蔬菜移栽機(jī)栽植靜軌跡可調(diào)式鴨嘴栽植裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

顏 華 劉 沖 李鵬斌 陳榮文 周海燕 莊騰飛

(1.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司, 北京 100083; 2.農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083;3.現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司, 北京 100083; 4.廣西合浦縣惠來寶機(jī)械制造有限公司, 合浦 536100)

0 引言

育苗移栽由于可以有效縮短作物生長周期、彌補(bǔ)季節(jié)和氣候帶來的不利影響,被廣泛應(yīng)用在蔬菜種植環(huán)節(jié)[1]。目前,我國蔬菜種植以半自動(dòng)移栽機(jī)為主[2]。栽植裝置作為半自動(dòng)蔬菜移栽機(jī)最核心的工作部件,其結(jié)構(gòu)和性能直接決定栽植質(zhì)量?，F(xiàn)有的蔬菜移栽機(jī)栽植裝置主要有吊杯式、鴨嘴式、撓性圓盤式、鉗夾式、鏈夾式等[3-12]。鴨嘴式栽植裝置采用打孔的方式進(jìn)行栽植,栽植適應(yīng)性強(qiáng),既可用于露地移栽,也可進(jìn)行膜上移栽;鴨嘴式栽植裝置常采用多連桿機(jī)構(gòu)或行星齒輪機(jī)構(gòu)等,設(shè)計(jì)空間比較大,結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)的調(diào)整可以使栽植裝置實(shí)現(xiàn)不同的栽植靜軌跡,滿足不同作物的栽植要求[13-15]。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同種類的蔬菜種植特點(diǎn)設(shè)計(jì)了多種鴨嘴栽植裝置。久保田IKP-4型蔬菜移栽機(jī)采用行星輪式鴨嘴栽植裝置,栽植株距為400～950 mm,但隨著實(shí)際栽植株距增大,膜上栽植穴口尺寸會(huì)增大。井關(guān)PVHR2型移栽機(jī)采用雙曲柄多連桿鴨嘴栽植裝置,栽植株距為300～600 mm,栽植株距為300 mm時(shí)栽植穴口尺寸較小。李鵬斌等[16]在井關(guān)PVHR2型移栽機(jī)鴨嘴栽植裝置基礎(chǔ)上優(yōu)化桿件尺寸,優(yōu)化后栽植株距為150 mm時(shí)地膜連接長度由58.9 mm增至83.7 mm。廖慶喜等[17]提出了一種針對(duì)油菜的雙五桿鴨嘴栽植裝置,栽植株距為300 mm時(shí)入土軌跡與出土軌跡具有較高垂直度和重合度,接近零速栽植。胡飛等[18]提出一種復(fù)合曲柄搖桿式鴨嘴栽植裝置,該裝置在設(shè)定株距為260 mm和300 mm時(shí)栽植合格率均在90%以上,株距變異系數(shù)最大為6.35%,穴口平均長度為10.44 cm。胡建平等[19-20]提出了一款行星輪轉(zhuǎn)臂式鴨嘴栽植裝置,在不改變?cè)灾察o軌跡的情況下,使用Matlab優(yōu)化得到一組滿足280、310、345 mm 3種株距的結(jié)構(gòu)參數(shù)。俞高紅等[21]提出了針對(duì)大株距的行星輪系鴨嘴栽植裝置,栽植裝置采用兩個(gè)鴨嘴栽植器提高栽植效率,栽植株距為450 mm左右時(shí),栽植效果最佳。

一套鴨嘴栽植裝置的栽植靜軌跡多為固定不變的,膜上移栽時(shí),只有在栽植裝置的設(shè)計(jì)株距附近才能滿足小穴口栽植要求。栽植株距過大會(huì)使栽植器前行撕膜,過小會(huì)導(dǎo)致栽植器后移帶膜,株距的大范圍調(diào)整增加了膜上移栽過程中的擾動(dòng),在地膜上形成大的穴口,株距為100 mm時(shí)穴口過大甚至?xí)a(chǎn)生貫通現(xiàn)象,使地膜失去保溫、保墑的功效[22-23]。這就使一臺(tái)移栽機(jī)只能滿足一定株距范圍內(nèi)蔬菜的種植。而蔬菜種類繁多,不同作物甚至同一類作物在不同地區(qū)的栽植株距要求不同,當(dāng)目標(biāo)栽植株距與設(shè)定的栽植株距有較大偏差時(shí),會(huì)影響栽植質(zhì)量[24]。本文通過開展栽植機(jī)構(gòu)研究,設(shè)計(jì)可以滿足不同株距較小栽植穴口要求的鴨嘴栽植裝置和調(diào)整栽植靜軌跡的方法,以保證不同株距時(shí)的栽植質(zhì)量。

