位采用普通C型平鍵來連接，查機械設(shè)計手冊可知選用鍵的各尺寸為，大鏈輪在軸向的定位,其中一端采用軸端定位，另一端采用擋圈定位，查機械設(shè)計手冊可知選用擋圈的各尺寸d為25.9mm、b為3.6mm、s為1.2mm、d1為2mm，大鏈輪與軸的配合為。三銷撥盤要固定在軸以的段上面，周向定位也采用平鍵連接，查機械設(shè)計手冊可知選用鍵的各尺寸為，槽輪在軸向的定位,一端采用軸端定位，另一端采用擋圈定位，查機械設(shè)計手冊可知選用擋圈的各尺寸d為22.2mm、b為3.32mm、s為1.2mm、d1為2mm，槽輪與軸的配合為。軸承固定在軸、段，選用外球面球軸承固定支承，軸承是標準件，外球面球軸承的各尺寸分別為d=20mm,D=47mm,B=31mm,其中軸承在軸、段周向定位采用過度配合保證，選軸的直徑尺寸公差m6，以上配合都選用7級精度標準。
（3）按彎矩合成應(yīng)力校核軸的強度
首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖做出軸的計算簡圖如圖8所示。已知軸用外球面支承，其中點長度為15.5mm.A為軸承，B為鏈輪，C為槽輪，D為軸承。
根據(jù)軸的計算簡圖做出軸的結(jié)構(gòu)簡圖如圖8所示，B截面為軸的危險截面， 計算鏈輪和槽輪分別對軸的作用力。
①計算鏈條作用在軸上的力，鏈條是垂直放置的。
已知鏈輪的分度圓直徑為mm，則
(30)
的值根據(jù)傳動鏈的布置及負荷類型從下表2中可以選定：
表2 鏈傳動系數(shù)取值表
Table 2 Chain transmission coefficient table
傾斜角
水平或40°以內(nèi)
垂直或大于40°
1.15
1.05
計算鏈輪軸上的作用力
(31)
計算鏈輪軸受垂直力
(32)
②計算撥盤作用在軸上的力，撥盤作用在軸上的力最大時，角度為15°。則
(33)
撥盤對軸的徑向力為
(34)
1)計算軸承的反作用力
①水平反作用力,。由平衡條件：
(35)
解得：
②垂直反作用力,。由平衡條件：
(36)
解得：
2）合成彎矩
(37)
(38)
(39)
(40)
(41)
(42)
圖8 軸的載