顏 華 劉 沖 李鵬斌 陳榮文 周海燕 莊騰飛

(1.中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院集團有限公司, 北京 100083; 2.農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)全國重點實驗室, 北京 100083;3.現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司, 北京 100083; 4.廣西合浦縣惠來寶機械制造有限公司, 合浦 536100)

0 引言

育苗移栽由于可以有效縮短作物生長周期、彌補季節(jié)和氣候帶來的不利影響,被廣泛應(yīng)用在蔬菜種植環(huán)節(jié)[1]。目前,我國蔬菜種植以半自動移栽機為主[2]。栽植裝置作為半自動蔬菜移栽機最核心的工作部件,其結(jié)構(gòu)和性能直接決定栽植質(zhì)量。現(xiàn)有的蔬菜移栽機栽植裝置主要有吊杯式、鴨嘴式、撓性圓盤式、鉗夾式、鏈夾式等[3-12]。鴨嘴式栽植裝置采用打孔的方式進行栽植,栽植適應(yīng)性強,既可用于露地移栽,也可進行膜上移栽;鴨嘴式栽植裝置常采用多連桿機構(gòu)或行星齒輪機構(gòu)等,設(shè)計空間比較大,結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)的調(diào)整可以使栽植裝置實現(xiàn)不同的栽植靜軌跡,滿足不同作物的栽植要求[13-15]。

國內(nèi)外學者針對不同種類的蔬菜種植特點設(shè)計了多種鴨嘴栽植裝置。久保田IKP-4型蔬菜移栽機采用行星輪式鴨嘴栽植裝置,栽植株距為400～950 mm,但隨著實際栽植株距增大,膜上栽植穴口尺寸會增大。井關(guān)PVHR2型移栽機采用雙曲柄多連桿鴨嘴栽植裝置,栽植株距為300～600 mm,栽植株距為300 mm時栽植穴口尺寸較小。李鵬斌等[16]在井關(guān)PVHR2型移栽機鴨嘴栽植裝置基礎(chǔ)上優(yōu)化桿件尺寸,優(yōu)化后栽植株距為150 mm時地膜連接長度由58.9 mm增至83.7 mm。廖慶喜等[17]提出了一種針對油菜的雙五桿鴨嘴栽植裝置,栽植株距為300 mm時入土軌跡與出土軌跡具有較高垂直度和重合度,接近零速栽植。胡飛等[18]提出一種復合曲柄搖桿式鴨嘴栽植裝置,該裝置在設(shè)定株距為260 mm和300 mm時栽植合格率均在90%以上,株距變異系數(shù)最大為6.35%,穴口平均長度為10.44 cm。胡建平等[19-20]提出了一款行星輪轉(zhuǎn)臂式鴨嘴栽植裝置,在不改變栽植靜軌跡的情況下,使用Matlab優(yōu)化得到一組滿足280、310、345 mm 3種株距的結(jié)構(gòu)參數(shù)。俞高紅等[21]提出了針對大株距的行星輪系鴨嘴栽植裝置,栽植裝置采用兩個鴨嘴栽植器提高栽植效率,栽植株距為450 mm左右時,栽植效果最佳。

一套鴨嘴栽植裝置的栽植靜軌跡多為固定不變的,膜上移栽時,只有在栽植裝置的設(shè)計株距附近才能滿足小穴口栽植要求。栽植株距過大會使栽植器前行撕膜,過小會導致栽植器后移帶膜,株距的大范圍調(diào)整增加了膜上移栽過程中的擾動,在地膜上形成大的穴口,株距為100 mm時穴口過大甚至會產(chǎn)生貫通現(xiàn)象,使地膜失去保溫、保墑的功效[22-23]。這就使一臺移栽機只能滿足一定株距范圍內(nèi)蔬菜的種植。而蔬菜種類繁多,不同作物甚至同一類作物在不同地區(qū)的栽植株距要求不同,當目標栽植株距與設(shè)定的栽植株距有較大偏差時,會影響栽植質(zhì)量[24]。本文通過開展栽植機構(gòu)研究,設(shè)計可以滿足不同株距較小栽植穴口要求的鴨嘴栽植裝置和調(diào)整栽植靜軌跡的方法,以保證不同株距時的栽植質(zhì)量。

