姬江濤，楊林輝，金 鑫※，高 頌，龐 靖，王景林

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行星輪系滑道式缽苗栽植機構設計與參數(shù)優(yōu)化

姬江濤1,2，楊林輝1，金 鑫1,2※，高 頌1，龐 靖1，王景林1

（1. 河南科技大學農(nóng)業(yè)裝備工程學院，洛陽 471003；2. 機械裝備先進制造河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，洛陽 471003）

直立度是缽苗移栽作業(yè)質(zhì)量的重要評價指標，目前存在栽植機構容易造成缽苗傾斜影響栽植直立度下降，導致缽苗成活率降低的問題，針對這一問題，該文結合缽苗種植的農(nóng)藝要求，以番茄缽苗物理特性為依據(jù)，提出了栽植機構的設計要求，設計了一種行星輪系滑道式栽植機構。該機構通過行星輪系和滑道的配合，以打穴放苗的方式完成缽苗栽植，并對該機構的作業(yè)過程進行分析，建立了機構的運動學模型?；贛atlab編寫了栽植機構輔助分析優(yōu)化軟件，對機構的栽植軌跡和結構參數(shù)進行優(yōu)化，得到了一組滿足缽苗栽植農(nóng)藝要求的最優(yōu)結構參數(shù)組合：太陽輪半徑0=20 mm、中間輪半徑1=15 mm、行星輪半徑2=10 mm、連桿的長度1= 100 mm、栽植臂上桿的長度2=150 mm、栽植臂上桿的長度3=80 mm、栽植器的長度4=140 mm、滑道上點到坐標原點的距離5=100 mm、行星架的初始安裝角0=45°、連桿與軸方向上的夾角1=148°、栽植臂上桿與桿的夾角= 176°、滑道與軸方向上的夾角=108°。在此組合下，完成了對栽植機構的結構設計和虛擬裝配，并導入ADAMS中進行機構的虛擬運動和仿真分析，驗證了機構設計的合理性和準確性。依據(jù)優(yōu)化所得參數(shù)生產(chǎn)了物理樣機，并以缽苗直立度為主要檢測指標進行了田間試驗。試驗結果表明：在機組前進速度450 mm/s ，栽植頻率74 株/min時，缽苗移栽直立度較高，優(yōu)良率為94%，滿足栽植性能要求。研究結果可為蔬菜缽苗移栽機栽植機構的設計提供參考。

農(nóng)業(yè)機械；優(yōu)化；試驗；行星輪系滑道；栽植機構；仿真分析

0 引 言

缽苗移栽技術憑借著可以縮短作物生長周期，提高幼苗的成活率，增加作物產(chǎn)量等優(yōu)勢，正在被廣泛應用于農(nóng)作物種植生產(chǎn)過程中[1-4]。應用移栽機械雖然能夠降低勞動強度，提高作業(yè)效率，但是現(xiàn)有的缽苗移栽機栽植機構，普遍采用鴨嘴栽植器以打穴放苗的方式進行栽植作業(yè)，存在因栽植器鴨嘴尖端帶苗、栽植軌跡環(huán)扣較大等原因?qū)е碌睦徝缭灾仓绷⒍炔桓叩葐栴}[5-8]。

栽植機構作為移栽機的核心部件，直接影響著作物種植質(zhì)量[9-13]。因此，為了提高缽苗的栽植直立度，提升作業(yè)移栽質(zhì)量，許多學者對栽植機構進行了大量的研究：陳建能等[14]提出一種多桿式零速度缽苗移栽機植苗機構，雖然其栽植軌跡下部的重合部分較長，能夠滿足較高地缽苗栽植直立度要求，但是在栽植過程中栽植器受栽植速度的影響會產(chǎn)生擺動，進而降低栽植質(zhì)量；俞高紅等[15]設計了一種適用于大株距蔬菜缽苗的行星輪系旋轉(zhuǎn)式栽植機構，該機構作業(yè)時由傳動機構驅(qū)動行星齒輪系帶動行星架回轉(zhuǎn)，進而帶動栽植臂旋轉(zhuǎn)并保證水平，雖然其在高速作業(yè)下振動和沖擊較小，但栽植軌跡環(huán)扣較大，栽后缽苗直立度合格率一般小于90%；何亞凱等[16]設計了一種凸輪擺桿式栽植機構，該機構雖然缽苗栽植直立度優(yōu)良率在90％以上，但其凸輪結構精度要求高，加工制造難度較大；金鑫等[17]設計了一種移栽機曲柄滑槽式栽植機構，該機構雖然結構簡單，調(diào)整方便，缽苗栽植直立度優(yōu)良率超過93％，但其栽植頻率只有60株/min，移栽效率相對較低。

