自动化沙柳种植机的设计与协调性试验_王慧.pdf

2023 年 5 月May 2023第 44 卷第 3 期Vol 44No 3doi:10 3969/j issn 1671 7775 2023 03 009开放科学(资源服务)标识码(OSID):自动化沙柳种植机的设计与协调性试验王慧，洪晨，陈安雨，赵新宇，李雄飞，张存奕(东北林业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)摘要:为实现沙柳林的自动化种植，设计一种适用于重度沙化地带的自动化沙柳种植机 根据沙柳的扦插要求，整合多种种植机械的功能，提出并设计了种植机的整体结构，包括储苗装置、开沟装置、推送装置、分拣与投苗装置、填土装置等，以实现扦插种植的主要功能;利用 SOLIDWOKS 软件建立模型，对活动平台强度进行了仿真分析，验证其结构的有效性;在整体结构的基础上，提供一种单片机控制系统方案，以实现种植机的自动化运转;基于上述设计，经结构简化，按照比例制作试验样机进行试验，以分析种植机工作过程中的协调性，试验验证了设计方案的有效性，种植机的各个装置能够协调工作，实现插条的安全化、高效化种植关键词:沙柳;种植机;自动化;有限元分析;控制系统中图分类号:S776.26文献标志码:A文章编号:1671 7775(2023)03 0309 09引文格式:王慧，洪晨，陈安雨，等 自动化沙柳种植机的设计与协调性试验J 江苏大学学报(自然科学版)，2023，44(3):309 317收稿日期:2022 07 04基金项目:东北林业大学国家级大学生创新训练项目(202110225130)作者简介:王慧(1965)，女，黑龙江哈尔滨人，副教授(wanghui90527126 com)，主要从事机构运动和动力学的研究洪晨(2000)，男，黑龙江哈尔滨人，学士(通信作者，hongchen4801163 com)，主要从事机电控制技术的研究Design and coordination test of automatic Salix planterWANG Hui，HONG Chen，CHEN Anyu，ZHAO Xinyu，LI Xiongfei，ZHANG Cunyi(College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin，Heilongjiang 150040，China)Abstract:To realize automatic planting of Salix psammophila forest，an automatic Salix planter wasdesigned for heavily sandy area According to the cottage requirements of Salix，the functions of variousplanting machinery were integrated，and the overall structure of planter was proposed and designed withseedling storage device，ditching device，pushing device，sorting and seeding device and soil fillingdevice to realize the main functions of cutting planting The SOLIDWOKS software was used to establishthe model，and the strength of the platform was simulated and analyzed to verify the effectiveness of thestructure Based on the whole structure，a single chip microcomputer control system scheme was providedto realize automatic operation of the planter On the basis of the