劉 洋，王士國，毛罕平，李 斌，王 濤，李亞雄，韓綠化

(1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆 石河子 832000；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000；3.江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

毛罕平(1961-)，男，浙江寧波人，教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備和設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制技術(shù)研究。E-mail：maohp@ujs.edu.cn

我國西北干旱地區(qū)加工番茄移栽種植普遍需要鋪設(shè)地膜[1]，機(jī)械移栽時(shí)必須采用膜上成穴移栽的方法。在成穴移栽機(jī)研究方面，金鑫等[2]設(shè)計(jì)了曲柄滑槽式移栽機(jī)構(gòu)，李華等[3]設(shè)計(jì)了行星輪系五桿移栽機(jī)構(gòu)，俞高紅等[4]研究了橢圓齒輪行星輪系移栽機(jī)構(gòu)，陳建能等[5-6]研制了變形橢圓齒輪行星系和多桿式零速穴盤苗移栽機(jī)構(gòu)，這些研究利用可視化運(yùn)動(dòng)仿真軟件，從機(jī)構(gòu)學(xué)角度優(yōu)化出滿足蔬菜穴盤苗成穴移栽要求的栽植器運(yùn)動(dòng)軌跡和機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，在機(jī)構(gòu)上可以減小膜面穴口，保證移栽直立，但這些移栽機(jī)構(gòu)的栽植器都是單側(cè)與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，受力條件較差，對移栽用地的整地要求較高。吊杯式移栽機(jī)對整地水平要求不高，工作可靠性高，在加工番茄鋪膜移栽種植過程中得到了應(yīng)用[7]。但是吊杯式移栽機(jī)在成穴移栽時(shí)膜面穴口較大，這會(huì)降低地膜保溫、保墑的作用[8-9]。

為了解決吊杯式移栽機(jī)成穴時(shí)膜面穴口大的問題，李旭英等[10]優(yōu)化得出栽植器入土部位為圓形時(shí)有利于減小膜面穴口尺寸。封俊等[11]提出了吊杯式移栽機(jī)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，崔巍等[12]研究了減小膜面穴口尺寸的約束條件，這對吊杯式移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義，但是這些研究都是分析栽植器上一個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，栽植器入土部位的形狀不規(guī)則，與土壤是面接觸，僅研究一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是不全面的。為此，本文在分析吊杯式栽植器運(yùn)動(dòng)軌跡特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行多軌跡線運(yùn)動(dòng)仿真，優(yōu)化出可以減小膜面穴口尺寸的運(yùn)動(dòng)軌跡，并通過移栽試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，為吊杯式移栽機(jī)的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供參考。

1 栽植器運(yùn)動(dòng)軌跡特性

吊杯式栽植器在隨移栽機(jī)行駛的同時(shí)繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，始終處于垂直狀態(tài)，當(dāng)栽植器轉(zhuǎn)動(dòng)到定軸下方時(shí)在土壤中打開并成穴。此時(shí)在移栽機(jī)前進(jìn)方向形成的膜面穴口尺寸為縱向尺寸，在栽植器打開方向形成的膜面穴口尺寸為橫向尺寸，縱向和橫向穴口尺寸互相垂直。

1.1 縱向運(yùn)動(dòng)軌跡分析

栽植器的運(yùn)動(dòng)示意圖如圖1所示。栽植器做平動(dòng)，取栽植器的下端尖點(diǎn)e進(jìn)行研究。在栽植器的轉(zhuǎn)動(dòng)中心建立坐標(biāo)系xoy，可以得到點(diǎn)e的運(yùn)動(dòng)軌跡方程[12]：

(1)

式中，v0是栽植器隨移栽機(jī)行駛的速度；t是運(yùn)動(dòng)時(shí)間；ω是栽植器轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度；R是栽植器繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑；l是栽植器自轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心p到點(diǎn)e的距離。

對式(1)求一階導(dǎo)數(shù)可以得到點(diǎn)e的運(yùn)動(dòng)速度方程：

(2)