基于以上研究分析，本文以番茄穴盤苗為研究對象，結合缽苗種植農(nóng)藝要求，在探究其缽苗物理特性的基礎上，提出栽植機構的設計要求，設計了一種行星輪系滑道式栽植機構。工作時，鴨嘴栽植器在行星輪系和滑道共同作用下，按照設計的軌跡和姿態(tài)以打穴放苗的方式將缽苗栽植入土，同時，通過對該機構進行運動學分析、結構參數(shù)優(yōu)化、仿真分析以及田間試驗驗證機構設計的合理性，以期為以后蔬菜缽苗移栽機栽植機構的研發(fā)提供理論參考。

1 番茄缽苗物理特性分析

缽苗物理特性是栽植機構優(yōu)化設計最基本的依據(jù)，因此設計栽植機構時應充分考慮缽苗自身的特點，如苗缽高度、葉展寬度、缽體尺寸和質(zhì)量等。例如設計栽植機構的鴨嘴栽植器長度時應充分考慮苗缽高度；缽體尺寸決定著鴨嘴栽植器在土壤里打孔的深度及大小；葉展寬度對鴨嘴栽植器的掛苗、帶苗有影響等[18-20]。

本研究以番茄穴盤苗為研究對象，通過對同等培養(yǎng)條件下適栽苗齡的穴盤苗的苗缽高度、葉展寬度、穴盤苗質(zhì)量及缽體尺寸等基本物理特性參數(shù)進行測量及統(tǒng)計分析，為鴨嘴栽植器的外形尺寸優(yōu)化設計提供參數(shù)依據(jù)。

1.1 材料與方法

試驗材料為常見的用于移栽種植的番茄穴盤苗，品種是合作906粉果型番茄：育苗穴盤采用常用的128穴標準通用穴盤，穴孔為正方形椎體，穴深42 mm，上下口徑分別為 30 mm×30 mm和15 mm×15 mm；育苗基質(zhì)FNZ（泥炭與珍珠巖成份體積比2:1，播種后采用蛭石覆蓋）。

試驗方法：將穴盤苗從穴盤中輕輕拔出后平置，穴盤苗在自然狀態(tài)下，測得基質(zhì)底部至穴盤苗頂部的尺寸為穴盤苗高度，穴盤苗葉自然伸開狀態(tài)下葉片的最遠距離為葉冠直徑，苗和基質(zhì)的總質(zhì)量為穴盤苗質(zhì)量，缽體下端尺寸為，上端尺寸為，缽體高度為1，如圖1所示。試驗時，選取苗齡為40 d左右，缽體的含水率為35%，長勢良好適合移栽的穴盤苗3盤共540株，從中隨機抽取50株，對穴盤苗高度、葉冠直徑、穴盤苗質(zhì)量以及缽體尺寸進行測量，測量工具為量程0~20 cm，最小刻度為1 mm的三角板；電子秤型號為YP202N的電子天平，量程200 g，最小分度0.01 g。每株每個特性因素測量2次，取其平均值記錄數(shù)據(jù)。

注：a為缽體下端尺寸，mm；b為缽體上端尺寸，mm；d為葉展寬度，mm；h為苗缽高度，mm；h1為缽體高度，mm。

1.2 結果與分析

表1為番茄穴盤苗的物理特性參數(shù)測試結果，由表1可知，同一環(huán)境培養(yǎng)出來的番茄穴盤苗，在高度、葉展寬度、質(zhì)量以及缽體尺寸等方面的區(qū)別不大，同時缽苗這幾項物理特性，可為下文中栽植機構結構參數(shù)的優(yōu)化設計提供參考。

表1 番茄穴盤苗物理特性參數(shù)測量統(tǒng)計結果

2 栽植機構設計

2.1 設計要求

栽植機構的作用主要是將人工或取苗機構投下的缽苗，在保證其完好的情況下栽植入土。因此所設計的栽植機構，要求鴨嘴栽植器能夠以某種特定的運動軌跡進入栽植平面、打孔開穴、栽植缽苗以及完成周期性運動等復雜的作業(yè)任務[21-22]，具體設計要求如下

1）鴨嘴栽植器的運動軌跡

接苗時，鴨嘴栽植器應盡量靠近投苗點，也就是鴨嘴栽植器在軌跡的最高點處進行接苗，以避免缽苗土缽掉落到鴨嘴栽植器時造成損傷。栽苗時，為保證缽苗栽植直立度，鴨嘴栽植器在插入和離開土層時，與栽植平面形成的角度應盡量接近90°，且二者角度不能相差太大。

