一种便携式田间打窝机

刘浩 鄢强 宋慧瑾 吴亮 何玲

(成都大学机械工程学院,四川成都 610106)

目前,农民在丘陵地形间进行打窝作业时仍然主要依靠的是人工或者人力铲这种传统工具,这种人力铲是由两个半圆形的铁铲拼接在一起形成直筒状,由人工进行重复打窝作业,能一定程度上减轻劳动人员的劳动强度,但是与其他打窝机械比较起来,人力铲具有劳动强度高、效率低的缺点,而且在打窝过程中会经常发生掉土、窝的圆周壁凹凸不平甚至坍塌的现象,极大地影响后续作业和农作物生长条件;最后打出的窝的深度经常不一致,严重影响农作物的生长质量。根据丘陵地带的地势条件及农作物的农艺要求,设计一种适合于丘陵地带的新型便携式田间打窝机,解决打窝过程中掉土、回土、窝壁四周不平整等问题。作者依据生姜的农艺要求,结合现有挖穴机的结构特点,设计了一种便携式田间打窝机。该机具主要适用于生姜、红薯等一系列农作物的打窝作业。

关于打窝机械的研究,国内的一些高等院校和科研单位进行了大量的研究,对钻头升土理论及钻头临界转速的研究、钻头螺旋面强度的分析以及螺旋升角的选择等问题,得出了在不同条件下打窝机的动态力学参数及钻头转矩的主要影响因素,为打窝机的一些结构参数选择起到了指导作用,同时对打窝机的优化设计提供了理论支持[1]。

1 打窝机的总体结构与工作原理

1.1 总体结构

通过采用基于产品的系统化[2-3]和模块化设计不仅使得产品性能更加稳定、可靠,加工和装配工艺合理,节省了设计、制造等相关成本,而且提高了产品的设计速度和产品质量[4-7],利于产品化和技术推广。本文所述的便携式田间打窝机在总体结构设计方面采用模块化的设计思路。整机的总体结构主要由螺旋钻头、连接部和动力部三部分组成见图1。

图1 打窝机的整体结构图

螺旋钻头在打窝过程中完成打窝的主要任务,动力部主要作用是设置参数以及启动电机使打窝机处于相应的工作状态,动力部与螺旋钻头是通过连接件连接的。

1.2 工作原理

如图1所示,在打窝作业开始前,用销钉将圆轴套和圆轴杆连接;然后根据田间土质、作物种植要求,通过功能键在微型处理控制器中设置打窝深度、钻进速度、窝底暂停时间、回升速度初始参数;然后提着打窝机到目标田间,将钻尖放在窝的中心位,确定好打窝机的空间角度,并在微型处理控制器中确定好起始零点,然后按主开关进行打窝作业,提着打窝机到即将作业的田间,打窝机打窝时,根据不同作物、不同土质,选择不同的钻头;钻头到达指定位置后,通过操作手柄上的开关,启动打窝机,使电机正转,并通过连接件把运动传递给打窝装置的主轴,带动刀片一起运动,往下压打窝机,打窝钻头慢慢靠近工作面作业,挖出的土壤被抛往四周,当钻头钻到需要的深度时,关闭开关或者是电机反转,通过主、副手柄和钻头反转力提起打窝机,整机提出后,关闭开关使电机停止工作。

打窝阶段,副板和螺旋挡板会挡住回掉的土壤,使土壤存留在钻头上,不会回掉到窝底;在打窝机上升的阶段,侧板会对窝四周进行一个抹平工作,使窝的四周平整。

2 关键部件的设计

2.1 螺旋钻头设计

螺旋钻头的结构如图2所示,螺旋钻头主要包括圆轴套、钻轴、螺旋片、刀座、刀片、钻尖座、钻尖、螺旋侧片和小挡板组成。

图2 螺旋钻头的结构示意图

其中螺旋侧片和小挡板的结构示意图分别如图3、图4所示。

图3 螺旋侧片结构示意图

图4 小挡板结构示意图

螺旋侧片在钻头缓慢回升的过程中会对窝的圆周进行持续螺旋式挤压,防止了打窝过程中窝圆周壁上松散土的大量掉落,螺旋侧片高为20mm,半径为32mm,李粤等[8]通过钻头参数的研究,确定曲面与竖直面的夹角为30°。

小挡板长为25mm,高为15mm,郭贵生等[9]通过MATLAB对钻头参数的研究,确定小挡板与螺旋面之间的夹角为40°,小挡片在打窝过程中可以阻挡螺旋片上的土壤掉回窝底,减少打窝过程中的回土,小挡板的数量为2,并且和螺旋侧片焊接在一起。

2.2 动力部的设计

动力部的结构如图5所示,动力部主要包括圆轴杆、变频电机、主手柄、主开关、旋钮、副手柄、红外测距传感器和微型处理控制器,在微型处理控制器的面板上还设有显示屏和功能键。动力部的微型处理控制器通过红外测距传感器来控制和保证窝的深度一致性,通过微型处理控制器可以设定打窝机的工作模式及其参数,控制变频电机,从而实现了钻进速度、回升速度乃至整个打窝过程的智能控制,实现最大出土率和单次成功率,进而大大提高了打窝效率。

图5 动力部结构示意图

打窝机整体有蓄电池供电,动力部上设有红外测距传感器和微型处理控制器,在打窝作业前,能够通过设定参数,确定窝的深度等数据保持一样;在打窝作业过程中,微型处理控制器通过红外测距传感器测量窝的深度,当深度达到要求值时,微型处理控制器能够及时处理,停止作业或者电机反转进行回升作业,能够进一步保证窝的深度一致。

3 应用情况

云南、贵州、四川等丘陵地带因为地势的原因,现有的大型打窝机械不能充分发挥作用,所以这些地区的农业机械化程度很小,现阶段这些地区种植生姜、红薯类农作物主要还是手工作业为主,不仅增加了劳动强度和农作物成本,而且还减少了劳动效率。现有的打窝装备主要运用在植树上,而且以大型设备为主。

本文所述的便携式田间打窝机能够充分适用于云贵川等丘陵地带的生姜、红薯等一系列农作物的打窝作业,解决了这些地区因为地势原因而不能使打窝作业机械化的问题,减少了打窝作业的劳动强度。

4 效果

本文所述的便携式田间打窝机能够很好地解决打窝过程中掉土、回土、窝壁四周不平整等问题,在打窝作业过程中,螺旋侧片会对窝的内侧圆周进行持续性挤压,经过挤压后,窝内侧圆周上的松散土壤会与其他土壤粘附在一起,极大程度减少了打窝过程中的掉土量,保证了窝的质量;在打窝作业过程中,小挡片会阻挡螺旋片上的土壤掉回窝底,极大程度的较少了打窝过程中的回土量;通过螺旋侧片和小挡片的共同作用,减少了打窝机在打窝作业过程中的掉土量和回土量,保证了窝的质量,为农作物的播种提供了有利条件。

5 结论

本文所述的便携式田间打窝机是一种新型的、重量轻、智能控制的打窝机,可以实现对打窝过程的智能控制,通过红外测距传感器对打窝深度进行检测,极大程度上保证了打窝深度的一致性,通过螺旋侧片和小挡板能有效解决打窝过程中的掉土和回土现象,能够保证窝的质量。极大的减少了农业从事人员的劳动强度,大大提高了劳动生产率。