肖名濤 肖仕雄 陳 斌 孫松林 熊 力

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410128; 2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備工程技術(shù)研究中心， 長(zhǎng)沙 410128)

0 引言

油菜種植過程包括耕整地、育苗、移栽、收割等多個(gè)環(huán)節(jié)，其成本高、收益低。采用機(jī)械化淺耕直播種植油菜的方法，作業(yè)簡(jiǎn)單，綜合收益比較高，已成為主要的種植方法。在南方冬油菜主產(chǎn)區(qū)，由于溫光條件好，復(fù)種指數(shù)高，多采用秧田育秧、適齡期移栽種植并配合機(jī)械化插秧的方法。在南方大部分雙季稻區(qū)均可實(shí)現(xiàn)稻-稻-油三熟種植。移栽種植油菜能實(shí)現(xiàn)糧油種植整體收益最大化，具有廣闊的市場(chǎng)環(huán)境[1-3]。

油菜的種植密度大，平均20萬(wàn)株/hm2以上，密植油菜分蘗少，植株不易交叉纏繞，適合機(jī)械化收割。油菜喜水怕漬，冬油菜在晚稻收割后種植，其種植方法與水稻種植差異很大。水稻種植在水田中，泥漿阻力小，幼苗可在無保護(hù)情況下高速栽插；而油菜種植需要整理廂面，開溝排水，打穴孔后移栽，移栽阻力大，栽植器與栽植裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)高速移栽種植[4-6]。

目前，用于旱地作物移栽的機(jī)械很多，如意大利Ferrari公司FPC覆膜移栽一體化全自動(dòng)移栽機(jī)，日本井關(guān)PVHR2-E18移栽機(jī)，中國(guó)南通富來威農(nóng)業(yè)裝備有限公司的2ZQ-4型半自動(dòng)油菜移栽機(jī)等。根據(jù)移栽機(jī)栽植器的結(jié)構(gòu)可以分為鏈夾式移栽機(jī)、吊杯式移栽機(jī)和導(dǎo)苗管式移栽機(jī)等[7-9]。鏈夾式移栽機(jī)采用循環(huán)式鏈夾，實(shí)現(xiàn)接苗、送苗、栽苗一體化作業(yè)，效率高，但南方水田土壤含水率高、粘性強(qiáng)，苗夾易堵塞，鏈夾式栽植器對(duì)投苗的準(zhǔn)確性要求特別高，難以適合自動(dòng)化作業(yè)。吊杯式移栽機(jī)采用往復(fù)式或循環(huán)式驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，其中，往復(fù)式移栽機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕，但其效率低，高速運(yùn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)大。循環(huán)式驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大，循環(huán)轉(zhuǎn)盤直徑大，難以適應(yīng)南方水田小田塊的作業(yè)環(huán)境。導(dǎo)苗管式移栽機(jī)依靠幼苗重力移栽，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，配合高效的移栽機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)高速高效作業(yè)。本文在導(dǎo)苗管式移栽機(jī)的基礎(chǔ)上，配合廂面開溝槽和多桿式水平推苗裝置，在導(dǎo)苗下落末端采用水平推苗的方式實(shí)現(xiàn)移栽。

1 機(jī)構(gòu)原理與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

1.1 結(jié)構(gòu)原理

油菜缽苗開溝槽水平推苗栽植機(jī)構(gòu)主要由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置、曲柄、連桿、搖桿、推苗板及開溝器等組成，如圖1所示。曲柄2、連桿9和搖桿3組成一套曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，在動(dòng)力裝置的驅(qū)動(dòng)作用下，搖桿3按照一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律左右擺動(dòng)。搖桿3、搖桿4和連桿8組成一套平行四邊形機(jī)構(gòu)，在連桿9的作用下，搖桿3和搖桿4的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，連桿8在平行四邊形機(jī)構(gòu)的作用下，做水平和垂直平移運(yùn)動(dòng)。搖桿3、連桿10和搖桿1組成一套雙搖桿機(jī)構(gòu)，此時(shí)搖桿3為主動(dòng)搖桿，搖桿1為從動(dòng)搖桿。在連桿10的延長(zhǎng)線上連接有推苗板。連桿8、10、6和推苗板組成另一套平行四邊形機(jī)構(gòu)。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置和搖桿1、3、4通過銷軸安裝在開溝護(hù)板上。