above design and simplifying structure，the experimental prototype for testing was manufactured according to the proportion，and the coordinationin the working process of the planter was analyzed The experiment results show that the designed schemeis effective，and each device of the planter can work in coordination to realize safe and efficient plantingof cuttingsKey words:Salix;planter;automation;finite element analysis;control system310第 44 卷沙柳 是 我 国 沙 荒 地 区 较 为 常 见 的 树 种 之一1 2 作为一种可再生资源，其用途广泛，在发挥防风固沙作用的同时，也带来巨大的经济效益3 5，是较好的粗饲料资源 随着我国畜牧业的快速发展，饲料原料的匮乏已经成为制约饲料产业发展的首要因素6 而沙柳不仅可与牧草、农作物秸秆等调配成混合饲料，平茬所得的细梢和嫩枝更是可以直接作为牛、羊、骆驼等的饲草料7 因此，在不占用耕地的前提下，大规模开发沙柳作为新型饲料，对缓解我国北方牧区饲料资源短缺，促进畜牧业的可持续发展有着十分重要的意义8 为扩大沙柳的种植面积，因地制宜开发沙柳资源，针对在重度沙化土地上的沙柳林种植工作，结合现阶段我国沙地种植现状，对沙柳的自动化种植展开研究，设计一款自动化沙柳种植机 相较于近些年研发的自动化苗木种植设备9 10，文中提出满足大规模种植需要的储苗装置结构方案，并基于该方案制定简单可靠的分拣、投苗装置结构方案，使种植机能够真正投入种植作业中 通过整合多种种植机械的功能，在机械结构上进行一系列的创新，以实现沙柳林的自动化栽植，为我国苗木种植机械的自动化发展提供思路1总体方案文中研究的沙柳种植机，种植选用 1 2 a 生的沙柳插条，其直径一般在 10 30 mm，长度在 400 500 mm，覆沙厚度在 300 mm 以上11 12 种植环境选择面积较大、视野开阔、便于机械作业的平缓沙地，地下湿土层与地表距离小于 200 mm 另外，通过种植前的整地、人工降雨等措施蓄水保墒，可以有效地改善土壤水分状况、提高土壤肥力以及提高种植成活率根据沙柳的种植特点，自动化沙柳种植机需要满足以下功能:能暂时存储大量插条并方便取出的储苗功能;能达到插条种植深度的开沟功能;能将插条单棵取出的分拣功能;能将插条植入到栽植沟中的投苗功能;能将沙沟两侧的沙土回填并压实的填土功能 同时，沙柳种植机还应具有以下特性:作业能力高效，以满足大规模种植的需求;沙地适应性要强，以保证其在极限工况下的工作可靠性和使用寿命;对插条的柔性要好，使长短、粗细各异的插条都能实现顺利种植;结构要简单可靠，以便制造、保养与维修;经济性要好，以降低种植成本根据上述需求，文中设计的沙柳种植机结构如图 1 所示，主要由储苗装置、分拣与投苗装置、填土装置、开沟装置、卡车和推送装置组成 其中填土装置和开沟装置采用现有的连续开沟式植树机结构;卡车采用现有的四轮轻型卡车图 1沙柳种植机整机结构示意图储苗装置主要由储苗箱体和平台升降装置组成 用于存储待种植的插条开沟装置主要由犁土刀和电动推杆组成 工作时，通过驱动电动推杆，推动犁土刀转动，使犁土刀到达位置，切开、破碎和推移土壤，形成连续的栽植沟推送装置由剪叉式机构13 及其传动装置组成工作时，使剪叉式机构沿水平方向伸长，可将储苗装置中与推送机构位于同一层的插条尽数推出分拣与投苗装置主要由一对对称布置的纵置带式输送装置组成 工作时，通过输送带对被推出的插条进行逐一分拣，并输送至投苗口处，使其受重力作用落入栽植沟填土装置由电动推杆和现有的覆土镇压装置14 铰接而成 工作时，曲面形状的覆土轮可将沙沟两侧的沙土推向中间并挤压，为苗木提供坚固的土壤环境由于沙漠地区土质松软、风沙较大，种植过程中常常伴随着流沙、沙尘暴等危险 