鴨嘴式蔬菜移栽機栽植機構設計與試驗

金麗宇，張偉，付曉明，張平，亓立強

（黑龍江八一農墾大學工程學院，大慶 163319）

蔬菜作為日常飲食必不可少的食物之一，其產量及質量一直是我國關注的焦點。提升蔬菜種植的品質及產量是現(xiàn)代農業(yè)仍需解決的重要問題。蔬菜的移栽種植機械化方式主要有直播種植和育苗移栽兩種，移栽是秧苗種植一種增產增收重要技術手段，育苗移栽具有縮短蔬菜作物生育周期顯著作用，同時彌補季節(jié)和氣候對作物在生長發(fā)育的影響。從而可使作物有效縮短生長時間，提高作物產量。隨著我國農業(yè)生產機械化的提升，蔬菜的移栽工作愈加成熟。栽植機構是蔬菜移栽機的一個核心組成部分，栽植機構設計的合理性影響移栽機在田間的作業(yè)效果與秧苗移栽的質量，栽植機構的性能決定秧苗栽植的直立度及栽植株距[1-4]。

為提高蔬菜移栽機的栽植品質，降低缽苗質量損失，眾多學者就移栽機開展了深入的研究。國外移栽機生產歷史始于20世紀中期，意大利的Ferran公司主要加工和研制rotostrapp型插秧機及美國Kennco公司研制開發(fā)的水輪式移栽機為代表[5-6]。它采用精密的電子監(jiān)控系統(tǒng)和缽苗間距控制系統(tǒng)，具有較高的自動化程度和先進的技術，但價格昂貴，并且要求員工的專業(yè)素質高，在中國很難推廣。為移栽機實現(xiàn)秧苗的零速移栽，提高秧苗直立度，陳建能等[7-9]研制了一種基于零速缽苗的多桿式移栽機構，利用visual basic編程軟件為設計基礎的先進優(yōu)化和模擬仿真平臺，通過對移栽機的連桿機構參數(shù)進行優(yōu)化分析來直接實現(xiàn)零速度的移栽；徐志波等[10]針對丘陵山區(qū)蔬菜移栽，研制鴨嘴多桿式栽植機構，并分析了末端執(zhí)行器運動軌跡及速度和位移曲線規(guī)律。胡建平等[11]提出了一種行星輪轉臂式栽植機構，并對其與旋轉臂連接的栽植器進行了系統(tǒng)運動學數(shù)據(jù)分析及試驗驗證，同時也深入研究探討了栽植器運動過程中其特征系數(shù)對缽苗成活率及直立度的影響；俞高紅等[12-14]大株距行星輪系缽苗種植栽植機構，認為在栽植器運動軌跡中出現(xiàn)環(huán)扣可以減小植苗穴口，并進行了相關試驗驗證。針對蔬菜缽苗移栽問題，眾多學者已從多種栽植機構、栽植效率、栽植質量、破膜移栽等多角度開展相關理論分析及試驗研究，但機構仍存在結構復雜，直立度難保證等問題仍未解決。

基于農作物缽苗移栽種植的技術要求，研制了一種基于鴨嘴式栽植器的栽植機構。理論分析移栽辣椒缽苗的農藝種植要求及機構滿足農機工作性能的運動軌跡，研制具有可靠穩(wěn)定性的辣椒秧苗移栽機栽植機構，并對其進行栽植性能試驗，以驗證其機構運行的可行性及設計的合理性。為后期高效、穩(wěn)定、可靠性強的蔬菜缽苗移栽機的研制奠定基礎。

1 栽植要求及機構設計

1.1 移栽農藝要求理論分析

缽苗零速移栽作為影響移栽缽苗種植的直立度和移栽機械工作性能的主要衡量指標，可直接影響栽植機工作性能。蔬菜缽苗在移栽入土過程中，對其種植秧苗的直立度有著嚴格的要求[15-16]。由此，為提高蔬菜秧苗移栽后的直立度，在滿足零速投苗的原理前提下，著手對機構進行整體的計算及設計。為了保證蔬菜缽苗在移植過程中盡可能處于相對靜止的狀態(tài)，在栽苗過程中要求栽植部件的水平方向分速度與機構前進方向速度反向同速運轉[17-18]。為分析栽植器旋轉切向速度與移栽機前進速度之比對缽苗栽植曲線的影響，引入特征參數(shù)λ，即機構運轉時栽植裝置的旋轉切向速度與移栽機車前進速度的比值：

分析在引入?yún)?shù)λ=1、λ<1及λ>1，3種情況時的栽植裝置運動軌跡，如圖1所示。

圖1 不同特征參數(shù)運動軌跡示意圖Fig.1 Schematic diagram of motion trajectory of different characteristic parameters