1.2 工作原理

在推苗初始位置，曲柄與連桿重疊，推苗板位于初始位置，當(dāng)曲柄繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，將推苗板從初始位置逐步推出；當(dāng)曲柄、連桿共線而不重疊時(shí)，推苗板處于推苗終了位置。由于曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用是使得擺桿3產(chǎn)生左右擺動(dòng)，在第1套平行四邊形機(jī)構(gòu)的作用下，連桿8的主要運(yùn)動(dòng)為水平平移運(yùn)動(dòng)。雙搖桿機(jī)構(gòu)的作用是通過控制連桿10的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，控制第2套平行四邊形機(jī)構(gòu)在垂直方向上抵消第一套平行四邊形機(jī)構(gòu)的位移，進(jìn)而控制推苗板在推苗的過程中以水平運(yùn)動(dòng)為主，在水平運(yùn)動(dòng)過程中僅產(chǎn)生微量的垂直運(yùn)動(dòng)，從而保證推苗移栽質(zhì)量，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 移栽機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Transplant mechanism structure diagram1、3、4.搖桿 2.曲柄 5.開溝護(hù)板 6、8、9、10.連桿 7.推苗板 11.電機(jī)

1.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

根據(jù)結(jié)構(gòu)圖繪制油菜缽苗開溝槽水平推苗移栽機(jī)構(gòu)的模型圖，如圖3所示。詳細(xì)模型圖如圖4、5所示。

圖3 雙平行多桿式栽植機(jī)構(gòu)模型Fig.3 Model diagram of parallel multi-bar planting mechanism

圖4 機(jī)構(gòu)OABC模型Fig.4 Diagram of mechanism OABC

圖5 機(jī)構(gòu)CFJK模型Fig.5 Diagram of mechanism CFJK

1.4 位移方程求解

根據(jù)圖3～5，建立模型的矢量方程

lOA+lAB=lOC+lCB

(1)

lCF+lJF=lCK+lJK

(2)

將方程(1)轉(zhuǎn)化為解析形式，求解A、B點(diǎn)的動(dòng)態(tài)坐標(biāo)(xA,yA)、(xB,yB)，即

(3)

式中α1——曲柄OA與x軸的初始夾角

l1——曲柄OA的長(zhǎng)度

(xO,yO)——原點(diǎn)坐標(biāo)

(4)

式中α2——連桿AB與x軸的夾角

α3——搖桿BC與x軸的夾角

l2——連桿AB的長(zhǎng)度

l3——搖桿BC的長(zhǎng)度

方程(4)兩端平方后消除α2得

(5)

設(shè)AC連線與x軸的夾角為β，則

tanβ=(yA-yC)/(xA-xC)

(6)

將式(4)、(6)化簡(jiǎn)后，可得

(7)

因?yàn)棣?-β為三角形ABC的內(nèi)角，所以α3-β在0～π之間。β、α3-β、α3可求解。

通過式(4)可求解α2。

因?yàn)镃FJK組成了一套雙搖桿機(jī)構(gòu)。其主動(dòng)搖桿為第一套曲柄連桿機(jī)構(gòu)的搖桿BC，從動(dòng)搖桿為搖桿JK，由于F點(diǎn)位于搖桿BC的延長(zhǎng)線上，因此

(8)

式中l(wèi)4——搖桿BF的長(zhǎng)度

(9)

式中l(wèi)6——搖桿JK的長(zhǎng)度

l7——連桿FJ的長(zhǎng)度

α4——FJ與x軸的夾角

α5——搖桿JK與x軸的初始角

方程(9)兩端平方后消除α4得

2l6[(xK-xF)cosα5+(yK-yF)sinα5]=0

(10)

設(shè)CK連線與x軸的夾角為γ，則

tanγ=(yC-yK)/(xC-xK)

(11)

將式(9)、(11)化簡(jiǎn)后，可得

(12)