1 栽植機構(gòu)設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

蔬菜移栽機栽植靜軌跡無級可調(diào)的鴨嘴栽植裝置的主要功能是在不同栽植株距時均能順利接住缽苗,并將其栽植入土。由于現(xiàn)有移栽機在調(diào)整實際栽植株距時主要采用調(diào)整移栽機行駛速度與栽植頻率比值的方法,且鴨嘴式栽植裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)在完成設(shè)計后就不能改變,因此會加大鴨嘴栽植時水平分速度與移栽機行駛速度的偏差。圖1為一套鴨嘴栽植裝置在栽植頻率為60株/(行·min)時只改變移栽機行駛速度的栽植軌跡變化情況,從圖中可以看出,該鴨嘴在目標栽植株距為300 mm時,壟面線以下軌跡較為垂直,擾動較小,軌跡穴口尺寸最小,但實際株距為100 mm和500 mm時,栽植軌跡的穴口尺寸均大于50 mm。這就要求栽植株距改變較大時,需要改變行駛速度和栽植頻率比值與栽植靜軌跡相結(jié)合。

圖1 栽植軌跡隨行駛速度變化示意圖

栽植軌跡設(shè)計要求:為了在不同栽植株距的情況下,都能保證幼苗與地面盡可能接近90°,栽植穴口尺寸盡可能小;要求栽植靜軌跡可調(diào)以保證不同株距下形成較小栽植穴口;且調(diào)整前后栽植器在進行入土栽植和完成栽植離開時的運動軌跡應(yīng)盡量重合并垂直于地面,因此,栽植軌跡最下端應(yīng)有不少于100 mm長度且前后偏移量不超過20 mm,盡可能實現(xiàn)“零速”栽苗;不同栽植株距時栽植軌跡最高點位置盡量保持不變以保證接苗位置相同,且豎直方向速度盡可能小,以保證接苗穩(wěn)定性。

栽植器狀態(tài)要求:在整個栽植過程中,栽植器應(yīng)盡可能保持豎直狀態(tài)。鴨嘴栽植器盡量在入土最深位置迅速打開,栽植后,鴨嘴應(yīng)在完全高于栽植缽苗后閉合,防止夾苗,造成缺苗露苗,防止向前帶苗,造成前傾。鴨嘴開度能根據(jù)不同蔬菜品種的幼苗尺寸要求進行調(diào)整。

1.2 機構(gòu)選型與工作原理

根據(jù)鴨嘴栽植機構(gòu)的設(shè)計要求,鴨嘴在平面按照既定的栽植軌跡運動以實現(xiàn)“零速”栽苗,鴨嘴實現(xiàn)“接苗-送苗-栽植-回程”的循環(huán)運動可以被分解為鴨嘴在水平方向和豎直方向的運動,栽植的“零速”投苗實質(zhì)上就是鴨嘴從入土到完成栽植離開土面的過程中,鴨嘴的水平分速度與移栽機的行駛速度大小相等、方向相反。

為保證鴨嘴在栽植過程中始終保持豎直,并且滿足固定幅度的豎直方向的運動,鴨嘴往往會安裝在平行四邊形機構(gòu)的一端, 并可以在工作時隨著平行四邊形機構(gòu)的擺動而進行豎直方向的運動,且運動過程中鴨嘴姿態(tài)不發(fā)生變化。因此,本機構(gòu)中也選用平行四邊形機構(gòu)與鴨嘴直接相連。

