萬霖，汪春，車剛，馮金龍，張吉軍

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319）

蔬菜移栽機分插機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及運動特性分析

萬霖，汪春，車剛，馮金龍，張吉軍

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319）

基于水稻插秧機的基礎(chǔ)上改進的小型蔬菜移栽機，移栽的核心工作部件是采用曲柄搖桿的后插式分插機構(gòu)，其性能決定移栽質(zhì)量，通過理論分析，建立曲柄搖桿分插機構(gòu)的運動模型，模擬了相對運動軌跡和絕對運動軌跡。運動VB軟件獲得運動軌跡，并進行參數(shù)優(yōu)化，獲得取苗角=13.2°，推苗角=68.08°，兩角差值=55.50°。絕對運動軌跡高度達到300 mm，滿足蔬菜移栽農(nóng)藝要求，為蔬菜移栽設(shè)計提供理論依據(jù)。

蔬菜移栽機；分插機構(gòu)；運動特性；軌跡

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展、農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、市場經(jīng)濟的確立、人民生活水平的不斷提高，蔬菜生產(chǎn)迅猛發(fā)展，已成為中國農(nóng)業(yè)及農(nóng)村經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)[1-2]。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，2009年蔬菜種植面積2072.11萬hm2，其中設(shè)施蔬菜種植491.35萬hm2。移栽是蔬菜生產(chǎn)過程中重要環(huán)節(jié)之一，具有對氣候的補償作用和使作物生育提早的綜合效益，可以充分利用光熱資源，其經(jīng)濟效益和社會效益均非?？捎^，要求其配套機械不斷的改進，發(fā)展機械化栽植是設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢[3-6]。

基于水稻插秧機的基礎(chǔ)上改進的小型蔬菜移栽機移栽的核心工作部件是后插式分插機構(gòu)，后插式分插機構(gòu)是改進的蔬菜移栽機的核心工作部件，其性能的好壞決定移栽質(zhì)量、工作可靠，其參數(shù)的選擇既要滿足運動軌跡，又要保證旱地栽植的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，滿足栽植臂部不產(chǎn)生運動干涉的要求[7]。通過模擬絕對運動軌跡優(yōu)化較佳的設(shè)計參數(shù)，確定最優(yōu)值[8-12]。

1 分插機構(gòu)運動模型的建立

蔬菜移栽機的核心工作部件是后插式分插機構(gòu)，即分插機構(gòu)的夾持缽苗指向和插秧機的前進方向相反如1示意圖。該機構(gòu)采用是曲柄搖桿機構(gòu)，其機構(gòu)運動簡圖及位置分析如圖2，曲柄搖桿式分插機構(gòu)適用步行蔬菜移栽機，通過改變曲柄搖桿式分插

機構(gòu)的搖桿鉸鏈點相對曲柄轉(zhuǎn)動中心位置，形成不同軌跡，改變連桿上P點位置和角度引起軌跡的變化規(guī)律，其等效于改變了搖桿鉸鏈點D的相對位置。

圖1 移栽方式示意圖Fig.1Diagram of transplanting methods

圖2 曲柄連桿機構(gòu)位置分析Fig.2Analysis of crank position

1.1 曲柄原動件的復(fù)數(shù)和矩陣數(shù)學(xué)模型建立

如圖3所示，在復(fù)數(shù)坐標(biāo)中，曲柄的復(fù)數(shù)和矩陣數(shù)學(xué)模型的建立AB復(fù)向量的模rj為常數(shù)、幅角θj為變量，通過轉(zhuǎn)動副A與機架連接，轉(zhuǎn)動副A的復(fù)向量的模ri為常量、幅角θi為常量，曲柄AB端點B位移、速度、加速度推導(dǎo)如下：

圖3 曲柄復(fù)數(shù)坐標(biāo)Fig.3Coordinates of crank complex

方程（1）對時間t求導(dǎo)得：

方程（2）對時間t求導(dǎo)得：

由（3）寫出矩陣形式有

1.2 桿組的復(fù)數(shù)和矩陣數(shù)學(xué)模型的建立

圖4 桿組的復(fù)數(shù)坐標(biāo)Fig.4Complex coordinates of bar group

桿組的復(fù)數(shù)坐標(biāo)系中，由三個轉(zhuǎn)動副（B，C，D）和兩個構(gòu)件（ri，rj）組成，即為RRRⅡ級桿組。構(gòu)件的幅角θi和θj是變量，C點的加速度推導(dǎo)如下：

