探出開孔式高速水稻膜上插秧機分插機構設計與試驗

許春林 單伊尹 辛 亮 解江濤 李 崢

(東北農業大學工程學院，哈爾濱150030)

0 引言

水稻覆膜栽培具有增溫、保水、保肥、改善土壤理化性質、抑制雜草生長、減輕病害等作用，逐漸成為綠色農業稻作栽培的關鍵技術［1-5］。水稻覆膜栽培過程中，覆膜后膜上機械化插秧可大幅度提高勞動效率，降低生產成本［6］。影響機械化水稻膜上插秧質量的核心機構為分插機構，因此，研制性能穩定、高效的破膜分插機構可為大規模推廣應用有機水稻膜上栽培技術提供有效手段［7-9］。

國內外學者對膜上插秧技術開展了一系列研究。日本三菱株式會社MKP610 型插秧機未配置開孔破膜裝置，由秧針攜帶秧苗直接破膜完成栽植，對秧苗根系造成二次損傷，延長了緩苗期［10］。BERNARDO 等［11］基于洋馬RR40 型分插機構設計了一種連桿式破膜機構，由固結于栽植臂的執行機構驅動連桿，控制尼龍破膜裝置擺動完成縱向破膜，實現破膜插秧同步作業，該機構結構復雜，且運行可靠性差。目前，國內主要采用的方法是使用劃孔刀或切膜刀軸輥在地膜上預先進行切膜開孔，但開孔與插秧位置難以保持一致［12］。陳海濤等［13］研制了“H”型同步覆膜開孔插秧裝置，開孔裝置隨秧針運動完成地膜開孔插秧作業，但開孔裝置與秧針之間縫隙狹窄，且兩者之間無相對運動，易發生堵塞。田佳航［14］提出了一種偏心輪-搖桿式地膜打孔機構，結合前插旋轉式分插機構依次完地膜打孔、插秧動作，該機構結構不夠緊湊，在高速作業時同步性差，存在配合失誤的問題。

針對以上問題，結合水稻覆膜插秧栽培農藝要求，本文設計一種利用非圓齒輪傳動驅動栽植臂，實現切膜開孔、分秧栽植一體化作業的探出開孔式高速插秧機分插機構。通過建立分插機構運動學模型、開發計算機輔助分析與優化軟件得到滿足相應農藝要求的“腰子形”插秧軌跡和“類腰子形”切膜開孔軌跡和姿態，并開展三維建模、ADAMS 虛擬仿真、土槽試驗等工作，以驗證分插機構設計的正確性與可行性。

1 分插機構組成與工作原理

1.1 設計要求與運動軌跡

為滿足水稻覆膜栽培的農藝要求，將非圓齒輪的不等速傳動和切膜開孔刀探出運動特性相結合，使分插機構在一個周期內依次完成切膜開孔和栽植動作，秧針尖點和切膜開孔刀尖點運動軌跡如圖1所示，圖中同一字母的大小寫表示同時刻位置，紅色為秧針尖點軌跡，藍色為切膜開孔刀尖點軌跡。

圖1 分插機構相對運動軌跡Fig.1 Relative trajectory of rice transplanting mechanism

分插機構順時針回轉一周，依次經歷不同的工作段軌跡:在取秧點h 處應保證切膜開孔刀不影響取秧動作且與秧箱不發生干涉;AB 段軌跡為切膜開孔刀的探出軌跡，此時秧苗根部介于秧針與切膜開孔刀之間，故要求切膜開孔刀在探出過程中與秧苗根部不干涉;BC 段軌跡中切膜開孔刀保持探出狀態，該段軌跡保證秧針持秧接近地膜之前進行切膜開孔，避免秧針帶苗破膜，減少對秧苗的二次損傷;CD 段軌跡為切膜開孔刀回收段軌跡，為減少對推秧點f 附近土壤的攪動及對推苗動作的影響，要求切膜開孔刀在秧針到達推秧點f(秧針軌跡最低點)之前完成回收(D 點);DG 段軌跡中在雙廓線凸輪、撥叉的作用下完成推秧動作，且切膜開孔刀刃于G 點完成切膜動作;GH 段軌跡中，秧針尖點和切膜開孔刀尖點軌跡所呈先往后再向上的運動趨勢避免了與已栽植的秧苗干涉，保證了栽植質量。

實際作業時，分插機構的絕對運動軌跡如圖2所示，切膜開孔刀于A′點處開始切膜，當秧針到達推秧點B′(軌跡最低點)時推秧，此時切膜開孔刀與地面的交點為C′點，則基于A′點位置定義段長度為膜上穴口長度段為栽植位置［15］。