2）鴨嘴栽植器的開合狀態(tài)

由于鴨嘴栽植器的主要作用是運苗和打穴開孔，因此，鴨嘴栽植器在接苗前、接苗后、運苗以及打穴階段都要處于閉合狀態(tài)，當鴨嘴栽植器打完穴處于最低點時，鴨嘴栽植器張開擴孔釋放缽苗，然后離開穴孔至鴨嘴栽植器最低點高于缽苗頂端一段距離后（下次接苗前），重新閉合，以免損傷缽苗苗體。

2.2 栽植機構工作原理

根據(jù)設計要求，以多連桿式移栽機構為基礎，利用行星輪系和滑道的配合，采用打穴放苗的方式，設計出如圖2所示的栽植機構運動簡圖。從圖2中可以看出，該機構由行星輪系驅(qū)動裝置、連桿、栽植臂、滾子滑槽機構和鴨嘴栽植器組成。其中，行星輪系驅(qū)動裝置由鉸接在行星架上的太陽輪、中間輪及行星輪組成，連桿的一端與行星輪的齒輪軸固接，另一端與栽植臂的中間鉸接于點，所述栽植臂的一端安裝有鴨嘴栽植器，另一端設置有滾子與滑槽形成約束。

栽植機構工作時，太陽輪固定不動，動力驅(qū)動行星架繞太陽輪逆時針旋轉(zhuǎn)，中間輪與太陽輪嚙合隨行星架繞太陽輪逆時針旋轉(zhuǎn)，同時逆時針自轉(zhuǎn)，行星輪與中間輪嚙合繞太陽輪旋逆時針旋轉(zhuǎn)，同時順時針自轉(zhuǎn)，行星架的旋轉(zhuǎn)帶動連桿轉(zhuǎn)動同時帶動栽植臂運動，栽植臂在滾子滑槽機構的約束下，其另一端安裝的鴨嘴栽植器以一定的軌跡在一個平面內(nèi)進行運動。

注：XOY為栽植機構數(shù)學建模的坐標系；O點為栽植機構的固定鉸接點，A、B、C、D點為栽植機構的活動鉸接點，E點為過坐標原點O的水平線與滑道DE的交點，F(xiàn)點為焊接點，G點為栽植點，v為機組前進速度，mm.s-1；R0為太陽輪半徑，mm；R1為中間輪半徑，mm；R2為行星輪半徑，mm；L1為連桿BC長度，mm；L2為栽植臂CD桿長度，mm；L3為栽植臂CF桿長度，mm；L4為鴨嘴栽植器FG長度，mm；L5為滑道DE到坐標原點O的垂直距離，mm；α0為行星架OB的初始安裝角，(°)；α1為連桿BC的初始安裝角，(°)；β為栽植臂上桿DC與桿CF的夾角，(°)；θ為滑道DE與X軸方向的夾角，(°)。

鴨嘴栽植器開合動作主要由圖3a所示的凸輪搖桿機構以及滑槽雙搖桿機構來完成，通過凸輪1驅(qū)動搖桿2往復轉(zhuǎn)動，當鴨嘴栽植器點運動到最低點時，搖桿2通過連桿3，拉動栽植器5，經(jīng)栽植器上滑槽4的作用，鴨嘴栽植器5、6分開，釋放缽苗7，使其落入孔穴；當鴨嘴栽植器完成植苗動作，在運動到下次接苗前，搖桿2通過連桿3，推動鴨嘴栽植器5，經(jīng)滑槽4，鴨嘴栽植器5、6合并，以備接苗和運苗，直至下次投苗。

2.3 作業(yè)過程分析

工作時，要求鴨嘴栽植器運行至最高點時，缽苗落入鴨嘴栽植器，隨鴨嘴栽植器向下運動，當運行至最低點處時，鴨嘴栽植器打開釋放缽苗，使其落入由鴨嘴栽植器打好的孔穴中，然后返回至最高點，開始對下一個缽苗進行栽植。圖3b所示為栽植機構栽苗靜軌跡示意圖，整個作業(yè)周期可以分為接苗、運苗、栽苗和回程4個階段[23]：