鴨嘴栽植機構(gòu)往往還需要一個機構(gòu)帶動平行四邊形機構(gòu)上下運動實現(xiàn)豎直方向的運動,需要另一個機構(gòu)驅(qū)動平行四邊形機構(gòu)實現(xiàn)水平方向的運動,兩個機構(gòu)相輔相成,共同驅(qū)動平行四邊形機構(gòu)帶動栽植器完成栽植。例如,何亞凱等[25]設(shè)計的凸輪擺桿栽植機構(gòu)采用曲柄連桿機構(gòu)驅(qū)動栽植器實現(xiàn)豎直方向運動,采用凸輪機構(gòu)驅(qū)動栽植器實現(xiàn)水平方向運動。

栽植株距調(diào)整后需要使栽植靜軌跡進行相應(yīng)調(diào)整,即部分結(jié)構(gòu)參數(shù)可以進行快速調(diào)整,以滿足栽植軌跡小穴口的要求。

改變栽植靜軌跡的方法有:改變構(gòu)件的尺寸參數(shù);改變安裝點的位置參數(shù)。目的是改變平行四邊形機構(gòu)在水平方向的相對運動速度,使其與行駛速度相同或相近。

通過以上分析,本文選用曲柄導桿機構(gòu)驅(qū)動平行四邊形機構(gòu)實現(xiàn)栽植功能。如圖2所示,曲柄導桿機構(gòu)由曲柄OA、導桿AC和支點B構(gòu)成,旋轉(zhuǎn)中心點O和支點B均固定在機架上。導桿AC和支點B連接處有兩個運動副,分別是轉(zhuǎn)動副和滑動副,一方面導桿AC可以沿著支點B上下滑動,一方面導桿AC還可以以支點B為圓心旋轉(zhuǎn)。

圖2 曲柄導桿機構(gòu)運動示意圖

曲柄導桿機構(gòu)的自由度為1。因此,曲柄導桿機構(gòu)在運動時,只需要在點O設(shè)置一個動力源,驅(qū)動曲柄OA繞點O旋轉(zhuǎn),導桿端點C處便會形成唯一的運動軌跡。

在整個運動周期中,曲柄OA與導桿AC垂直瞬間,導桿AC相對于支點B只有平移,曲柄OA與導桿AC共線瞬間,導桿相對于支點B只有轉(zhuǎn)動,且此時導桿AC對于支點B的動力臂為AB、阻力臂為BC。

由以上分析發(fā)現(xiàn),當曲柄OA的長度和旋轉(zhuǎn)角速度不變時,改變支點B的位置,動力臂和阻力臂的長度就會改變,此時導桿AC的C端的水平運動位移和速度均會隨之改變。如圖2所示,當支點處于靠近O的B1位置時,端點C的運動軌跡為“扁豆型”,此時端點C的水平位移較大,水平速度也較大,適合驅(qū)動平行四桿機構(gòu)進行大株距的栽植;當支點處于遠離O的B2位置時,端點C的運動軌跡為“鴨蛋型”,此時端點C的水平位移較小,水平速度也較小,適合驅(qū)動平行四桿機構(gòu)進行小株距的栽植,并且端點C在以上兩個位置的豎直方向位移和接苗位置均相同,便于布置分苗裝置的位置。因此,該機構(gòu)可以通過調(diào)節(jié)固定支點B的位置,驅(qū)動平行四桿機構(gòu)實現(xiàn)無級調(diào)整栽植靜軌跡,以滿足不同株距栽植穴口較小的要求。

由于曲柄導桿機構(gòu)的端點C的自由度為零,所以平行四邊形機構(gòu)的固定端需要被給予水平方向的自由度,綜上最終確定的鴨嘴栽植機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。鴨嘴栽植機構(gòu)的自由度為1。

圖3 鴨嘴栽植機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

鴨嘴栽植機構(gòu)具有唯一的自由度,即在每個支點B的位置,曲柄OA可以驅(qū)動鴨嘴形成唯一的運動軌跡,滿足設(shè)計要求。

其中,點O為固定在機架上的動力輸入點,點B為可以調(diào)節(jié)位置的支點,點D為桿DI的端點,桿DI相對于機架滑動,點I和點J為焊接點,點A、C、E、F、G、H為栽植機構(gòu)鉸接點,點K為栽植器上一點,點M為栽植點。