圖2 分插機構絕對運動軌跡Fig.2 Absolute trajectory of rice transplanting mechanism

1.2 機構組成

探出開孔式分插機構是水稻插秧機的核心部件，主要由非圓齒輪行星輪系和兩個栽植臂組成，如圖3 所示。作業時，太陽輪固接于機架，行星架順時針繞O1勻速回轉，使其內部相互嚙合的非圓齒輪轉動，從而帶動栽植臂隨著行星輪作不等速轉動，實現秧針尖點和切膜開孔刀尖點在凸輪、撥叉的作用下分別形成滿足水稻覆膜栽培農藝要求的“腰子形”插秧軌跡和“類腰子形”切膜開孔軌跡。

圖3 水稻膜上探出開孔式分插機構結構示意圖Fig.3 Schematic of rice transplanting machinery with mulch slit cutting mechanism

栽植臂作為執行機構是分插機構設計的關鍵。本文基于非圓齒輪傳動機構提出一種新型栽植臂，主要包括雙廓線凸輪、“U”型推桿、推秧桿、左撥叉、右撥叉、栽植臂殼體、復位彈簧等，如圖4 所示，其中，雙廓線凸輪可在一個周期內通過與右、左撥叉配合分別控制“U”型推桿和推秧桿完成切膜開孔、推苗動作，且互不干擾。該機構將非圓齒輪不等速傳動回轉運動和栽植臂中切膜開孔刀的探出運動特性相結合，形成滿足水稻覆膜栽培特定農藝要求的運動軌跡與姿態。

圖4 栽植臂結構示意圖Fig.4 Schematic of transplanting arm

1.3 工作原理

如圖5 所示，當右撥叉與第2 層凸輪廓線上A點接觸后，其失去凸輪廓線的支撐，在復位彈簧力的作用下，彈簧座、“U”型推桿、切膜開孔刀在右撥叉的控制下迅速探出;隨后右撥叉在復位彈簧的作用下與BC 段廓線抵接，切膜開孔刀保持探出狀態;CD段廓線撥動右撥叉，帶動彈簧座壓縮復位彈簧，從而使“U”型推桿和切膜開孔刀實現回收動作;以上切膜開孔刀動作期間，左撥叉始終與第1 層凸輪廓線抵接;直至行星架轉至推苗時刻，左撥叉到達第1 層凸輪廓線f 時，在復位彈簧的作用下滑入凸輪廓線凹槽，實現推秧動作;直到廓線g 與左撥叉抵接，推秧桿回收動作完成;以上推秧桿運動期間，切膜開孔刀已保持回收狀態。

圖5 雙廓線凸輪示意圖Fig.5 Schematic of double profile cam

2 分插機構運動學建模

2.1 基于非圓傳動的切膜開孔刀運動學建模

采用帕斯卡蝸線(Pascal's limacon)設計非圓齒輪節曲線并建立分插機構運動學模型［16-17］。

水稻膜上探出開孔式分插機構2 個栽植臂對稱分布，運動規律僅相差180°，故取單臂分析，以太陽輪旋轉中心O1為坐標原點，建立如圖6 所示的直角坐標系，圖中黑色所示為初始位置，紅色所示為行星架轉過θ 角度后的位置，設X 軸方向為機構前進方向，逆時針轉動方向為正。

圖6 分插機構結構簡圖Fig.6 Structure diagram of transplanting mechanism

依據非圓齒輪傳動機構基本運動學建模與分析可求解行星輪相對轉角α3(θ)以及栽植臂拐點坐標XF(θ)、YF(θ)、XF′(θ)、YF′(θ)等基本運動學參數［10］。

分插機構工作過程中，由圖3、6 可知，切膜開孔刀尖點長度是變化的，在雙廓線凸輪、撥叉的作用下，切膜開孔刀尖點運動過程可分為近休、探出、遠休和回收4 個階段，具體運動分析如下:

(1)近休段指切膜開孔刀保持回收狀態，即位于初始位置G′處，其位移方程為

式中 LF′G′——栽植臂拐點F′到G′的距離，mm

α0——行星架初始安裝角，rad

φ3——栽植臂初始安裝角，rad

φP1FG——栽植臂拐角，rad

(2)探出段指切膜開孔刀探出的過程，其長度是變化的，運動區間為θ∈［θ1，θ1+θ′1］，設定切膜開孔刀探出長度為ΔL，將該段運動與栽植臂尖點G′的基礎運動相疊加，獲得切膜開孔刀在該段的位移方程為

