步行式水稻缽苗膜上開孔移栽機構優化設計與試驗

許春林 呂志軍 辛 亮 王 杰

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

水稻缽苗膜上開孔移栽技術是將水稻缽苗移栽與膜上栽培技術相結合，將帶有營養土塊的水稻缽體種植于覆膜開孔的田中[1-4]。不僅能實現缽苗移栽的無緩苗期、提高單產、擴大精品糧種植面積，而且達到增加有效積溫，減輕雜草和病蟲害，防止水土流失的目的，為綠色有機水稻的高質、高產及節水增效提供可靠途徑[5-8]。

目前，國內外市場未見水稻缽苗膜上開孔移栽裝備，對于水稻膜上栽植機械的研究大多集中于覆膜插秧機。國際上，日本先進工業科學技術研究所曾提出一種水稻覆紙插秧機[9]，由于其沒有配套膜上開孔機構，作業過程極易傷根；永田雅輝等[9-11]研制一種帶有專用膜上開孔機構的覆膜插秧機，但其設計的狹縫型開口刀無法保證地膜的縱向膜孔寬度，影響栽植質量。國內很多科研人員對此也開展了研究，東北農業大學針對纖維地膜覆蓋插秧機提出了“H”形同步開孔插秧裝置[12]，保證了膜上開孔效果的同時，具有良好的防堵性能；焦海坤等[13]提出了一種曲柄搖桿打孔機構，配合插秧機分插機構可依次完成鋪膜、開孔和插秧作業，但開孔機構與分插機構的同步性難以保證，整機靈活性差，影響栽植效果。

步行式水稻栽植裝備在我國占有較大的市場空間與發展潛力。為了結合我國水稻生產現狀，本文提出一種步行式水稻缽苗膜上開孔移栽機構。通過理論分析與建模，基于開發的計算機優化設計軟件，對步行機水稻缽苗移栽與膜上開孔復合運動軌跡及姿態進行優化，實現用一套回轉機構一次性依次完成取苗、輸送、膜上開孔和精準栽植的4道移栽工序，滿足步行式水稻缽苗膜上開孔移栽的技術要求。

1 機構工作原理與軌跡設計要求

1.1 機構工作原理

步行式水稻缽苗膜上開孔移栽機構由非圓齒輪行星系和橢圓齒輪行星系復合配置而成，共同運轉并分別在相應時刻完成缽苗移栽和膜上開孔的移栽軌跡及姿態運動，如圖1所示。其主要工作原理為：動力傳輸驅動齒輪箱殼體進行勻速旋轉，由于齒輪箱殼體內的非圓太陽輪和橢圓太陽輪相互固接于機架，因此分別帶動齒輪箱殼體內相互嚙合的非圓行星系和橢圓行星系進行不等速運動。與非圓行星輪固聯的栽植臂形成不等速運動，實現水稻缽苗移栽“8”字形相對移栽軌跡與姿態[14-15]，完成取苗、輸送和栽植3個工序，而與橢圓行星輪通過行星輪固接的開孔刀實現“橄欖形”開孔相對軌跡與姿態，完成開孔工序。

圖1 移栽機構傳動示意圖Fig.1 Driven diagram of transplanting mechanism1.錐齒輪B 2.動力輸入軸 3.橢圓太陽輪 4.中間軸 5.橢圓中間輪 6.行星軸 7.橢圓行星輪 8.齒輪箱殼體 9.栽植臂 10.開孔刀 11.非圓行星輪 12.非圓中間輪 13.非圓太陽輪 14.錐齒輪A 15.主傳動軸 16.傳動箱

1.2 軌跡和姿態設計要求

根據水稻缽苗移栽和膜上栽植兩種農藝要求以及步行式移栽裝備的作業特點，在滿足機構回轉一周完成取苗、輸送、膜上開孔和栽植4個工序的同時，需重點考慮機構相對運動取苗階段和絕對運動開孔栽植階段取苗機構與開孔刀具精準配合的軌跡與姿態，如圖2和圖3所示。

圖2 移栽機構相對運動軌跡Fig.2 Relative motion trajectories of transplanting mechanism1.移栽機構 2.“橄欖形”開孔軌跡 3.“8”字形移栽軌跡 4.秧箱

圖3 移栽機構絕對運動軌跡Fig.3 Absolute motion trajectories of transplanting mechanism1.移栽機構 2.絕對開孔軌跡 3.絕對移栽軌跡 4.地面