1 栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

蔬菜移栽機(jī)栽植靜軌跡無級(jí)可調(diào)的鴨嘴栽植裝置的主要功能是在不同栽植株距時(shí)均能順利接住缽苗,并將其栽植入土。由于現(xiàn)有移栽機(jī)在調(diào)整實(shí)際栽植株距時(shí)主要采用調(diào)整移栽機(jī)行駛速度與栽植頻率比值的方法,且鴨嘴式栽植裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)在完成設(shè)計(jì)后就不能改變,因此會(huì)加大鴨嘴栽植時(shí)水平分速度與移栽機(jī)行駛速度的偏差。圖1為一套鴨嘴栽植裝置在栽植頻率為60株/(行·min)時(shí)只改變移栽機(jī)行駛速度的栽植軌跡變化情況,從圖中可以看出,該鴨嘴在目標(biāo)栽植株距為300 mm時(shí),壟面線以下軌跡較為垂直,擾動(dòng)較小,軌跡穴口尺寸最小,但實(shí)際株距為100 mm和500 mm時(shí),栽植軌跡的穴口尺寸均大于50 mm。這就要求栽植株距改變較大時(shí),需要改變行駛速度和栽植頻率比值與栽植靜軌跡相結(jié)合。

圖1 栽植軌跡隨行駛速度變化示意圖

栽植軌跡設(shè)計(jì)要求:為了在不同栽植株距的情況下,都能保證幼苗與地面盡可能接近90°,栽植穴口尺寸盡可能小;要求栽植靜軌跡可調(diào)以保證不同株距下形成較小栽植穴口;且調(diào)整前后栽植器在進(jìn)行入土栽植和完成栽植離開時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)盡量重合并垂直于地面,因此,栽植軌跡最下端應(yīng)有不少于100 mm長度且前后偏移量不超過20 mm,盡可能實(shí)現(xiàn)“零速”栽苗;不同栽植株距時(shí)栽植軌跡最高點(diǎn)位置盡量保持不變以保證接苗位置相同,且豎直方向速度盡可能小,以保證接苗穩(wěn)定性。

栽植器狀態(tài)要求:在整個(gè)栽植過程中,栽植器應(yīng)盡可能保持豎直狀態(tài)。鴨嘴栽植器盡量在入土最深位置迅速打開,栽植后,鴨嘴應(yīng)在完全高于栽植缽苗后閉合,防止夾苗,造成缺苗露苗,防止向前帶苗,造成前傾。鴨嘴開度能根據(jù)不同蔬菜品種的幼苗尺寸要求進(jìn)行調(diào)整。

1.2 機(jī)構(gòu)選型與工作原理

根據(jù)鴨嘴栽植機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求,鴨嘴在平面按照既定的栽植軌跡運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)“零速”栽苗,鴨嘴實(shí)現(xiàn)“接苗-送苗-栽植-回程”的循環(huán)運(yùn)動(dòng)可以被分解為鴨嘴在水平方向和豎直方向的運(yùn)動(dòng),栽植的“零速”投苗實(shí)質(zhì)上就是鴨嘴從入土到完成栽植離開土面的過程中,鴨嘴的水平分速度與移栽機(jī)的行駛速度大小相等、方向相反。

為保證鴨嘴在栽植過程中始終保持豎直,并且滿足固定幅度的豎直方向的運(yùn)動(dòng),鴨嘴往往會(huì)安裝在平行四邊形機(jī)構(gòu)的一端, 并可以在工作時(shí)隨著平行四邊形機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)而進(jìn)行豎直方向的運(yùn)動(dòng),且運(yùn)動(dòng)過程中鴨嘴姿態(tài)不發(fā)生變化。因此,本機(jī)構(gòu)中也選用平行四邊形機(jī)構(gòu)與鴨嘴直接相連。

鴨嘴栽植機(jī)構(gòu)往往還需要一個(gè)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)豎直方向的運(yùn)動(dòng),需要另一個(gè)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水平方向的運(yùn)動(dòng),兩個(gè)機(jī)構(gòu)相輔相成,共同驅(qū)動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)帶動(dòng)栽植器完成栽植。例如,何亞凱等[25]設(shè)計(jì)的凸輪擺桿栽植機(jī)構(gòu)采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)栽植器實(shí)現(xiàn)豎直方向運(yùn)動(dòng),采用凸輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)栽植器實(shí)現(xiàn)水平方向運(yùn)動(dòng)。