其中

式中 θ′1——切膜開孔刀探出段行星架轉角，rad

(3)遠休段是指切膜開孔刀完全探出后保持探出狀態，即切膜開孔刀探出長度LG′G″=ΔL，其運動特性與栽植臂的基礎運動相同，則該段切膜開孔刀尖點的位移方程為

(4)回收段是指切膜開孔刀回收的過程，運動區間為θ∈［θ2，θ2+θ′2］，該段切膜開孔刀尖點的位移方程為

其中

式中 θ′2——切膜開孔刀回收段行星架轉角，rad

實際工作過程中，行星架一邊繞O1作勻速圓周運動(太陽輪中心O1到行星輪旋轉中心P1的距離即為回轉半徑R)，一邊由機架牽引作前進運動，為保證工作過程中所優化株距下動軌跡的實現，引入速比特征系數［18］

其中

式中 H——株距，mm

a——非圓齒輪中心距，mm

φ1——行星架拐角，rad

2.2 凸輪機構運動學建模

利用反轉法［19-20］分析栽植臂與雙廓線凸輪之間的相對轉動關系，依據栽植臂的結構尺寸，左、右撥叉的運動行程K2與K1的極限位置坐標M(xM，yM)、m(xm，ym)、H(xH，yH)、h(xh，yh)以及鉸接點坐標P(xP，yP)、J(xJ，yJ)、O(xO，yO)，通過機構之間的幾何關系確定凸輪廓線小徑R3、大徑R2，以及左、右撥叉與雙廓線凸輪抵接關鍵點N、n、I、i 的坐標參數［21］，以雙廓線凸輪轉動中心O 為坐標原點，建立如圖7 所示的直角坐標系，雙廓線凸輪相對轉動方向為順時針。

圖7 雙廓線凸輪機構數學建模示意圖Fig.7 Schematic of mathematical modeling of double profile cam mechanism

右撥叉在初始位置與凸輪第2 層廓線抵接點I(xI，yI)的坐標方程為

式中 γ——右撥叉拐角，rad

R1——凸輪第2 層廓線小徑，mm

右撥叉運動行程K1與凸輪第2 層廓線抵接點i(xi，yi)的坐標方程

式中 LIJ——右撥叉抵接點I 到其鉸接點J 的距離，mm

LJH——右撥叉鉸接點J 到其與彈簧座抵接點H 的距離，mm

雙廓線凸輪大徑R2求解方程為由公式(11)可求得雙廓線凸輪大徑R2，根據公式(9)～(11)同理可求凸輪第1 層廓線小徑R3及左撥叉與凸輪第1 層廓線抵接關鍵點坐標N(xN，yN)、n(xn，yn)。

3 分插機構參數優化與建模仿真

3.1 參數優化

依據上述分插機構運動學模型，結合水稻種植農藝要求(育秧苗土厚度15 ～20 mm，株距100 ～200 mm，插秧軌跡高度260 ～310 mm)，確定探出開孔式分插機構優化目標和約束條件［22-29］:取秧角γ1滿足5° ＜γ1＜25°;推秧角γ2滿足60° ＜γ2＜80°;插秧深度d1滿足15 mm ＜d1＜25 mm;插秧穴口寬度s1＜30 mm，避免所插秧苗倒伏或漂浮;膜上開孔長度s2＜50 mm，減少地表裸露，防止雜草滋生;膜孔與穴口偏差d2＞0 mm，減少秧苗根部與地膜接觸后的二次損傷;兩栽植臂運動過程中無干涉，且開孔刀運動過程與苗土互不干涉，故切膜開孔刀與秧針位置間距d3＞15 mm;取秧角與推秧角之間的角度差γ3滿足45° ＜γ3＜55°;栽植臂軸心不能與已插秧苗莖基部干涉。

分插機構的軌跡和姿態是一個多參數、強耦合的復雜優化問題［29］，涉及的優化參數27 個，其中節曲線參數14 個，結構參數13 個。基于Visual Basic 6.0 平臺編寫了探出開孔式分插機構計算機輔助分析與優化軟件，界面如圖8 所示，通過人工交互方式得出一組滿足農藝要求的結構參數，由圖2 可知該組參數對應的優化后的破膜插秧軌跡，速比特征系數λ=1.57，株距150 mm，行星架初始安裝角為195°，行星架拐角-74°，回轉半徑為75.04 mm，切膜開孔刀探出行程為20 mm，切膜開孔刀與秧針位置間距為18 mm，軌跡高度268.56 mm，取秧角16.01°，推秧角62.43°，插秧穴口15.19 mm，膜上開孔長度44.31 mm，插秧深度15.64 mm，膜孔與穴口偏差5.02 mm，栽植位置21.63 mm，該軌跡滿足取秧和插秧要求，插秧后秧針尖點回程軌跡避免與已插秧苗接觸，栽植臂軸心軌跡(余擺線)未與已插秧苗莖基部干涉，該軌跡滿足開孔破膜插秧作業要求。

