機(jī)載水稻拋秧裝置輸送頂出機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真

摘要：水稻拋秧具有效率高、秧苗損傷小等優(yōu)勢(shì)?；诖?，設(shè)計(jì)一種連續(xù)型秧苗自動(dòng)輸送及頂出機(jī)構(gòu)，對(duì)輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)及受力分析，得到中間仿形架受力最大約為23.47 N，靜力學(xué)分析得出仿形架最大應(yīng)力為36 MPa，最大位移變形量為0.6 mm，最大應(yīng)變?yōu)?.012。對(duì)缽體頂出及斜拋過程進(jìn)行受力分析，計(jì)算出缽體質(zhì)心到底面距離為9.71 mm，得出缽體脫盤時(shí)的最小翻滾角度與翻滾角速度、下落垂直距離的關(guān)系。對(duì)頂針進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，當(dāng)頂針總長(zhǎng)為50 mm，凸臺(tái)長(zhǎng)度為5 mm時(shí)，缽體頂出完整性較好。以頂針安裝角、頂出力為試驗(yàn)因素，以缽體頂出后的二維空間位移為指標(biāo)，進(jìn)行ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真試驗(yàn)及正交試驗(yàn)，當(dāng)仿真試驗(yàn)水平和豎直位移達(dá)到最小值時(shí)，頂針安裝角為25°、頂出力為1.5 N；進(jìn)行正交試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果，當(dāng)試驗(yàn)因素水平一致時(shí)，水平和豎直位移達(dá)到最小值。通過分析得出安裝角對(duì)指標(biāo)影響極顯著，頂出力對(duì)指標(biāo)影響較顯著。研究結(jié)果可為水稻拋秧裝置設(shè)計(jì)和作業(yè)參數(shù)優(yōu)化提供重要參考。

關(guān)鍵詞：水稻缽苗；農(nóng)業(yè)機(jī)械；頂出式；運(yùn)動(dòng)分析

中圖分類號(hào)：S223.94 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095?5553 （2024） 11?0007?08

Optimization design and simulation of transport and ejection mechanism of

airborne rice seedling throwing device

Ge Yiyuan1， Guo Ningning1， Qi Qinglong1， Gao Hongcai2

（1. School of Mechanical Engineering， Jiamusi University， Jiamusi， 154007， China;

2.Jiamusi Agricultural Technology Research Institute Co.， Ltd.， Jiamusi， 154000， China）

Abstract： Ricet7VH4EhP8BEAAyK5lgAliXaRrcgDM0V4q5mNmOaM+uk= seedling throwing has the advantages of high efficiency and small seedling damage. In this paper， a continuous type of automatic seedling conveying and ejecting mechanism is designed， and the conveying mechanism is designed and the force analysis is carried out. The maximum force of the intermediate copying frame is about 23.47 N. The static analysis shows that the maximum stress of the copying frame is 36 MPa， the maximum displacement and deformation is 0.6 mm， and the maximum strain is 0.012， which meets the design requirements. The distance between the core of the bowl and the bottom surface is 9.71 mm， and the relation between the minimum tumbling Angle and tumbling Angle speed and falling vertical distance is obtained. When the total length of the thimble is 50 mm and the length of the boss is 5 mm， the integrity of the bowl ejection is better. The ADAMS kinematics simulation test and orthogonal test were carried out with thimble mounting Angle and ejection force as test factors， and 2D displacement of the bowl after ejection as index. When the horizontal and vertical displacement of the simulation test reached the minimum value， the mounting Angle of the thimble was 25° and ejection force was 1.5 N. The orthogonal test was carried out to verify the simulation results. When the experimental factors were consistent， the horizontal and vertical displacements reached the minimum values. The analysis shows that the installation Angle has a significant influence on the index， and the jacking force has a significant influence on the index. The research results can provide important reference for the design of rice seedling throwing device and the optimization of operation parameters.