因?yàn)棣?-γ為三角形KJF的內(nèi)角，所以α5-γ在0～π之間。γ、α5-γ、α5可求解。

通過式(9)得到tanα4=(yJ-yF)/(xJ-xF)，α4可求解。

因?yàn)镃DEF組成一套平行四邊形機(jī)構(gòu)，E點(diǎn)與F點(diǎn)具有同樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，故

(13)

式中l(wèi)9——連桿EF的長(zhǎng)度

因點(diǎn)H在桿JF的延長(zhǎng)線上，F(xiàn)EGH組成另一套平行四邊形機(jī)構(gòu)。因此H、G點(diǎn)的坐標(biāo)方程分別為

(14)

式中l(wèi)8——連桿FH的長(zhǎng)度

(15)

式中l(wèi)11——連桿GH的長(zhǎng)度

根據(jù)位移方程，可求解各點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過編寫圖形程序，可顯示各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，求解框圖如圖6所示。

圖6 程序求解框圖Fig.6 Program solution diagram

2 栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

根據(jù)移栽農(nóng)藝要求，油菜缽苗移栽質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)主要包括直立度、栽深一致性系數(shù)、傷苗率、行株距均勻性系數(shù)等[10]。在機(jī)械化垂直移栽時(shí)，由于機(jī)械勻速行駛，而整個(gè)栽植過程需要消耗一定的時(shí)間，因此，為了保證在整個(gè)油菜缽苗與土壤接觸到完成移栽的整個(gè)時(shí)間段里，油菜缽苗相對(duì)于地面做垂直栽插運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)“零速”移栽，需要設(shè)計(jì)專用的栽植機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在機(jī)械不停駛的條件下“零速”移栽[11-14]。同時(shí)對(duì)于垂直移栽的移栽機(jī)構(gòu)，還需要保證栽植機(jī)構(gòu)中的栽植器在插入和退出廂面土壤的栽植深度時(shí)都垂直于地面，提高移栽幼苗直立度效果，圖7所示為一種垂直式移栽機(jī)的栽植軌跡[15-16]。

圖7 垂直式油菜移栽機(jī)栽植器運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.7 Motion trajectory of vertical rapeseed transplanter

對(duì)于水平移栽，由于油菜缽苗已經(jīng)被投放在植苗溝槽中，無垂直栽插的過程，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律主要是使水平推苗的運(yùn)動(dòng)與機(jī)械前進(jìn)的運(yùn)動(dòng)抵消，實(shí)現(xiàn)在水平方向上的“零速”移栽，其理想的運(yùn)動(dòng)規(guī)律特征是栽植裝置在推苗栽植的過程中，栽植裝置相對(duì)地面為“零速”，由于水平栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡在水平方向上重疊，難以分析其運(yùn)動(dòng)過程。為了軌跡分析的需要，將機(jī)械在前進(jìn)方向上行駛的位移(或?qū)?yīng)的行駛時(shí)間)設(shè)為x軸，將栽植裝置的行駛位移設(shè)為y軸，其理想的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖8所示[17-19]。

圖8 水平式移栽的理想運(yùn)動(dòng)曲線Fig.8 Ideal motion curve for horizontal transplant

水平式移栽主要具有3個(gè)特點(diǎn)：①在圖8中對(duì)應(yīng)的時(shí)間tx內(nèi)(tx的長(zhǎng)度與油菜缽苗缽體直徑對(duì)應(yīng)的移栽機(jī)行駛時(shí)間相關(guān))，推苗板相對(duì)地面靜止，即隨著機(jī)械向前行駛，而栽植裝置相對(duì)地面不運(yùn)動(dòng)，如圖8所示。②圖8的t1時(shí)間段是栽植機(jī)構(gòu)的推苗行程，t2時(shí)間段是栽植機(jī)構(gòu)的返回行程。③線段2對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，表面栽植裝置相對(duì)地面“零速”運(yùn)動(dòng)的時(shí)間越長(zhǎng)，栽植裝置對(duì)栽植啟停位置的敏感性越低。圖8表示的僅僅是完全理想的移栽曲線，在栽植機(jī)構(gòu)優(yōu)選過程中，最關(guān)鍵的指標(biāo)是在tx時(shí)間段內(nèi)，d的增量越小越好，而且，對(duì)于移栽直立度要求高的作物，d對(duì)應(yīng)的增量越小越好，對(duì)于移栽直立度要求不高的作物，d對(duì)應(yīng)的增量可以稍微增大。同時(shí)，對(duì)應(yīng)移栽質(zhì)量的穩(wěn)定性，滿足“零速”移栽的條件所對(duì)應(yīng)的時(shí)間tx越長(zhǎng)，說明栽植機(jī)構(gòu)在栽苗的過程中與油菜缽苗相對(duì)“零速”接觸的時(shí)間越長(zhǎng)，越有利于幼苗的生長(zhǎng)。