栽植株距調(diào)整后需要使栽植靜軌跡進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,即部分結(jié)構(gòu)參數(shù)可以進(jìn)行快速調(diào)整,以滿足栽植軌跡小穴口的要求。

改變?cè)灾察o軌跡的方法有:改變構(gòu)件的尺寸參數(shù);改變安裝點(diǎn)的位置參數(shù)。目的是改變平行四邊形機(jī)構(gòu)在水平方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度,使其與行駛速度相同或相近。

通過以上分析,本文選用曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)栽植功能。如圖2所示,曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)由曲柄OA、導(dǎo)桿AC和支點(diǎn)B構(gòu)成,旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)O和支點(diǎn)B均固定在機(jī)架上。導(dǎo)桿AC和支點(diǎn)B連接處有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副,分別是轉(zhuǎn)動(dòng)副和滑動(dòng)副,一方面導(dǎo)桿AC可以沿著支點(diǎn)B上下滑動(dòng),一方面導(dǎo)桿AC還可以以支點(diǎn)B為圓心旋轉(zhuǎn)。

圖2 曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖

曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的自由度為1。因此,曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)時(shí),只需要在點(diǎn)O設(shè)置一個(gè)動(dòng)力源,驅(qū)動(dòng)曲柄OA繞點(diǎn)O旋轉(zhuǎn),導(dǎo)桿端點(diǎn)C處便會(huì)形成唯一的運(yùn)動(dòng)軌跡。

在整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中,曲柄OA與導(dǎo)桿AC垂直瞬間,導(dǎo)桿AC相對(duì)于支點(diǎn)B只有平移,曲柄OA與導(dǎo)桿AC共線瞬間,導(dǎo)桿相對(duì)于支點(diǎn)B只有轉(zhuǎn)動(dòng),且此時(shí)導(dǎo)桿AC對(duì)于支點(diǎn)B的動(dòng)力臂為AB、阻力臂為BC。

由以上分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)曲柄OA的長度和旋轉(zhuǎn)角速度不變時(shí),改變支點(diǎn)B的位置,動(dòng)力臂和阻力臂的長度就會(huì)改變,此時(shí)導(dǎo)桿AC的C端的水平運(yùn)動(dòng)位移和速度均會(huì)隨之改變。如圖2所示,當(dāng)支點(diǎn)處于靠近O的B1位置時(shí),端點(diǎn)C的運(yùn)動(dòng)軌跡為“扁豆型”,此時(shí)端點(diǎn)C的水平位移較大,水平速度也較大,適合驅(qū)動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行大株距的栽植;當(dāng)支點(diǎn)處于遠(yuǎn)離O的B2位置時(shí),端點(diǎn)C的運(yùn)動(dòng)軌跡為“鴨蛋型”,此時(shí)端點(diǎn)C的水平位移較小,水平速度也較小,適合驅(qū)動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行小株距的栽植,并且端點(diǎn)C在以上兩個(gè)位置的豎直方向位移和接苗位置均相同,便于布置分苗裝置的位置。因此,該機(jī)構(gòu)可以通過調(diào)節(jié)固定支點(diǎn)B的位置,驅(qū)動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)整栽植靜軌跡,以滿足不同株距栽植穴口較小的要求。

由于曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的端點(diǎn)C的自由度為零,所以平行四邊形機(jī)構(gòu)的固定端需要被給予水平方向的自由度,綜上最終確定的鴨嘴栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。鴨嘴栽植機(jī)構(gòu)的自由度為1。

圖3 鴨嘴栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

鴨嘴栽植機(jī)構(gòu)具有唯一的自由度,即在每個(gè)支點(diǎn)B的位置,曲柄OA可以驅(qū)動(dòng)鴨嘴形成唯一的運(yùn)動(dòng)軌跡,滿足設(shè)計(jì)要求。

其中,點(diǎn)O為固定在機(jī)架上的動(dòng)力輸入點(diǎn),點(diǎn)B為可以調(diào)節(jié)位置的支點(diǎn),點(diǎn)D為桿DI的端點(diǎn),桿DI相對(duì)于機(jī)架滑動(dòng),點(diǎn)I和點(diǎn)J為焊接點(diǎn),點(diǎn)A、C、E、F、G、H為栽植機(jī)構(gòu)鉸接點(diǎn),點(diǎn)K為栽植器上一點(diǎn),點(diǎn)M為栽植點(diǎn)。