由圖可知：只有在λ=1或λ>1時，栽植器運動方向軌跡才能符合缽苗種植的農藝要求。由此在λ≥1時，移栽機械前進速度υ與移栽種植頻率f和株距L之間相對應關系為：

由（2）式可得出如下結論：在栽植頻率f為固定值的情況下，缽苗栽植株距L取決于移栽機的前進速度υ。

為了充分滿足蔬菜移栽過程的農藝技術要求，移栽控制設備和移植機構間的末端自動執(zhí)行裝置采用鴨嘴式栽植器，通過系統(tǒng)控制鴨嘴式栽植器運動執(zhí)行姿態(tài)，使蔬菜秧苗在移植栽培過程中達到上述特征工藝要求。其栽植機構末端鴨嘴式栽植器的運動軌跡方程為：

式中：υ—移栽機車的前進速度；

通過對蔬菜缽苗移栽農藝要求理論分析，結合缽苗移栽過程中理想栽植軌跡的特點，滿足栽植機構有效零速栽植原理的要求，則蔬菜缽苗栽植過程中栽植點最佳狀態(tài)下的絕對運動軌跡[19]如圖2所示。

圖2 “γ”型曲線Fig.2“γ”type curve

1.2 關鍵部件設計與工作原理

移植培育對缽苗的栽植質量也有一定的直立度要求，為了保證農戶在農作物栽植時缽苗能夠具有理想的直立度，就需要將栽植器的定植點處于水平方向上瞬時的速度矢量且其相對于地面的速度為零，即“零速投苗原理”。鴨嘴式栽植機構對蔬菜秧苗缽體沒有夾持力、降低缽苗損失率，在移栽過程中對缽苗入土階段有扶持作用，可有效提升蔬菜缽苗栽植過程中的直立度。機構設計原理是基于零速投苗的原理進行設計，具體工作原理流程如下：上擺錘、下擺錘與機架上的固定軸承緊密相連，三相異步電機經由鏈條式傳動驅動雙擺錘同步轉動，從而使機架上驅動帶動整個多連桿機構旋轉運動，并帶動短連桿、長連桿及鴨嘴式栽植器進行規(guī)律動作，上擺錘與下擺錘相同方向相同角速度勻速運動，完成一個往復圓周運動。因為上擺錘經由短連桿與長連桿相連，故長連桿可實現(xiàn)部件左右往復活動，該運動與移栽機的工作是運轉動態(tài)相復合，即可保證鴨嘴栽植器的垂直運動姿態(tài)，實現(xiàn)農作物作物的縱向栽植。彈簧拉線控制鴨嘴栽植器的開合，而拉線端則是由凸輪壓桿機構調節(jié)，凸輪輪廓線即為拉線可伸長或收縮的長度，凸輪運行1周，即完成1個投苗動作。栽植機構關鍵元件由機架、上擺錘、下擺錘、短連桿、長連桿及鴨嘴栽植器等部件構成。

如圖3所示，鴨嘴式栽植器置于長連桿栽植臂的終端，上擺錘與下擺錘由鉸鏈相互連接，在機器軸承和鏈輪動力結構傳動機械的結合作用及帶動下，上擺錘轉動從而帶動下擺錘進行同步擺動，在擺錘的同步運作下促使連桿擺動，進而帶動安置在長連桿栽植臂終端的鴨嘴栽植器，使其完成做類橢圓形旋轉運動。

圖3 栽植機構結構簡圖Fig.3 Structure diagram of planting mechanism

2 栽植機構運動分析

2.1 三維模型的建立

基于三維動態(tài)建模應用軟件即可搭建移栽培育缽苗栽植機構的三維動態(tài)模型，真實地反應模擬出蔬菜缽苗移栽機械的基本特征參數(shù)。對于二維零件在正確進行三維零件設計時，明確其基本設計原理思路和使用意圖，嚴格要求遵循實際零件大小和使用尺寸要求來正確進行三維設計，避免在實際裝配使用過程中可能引起不必要的麻煩。需要進行關聯(lián)零件的直接裝配管理工作時，也常常需要嚴格地按照各個關聯(lián)零件的直接關聯(lián)方式來對其進行各種協(xié)調性的配合，防止相互間的干涉情況。為促進后續(xù)移栽培育機構的性能仿真試驗分析提供幫助，奠定了該栽培機構正常工作運行的理論基礎。

按照各種類型栽植器械機構的基本設計性能要求，并充分地考慮結合各種類型栽植器械機構的主要栽植機械結構參數(shù)，運用三維模型建模軟件技術來進行設計和控制完成各種類型栽植器械機構的三維模型實體結構建模，并對該種三維模型軟件進行了虛擬化的裝配和進行相應的機械干預性性能檢查。根據(jù)系統(tǒng)設計模型中的目標變量及其目標約束下的條件，構建了五桿蔬菜移栽種植機構的多元化目標智能優(yōu)化系統(tǒng)設計模型，如圖4所示。