2 數(shù)學模型構(gòu)建

2.1 運動學模型建立

為了便于分析,選擇曲柄OA旋轉(zhuǎn)中心點O為坐標原點建立笛卡爾平面直角坐標系,取向左為機組前進方向,速度為v,為了實現(xiàn)“零速栽植”,需要保證栽植器入土作業(yè)時在水平方向的分速度與機組前進方向相反,因此規(guī)定OA桿順時針旋轉(zhuǎn)。以機組前進方向為x軸負方向,豎直向上為y軸正方向,選取x軸正方向為桿件角位移的基準,逆時針方向為正。

令時間t=0時,曲柄OA與x軸正方向重合φ,為t時桿OA旋轉(zhuǎn)角度,則

φ=-ωt

(1)

式中ω——曲柄OA的角速度,rad/s

點A位移方程為

(2)

式中L1——曲柄OA長度,mm

設(shè)點B坐標為(xB,yB),有

(3)

式中Φ1——桿AC與x軸正方向夾角,(°)

聯(lián)立式(1)～(3)得

(4)

點C位移方程為

(5)

式中L2——導桿AC長度,mm

設(shè)點O到桿DI的距離為dD,桿DI與x軸正方向夾角為Φ4,因此可以求得桿DI延長線上點I滿足關(guān)系式

(6)

由三角函數(shù)關(guān)系得

(7)

(8)

式中Φ2——桿EG與x軸正方向夾角,(°)

L3——擺桿EC長度,mm

點E坐標為

(9)

式中L6——連桿EF、GH長度,mm

聯(lián)立式(1)、(2)、(5)～(8)得

(10)

其中

ξ=L1cos(ωt)+L2cosΦ1

(11)

ζ=L1sin(ωt)-L2sinΦ1

(12)

根據(jù)幾何關(guān)系得點G位移方程為

(13)

式中L4——擺桿CG長度,mm

由于EFGH為平行四桿機構(gòu),且點J為GH中點,因此可得點J、K、M位移方程為

(14)

(15)

(16)

式中L7——JK長度,mm

L8——鴨嘴KM長度,mm

聯(lián)立式(1)、(2)、(5)、(9)、(13)～(16)可得機組靜止時點M位移方程為

(17)

設(shè)定機組行駛速度為v時,鴨嘴下端栽植點M位移方程為

(18)

式(18)等號兩邊對時間t求導,得機組行駛速度為v時鴨嘴下端栽植點M速度方程為

(19)

其中

(20)

(21)

(22)

τ=xBcos(ωt)-yBsin(ωt)

(23)

(24)

(25)

(26)

2.2 栽植機構(gòu)可視化輔助設(shè)計軟件開發(fā)

為了便于對鴨嘴栽植機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計,根據(jù)建立的運動學模型,基于NI LabVIEW 2017開發(fā)了鴨嘴式栽植機構(gòu)可視化輔助設(shè)計軟件,軟件界面如圖4所示,界面共包括4個區(qū)域,分別為機組參數(shù)設(shè)置區(qū)域、運行時間設(shè)置區(qū)域、機構(gòu)參數(shù)設(shè)置區(qū)域、圖像顯示區(qū)域。通過輸入不同的機組運動參數(shù)和機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù),可以得到栽植點M對應(yīng)的栽植軌跡和水平方向、豎直方向分速度。

圖4 栽植機構(gòu)可視化輔助設(shè)計軟件界面

3 參數(shù)分析與優(yōu)化

3.1 約束條件定義

為了便于探索機構(gòu)參數(shù)對栽植機構(gòu)運動特性的影響,縮小參數(shù)優(yōu)化范圍,首先根據(jù)機構(gòu)自身特點和設(shè)計要求對機構(gòu)各參數(shù)提出以下約束:

首先L7和L8為鴨嘴的結(jié)構(gòu)尺寸和安裝尺寸,L6為平行四邊形固定為豎直方向的桿件長度,由于這3個參數(shù)均不影響栽植軌跡,結(jié)合常用鴨嘴尺寸和桿件尺寸,預選L6=60 mm、L7=110 mm、L8=150 mm。

由于支點B是可以調(diào)節(jié)的,且桿AC與支點B存在滑動副,因此,桿AC長度除了要長于2倍L1外,還需要預留點B運動范圍HB,點A、B、C的安裝尺寸La,安裝防塵設(shè)備的尺寸Lf,即

L2≥2L1+La+Lf+HB

(27)

依據(jù)桿件存在條件

(28)

為了防止鴨嘴栽后帶苗和機構(gòu)振動過大,栽植軌跡的高度應(yīng)在一定范圍內(nèi),即

(29)

3.2 主要參數(shù)對栽植機構(gòu)運動特性的影響

分析鴨嘴栽植機構(gòu)的主要尺寸參數(shù)對運動學特性的影響可為參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。設(shè)置機組前進速度為1.08 km/h,頻率為60株/(行·min),即設(shè)計栽植株距為300 mm。根據(jù)栽植機構(gòu)設(shè)計要求和約束條件,選取初始值:L1=30 mm、L2=350 mm、L3=60 mm、L5=300 mm、xB=15 mm、yB=-150 mm、dD=350 mm、Φ4=0°。基于開發(fā)的可視化輔助設(shè)計軟件,使用控制變量法進行單因素分析,對每一個參數(shù)選擇3個等差數(shù),可以得到相應(yīng)的栽植軌跡和點M豎直方向分速度-時間曲線,如圖5、6所示。

圖5 栽植軌跡變化曲線

3.2.1各參數(shù)對栽植軌跡的影響

從圖5中可以看出,隨著L1的增大栽植軌跡被上下拉長,栽植器上下運動幅度變大,栽植入土部分偏移量增大,但是栽植時曲線重合部分變長,栽植深度變大。當L1=25 mm時軌跡沒有重合,L1的變化對栽苗的直立度幾乎沒有影響。

隨著L2的增大,栽植軌跡整體向下移動,且栽植軌跡后傾增大。當L2=370 mm時,鴨嘴豎直方向栽植幅度為295 mm,栽植深度為95.5 mm,滿足要求,但栽植角度為50.6°,不能保證栽植直立,且可能會產(chǎn)生撕膜;當L2=330 mm時,鴨嘴豎直方向栽植幅度為300 mm,栽植角度為83.5°,但栽植深度僅為44 mm。

隨著L3的增大,栽植軌跡豎直方向的幅度迅速減小,栽植軌跡被“壓縮”,栽植深度減小,栽植直立度變化不明顯。當L3=40 mm時栽植幅度為447 mm,送苗過程曲線內(nèi)凹;當L3=80 mm時栽植幅度為225 mm,送苗過程曲線為外凸。

隨著L5的增大,栽植軌跡豎直方向的幅度增大,栽植軌跡被“拉長”,栽植深度增大,栽植直立度變化顯著,栽植軌跡初始相位向后移動,總之隨著L5的增大,栽植軌跡被明顯放大。

隨著dD的增加,栽植軌跡整體上移,栽植直立度顯著提高,栽植幅度和栽植深度變化不明顯。

當Φ4由0°改為-15°時,栽植軌跡送苗段略有內(nèi)凹,軌跡最低處向上移動8 mm,軌跡最高處向上移動49 mm,栽植幅度增大41 mm,直立度沒有發(fā)生變化。當Φ4由0°改為15°時,栽植軌跡送苗段為直線,且豎直向下,直立度為90°,栽植最低點向上移動72 mm,栽植最高點向上移動56 mm,栽植幅度減少16 mm。