圖8 優化軟件界面Fig.8 Software interface of rice transplanting mechanism

3.2 運動學分析

基于所建立的分插機構數學模型，將切膜開孔刀尖點及推秧桿尖點的相對位移方程編入優化設計軟件，參數優化結束后，通過所編寫的數據調用模塊獲得兩者在一個工作周期內的相對運動行程變化曲線，如圖9 所示。初始位置時，切膜開孔刀已探出，當行星架轉至5°時，切膜開孔刀由C 點開始回收，直至行星架轉角為38°(D 點)時，切膜開孔刀完成回收動作;隨后行星架轉至43°(e 點)時，推秧桿迅速探出至栽植點f 完成推秧動作(推秧桿相對位移15 mm);由圖可知，切膜開孔刀在推秧桿推秧動作之前完成回收，避免對栽植動作的干擾，滿足分插機構設計要求;隨后，推秧桿完成回收動作與切膜開孔刀進入回程階段，直至行星架轉至340°時，在切膜開孔刀接觸地膜之前，其于A 點迅速探出至B 點(行星架轉角為344°)完成探出動作，隨后在雙廓線凸輪的作用下保持20 mm 的探出量進入下一個運轉周期。

3.3 三維建模仿真分析

圖9 相對運動行程與行星架轉角關系曲線Fig.9 Relationship curves between relative displacement and planetary carrier angle

圖10 仿真運動軌跡Fig.10 Motion trajectory of virtual simulation

根據優化后的結構參數，在SolidWorks 2014 中完成移栽機構虛擬結構設計，并導入ADAMS 2014中進行運動仿真。通過對比仿真軌跡(圖10)與理論軌跡(圖8)可知，兩者基本保持一致，驗證了機構設計的正確性;切膜開孔刀探出段存在一定的波動，其原因在于:在仿真過程中施加了碰撞約束、彈簧力，使機構運動過程中出現振動;雙廓線凸輪通過圖解法設計，存在一定的精度誤差［30］。

通過水稻膜上探出開孔式分插機構仿真得到運動行程與行星架轉角關系，如圖11 所示，其與理論分析結果(圖9)變化趨勢基本一致，仿真數據與理論數據基本吻合，證明了理論分析的正確性和分插機構三維建模的準確性。

圖11 相對運動行程與行星架轉角關系仿真曲線Fig.11 Relationship curves between relative displacement and planetary carrier angle of virtual simulation

4 樣機試驗

4.1 高速攝影試驗

秧針尖點的運動軌跡與栽植臂姿態是水稻膜上探出開孔式分插機構設計的關鍵［31］，其軌跡的合理性和準確性影響分插機構的作業性能，因此本試驗采用高速攝像技術驗證秧針尖點、切膜開孔刀尖點的實際運動軌跡是否與仿真軌跡一致。將分插機構安裝在試驗臺架上進行空轉試驗，通過Phantom 5.1高速攝像機對分插機構的運轉進行圖像采集，利用Phantom Camera Control Application 軟件對試驗視頻進行解析，獲得實際運動軌跡，如圖12 所示。對比實際運動軌跡與仿真軌跡(圖10)，兩者整體基本一致，部分軌跡存在較小的波動，主要由于樣機加工裝配的尺寸偏差、試驗臺架運轉振動及部分零件強度不足導致。

圖12 試驗實際運動軌跡Fig.12 Actual trajectory in test

圖13 為分插機構運轉過程中的關鍵位置姿態，圖13a 為水稻覆膜栽培探出開孔式分插機構取秧時刻，切膜開孔刀保持回收狀態避免與秧箱干涉;圖13b 中切膜開孔刀接觸地膜之前已完全探出;圖13c、13d 表示切膜開孔刀以最大探出量切膜過程;圖13e 表示接近推秧位置之前，切膜開孔刀已經完全回收避免對推秧動作干涉;圖13f 為推秧動作;圖13g 表示推秧動作結束且切膜開孔動作結束;圖13h 表示回程。

取秧和推秧姿態是決定分插機構能否滿足設計要求的關鍵因素，因此，從分析軟件中選取秧與推秧位置的圖像進行分析(圖13a、13f)，結合參數優化結果與仿真，通過測量可知，在秧箱安裝角為55°時，取秧角γ1=14.87°(理論值γ1=16.01°)，推秧角γ2=61.25°(理論值γ2=62.43°)。總體而言，分插機構樣機的軌跡和姿態達到預期設計目標，證明了探出開孔式高速插秧機分插機構設計的正確性。

