油菜基質(zhì)塊苗移栽機取苗裝置設(shè)計與試驗

廖慶喜 王 洋 胡喬磊 張青松 何 坤 肖文立

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室， 武漢 430070)

0 引言

長江流域是我國主要的冬油菜種植區(qū)域，稻油輪作茬口矛盾突出，育苗移栽是解決該問題的重要手段[1-3]。人工移栽勞動強度大，易損傷油菜幼苗根系，難以保證作業(yè)質(zhì)量[4]。開發(fā)油菜移栽機對提高移栽效率、節(jié)約農(nóng)時、提升油菜移栽質(zhì)量具有重要意義[5]。取苗裝置是油菜移栽機的關(guān)鍵部件，對移栽作業(yè)效果和栽植質(zhì)量有著決定性的影響[6]。現(xiàn)有油菜移栽機對油菜基質(zhì)塊苗適應(yīng)性較差[7]，目前國內(nèi)尚缺乏適用于油菜基質(zhì)塊苗移栽及其配套取苗裝置的相關(guān)研究。

國外關(guān)于基質(zhì)塊苗移栽機的研制起步較早，如意大利FERRARI公司研發(fā)的FPC型移栽機[8]，實現(xiàn)了對蔬菜基質(zhì)塊苗全自動化覆膜移栽作業(yè)，栽植過程穩(wěn)定可靠；法國CM®ERO公司研制了全自動移栽機[9]，其取苗基于氣動控制原理，實現(xiàn)了對基質(zhì)塊苗的高頻、高效移栽。國外全自動移栽機主要根據(jù)各國作物種植模式和農(nóng)藝要求研制，其整機較為龐大，對田間條件要求較高，不適合我國長江流域稻坂田粘重土壤的油菜移栽實際情況[10]。目前，國內(nèi)對移栽機械及其配套取苗裝置的研究主要針對缽體苗、穴盤苗及毯狀苗。廖慶喜等[11]基于氣動控制原理研制了適用于油菜紙缽苗移栽機的嵌入式氣動取苗裝置，實現(xiàn)了對多行缽苗的同步取苗投苗功能；高國華等[12]運用單驅(qū)動源下的聯(lián)動機構(gòu)設(shè)計了穴盤苗取苗手爪，通過參數(shù)分析降低了移栽過程中的穴苗缽坨損傷；吳崇友等[13-14]對油菜毯狀苗移栽機取苗裝置的取苗過程進(jìn)行分析，通過優(yōu)化相關(guān)參數(shù)提高了移栽質(zhì)量。上述研究借助傳動系統(tǒng)與取苗針實現(xiàn)了移栽機的取苗功能，但均出現(xiàn)因脫苗而造成的基質(zhì)粘附損失和破壞損失。目前鮮有關(guān)于油菜基質(zhì)塊苗移栽機及其配套取苗裝置設(shè)計的報道。

本文以立方體油菜基質(zhì)塊苗為研究對象，設(shè)計一種往復(fù)夾取式取苗裝置，以減小基質(zhì)損失率和脫苗率為目標(biāo)，建立取苗臂的運動學(xué)模型，得出其位移方程及相對運動軌跡，優(yōu)化取苗裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立苗塊的動力學(xué)模型，得到末端執(zhí)行器相關(guān)參數(shù)，通過軌跡提取和臺架試驗驗證該裝置的工作軌跡及取苗作業(yè)性能，以期為油菜基質(zhì)塊苗移栽機配套取苗裝置的研制提供參考。

1 移栽機結(jié)構(gòu)與工作過程

1.1 整機結(jié)構(gòu)與工作過程

油菜基質(zhì)塊苗移栽機結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括立式旋耕驅(qū)動耙、空氣壓縮機、放苗盤、同步帶輸送機構(gòu)、分苗裝置、取苗裝置、開溝器、覆土輪等，其中取苗裝置為其核心部件。參照NY/T 1924—2010《油菜移栽機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》[15]，并結(jié)合油菜基質(zhì)塊苗移栽種植農(nóng)藝要求，確定其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 油菜基質(zhì)塊苗移栽機整機結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagrams of rapeseed substrate seedling transplanter1.載苗盤 2.送苗裝置 3.取苗裝置 4.分苗裝置 5.覆土輪 6.開溝器 7.旋耕刀 8.空氣壓縮機 9.同步帶輸送苗機構(gòu) 10.副機架 11.立式旋耕驅(qū)動耙

工作時，人工將油菜基質(zhì)塊苗放置于載苗盤中，分苗裝置推板將整列苗塊推送至同步帶，苗塊隨同步帶排隊向下運苗至分苗位置，分苗裝置以一定頻率對整列苗塊逐一夾持以達(dá)到單株分離，取苗裝置以相同頻率對苗塊往復(fù)夾取并垂直投苗，苗塊在自身重力作用下下落至栽植器；立式旋耕驅(qū)動耙在拖拉機牽引下對苗床帶進(jìn)行旋耕作業(yè)，形成合理的苗溝，同時為保證苗塊在栽植時的直立度，通過開溝器對溝壑進(jìn)行二次作業(yè)以形成平整溝型，當(dāng)苗塊落入苗溝內(nèi)，安裝在開溝器后端的覆土器及時將土壤填覆至苗塊兩側(cè)，并完成一個周期的移栽作業(yè)。