隨著xB的增加,栽植軌跡整體略向右上方移動,栽植穴口尺寸略有減小,xB對栽植軌跡形狀影響不顯著。

隨著yB增加,栽植軌跡的幅度、位置和栽植直立度變化均不顯著,但對栽植穴口尺寸影響較大。當yB由-150 mm改為-120 mm時,栽植軌跡曲線由于重合較多而增大了穴口尺寸s,可以減小栽植株距以縮小穴口尺寸;當yB由-150 mm改為-180 mm時,栽植軌跡曲線由于入土段偏差較大而增大了穴口尺寸,可以增大栽植株距以縮小穴口尺寸。

3.2.2各參數(shù)對點M豎直方向分速度的影響

速度方向取向上為正,當栽植軌跡處于最高和最低點(接苗點和栽植點)時點M豎直方向分速度為零,加速度最大。

從圖6中可以看出,點M豎直方向分速度隨著L1和L5的增大而增大,隨著L3和Φ4的增大而減小,且隨著L1和L5的增大在回程過程中速度的增大更快,送苗過程中速度減小更快,鴨嘴在栽植點提升速度增大更快,提升更迅速,鴨嘴在接苗點向下栽植速度增加也更快,栽植也更加迅速,L3與之相反,隨著L3的減小,點M豎直方向分速度增大效果更為顯著,隨著Φ4的增大,鴨嘴在栽植點的速度變化不顯著,在接苗點的速度變化略有減小,接苗更加平緩,速度的相位略有延遲。隨著L2和dD的變化,點M豎直方向分速度波動較小,對栽植點和接苗點的速度變化影響也較小。隨著xB的增大,點M豎直方向分速度的相位略微有所提前。隨著yB的增大回程速度先增大后減小,對送苗速度影響較小。

圖6 點M豎直方向分速度變化曲線

3.3 參數(shù)優(yōu)化

栽植機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化是多參數(shù)、多目標的復雜優(yōu)化問題,每個參數(shù)的改變均會影響機構(gòu)栽植性能,研究中通過使用逐次逼近的方法找到最滿足當下設(shè)計要求的一組解。

通過分析各參數(shù)對栽植軌跡的影響發(fā)現(xiàn),xB的變化對栽植軌跡的形狀影響不顯著。為了便于進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,選用調(diào)整支點B在豎直方向的移動作為改變設(shè)計株距的方法。

綜上所述,栽植裝置的參數(shù)優(yōu)化過程為:

(1)設(shè)置栽植頻率為60株/(行·min),機組行駛速度為300 mm/s,即設(shè)計栽植株距為300 mm時,在初始值的基礎(chǔ)上,優(yōu)化得到滿足設(shè)計要求的一組參數(shù),并確定此時的yB值為株距300 mm時的參考值。

(2)根據(jù)步驟(1)中優(yōu)化的參數(shù)值,將機組行駛速度從100 mm/s以等差50 mm/s依次增加至600 mm/s,每個行駛速度對應(yīng)相應(yīng)的設(shè)計株距,在每個設(shè)計株距找到對應(yīng)較優(yōu)的yB值。

(3)由于在調(diào)整yB值后,栽植點M豎直方向的速度和軌跡均會產(chǎn)生變化,且此時栽植性能較優(yōu)的一組參數(shù)值必然與步驟(1)中所選的值有所不同,所以需要依次選擇不同的yB值,觀察栽植軌跡和栽植速度曲線,基于各參數(shù)對機構(gòu)栽植軌跡和栽植速度曲線的影響規(guī)律,進一步微小調(diào)整機構(gòu)各參數(shù)值,使在株距100～600 mm之間均滿足設(shè)計要求,進一步優(yōu)化各株距的栽植性能。

優(yōu)化過程中應(yīng)綜合考慮栽植軌跡、接苗和栽苗過程中栽植速度的影響。栽植軌跡在栽植時直立度應(yīng)在80°～100°之間,栽植時的曲線應(yīng)盡量重合,重合段長度應(yīng)大于100 mm;整體栽植速度應(yīng)盡量小,在接苗時速度變化盡量緩慢,在栽植時速度變化盡量快。

