蔬菜移栽機五桿栽植機構的仿真與試驗

王洪波，張開興，劉賢喜，宋 超

(山東農業大學 機械與電子工程學院，山東 泰安 271018)

0 引言

蔬菜育苗移栽技術以其促進蔬菜早熟豐產、提高復種指數、便于集中管理[1]等優越性被越來越多地應用于農業生產中，通過在適宜的生長環境下控制栽植密度及土壤水肥狀況，可以縮短作物生長期，提高對氣候的適應能力[2]，從而獲得可觀的經濟效益和社會效益。

栽植機構是移栽機的核心部分，作用是承接橫向喂苗機構中的秧苗，并將其栽植到土壤中。其工作過程包括接苗、帶苗、打穴、放苗與回程等工序[3]。栽植過程要保證不傷苗、不漏苗，從而保證移栽成活率。目前，國內外的蔬菜缽苗移栽機栽植機構按照栽植方式分類主要有鏈夾式、連桿式、導苗管式、吊杯式及齒輪行星輪系等結構形式[4]。其中，鏈夾式栽植機構穩定性高，但移栽速率較低，且容易傷苗，只能用于大蔥等裸苗移栽；導苗管式栽植機構可以保證較好的秧苗直立度、株距均勻性和深度穩定性，栽植效率較高，但結構相對復雜；橢圓齒輪行星輪系栽植機構能夠很好地滿足栽植軌跡要求，但加工精度要求高，生產成本也相對較高；連桿式、吊杯式栽植機適合缽體苗移栽，栽植過程沖擊小，結構也較為簡單[5-8]。本文針對各類栽植機構存在的移栽速率低、直立度低、加工精度要求高等問題，結合連桿式栽植機構與吊杯式栽植機構的優點，設計出使用鴨嘴栽植器的五桿栽植機構，對其進行了運動學仿真分析，制作了樣機并進行了田間試驗。

1 五桿栽植機構結構組成及工作原理

1.1 五桿栽植機構的組成及工作原理

五桿栽植機構由五連桿機構、鴨嘴栽植器、鴨嘴開合機構及傳動機構等組成，如圖1所示。

1.拉線擺 2.拉線 3.接苗漏斗 4.鴨嘴開合機構 5.連桿 6.擺錘 7.傳動鏈 8.主動鏈輪

工作時，以拖拉機動力輸出軸為動力源，通過變速箱和鏈傳動等傳動方式將動力傳輸給主動鏈輪，主動鏈輪通過鏈傳動帶動擺錘旋轉；五桿機構往復運動，從而帶動鴨嘴栽植器打穴，擺錘的旋轉又會帶動凸輪機構運行，拉線擺在凸輪輪廓的引導下帶動拉線收縮和伸長，從而控制鴨嘴栽植器的開閉。

五桿栽植機構運行過程中，擺錘旋轉帶動鴨嘴栽植器周期性運動，當鴨嘴栽植器到達最高點時，秧苗從橫向喂苗機構上的旋轉苗杯中落下，接苗漏斗將秧苗接住后導入鴨嘴栽植器中；當鴨嘴栽植器運動到最低點時，其末端插入土中，鴨嘴開合機構控制鴨嘴打開，秧苗栽入開好的土穴中；擺錘繼續旋轉，鴨嘴栽植機構抬起，之后鴨嘴閉合，進入下一個循環。