接苗：點為栽苗靜軌跡的最高點，此時鴨嘴栽植器的線速度為0，能夠?qū)崿F(xiàn)零速接苗，確保準確接苗的過程中不損傷缽體。

運苗：為運苗階段，要求缽苗在鴨嘴栽植器中的位置應盡量偏低，以方便鴨嘴栽植器打開時能快速的將缽苗釋放到穴孔中。

栽苗：點為栽苗靜軌跡的最低點，此時的鴨嘴栽植器線速度也為0，打穴開孔的同時實現(xiàn)零速投苗，以保證栽植后的缽苗直立度。

回程：為回程階段，鴨嘴栽植器投苗之后離開土壤時，應盡量保持與地面垂直，以避免鴨嘴栽植器碰到缽苗，影響缽苗的栽植直立度?；爻讨咙c時鴨嘴栽植器閉合，開始進行下一個作業(yè)周期。

注：1.凸輪 2.搖桿 3.連桿 4.滑槽 5、6.鴨嘴栽植器 7.缽苗G點為栽植點

3 栽植機構運動模型分析

為了便于分析栽植機構鴨嘴栽植器點的靜軌跡和動軌跡的運動狀態(tài)，以太陽輪旋轉(zhuǎn)中心作為坐標原點(如圖2所示的直角坐標系)，設水平方向為軸且軸正方向與機組前進方向相反，垂直方向為軸，定義逆時針轉(zhuǎn)動方向為正。在分析栽植機構的運動學模型過程中，以太陽輪為原動件，假設各零件為剛性結構，不發(fā)生彈性變形；不考慮各轉(zhuǎn)動副之間的轉(zhuǎn)動間隙[24]。

3.1 位移方程

建立栽植機構的矢量方程

將矢量方程轉(zhuǎn)化為解析形式，則有

點的位移方程為

式中0為太陽輪的分度圓半徑，mm；1為中間輪的分度圓半徑，mm；2為行星輪的分度圓半徑，mm；0為的初始安裝角, (°)；為轉(zhuǎn)過的角度, (°)；點位移方程為

式中1為連桿的長度，mm；1為連桿與軸方向上的夾角, (°)；點位移方程為

式中2為栽植臂上的長度，mm；2為栽植臂上桿與軸上的夾角, (°)；點位移方程為

式中5為滑道上點到原點的距離，mm。

由于

式中為滑道的傾角, (°)。

整理可得

點位移方程為

式中3為栽植臂上桿的長度，mm；為栽植臂桿的夾角, (°)。

栽植器下端點位移方程為

式中4為鴨嘴栽植器的長度，mm。

考慮到機組工作時的前進速度為，mm/s，則點的運動軌跡方程為

3.2 速度和加速度曲線方程

根據(jù)上述建立的栽植機構鴨嘴栽植器點的位移方程，以時間為參數(shù)變量，對式（11）分別進行一次和二次求導，可出鴨嘴栽植器點的速度和加速度方程。

鴨嘴栽植器點的絕對速度方程為

鴨嘴栽植器點的絕對速度方程為

4 栽植機構的參數(shù)優(yōu)化

4.1 計算機輔助優(yōu)化程序設計

鑒于鴨嘴栽植器底部的運動軌跡和接苗、入土、落苗、出土時的位置及姿態(tài)嚴重影響著缽苗的栽植效果，根據(jù)所建立的運動數(shù)學模型，基于Matlab開發(fā)了栽植機構輔助分析優(yōu)化程序[25-26]（如圖4所示）。該程序界面共包含參數(shù)輸入?yún)^(qū)、控制部分區(qū)和圖形顯示區(qū)（圖4a~4d）3個部分，通過在參數(shù)輸入?yún)^(qū)內(nèi)輸入機構參數(shù)，然后選取控制部分區(qū)域內(nèi)的相關功能按鈕，軟件將會在圖形顯示區(qū)內(nèi)模擬當前參數(shù)下機構運動仿真，從而得到鴨嘴栽植器點在不同參數(shù)條件下的運動軌跡、速度和加速度曲線。

圖4 栽植機構輔助分析優(yōu)化程序界面

4.2 優(yōu)化目標與變量

根據(jù)缽苗物理特性和設計要求，為了使設計的行星輪系滑道式栽植機構能夠滿足農(nóng)藝種植要求[27-29](番茄的農(nóng)藝種植要求是株距300~400 mm，栽深60~70 mm)，具體需考慮以下優(yōu)化目標:

