王德權(quán)，杜傳印，薦世春，徐高偉，何騰飛

（1.261205 山東省 濰坊市 山東濰坊煙草有限公司；2.250100 山東省 濟(jì)南市 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院；3.250357 山東省 濟(jì)南市 山東交通學(xué)院汽車工程學(xué)院）

0 引言

裝井窖式煙草移栽技術(shù)是由貴州省銅仁式煙草公司提出的一種煙草移栽新技術(shù)[1-4]。它利用井窖可保溫、保濕的功能，在煙草種植的大壟上形成一直徑在6～8 cm、深度在18～20 cm、穴距離為50 cm 的圓形井窖中，將煙草缽苗栽入其中，栽植后澆水、噴藥和施肥同時進(jìn)行地膜覆蓋，以提高煙草的生產(chǎn)周期和品質(zhì)，增加煙草種植的經(jīng)濟(jì)效益[5-6]。

目前,市面上井窖式煙草移栽農(nóng)藝相配套的作業(yè)裝備主要有手持式井窖成穴裝置和間歇成穴式煙草移栽裝備。手持式煙草成穴裝置[7]由人工作業(yè)，動力源為小汽油機(jī)，由人工背負(fù)，與汽油機(jī)連接以柔性軸，柔性軸的末端為圓柱形成穴器，成穴器由汽油機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)動的同時通過人工按入地壟中成穴；間歇成穴式煙草移栽裝備[8-11]由動力底盤搭載成穴裝置在田間進(jìn)行行走作業(yè)，動力底盤為間歇式移動，當(dāng)?shù)妆P移動至成穴位置時停止移動，此時成穴裝置的成穴器轉(zhuǎn)動，并豎直向下移動，形成穴口。以上兩種裝備中，手持式作業(yè)裝備的勞動強(qiáng)度最大，效率最低；間歇式作業(yè)裝備由于動力底盤要不斷停止和移動，作業(yè)效率仍很低，同時還會產(chǎn)生停止和移動的速度沖擊，降低機(jī)具的可靠性。

針對以上情況，本文結(jié)合井窖式煙草移栽的農(nóng)藝要求，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一種集井窖成穴、移栽、注水為一體的多功能復(fù)式作業(yè)煙草移栽機(jī)降低井窖式煙草移栽的勞動強(qiáng)度，提高井窖式煙草作業(yè)效率和質(zhì)量。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

井窖式煙草移栽機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。主要由投苗裝置、成穴移栽注水裝置、苗架、地輪、座椅、水箱和自走式底盤組成。機(jī)具主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

圖1 井窖式煙草移栽機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural drawing of cellar tobacco transplanter

表1 機(jī)具主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of the machine

1.2 工作原理

工作時由人工將煙草缽苗置于投苗裝置的苗杯中，投苗裝置的動力由換向器上的鏈輪進(jìn)入，通過換向器傳遞至苗杯驅(qū)動盤、驅(qū)動盤驅(qū)動苗杯在苗杯移動架上運(yùn)動，當(dāng)運(yùn)動到指定位置時苗杯的下蓋打開，煙草缽苗落入栽植器中。

煙草缽苗落入栽植器后，成穴移栽注水裝置在動力的驅(qū)動下工作，成穴器安裝在平行四桿機(jī)構(gòu)前端的換向器上，隨著曲柄的轉(zhuǎn)動，通過鏈傳動將動力傳遞給成穴器，成穴器隨成穴移栽注水裝置的平行四桿機(jī)構(gòu)工作位置發(fā)生改變的同時自身也在轉(zhuǎn)動；栽植器和注水裝置一體焊接在平行四桿機(jī)構(gòu)連桿的后端，隨著平行四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動而運(yùn)動。成穴移栽注水裝置隨著自走式底盤前進(jìn)而進(jìn)行連續(xù)作業(yè)，連續(xù)成穴、栽植和注水。

