移栽機鉆穴裝置的設計與性能試驗

葛 鵬，韓長杰，張 靜，夏廣寶，劉希光

(新疆農業大學 機電工程學院，烏魯木齊 830052)

0 引言

傳統缽苗移栽的打穴方式主要以被動沖壓式為主，常見的結構主要為偏心盤式鴨嘴栽植器，優點是可在膜上直接打穴移栽、不易傷苗、運動簡單，能適應多種缽苗作物的移栽作業要求，已逐漸成為膜上移栽的主要機型[1]；但是對西瓜、甜瓜等秧苗的移栽[2-3]，要求株距在740～760mm范圍內，傳統的偏心盤式鴨嘴栽植器會產生明顯的多邊形效應，導致穴形不穩定及穴孔深度不一致，孔徑變異系數達到16.1%[4]。針對被動沖壓式打穴裝置存在的問題，本文設計并制作了一種基于多桿式鉆穴裝置。其能夠避免偏心盤式驅動裝置的多邊形效應[5]，由拖拉機牽引，鉆穴器由電機驅動旋轉，完成入土、取土、拋土和出土的主動鉆穴動作，獲得穩定穴形的孔。

1 整機結構與工作過程

鉆穴裝置包括軌跡生成機構和牽引機架：軌跡生成機構由曲柄搖桿機構和平行四桿機構組合構成，主要包括機架、連桿、搖桿、打穴臂、鉆穴器及配重塊等構件；牽引機架由懸掛梁、地輪總成及連接架構成，軌跡生成機構與牽引機架固連。整機結構如圖1所示。

1.連接架 2.地輪機架 3.短連桿 4.多桿機構機架 5.上曲柄 6.同步鏈輪 7.同步鏈條 8.配重塊 9.擺桿 10.下曲柄 11.長連桿 12.12V電動機 13.打穴臂 14.鉆穴器 15.地輪 16.傳動鏈條圖1 鉆穴裝置整機結構示意圖

當拖拉機以恒定速度前進時，地輪經過鏈傳動驅動下曲柄勻速轉動，下曲柄與上曲柄由同步鏈條實現同相位等速轉動，打穴臂由曲柄搖桿機構驅動進行往復運動，并通過平行四桿機構保持與地面垂直[6]；鉆穴器與打穴臂固連，在入土和出土時保持相對地面靜止，并由12V電動機驅動旋轉；入土時，鉆頭與回轉葉片將土壤切碎，并通過葉片旋轉將碎土從穴孔內取出，拋撒至穴孔周圍，完成主動鉆穴動作。

2 鉆穴裝置主要工作部件參數的確定

2.1 軌跡生成機構的空間約束

為避免鉆穴機構作業時與地輪機架發生干涉、碰撞，需合理布置機構的空間結構與相對位置，其空間限制如圖2所示。

L1為軌跡與地輪機架前梁間距，L2為擺桿到達極限位置時長連桿與地輪機架后梁間距，L3為四桿機構的極限長度，L4為地輪機架前后梁間距，L5為打穴臂與四桿機構機架間距，H1為連接長短連桿的部分打穴臂長度，H2為打穴臂延長部分的長度，H3為打穴深度，H4為機架距離地面高度。

圖2 機構空間限位圖

Fig.2 Institutional space limit

1)為鉆孔器及電動機預留安裝位置，不能與地輪機架干涉，要求L1>180mm,L5>180mm；為避免長連桿與地輪機架干涉，取L2>20mm；為避免曲柄搖桿機構運轉時與地輪機架干涉，要求L1+L2+L3

2)本文針對不同農作物，播深取值范圍為80～100mm。為使打穴臂軌跡能夠滿足播種深度H3，打穴臂最低點應當滿足H1+H2>H3+H4，H1與H2成反比關系，H1與b成正比關系；為避免長連桿與機架干涉、打穴深度不滿足條件等問題,保證L5>180mm，取b>600mm，L3>917mm，H3>360。

3)根據現有地輪機架尺寸，得到H4=1270mm，L4=580mm，并由四桿機構約束條件以及最小傳動角[7]，得到

2.2 基于MatLab優化機構參數

本設計的四桿機構屬于曲柄搖桿型，只有選取合適的尺寸參數才能使機構形成完整封閉的連桿曲線。為使鉆穴器能夠形成相對地面的滾擺線軌跡，根據四桿機構圖解法[7]，初定圖1中短連桿為400mm，擺桿長度為390mm，長連桿為800mm，上曲柄和下曲柄為150mm。