1）栽植器的長度應大于缽苗的高度，試驗所測得的缽苗高度的最大值為139.5 mm；

2）栽植器底部栽植點點運動軌跡的入土段和出土段應盡量重合，且與栽植平面近似垂直；

3）為了機構設計的緊湊性和符合農(nóng)藝要求，整個軌跡的高度應在300 mm左右，軌跡長度不應大于400 mm；

4）栽植機構在接苗階段的軌跡應盡量呈水平狀態(tài)，以保證栽植器接苗的平穩(wěn)性。

利用所建立的栽植機構人機對話輔助分析程序，對栽植機構結構參數(shù)變量0、121234501和進行運動仿真，分析其對栽植器鴨嘴端運動軌跡的影響。

4.3 主要結構參數(shù)對栽植機構運動特性影響分析

基于Matlab輔助分析優(yōu)化界面，利用人機交互的方式，分析栽植機構主要結構參數(shù)對栽植機構植苗軌跡的影響規(guī)律，圖5所示為機組工作速度為450 mm/s時，部分主要變量在不同取值下的運動軌跡比較圖（圖中左側運動軌跡為栽植機構的靜軌跡，右側運動軌跡為栽植機構的動軌跡）。

圖5 不同結構參數(shù)對栽植軌跡的影響

連桿長度1對鴨嘴栽植器底部栽植點點的栽植軌跡影響規(guī)律如圖5a所示。當0= 20 mm、1= 15 mm、2=10 mm、2= 150 mm、3= 80 mm、5= 100mm、0= 45°、1=148°、=176°、=108°時，隨著長度1的減小，鴨嘴栽植器底部栽植點點的軌跡曲線高度由301 mm逐漸降低到282 mm，入土深度(地面到軌跡線最低點距離)由66 mm逐漸減小至54 mm，軌跡形狀由“γ”型演變成“V”型[31]，栽植器后鴨嘴將會對缽苗造成掛帶現(xiàn)象，影響缽苗直立度(幼苗栽植入土后與水平地面的夾角)；隨著長度1的增加，栽植器底部栽植點點的軌跡曲線高度由301 mm逐漸增加到323 mm，，入土深度(地面到軌跡線最低點距離) 由66 mm逐漸增加至78 mm，軌跡形狀由“γ”型演變成環(huán)扣型，栽植器前鴨嘴將會對缽苗造成掛帶現(xiàn)象，影響缽苗直立度。

行星架的初始安裝角0對鴨嘴栽植器底部栽植點點的栽植軌跡影響規(guī)律如圖5b所示。當0= 20 mm、1= 15 mm、2=10mm、1= 100 mm、2= 150 mm、3= 80 mm、5= 100 mm、1= 148°、=176°、=108°時，行星架的初始安裝角0的變化，對栽植器底部栽植點點軌跡曲線高度和入土深度的影響較??；隨著的初始安裝角0的減小，鴨嘴栽植器底部栽植點點的軌跡曲線高度由301 mm逐漸降低到296 mm，入土深度(地面到軌跡線最低點距離)由66 mm逐漸減小至63 mm，軌跡形狀由“γ”型演變成“V”型，且出現(xiàn)前傾現(xiàn)象，隨著行星架的初始安裝角0的增大，鴨嘴栽植器底部栽植點點的軌跡曲線高度由301 mm逐漸增加到306 mm，入土深度(地面到軌跡線最低點距離)由66 mm逐漸增加至68 mm，軌跡形狀由“γ”型演變成環(huán)扣型，且出現(xiàn)后傾現(xiàn)象，可見該參數(shù)對缽苗的直立度(幼苗栽植入土后與水平地面的夾角)有較大影響。

連桿的初始安裝角1對鴨嘴栽植器底部栽植點點的栽植軌跡影響規(guī)律如圖5c所示。當0= 20 mm、1= 15 mm、2=10mm、1= 100 mm、2= 150 mm、3= 80 mm、5= 100mm、0= 45°、=176°、=108°時，隨著的初始安裝角1的減小，鴨嘴栽植器底部栽植點點的軌跡曲線高度由301 mm逐漸降低到286 mm，入土深度(地面到軌跡線最低點距離)由66 mm逐漸減小至64 mm，軌跡形狀出現(xiàn)前傾現(xiàn)象，隨著的初始安裝角1的增大，鴨嘴栽植器底部栽植點點的軌跡曲線高度由301 mm逐漸增加到306 mm，入土深度(地面到軌跡線最低點距離)由66 mm逐漸增加至67 mm，軌跡形狀出現(xiàn)前傾現(xiàn)象；的初始安裝角1的變化，對軌跡形狀和入土深度影響較小，對缽苗直立度(幼苗栽植入土后與水平地面的夾角)影響較大。