將λ=ωR/v0定義為栽植器運(yùn)動(dòng)軌跡的特征系數(shù)。

根據(jù)零速投苗原理[13]，當(dāng)λ≥1時(shí)可以保持穴盤苗移栽直立。圖2是λ取不同值的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線。當(dāng)λ=1時(shí)，運(yùn)動(dòng)軌跡為擺線，在軌跡線的最低點(diǎn)有一個(gè)速度為0的點(diǎn)(軌跡線1)；當(dāng)λ>1時(shí)，栽植器的運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線(軌跡線2)；根據(jù)余擺線的性質(zhì)[14-15]，在余擺線環(huán)扣最大橫弦處存在速度為零的點(diǎn)D和E。隨著λ的增大，點(diǎn)D和E向上移動(dòng)，兩點(diǎn)間的距離lDE逐漸增大(軌跡線3和4)。在相同移栽深度H條件下，栽植器的下扎和上拔會(huì)與地膜形成兩個(gè)交點(diǎn)A和B。隨著λ的增大，環(huán)扣的交點(diǎn)C上移，點(diǎn)A和B間的距離lAB逐漸減小，當(dāng)點(diǎn)C上移到與地膜表面相交時(shí)(軌跡線3)，點(diǎn)A和B與點(diǎn)C重合，此時(shí)lAB= 0。隨著λ的繼續(xù)增大，點(diǎn)C會(huì)上移到地膜表面以上，此時(shí)lAB又開始增大(軌跡線4)。可以得出，當(dāng)λ從軌跡線1開始增大時(shí)，lAB先減小然后增大，點(diǎn)C與地膜表面重合時(shí)是lAB變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

圖1 栽植器運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of planting device movement

圖2 栽植器的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.2 Motion trajectories of planting device

栽植器始終做平動(dòng)，膜面穴口的尺寸由地膜表面以下運(yùn)動(dòng)軌跡在水平方向的最大距離決定，通過對lAB和lDE的變化分析可知，存在一條lAB=lDE的軌跡線，使地膜穴口的縱向尺寸變化達(dá)到一個(gè)平衡值。

加工番茄移栽深度一般為60～80 mm[16]。取最大移栽深度80 mm進(jìn)行研究，求此時(shí)lAB=lDE的λ值。

栽植深度為80 mm時(shí)點(diǎn)e的縱坐標(biāo)y1為：

y1=-R-l+80

(3)

令θ=ωt，由式(1)和(3)可以求得栽植深度為80 mm時(shí)，栽植器上點(diǎn)e運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)A轉(zhuǎn)動(dòng)的角度θA為：

(4)

以課題組研制的吊杯式移栽機(jī)為研究對象[7]，相關(guān)參數(shù)為R=240 mm，l=181 mm，可以求得θA為0.7297 rad。

由式(1)可得栽植器上點(diǎn)e運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)的橫坐標(biāo)xA為：

(5)

因?yàn)辄c(diǎn)e運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)D時(shí)水平方向的速度為零。由式(2)可知此時(shí)

v0-ωRsinθ=0

(6)

可以得到栽植器上點(diǎn)e運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)D時(shí)轉(zhuǎn)過的角度θD為：

(7)

由式(1)可得點(diǎn)e運(yùn)動(dòng)到D點(diǎn)的橫坐標(biāo)xD為：

(8)

因?yàn)橛鄶[線是偶函數(shù)，呈軸對稱[14]。為了使lAB=lCD，只需要保證點(diǎn)A和點(diǎn)D的橫坐標(biāo)xA和xD相等即可，由式(5)和(8)可得：

(9)

求解式(9)可得λ=1.093。

1.2 橫向運(yùn)動(dòng)軌跡分析

栽植器破膜成穴打開的位置關(guān)系到膜面穴口的尺寸和移栽直立狀態(tài)[8,12]。栽植器應(yīng)該在水平方向速度為零的點(diǎn)打開并將穴盤苗投落，但是栽植器從閉合狀態(tài)到打開足夠大，將穴盤苗投落有一個(gè)運(yùn)動(dòng)過程，因此栽植器應(yīng)該在水平方向零速度點(diǎn)兩側(cè)打開，即擺線的最低點(diǎn)兩側(cè)、余擺線的下扎或上拔的最大橫弦兩側(cè)打開。栽植器在余擺線下扎過程中打開時(shí)，回土流和栽植器最下端的土壤會(huì)進(jìn)入栽植器內(nèi)部將穴盤苗支撐住，穴盤苗不能隨著栽植器的下扎繼續(xù)深入土壤，穴盤苗脫離栽植器的時(shí)間較長，這不利于穴盤苗移栽直立；栽植器在上拔階段打開時(shí)，穴盤苗相對栽植器的速度較大，脫離時(shí)間較短，利于移栽直立；擺線的打開位置介于余擺線下扎和上拔打開位置的中間。栽植器在打開后要始終處于張開狀態(tài)，直到穴盤苗完全與栽植器分離后才可以閉合，否則會(huì)出現(xiàn)夾帶苗現(xiàn)象。張開的栽植器會(huì)增大地膜的撕裂，為了減小地膜穴口的尺寸，應(yīng)該在栽植器入土后盡可能遲些打開。綜合考慮穴盤苗移栽直立和膜面穴口尺寸，應(yīng)該選擇余擺線的運(yùn)動(dòng)軌跡，在栽植器上拔階段打開栽苗。