由于初設固定鉸鏈C與點D軌跡的相對位置是四桿機構生成軌跡曲線的影響因素，利用懲罰函數法通過MatLab對機構參數進行優化[8]，四桿機構坐標系如圖3所示。

圖3 四桿機構坐標系

圖3中，鉸鏈E點為坐標系原點，A點坐標為(l4cosα，l4sinα)，C點坐標為(l1cosθ，l1sinθ)。

設B點坐標(Bx，By)，則

四桿機構D點坐標為

結合式(1)～式(3)，基于MatLab編程對模型進行優化，根據擺線軌跡形成原理[9]，得到理想軌跡與優化后D點軌跡的對比圖及優化后的軌跡與初設軌跡對比圖，如圖4所示。

圖4 四桿機構軌跡優化結果對比

當優化后的軌跡點圖與初設的目標軌跡差異最小時，得到結果為：l1=644.95，θ=143.63；C點坐標xc=-519.36，yc=382.39，取整為(520,380)。

2.3 傳動比的計算

鉆穴裝置以恒定速度前進，鉆穴器的運動軌跡與曲柄搖桿機構中下曲柄的轉速有關。根據農藝需求，設鉆穴裝置前進速度v1為800mm/s，對曲柄搖桿機構進行運動學仿真，得到不同轉速時打穴器的軌跡對比，如圖5所示。

圖5 下曲柄不同轉速的軌跡對比

由圖5可知：當下曲柄轉速100r/min時，鉆穴器形成余擺線軌跡；當轉速30r/min時，鉆穴器形成短擺線軌跡，余擺線與短擺線會造成打穴器入土與出土的軌跡重合度不高，導致鉆穴器在打穴時會產生相對地面位移，不利于穴形穩定。機構運動學仿真分析表明：當下曲柄轉速為65r/min時，鉆穴器形成滾擺線軌跡，入土與出土的重合度較高，此時得到孔距為755mm，可栽孔深為50mm。

2.4 鉆穴器的結構參數

鉆穴器(見圖6)由錐形頭與兩片回轉葉片構成，隨打穴臂完成入土、出土的動作；由12V電動機驅動旋轉，完成碎土、送土的主動鉆穴動作。為保證回轉葉片具有切削刀片具有良好的切土性能、足夠的強度和沖擊韌性，葉片的切土角為50°。考慮到鉆穴器在打穴過程中只有下半部分入土及穴孔內壁土壤坍塌等因素，為保證穴深不小于50mm，最低穴徑不小于85mm，取a2=125mm，取a1=110mm。圖6中，a1為回轉葉片半徑，a2為錐形頭長度。

圖6 鉆穴器的結構

2.5 地輪傳動部件的參數

如圖7所示，地輪通過地輪棘舌與軸孔的嚙合傳遞轉矩給地輪軸，通過壓簧達到棘舌的限位作用，試驗后發現棘舌與地輪軸凹槽的嚙合效果不理想，會產生跳舌現象影響傳動。本文設計一種異形齒，使異形齒與軸孔充分嚙合，保證了地輪傳動更加穩定、可靠。異形齒結構如圖8所示。

1.地輪軸 2.地輪法蘭盤 3.壓簧 4.地輪棘舌

圖8 異形齒結構示意圖Fig.8 Structure of a profiled member

異形齒參數依照地輪軸的相關尺寸及相對位置而定，取代棘舌位置并與地輪軸嚙合。圖8中：S1=30mm，S2=4.8mm，S3=16mm，S4=35.2mm，R1=20mm，R2=35mm。為保證異形齒強度，取厚度為10mm。

3 田間鉆穴試驗

3.1 試驗設計

田間鉆穴試驗于2017年9月在新疆維吾爾自治區烏魯木齊市新疆農業大學試驗地進行。在試驗鉆穴前，為使土壤呈松軟狀態，人工將試驗地翻松，去除石塊殘膜等雜物。試驗地土壤類型為壤土，0～10cm土層的平均容重1.41g/cm3，平均含水率45.95%，土壤緊實度92.5kPa。

3.2 試驗方法

牽引機架與拖拉機通過三點懸掛的方式掛接，拖拉機動力為29.4kW。作業時，打孔機構保持800mm/s速度前進，設置移栽理論株距為755mm，選取機組速度平穩階段打出的孔作為測量樣本。