出于作业安全和通过性两方面考虑，将现有的四轮轻型卡车货箱通过改装用于固定和支持上述装置使用该机器种植之前，需要进行人工降雨，以蓄水保墒 该机器工作时，驾驶人员驾驶种植机行驶至种植区域，按下“开始”按钮，种植机开始工作:先启动开沟装置和填土装置，在卡车的牵引下，开出深度为 100 mm 左右的连续深沟;犁土刀位置稳定后，储苗装置的挡苗竿升起，和分拣与投苗装置之间形成通路，由推送装置缓缓将当层储苗箱中的插条尽数推出;同时，带式输送装置启动，分拣并投放插条;插条落入栽植沟后，投苗口后方的填土装置将沙沟两侧的沙土回填到沟中，实现栽植;当储苗箱下层的插条被全部推出后，推送装置快退复第 3 期王慧等:自动化沙柳种植机的设计与协调性试验311位 在储苗装置降下活动平台后，即可再次栽植2主要装置结构2.1储苗装置结构储苗装置作为种植机的主体部分之一，位于带式输送装置与推送装置之间(如图 1 所示)储苗装置结构如图 2 所示 储苗箱体内部空间为一个 2 000mm 1 500 mm 1 700 mm 的规则长方体，箱体中有一架可以上下移动的活动平台，由螺旋副带动其上下移动(如图 2b 所示)，将箱体的内部空间一分为二，以增大空间利用率 下层箱体呈现“走廊”结构，其前后两侧下半部分无金属覆盖，由推送装置的推苗板与箱体前侧的挡苗竿限制插条位置 挡苗竿由电动推杆驱动，防止在车辆行驶过程中由于颠簸和变速致使插条倾倒 种植状态下，挡苗竿升起，推送装置将站立姿态的插条推至带式输送装置附近图 2储苗装置三维模型图平台升降装置参考现有的四立柱同步升降结构15，由活动平台、滚动螺旋传动结构、同步带传动结构、电动机与轴承等组成 在储苗装置的两侧固定着平台升降装置的4 根滚珠丝杠，与固定在活动平台上的4 个螺母配合 在一台直流电动机的驱动下，两组同步传动带带动4 根滚珠丝杠定速转动，活动平台在储苗箱体内沿竖直方向移动，如图 2c 所示为提高储苗箱容积，丝杠应位于储苗装置边缘位置，因此同步带传动的传动比不宜过大 另外，为防止与推送装置的路径发生干涉，活动平台也不宜过厚 现确定活动平台的面积为 2 000 mm 1 500mm，厚度为 5 mm，沙柳插条最大高度取 500 mm 根据上述分析，对平台升降装置的主要参数进行计算，并选取主要元件沙柳插条的密度16 取 0.637 g/cm3，以此求得活动平台的最大负载为 955 kg 利用 SOLIDWOKS软件的“质量属性”命令查得活动平台的质量为40.1 kg升降平台装置克服重力所需功率 Pmg为Pmg=mgHt，(1)式中:m 为平台升降装置工作时的总承载，即 995kg;H 为升降行程，取 800 mm;t 为活动平台满载下降用时，该值越小，种植时层间替换的用时越短，文中设定为 15 s;g 取 9.8 m/s2储苗装置的驱动电动机功率最小值 P储min为P储min=Pmg丝同，(2)式中:同为同步带传动效率，取 98%;丝为滚珠丝杠的传动效率，取 85%17 经计算可得 P储min=624.3 W 驱动电动机选用山东山博电机集团有限公司生产的 90 ZYT58 型直流电动机，其额定功率 P1=735 W，额定转矩 T1=2 Nm，额定转速 n1=3 500 r/min假定 4 根滚珠丝杠分配的起重量和转矩都相等，则它们的圆周力之和 Ft为Ft=mgtan 丝，(3)式中:为丝杠螺纹升角同步带传动比 i同为i同=FtD2同T1，(4)故满载下降时丝杠转速 n丝为n丝=n1i同，(5)满载下降用时 t下为t下=60HDn丝tan(6)根据公式(3)(6)，选取 2505 型滚珠丝杠，i同设定为 5.5，此时 t下=15 s，满足上述要求 综上，平台升降装置主要技术参数:P1为 735 W;m 为 1 000kg;H 为 800 mm;i同为 5.5;t下为 15 s312第 44 卷为避免路径干涉，活动平台不宜过厚;然而，要保证载重量，提高种植机的效率，活动平台也不宜过薄 为验证铝合金活动平台的强度是否符合要求，对满载状态下的活动平台进行了有限元静力学分析1)建立活动平台三维模型，进行网格划分 用SOLIDWOKS 2021 软件对活动平台进行三维建模，编辑材料为 7079 合金，其材料特性参数:密度为2 700 kg/m3;弹性模量为72 