方程（5）整理后對時間t求導(dǎo)，寫成矩陣形式：

2 蔬菜移栽機運動軌跡分析

如圖1所示，步行式移栽機屬于后插式作業(yè)，核心工作部件——曲柄搖桿式分插機構(gòu)來展開，取苗器固定在連桿（栽植臂）上，取苗器的運動軌跡為連桿運動曲線的一種特定形式。當(dāng)曲柄按一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，搖桿擺動，固定在連桿上的取苗器按封閉曲線運動，完成取苗和移苗動作，不需要控制機構(gòu)控制軌跡，結(jié)構(gòu)簡單，運動平穩(wěn)，摩擦阻力小，但取苗器的行程受限制，行程過大每分鐘移栽的次數(shù)不能提高，所以應(yīng)用在步行移栽機，前進的速度慢，不會影響移栽質(zhì)量。

分插機構(gòu)運動軌跡指的是相對運動軌跡和絕對運動軌跡。相對運動軌跡是指移栽機在水平方向沒

有位移時分插機構(gòu)上的夾持部分尖點形成的運動軌跡；絕對運動軌跡指移栽機按照實際工作要求水平前進時分插機構(gòu)上夾持部分尖點形成的軌跡。

2.1 構(gòu)建軌跡設(shè)想

（1）考慮缽苗的高度的要求，從苗盤上取下缽苗至最低的距離，機構(gòu)要有實現(xiàn)的可能；

（2）取苗器進入缽苗群處（叫入簾），相對取苗器尖點的軌跡走向要與缽苗軸向成銳角（一般5°～20°）；

（3）取苗段的軌跡走向應(yīng)盡量與苗簾平行，而分苗方向要垂直，減少切削阻力；

（4）取苗深度要滿足缽苗的缽塊高度，一般為35～50 mm；

（5）基本上與地面垂直向下運苗，接近垂直式分苗；

（6）取苗器進行下移返回，要求不碰到剛移栽的缽苗；

（7）回程間隙保證機器正常運轉(zhuǎn)不碰到苗群。

2.2 相對運動軌跡（靜軌跡）分析

相對運動軌跡根據(jù)分苗—運苗—移栽—回程各段的要求而定，作為設(shè)計機構(gòu)的依據(jù)，并判定分苗、運苗、回程段的合理性如圖5，這些軌跡最根本的原因是其運動時產(chǎn)生的非勻速傳動運動，可以通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)的方式獲得“海豚形”曲線。

圖5 相對運動軌跡和絕對運動軌跡Fig.5Simulation of relative motion path and absolute motion path

2.3 絕對運動軌跡（動軌跡）分析

為保證移栽質(zhì)量必須對絕對運動軌跡進行分析，用于理論上檢驗移栽段和回程段軌跡是否能適應(yīng)給定的株距范圍，作為靜軌跡評價和修改的依據(jù)如圖。

絕對運動軌跡是機車前進速度形成的，即速度比：

令機車的前進速度：Vm；

取苗器尖點的絕對運動速度：V，其水平運動方向速度Vx和垂直運動方向速度Vy，對各個階段運動加以分析：

（1）在取苗點前的某小段軌跡要求λ≥1。工作時苗箱與機車的行走速度一致，如果出現(xiàn)λ＜1，則會出現(xiàn)取不上缽苗的情況。

（2）送苗過程，對這一階段栽植臂的軌跡無特殊要求。

（3）回轉(zhuǎn)過程，要求λ＜0且｜λ｜＞1，目的是避免推倒缽苗。

（4）避讓過程，要求λ＜0且｜λ｜≥1。一般取λ=-1，尖點的水平絕對速度為0，只有垂直向上的運動，高度由缽苗的高度決定，以不傷苗為準(zhǔn)。可以避免隨機車向前運動時把已移栽好的缽苗碰傷。

（5）為了避免傷苗，在回轉(zhuǎn)過程和避讓過程段中尖點的絕對水平分速度Vx一直小于機車的前進速度Vm，只有當(dāng)Vx＞Vm時才能趕上秧門并進行下一周期的取苗、移栽。