2 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立

為了便于分析,選擇曲柄OA旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn)建立笛卡爾平面直角坐標(biāo)系,取向左為機(jī)組前進(jìn)方向,速度為v,為了實(shí)現(xiàn)“零速栽植”,需要保證栽植器入土作業(yè)時(shí)在水平方向的分速度與機(jī)組前進(jìn)方向相反,因此規(guī)定OA桿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。以機(jī)組前進(jìn)方向?yàn)閤軸負(fù)方向,豎直向上為y軸正方向,選取x軸正方向?yàn)闂U件角位移的基準(zhǔn),逆時(shí)針方向?yàn)檎?/p>

令時(shí)間t=0時(shí),曲柄OA與x軸正方向重合φ,為t時(shí)桿OA旋轉(zhuǎn)角度,則

φ=-ωt

(1)

式中ω——曲柄OA的角速度,rad/s

點(diǎn)A位移方程為

(2)

式中L1——曲柄OA長度,mm

設(shè)點(diǎn)B坐標(biāo)為(xB,yB),有

(3)

式中Φ1——桿AC與x軸正方向夾角,(°)

聯(lián)立式(1)～(3)得

(4)

點(diǎn)C位移方程為

(5)

式中L2——導(dǎo)桿AC長度,mm

設(shè)點(diǎn)O到桿DI的距離為dD,桿DI與x軸正方向夾角為Φ4,因此可以求得桿DI延長線上點(diǎn)I滿足關(guān)系式

(6)

由三角函數(shù)關(guān)系得

(7)

(8)

式中Φ2——桿EG與x軸正方向夾角,(°)

L3——擺桿EC長度,mm

點(diǎn)E坐標(biāo)為

(9)

式中L6——連桿EF、GH長度,mm

聯(lián)立式(1)、(2)、(5)～(8)得

(10)

其中

ξ=L1cos(ωt)+L2cosΦ1

(11)

ζ=L1sin(ωt)-L2sinΦ1

(12)

根據(jù)幾何關(guān)系得點(diǎn)G位移方程為

(13)

式中L4——擺桿CG長度,mm

由于EFGH為平行四桿機(jī)構(gòu),且點(diǎn)J為GH中點(diǎn),因此可得點(diǎn)J、K、M位移方程為

(14)

(15)

(16)

式中L7——JK長度,mm

L8——鴨嘴KM長度,mm

聯(lián)立式(1)、(2)、(5)、(9)、(13)～(16)可得機(jī)組靜止時(shí)點(diǎn)M位移方程為

(17)

設(shè)定機(jī)組行駛速度為v時(shí),鴨嘴下端栽植點(diǎn)M位移方程為

(18)

式(18)等號(hào)兩邊對(duì)時(shí)間t求導(dǎo),得機(jī)組行駛速度為v時(shí)鴨嘴下端栽植點(diǎn)M速度方程為

(19)

其中

(20)

(21)

(22)

τ=xBcos(ωt)-yBsin(ωt)

(23)

(24)

(25)

(26)

2.2 栽植機(jī)構(gòu)可視化輔助設(shè)計(jì)軟件開發(fā)

為了便于對(duì)鴨嘴栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),根據(jù)建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,基于NI LabVIEW 2017開發(fā)了鴨嘴式栽植機(jī)構(gòu)可視化輔助設(shè)計(jì)軟件,軟件界面如圖4所示,界面共包括4個(gè)區(qū)域,分別為機(jī)組參數(shù)設(shè)置區(qū)域、運(yùn)行時(shí)間設(shè)置區(qū)域、機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)置區(qū)域、圖像顯示區(qū)域。通過輸入不同的機(jī)組運(yùn)動(dòng)參數(shù)和機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù),可以得到栽植點(diǎn)M對(duì)應(yīng)的栽植軌跡和水平方向、豎直方向分速度。

圖4 栽植機(jī)構(gòu)可視化輔助設(shè)計(jì)軟件界面

3 參數(shù)分析與優(yōu)化

3.1 約束條件定義

為了便于探索機(jī)構(gòu)參數(shù)對(duì)栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的影響,縮小參數(shù)優(yōu)化范圍,首先根據(jù)機(jī)構(gòu)自身特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求對(duì)機(jī)構(gòu)各參數(shù)提出以下約束:

