吳 畏，孫松林，肖名濤，李軍政

（湖南農(nóng)業(yè)大學 工學院，湖南 長沙 410128）

2ZY-1型壟高自適應(yīng)煙草移栽機為自走式，可實現(xiàn)膜上移栽和膜下移栽，適應(yīng)110cm的行寬，20～40cm的壟高.整機輕巧、轉(zhuǎn)彎靈活，特別適合湖南等南方煙區(qū)生產(chǎn)環(huán)境，對解決南方地區(qū)煙草機械化移栽過程中存在的技術(shù)難題具有重要意義.

該移栽機的栽植器為曲柄連桿式，利用ADAMS軟件建立了移栽機栽植器的模型，通過對該栽植器進行參數(shù)化建模和優(yōu)化分析，得出了曲柄連桿機構(gòu)的設(shè)計參數(shù)，通過試驗證明達到了性能指標要求.

1 整機結(jié)構(gòu)及栽植器的工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

2ZY-1型壟高自適應(yīng)煙草移栽機的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，由仿形導向輪、液壓升降機構(gòu)、吊杯栽植器、投苗轉(zhuǎn)盤、覆土鎮(zhèn)壓輪、液壓仿形調(diào)節(jié)機構(gòu)等組成.作業(yè)時，仿形導向輪緊壓壟壁，隨著壟側(cè)面形狀的變化對機器進行自動導向，駕駛員只需站在機器的一側(cè)將煙苗投入苗盤內(nèi)，由凸輪控制苗盤間歇轉(zhuǎn)動和內(nèi)舌開閉，配合鴨嘴栽植器上下往復(fù)運動完成落苗動作，栽植器下降過程完成打孔和栽植的動作；液壓仿形感應(yīng)板緊貼壟面，當壟面高度發(fā)生變化時，感應(yīng)板通過液壓調(diào)節(jié)閥和液壓缸，調(diào)節(jié)底盤的升降，保證煙苗栽植深度穩(wěn)定均勻；安裝在栽植器后面的V形覆土鎮(zhèn)壓輪將苗穴兩側(cè)的土壤覆蓋到煙苗莖部實現(xiàn)覆土和鎮(zhèn)壓，提高了煙苗移栽的立苗率.

1.2 栽植器工作原理

2ZY-1型煙草移栽機的栽植機構(gòu)屬于曲柄連桿型，主要由小曲柄、擺桿、大曲柄、連桿、搖桿、開啟拉板、鴨嘴等組成，如圖2所示.栽植器升降的范圍為0～180mm，在此范圍要求栽植器的運動與移栽機的運動同步，栽植器打開時的水平方向速度與移栽機前進速度大小相等、方向相反，保證投苗時水平方向速度為零，避免拖苗、帶苗和拖膜現(xiàn)象，同時鴨嘴在運動過程中始終與工作壟面垂直，保證栽植打孔的垂直度，提高立苗率［1－3］.

圖1 煙草移栽機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Sketch of small tobacco transplanter

圖2 曲柄連桿栽植器Fig.2 Planting mechanism with crank and connecting rod

2 栽植器的運動學分析

建立曲柄連桿栽植器的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示，并建立解析方程.

式中：l1為小曲柄長度；α1為小曲柄與x軸正方向的夾角.

圖3 栽植器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of Planting mechanism

式中：l2為擺桿短端長度l3為連桿長度；α2，α3分別為擺桿短端、連桿與x軸正方向的夾角.

式中：l4為大曲柄長度；α4為大區(qū)柄與x軸正方向夾角.

式中：lAE為擺桿長度；l6為鴨嘴支撐桿長度；α6為鴨嘴支撐桿與x軸正方向的夾角；l7為搖桿長度；α5為擺桿長端與x軸正方向的夾角.

式中：l8為鴨嘴支撐板長度；α8為鴨嘴支撐板與x軸正方向夾角.

根據(jù)以上方程，通過修改各桿件的長度、原始夾角等參數(shù)，并根據(jù)移栽性能要求，初步確定機構(gòu)的形狀和尺寸，并建立三維模型.

