辣椒移栽機栽植機構的參數設計與仿真研究*

徐志波，喻麗華，羅 震，張富貴

(貴州大學 機械工程學院，貴州 貴陽 550025)

0 引 言

據統計，我國的辣椒年種植面積已達2×107hm2，其中，貴州辣椒種植面積約占全國辣椒種植面積的1/4[1-2]。貴州辣椒種植多為丘陵山地，種植環境復雜、機械化作業難度大、生產成本高。當前，貴州辣椒移栽主要依靠手工完成，引進了幾款旱地小苗移栽機用于辣椒移栽，但因復雜的地形地貌、土壤環境等問題，使得移栽機大多處于閑置狀態。

根據栽植機構類型和栽植方式的不同，移栽機主要有鏈夾式、圓盤式、導苗管式及吊杯鴨嘴式[3-7]。其中，鏈夾式、圓盤式和導苗管式移栽機以開溝、落苗和覆土3步完成移栽，主要適于小苗的不覆膜移栽。而吊杯鴨嘴式移栽機采用打孔放苗的移栽方式，不但適于不覆膜移栽，也適于膜下移栽，是當前蔬菜膜下移栽應用較廣的一種機型。鴨嘴式栽植機構作為移栽機的關鍵部件，其接苗、打孔、放苗及回程等動作決定著整機的栽植性能[8]。

為提高移栽機的栽植質量，許多學者在栽植機構的優化方面開展了許多研究。李旭英等[9]通過改進吊杯式移栽機的栽植器結構，并優化了其運動性能參數，減小了移栽過程中穴口尺寸；陳建能等[10]提出了一種缽苗移栽機橢圓齒輪行星系旋轉式植苗機構，并對機構進行了參數分析，建立了微分方程；胡建平等[11]提出了一種行星輪多轉臂式栽植機構，仿真分析了鴨嘴栽植器末端運動軌跡，得到了缽苗栽植狀態較好的運動特征參數λ值。但專門針對移栽機在山地作業中存在的問題，開展栽植機構參數優化的研究則鮮有報道。

針對一款鴨嘴式移栽機在作業中存在苗直立度低、撕膜口尺寸大、移栽機穩定性差等問題，筆者開展鴨嘴多桿式栽植機構的建模、結構參數設計和運動學仿真分析。

1 栽植機構的工作原理

栽植機構是移栽機的核心部件，筆者設計的多桿式栽植機構示意圖如圖1所示。

圖1 多桿式栽植機構示意圖

該機構主要由曲柄導桿組、2個平行四邊形機構及連接件4部分組成；曲柄導桿組包括曲柄L1、連桿L2及套筒C；機構FGHI是一個由機架GH、搖桿L6、搖桿L12、連桿L13構成的雙搖桿機構；機構EMOJ由連桿L4、連桿L8、連桿L9、連桿LMO、連桿L10構成；連桿L5、連桿L10、連桿L11、連桿L12形成一個剛性連接件EFIJ。栽植器安裝于連桿LMO，P點為鴨嘴栽植器末端點。

作業時，曲柄L1的轉動帶動桿L2在套筒C中滑動和擺動，進而使2個平行四邊形機構在曲柄導桿組的驅動下完成一個復合式運動，最終由連桿LMO帶動鴨嘴栽植器按一定軌跡作栽植運動。曲柄L1從初始相位角位置，以一定速度旋轉一周，即可完成接苗、落苗的一個辣椒苗移栽工作。在移栽機作業時，要求栽植機構各部分協調運動，保證苗直立度、栽深、株距，避免傷苗、帶苗、撕膜等。

2 栽植機構的運動數學模型

筆者以A為原點，水平方向為x軸的正方向，豎直方向為y軸的正方向，建立坐標系；設移栽機運動方向v與x軸的正方向相反，曲柄L1以角速度w逆時針旋轉。多桿式栽植機構參數如表1所示。

表1 多桿式栽植機構參數

在變量θ1、θ5、α、β及L1至L14已知情況下，根據圖1建立辣椒移栽機多桿栽植機構的封閉矢量方程如下：

(1)

(2)

將矢量方程(1)轉換為解析式：

(3)

由式(3)可求出變量θ2：

式(3)經簡化整理為：

A1sinθ2+B1cosθ2+C1=0

(4)

其中：

將矢量方程(2)轉換為解析式，即可得出以下各點位置方程：

xA=yA=0

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

整理式(10)如下：

(12)

由式(3)求出的參數θ2，代入式(11)，可解出未知變量θ4。

式(10)經簡化整理為：

A2sinθ4+B2cosθ4+C2=0

(13)

其中：

M點位置移動方程為：

(14)

鴨嘴栽植器末端P點的位置方程為：

(15)

鴨嘴栽植器端點P的運動軌跡方程為：

(16)

式中：v—移栽機前進速度；t—時間。

對式(16)求一階導數和二階導數，即可得出鴨嘴栽植器底端P點的速度和加速度。

3 栽植機構參數設計

3.1 設計目標及約束條件

3.1.1 設計目標

在辣椒移栽作業過程中，首先要保證移栽苗的直立度；其次在滿足苗栽深度要求下，減小撕膜尺寸；其三在栽植器運動的過程中應避免傷苗、帶苗。

根據圖1和文獻[12]，栽植機構設計目標為：

(1)栽植器末端在壟面下的入土軌跡和出土軌跡的最大橫向距離應趨近于零，即零速投苗；

(2)栽植器末端在壟面下的運動達到最低點時與壟面的距離，應滿足苗栽深50 mm～100 mm，這里取栽深為100 mm作為設計目標；

(3)在移栽期的辣椒苗高主要集中在125 mm～191 mm，需大于最大苗高191 mm，結合整機裝配情況，栽植器末端運動軌跡的最高點和最低點的距離取230 mm。