首先L7和L8為鴨嘴的結(jié)構(gòu)尺寸和安裝尺寸,L6為平行四邊形固定為豎直方向的桿件長度,由于這3個(gè)參數(shù)均不影響栽植軌跡,結(jié)合常用鴨嘴尺寸和桿件尺寸,預(yù)選L6=60 mm、L7=110 mm、L8=150 mm。

由于支點(diǎn)B是可以調(diào)節(jié)的,且桿AC與支點(diǎn)B存在滑動(dòng)副,因此,桿AC長度除了要長于2倍L1外,還需要預(yù)留點(diǎn)B運(yùn)動(dòng)范圍HB,點(diǎn)A、B、C的安裝尺寸La,安裝防塵設(shè)備的尺寸Lf,即

L2≥2L1+La+Lf+HB

(27)

依據(jù)桿件存在條件

(28)

為了防止鴨嘴栽后帶苗和機(jī)構(gòu)振動(dòng)過大,栽植軌跡的高度應(yīng)在一定范圍內(nèi),即

(29)

3.2 主要參數(shù)對(duì)栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的影響

分析鴨嘴栽植機(jī)構(gòu)的主要尺寸參數(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性的影響可為參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。設(shè)置機(jī)組前進(jìn)速度為1.08 km/h,頻率為60株/(行·min),即設(shè)計(jì)栽植株距為300 mm。根據(jù)栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求和約束條件,選取初始值:L1=30 mm、L2=350 mm、L3=60 mm、L5=300 mm、xB=15 mm、yB=-150 mm、dD=350 mm、Φ4=0°?；陂_發(fā)的可視化輔助設(shè)計(jì)軟件,使用控制變量法進(jìn)行單因素分析,對(duì)每一個(gè)參數(shù)選擇3個(gè)等差數(shù),可以得到相應(yīng)的栽植軌跡和點(diǎn)M豎直方向分速度-時(shí)間曲線,如圖5、6所示。

圖5 栽植軌跡變化曲線

3.2.1各參數(shù)對(duì)栽植軌跡的影響

從圖5中可以看出,隨著L1的增大栽植軌跡被上下拉長,栽植器上下運(yùn)動(dòng)幅度變大,栽植入土部分偏移量增大,但是栽植時(shí)曲線重合部分變長,栽植深度變大。當(dāng)L1=25 mm時(shí)軌跡沒有重合,L1的變化對(duì)栽苗的直立度幾乎沒有影響。

隨著L2的增大,栽植軌跡整體向下移動(dòng),且栽植軌跡后傾增大。當(dāng)L2=370 mm時(shí),鴨嘴豎直方向栽植幅度為295 mm,栽植深度為95.5 mm,滿足要求,但栽植角度為50.6°,不能保證栽植直立,且可能會(huì)產(chǎn)生撕膜;當(dāng)L2=330 mm時(shí),鴨嘴豎直方向栽植幅度為300 mm,栽植角度為83.5°,但栽植深度僅為44 mm。

隨著L3的增大,栽植軌跡豎直方向的幅度迅速減小,栽植軌跡被“壓縮”,栽植深度減小,栽植直立度變化不明顯。當(dāng)L3=40 mm時(shí)栽植幅度為447 mm,送苗過程曲線內(nèi)凹;當(dāng)L3=80 mm時(shí)栽植幅度為225 mm,送苗過程曲線為外凸。

隨著L5的增大,栽植軌跡豎直方向的幅度增大,栽植軌跡被“拉長”,栽植深度增大,栽植直立度變化顯著,栽植軌跡初始相位向后移動(dòng),總之隨著L5的增大,栽植軌跡被明顯放大。

隨著dD的增加,栽植軌跡整體上移,栽植直立度顯著提高,栽植幅度和栽植深度變化不明顯。

當(dāng)Φ4由0°改為-15°時(shí),栽植軌跡送苗段略有內(nèi)凹,軌跡最低處向上移動(dòng)8 mm,軌跡最高處向上移動(dòng)49 mm,栽植幅度增大41 mm,直立度沒有發(fā)生變化。當(dāng)Φ4由0°改為15°時(shí),栽植軌跡送苗段為直線,且豎直向下,直立度為90°,栽植最低點(diǎn)向上移動(dòng)72 mm,栽植最高點(diǎn)向上移動(dòng)56 mm,栽植幅度減少16 mm。