1.2 五桿栽植機構各部分結構及原理

1.2.1 五連桿機構的組成及結構

五連桿機構由支撐板、擺錘I、擺錘II、連桿I及連桿II等組成，連桿的末端安裝有鴨嘴栽植器，如圖2所示。

1.連桿I 2.鴨嘴栽植器 3.連桿II 4.擺錘II 5.支撐板 6.擺錘I圖2 五連桿機構的結構

主動鏈輪的動力輸入帶動擺錘I與擺錘II同步轉動，以支撐板為基座，通過鉸鏈配合帶動連桿I與連桿II擺動，從而帶動鴨嘴栽植器做卵圓形運動，如圖3所示。

圖3 鴨嘴栽植器運動軌跡

1.2.2 傳動系統組成及工作原理

五桿栽植機構使用的傳動方式為鏈傳動，各鏈輪之間按照各自傳動比通過鏈條聯動，如圖4所示。

1.從動輪I 2.支撐板 3.從動輪II 4.張緊輪 5.鏈條 6.主動鏈輪

五桿栽植機構的動力由主動鏈輪中心軸輸入，通過主動鏈輪傳遞給從動輪I和從動輪II，帶動其各自中心軸轉動，從而帶動擺錘旋轉。為了使系統運行更加穩定、精度更高，安裝有張緊輪。主動鏈輪與從動鏈輪的傳動比i主:i從I:i從II=26:14:14，為增速傳動。

1.2.3 鴨嘴栽植器的結構及功能

鴨嘴栽植器由接苗漏斗、栽植器支架、彈簧、打穴器及開合器等組成，安裝于連桿II的末端，如圖5所示。

1.拉線 2.彈簧 3.打穴器 4.栽植器支架 5.接苗漏斗

接苗漏斗上方下圓，開口尺寸為200mm×100mm，有助于秧苗的承接；打穴器開口方向與機構運動方向一致，可有效避免運動過程中將秧苗帶倒；開合器的運動由彈簧和拉線協調完成，在彈簧的拉動下打穴器處于閉合狀態，拉線收縮帶動打穴器張開，其張開角度與拉線的收縮量成正比。

1.2.4 凸輪機構結構及工作原理

凸輪機構由凸輪、傳動鏈輪軸、拉線擺及滾輪等組成，如圖6所示。傳動鏈輪軸與背面的擺錘同軸，因此凸輪機構的運動與五桿機構的運動同步。傳動鏈輪軸的轉動帶動凸輪運動，拉線擺在凸輪輪廓線的引導下做定軸轉動，從而牽動拉線伸縮。凸輪機構結構如圖6所示。

1.支撐板 2.凸輪 3.傳動鏈輪軸 4.拉線 5.滾輪 6.拉線擺

拉線的伸縮帶動鴨嘴栽植器上打穴器開合，因此凸輪輪廓線的形狀決定著的打穴器的開合規律。

2 基于ADAMS的運動學仿真分析

2.1 五桿栽植機構設計要求

大多數蔬菜作物的栽植過程對秧苗栽植直立性有嚴格的要求，因此在設計過程中要考慮零速移栽原理，以滿足秧苗直立的最終栽植效果。在移栽機連續前進運動的狀態下，當秧苗落入準備好的土穴中時，其相對地面的瞬時速度為零，即與地面處于相對靜止狀態，從而實現秧苗在直立狀態下完成定植，這就是移栽機的零速投苗原理[9]。

由此可知：在栽植投苗過程中，移栽機的前進速度必須要與秧苗栽植瞬間的水平分速度大小相等且方向相反。此時秧苗處于靜止狀態，直立落入土穴中，經過其他部件的覆土填壓，完成栽植過程。

定義栽植器植苗部件旋轉切向速度與機器前進速度之比為λ，即

(1)

式中λ—特征參數；

R—植苗部件轉動半徑(m)；

ω—植苗部件轉動角速度(rad/s)；

v—機器前進速度(m/s)。

根據公式(1)，栽植器植苗部件在栽植過程中存在λ<1、λ=1、λ>1等3種運動軌跡，如圖7所示。

圖7 植苗部件運動軌跡

由圖7可知：當且僅當λ=1時，在最低點水平方向分速度為零，滿足零速移栽原理要求。

2.2 五桿栽植機構運動學分析

根據栽植機構的設計要求，結合五桿栽植機構的結構和設計參數，運用三維建模軟件SolidWorks完成植苗機構的三維實體建模[10]，并對模型進行虛擬裝配和干涉檢查。