栽植臂桿與桿的夾角對栽植器底部栽植點點的栽植軌跡影響規(guī)律如圖5d所示。當0= 20 mm、1= 15 mm、2=10 mm、1= 100 mm、2= 150 mm、3= 80 mm、5= 100 mm、0= 45°、1= 148°、=108°時，隨著的夾角的減少，栽植器底部點軌跡高度逐漸降低，軌跡整體向右進行了平移，但對曲線形狀和入土深度的影響較小。

最終，根據(jù)優(yōu)化目標和所編寫的栽植機構輔助分析優(yōu)化程序，通過人機交互的方式，優(yōu)化得到了一組滿足缽苗栽植要求的結構參數(shù)，該組合為:0= 20 mm、1=15 mm、2=10 mm、1= 100 mm、2= 150 mm、3=80 mm、4= 140 mm、5= 100 mm、0= 45°、1= 148°、=176°、=108°。在該參數(shù)組合下，栽植機構運動軌跡的入土段和出土段基本重合，且都垂直于地面，栽植器在水平方向上的位移幾乎為0，保證了栽植器在投苗階段的時間為零，有利于滿足缽苗的直立度要求。整個軌跡高度為298 mm，栽植深度為63 mm，移栽株距為365 mm，運動軌跡如圖6a所示，其在水平方向的速度和加速度曲線如圖6b、6c所示。

從圖6b、6c中可以看出，栽植器在接苗點時，其水平方向上的速度接近于零，有利于栽植器平穩(wěn)接苗，加速度較大，可以使栽植器在接苗后短時間內(nèi)將速度提升至最大，以便快速運苗，同時加速度最大值接近4 m/s2遠遠小于重力加速度，說明在運苗過程中缽苗始終緊貼著栽植器，缽苗和栽植器的運動軌跡是一致的；栽植器在投苗點時，其在水平方向上的速度接近于0，有利于栽植器零速投苗，保證了缽苗的直立度，加速度較大，可以使栽植器盡快脫離缽苗，快速返程。

注：a為栽植機構接苗點；b點為栽植機構栽苗點。

5 栽植機構的設計與運動仿真

根據(jù)優(yōu)化所得的栽植機構與結構參數(shù)，進行栽植機構虛擬樣機的設計。

5.1 三維建模

5.1.1 關鍵部件設計

1）行星輪系設計

栽植機構工作時，行星輪系作為動力的輸入，帶動整個機構的做往復運動，主要包括行星架、太陽輪、中間輪和行星輪。

圖7 行星輪系三維模型

由栽植機構參數(shù)優(yōu)化部分可得：太陽輪1=20 mm、中間輪2=15 mm以及行星輪3=10 mm，取模數(shù)為2 mm，由=/2可得：太陽輪1=20、中間輪2=15以及行星輪3=10；箱體相當于行星輪系中的行星架，其結構尺寸大小主要由齒輪的中心距確定，在保證箱體強度的條件下，設計得到的行星輪系三維模型如圖7所示。該行星輪系的傳動比為1:2，工作時的轉(zhuǎn)速為74 r/min。

2）鴨嘴栽植器設計

鴨嘴栽植器作為栽植機構的核心部件，根據(jù)設計要求可知，栽植器需要起到盛苗、運苗、打穴以及植苗的功能，為了提高缽苗栽植成功率和直立度，需要合理設計鴨嘴栽植器的尺寸和結構形狀。

由缽苗物理特性可得：穴盤苗高度平均值為127.3 mm，葉冠直徑平均值為88.4 mm，缽體尺寸為40.4 mm×28.8 mm×13.8 mm，錐形角為 10°。以此為參考設計的鴨嘴栽植器上口直徑為130mm，下口直徑為100 mm，可避免栽植器接苗時出現(xiàn)掛苗現(xiàn)象；栽植器底部設計的錐體角度為10°，與缽苗缽體角度相吻合，便于保證缽苗在栽植器內(nèi)的直立度。如圖8a所示為鴨嘴栽植器三維模型。

5.1.2 虛擬樣機

在結構參數(shù)優(yōu)化的基礎上，對栽植機構進行結構設計，并利用SolidWorks2014完成對該機構的虛擬裝配，得到如圖8b所示的栽植機構三維模型，主要由機架、鴨嘴栽植器、行星輪系、連桿、栽植臂、栽植器開合機構和滑道組成。其中行星輪系、連桿、栽植臂和滑道控制鴨嘴栽植器進行接苗和栽苗的往復運動；栽植臂和栽植器開合機構控制栽植器的張開與閉合；鴨嘴栽植器負責接苗運苗打穴，并將缽苗栽植入土。