優(yōu)化后獲得一組參數(shù)組合為:L1=35 mm、L2=350 mm、L3=70 mm、L5=280 mm、dD=358 mm、Φ4=15°、xB=20 mm。各栽植株距對應(yīng)的yB如表2所示,由于株距為100 mm的軌跡最優(yōu)時yB=-260 mm,超出結(jié)構(gòu)允許的安裝尺寸,且yB=-220 mm時穴口尺寸較yB=-260 mm時僅增大6 mm,因此株距100 mm時yB仍采用-220 mm。從圖7中可以看出,株距100～600 mm,栽植軌跡均符合設(shè)計要求。

表2 栽植株距調(diào)整對照

圖7 優(yōu)化后不同栽植株距的栽植軌跡

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真

4.1 鴨嘴開合機構(gòu)設(shè)計

鴨嘴開合控制采用多連桿式鴨嘴栽植裝置常用的凸輪擺桿拉線機構(gòu)[26]。該機構(gòu)工作時主要使用凸輪驅(qū)動擺桿擺動進而拉動拉線控制鴨嘴的開合。 由于曲柄OA為勻速轉(zhuǎn)動一周,栽植器的接苗位置和栽植位置對應(yīng)的曲柄OA位置固定,且為了便于進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,將曲柄OA設(shè)計為凸輪結(jié)構(gòu)。

如圖8所示,凸輪中的點A即為桿OA與桿AC鉸接點,由于不同株距時,支點B的豎直位置不同,所以鴨嘴處于最低點時,桿OA與豎直方向的夾角不同,當yB=-220 mm時,夾角為5.19°;當yB=-113 mm時,夾角為10.04°。因此選取桿OA與豎直方向的夾角為7°時為鴨嘴打開位置,結(jié)合設(shè)計要求確定凸輪輪廓如圖8所示。

圖8 開合機構(gòu)簡圖

4.2 栽植裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真

基于優(yōu)化后的參數(shù),對各構(gòu)件進行結(jié)構(gòu)配置,使用SolidWorks軟件建立往復式鴨嘴栽植裝置的三維模型,如圖9所示。

圖9 往復式鴨嘴栽植裝置結(jié)構(gòu)圖

其中支點B豎直方向的調(diào)整采用絲杠滑塊裝置,在滑塊上安裝有指針,在指針對應(yīng)位置粘貼有推薦標尺,推薦標尺的刻度上標注有株距,即當支點B指向?qū)?yīng)株距的刻度位置時,栽植裝置在此株距栽植時栽植穴口尺寸較小。在每次需要調(diào)整栽植株距時,只需旋轉(zhuǎn)絲杠使滑塊上的指針指在對應(yīng)位置即可。兩組栽植機構(gòu)對稱分布、交替栽植,以減小機器振動,提高土壤利用率。

為驗證機構(gòu)設(shè)計的可行性,使用SolidWorks Motion軟件進行仿真分析,得到鴨嘴栽植裝置栽植器的栽植軌跡,如圖10所示,仿真軌跡與設(shè)計軌跡基本一致。

圖10 往復式鴨嘴栽植裝置仿真軌跡

5 樣機試驗

為驗證鴨嘴栽植裝置的作業(yè)效果,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械裝備國家工程實驗室進行了樣機試驗,如圖11所示。試驗平臺選用便攜式土槽,土槽長12.6 m,寬0.64 m,深150 mm,栽植裝置搭載在自走電動底盤上。試驗采用北方沙壤土,試驗前進行澆水、翻土、碎土和起壟覆膜,土壤含水率不大于20%,土面平整、無大土塊。試驗選用自制的仿真苗,苗高約10 cm。試驗時,以設(shè)計株距作為試驗因素,設(shè)計株距選取100～600 mm之間,每間隔100 mm選一個水平,共6個水平,栽植頻率選取40株/(min·行),機組行駛速度與設(shè)計株距、栽植頻率相匹配,栽植深度選80 mm。