GPa;泊松比为0.33;屈服强度为 500 MPa 定义网格尺寸为 65.7 mm，网格划分为 17 607 个节点，8 398 个网络单元2)施加约束和外部载荷 由上述分析可知，活动平台主要对插条提供竖直向上的支持力，同时也会有少许侧向的支持力提供给两侧的插条 为了简化分析，将所有侧向的支持力忽略不计，假定活动平台只承受竖直向下的压力，该压力分布均匀综上，在活动平台与螺母接触面上施加竖直向上的约束 由于上文指出了活动平台的最大负载为955 kg，故这里在其载苗台面上均匀施加 10 000 N竖直向下的力3)模型求解结果与分析 对活动平台进行静力学分析，得到其总应力分析云图和总变形分析云图，如图 3、4 所示图 3总应力分析云图图 4总变形分析云图由图 3 可以看出，活动平台整体受到的应力较小，远低于材料的屈服强度;在冲压弯折位置附近处的微小区域接近材料的屈服强度，其中最大应力为 423.8 MPa;在顶部两块连接板上出现最小应力，其最小应力为 8.866 103MPa 由图 4 可以看出，活动平台在载苗台面中心处变形最大，其最大变形量为 159.5 mm;在顶部两块连接板上变形量为 0综上可知，活动平台满足强度要求 在满载状态下，活动平台变形量较大，同时，在冲压弯折位置附近处有微小区域的应力值会接近材料的屈服强度，在制造时需要对其进行喷丸、碾压等强化处理，以避免由于微小区域局部屈服造成的疲劳破坏2.2分拣与投苗装置结构分拣与投苗装置主要由一对对称布置的纵置带式输送装置和一张 V 型挡板组成 沙柳插条的分拣利用两条对称的输送带完成，沙柳插条在狭小空间中被排成一列传送至投苗口 插条被输送至终点位置时，接触到 V 型挡板被拦停，在 V 型挡板的内侧底端开有孔洞 这种设计能起到扶正插条的作用，最终插条从孔洞掉落，实现投苗功能 将分拣与投苗装置沿中心线剖开，如图 5 所示图 5分拣与投苗装置工作原理图以上动作要求两条输送带的瞬时带速保持一致 为保证带速一致，本设计选用双节点侧置双蜗轮结构的蜗杆减速器，这种减速器由一根蜗杆同时带动两个蜗轮，将转矩同时传递给与两蜗轮周向固定的同步带带轮和动力辊筒，动力辊筒两两之间通过同步带传动传递运动和转矩，最终带动输送带对插条进行分拣此外，为实现分拣功能，在皮带的外侧可以粘贴一层聚乙烯发泡棉 这种材料质地柔软，韧性、挠曲性和缓冲性能优秀18 该措施不仅可以提高带与插条的摩擦因数，还可以利用发泡棉柔软的质地，在插条进入分拣后通过其与插条的挤压使其产生形变，增大其与插条的接触面积，提高对插条的包裹性，以适应直径不同的插条，提高带式运输的稳定性该装置整体由 4 张铝合金板材经冲压后焊接制成覆盖件，由覆盖件形成的腔体分上下两层，上层腔体用于布置输送带、辊筒和 V 型挡板，下层腔体用于布置电动机、蜗杆减速器和同步带传动结构等 装置结构如图 6 所示第 3 期王慧等:自动化沙柳种植机的设计与协调性试验313图 6分拣与投苗装置三维模型图通过类比19，设输送带的输出功率之和 P带=35 W，输出转矩之和 T带=14.00 Nm 为节省空间，暂定蜗杆头数 z1=1 分拣与投苗装置所需的驱动电动机功率最小值 P分min为P分min=P带蜗同，(7)式中:同为同步带传动效率，取98%;蜗为蜗杆传动总效率，暂定为 60%17;求得 P分min=59.5 W 据此，驱动电动机选用山东山博电机集团有限公司生产的90 ZYT14 型直流电动机，其额定功率 P2=80 W，额定转矩 T2=0.9 Nm，额定转速 n2=850 r/min综上，蜗杆减速器的技术参数:z1=1;蜗杆导程角 为 3.26;当量摩擦角 为 3.67;传动比 i蜗为 28;传动效率 蜗为 45%;P2为 80 W;蜗轮转速n蜗轮为 30.36 r/min 其中 蜗=45%，代入式(7)中求得 P分min=79.4 W P2，即可验证参数合理2.3推送装置结构推送装置利用剪叉式机构实现推苗功能 该机构由多级剪杆单元首尾联接组成，其基本结构是一对杆通过一个位于其中央位置的铰链相互联接，两杆仅可以围绕该轴在正交于轴方向的平面内运动20 这种机构在一端布置滚轮后，由于极大地减轻了剪杆组之间的磨损，可以横向布置，而且其收缩时，只占用水平方向很小的空间，简化了整个装置为使推苗板运动速度尽可能保持恒定，装置采用舞台用升降机方案，利用丝杆型直线模组实现对剪叉式机构的驱动，其驱动力方向与推板垂直，并配置恒功率调速21 