Keywords： rice bowl seedling; agricultural machinery; ejector type; motion analysis

0 引言

水稻是我國(guó)重要的糧食作物，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2022年種植面積達(dá)29 450 khm2，產(chǎn)量達(dá)2×108 t。水稻種植質(zhì)量是影響產(chǎn)量的重要因素。目前，插秧方式主要有人工插秧和機(jī)插兩種。傳統(tǒng)人工效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、落秧一致性差[1]。插秧機(jī)插秧對(duì)秧苗損傷大，且在作業(yè)時(shí)一定程度上對(duì)土壤壓實(shí)，導(dǎo)致土壤緊實(shí)度升高、增加土壤表面附近的容重，影響其原物理特性[2?6]。插秧機(jī)運(yùn)秧過程需人工作業(yè)，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，且秧苗在裝卸與搬運(yùn)過程中易損傷。隨著我國(guó)水稻全程機(jī)械化進(jìn)程的不斷發(fā)展，急需研制栽秧效率高、對(duì)秧苗和土地?fù)p傷小、成本低、適應(yīng)我國(guó)國(guó)情的栽秧裝備[7?11]。水稻拋秧分為無(wú)序拋秧和有序拋秧[12]。無(wú)序拋秧易受風(fēng)力影響，插秧效果差，影響后續(xù)田間管理。有序拋秧秧苗損傷輕，具有早生優(yōu)勢(shì)，后期分蘗比重大，利于實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)?，F(xiàn)有裝置存在作業(yè)過程中脫盤不徹底、輸秧不穩(wěn)定、各機(jī)構(gòu)配合錯(cuò)位等問題[13?18]?；诖耍O(shè)計(jì)一種無(wú)人機(jī)搭載的智能化拋秧裝置，旨在解決傳統(tǒng)機(jī)插人力輔助費(fèi)時(shí)費(fèi)力、供秧效率低下、土壤壓實(shí)破壞、秧苗返青期長(zhǎng)等問題，達(dá)到節(jié)約成本、秧苗一致性好、便于田間管理、提高產(chǎn)量的目的。

1 機(jī)載水稻拋秧裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

拋秧裝置搭載于極飛3WWDZ—40A型農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)，最大起飛質(zhì)量為150 kg，額定起飛質(zhì)量為88 kg，旋翼電機(jī)額定功率為4 000 W，采用多組電池可更換設(shè)計(jì)，滿載時(shí)每組電池可連續(xù)工作15 min左右。機(jī)載水稻拋秧裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作時(shí)，無(wú)人機(jī)與拋秧裝置通過連接架連接，秧苗盤通過定位夾及仿形架固定裝載在拋秧裝置上。無(wú)人機(jī)按設(shè)定路徑飛行，帶傳動(dòng)部分配合固定塊及仿形架將秧苗盤向頂苗位置輸送。頂出機(jī)構(gòu)位于輸送機(jī)構(gòu)內(nèi)部，由電磁鐵、頂苗孔及頂針機(jī)構(gòu)組成，待秧苗盤輸送至仿形架上金屬塊被檢測(cè)到后輸送停止，頂出機(jī)構(gòu)接收信號(hào)從而電磁鐵帶動(dòng)頂針架頂出[19?22]，梳理架在頂出時(shí)起到輔助壓盤及梳理秧苗作用。頂苗結(jié)束后的空盤繼續(xù)搭載在仿形架上待無(wú)人機(jī)返航后復(fù)位取下繼續(xù)換盤作業(yè)。拋秧裝置輸送頂出機(jī)構(gòu)主要由秧苗盤輸送機(jī)構(gòu)、秧苗頂出機(jī)構(gòu)、分苗壓盤機(jī)構(gòu)和支撐部件組成。采用機(jī)電結(jié)合驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)秧苗盤自動(dòng)輸送及秧苗頂出作業(yè)。

由于所采用秧苗盤每組間距為10 mm，頂出機(jī)構(gòu)采用電磁鐵，其單次通電時(shí)間為1 s，每組秧苗盤缽穴數(shù)量為17穴，共3組，因此輸送速度為10 mm/s，頂出效率為51穴/s。

2 輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真

作業(yè)時(shí)，搭載秧苗盤的仿形架與帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動(dòng)，將秧苗盤輸送至頂出位置后，步進(jìn)電機(jī)接收信號(hào)停止動(dòng)作，循環(huán)往復(fù)上述動(dòng)作直至拋秧作業(yè)結(jié)束。

