蔬菜移栽機(jī)五桿栽植機(jī)構(gòu)的仿真與試驗(yàn)

王洪波，張開(kāi)興，劉賢喜，宋 超

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018)

0 引言

蔬菜育苗移栽技術(shù)以其促進(jìn)蔬菜早熟豐產(chǎn)、提高復(fù)種指數(shù)、便于集中管理[1]等優(yōu)越性被越來(lái)越多地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通過(guò)在適宜的生長(zhǎng)環(huán)境下控制栽植密度及土壤水肥狀況，可以縮短作物生長(zhǎng)期，提高對(duì)氣候的適應(yīng)能力[2]，從而獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

栽植機(jī)構(gòu)是移栽機(jī)的核心部分，作用是承接橫向喂苗機(jī)構(gòu)中的秧苗，并將其栽植到土壤中。其工作過(guò)程包括接苗、帶苗、打穴、放苗與回程等工序[3]。栽植過(guò)程要保證不傷苗、不漏苗，從而保證移栽成活率。目前，國(guó)內(nèi)外的蔬菜缽苗移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)按照栽植方式分類主要有鏈夾式、連桿式、導(dǎo)苗管式、吊杯式及齒輪行星輪系等結(jié)構(gòu)形式[4]。其中，鏈夾式栽植機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性高，但移栽速率較低，且容易傷苗，只能用于大蔥等裸苗移栽；導(dǎo)苗管式栽植機(jī)構(gòu)可以保證較好的秧苗直立度、株距均勻性和深度穩(wěn)定性，栽植效率較高，但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜；橢圓齒輪行星輪系栽植機(jī)構(gòu)能夠很好地滿足栽植軌跡要求，但加工精度要求高，生產(chǎn)成本也相對(duì)較高；連桿式、吊杯式栽植機(jī)適合缽體苗移栽，栽植過(guò)程沖擊小，結(jié)構(gòu)也較為簡(jiǎn)單[5-8]。本文針對(duì)各類栽植機(jī)構(gòu)存在的移栽速率低、直立度低、加工精度要求高等問(wèn)題，結(jié)合連桿式栽植機(jī)構(gòu)與吊杯式栽植機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出使用鴨嘴栽植器的五桿栽植機(jī)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，制作了樣機(jī)并進(jìn)行了田間試驗(yàn)。

1 五桿栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 五桿栽植機(jī)構(gòu)的組成及工作原理

五桿栽植機(jī)構(gòu)由五連桿機(jī)構(gòu)、鴨嘴栽植器、鴨嘴開(kāi)合機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。

1.拉線擺 2.拉線 3.接苗漏斗 4.鴨嘴開(kāi)合機(jī)構(gòu) 5.連桿 6.擺錘 7.傳動(dòng)鏈 8.主動(dòng)鏈輪

工作時(shí)，以拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸為動(dòng)力源，通過(guò)變速箱和鏈傳動(dòng)等傳動(dòng)方式將動(dòng)力傳輸給主動(dòng)鏈輪，主動(dòng)鏈輪通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)擺錘旋轉(zhuǎn)；五桿機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)鴨嘴栽植器打穴，擺錘的旋轉(zhuǎn)又會(huì)帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)行，拉線擺在凸輪輪廓的引導(dǎo)下帶動(dòng)拉線收縮和伸長(zhǎng)，從而控制鴨嘴栽植器的開(kāi)閉。

五桿栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中，擺錘旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鴨嘴栽植器周期性運(yùn)動(dòng)，當(dāng)鴨嘴栽植器到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)，秧苗從橫向喂苗機(jī)構(gòu)上的旋轉(zhuǎn)苗杯中落下，接苗漏斗將秧苗接住后導(dǎo)入鴨嘴栽植器中；當(dāng)鴨嘴栽植器運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)，其末端插入土中，鴨嘴開(kāi)合機(jī)構(gòu)控制鴨嘴打開(kāi)，秧苗栽入開(kāi)好的土穴中；擺錘繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，鴨嘴栽植機(jī)構(gòu)抬起，之后鴨嘴閉合，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

1.2 五桿栽植機(jī)構(gòu)各部分結(jié)構(gòu)及原理

1.2.1 五連桿機(jī)構(gòu)的組成及結(jié)構(gòu)

五連桿機(jī)構(gòu)由支撐板、擺錘I、擺錘II、連桿I及連桿II等組成，連桿的末端安裝有鴨嘴栽植器，如圖2所示。

1.連桿I 2.鴨嘴栽植器 3.連桿II 4.擺錘II 5.支撐板 6.擺錘I圖2 五連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

主動(dòng)鏈輪的動(dòng)力輸入帶動(dòng)擺錘I與擺錘II同步轉(zhuǎn)動(dòng)，以支撐板為基座，通過(guò)鉸鏈配合帶動(dòng)連桿I與連桿II擺動(dòng)，從而帶動(dòng)鴨嘴栽植器做卵圓形運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。