2 栽植器運(yùn)動(dòng)仿真分析

通過對1.1節(jié)栽植器上一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行研究，得出的λ值可以用于指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)軌跡的選擇。但是栽植器與土壤是面接觸，可以用ADAMS軟件仿真分析栽植器的成穴運(yùn)動(dòng)，在栽植器下端入土部位的兩側(cè)等距離的各選擇5個(gè)點(diǎn)(圖3)，仿真得到這10個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡包絡(luò)線，用包絡(luò)線來研究膜面穴口的尺寸。

圖3 栽植器上仿真取點(diǎn)位置Fig.3 Simulation point location on the planter

吊杯式移栽機(jī)構(gòu)上一般設(shè)置4個(gè)栽植器，它們的運(yùn)動(dòng)軌跡相同，這里只取一個(gè)栽植器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡分析(圖4)。利用三維制圖軟件建立移栽機(jī)構(gòu)的三維模型，為了減少仿真分析時(shí)約束副的添加，將移栽機(jī)構(gòu)中相鄰兩個(gè)不發(fā)生運(yùn)動(dòng)的零件繪制成一個(gè)部件，在三維模型中用不同的顏色代表各部件；將三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件中，在支撐盤的轉(zhuǎn)動(dòng)軸處同時(shí)添加平移副和轉(zhuǎn)動(dòng)副用以驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)的平移和轉(zhuǎn)動(dòng)，在支撐盤和支撐板之間添加固定副，在其他部件之間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，整個(gè)移栽機(jī)構(gòu)共添加1處平移副、2處固定副和6處轉(zhuǎn)動(dòng)副(圖4)。吊杯式移栽機(jī)為半自動(dòng)移栽機(jī)，移栽頻率一般為45～55株·min-1，取移栽頻率50株·min-1進(jìn)行仿真，此時(shí)栽植器轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度ω為1.309 rad·s-1，該ω就是支撐盤轉(zhuǎn)動(dòng)軸處轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)副的角速度值，可以計(jì)算得不同λ值時(shí)移栽機(jī)的行駛速度v0(表1)，并將v0設(shè)置為支撐盤轉(zhuǎn)動(dòng)軸處平動(dòng)驅(qū)動(dòng)副的速度值，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真后可以得到栽植器的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線(圖5)。

圖6是在移栽機(jī)構(gòu)前進(jìn)方向仿真分析得到的3條典型的運(yùn)動(dòng)軌跡包絡(luò)線。可以看到隨著λ值的增大，包絡(luò)線中運(yùn)動(dòng)軌跡線的環(huán)扣都在增大。從運(yùn)動(dòng)軌跡的最下端向上測量80 mm，然后測量該位置水平方向包絡(luò)線最外側(cè)的距離，從圖中可以看到，該處的尺寸是軌跡包絡(luò)線在地膜以下最大的寬度。將測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)在表1中，可以看到，地膜穴口縱向尺寸隨著λ值的增大，先減小然后增大。λ=1.093時(shí)，穴口的縱向尺寸最小，為70.6 mm。

圖7是栽植器在上拔階段打開仿真分析得到的運(yùn)動(dòng)軌跡包絡(luò)線。該包絡(luò)線的最大寬度與栽植器的最大開合度以及打開的位置有關(guān)，與栽植器在前進(jìn)方向的運(yùn)動(dòng)軌跡形狀沒有關(guān)系。為了保證番茄穴盤苗可以順利地從栽植器中落下，栽植器的最大張開尺寸設(shè)置為50 mm，測量80 mm高度軌跡線的最大寬度為71.3 mm，這就是膜面穴口橫向尺寸的理論值。

3 膜上成穴移栽試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

為了驗(yàn)證理論計(jì)算和仿真分析的結(jié)果，用吊杯式移栽機(jī)進(jìn)行移栽試驗(yàn)。移栽機(jī)構(gòu)上的支撐板可以控制栽植器在上拔階段打開(圖8)，而栽植器的運(yùn)動(dòng)軌跡可以通過改變地輪到栽植器的鏈輪傳動(dòng)比進(jìn)行調(diào)整。

移栽時(shí)，地輪通過鏈條傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)栽植器轉(zhuǎn)動(dòng)，λ的計(jì)算公式為[17]：

(10)