隨著xB的增加,栽植軌跡整體略向右上方移動(dòng),栽植穴口尺寸略有減小,xB對(duì)栽植軌跡形狀影響不顯著。

隨著yB增加,栽植軌跡的幅度、位置和栽植直立度變化均不顯著,但對(duì)栽植穴口尺寸影響較大。當(dāng)yB由-150 mm改為-120 mm時(shí),栽植軌跡曲線由于重合較多而增大了穴口尺寸s,可以減小栽植株距以縮小穴口尺寸;當(dāng)yB由-150 mm改為-180 mm時(shí),栽植軌跡曲線由于入土段偏差較大而增大了穴口尺寸,可以增大栽植株距以縮小穴口尺寸。

3.2.2各參數(shù)對(duì)點(diǎn)M豎直方向分速度的影響

速度方向取向上為正,當(dāng)栽植軌跡處于最高和最低點(diǎn)(接苗點(diǎn)和栽植點(diǎn))時(shí)點(diǎn)M豎直方向分速度為零,加速度最大。

從圖6中可以看出,點(diǎn)M豎直方向分速度隨著L1和L5的增大而增大,隨著L3和Φ4的增大而減小,且隨著L1和L5的增大在回程過程中速度的增大更快,送苗過程中速度減小更快,鴨嘴在栽植點(diǎn)提升速度增大更快,提升更迅速,鴨嘴在接苗點(diǎn)向下栽植速度增加也更快,栽植也更加迅速,L3與之相反,隨著L3的減小,點(diǎn)M豎直方向分速度增大效果更為顯著,隨著Φ4的增大,鴨嘴在栽植點(diǎn)的速度變化不顯著,在接苗點(diǎn)的速度變化略有減小,接苗更加平緩,速度的相位略有延遲。隨著L2和dD的變化,點(diǎn)M豎直方向分速度波動(dòng)較小,對(duì)栽植點(diǎn)和接苗點(diǎn)的速度變化影響也較小。隨著xB的增大,點(diǎn)M豎直方向分速度的相位略微有所提前。隨著yB的增大回程速度先增大后減小,對(duì)送苗速度影響較小。

圖6 點(diǎn)M豎直方向分速度變化曲線

3.3 參數(shù)優(yōu)化

栽植機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化是多參數(shù)、多目標(biāo)的復(fù)雜優(yōu)化問題,每個(gè)參數(shù)的改變均會(huì)影響機(jī)構(gòu)栽植性能,研究中通過使用逐次逼近的方法找到最滿足當(dāng)下設(shè)計(jì)要求的一組解。

通過分析各參數(shù)對(duì)栽植軌跡的影響發(fā)現(xiàn),xB的變化對(duì)栽植軌跡的形狀影響不顯著。為了便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),選用調(diào)整支點(diǎn)B在豎直方向的移動(dòng)作為改變?cè)O(shè)計(jì)株距的方法。

綜上所述,栽植裝置的參數(shù)優(yōu)化過程為:

(1)設(shè)置栽植頻率為60株/(行·min),機(jī)組行駛速度為300 mm/s,即設(shè)計(jì)栽植株距為300 mm時(shí),在初始值的基礎(chǔ)上,優(yōu)化得到滿足設(shè)計(jì)要求的一組參數(shù),并確定此時(shí)的yB值為株距300 mm時(shí)的參考值。

(2)根據(jù)步驟(1)中優(yōu)化的參數(shù)值,將機(jī)組行駛速度從100 mm/s以等差50 mm/s依次增加至600 mm/s,每個(gè)行駛速度對(duì)應(yīng)相應(yīng)的設(shè)計(jì)株距,在每個(gè)設(shè)計(jì)株距找到對(duì)應(yīng)較優(yōu)的yB值。

(3)由于在調(diào)整yB值后,栽植點(diǎn)M豎直方向的速度和軌跡均會(huì)產(chǎn)生變化,且此時(shí)栽植性能較優(yōu)的一組參數(shù)值必然與步驟(1)中所選的值有所不同,所以需要依次選擇不同的yB值,觀察栽植軌跡和栽植速度曲線,基于各參數(shù)對(duì)機(jī)構(gòu)栽植軌跡和栽植速度曲線的影響規(guī)律,進(jìn)一步微小調(diào)整機(jī)構(gòu)各參數(shù)值,使在株距100～600 mm之間均滿足設(shè)計(jì)要求,進(jìn)一步優(yōu)化各株距的栽植性能。