秧盤采用聚氯乙烯塑料軟盤，外形尺寸為600 mm×375 mm×16 mm，穴孔數(shù)量為434個(gè)，直徑為3 mm，為市面通用水稻拋秧盤。以該種秧苗盤為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定秧盤沿行進(jìn)方向相鄰兩排為一組，分組排列情況如圖2所示。

2.1 受力分析

帶傳動(dòng)帶動(dòng)仿形架移動(dòng)運(yùn)秧。根據(jù)秧苗盤承重情況，仿形架分為兩端仿形架Ⅰ和中間仿形架Ⅱ。秧苗盤橫向搭載位置按定位板排布，如圖3所示。

仿形架主要承載秧苗質(zhì)量及自重載荷影響，且隨輸送機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動(dòng)，材料選擇耐磨性和剛性較好的GH2136合金鋼。中間仿形架受力較大，易發(fā)生形變導(dǎo)致頂苗錯(cuò)位[23]，由于拋秧裝置搭載于無(wú)人機(jī)機(jī)體正下方，旋翼展開后距裝置較遠(yuǎn)且旋翼引起的氣流向下并未對(duì)搭載仿形架受力造成影響，因此可忽略旋翼氣流的影響，仿形架受力為

[F=3m1g4×3+m2g] （1）

式中： m1——帶土秧苗盤總質(zhì)量，kg；

m2——仿形架自重，kg。

此處m1為4.78 kg，m2為1.2 kg，計(jì)算F≈23.47 N。

2.2 靜力學(xué)仿真分析

利用SolidWorks軟件建立仿形架三維模型，通過SolidWorks?simulation靜應(yīng)力新算例程序，分析仿形架的應(yīng)力應(yīng)變狀況，輸出應(yīng)力、應(yīng)變和位移云圖，程序運(yùn)行算例結(jié)果如圖4所示。

分析可知，受力較大的兩端仿形架最大應(yīng)力為36 MPa，遠(yuǎn)小于仿形架材料的屈服強(qiáng)度極限。仿形架最大位移變形量為0.6 mm，最大應(yīng)變?yōu)?.000 12，缽穴實(shí)體濾水孔直徑為3 mm，允許0.6 mm的位移變形量。裝載4個(gè)仿形架后位移變形量更小，產(chǎn)生的誤差可忽略不計(jì)。故仿形架設(shè)計(jì)合理，滿足作業(yè)強(qiáng)度要求。

3 頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真

針對(duì)送盤定位精度要求高，缽體在頂出后由于翻滾無(wú)法進(jìn)入理想預(yù)設(shè)軌跡等問題，對(duì)頂出機(jī)構(gòu)進(jìn)行以下設(shè)計(jì)：確定頂針頂出方向與缽體中線夾角為0°，在原頂針與缽體接觸端設(shè)置凸臺(tái)接觸體，采用急回特性較好的動(dòng)力設(shè)備，選用電磁鐵及相關(guān)機(jī)構(gòu)，設(shè)置頂苗孔便于頂苗動(dòng)作的精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)，采用閉環(huán)控制消除連續(xù)送盤產(chǎn)生的累計(jì)誤差。

根據(jù)輸送機(jī)構(gòu)及動(dòng)力設(shè)備的相對(duì)位置尺寸，頂針總長(zhǎng)為50 mm，頂針材料選擇為軸承鋼，經(jīng)線切割加工而成。頂針由桿體及凸臺(tái)接觸體組成，頂針直徑大，則頂針受力面積較大便于將秧苗頂出，對(duì)輸送機(jī)構(gòu)的定位精度要求較高，頂針直徑過小則易刺穿缽體破壞秧苗土壤與秧苗的根部導(dǎo)致拋苗后返青期延長(zhǎng)，根據(jù)圓形缽苗盤濾水孔直徑為3 mm考慮其他潛在誤差可設(shè)計(jì)頂針最大直徑為2.5 mm。上端凸臺(tái)接觸體的設(shè)計(jì)可使頂苗時(shí)秧苗的位置固定，同時(shí)在一定程度上減少對(duì)缽體底部的破壞從而防止缽體在頂出后散坨。