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真與數(shù)據(jù)優(yōu)選

為了分析栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡是否滿足理想運(yùn)動(dòng)特性的要求，針對(duì)栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程，設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)仿真程序?；贛atlab矩陣運(yùn)算、數(shù)據(jù)求解、算法優(yōu)化以及Gui的圖形編程等功能，采用Matlab的Gui編寫程序，可實(shí)現(xiàn)圖形界面的運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)選[20-23]。

3.1 基于Matlab的優(yōu)選模型

圖9為基于Matlab的油菜缽苗開溝槽水平推苗移栽機(jī)構(gòu)仿真程序的動(dòng)軌跡模擬圖，并編寫了基于圖形界面的計(jì)算機(jī)仿真程序，仿真程序界面如圖9所示。包括數(shù)據(jù)輸出區(qū)(Ⅰ)、命令欄區(qū)(Ⅱ)、數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)(Ⅲ)。

圖9 基于Matlab的圖形編程界面Fig.9 Graphics programming interface based on Matlab

3.2 優(yōu)選依據(jù)

基于油菜移栽密度大，栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)速度快，以目前高速移栽機(jī)平均每秒栽植兩株(120株/min)為目標(biāo)，移栽密度為20萬(wàn)株/hm2(20株/m2)，行距200 mm，株距250 mm為關(guān)鍵參數(shù)。以育苗32 d的油菜缽苗為基本依據(jù)，其關(guān)鍵尺寸參數(shù)為：缽苗的高度小于12 cm，缽苗的葉冠直徑35 mm，缽苗缽體直徑15 mm，開溝槽寬度25 mm。為了保證油菜缽苗從栽植機(jī)構(gòu)中順利栽出，栽植機(jī)構(gòu)需要滿足如下特征：

(1)在推苗移栽過程中，推苗板伸出護(hù)溝板的最小距離能保證缽苗缽體與覆土區(qū)土壤接觸，且不小于缽苗缽體直徑，實(shí)測(cè)空間不小于20 mm。

(2)推苗裝置的極限回退行程對(duì)應(yīng)的空間，能滿足1株幼苗直立，護(hù)溝板末端具有安裝防倒伏毛刷空間，實(shí)測(cè)空間不小于50 mm。

(3)受護(hù)溝板長(zhǎng)度影響，栽植機(jī)構(gòu)的最大橫向長(zhǎng)度不大于300 mm，高度不小于160 mm，不大于200 mm。

(4)為了設(shè)計(jì)、加工、計(jì)算方便，優(yōu)選數(shù)值取整數(shù)值。

3.3 機(jī)構(gòu)優(yōu)選參數(shù)

機(jī)構(gòu)的優(yōu)選參數(shù)主要包括固定點(diǎn)安裝位置、桿件長(zhǎng)度等指標(biāo)。

根據(jù)圖8的理想栽植曲線，通過Matlab的Gui程序，改變不同的移栽機(jī)構(gòu)參數(shù)，觀察移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)軌跡特征與理想栽植曲線的相似度，優(yōu)選移栽機(jī)構(gòu)的各種參數(shù)，其中以O(shè)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，坐標(biāo)系如圖3所示，C、D、K點(diǎn)的坐標(biāo)分別是(45，20)、(85，20)、(-35，20)。桿件長(zhǎng)度l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8、l9、l10、l11分別為11.2、38、40、60、100、40、100、100、40 100、40 mm。

3.4 優(yōu)選方案特點(diǎn)

根據(jù)上述優(yōu)選方案，通過Matlab運(yùn)動(dòng)仿真，輸出機(jī)構(gòu)的動(dòng)軌跡與靜軌跡圖形，其動(dòng)軌跡如圖10所示。