圖3 鴨嘴栽植器運(yùn)動(dòng)軌跡

1.2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)組成及工作原理

五桿栽植機(jī)構(gòu)使用的傳動(dòng)方式為鏈傳動(dòng)，各鏈輪之間按照各自傳動(dòng)比通過(guò)鏈條聯(lián)動(dòng)，如圖4所示。

1.從動(dòng)輪I 2.支撐板 3.從動(dòng)輪II 4.張緊輪 5.鏈條 6.主動(dòng)鏈輪

五桿栽植機(jī)構(gòu)的動(dòng)力由主動(dòng)鏈輪中心軸輸入，通過(guò)主動(dòng)鏈輪傳遞給從動(dòng)輪I和從動(dòng)輪II，帶動(dòng)其各自中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)擺錘旋轉(zhuǎn)。為了使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定、精度更高，安裝有張緊輪。主動(dòng)鏈輪與從動(dòng)鏈輪的傳動(dòng)比i主:i從I:i從II=26:14:14，為增速傳動(dòng)。

1.2.3 鴨嘴栽植器的結(jié)構(gòu)及功能

鴨嘴栽植器由接苗漏斗、栽植器支架、彈簧、打穴器及開(kāi)合器等組成，安裝于連桿II的末端，如圖5所示。

1.拉線 2.彈簧 3.打穴器 4.栽植器支架 5.接苗漏斗

接苗漏斗上方下圓，開(kāi)口尺寸為200mm×100mm，有助于秧苗的承接；打穴器開(kāi)口方向與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向一致，可有效避免運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將秧苗帶倒；開(kāi)合器的運(yùn)動(dòng)由彈簧和拉線協(xié)調(diào)完成，在彈簧的拉動(dòng)下打穴器處于閉合狀態(tài)，拉線收縮帶動(dòng)打穴器張開(kāi)，其張開(kāi)角度與拉線的收縮量成正比。

1.2.4 凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及工作原理

凸輪機(jī)構(gòu)由凸輪、傳動(dòng)鏈輪軸、拉線擺及滾輪等組成，如圖6所示。傳動(dòng)鏈輪軸與背面的擺錘同軸，因此凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與五桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)同步。傳動(dòng)鏈輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)凸輪運(yùn)動(dòng)，拉線擺在凸輪輪廓線的引導(dǎo)下做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而牽動(dòng)拉線伸縮。凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1.支撐板 2.凸輪 3.傳動(dòng)鏈輪軸 4.拉線 5.滾輪 6.拉線擺

拉線的伸縮帶動(dòng)鴨嘴栽植器上打穴器開(kāi)合，因此凸輪輪廓線的形狀決定著的打穴器的開(kāi)合規(guī)律。

2 基于ADAMS的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

2.1 五桿栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

大多數(shù)蔬菜作物的栽植過(guò)程對(duì)秧苗栽植直立性有嚴(yán)格的要求，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮零速移栽原理，以滿足秧苗直立的最終栽植效果。在移栽機(jī)連續(xù)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，當(dāng)秧苗落入準(zhǔn)備好的土穴中時(shí)，其相對(duì)地面的瞬時(shí)速度為零，即與地面處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，從而實(shí)現(xiàn)秧苗在直立狀態(tài)下完成定植，這就是移栽機(jī)的零速投苗原理[9]。

由此可知：在栽植投苗過(guò)程中，移栽機(jī)的前進(jìn)速度必須要與秧苗栽植瞬間的水平分速度大小相等且方向相反。此時(shí)秧苗處于靜止?fàn)顟B(tài)，直立落入土穴中，經(jīng)過(guò)其他部件的覆土填壓，完成栽植過(guò)程。

定義栽植器植苗部件旋轉(zhuǎn)切向速度與機(jī)器前進(jìn)速度之比為λ，即

(1)

式中λ—特征參數(shù)；

R—植苗部件轉(zhuǎn)動(dòng)半徑(m)；

ω—植苗部件轉(zhuǎn)動(dòng)角速度(rad/s)；

v—機(jī)器前進(jìn)速度(m/s)。

根據(jù)公式(1)，栽植器植苗部件在栽植過(guò)程中存在λ<1、λ=1、λ>1等3種運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖7所示。

圖7 植苗部件運(yùn)動(dòng)軌跡

由圖7可知：當(dāng)且僅當(dāng)λ=1時(shí)，在最低點(diǎn)水平方向分速度為零，滿足零速移栽原理要求。

2.2 五桿栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

根據(jù)栽植機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合五桿栽植機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)，運(yùn)用三維建模軟件SolidWorks完成植苗機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體建模[10]，并對(duì)模型進(jìn)行虛擬裝配和干涉檢查。

在五桿栽植機(jī)構(gòu)三維幾何模型的基礎(chǔ)上，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，以適應(yīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的經(jīng)濟(jì)性要求。簡(jiǎn)化后的幾何模型導(dǎo)出為.x_t格式文件，再將其導(dǎo)入到機(jī)械系統(tǒng)仿真分析軟件ADAMS中。根據(jù)設(shè)計(jì)變量和約束條件，構(gòu)建了五桿栽植機(jī)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，如圖8所示。