自走式底盤由發(fā)動機(jī)提供動力，通過傳動裝置傳遞給后輪，由后輪驅(qū)動底盤前進(jìn)。水箱與注水裝置連接，通過注水裝置實(shí)現(xiàn)間歇注水。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 成穴移栽注水機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

成穴移栽注水裝置由成穴器、栽植器、注水裝置、換向器、曲柄、連桿、鏈輪和鏈條組成。裝置的二曲柄、連桿、機(jī)架以及同時驅(qū)動二曲柄的鏈傳動組成了平行四桿機(jī)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 成穴移栽注水裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of water injection device for transplanting into hole

機(jī)構(gòu)簡圖如圖3 所示，由平行四桿機(jī)構(gòu)OABC、井窖式成穴器EF、栽植與注水一體裝置GH組成。曲柄AB和OC帶動井窖式成穴器EF和鴨嘴栽植器、注水裝置GH完成成穴、移栽和注水工作。

圖3 機(jī)構(gòu)簡圖Fig.3 Mechanism diagram

2.1.1 運(yùn)動學(xué)模型

以O(shè)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平方向?yàn)閤軸、豎直方向?yàn)閥軸建立直角坐標(biāo)系，如圖4 所示。

圖4 運(yùn)動學(xué)模型Fig.4 Kinematic model

A點(diǎn)的位移方程為

B點(diǎn)的位移方程為

C點(diǎn)的位移方程為

對式（4）和式（5）求1 階導(dǎo)數(shù)和2 階導(dǎo)數(shù)，即可得點(diǎn)F和點(diǎn)G的速度和加速度方程。

2.1.2 人機(jī)交互可視化輔助分析與參數(shù)優(yōu)化軟件

在上述建立的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，運(yùn)用MATLAB 編寫四桿式煙草移栽機(jī)構(gòu)人機(jī)交互可視化輔助界面與參數(shù)優(yōu)化軟件，如圖5 所示。

圖5 人機(jī)交互可視化輔助界面Fig.5 Visual assistant interface of human computer interaction

2.1.3 機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

（1）優(yōu)化目標(biāo)

煙草移栽深度為180～200 mm，株距為500 mm，穴口直徑為60～80 mm，為滿足煙草移栽的農(nóng)藝要求，其絕對軌跡應(yīng)滿足以下條件：①其絕對運(yùn)動軌跡最低點(diǎn)與壟面線的垂直距離h1，即移栽深度為180～200 mm；②成穴器在移栽過程中與壟面線的夾角β1盡量接近90°；③成穴器所成穴口直徑l在60～80 mm 之間。

（2）參數(shù)優(yōu)化過程與結(jié)果

①機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，初定參數(shù)各初始值，獲得參數(shù)初始工作軌跡和目標(biāo)值。

②根據(jù)移栽深度和絕對軌跡行程的優(yōu)化目標(biāo)，調(diào)整機(jī)構(gòu)各參數(shù)，不斷調(diào)整上述各參數(shù)值，使各個目標(biāo)值逐步符合優(yōu)化目標(biāo)要求。

③根據(jù)其余的優(yōu)化目標(biāo)，微調(diào)機(jī)構(gòu)各參數(shù)，使各個目標(biāo)值逐步符合其余優(yōu)化目標(biāo)要求。

根據(jù)以上步驟，通過人機(jī)交互方式確定1 組較優(yōu)的參數(shù)：l1=420 mm，l2=160 mm，l3=160 mm，l4=420 mm，θ1=θ2=40°，θ3=θ4=90°。

2.2 栽植器設(shè)計(jì)

鴨嘴栽植器主要由上部機(jī)座裝配、栽植器右裝配、栽植器左裝配、銷軸、六方軸、彈簧和連接銷組成，如圖6 所示。

圖6 鴨嘴栽植器結(jié)構(gòu)組成Fig.6 Structural composition of duck-billed planter

根據(jù)煙草缽苗植株形態(tài)確定煙草栽植器鴨嘴總長度為160 mm、鴨嘴打開寬度為55 mm，拉筋拉動的距離決定了鴨嘴打開的寬度。鴨嘴栽植器開閉的理論簡圖如圖7 所示。