圖10 優(yōu)選后的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性圖Fig.10 Motion characteristics of mechanism after optimization

其主要特征為當(dāng)Δt≤0.2 s，推苗板運(yùn)動(dòng)距離d的變化量Δd不大于1 mm，可以近似認(rèn)為在推苗行程中有0.2 s時(shí)間，推苗板相對(duì)于地面“零速運(yùn)動(dòng)”，其行程占整個(gè)推苗行程的80%，遠(yuǎn)大于推苗過程中幼苗與土壤的接觸時(shí)間，有利于提高移栽質(zhì)量。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)行程中，其靜軌跡在y軸上的最大偏差Δd1小于0.35 mm。相對(duì)于機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)來說，其靜軌跡接近一條直線，說明栽植裝置在水平推苗移栽過程中幾乎無垂直運(yùn)動(dòng)，也有利于提高移栽質(zhì)量。

4 試驗(yàn)與分析

4.1 試驗(yàn)裝置

圖11 軌跡測(cè)試過程Fig.11 Trajectory test process1.推苗板 2.傳感器 3.計(jì)算機(jī) 4.數(shù)傳模塊

為了驗(yàn)證移栽機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，進(jìn)行了移栽機(jī)構(gòu)動(dòng)軌跡與靜軌跡的驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖11所示，在推苗板的頂部安裝傳感器，通過數(shù)傳模塊將數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)，得到油菜缽苗開溝槽水平推苗移栽機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)動(dòng)的動(dòng)軌跡與靜軌跡參數(shù)，通過疊加運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)后其圖形如圖12所示。

4.2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

針對(duì)移栽性能關(guān)鍵指標(biāo)，設(shè)計(jì)在相同速度條件下的軌跡驗(yàn)證試驗(yàn)和不同速度條件下的軌跡驗(yàn)證試驗(yàn)。

試驗(yàn)設(shè)備包括：室內(nèi)土槽(寬0.6 m、長(zhǎng)4 m)。試驗(yàn)小車：行駛速度0～0.6 m/s(無級(jí)可調(diào))，栽植機(jī)構(gòu)可調(diào)節(jié)升降高度0.25 m，運(yùn)行時(shí)機(jī)架振動(dòng)最大振幅不超過0.1 mm，具有限位自動(dòng)停車裝置和急停裝置；JY901-9型軸姿態(tài)角度傳感器，加速度3 維，角速度3 維，角度3 維；Thinkpad P50計(jì)算機(jī)，Windows 7操作系統(tǒng)，上位機(jī)軟件MiniIMU；秒表(準(zhǔn)確度0.01 s)。

圖12 相同速度條件下的試驗(yàn)軌跡Fig.12 Test tracks at same speed

4.2.1相同速度條件下的軌跡驗(yàn)證試驗(yàn)

推苗板相對(duì)于地面的動(dòng)軌跡曲線主要體現(xiàn)在水平方向上的位移變化，推苗板相對(duì)機(jī)械的靜軌跡曲線主要體現(xiàn)在垂直方向上的位移變化，為此，需要測(cè)試實(shí)際在水平方向上的動(dòng)軌跡曲線和垂直方向上的靜軌跡曲線是否與理論設(shè)計(jì)相符合。

(1)小車車速確定方法：調(diào)節(jié)小車行駛速度，測(cè)試小車行駛2 m所用的時(shí)間，將小車行駛時(shí)間控制在(5±0.1) s的范圍內(nèi)，連續(xù)測(cè)試3次，記錄車速為0.4 m/s。

(2)移栽機(jī)構(gòu)推苗頻率的確定方法：調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)曲柄的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，記錄曲柄推苗20次所用的時(shí)間，將所用時(shí)間控制在(5±0.1) s的范圍內(nèi)，連續(xù)測(cè)試3次，記錄移栽推苗頻率為2 Hz。