圖8 栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型

根據(jù)公式(1)對(duì)擺錘轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和支架相對(duì)地面運(yùn)動(dòng)直線速度的調(diào)整，得出當(dāng)λ=1時(shí)栽植機(jī)構(gòu)末端的運(yùn)動(dòng)軌跡(見(jiàn)圖9)及速度位移曲線(見(jiàn)圖10)。

由圖9可知：當(dāng)λ=1時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡為滿足要求的擺線，滿足零速投苗原理。由圖10可知：當(dāng)栽植機(jī)構(gòu)末端X方向分速度為0時(shí)，其Y方向位移最小，即植苗機(jī)構(gòu)到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)其對(duì)地面的相對(duì)速度為0。仿真結(jié)果表明：在栽植特征參數(shù)λ=1的條件下設(shè)計(jì)的五桿栽植機(jī)構(gòu)滿足栽植要求[11]。

圖9 栽植機(jī)構(gòu)末端運(yùn)動(dòng)軌跡線

圖10 鴨嘴栽植器末端速度與位移曲線

3 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證五桿栽植機(jī)構(gòu)理論設(shè)計(jì)的正確性，根據(jù)設(shè)計(jì)的虛擬樣機(jī)模型試制了移栽機(jī)樣機(jī)，并進(jìn)行了田間試驗(yàn)，如圖11所示。

圖11 蔬菜移栽機(jī)五桿栽植機(jī)構(gòu)田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)條件

將栽植機(jī)構(gòu)固定于可移動(dòng)機(jī)架上，以55kW拖拉機(jī)為動(dòng)力拖動(dòng)其前進(jìn)，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)五桿栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。本試驗(yàn)采用株高為120～150mm高的油菜苗作為試驗(yàn)秧苗，通過(guò)6×12穴盤育苗，土缽含水率65%左右。試驗(yàn)時(shí)，按運(yùn)動(dòng)參數(shù)λ=1設(shè)定機(jī)器前進(jìn)速度為1.2km/h，株距為300mm。在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田中進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)，每次試驗(yàn)選取6組，每組12棵。

3.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

試驗(yàn)中，采取株距誤差率作為栽植均勻性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以栽植后秧苗的傾斜角度作為秧苗直立度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。缽苗直立度用秧苗莖稈與地面的夾角α來(lái)評(píng)價(jià)，對(duì)于試驗(yàn)用油菜苗，α≤45° 定義為為倒伏，45°<α≤70° 定義為合格，a> 70° 定義為優(yōu)良。

株距誤差率計(jì)算公式為

(2)

式中Rd—株距誤差率；

de—株距試驗(yàn)值；

dd—株距設(shè)定值。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

按照五桿栽植機(jī)構(gòu)的功能要求，在機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度和擺錘轉(zhuǎn)速固定的條件下進(jìn)行了田間試驗(yàn)，并采集到相關(guān)數(shù)據(jù)，最終對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理，如表1、表2所示。

表1 秧苗株距分布情況

表2 秧苗直立度試驗(yàn)結(jié)果

由表1與表2可知：五桿栽植機(jī)構(gòu)平均誤差率僅為2.93%，最大誤差率僅為6.13%，栽植直立度全為優(yōu)良。因此，該五桿栽植機(jī)構(gòu)滿足栽植要求。

根據(jù)其功能參數(shù)計(jì)算可得：在試驗(yàn)狀態(tài)下，五桿栽植機(jī)構(gòu)的栽植速率為60～70株/min，栽植速率優(yōu)于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上其他種類的栽植機(jī)構(gòu)，提高了工作效率。

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種由五連桿機(jī)構(gòu)、鴨嘴栽植器、鏈輪傳動(dòng)系統(tǒng)、鴨嘴開(kāi)合機(jī)構(gòu)等組成的五桿栽植機(jī)構(gòu)，并介紹了其結(jié)構(gòu)組成和工作原理。

2)根據(jù)零速投苗的原理要求，通過(guò)SolidWorks建模軟件建立了五桿栽植機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)幾何模型，通過(guò)模型簡(jiǎn)化處理和格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，得出其運(yùn)動(dòng)軌跡以及速度位移曲線。結(jié)果表明：在λ=1時(shí)符合零速移栽原理，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。

3)根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)制作樣機(jī)并進(jìn)行了田間試驗(yàn)，試驗(yàn)中以株距誤差率作為評(píng)價(jià)栽植均勻度的參考標(biāo)準(zhǔn)，以栽植后秧苗與地面的夾角α作為評(píng)價(jià)秧苗移栽直立度的參考標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，株距誤差率僅為2.93%，秧苗與地面的夾角α都均大于70°。因此，本文設(shè)計(jì)的五桿栽植機(jī)構(gòu)能夠滿足栽植要求，且提高了生產(chǎn)效率。