在五桿栽植機構三維幾何模型的基礎上，對模型進行簡化處理，以適應運動學仿真的經濟性要求。簡化后的幾何模型導出為.x_t格式文件，再將其導入到機械系統仿真分析軟件ADAMS中。根據設計變量和約束條件，構建了五桿栽植機構多目標優化設計模型，如圖8所示。

圖8 栽植機構運動學仿真模型

根據公式(1)對擺錘轉動角速度和支架相對地面運動直線速度的調整，得出當λ=1時栽植機構末端的運動軌跡(見圖9)及速度位移曲線(見圖10)。

由圖9可知：當λ=1時，其運動軌跡為滿足要求的擺線，滿足零速投苗原理。由圖10可知：當栽植機構末端X方向分速度為0時，其Y方向位移最小，即植苗機構到達最低點時其對地面的相對速度為0。仿真結果表明：在栽植特征參數λ=1的條件下設計的五桿栽植機構滿足栽植要求[11]。

圖9 栽植機構末端運動軌跡線

圖10 鴨嘴栽植器末端速度與位移曲線

3 試驗

為了驗證五桿栽植機構理論設計的正確性，根據設計的虛擬樣機模型試制了移栽機樣機，并進行了田間試驗，如圖11所示。

圖11 蔬菜移栽機五桿栽植機構田間試驗

3.1 試驗裝置及試驗條件

將栽植機構固定于可移動機架上，以55kW拖拉機為動力拖動其前進，拖拉機動力輸出軸通過傳動機構帶動五桿栽植機構運動。本試驗采用株高為120～150mm高的油菜苗作為試驗秧苗，通過6×12穴盤育苗，土缽含水率65%左右。試驗時，按運動參數λ=1設定機器前進速度為1.2km/h，株距為300mm。在山東農業大學試驗田中進行樣機試驗，每次試驗選取6組，每組12棵。

3.2 評價標準

試驗中，采取株距誤差率作為栽植均勻性的評價標準，以栽植后秧苗的傾斜角度作為秧苗直立度的評價標準。缽苗直立度用秧苗莖稈與地面的夾角α來評價，對于試驗用油菜苗，α≤45° 定義為為倒伏，45°<α≤70° 定義為合格，a> 70° 定義為優良。

株距誤差率計算公式為

(2)

式中Rd—株距誤差率；

de—株距試驗值；

dd—株距設定值。

3.3 試驗結果

按照五桿栽植機構的功能要求，在機構前進速度和擺錘轉速固定的條件下進行了田間試驗，并采集到相關數據，最終對數據進行了整理，如表1、表2所示。

表1 秧苗株距分布情況

表2 秧苗直立度試驗結果

由表1與表2可知：五桿栽植機構平均誤差率僅為2.93%，最大誤差率僅為6.13%，栽植直立度全為優良。因此，該五桿栽植機構滿足栽植要求。

根據其功能參數計算可得：在試驗狀態下，五桿栽植機構的栽植速率為60～70株/min，栽植速率優于國內市場上其他種類的栽植機構，提高了工作效率。

4 結論

1)設計了一種由五連桿機構、鴨嘴栽植器、鏈輪傳動系統、鴨嘴開合機構等組成的五桿栽植機構，并介紹了其結構組成和工作原理。

2)根據零速投苗的原理要求，通過SolidWorks建模軟件建立了五桿栽植機構虛擬樣機幾何模型，通過模型簡化處理和格式轉換導入ADAMS中進行運動學仿真，得出其運動軌跡以及速度位移曲線。結果表明：在λ=1時符合零速移栽原理，驗證了結構選擇和參數設計的合理性。

3)根據設計參數制作樣機并進行了田間試驗，試驗中以株距誤差率作為評價栽植均勻度的參考標準，以栽植后秧苗與地面的夾角α作為評價秧苗移栽直立度的參考標準。根據得到的試驗數據分析可知，株距誤差率僅為2.93%，秧苗與地面的夾角α都均大于70°。因此，本文設計的五桿栽植機構能夠滿足栽植要求，且提高了生產效率。