優(yōu)化過程中應(yīng)綜合考慮栽植軌跡、接苗和栽苗過程中栽植速度的影響。栽植軌跡在栽植時(shí)直立度應(yīng)在80°～100°之間,栽植時(shí)的曲線應(yīng)盡量重合,重合段長度應(yīng)大于100 mm;整體栽植速度應(yīng)盡量小,在接苗時(shí)速度變化盡量緩慢,在栽植時(shí)速度變化盡量快。

優(yōu)化后獲得一組參數(shù)組合為:L1=35 mm、L2=350 mm、L3=70 mm、L5=280 mm、dD=358 mm、Φ4=15°、xB=20 mm。各栽植株距對(duì)應(yīng)的yB如表2所示,由于株距為100 mm的軌跡最優(yōu)時(shí)yB=-260 mm,超出結(jié)構(gòu)允許的安裝尺寸,且yB=-220 mm時(shí)穴口尺寸較yB=-260 mm時(shí)僅增大6 mm,因此株距100 mm時(shí)yB仍采用-220 mm。從圖7中可以看出,株距100～600 mm,栽植軌跡均符合設(shè)計(jì)要求。

表2 栽植株距調(diào)整對(duì)照

圖7 優(yōu)化后不同栽植株距的栽植軌跡

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

4.1 鴨嘴開合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

鴨嘴開合控制采用多連桿式鴨嘴栽植裝置常用的凸輪擺桿拉線機(jī)構(gòu)[26]。該機(jī)構(gòu)工作時(shí)主要使用凸輪驅(qū)動(dòng)擺桿擺動(dòng)進(jìn)而拉動(dòng)拉線控制鴨嘴的開合。 由于曲柄OA為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)一周,栽植器的接苗位置和栽植位置對(duì)應(yīng)的曲柄OA位置固定,且為了便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),將曲柄OA設(shè)計(jì)為凸輪結(jié)構(gòu)。

如圖8所示,凸輪中的點(diǎn)A即為桿OA與桿AC鉸接點(diǎn),由于不同株距時(shí),支點(diǎn)B的豎直位置不同,所以鴨嘴處于最低點(diǎn)時(shí),桿OA與豎直方向的夾角不同,當(dāng)yB=-220 mm時(shí),夾角為5.19°;當(dāng)yB=-113 mm時(shí),夾角為10.04°。因此選取桿OA與豎直方向的夾角為7°時(shí)為鴨嘴打開位置,結(jié)合設(shè)計(jì)要求確定凸輪輪廓如圖8所示。

圖8 開合機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

4.2 栽植裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

基于優(yōu)化后的參數(shù),對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)配置,使用SolidWorks軟件建立往復(fù)式鴨嘴栽植裝置的三維模型,如圖9所示。

圖9 往復(fù)式鴨嘴栽植裝置結(jié)構(gòu)圖

其中支點(diǎn)B豎直方向的調(diào)整采用絲杠滑塊裝置,在滑塊上安裝有指針,在指針對(duì)應(yīng)位置粘貼有推薦標(biāo)尺,推薦標(biāo)尺的刻度上標(biāo)注有株距,即當(dāng)支點(diǎn)B指向?qū)?yīng)株距的刻度位置時(shí),栽植裝置在此株距栽植時(shí)栽植穴口尺寸較小。在每次需要調(diào)整栽植株距時(shí),只需旋轉(zhuǎn)絲杠使滑塊上的指針指在對(duì)應(yīng)位置即可。兩組栽植機(jī)構(gòu)對(duì)稱分布、交替栽植,以減小機(jī)器振動(dòng),提高土壤利用率。

為驗(yàn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性,使用SolidWorks Motion軟件進(jìn)行仿真分析,得到鴨嘴栽植裝置栽植器的栽植軌跡,如圖10所示,仿真軌跡與設(shè)計(jì)軌跡基本一致。

圖10 往復(fù)式鴨嘴栽植裝置仿真軌跡

5 樣機(jī)試驗(yàn)

為驗(yàn)證鴨嘴栽植裝置的作業(yè)效果,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械裝備國家工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn),如圖11所示。試驗(yàn)平臺(tái)選用便攜式土槽,土槽長12.6 m,寬0.64 m,深150 mm,栽植裝置搭載在自走電動(dòng)底盤上。試驗(yàn)采用北方沙壤土,試驗(yàn)前進(jìn)行澆水、翻土、碎土和起壟覆膜,土壤含水率不大于20%,土面平整、無大土塊。試驗(yàn)選用自制的仿真苗,苗高約10 cm。試驗(yàn)時(shí),以設(shè)計(jì)株距作為試驗(yàn)因素,設(shè)計(jì)株距選取100～600 mm之間,每間隔100 mm選一個(gè)水平,共6個(gè)水平,栽植頻率選取40株/(min·行),機(jī)組行駛速度與設(shè)計(jì)株距、栽植頻率相匹配,栽植深度選80 mm。