式中，D是地輪的直徑，為600 mm；Z1、Z2、Z3和Z4分別是圖6中地輪轉(zhuǎn)動(dòng)軸、中間傳動(dòng)軸和栽植器轉(zhuǎn)動(dòng)軸位置的鏈輪齒數(shù)；Z2為30齒，Z3和Z4為22齒。

理論株距L為：

(11)

通過調(diào)整Z1的齒數(shù)得到不同的λ值，鏈輪齒數(shù)與λ值的關(guān)系見表2。

3.2 試驗(yàn)條件

在地面用壤土起壟，壟高20 cm，壟寬80 cm，地輪行駛在土壟兩側(cè)(圖9)；在土壤表面鋪設(shè)厚度為0.01 mm、寬度為100 cm的聚乙烯地膜；試驗(yàn)時(shí)土壤含水率26.4%，土壤堅(jiān)實(shí)度450 N·mm-2；用128孔穴盤培育的穴盤苗進(jìn)行試驗(yàn)，苗平均株高16 cm，移栽深度8 cm，移栽頻率取50和55株·min-1，每組試驗(yàn)移栽番茄穴盤苗256株，對膜面穴口的縱向、橫向尺寸和株距進(jìn)行測量，并統(tǒng)計(jì)傾斜率，認(rèn)為當(dāng)穴盤苗的苗莖與地面夾角小于30°時(shí)[18]，傾斜嚴(yán)重。

表1 不同λ值時(shí)的移栽機(jī)行駛速度和穴口縱向尺寸

表2 鏈輪齒數(shù)與λ值的關(guān)系

1. 平移副；2. 支撐盤；3.外盤；4.支撐板；5.轉(zhuǎn)動(dòng)副；6.栽植器轉(zhuǎn)動(dòng)軸；7. 栽植嘴1. Translational pair; 2. Support dish; 3. Outer disk; 4. Support plate;5. Rotating pair; 6. Planter axis; 7. Planting nozzle圖4 吊杯式移栽機(jī)構(gòu)仿真模型Fig.4 Three-dimensional model of basket-typetransplanting mechanism

圖5 仿真運(yùn)動(dòng)的軌跡線Fig.5 The trajectories of simulation motion

圖6 栽植器運(yùn)動(dòng)軌跡包絡(luò)線Fig.6 The motion trajectories envelope of planting device

圖7 栽植器打開形成的包絡(luò)線Fig.7 The envelope of the planter opening process

1. 地輪；2. 鏈條；3. 中間軸；4. 支撐板；5. 栽植器1. Wheel; 2. Chain 3. Intermediate shaft; 4. Support plate; 5. Planter圖8 吊杯式移栽機(jī)的傳動(dòng)示意圖Fig.8 Structure diagram of basket-type transplanterdrive system

圖9 膜上成穴移栽試驗(yàn)Fig.9 The experiment of hole-forming transplanting on the film

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

穴口的縱、橫向尺寸見圖10?？梢钥吹?，移栽試驗(yàn)測量的膜面穴口縱向尺寸明顯大于理論值(圖10(a))，這是因?yàn)槔碚摲治龅玫降难诔叽鐑H是栽植器上選取的點(diǎn)的包絡(luò)線的寬度，而成穴移栽時(shí)栽植器的打開會(huì)撕裂地膜，使地膜的穴口沿著機(jī)具前進(jìn)方向擴(kuò)展，同時(shí)移栽機(jī)的行駛滑移也會(huì)加劇地膜的撕裂。從圖10(a)可以看到，兩種移栽頻率條件下，地膜穴口縱向尺寸隨著λ值的增加先減小然后增大，在λ=1.093時(shí)，移栽頻率為50株·min-1和55株·min-1的穴口縱向尺寸分別為10.12 cm和9.49 cm，為最小值；λ=1.173時(shí)，兩種移栽頻率條件下的穴口縱向尺寸分別為14.74 cm和13.12 cm，為最大值。試驗(yàn)結(jié)果表明λ值對膜面穴口縱向尺寸的影響與仿真分析結(jié)論一致。移栽頻率為50株·min-1的穴口縱向尺寸始終大于55株·min-1的尺寸，這是因?yàn)榈剌啎?huì)與地面形成摩擦滑移，移栽頻率為50株·min-1時(shí)，栽植器在成穴過程中滑移的時(shí)間相對較長，導(dǎo)致穴口的縱向尺寸較大[7]。由圖10(b)可以看出，隨著λ值的增加，兩種移栽頻率條件下穴口橫向尺寸也有先減小然后增大的趨勢，但是形成的穴口橫向尺寸小于理論值，這是因?yàn)榈啬ぞ哂袕椝苄訹19]，鋪設(shè)地膜時(shí)為了使膜面平整，在地膜縱向存在一定的張緊力，栽植器扎破地膜離開后，在張緊力的作用下，地膜穴口橫向尺寸會(huì)收縮減小，可以看到移栽頻率為50株·min-1和55株·min-1時(shí)，穴口的橫向尺寸變化范圍分別為3.07～4.23 cm和3.08～4.05 cm，變化較小?？梢缘贸?，λ值的變化對地膜穴口縱向尺寸影響顯著，對穴口橫向尺寸影響不明顯，λ=1.093時(shí)膜面穴口的尺寸最小。圖11是λ為1.093和1.173時(shí)地膜穴口尺寸對比。