3.1 缽體受力分析

頂出機(jī)構(gòu)由動(dòng)力設(shè)備、頂針架、頂針等組成。根據(jù)秧盤孔排布設(shè)置頂針位置。輸送機(jī)構(gòu)將秧苗盤運(yùn)送至頂出位置，動(dòng)力設(shè)備驅(qū)動(dòng)頂針將一組秧苗頂出，完成一次頂苗。假定缽體頂出過程為直線運(yùn)動(dòng)，頂針接觸缽體底部，頂針方向與缽體底面垂直，頂針凸臺(tái)接觸體中心與缽體底部中心重合[24， 25]。以頂針凸臺(tái)接觸體中點(diǎn)為原點(diǎn)，以頂針頂出方向?yàn)閤軸，平行于缽體底面直線為y軸，建立坐標(biāo)系，缽體頂出過程缽體受力如圖5所示。

對(duì)缽體進(jìn)行受力分析，根據(jù)達(dá)朗貝爾原理

[Nbcosα+Ffsinα+Gcosθ2=0Nbsinα+Na-Ffcosα-Gsinθ2=0Nbcosαd2+Ffsinαd2+kFfcosα-kNbsinα-sGcosθ2=00<k<54] （2）

式中： [Na]——頂針凸臺(tái)支持力，N；

[Nb]——頂針凸臺(tái)上表面質(zhì)心位置對(duì)缽體支持力，N；

[Ff]——頂針凸臺(tái)斜面對(duì)缽體的摩擦力，N；

d——凸臺(tái)長(zhǎng)度，mm；

k——凸臺(tái)上表面半徑，mm；

s——缽體質(zhì)心至缽體底部的距離，mm；

θ——缽體錐角，（°）；

α——凸臺(tái)傾角，（°）。

根據(jù)θ=71°，α=60°，[Ff≥0]且k可根據(jù)等腰梯形斜邊與長(zhǎng)底邊的關(guān)系[（k=54-33d）]，整理可得

[s=d（12-4033Ff+16G）+50Ff-203G] （3）

缽體為倒錐體（長(zhǎng)底邊為22 mm，短底邊為11 mm，高16 mm），計(jì)算可得缽體質(zhì)心到底面距離s為9.71 mm，為防止缽體在脫盤過程中翻滾，考慮圓形缽盤表面覆土壓實(shí)后存在一定厚度導(dǎo)致缽體體積大于原缽苗盤缽穴體積，且接觸凸臺(tái)過長(zhǎng)影響接觸凸臺(tái)強(qiáng)度，水稻缽體底部根部密集有利于頂針力學(xué)性能的發(fā)揮，取d為5 mm。

3.2 缽體脫盤斜拋過程運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

缽體被頂針頂起但與頂針未脫離時(shí)，頂針與缽體接觸受力點(diǎn)保持相對(duì)靜止，在脫離穴盤瞬間存在翻滾角速度ω。由于頂出機(jī)構(gòu)設(shè)置了一定的安裝角度，缽體被頂出后做斜拋運(yùn)動(dòng)，落入后續(xù)接苗拋苗裝置，斜拋軌跡如圖6所示。