圖8 鴨嘴栽植器及栽植機構虛擬樣機

5.2 仿真分析

為了驗證所設計栽植機構理論分析的正確性，將上述所建立的虛擬樣機，轉(zhuǎn)換格式后導入ADAMS軟件中，通過添加各桿件之間的運動副，設置機組前進速度為450 mm/s,行星輪系輸入軸轉(zhuǎn)速為74 r/min，實現(xiàn)模擬運動，并進行運動學仿真分析，得到如圖11所示的栽植器點速度與加速度曲線圖。

圖9 栽植器G點速度與加速度曲線

由圖8b和圖6a比較可知，栽機構仿真得到的栽植軌跡與與理論分析優(yōu)化后的鴨嘴栽植器點運動軌跡幾乎一致，軌跡高度相差4 mm,栽植深度相差2 mm,（仿真中的栽植軌跡高度為302 mm，栽植深度為65 mm；優(yōu)化后的栽植機構點運動軌跡高度為298 mm，栽植深度為63 mm）。由圖9和圖6b、6c進行比較可知，栽植機構虛擬仿真所得到的速度、加速度曲線與理論分析得到的速度、加速度曲線基本相同，在接苗點（水平位移77 mm）時的速度和加速度值偏差較小，分別為0.03和0.07 m/s（仿真分析速度和加速度值分別為0.32和3.87 m/s；優(yōu)化后速度和加速度值分別為0.35和3.94 m/s），此時的速度較小，便于平穩(wěn)接苗，保證缽苗的完整性；在栽苗點（水平位移273 mm）時的速度和加速度值稍有偏差，分別為0.03和0.06 m/s（仿真分析速度和加速度值分別為0.28和3.41 m/s；優(yōu)化后速度和加速度值分別為0.31和3.47 m/s），此時的速度最小且接近于0，有利于栽植器投苗時，實現(xiàn)“零速投苗”，以保證缽苗的直立度。

綜合以上栽植機構的鴨嘴栽植器栽植點點的栽植軌跡、栽植速度以及栽植加速度仿真結果分析，驗證了該機構理論分析的正確性。

6 田間試驗

為了驗證所設計的栽植機構理論設計的正確性，根據(jù)以上優(yōu)化參數(shù)加工出具有行星輪系滑道式栽植機構的試驗樣機，并以缽苗直立度為主要檢測指標，于2018年4月17日在河南省孟津縣對該試驗樣機進行了田間試驗，試驗前對土地進行了耕整，如圖10所示。

圖10 田間試驗及缽苗移栽情況

6.1 試驗材料與設備

試驗材料：試驗選取上述文中進行物理特性實驗的同一批次的缽苗，缽苗苗齡期為40 d,缽體平均高度為40 mm，缽體上端平均尺寸為28 mm，下端平均尺寸為13 mm，缽苗總高度在120～140 mm之間。

試驗設備：東方紅300型拖拉機、量程0~100 mm的卷尺、標尺、量角器和計時器。

6.2 試驗指標

試驗按照相關檢測方法和標準[30-31]對樣機移栽性能進行測定，并根據(jù)農(nóng)藝要求規(guī)定知缽苗栽植直立狀態(tài)為：缽苗莖稈與地面夾角大于70°為優(yōu)良，夾角小于45°為不合格，其余為合格。

6.3 試驗方法

試驗過程中拖拉機拖帶機組前進速度為450 mm/s，移栽機栽植頻率為74 株/min，進行3組試驗，每組栽植50株苗，記錄試驗樣本數(shù)據(jù)并按照試驗指標進行分類統(tǒng)計。

6.4 試驗結果

缽苗栽植直立度測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果如表2所示。由表中數(shù)據(jù)可知，在機構最佳參數(shù)組合下，機組前進速度= 450 mm/s 時，設計的行星輪系劃道式栽植機構能夠?qū)崿F(xiàn)較高直立度的缽苗栽植，栽后缽苗直立度優(yōu)良率為94%，無缺苗和漏栽現(xiàn)象，能夠很好地滿足缽苗農(nóng)藝栽植要求。

表2 缽苗栽植直立度測量結果

7 結 論

1）本文根據(jù)番茄缽苗的物理特性，提出了栽植機構的設計要求，設計了一種行星輪系滑道式栽植機構，并對其結構特點、工作原理栽植器開合原理和作業(yè)過程進行了闡述與理論分析。