3 栽植器的參數(shù)化建模與優(yōu)化

將在Pro/E中建立的曲柄連桿栽植器三維模型導入到ADAMS中，給各零件增加材料屬性，在鴨嘴的頂點位置創(chuàng)建一個Marker點，并建立該Marker點水平方向速度大小的測量［4］.在相應(yīng)位置添加運動副和驅(qū)動力，驅(qū)動力包括2個曲柄的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，轉(zhuǎn)速為1r·s－1，機器前進為直線驅(qū)動，速度為500mm·s－1.在此條件下，滿足栽植機構(gòu)移栽1株·s－1煙苗且株距為500mm的要求.運行一個時間為0.5s，步長大小0.01的運動仿真，得到Marker點在最低點時水平方向的分速度為－177mm·s－1，不符合煙草移栽機工作時零速投苗的作業(yè)要求.由于從Pro/E導入進ADAMS中的零件不能參數(shù)化，也就不能進行相應(yīng)的優(yōu)化分析，將通過在ADAMS中創(chuàng)建相應(yīng)的設(shè)計點和設(shè)計變量后對該栽植器進行參數(shù)化，進而實現(xiàn)對移栽器的優(yōu)化.

3.1 栽植器的參數(shù)化建模

在原有機構(gòu)的基礎(chǔ)上，在各零件的鉸接點創(chuàng)建11個原始設(shè)計點，并定義大曲柄的旋轉(zhuǎn)中心D位于ADAMS全局坐標系的坐標原點.把栽植器處于最高點時的位置作為運動仿真的起始位置，此時大曲柄與連桿重合，小曲柄的位置方向與大曲柄相差180°.創(chuàng)建的設(shè)計變量及范圍，各設(shè)計點的坐標值或參數(shù)化表達式見表1.

表1 設(shè)計點的坐標及參數(shù)化表達式Tab.1 Coordination and parametric expression of designed point

在ADAMS中用link連接各個設(shè)計點，并在相應(yīng)位置添加約束副和驅(qū)動，創(chuàng)建的參數(shù)化模型如圖4所示.

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

3.2.1 設(shè)計變量的確定

利用ADAMS對各個設(shè)計變量進行研究發(fā)現(xiàn)，大曲柄和小曲柄的長度對栽植軌跡以及栽植深度有著重要的影響；連桿的長度對栽植軌跡和深度有一定影響；擺桿的長度對移栽時鴨嘴的垂直度及鴨嘴到達最低點時的速度影響不大，但對栽植軌跡有一定影響；搖桿的長度對移栽時鴨嘴的垂直度及鴨嘴到達最低點時的速度影響較大，隨著長度的增加，垂直度減小，到達最低點時的速度增大；大曲柄與x軸正方向的夾角對移栽時的垂直度有較大影響，隨著該夾角的增大，移栽的垂直度增加，對鴨嘴到達最低點時的速度影響不大；搖桿與x軸正方向的夾角對移栽深度和垂直度有一定影響，對移栽軌跡和鴨嘴到達最低點時的速度影響不大.

圖4 栽植器參數(shù)化模型Fig.4 Parametric model of planting mechanism

綜合上述分析，以大曲柄、小曲柄、連桿以及搖桿的長度，大曲柄與x軸正方向的夾角作為該栽植器模型的設(shè)計變量，即

3.2.2 建立約束條件

ADAMS中每個約束條件均創(chuàng)建一個不等式或關(guān)系式準則，優(yōu)化方法是要盡可能使得所有約束條件值小于或等于零.因此，條件值為正值代表設(shè)計不可行，而負值或零代表設(shè)計可行.要滿足約束條件值為零，則可創(chuàng)建2個相反的測量函數(shù).

在鴨嘴的最低點（H點）選擇一個Marker點（Marker＿12）并建立該 Marker點在水平方向速度分量的函數(shù)測量FUNCTION＿MEA＿M12＿VX和FUNCTION＿MEA＿M12＿FVX，這2個測量的函數(shù)表達式分別為：VX（Marker＿12）和－VX（Marker＿12）.以這2個互為相反數(shù)的測量函數(shù)建立2個約束條件，當滿足這2個約束條件時，即可滿足栽植器在最低點投苗時水平速度為零.