經(jīng)分析，缽體在水平方向和垂直方向的位移為

[X=vtcosηY=H+vtsinη-12gt2] （4）

式中： v——缽體脫離頂針的初速度，m/s；

t——缽體脫盤后在空中斜拋的時(shí)間，s；

η——缽體初速度與水平面夾角，（°）；

H——缽體下落的垂直距離，mm。

由式（4）可知，缽體斜拋運(yùn)動(dòng)的軌跡方程為

[y=H+xtanη-gx22v2cos2η] （5）

當(dāng)Y=0且v一定時(shí)，缽體的最大水平位移為

[X（η）=v2sin2η2g+vcosηgv2sin2η+2gH] （6）

對(duì)式（6）求導(dǎo)并令其為0，可得缽體達(dá)到最遠(yuǎn)斜拋距離時(shí)對(duì)應(yīng)的斜拋角度

[η0=sin-1v2v2+2gH] （7）

將式（7）代入式（6），可得缽體最遠(yuǎn)水平拋苗距離

[Xmax=vgv2+2gH] （8）

綜上可得，缽體斜拋運(yùn)動(dòng)時(shí)間

[t（η）=vsinηg+1gv2sin2η+2gH] （9）

缽體斜拋時(shí)的翻滾角度

[φ=ω（vsinηg+1gv2sin2η+2gH）] （10）

式中： ω——缽體翻轉(zhuǎn)的角速度，rad/s。

由式（10）可得，缽體的最小翻滾角度

[φmin=ω2Hg] （11）

3.3 頂出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真及正交試驗(yàn)分析

3.3.1 仿真模型建立

利用SolidWorks軟件建立三維模型，在設(shè)計(jì)因素水平時(shí)，考慮秧苗盤搭載缽體因自身重力提前脫盤傾覆，經(jīng)前期臺(tái)架預(yù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得秧苗盤在與水平面角度為25°左右時(shí)未有明顯缽體抖落，且考慮頂針安裝時(shí)若角度過低將導(dǎo)致缽體頂出后的二維空間位移較小，無(wú)法落入后續(xù)接苗裝置。因此，調(diào)整頂針與缽體位置均相對(duì)于水平面為20°、25°和30°傾斜，頂針運(yùn)動(dòng)方向正對(duì)缽體底部中心無(wú)偏轉(zhuǎn)角，將裝配好的三維模型保存為.x_t格式，導(dǎo)入ADAMS仿真軟件中，如圖7所示。

3.3.2 定義特征與載荷

將簡(jiǎn)化的頂出機(jī)構(gòu)導(dǎo)入后，定義頂針材料為鋁合金，密度為2.74 g/cm3，泊松比為0.33，缽體以黏性土密度為標(biāo)準(zhǔn)即1 000 kg/m3，定義整個(gè)環(huán)境為理想狀態(tài)除重力外無(wú)其他力場(chǎng)干擾。實(shí)際頂出時(shí)缽體與秧苗盤穴孔沒有間隙，此仿真過程由于2個(gè)穴孔與前方水平板添加布爾操作可看作為一個(gè)物體，添加固定約束后不發(fā)生位移，缽體下落至填充微小間隙。模擬中僅為單獨(dú)兩支頂針并無(wú)配套動(dòng)力設(shè)備及頂針安裝構(gòu)件，前期預(yù)實(shí)驗(yàn)選用一莖兩葉期拋秧苗，測(cè)定缽體不散坨根部土壤不脫落時(shí)的頂出力為2 N，模擬試驗(yàn)時(shí)在每個(gè)偏轉(zhuǎn)角度下分別給兩個(gè)頂針一個(gè)沿其運(yùn)動(dòng)方向的1.5 N、2 N及2.5 N的作用力，在頂針與缽體間設(shè)置接觸力模擬接觸碰撞過程，頂針與缽體下端給予相應(yīng)的摩擦力，刺入深度設(shè)置為5 mm，其余各處根據(jù)實(shí)際情況添加相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副及約束。

3.3.3 仿真正交試驗(yàn)方案

由于電磁鐵單次通電時(shí)間為1 s，需頂針快速完成頂出收回動(dòng)作，因此以0.1 s時(shí)缽體位移為研究對(duì)象并導(dǎo)出數(shù)據(jù)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真正交試驗(yàn)，因素水平如表1所示。試驗(yàn)方案及仿真結(jié)果如表2所示，其中A、B為因素編碼值。

3.3.4 仿真試驗(yàn)方差分析

將頂出機(jī)構(gòu)參數(shù)導(dǎo)入模型，采集缽體頂出后1 s內(nèi)水平及豎直方向的位移，為拋秧裝置接苗及拋苗部分位置設(shè)定提供參考。采用綜合平衡法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知，在對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)缽體頂出的水平位移及豎直位移所允許的缽體頂出范圍內(nèi)越小越好，便于使得拋秧裝置結(jié)構(gòu)更加緊湊、提高頂出機(jī)構(gòu)與接苗機(jī)構(gòu)的配合程度及減輕裝置總體重量，因此較好的試驗(yàn)方案是[A2B1]，即頂針安裝角度為25°，頂出力設(shè)置為1.5 N時(shí)為最優(yōu)方案。