試驗依照國家標準中華人民共和國機械行業標準(JB/T 10291—2001)，測量孔距、孔徑和孔深數據以合格率作為測試指標[10-11]，并計算相應的變異系數。

1)孔距合格率：設理論間距為Xr(mm)，測量相鄰兩孔的間距Xi(mm)，若0.8Xr

2)孔徑合格率：設理論孔徑為Dr(mm)，測量穴孔端面直徑Di(mm)，若0.8Dr

3)孔深合格率：根據相關標準要求，穴孔的深度范圍在理論打孔深度的±10mm內認為孔徑合格，取理論穴孔深度為50mm。將合格孔徑樣本與樣本總數的比值作為孔距合格率。孔深合格率、孔深的變異系數是對穴形均勻度的評價。

為保證試驗精度，試驗重復3次，結果取平均值，如表1、圖9所示。

表1 鉆穴裝置測試結果

圖9 整機鉆穴效果

4 結果及分析

鉆穴機構在實際工作中的平均孔距為761.5mm，與理論孔距755mm差距不大，孔距合格率在95%，孔距變異系數3.2%。根據機械行業標準(JB/T 10291—2001)中移栽機性能指標，孔距變異系數應當≤20%，試驗值小于指標值，說明機構運行比較穩定，穴距差異不大，能夠滿足移栽需求。試驗中發現，軌跡生成機構的連桿較重，往復運動中會產生較大慣性，打穴臂在上升過程中會對鏈條產生較大載荷，傳動過程中抖動會造成打穴臂不能穩定形成理論擺線軌跡，造成了實際孔距數據與理論數據存在一定的偏差。因此，要在保證機構強度和功能不受影響情況下，減輕曲柄搖桿的質量，從而減小鏈條負載，保證打穴臂往復運動的穩定性和連續性。

試驗測量得到平均孔深49.7mm、孔深合格率95.12%。根據相關標準，孔深變異系數應當≥75%，試驗值大于指標值，平均孔深在40～60mm范圍內，孔深變異系數5.1%，符合栽植要求。孔深的變異系數與機構的成穴軌跡有關，試驗中拖拉機的牽引速度不能保持恒定。前文驗證了拖拉機能夠在平穩的水泥地面牽引地輪機架保持穩定的前進速度，試驗中在凹凸不平的田地里地輪會產生打滑現象，導致了鉆孔器的運動軌跡不穩定。因此，為保證裝置能夠生成穩定的運動軌跡，建議整平地面。

平均孔徑為91.3mm、孔徑合格率90.26%，基本滿足穴盤苗栽植需求，孔徑變異系數5.2%，孔徑穩定性與鉆孔器的轉速有關。通過試驗發現，高轉速條件下的孔徑變異系數小于低轉速。李旭英[4]等將傳統的鴨嘴式栽植器進行改良，試驗結果平均孔徑變異系數達到16.1%，高于本文所得到的試驗結果，說明多桿式鉆穴機構的穴形更穩定。試驗中發現，孔徑、孔深的變異系數與土壤濕度、鉆穴器轉速及有效工作時間有關。土壤濕度上升，土壤粘度隨之提高，穴孔的內壁不易坍塌；低轉速時成型的穴孔穴壁容易坍塌，導致各穴孔的穴徑不一致，高轉速條件下成型的穴孔則更加穩定；鉆孔器的有效工作時間與運動軌跡有關，即鉆孔器入土與出土的時間越久，成型效果越好。

5 結論

1)通過運動學分析和計算確定了鉆穴裝置的結構參數，在拖拉機前進速度為800mm/s、曲柄轉速65r/min的情況下，鉆穴器在打穴時能夠保持相對地面靜止，入土與出土時軌跡的重合度較高，電動機帶動鉆穴器完成碎土和拋土的主動鉆穴動作。

2)基于MatLab對機構參數進行優化，得到擺桿長度為390mm，擺桿鉸鏈相對下曲柄鉸鏈坐標(520，380)；對地輪進行改良，避免了跳齒現象，使機構運行穩定。

3)研制的鉆穴裝置能夠較好地完成鉆穴工作。田間試驗表明：孔距合格率95%，孔距變異系數3.2%，孔深合格率95.12%，孔深變異系數5.1%，孔徑合格率90.26%，孔徑變異系數為5.2%，符合相關標準。經過對比發現，試驗結果的孔徑變異系數5.2%，低于文獻中所提的傳統栽植器16.1%，說明多桿式鉆穴裝置的穴形更穩定、可行。