從分插機構(gòu)栽植臂的絕對運動軌跡可以看出，各階段其運動方向和大小各不相同，做變速運動，才能獲得滿足農(nóng)藝要求的移栽軌跡。

3 仿真分析

利用VB建立可視化界面，在計算機調(diào)整設(shè)計參數(shù)，確定可行方案，再經(jīng)過必要的分析，進一步評定優(yōu)劣，選取合理方案。

3.1 絕對運動模擬

絕對運動模擬模塊的功能是模擬栽植機在田間的實際工作情況。在水平前進速度的作用下栽植機構(gòu)形成絕對運動軌跡，從絕對運動軌跡上可以分析取苗穴口的大小、投苗位置等，如圖6所示。

圖6 優(yōu)化前的絕對運動軌跡Fig.6Path of absolute motion

圖7 優(yōu)化后的絕對運動軌跡Fig.7Path of optimized absolute motion

在改變株距時，應(yīng)用該組參數(shù)設(shè)計的分插機構(gòu)在實際的工作過程中會發(fā)生壓苗現(xiàn)象，所以要修改參數(shù)。導(dǎo)致壓苗現(xiàn)象的原因是取苗器尖點靜軌跡過于前傾，所以要減小初始角度。經(jīng)過優(yōu)化后得到如圖7所示的絕對運動軌跡?？梢钥闯觯?jīng)過優(yōu)化后的軌跡不會產(chǎn)生壓苗現(xiàn)象。同時，計算得取苗角=13.2°，推苗角=68.08°，兩角差值=55.50°。絕對運動軌跡高度達到300 mm，可以同時滿足蔬菜缽苗移栽要求。

在以上輔助設(shè)計優(yōu)化過程中，要始終注意取苗角、推苗角的大小。以保證移栽后缽苗的直立度。

4 結(jié)論與討論

（1）平面連桿機構(gòu)運動分析與設(shè)計問題，采用復(fù)矢量法分析法，建立矩陣方程，為采用計算機設(shè)計程序提供依據(jù)，使得原本復(fù)雜的計算變得容易。

（2）對分插機構(gòu)上栽植臂尖點的相對運動軌跡和絕對運動軌跡進行分析，分析了海豚形運動軌跡的生成過程。

（3）利用VB軟件，分析分插機構(gòu)的運動協(xié)調(diào)。分插機構(gòu)在工作條件下，取苗位置合理。理論推苗角為70°，基本吻合，推苗滿足理論設(shè)計要求。推苗時間為0.019 S。推苗結(jié)束后，缽苗在重力作用下，缽苗與水平線之間的夾角在80°～90°之間變化，可以保證機械插秧時秧苗直立的農(nóng)藝要求。

（4）理論分析和虛擬技術(shù)相結(jié)合，已滿足要求，但實際生產(chǎn)過程中諸多因素的影響，如蔬菜缽苗大小、蔬菜根部結(jié)構(gòu)、切割力的大小需要進一步驗證。

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Study on Structural Parameter Optimization and Motion Characteristics Analysis of Transplanting Mechanism

Wan Lin，Wang Chun，Che Gang，F(xiàn)eng Jinlong，Zhang Jijun
（College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

To improve small vegetable transplanter on the basic of rice transplanter，the core component of transplanting used crank rocker of plug transplanting mechanism，and the performance decided transplanting quality.Based on the theory analysis，the paper built motion model of crank and rocker transplanting mechanism and simulated the relative motion path and absolute motion path. The software VB got trajectory，optimized parameter and obtained seedling angle 13.2°，and pushed seedlings angle 68.08°and corners difference 55.50°.The height of absolute trajectory was 300 mm to meet the agricultural requirement of vegetable transplanting and provide the theory basis for vegetable transplanting design.

vegetable transplanter；transplanting mechanism；motion characteristics；trajectory

266.6

A

1002-2090（2015）02-0083-04

10.3969/j.issn.1002-2090.2015.02.019

2013-12-18

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目（12521366）。

萬霖（1971-），女，教授，碩士研究生導(dǎo)師，現(xiàn)主要從事農(nóng)業(yè)機械設(shè)計及理論方面的教學(xué)與研究工作。