3.1.2 約束條件

綜合考慮機構的幾何關系及空間布置，結合機構運動的運動規律，應滿足多桿機構運動條件LBD-LDE

3.1.3 設計變量

曲柄AB的長度L1、連桿BD的長度L2、連桿DE的長度L4、連桿EF的長度L5、連桿FG的長度L6、連桿DM的長度L8、鴨嘴栽植器與連桿DM安裝所呈夾角β。

3.2 設計結果

根據數學模型，筆者通過給定各主要桿件長度初始值和鴨嘴栽植器安裝初始角等參數，并根據設計目標和機構運動關系，調用MATLAB中的數學多目標規劃問題函數fgoalattain，進行.m程序文件編寫[13]。

機構參數設計流程如圖2所示。

圖2 機構參數設計流程

根據移栽機田間實際工作情況，設定其前進速度為v=0.3 m/s，移栽頻率為60株/min的條件下，筆者得出設計前、后的多桿式栽植機構主要參數如表2所示。

表2 多桿式栽植機構主要參數

4 栽植機構仿真與分析

為了驗證栽植機構結構設計的合理性，筆者將其結構模型的.x_t文件導入Recurdyn中。在Recurdyn中，筆者根據移栽機作業的運動規律，給機構主動件添加驅動及其他連接桿件添加運動約束。

設置栽植機構前進速度v=0.3 m/s，控制栽植器運動的曲柄L1的角速度為w=2π rad/s，通過運動學仿真分析，筆者得到一個運動周期內的初始參數下栽植點P的運動軌跡，如圖3所示。

圖3 初始參數下栽植點P的運動軌跡

參數設計后栽植點P的運動軌跡如圖4所示。

圖4 參數設計后栽植點P的運動軌跡

4.1 栽植機構運動軌跡及位移分析

對栽植機構仿真結果進行數據處理，得到栽植點P的位移曲線如圖5所示。

圖5 栽植點P的位移曲線I—栽植軌跡最高點;II—栽植軌跡最低點;III—入土軌跡和出土軌跡在壟面上的交叉點;a—II點附近的水平位移;b—III點附近的水平位移

根據栽植點P的運動軌跡和位移曲線可知：

(1)栽植器末端P點運動軌跡最高點和最低點的距離，即為圖5中垂直方向位移曲線上I點與II點的高度差為233 mm(初始參數下，高度差為265 mm)，即與設計目標相吻合，能有效避免了傷苗、帶苗；

(2)栽植器末端P點在栽植軌跡最低點到入土軌跡和出土軌跡在壟面上的交叉點的距離，即為圖5中垂直方向位移曲線上II點與III點的高度差為97.54 mm(初始參數下，高度差為102.1 mm)，能有效地保證苗移栽深度與苗直立度；

(3)栽植器末端P點的入土軌跡和出土軌跡在壟面下的最大橫向距離，即為圖5中水平方向位移曲線上a點與b點之間的最大高度差為8.3 mm(初始參數下，高度差為21.6 mm)，使得機構栽植軌跡接近于重合狀態，移栽苗的直立度及壟面膜上移栽撕膜口尺寸得以保證。運動位移曲線I點的軌跡平緩，即機構運行平穩，利于接苗。

4.2 速度與加速度分析

栽植器末端的速度、加速度分析是衡量多桿式栽植機構性能的重要評價指標[14-15]。因此，筆者根據栽植機構仿真結果，處理得到栽植點P的速度與加速度曲線如圖6所示。

圖6 栽植器P點的速度與加速度曲線

圖6中，接苗點在0.48 s附近，栽植器P點的水平速度絕對值在0.122 m/s上下變化(初始參數下，接苗點在0.72 s(I點)附近，栽植器P點的水平速度絕對值為0.306 m/s)，接苗點速度越小越利于提高接苗的穩定性；選落苗點在0.96 s(II點)附近，栽植器P點的水平速度絕對值在0.106 m/s上下變化(初始參數下，落苗點在1.1 s附近，栽植器P點的水平速度絕對值為0.285 m/s)，根據零速投苗原理，速度越小越有利于提高移栽苗的直立度和膜上移栽撕膜口尺寸。通過機構結構參數設計，在0.48 s～0.96 s，栽植器加速下降，在0～0.48 s和0.96 s～1.5 s，栽植器加速上升，極大提高了移栽效率。

綜合以上栽植機構運動軌跡分析及鴨嘴栽植器末端位移、速度和加速度仿真結果分析，表明該設計能滿足設計要求，提高移栽機的栽植性能。

5 結束語

(1)基于現有移栽機作業中存在的問題，筆者設計了一個由曲柄導桿組、兩個平行四邊形機構及連接件所組成的鴨嘴多桿式栽植機構，并建立了該機構的運動學模型；

(2)結合貴州山地辣椒栽植農藝要求及移栽期辣椒苗的主要技術指標，提出了栽植機構的設計目標，基于MATLAB軟件進行機構參數化設計，最終獲得了影響機構運動軌跡和姿態的主要參數優化組合為：L1=35.6 mm，L2=285.8 mm，L4=55.9 mm，L5=48.1 mm，L6=238.3 mm，L8=185 mm，β=4.82°；

(3)通過RecurDyn軟件對參數設計前、后的栽植機構進行運動學仿真，得到了其運動軌跡以及速度、加速度和位移運動規律。

仿真研究結果表明，參數設計的栽植器末端P點運動軌跡最高點和最低點的距離為233 mm，機構移栽深度為97.5 mm，栽植器末端P點在壟面下運動軌跡的最大橫向距離為8.3 mm，均達到了設計目標要求；且降低了鴨嘴在接苗和放苗時的豎直瞬時速度，移栽性較優化前得到了提高。