(3)試驗(yàn)數(shù)據(jù)零點(diǎn)確認(rèn)方法：由于機(jī)械在不停運(yùn)動(dòng)，無法像仿真一樣直接賦初值確定開始條件，要準(zhǔn)確知道每次取值的初值很難，只能根據(jù)所測(cè)的數(shù)據(jù)，預(yù)估初值。當(dāng)測(cè)量在連續(xù)10步長(zhǎng)范圍內(nèi)，平移位移變化很小時(shí)，確定為開始移栽推苗的始點(diǎn)。為了分析方便，對(duì)應(yīng)動(dòng)態(tài)軌跡，在水平位移的基礎(chǔ)上通過增加理論垂直位移進(jìn)行修正，得到修正后的動(dòng)軌跡曲線，如圖12a所示。

從圖12a分析得知，3條實(shí)際動(dòng)軌跡曲線和理論軌跡曲線的線條形狀相似，可認(rèn)為實(shí)際動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)規(guī)律與理論設(shè)計(jì)比較符合，同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)，4條數(shù)據(jù)線并不重合，主要是因?yàn)?，測(cè)試的數(shù)據(jù)片段是整個(gè)移栽過程中的片段，要找到對(duì)應(yīng)的原點(diǎn)位置很難，由于取值精度的問題，出現(xiàn)了一定的偏差，另外，在試驗(yàn)裝置的土槽上，由于導(dǎo)桿是由兩段拼接而成，行駛過程中有輕微的沖擊，導(dǎo)致數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生輕微的變化。從圖12b分析得知，在靜軌跡測(cè)試試驗(yàn)中，由于整機(jī)不在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，因此，可消除由于試驗(yàn)小車行駛產(chǎn)生的誤差，因而數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性更好。同時(shí)，由于栽植機(jī)構(gòu)與整機(jī)都在水平面運(yùn)動(dòng)，因此，靜軌跡以移栽頻率重復(fù)出現(xiàn)，因此也比較容易選中初值。在垂直方向上的實(shí)際靜軌跡曲線與理論曲線非常相似，可認(rèn)為實(shí)際靜軌跡運(yùn)動(dòng)規(guī)律與理論設(shè)計(jì)相符合。

4.2.2不同速度條件下的動(dòng)軌跡驗(yàn)證試驗(yàn)

為了探索移栽機(jī)構(gòu)在偏離實(shí)際行駛速度后，移栽機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程，設(shè)計(jì)了不同速度條件下的動(dòng)軌跡驗(yàn)證試驗(yàn)。尋找移栽機(jī)構(gòu)在移栽機(jī)械行駛速度變化過程中的軌跡變形特征，探索移栽機(jī)構(gòu)與作業(yè)速度的敏感關(guān)系。

小車車速確定方法、移栽機(jī)構(gòu)推苗頻率的確定方法、試驗(yàn)數(shù)據(jù)零點(diǎn)確認(rèn)方法與相同速度條件下的軌跡驗(yàn)證試驗(yàn)方法相同。

采用固定移栽機(jī)構(gòu)推苗頻率，進(jìn)行小車行駛速度的單因素試驗(yàn)。移栽機(jī)構(gòu)的推苗頻率為2 Hz，移栽速度分別為0.3、0.35、0.45、0.5、0.55、0.6 m/s 6個(gè)水平，0.4 m/s為理論移栽速度，以仿真數(shù)據(jù)替代，試驗(yàn)每次進(jìn)行3組，試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨著移栽行駛速度的降低，很難找到一段Δt對(duì)應(yīng)的小增量Δd，說明降低移栽速度，會(huì)使得移栽質(zhì)量變差。在移栽行駛速度提高至0.55 m/s時(shí)，在大于0.1 s的Δt范圍內(nèi)，Δd的增量變化很小，與理論的效果曲線十分接近。當(dāng)移栽速度提高至0.6 m/s后，很難找到一段Δt對(duì)應(yīng)的小增量Δd。試驗(yàn)結(jié)果表明，移栽機(jī)構(gòu)的動(dòng)軌跡變化對(duì)速度降低十分敏感，對(duì)速度提高不太敏感，實(shí)際行駛速度在理論速度上增加37.5%后，移栽規(guī)律無明顯變化。

圖13 實(shí)測(cè)動(dòng)軌跡曲線Fig.13 Measured dynamic trajectory curves

4.2.3植苗試驗(yàn)