首先，非圓齒輪行星系缽苗移栽機構需滿足水稻缽苗移栽要求形成交叉式“8”字形移栽軌跡；機構整體順時針方向旋轉，栽植臂夾秧片在CD段軌跡，取苗機構在凸輪和撥叉的作用下，夾秧片逐漸閉合，將靠近秧苗根部的莖稈夾緊；DE段軌跡為拔秧過程，該段軌跡的直線距離需大于缽盤穴孔的深度以保證使缽苗完全脫離缽盤；ECFG段為秧苗輸送階段，此過程要避免被夾持的秧苗與秧箱發生干涉；以上過程橢圓行星機構同時帶動開孔刀隨機構旋轉。在準備進行栽植時，開孔刀對已覆膜進行開孔，考慮到機具的前進方向與旋轉方向相反，為了開出適宜長度和寬度的穴口，采取“橄欖形”相對開孔軌跡；當開孔刀開孔后準備離開地面時，移栽臂運行到A點，在凸輪和撥叉的作用下夾秧片張開，完成推秧栽植動作。

通過兩套行星輪系的配合，實現作業過程中的取苗和運輸階段，開孔刀遠離秧箱與栽植臂，防止其發生干涉；在栽植缽苗時，開孔刀在膜上開出適當的穴孔后，栽植臂配合開孔刀且不發生干涉地進行推秧，準確可靠地將缽苗栽植到所開的膜孔中，完成膜上植苗，回程準備下一次作業。

2 膜上開孔移栽機構理論模型的建立

本文以兩太陽輪的轉動中心O1為坐標原點，水平方向為X軸，垂直方向為Y軸建立坐標系，分別建立缽苗移栽機構和膜上開孔機構運動學理論模型，機構簡圖如圖4所示。

圖4 移栽機構簡圖Fig.4 Structural diagram of transplanting mechanism

2.1 移栽機構運動學分析

設定移栽機構逆時針轉動為正方向，根據Willis嚙合定理[16-17]，非圓齒輪副的中心距為a，本文采用帕斯卡蝸線構造非圓齒輪節曲線[18]。

非圓太陽輪節曲線參數方程和極坐標方程為

(1)

(2)

式中a1、b1、c1、d1、e1、f1、g1、e2、f2、g2為非圓齒輪節曲線調節參數。

設定移栽機構角速度為ω(rad/s),齒輪箱殼體初始安裝角為ψH0(rad)。當齒輪箱殼體順時針轉過φ(rad)，各角度和位移分析如下：

齒輪箱殼體的絕對轉角為

ψH(φ)=ψH0-φ

(3)

非圓太陽輪相對于齒輪箱殼體的轉角和絕對轉角分別為

(4)

非圓太陽輪的轉動中心坐標為

(5)

非圓中間輪相對于齒輪箱殼體的轉角與絕對轉角分別為

(6)

非圓中間輪的轉動中心坐標為

(7)

為優化出滿足移栽要求的復雜軌跡，增加機構的可調性，引入箱殼體拐角ε(rad)[19]。

非圓行星輪相對齒輪箱殼體的轉角和絕對轉角分別為

(8)

(9)

式中ψ30——齒輪箱殼體拐角ε所引起的非圓行星輪初始安裝角，rad

非圓行星輪的轉動中心方程為

(10)

栽植臂尖點B相對于行星架的運動坐標為

(11)

γ1=α1-φ+?3(φ)

(12)

式中α1——O3B與O2O3的初始安裝相位角

L1——栽植臂第1段長度

L2——栽植臂第2段長度

2.2 膜上開孔機構運動學分析

因為膜上開孔作業軌跡相對于缽苗移栽要簡單，所以選用橢圓齒輪行星輪系實現膜上開孔作業要求，同時也降低了非圓齒輪加工難度和成本。為了簡化機構，所設計非圓齒輪和橢圓齒輪是同軸轉動，所以橢圓齒輪行星輪系中各齒輪轉動中心坐標與非圓齒輪行星輪系中各齒輪轉動中心坐標一致。根據非圓齒輪的中心距可知，橢圓齒輪的長半軸長度為a，橢圓太陽輪的極坐標方程為

(13)

其中

式中b——短半軸長度

k——短長軸長度比

各齒輪角度和位移分析如下：

橢圓太陽輪相對于齒輪箱殼體的轉角和絕對轉角分別為

(14)

橢圓中間輪相對于齒輪箱殼體的轉角和絕對轉角分別為

(15)

橢圓行星輪相對齒輪箱殼體的轉角和絕對轉角分別為

(16)