在此基础上，种植机在电动机与丝杠间加设摩擦型带传动，以简化控制、保护电动机 剪叉式机构运动简图如图 7 所示图 7剪叉式机构运动简图基于上述结构，对推送装置的主要技术参数进行计算，以验证其工作的有效性 插条与铝合金板之间的摩擦系数取 0.217，求得插条与底板之间的最大摩擦力 Ff为 1 871.8 N 此处按单层储苗箱可容纳插条的最大数目进行计算，但在实际情况中，苗箱会有较大的富余量，故不考虑插条与苗箱两侧的正压力由于装置采用恒功率调速，故原电动机选配功率要与整体行程过程的各种状态相匹配 既不能在部分行程内出现功率不足的情况，也不能使功率在大部分行程内无法发挥其效能 为解决这一问题，需要适当降低整体行程过程中最大驱动力 Fmax的值剪叉式机构驱动力 F 为F=QKdKQ，(8)式中:Q 为推苗板受到的阻抗力;Kd为动载荷系数，取 1.5;KQ为驱动力 F 对阻抗力 Q 的放大倍数，KQ=cot，为剪叉杆与推板间夹角根据余切函数的性质可知，在 0 90，减小时，cot 的值及其变化率均增大 若假定阻抗力 Q的值保持不变，驱动力 F 与 cot 在数值上成正比，故驱动力 F 在 较小时会相当大 为了尽量减小所需的最大驱动力 Fmax，要避开 值过小的区间;此外，还可通过加设储能器的措施，修正驱动力 F 的曲线，降低最大驱动力 Fmax的值21 N 级剪叉机构的升降台位移变化率，即竖直方向与水平方向的位移比值22 为=Nsin max sin mincos min cos max(9)由于剪叉式机构的行程不应小于储苗箱体内部空间的长度 L，即2 000 mm，剪杆的长度不应超过储苗箱体内部空间的高度 H，即 800 mm，根据公式(9)，选用 5 级剪叉机构，设定 有效范围约为15 75，以满足种植机使用需求，此时 =5根据公式(9)，当 =15时，可求得正常工作所需最大驱动力 Fmax=10 478.5 N 结合机器的工作要求，推苗板工作所需瞬时最大功率 Pmax为314第 44 卷Pmax=LtFmax，(10)式中:t 为推板推完一层树苗所需时间，假定 t=200min，解得推送每层树苗所需瞬时最大功率 Pmax为0.35 W驱动电动机功率最小值 P推min为P推min=Pmax丝带，(11)式中:丝为滚珠丝杠的传动效率，取 0.85;带为V 带的传动效率，取 0.9517 经式(11)计算可得:驱动电动机功率的最小值P推min=0.43 W 驱动电机选用山东山博电机集团有限公司生产的 64ZY13 型直流电动机，搭配传动比为 80 的行星齿轮减速器，其额定输出功率 P3=3.5W，输出转矩为 T3=2.24 Nm，转速 n3=15 r/min，可满足使用要求初选 V 带传动比为5，则经 V 带减速之后，输出转速 n1为 3 r/min 作用于丝杠的圆周力 F推为F推=Fmaxtan 丝，(12)式中:tan 为滚动丝杠螺纹升角的正切值根据 F推，最终选定 2505 型滚珠丝杠，V 带传动比为 5，此时经 V 带减速后的输出转矩 T 大于丝杠所受转矩 T丝1，参数合理空载时推板机构所受的摩擦力 Ff1为Ff1=Nkr，(13)式中:N 为推苗板的重力，取 41 N;r 为推板底部的滚轮的半径，取 r=16 mm;k 为滚动摩擦力臂17，取0.5 mm 可得推苗板回程时所受的滚动摩擦力为1.28 N由于本结构采用恒功率调速，故结合电动机功率，根据速度与功率的关系可得推板返程时所需的时间约为 1 s综上，推送装置主要技术参数:P3为 3.5 W;T3为2.24 Nm;Ff为1 871.8 N;Ff1为1.28 N;推送行程 L 为 2 000 mm;V 带传动比为 5;回程时长为 1 s此外，由于该装置的伸缩行程是水平方向的，故在实际使用中会带来两个问题 首先，推苗板受自身重力影响与储苗箱箱底接触，会造成摩擦损失;其次，由于水平布置时没有竖直布置时指向回程方向的重力，导致回程时由于铰接点间存在间隙造成运动偏离、实际行程不足等问题为了解决剪叉式机构横向布置带来的问题，这里采取了以下措施:在推苗板的底部增设两排脚轮，变滑动摩擦为滚动摩擦，降低因与储苗箱箱底直接接触造成的摩擦损失;在剪叉式机构与板之间铰接的横梁上增设 