2）基于建立的栽植機構運動學數(shù)學模型，采用Matlab，編寫了栽植機構輔助分析優(yōu)化程序，通過人機交互的方式，對機構的結構參數(shù)進行了優(yōu)選分析，得到了一組滿足栽植要求的機構參數(shù)組合：0=20 mm、1=15 mm、2=10 mm、1= 100 mm、2= 150 mm、3= 80 mm、4= 140 mm、5= 100 mm、0= 45°、1= 148°、=176°、=108°。

3）利用SoldWorks2014軟件對栽植機構進行了結構設計和虛擬裝配，并導在ADAMS運動仿真軟件中進行了栽植機構的虛擬運動及仿真分析，驗證了機構設計的合理性和理論分析的正確性，該機構整個栽植軌跡高度為298 mm，栽植深度為63 mm，移栽株距為365 mm，滿足番茄移栽的農(nóng)藝要求。

4）加工出該栽植機構部件并組裝成試驗樣機，以缽苗直立度為主要檢測指標對該樣機進行田間試驗，結果表明：在機組前進速度為 450 mm/s，栽植頻率為74株/min時，缽苗移栽直立度較高，優(yōu)良率為 94% ，無缺苗和漏栽現(xiàn)象。

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Design and parameter optimization of planetary gear- train slip type pot seedling planting mechanism

Ji Jiangtao1,2, Yang Linhui1, Jin Xin1,2※, Gao Song1, Pang Jing1, Wang Jinglin1

(1,,471003,; 2,471003,)

The perpendicularity is an important index for evaluating the quality of pot seedling transplanting. At present, the planting mechanism easily resulted in lower tilt and lower perpendicularity of seedling, which leads to lower survival rate of the seedling in the bowl. In order to solve this problem, according to the agronomic requirements of pot seedling planting and based on the physical characteristics of pot seedling, the design requirements of planting mechanism were put forward in this paper, and a planetary gear-train slid way planting mechanism was designed. Through the cooperation of the planetary gear train and the slide track, the pot seedling planting in the bowl was accomplished by the way of shooting seeding, and the operation process of the mechanism was analyzed, and the kinematics model of the mechanism was established. Based on MATLAB, the optimization software of auxiliary analysis of planting mechanism was compiled, and the planting track and structural parameters of the mechanism were optimized, and a group of optimal structural parameters that meet the requirements of seedling planting was obtained, that means, the radius of solar wheel0= 20 mm, the radius of middle wheel1= 15 mm, the radius of planetary wheel2=10 mm, the length of connecting rod()1= 100 mm, the length of rodon planting arm2= 150 mm, the length of rodon planting arm3= 80 mm, the length of duck bill planter()4= 140 mm, the distance from pointto origin of coordinateon a slide5= 100 mm, the angle of initial installation of planetary frame()0= 45°, the angle between connecting rodandaxis1= 45°, the angle between rodand rodof planting arm=176°, and the angle between slideandaxis=108°. In this combination, the structure design and 3D virtual assembly of the planting mechanism were completed, and the virtual movement and simulation analysis of the mechanism were carried out in ADAMS, and the rationality and accuracy of the mechanism design were verified. According to the optimized parameters, the physical prototype was produced, and the field experiment was carried out with the vertical degree of the bowl seedling as the main test index. The field test results showed that when the speed of the planter was 450 mm per second and the planting frequency was 74 plants per minute, the transplanting perpendicularity was high, and the qualified rate was 94%, which meets the requirements of planting performance. The results can provide references for designing planting mechanism of potted seedling transplanting machine.

agricultural machinery; optimization; experiments; planetary gear-train slide; planting mechanism; simulation analysis

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.011

S223.99

A

1002-6819(2018)-18-0083-10

2018-05-09

2018-07-22

“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFD0700103）、河南省高?？萍紕?chuàng)新人才計劃（19HASTIT021）、河南省科技創(chuàng)新杰出人才項目（184200510017）

姬江濤，男，教授，博士生導師，主要從事蔬菜智能化生產(chǎn)關鍵技術裝備研發(fā)，Email：jjt0907@163.com

金 鑫，男，副教授，博士，主要從事種苗高速栽插裝備與農(nóng)機狀態(tài)檢測技術研究，Email：jx.771@163.com

姬江濤，楊林輝，金 鑫，高 頌，龐 靖，王景林. 行星輪系滑道式缽苗栽植機構設計與參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34(18)：83－92. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.011 http://www.tcsae.org

Ji Jiangtao, Yang Linhui, Jin Xin, Gao Song, Pang Jing, Wang Jinglin. Design and parameter optimization of planetary gear-train slip type pot seedling planting mechanism[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(18): 83－92. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.011 http://www.tcsae.org