頂出機(jī)構(gòu)各參數(shù)已確定，分析頂針安裝角度及頂出力對(duì)缽苗被頂出后的水平位移及豎直位移的影響。為了探究各因素對(duì)缽體頂出的水平位移和豎直位移影響程度的大小關(guān)系，探究主要影響因素，對(duì)ADAMS頂出測(cè)試結(jié)果進(jìn)行方差分析，如表3所示。

由方差分析結(jié)果可知：各因素對(duì)缽體頂出二維空間位移的影響程度大小為B>A，可以判斷得出B對(duì)缽體頂出后的二維空間位移影響程度最大，其次是A。即頂針安裝角度對(duì)缽體頂出后的二維空間位移影響最為顯著。

3.4 缽體頂出模擬參數(shù)映射曲面分析

根據(jù)模擬仿真的試驗(yàn)結(jié)果，利用Origin軟件繪制各因素的帶投影3D顏色映射曲面圖分別如圖8和圖9所示。從圖8可以看出，隨著A的增加，水平位移先迅速減小后增加，隨著B的增加，水平位移逐漸增加且水平位移變化的幅度受A即安裝角度的影響較大。在A為25°，B為1.5 N左右時(shí)水平位移的值最小。從圖9可以看出，隨著A的增加，垂直位移先緩慢減小后迅速增加，隨著B的增加，垂直位移逐漸增加且增幅較圖8時(shí)較大，垂直位移變化的幅度受A即安裝角度的影響較大。在A為25°，B為1.5 N左右時(shí)垂直位移的值最小。

后續(xù)接苗裝置安裝位置受輸送機(jī)架預(yù)留位置及缽苗頂出位置影響，水平方向距缽苗頂出位置范圍為58～200 mm，豎直方向距頂出位置范圍為30～160 mm，該頂出距離可作為后續(xù)接苗機(jī)構(gòu)位置及尺寸設(shè)計(jì)參考。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證拋秧裝置輸送頂出的各項(xiàng)性能指標(biāo)，利用物理樣機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)材料：選取土壤模擬水稻缽體忽略水稻莖葉纏繞干擾問題，缽體平均質(zhì)量為10 g，1盤共425穴缽體、直尺、卷尺、秒表、測(cè)繩、攝像機(jī)。試驗(yàn)于2023年11月在佳木斯大學(xué)加工中心土槽試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)定帶傳動(dòng)間歇運(yùn)動(dòng)為10 mm/s，頂針頂出頻率為1次/s，頂針安裝角度為20°、25°和30°，頂出力設(shè)置為1.5 N、2 N和2.5 N，進(jìn)行土槽試驗(yàn)。觀察輸送機(jī)構(gòu)的輸送性能并記錄缽體頂出后橫向及豎直位移結(jié)果。進(jìn)行記錄時(shí)，采用直尺測(cè)量落點(diǎn)集中的缽體水平位移進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，豎直位移在預(yù)設(shè)定位置側(cè)方放置刻度板，對(duì)頂出過程進(jìn)行錄像截取幀數(shù)并對(duì)相應(yīng)時(shí)間內(nèi)缽體的豎直位移進(jìn)行記錄，并以輸送頂出機(jī)構(gòu)內(nèi)部空間設(shè)計(jì)及輸送機(jī)架預(yù)留后續(xù)接苗裝置的尺寸大小為設(shè)計(jì)依據(jù)，以缽體頂出后的水平位移和豎直位移作為田間試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。圖10為物理樣機(jī)在土槽中作業(yè)的情況。