以仿真優(yōu)選結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)應(yīng)的理論株距(即行駛速度與移栽頻率的比值為0.2)開展移栽合格率試驗(yàn)。如移栽速度為0.4 m/s，則對(duì)應(yīng)的移栽頻率為2 Hz，移栽速度為0.6 m/s，移栽頻率對(duì)應(yīng)為3 Hz，分別測(cè)試1、1.5、2、2.5、3 Hz的栽苗情況，每次測(cè)試10株，統(tǒng)計(jì)合格率。試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。

圖14 植苗合格率變化曲線Fig.14 Changing curve of seedling qualification rate

由圖14分析可知，隨著移栽頻率的提高，栽植合格率急劇下降，當(dāng)超過2.5 Hz后，栽植合格率為零，主要表現(xiàn)在，移栽裝置接苗的準(zhǔn)確性變差，幼苗無法準(zhǔn)落入移栽機(jī)構(gòu)，完成植苗。在栽植頻率為1 Hz時(shí)合格率為100%，植苗頻率在1.5 Hz時(shí)合格率為90%。

綜上分析，試驗(yàn)小車行駛速度在0.4～0.6 m/s，栽植機(jī)構(gòu)循環(huán)頻率在1.0～1.5 Hz，移載株距0.2～0.3 m，移栽深度0.04～0.06 m時(shí)，水平推苗栽植合格率不低于90%。

4.3 對(duì)比分析

目前主流的移栽機(jī)，雖然各栽植機(jī)構(gòu)的移栽速度不一樣，但由于移栽密度的影響，其移栽效率比較接近，集中在0.1～0.28 hm2/h之間。各移栽機(jī)構(gòu)對(duì)幼苗的損傷小于8%，其中撓性圓盤式的最低，在1%～3%之間。吊杯式移栽機(jī)和撓性圓盤式移栽機(jī)由于位置空間大小問題不適合密植移栽。鏈夾式、吊杯式、撓性圓盤式移栽機(jī)對(duì)輸送苗的要求高，較難應(yīng)用在全自動(dòng)化移栽場(chǎng)合。鏈夾式和撓性圓盤式移栽機(jī)對(duì)幼苗類型適應(yīng)性比較好，導(dǎo)苗管式和吊杯式移栽機(jī)只適合移栽缽苗。

綜上分析，本文研制的開溝槽水平推苗栽植機(jī)構(gòu)其特征為在導(dǎo)苗管式移栽機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)置了特殊的推苗機(jī)構(gòu)，其工作原理及特性與導(dǎo)苗管式移栽機(jī)具有相似性。其關(guān)鍵特征是通過設(shè)置推苗機(jī)構(gòu)，能夠適應(yīng)南方油菜種植的粘性土壤環(huán)境。

5 結(jié)論

(1)移栽機(jī)構(gòu)的位移特征使水平推苗移栽的運(yùn)動(dòng)軌跡在水平方向上重疊，為了便于直觀分析其曲線軌跡，在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的垂直方向上需加權(quán)行駛速度。機(jī)構(gòu)仿真圖形隨著栽植循環(huán)而重復(fù)出現(xiàn)，但機(jī)構(gòu)仿真圖形不能形成閉合圖形。

(2)根據(jù)農(nóng)藝要求，通過Matlab仿真分析可以直觀地優(yōu)選結(jié)構(gòu)參數(shù)，即使在相同的農(nóng)藝要求情況下，也可以優(yōu)選出多組不同參數(shù)的桿件。

(3)通過建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并設(shè)計(jì)基于Matlab的仿真計(jì)算程序，可準(zhǔn)確表達(dá)栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征。

(4)栽植試驗(yàn)表明，試驗(yàn)小車行駛速度在0.4～0.6 m/s，栽植機(jī)構(gòu)循環(huán)頻率在1.0～1.5 Hz，移載株距在0.2～0.3 m，移栽深度0.04～0.06 m時(shí)，水平推苗栽植合格率不低于90%。

(5)隨著移栽頻率提高，輸送苗的準(zhǔn)確性變差，影響了栽植質(zhì)量。為了進(jìn)一步提高移栽效率和速度，應(yīng)開發(fā)基于水平移栽的高速精準(zhǔn)輸送苗裝置。