4 根拉簧，用横向施加的拉力代替纵向布置时所受的重力，消除铰接点间游离状态的间隙3控制系统设计沙柳种植机控制系统主要由单片机、直流电动机及其相应的驱动控制器、压力传感器、行程开关等多种元件构成3.1硬件设计考虑到上述方案涉及多个电动机和传感器的控制与使用，同时还应用了无线遥控与单片机的串口通讯以及对压力传感器 ADC 值的读取技术，最终选用 STMF103ZET6 型单片机 该单片机包含 8 个定时器、16 位 ADC 通道和3 个 USAT 接口，可以满足上述方案对电动机控制、传感器使用和串口通讯的需求种植机的推送装置在工作时，须保证将插条稳定地推出，以防止插条倾倒影响分拣;同时，推送平均速度应与皮带分拣的速度相匹配，防止插条被卡住或造成损坏 为此，可以通过实时限制插条与推苗板间相互作用力的方式，在尽可能保证匀速推苗的同时，充分配合插条的分拣工作 为了实现上述要求，考虑在推苗板上安装压力传感器，在程序中设定一个压力阈值，当压力值超过该阈值时，推苗板即刻停止推苗，直至压力值降至阈值以下 推苗板进行间歇运动以匹配插条的分拣速度考虑到灵敏度、线性范围和工作范围等因素，选用 HX711 模块来监测推苗板所受的压力值 该传感器有着两路可选择差分输入，可选增益为 32、64、128，可选择 10 和 80 Hz 的数据输出速率，工作电压范围 2.6 5.5 V，与文中选择的单片机相匹配3.2软件设计软件设计主要根据整个控制流程进行设计，并用 Keil、STM32CubeMX 和 VSCode 软件进行编程和仿真调试，本装置的软件设计包括电动机控制程序、传感器数据采集程序、行程开关信号读取程序、推苗板压力反馈控制程序和无线红外遥控通讯控制程序等沙柳种植机的主程序流程图如图 8 所示第 3 期王慧等:自动化沙柳种植机的设计与协调性试验315图 8主程序流程图4协调性试验由于近年来研发的苗木种植机械普遍处于萌芽阶段，所以在原型机试验之前，须对上述方案中各装置的实际工作效果展开试验，以验证上述方案的有效性4.1试验材料及方法在基于 SOLIDWOKS、CAD、Keil、STM32CubeMX和 VSCode 等软件完成自动化沙柳种植机的设计后，开展其试验样机的加工制作，试验样机如图 9 所示，由储苗装置、推送装置、分拣与投苗装置和车体组成图 9试验样机结构示意图基于 2.2 和 2.3 两部分所设参数，同时兼顾购买、制作与调试的便捷性，具体搭建措施如下:推送装置采用一台普菲德 57BYG250B 型二相步进电动机驱动，传动机构仿照上述种植机搭建;分拣与投苗装置采用6 台普菲德42BYGH34 型二相步进电动机驱动，分别与 6 根动力辊筒一一对应，省略上述种植机的蜗杆传动和同步带传动以简化结构;储苗装置中去掉挡苗竿和平台升降装置中的所有装置，以便于装载插条模型和简化结构，并在箱底用铝合金板垫高 1 mm 试验过程中，采用硬纸板代替挡苗竿手动挡苗试验样机的主要参数:尺寸比例为 1 5;驱动电动机共 7 台;电源电压为 12 V;推送装置电动机扭矩为 1.2 Nm;分拣与投苗装置电动机总扭矩为1.68 Nm，试验过程中将样机水平架起，使投苗口与地面有充足的距离此外，上文提到了种植采用的沙柳插条直径为10 30 mm，长度为400 500 mm，为了按照样机大小(与上述设计成 1 5 的比例)同比例模拟沙柳的基本特征，试验采用直径为2 6 mm 的木制一次性筷子作为试验样机的种植对象，试验场景如图10 所示图 10协调性试验场景协调性试验一共进行 6 组，具体试验流程如下:将若干直径为 2 6 mm 的插条样品(筷子，下称“样品”)混合并倒入一个纸箱中，通过晃动、搅动等方式，打乱其分布规律;在纸箱中随机抽取 90 根316第 44 卷(此后逐次递增 30 根)样品，装入储苗装置中;在挡苗所用硬纸板升起后，秒表计时，同时启动推送装置和分拣与投苗装置，观察并记录样品状态，直至储苗装置内的样品被完全清空;重复上述步骤，同时记录样品的损坏数量(包括弯曲、折断和划伤等)4.2试验结果及分析在试验过程中，试验样机的皮带与样品间多次出现暂时性阻塞现象，并伴随着少量噪声;样品的侧倾现象较小，不影响分拣与投苗动作 