圖7 鴨嘴開閉理論簡圖Fig.7 Theoretical sketch of duckbill opening and closing

根據(jù)上述理論簡圖建立栽植器的理論模型，在圖7（b）中根據(jù)幾何關(guān)系，△PCL ∽△EAG，可得：

式中：ld——EG長度，mm；lm——AG長度，mm；le——CD長度，mm；lf——PC長度，mm。

結(jié)合上述已知條件，求得lm=5.2 mm，lm取5 mm。

煙草栽植器在打開過程中的要求是左、右栽植器同步打開。為實(shí)現(xiàn)上述要求，在右側(cè)栽植器上加工一延長孔，在左栽植器固聯(lián)一銷軸與延長孔配合，如圖8 所示。當(dāng)拉動左側(cè)栽植器時，銷軸轉(zhuǎn)動，相對于延長孔的位置發(fā)生變化，繼而驅(qū)動右側(cè)栽植器轉(zhuǎn)動，滿足了左、右鴨嘴同時打開的要求。因此，延長孔的長度和位置決定了左側(cè)和右側(cè)栽植器同時打開的最大寬度。

圖8 栽植器關(guān)閉和打開時銷軸在延長孔中的位置變化Fig.8 Position of pin shaft in extension hole when duckbill opens and closes

當(dāng)鴨嘴閉合時，銷軸應(yīng)與延長孔的右半圓完全重合；當(dāng)鴨嘴打開時，銷軸應(yīng)與延長孔的左側(cè)半圓完全重合。根據(jù)圖8（b）中的幾何關(guān)系可得，左、右鴨嘴同時開閉的條件為：在鴨嘴開閉的過程中，線段GO始終與線段OB相等。根據(jù)式10可求出GO與OB的長度為54 mm，延長孔總長度為7 mm，左、右半圓半徑為3 mm。

3 樣機(jī)試驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果試制樣機(jī)并進(jìn)行田間試驗(yàn)，如圖9(a)所示。試驗(yàn)采用漂浮育苗法培育的煙草缽苗作為試驗(yàn)秧苗，移栽機(jī)作業(yè)速度為0.25 m/s，按照我國旱地移栽機(jī)械作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JB/T10291-2013）進(jìn)行，每次重復(fù)試驗(yàn)移栽200 株煙草缽苗，重復(fù)3 次。試驗(yàn)效果如圖9（b）所示。

圖9 田間試驗(yàn)Fig.9 Field experiment

田間試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 主要移栽性能測量數(shù)據(jù)Tab.2 Measurement data of main transplanting performance

表2 為主要移栽性能測量數(shù)據(jù)，移栽性能滿足旱地移栽機(jī)械作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的性能指標(biāo)，株距變異系數(shù)平均值為7.1%，是由于機(jī)器作業(yè)速度發(fā)生波動而引起；栽植深度合格率平均值為94.6%，究其原因是移栽試驗(yàn)田地形起伏以及起壟高度誤差造成。試驗(yàn)結(jié)果滿足井窖式煙草移栽的農(nóng)藝要求。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)井窖式煙草移栽的農(nóng)藝要求設(shè)計(jì)井窖式煙草移栽機(jī)整機(jī)，對其結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行闡述；對關(guān)鍵部件成穴移栽注水機(jī)構(gòu)和栽植器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，建立其數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上獲取其最佳參數(shù)組合。

（2）研制井窖式煙草移栽機(jī)樣機(jī)并進(jìn)行了田間試驗(yàn)，田間試驗(yàn)結(jié)果表明：株距變異系數(shù)為7.1%，栽植深度合格率為94.6%，滿足井窖式煙草移栽的農(nóng)藝要求和作業(yè)質(zhì)量要求。