3.2.3 確定目標函數(shù)及優(yōu)化

栽植器工作時，除了要滿足零速投苗的條件外，鴨嘴的運動過程應(yīng)始終保持與工作壟面基本垂直.

同理，在Marker＿12點建立該Marker點相對于ADAMS全局坐標系中z軸旋轉(zhuǎn)的角度測量函數(shù)FUNCTION＿MEA＿M12＿AZ，函數(shù)表達式為：57.3＊ABS（AZ（MARKER＿12）），優(yōu)化時以該函數(shù)表達式運動過程中的平均值最小為優(yōu)化目標，運行一個時間為0.5s，步長大小0.01的運動仿真，優(yōu)化運算在30次時發(fā)生迭代，此時鴨嘴在最低點時的速度為0.18mm·s－1，如圖5所示，基本實現(xiàn)了移栽時的零速投苗.

優(yōu)化后各設(shè)計變量的值分別為：大曲柄l4＝45mm，小曲柄l1＝30mm，連桿l3＝120mm以及搖桿的長度l7＝310mm，大曲柄與x軸正方向的夾角α4＝165°，優(yōu)化目標的值為4.2°，初始狀態(tài)的值為13.4°，優(yōu)化結(jié)果較明顯.圖6為優(yōu)化后鴨嘴在0.5s的運動過程中的角度變化情況，從圖可以看出曲線大部分都處于5°以下，基本保證了移栽時鴨嘴的垂直度.

圖5 鴨嘴最低點的速度曲線Fig.5 Velocity curve of duck-mouth lowest point

圖6 鴨嘴最低點的角度變化曲線Fig.6 Angle changing curve of duck-mouth lowest point

4 樣機試驗

樣機研制出來之后，通過選擇不同水分條件、煙苗類型、旋耕、起壟高度的農(nóng)田，先后在湖南農(nóng)業(yè)大學土槽、油菜試驗田、中南煙草站煙草基地進行了多次移栽試驗，每次試驗移栽120株煙苗，每組試驗重復(fù)3次，測定煙苗處于自然生長狀態(tài)下的物理特性參數(shù).依據(jù)煙苗的直立度用苗體與地面的夾角，即栽植傾角θ來劃分，θ﹥70°為優(yōu)良；θ﹥45°為合格；θ≤45°為倒伏.并用倒伏率、直立度合格率和直立度優(yōu)良率來評價煙苗直立度.

表2 樣機栽植試驗Tab.2 Model machine transplanting test %

通過樣機試驗，移栽效果得到中南煙草站相關(guān)技術(shù)人員以及周邊農(nóng)戶的肯定，此后在寧鄉(xiāng)煙草基地為煙農(nóng)示范移栽3畝（1畝＝666.6m2）煙苗（1 200株·畝－1），并測取整機移栽性能參數(shù)，見表3.

表3 整機移栽性能參數(shù)Tab.3 Transplanting performance parameters of whole machine

5 結(jié)論

（1）建立了曲柄連桿栽植器的運動學模型，通過聯(lián)立各方程，可求解各質(zhì)點的位移、速度以及加速度，初步確定機構(gòu)的形狀和尺寸.

（2）利用ADAMS進行參數(shù)優(yōu)化，當各設(shè)計變量的值分別為：大曲柄l4＝45mm，小曲柄l1＝30mm，連桿l3＝120mm以及搖桿的長度l7＝310mm，大曲柄與x軸正方向的夾角α4＝165°時，優(yōu)化目標的平均值最小為4.2°，基本保證了移栽時鴨嘴的垂直度，此時鴨嘴在最低點時的速度為0.18mm·s－1，實現(xiàn)了煙苗移栽時的零速垂直投苗.

（3）通過試驗，整機移栽效果優(yōu)于設(shè)計要求.

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