(17)

開孔刀尖點C相對于行星架的運動坐標為

(18)

其中

γ2=α1+α2-φ-π+?3(φ+π)

(19)

式中L3——開孔刀O3C的長度

α2——O3C與O2O3的初始安裝相位角

3 計算機輔助分析與優化設計軟件設計

3.1 優化目標分析與設立

根據缽苗移栽和膜上栽植的農藝要求及機構特點，將幾何目標數值化，設置優化目標的約束范圍，共有11個優化目標[20-21]：缽苗移栽軌跡高度大于235 mm；地膜孔穴長度在50～70 mm之間；齒輪箱與地面距離高于15 mm；取秧角介于-5°～15°之間；推秧角介于45°～60°之間；角度差介于35°～50°之間；非圓齒輪模數應大于2.1 mm；所開穴口中心與所栽缽苗中心距離小于10 mm；開孔刀與栽植臂最近距離大于10 mm；取苗動作結束時，土缽的最低點高于缽盤表面；缽苗在移栽過程中不與缽盤干涉。

3.2 機構優化軟件

水稻缽苗膜上開孔移栽機構的優化設計難點在于兩套非圓齒輪行星系之間的配合。根據所建立的機構理論模型和數字化優化目標，基于Visual Basic 6.0可視化程序語言[22-25]，設計了移栽機構輔助分析優化設計軟件。以顯示條辨別目標優劣，通過人機交互的方式進行參數優化，軟件界面如圖5所示。

圖5 優化設計軟件主界面Fig.5 Interface of optimization and design software

通過輔助分析優化設計軟件，獲得了一組滿足缽苗膜上開孔移栽機構要求的優化參數，其中重要參數為：a1=1,b1=24.6,c1=-12.3,d1=34.1,e1=3.3,e2=0.5,f1=8.8,f2=3.9,g1=1,g2=-1.9,b=20.4,ψH0=42°,ε=54°,α1=-104°, 栽植臂第1段與第2段間夾角δ=90°,α2=-24°,秧箱傾角αQJ=52°,xG=183 mm,yG=87 mm,h=180 mm,L1=71 mm,L2=186 mm,L3=94 mm。

4 虛擬樣機仿真與物理樣機試驗

4.1 虛擬樣機仿真與高速攝像試驗

根據優化參數對移栽機構進行二維結構設計，并利用NX 8.0軟件完成三維建模與裝配驗證，最后在ADAMS 2010軟件中進行虛擬樣機仿真，虛擬樣機仿真軌跡如圖6b所示。為縮短零部件機械加工周期，加快樣機研制速度，本文應用3D打印技術完成了機構主要零部件的加工，配合金屬夾片和推秧裝置，完成了物理樣機的裝配，并將其安裝在試驗臺架上[26]，最終利用高速攝像試驗驗證其性能及軌跡和姿態。

圖6 理論軌跡、虛擬仿真軌跡和物理樣機軌跡對比Fig.6 Comparison of theoretical, virtual simulation and physical prototype trajectories

通過Phantom V5.1高速攝像機及分析軟件，對試驗數據進行分析處理，獲得樣機的實際工作軌跡和姿態。將理論軌跡、虛擬仿真軌跡和物理樣機的高速攝像軌跡進行分析對比可知，三者的運動軌跡與姿態基本保持一致，驗證了移栽機構結構設計的可行性與合理性，如圖6所示。由于虛擬樣機仿真環境中電機初始運行瞬間機構產生振動和物理樣機試驗中的機器振動原因，軌跡會受到影響，但這些因素造成的誤差均在合理范圍內。

4.2 物理樣機臺架試驗

為了進一步探究移栽機構的實際工作情況，對其進行臺架性能試驗研究。試驗選用水稻品種為東農428；育秧缽盤為常見塑料軟質缽盤，其橫向穴孔數為14，縱向穴孔數為29，下底面規格為9 mm×9 mm，上頂面規格為17 mm×17 mm，穴深為17 mm；育秧基質成分為40%鋸末+40%黑土+10%珍珠巖+10%蛭石[27]。在東北農業大學工程學院兼光型植物工廠實驗室進行育秧，當秧齡達到30 d時，進行取苗試驗、膜上開孔栽植試驗及配合栽植試驗。試驗地點為東北農業大學工程學院農業機械化實驗中心，以現有水稻缽苗移栽機為基礎搭建試驗臺架，設定移栽機構順時針旋轉運動，轉速為50 r/min；由于軌跡中開孔穴口的尺寸直接影響栽植效果，根據理論與實際分析，穴口的尺寸與栽植株距呈正相關的關系，因此選取機構可栽插最大株距為180 mm，土槽向右直線運動，速度為0.15 m/s；對3盤共1 218株水稻缽苗進行取苗及膜上栽植試驗，其中2盤缽苗用于取苗試驗，1盤缽苗用于膜上栽植試驗。為衡量移栽機構的取苗與栽植試驗的效果，設定了取苗成功率和膜上栽植成功率兩項評價指標。