圖11 臺(tái)架試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)采用倒伏率、埋苗率和露苗率評(píng)價(jià)栽植質(zhì)量,從株距變異系數(shù)和穴口平均長度評(píng)價(jià)栽植精度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析方法參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10291—2013《旱地栽植機(jī)械》。

從表3可以看出,通用型往復(fù)式鴨嘴栽植裝置在100～600 mm 6個(gè)栽植株距水平上作業(yè)時(shí),倒伏率、埋苗率和露苗率均小于5%,栽植合格率均大于90%,平均合格率達(dá)到97.48%,栽植性能穩(wěn)定,栽植質(zhì)量優(yōu)良,不同株距栽植效果如圖12所示。

表3 栽植試驗(yàn)結(jié)果

圖12 不同株距栽植效果

6組試驗(yàn)的栽植株距變異系數(shù)均小于6%,栽植株距變異系數(shù)隨著設(shè)計(jì)株距的增大而減小,株距為600 mm時(shí),栽植株距變異系數(shù)只有0.85%,這是由于栽植株距的偏差量均在10 mm之內(nèi),當(dāng)設(shè)計(jì)株距較小,對(duì)應(yīng)的平均株距較小,栽植株距變異系數(shù)就相對(duì)偏大。

隨著設(shè)計(jì)株距的增大,栽植穴口尺寸有所增大,在株距為100 mm時(shí)栽植平均穴口長度為52.26 mm,株距為500 mm時(shí)栽植平均穴口長度為87 mm,滿足栽植要求。

本次試驗(yàn)采用的電動(dòng)平臺(tái)行駛系統(tǒng)和栽植部分分別驅(qū)動(dòng),可以實(shí)現(xiàn)栽植株距的無極調(diào)節(jié)。在實(shí)際應(yīng)用中,設(shè)計(jì)的栽植裝置搭載的移栽機(jī)推薦使用兩套動(dòng)力源分別驅(qū)動(dòng)移栽機(jī)的行駛和栽植,以便進(jìn)行栽植株距的調(diào)整。

6 結(jié)論

(1)提出了一種栽植靜軌跡無級(jí)可調(diào)的鴨嘴栽植機(jī)構(gòu),機(jī)構(gòu)由曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和平行四邊形機(jī)構(gòu)兩部分組成。采用調(diào)整行駛速比與支點(diǎn)B位置相結(jié)合的方法大范圍調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)栽植株距以實(shí)現(xiàn)不同株距小穴口栽植。

(2)建立了栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,開發(fā)了可視化輔助設(shè)計(jì)軟件,分析了栽植機(jī)構(gòu)各參數(shù)對(duì)栽植軌跡和栽植器豎直方向分速度的影響,選定調(diào)節(jié)支點(diǎn)B豎直方向位置調(diào)整栽植軌跡,使用逐步逼近法得到一組在栽植株距范圍100～600 mm之間均可以形成滿足軌跡要求的結(jié)構(gòu)參數(shù):L1=35 mm、L2=350 mm、L3=70 mm、L5=280 mm、dD=358 mm、Φ4=15°、xB=20 mm,標(biāo)定了每間隔50 mm株距對(duì)應(yīng)的支點(diǎn)B縱坐標(biāo)yB,為不同株距小穴口栽植軌跡的調(diào)整提供依據(jù)。

(3)鴨嘴的開合控制使用凸輪拉線結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)鴨嘴在接苗位置及栽苗位置的準(zhǔn)確開合;采用絲杠滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)支點(diǎn)B豎直方向位置的調(diào)整;建立了鴨嘴栽植裝置的三維模型,進(jìn)行了多剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,仿真結(jié)果驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

(4)實(shí)驗(yàn)室栽植試驗(yàn)結(jié)果表明,該裝置在栽植株距100～600 mm之間時(shí),栽植合格率均在90%以上,平均合格率達(dá)到97.48%,株距變異系數(shù)在6%以下,平均穴口長度均小于100 mm,株距100 mm和200 mm時(shí)平均穴口長度均小于60 mm,株距600 mm時(shí)平均穴口長度小于90 mm,栽植效果良好,滿足不同栽植株距較小穴口的要求。