圖11 臺架試驗裝置

本次試驗采用倒伏率、埋苗率和露苗率評價栽植質(zhì)量,從株距變異系數(shù)和穴口平均長度評價栽植精度。試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析方法參照行業(yè)標準JB/T 10291—2013《旱地栽植機械》。

從表3可以看出,通用型往復式鴨嘴栽植裝置在100～600 mm 6個栽植株距水平上作業(yè)時,倒伏率、埋苗率和露苗率均小于5%,栽植合格率均大于90%,平均合格率達到97.48%,栽植性能穩(wěn)定,栽植質(zhì)量優(yōu)良,不同株距栽植效果如圖12所示。

表3 栽植試驗結(jié)果

圖12 不同株距栽植效果

6組試驗的栽植株距變異系數(shù)均小于6%,栽植株距變異系數(shù)隨著設(shè)計株距的增大而減小,株距為600 mm時,栽植株距變異系數(shù)只有0.85%,這是由于栽植株距的偏差量均在10 mm之內(nèi),當設(shè)計株距較小,對應(yīng)的平均株距較小,栽植株距變異系數(shù)就相對偏大。

隨著設(shè)計株距的增大,栽植穴口尺寸有所增大,在株距為100 mm時栽植平均穴口長度為52.26 mm,株距為500 mm時栽植平均穴口長度為87 mm,滿足栽植要求。

本次試驗采用的電動平臺行駛系統(tǒng)和栽植部分分別驅(qū)動,可以實現(xiàn)栽植株距的無極調(diào)節(jié)。在實際應(yīng)用中,設(shè)計的栽植裝置搭載的移栽機推薦使用兩套動力源分別驅(qū)動移栽機的行駛和栽植,以便進行栽植株距的調(diào)整。

6 結(jié)論

(1)提出了一種栽植靜軌跡無級可調(diào)的鴨嘴栽植機構(gòu),機構(gòu)由曲柄導桿機構(gòu)和平行四邊形機構(gòu)兩部分組成。采用調(diào)整行駛速比與支點B位置相結(jié)合的方法大范圍調(diào)節(jié)設(shè)計栽植株距以實現(xiàn)不同株距小穴口栽植。

(2)建立了栽植機構(gòu)的運動學模型,開發(fā)了可視化輔助設(shè)計軟件,分析了栽植機構(gòu)各參數(shù)對栽植軌跡和栽植器豎直方向分速度的影響,選定調(diào)節(jié)支點B豎直方向位置調(diào)整栽植軌跡,使用逐步逼近法得到一組在栽植株距范圍100～600 mm之間均可以形成滿足軌跡要求的結(jié)構(gòu)參數(shù):L1=35 mm、L2=350 mm、L3=70 mm、L5=280 mm、dD=358 mm、Φ4=15°、xB=20 mm,標定了每間隔50 mm株距對應(yīng)的支點B縱坐標yB,為不同株距小穴口栽植軌跡的調(diào)整提供依據(jù)。

(3)鴨嘴的開合控制使用凸輪拉線結(jié)構(gòu),實現(xiàn)鴨嘴在接苗位置及栽苗位置的準確開合;采用絲杠滑塊機構(gòu)實現(xiàn)支點B豎直方向位置的調(diào)整;建立了鴨嘴栽植裝置的三維模型,進行了多剛體運動學仿真,仿真結(jié)果驗證了機構(gòu)設(shè)計的合理性。

(4)實驗室栽植試驗結(jié)果表明,該裝置在栽植株距100～600 mm之間時,栽植合格率均在90%以上,平均合格率達到97.48%,株距變異系數(shù)在6%以下,平均穴口長度均小于100 mm,株距100 mm和200 mm時平均穴口長度均小于60 mm,株距600 mm時平均穴口長度小于90 mm,栽植效果良好,滿足不同栽植株距較小穴口的要求。