4.2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

在土壤整地良好的地塊，通過將機(jī)載水稻拋秧裝置輸送頂出機(jī)構(gòu)搭載于土槽機(jī)上進(jìn)行輸送頂出試驗(yàn)，采用和仿真模擬相同的正交設(shè)計(jì)方案，最終測(cè)試頂出結(jié)果如表4所示。從極差大小可知，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響最大的因素是A，且取A2最好，因素B取B1最好，因此較好的試驗(yàn)方案仍是[A2B1]與仿真模擬得出的結(jié)論一致，即頂針安裝角度為25°，頂出力設(shè)置為1.5 N時(shí)為最優(yōu)方案。

為探究各因素對(duì)缽體頂出的水平位移和豎直位移影響程度的大小關(guān)系，探究主要影響因素，對(duì)頂出測(cè)試結(jié)果進(jìn)行方差分析，如表5所示。由方差分析結(jié)果可知：兩試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響均顯著，其影響程度大小為B>A，可以判斷因素B影響程度最大，其次是A，即頂針安裝角度對(duì)缽體頂出后的二維空間位移影響最為顯著，該方差分析結(jié)果與模擬試驗(yàn)結(jié)論一致。由實(shí)際試驗(yàn)可知，在頂出力為1.5 N，頂針安裝角度為25°時(shí)，缽體被頂出后的水平位移為147 mm，豎直方向位移為63 mm，該結(jié)果符合樣機(jī)預(yù)留空間設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，確定頂出機(jī)構(gòu)的頂針安裝角度與頂出力大小設(shè)置。

由模擬仿真及實(shí)際試驗(yàn)可知，隨著頂針安裝角度及頂出力設(shè)置的大小不同可對(duì)缽體脫盤后的二維空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)造成影響，仿真與實(shí)際試驗(yàn)在不同安裝角度及頂出力的二維平面位移對(duì)比如圖11所示，實(shí)際試驗(yàn)較模擬試驗(yàn)的變化趨勢(shì)基本一致，但實(shí)際試驗(yàn)的折線變化幅度較大，由于模擬試驗(yàn)的環(huán)境條件較為理想，而實(shí)際試驗(yàn)受外界力場(chǎng)、設(shè)備本身等問題使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化更加明顯。

5 結(jié)論

1） 對(duì)連續(xù)型機(jī)載水稻拋秧裝置輸送機(jī)構(gòu)的仿形架進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)定單組秧苗盤需4個(gè)仿形輸送機(jī)構(gòu)搭載；進(jìn)行仿真分析，得到仿形架最大位移變形量為0.6 mm，小于秧苗盤濾水孔直徑3 mm，可保證頂出機(jī)構(gòu)順利完成動(dòng)作。

2） 建立缽體被頂針頂出時(shí)的力學(xué)模型并進(jìn)行分析，計(jì)算出質(zhì)心到底面距離為9.71 mm，得出缽體最小翻滾角度與缽體翻滾的角速度及缽體下落的垂直距離的關(guān)系，得到當(dāng)頂針凸臺(tái)長(zhǎng)為5 mm時(shí)，可通過調(diào)節(jié)缽體中線與頂針頂出方向夾角來(lái)保證缽體脫盤過程中不發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

3） 對(duì)頂出機(jī)構(gòu)進(jìn)行ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得出仿真試驗(yàn)的最優(yōu)參數(shù)為頂針安裝角度25°，頂出力設(shè)置1.5 N。試驗(yàn)表明頂出機(jī)構(gòu)設(shè)置為頂針安裝角度25°，頂出力設(shè)置1.5 N時(shí)為最優(yōu)方案，其中頂針安裝角度的影響程度較大，試驗(yàn)滿足輸送頂出機(jī)構(gòu)內(nèi)部空間設(shè)計(jì)及輸送機(jī)架預(yù)留后續(xù)接苗裝置的尺寸大小，且仿真參數(shù)結(jié)論與實(shí)際試驗(yàn)參數(shù)結(jié)論一致。

4） 該輸送及頂出機(jī)構(gòu)輕量化后搭載于農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)進(jìn)行協(xié)同作業(yè)可大幅提高作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。實(shí)際應(yīng)用中可減少資源消耗同時(shí)保證種植質(zhì)量，利用先進(jìn)的遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)田間信息反饋，結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析進(jìn)行智能化水稻種植。

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