4.2 機構性能驗證試驗

4.2.1 試驗裝置與方法

為了進一步驗證分插機構的作業性能，在東北農業大學農機具實驗室完成土槽試驗臺架的設計與搭建［32］，如圖14 所示。土槽內土壤深度為12 cm，泡田時間為96 h，模擬田間試驗土壤狀態;試驗時使用可降解纖維地膜覆膜;試驗采用毯狀盤育秧苗，品種吉隆868，苗高約160 mm，苗土厚15 mm［26］。

圖13 分插機構關鍵位置與姿態Fig.13 Key positions and attitudes of transplanter

圖14 土槽試驗臺Fig.14 Soil bin test-bed

根據參數優化結果進行性能驗證試驗，取速比特征系數λ=1.57，考慮到分插機構強度不足、運動軌跡對株距的適應性等問題［13］，故臺架試驗中分插機構回轉速度為30 r/min，則土槽前進速度為150 mm/s，保證株距150 mm 時所優化軌跡的實現，重復進行5 組試驗，每組試驗取速度穩定、株距均勻的10 個膜孔進行測量分析，每組取平均值。

4.2.2 結果與分析

分插機構實際作業過程如圖15 所示，圖15a 中切膜開孔刀探出，未與苗土干涉;圖15b 所示為切膜開孔刀更早接觸地膜切膜，避免秧針攜帶秧苗直接栽植，減少對秧苗根系損傷;圖15c 為推秧栽植動作，此時切膜開孔刀已回收，但刀刃仍在穴口中，繼續進行開孔動作;圖15d 表示栽植和切膜開孔動作已同時完成。水稻膜上探出開孔式分插機構為實現切膜開孔與栽植動作的一體化作業，穴口與栽植位置的匹配關系是保證作業質量的關鍵，如圖15e 所示。

圖15 切膜開孔與栽植過程Fig.15 Working process of transplanting mechanism

試驗結果如表1 所示，實際測量膜上穴孔長度平均值比理論值小3.91 mm，栽植位置比理論值小3.03 mm，主要原因為:切膜開孔刀尖點對地膜施加壓力，地膜產生下沉現象，切膜栽植動作完成后下沉現象消失，如圖15b ～15d 所示。同時，存在前窄后寬的穴口偏差，切膜開孔刀尖點先接觸地膜開狹縫形口，后由于秧針攜帶秧苗栽植，其寬度大于狹縫形穴口，故形成如圖15e 所示的穴口偏差。綜上可知，實測值與理論值偏差均小于4 mm，且偏差趨勢一致，驗證了本文所設計的探出開孔式高速水稻膜上插秧機分插機構能夠依次完成切膜開孔與栽植動作，證明了分插機構的可行性。

表1 理論膜上開孔長度及栽植位置與實際測量值對比Tab.1 Comparison of theoretical hole size on film and planting position with measured values mm

5 結論

(1)根據水稻覆膜栽培的農藝要求，設計了一種探出開孔式水稻膜上插秧分插機構，由一套機構依次完成分秧、切膜開孔、栽植和回程4 個動作，分析了分插機構的工作原理，建立了機構的運動學模型。

(2)基于Visual Basic 6.0 可視化平臺編寫了水稻膜上探出開孔式分插機構的優化設計軟件，通過人機交互的方式獲得一組滿足設計要求的結構參數和相應參數下的運動軌跡:行星架初始安裝角為195°，行星架拐角-74°，回轉半徑為75.04 mm，切膜開孔刀探出行程為20 mm，切膜開孔刀與秧針位置間距為18 mm;速比特征系數λ 為1.57 時，膜上開孔長度為44.31 mm，栽植位置21.63 mm。

(3)通過ADAMS 虛擬樣機仿真與高速攝影試驗得到分插機構的仿真軌跡和實際運動軌跡，對比分析可知，理論軌跡、仿真軌跡和實際運動軌跡基本一致，驗證了探出開孔式高速水稻膜上插秧機分插機構設計的正確性與可行性。

(4)依據所優化的速比特征系數λ =1.57 設置了土槽試驗，結果表明:在實際工作過程中，切膜開孔刀尖點在接觸地膜之前探出，分插機構能夠依次完成切膜開孔和栽植動作，膜上穴口長度與栽植位置滿足理論設計要求，驗證了水稻膜上探出開孔式分插機構設計的可行性。