圖4 栽植機構SolidWorks三維模型Fig.4 SolidWorks 3D model of the planting mechanism

2.2 栽植器運動軌跡分析

在機構運轉過程當中，栽植行程對秧苗的栽植質量起到至關作用，而栽植行程的優(yōu)劣則是經由移栽機構的絕對軌跡體現(xiàn)出來[20]。利用三維軟件運行界面上主要參數(shù)設定展開虛擬栽植機構的運動模擬仿真試驗，每一組參數(shù)設定即可得到不同效果的鴨嘴裝置器靜、動態(tài)軌跡和鴨嘴裝置器運動端點的位移、速度、加速度規(guī)律曲線圖，從裝置的靜、動態(tài)運動狀態(tài)下的軌跡圖和鴨嘴栽植器運動端點規(guī)律曲線圖可分析出設定該組參數(shù)下的栽植機構各指標是否達標，根據(jù)前期設計目標對比判斷出該組目標參數(shù)的栽植效果并根據(jù)基礎參數(shù)間的變化形態(tài)調整參數(shù)的取值區(qū)間，重復此設定過程最終得到一組較優(yōu)的參數(shù)組合：原動件轉動角速度為300°·s-1，機組前進運行速度為18 m·min-1時，機架定位角度為42°，上擺錘長為100 mm，下曲柄長為60 mm，連接桿長為160 mm，長連桿桿長為470 mm。

在移栽機構中其栽植點的運動軌跡會直接影響到缽苗的直立性及其栽植深度，故對栽植點的軌跡進行仿真分析尤為關鍵，將三維模型導入到有限元分析軟件中，建立栽植機構仿真模型，并對模型進行簡化處理，便于快速、準確的進行有限元分析，模擬栽植機構在運動過程中栽植器的運動軌跡，保證機構在運動過程中的準確性，為栽植機構設計提供理論依據(jù)。通過SolidWorks軟件對該栽植器運動進行仿真，分析其栽植點運動曲線，并與栽植農藝要求的理論曲線進行比較和綜合分析，以深入探討該栽植機構的結構參數(shù)與栽植點是否滿足實際栽植工藝要求，如圖所示。結果表明：經由SolidWorks虛構模擬，三維模型的理論分析曲線與栽植農藝移栽要求理論曲線極其相似，達到農作物缽苗移栽要求。

圖5 栽植器靜態(tài)SolidWorks分析曲線Fig.5 Static SolidWorks analysis of the planter curve

圖6 栽植機構運動軌跡曲線Fig.6 Movement trajectory curve of planting mechanism

2.3 栽植機構運動學分析

完成了基于種植機構各關鍵部件的三維實體建模，并進行了機構機械運動過程中的虛擬化移栽機裝配和仿真分析。移植機構的三維模型如圖所示。五桿雙曲柄成型機構通過控制鴨式栽植器做交替運動，可以接收蔬菜缽苗和移栽種植。其中鴨嘴式栽植器就是一個用來控制進行整株秧苗種植移栽時的接口末端自動執(zhí)行移植裝置[21]，負責把整株秧苗直接進行植入由鴨嘴接栽植器運轉形成的一個巢穴中。運用SolidWorks軟件對關鍵設備零部件進行矢量有限元分析，對蔬菜缽苗移栽機的移栽機構合理性及其運動效果進行檢驗，從而完成栽植機構的干涉檢驗。

為得到栽植器在λ=1特殊值時的速度位移曲線，改變公式（1）中擺錘轉動角速度和相對地面的水平運動速度，如圖7、圖8所示。

圖7 鴨嘴栽植器末端速度曲線Fig.7 End velocity curve of duck bill planter

圖8 鴨嘴栽植器末端位移曲線Fig.8 End displacement curve of duck bill planter

由此可知：當栽植機構的軸從末端y和x兩個方向與其區(qū)分位移速度差的值為0時，其末端y-z個方向的相對位移最小，即是說當栽植機構從其終端方向到達它的地面速度最低點時其對于它到地面的方向相對位移速度差的值固定為0。依據(jù)零速投苗原理，速度越小越有利于提高蔬菜作物秧苗的直立度。根據(jù)仿真模擬數(shù)據(jù)結果分析：綜合以上是鴨嘴式栽植器的靜、動態(tài)軌跡特征研究及模擬仿真鴨嘴栽植器尖端的位移、速度和加速度曲線結果呈現(xiàn)，在栽植機構運動特征參數(shù)λ=1所示的情況下，表明該設計的鴨嘴式栽植機構在該組參數(shù)下滿足蔬菜栽植設計目標要求，可有效提高移栽機構的栽植性能。