最终，储苗装置内的所有样品均能进入分拣与投苗装置，投苗口处的样品能够顺畅掉落，少量样品存在轻度弯曲的情况根据掉落的样品数量与试验用时，计算投苗平均速度，即单位时间的投苗量 试验数据的统计与处理如表 1 所示表 1试验数据的统计与处理试验序号样品/根试验用时/s损坏样品/根投苗平均速度/(根/s)损坏率/%1906211.451.021207801.53031509911.520.6418011911.510.6521014741.421.9624017231.401.2从表 1 可以看到，在样品数量从 90 根增加到240 根的过程中，试验用时从 62 s 增至 172 s，投苗平均速度相对稳定，在 1.4 1.5 根/s，呈现先增大、后减小的趋势;损坏率在数据上有一定的随机性，有待进一步研究当样品数量较少时，样品之间缺乏相互之间的空间约束，这会导致每个样品具有较大的活动空间，使其相对位置不再固定，致使分拣速度降低，甚至当样品数量进一步减少时，会导致每个样品的活动空间进一步增大，此时分拣动作可能对样品产生损坏;当样品数量较多时，样品之间相互作用的摩擦力较大，每个样品的活动空间随之减小，但对输送带分拣动作形成的阻力也相对较大，因此既会致使分拣速度降低，也会减少对样品的损耗程度 综合以上考虑，对该装置样品的数量存在一个最佳数值，使得分拣速度最快且损耗程度最低2.2 节中通过类比，求得输送带的输出转矩和为 14.00 Nm，2.3 节中求得丝杠所需最小转矩为9.63 Nm，二者之比为 1.45 分拣与投苗装置电动机总扭矩与推送装置电动机扭矩之比为 1.4 二者在数值上相近，插条的成功分拣验证了参数类比的合理性试验样机在搭建过程中，依据样机比例，在储苗箱箱底处用铝合金板垫高 1 mm 插条的成功分拣验证了在 5 mm 厚的活动平台上推送装置的通过性综上试验结果表明，上述种植方案基本可行，工作时各装置的动作较为协调，能够实现顺利分拣和投苗，达到了预期效果;但是样品分拣步骤不够顺畅，日后仍需进行进一步改进5结论根据沙柳的特性及种植要求，对现有种植机械进行整合，设计了一台能实现自动化种植的沙柳种植机 基于对自动化沙柳种植机设计功能和设计要求的分析，进行了种植机的总体结构设计，对开沟、填土、储苗、投苗、推送和分拣装置进行了布置;在详细分析机械结构和工作原理的基础上，重点对种植机的储苗、推送、分拣与投苗装置进行了设计;对储苗装置的活动平台进行了有限元静力学分析，并对其控制系统进行了规划设计;通过协调性试验可知，种植机的各个装置能够协调工作，可以实现插条的安全化、高效化种植，达到了预期效果 在未来，计划对该种植机进行进一步的改进和试验，使其真正地应用在种植作业中参考文献(eferences)1 赵晨，高永，党晓宏，等 不同铺设年限沙柳沙障土壤养分的变化J 四川农业大学学报，2022，40(4):583 590ZHAO C，GAO Y，DANG X H，et al Changes sur-rounding soil nutrients of Salix psammophila sand bar-riers in different setting yearsJ Journal of SichuanAgricultural University，2022，40(4):583 590(inChinese)2 肖建明，石长春，魏道伟，等 毛乌素沙地退化防护林成因分析与修复改造建议 J 灌溉排水学报，2022，41(增刊 1):34 38XIAO J M，SHI C C，WEI D W，et al Analysis ofcause of degradation shelterbelt and suggestions for res-toration in Mu Us sandy landJ Journal of Irrigationand Drainage，2022，41(S1):34 38(in Chinese)3 OELS B，DONDES S，DONG M，et al elation ofwind-induced sand displacement to plant biomass and第 3 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