圖12是不同λ值的移栽株距?？梢钥吹剑圃灶l率為50株·min-1和55株·min-1時(shí)，株距都隨著λ值的增大而減小，變化范圍分別為39.8～33.5 cm和39.1～33.1 cm。移栽過程中，地輪與地面之間的滾動(dòng)摩擦使得移栽機(jī)存在滑移，導(dǎo)致移栽株距大于理論值。移栽頻率為50株·min-1的株距始終大于55株·min-1的株距，說明提高移栽頻率，減小地輪滑移時(shí)間，可以減小移栽株距與理論值之間的偏差。

表3是不同λ值時(shí)的移栽傾斜率。可以看到，移栽頻率為50株·min-1和55株·min-1時(shí)，傾斜率的變化范圍分別為1.93%～3.54%和1.73%～3.91%，變化范圍非常小。穴盤苗的苗葉有一定的展幅，栽植器投苗時(shí)對穴盤苗有掛帶現(xiàn)象，成穴時(shí)回土流得不均勻，這些都會(huì)導(dǎo)致穴盤苗移栽傾斜。但是栽植器是在上拔階段的零速投苗點(diǎn)兩側(cè)打開，無論栽植器的運(yùn)動(dòng)軌跡如何變化，穴盤苗被投落時(shí)水平方向的速度都非常小，因此λ的變化對傾斜率影響不明顯。

圖10 不同λ值時(shí)地膜穴口尺寸Fig.10 The dimension of film hole at different λ value

圖11 膜面穴口尺寸對比Fig.11 Comparison of the film hole dimension

圖12 移栽株距Fig.12 Transplanting plant spacing

對于膜面穴口，應(yīng)該盡可能的小，這樣有利于減少土壤中水分的蒸發(fā)。但是通過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，λ值對膜面穴口的縱向尺寸和移栽株距影響是不同的，而株距和膜面穴口尺寸都關(guān)系到作物的生長和產(chǎn)量，應(yīng)該根據(jù)蔬菜種植的農(nóng)藝要求選擇λ值。

成穴移栽時(shí)，穴口的尺寸是由栽植器、土壤和地膜的相互作用形成的，這就要求不僅要優(yōu)化栽植器的結(jié)構(gòu)和λ值，還應(yīng)該提高整地和鋪膜質(zhì)量，使土壤細(xì)碎平整，地膜可以與地表土壤緊密地接觸在一起，減少地表大顆粒土壤將地膜頂起導(dǎo)致的栽植器扎破地膜的距離大于移栽深度[20]。同時(shí)注重移栽機(jī)的工作性能和整地質(zhì)量才可以達(dá)到最佳的移栽效果。

表3 移栽試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

1)對吊杯式栽植器的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析得出，當(dāng)軌跡為余擺線，余擺線環(huán)扣最大橫弦的距離等于軌跡線與地膜交點(diǎn)間的距離，且栽植器在上拔階段打開時(shí)有利于減小膜面穴口和保證移栽直立，計(jì)算得此時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡的特征系數(shù)λ為1.093。

2)膜上成穴移栽結(jié)果表明，隨著λ值的增加，穴口的縱向尺寸先減小然后增大。移栽頻率為50株·min-1和55株·min-1，λ=1.093時(shí)的穴口縱向尺寸分別為10.12 cm和9.49 cm，穴口尺寸最??；兩種移栽頻率下，隨著λ值的增加，穴口橫向尺寸的變化范圍分別為3.07～4.23 cm和3.08～4.05 cm，變化較小；λ值的變化對地膜穴口縱向尺寸影響顯著，對穴口橫向尺寸影響不明顯。移栽株距隨著λ值增加逐漸減小，提高移栽頻率可以減小移栽株距。移栽頻率為50株·min-1和55株·min-1時(shí)，傾斜率的變化范圍分別為1.93%～3.54%和1.73%～3.91%，變化范圍非常小，λ值對傾斜率的影響不明顯。