4.2.1取苗試驗

在取苗試驗中，移栽機構能夠在運行過程實現栽植臂夾片夾緊秧苗莖稈，并將缽苗單體全部拔出即為取苗成功。因此，通過取苗試驗進行統計，結果表明：2盤總計812株水稻秧苗的取苗試驗中，成功取出的秧苗有734株，取苗成功率為90.4%。分析影響機構取苗成功率的主要因素有：秧苗在生長后期出現連根粘連現象，導致拔取阻力的增大；秧根從秧盤底部竄出過多以及秧盤本身空穴；冬季育苗導致秧苗長勢不佳，出現少量死苗。整體來說，該機構取苗效果良好，能夠滿足缽苗移栽取苗要求，機構取苗作業如圖7所示。

圖7 取苗試驗Fig.7 Seedling pick-up experiment

4.2.2膜上開孔栽植試驗

膜上開孔栽植的關鍵在于所開膜孔長度和寬度能否滿足缽苗栽植要求。針對所設計的開孔刀，分別選用了農業生產中常見的聚乙烯塑料地膜和可降解秸稈纖維地膜，將兩種地膜先后鋪設在可移動土槽中。機構轉速保持不變，通過移動土槽模擬動態開孔栽植過程，對兩種材質的地膜各重復20組試驗，每組進行4次試驗，試驗如圖8所示。對膜孔長度和寬度進行測量，結果如表1和表2所示。

圖8 兩種類型地膜開孔試驗Fig.8 Film breaking test of two types of mulching films

通過對以上試驗數據分析可知，開孔刀對于塑料地膜和秸稈纖維地膜均能做到有效的開孔，所開膜孔的長度與寬度基本達到設計目標的要求，且開孔刀更容易在纖維地膜上形成適合水稻缽苗的穴孔。

在膜上開孔栽植試驗中，移栽機構能夠成功夾取秧苗并將缽苗栽植到所開膜孔中即為栽植成功。當地膜為秸稈纖維材料時，總取苗次數為80次，成功取出76株水稻，成功栽入所開秸稈纖維膜孔中的秧苗總數為70株，膜上栽植成功率為87.5%；當地膜為聚乙烯塑料材料時，總取苗次數為80次，成功取出74株水稻，成功栽入所開聚乙烯塑料膜孔中的秧苗總數為66株，膜上栽植成功率為82.5%。影響栽植成功率的主要原因包括缽苗或土缽本身原因導致的取苗或推秧失敗以及3D打印材料的單臂作業機構未配置平衡塊引起振動等，最終導致部分水稻秧苗無法栽入所開穴口中。

表1 膜孔縱向長度試驗數據Tab.1 Test data of longitudinal length of film holes

表2 膜孔橫向寬度試驗數據Tab.2 Test data of transverse length of film holes

5 結論

(1)提出了一種步行式水稻缽苗膜上開孔移栽機構，結構簡單、成本低，可一次性完成取苗、輸送、膜上開孔和移栽一系列移栽工序。

(2)建立了機構運動學模型，并基于Visual Basic 6.0開發了移栽機構輔助分析優化設計軟件，結合膜上栽植和缽苗移栽兩種農藝要求，確立了優化目標，利用人機交互式的方法，最終得到了一組能夠滿足缽苗膜上移栽要求的機構參數。

(3)進行了虛擬仿真驗證，完成了物理樣機試制，開展高速攝像臺架試驗，得到了樣機的實際工作軌跡，通過對比分析得到理論軌跡、虛擬仿真軌跡和物理樣機軌跡基本一致，驗證了移栽機構設計的正確性。

(4)完成了試驗所需水稻秧苗的培育工作，進行了取苗試驗、膜上開孔試驗以及配合栽植試驗，其中取苗成功率為90.4%，秸稈纖維地膜和塑料地膜栽植成功率分別為87.5%和82.5%，所開膜孔的長度與寬度效果良好，試驗結果證明了所設計移栽機構的實用性。