3 試驗結果及分析

3.1 試驗條件

以驗證栽植機構的作業(yè)性能為目的，組裝搭建鴨嘴式栽植機構試驗臺進行試驗，試驗臺由鴨嘴式栽植機構、YE2-90L-4-1.5KW型三相異步電機電動機（減速比：1∶15）、Y500-X022G1變頻器（供電電壓：220 V）、土槽運輸車（2 000 mm*150 mm*150 mm）組成。依據(jù)《JB/T 10291-2013旱地栽植機械》行業(yè)機械栽植標準開展試驗。同時按運動特征參數(shù)λ=1設定土槽運輸車前進速度為18 m·min-1，為了有效地避免拾取缽苗、輸送缽苗等流程對試驗的影響，在試驗過程中，人工將缽苗投放到橫向投苗裝置中。試驗主要利用株高100~120 mm高的辣椒秧苗作為移栽缽苗，采用課題組研制的六連缽秧盤進行育秧，試驗場地位于黑龍江八一農墾大學寒地黑土地保護性耕作技術研究中心實驗室，移栽式機械種植設備和機構樣品及其栽植試驗如下圖所示。

圖9 栽植機構樣機Fig.9 Prototype of planting mechanism

圖10 辣椒缽苗栽植試驗Fig.10 Plant experiment of pepper pot seedling

3.2 試驗結果與分析

試驗方法采用旱地培育的辣椒秧苗進行了反復試驗，依照我國目前現(xiàn)有的旱地移栽機械作業(yè)標準（JB/T 10291-2013）進行，每次重復試驗移栽20株栽培辣椒缽苗，重復3次，記錄并分析結果測定旱地移栽機械作業(yè)標準中的主要性能指標，其中包括建立了秧苗的成熟程度以及旱地移栽后的每株辣椒缽秧秧苗的性能主莖與主根壟面的夾角判定：a≤45°為倒伏，a>45°為合格，a>80°為優(yōu)秀[22]。

試驗結果如表1和表2所示。

表1為辣椒缽苗的立苗率質量測算數(shù)據(jù)，立苗合格率的平均值為93.6%，滿足我國旱地農用移栽機械作業(yè)技術標準中所規(guī)定的立苗率質量測算要求，立苗的優(yōu)良率平均值為91.0%，滿足辣椒缽苗移栽的立苗率質量測算要求；表2為主要對移栽機械性能進行測量的數(shù)據(jù)，移栽機械性能符合旱地農用移栽機械作業(yè)技術標準中所規(guī)定的性能指標，栽植頻率設置為50 r·min-1時，倒伏頻率的平均值設置為3.3%，根據(jù)數(shù)據(jù)分析造成辣椒缽苗倒伏的主要原因是在機械移栽過程中，機構回程階段鴨嘴栽植器即將關閉時易夾持辣椒秧苗上部，回帶缽苗而引起倒伏；株距變異系數(shù)的平均值為5.8%，其原因可能是由于機械操縱作業(yè)的速度波動不穩(wěn)定造成的。

表1 辣椒缽苗立苗率測量數(shù)據(jù)Table 1 Measurement data of seedling rate of pepper pot seedlings

表2 主要栽植性能測量數(shù)據(jù)Table 2 Main planting performance measurement data

4 結論

（1）基于零速投苗工作原理以及技術應用要求，設計了由五桿傳動機構、鴨嘴栽植裝置、鏈輪驅動傳動系統(tǒng)、鴨嘴栽植開合機構等多個部分共同結合組成的一種鴨嘴式栽植機構，并通過運用SolidWorks等建模應用軟件設計搭建了鴨嘴栽植運動機構虛擬化樣機，根據(jù)參數(shù)優(yōu)化設定得到位移運動的加速幾何曲線模型，并由此可以分析得出其樣機運動的加速軌跡以及虛擬樣機位移的運動曲線。根據(jù)機構運動仿真結果顯示：在機構工作過程中，在λ=1的情況下符合植株零速移栽的基本原理，以此驗證機構結構選擇和參數(shù)設計的合理性。

（2）根據(jù)設計參數(shù)制作相應樣機并進行試驗驗證，以直立度合格率為基礎作為評價零速種植的有效性，以株距變異系數(shù)作為考核指標，以衡量栽植機構參數(shù)的合理性和機構穩(wěn)定性。試驗結果顯示：該項鴨嘴式栽植機構的設計可以滿足蔬菜秧苗的栽植要求，且各項種植指標符合行業(yè)標準要求，株距變異系數(shù)小，作業(yè)效果穩(wěn)定，符合設計要求。