表1 油菜基質(zhì)塊苗移栽機主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of rapeseed substrate seedling transplanter

1.2 取苗裝置結(jié)構(gòu)與取苗過程

取苗裝置主要由回轉(zhuǎn)曲柄、主動桿、取苗夾板、從動軸、Ⅰ號氣缸、Ⅱ號氣缸、Ⅲ號氣缸及相應(yīng)氣缸固定座等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。其中，Ⅲ號氣缸、Ⅲ號氣缸固定座及取苗夾板構(gòu)成取苗末端執(zhí)行器，可對苗塊進(jìn)行夾持取苗；取苗末端執(zhí)行器與Ⅱ號氣缸、Ⅱ號氣缸固定板、主動桿、從動桿等構(gòu)成往復(fù)擺動機構(gòu)，以Ⅰ號氣缸為動力源，以回轉(zhuǎn)曲柄和從動軸為介質(zhì)，將動力傳動至主動桿，實現(xiàn)取苗裝置往復(fù)運動。

圖2 取苗裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of pick-up device1.回轉(zhuǎn)曲柄 2.主動桿 3.主動桿固定套筒 4.從傳動軸 5.從動桿鉸接座 6.第一副機架 7.取苗夾板 8.Ⅲ號氣缸 9.Ⅲ號氣缸固定座 10.Ⅱ號氣缸 11.Ⅱ號氣缸固定板 12.第二副機架 13.Ⅰ號氣缸

取苗作業(yè)初始狀態(tài)時，Ⅰ號氣缸呈縮短狀態(tài)，Ⅲ號氣缸呈張開狀態(tài)。具體取苗過程為：①取苗進(jìn)程，Ⅰ號氣缸伸出，驅(qū)動往復(fù)擺動機構(gòu)主動桿順時針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)取苗臂垂直于苗盤，取苗夾板置于苗塊兩側(cè)時，取苗裝置處于取苗位置。②取苗時刻，Ⅲ號氣缸閉合，驅(qū)動取苗夾板夾持苗塊基質(zhì)體。③取苗回程，Ⅰ號氣缸收縮，驅(qū)動往復(fù)擺動機構(gòu)主動桿逆時針旋轉(zhuǎn)，使苗塊隨取苗臂遠(yuǎn)離苗盤，使取苗臂運動至與鉛垂線平行，此時取苗裝置處于直立位置。④投苗進(jìn)程，Ⅱ號氣缸伸出，驅(qū)動取苗末端執(zhí)行器向下運動至栽植器上方，即投苗位置。⑤投苗時刻，Ⅲ號氣缸張開，驅(qū)動取苗夾板釋放苗塊，油菜基質(zhì)塊苗落入栽植器中。⑥投苗回程，Ⅱ號氣缸收縮，驅(qū)動取苗末端執(zhí)行器向上運動，取苗裝置回到初始狀態(tài)，完成一次完整的取苗動作。

2 取苗過程運動學(xué)分析

2.1 取苗臂數(shù)學(xué)模型

取苗過程中，往復(fù)擺動機構(gòu)各構(gòu)件長度不變，可以將其簡化為一種外加動力的鉸鏈四桿機構(gòu)。往復(fù)擺動機構(gòu)運動簡圖如圖3所示，其中：BC為主動桿、CE為取苗臂、AD為從動桿、AB為副機架，取苗臂CE與從動桿AD鉸接于D點，ABCDA構(gòu)成封閉四邊形。

圖3 往復(fù)擺動機構(gòu)運動簡圖Fig.3 Kinematic diagram of reciprocate swing mechanism

為保證取苗和投苗時取苗裝置能夠到達(dá)指定位置執(zhí)行取苗和投苗動作，取苗臂偏角應(yīng)滿足如下條件：取苗裝置處于取苗狀態(tài)時，各桿處于ABCDE位置，取苗夾板對苗塊進(jìn)行夾持取苗，此時取苗臂偏角θ1需等于苗盤傾角，即θ1為30°；取苗裝置處于直立狀態(tài)時，各桿處于A′B′C′D′E′位置，此時取苗臂CE偏角θ1需為0°。

設(shè)定鉸鏈四桿機構(gòu)各構(gòu)件尺寸為l1、l2、l3、l4、l5，取苗狀態(tài)時主動桿BC、從動桿AD的初始角分別為φ0、ψ0，直立狀態(tài)時主動桿BC、從動桿AD的位置角為φ1、ψ1。由封閉四邊形ABCDA及A′B′C′D′A′得出機構(gòu)各桿所構(gòu)成的封閉矢量方程[16-17]

l1+l2=l3+l4

(1)

將式(1)轉(zhuǎn)換為標(biāo)量表達(dá)式，并向X、Y方向投影可得各桿件尺寸關(guān)系為

(2)

式中l(wèi)1——主動桿BC長度，mm

l2——取苗臂CD長度，mm

l3——從動桿AD長度，mm

l4——機架AB長度，mm

l5——I號氣缸閉合時，取苗臂CE長度，mm

θ2——機架AB與豎直面傾角，(°)

在取苗過程中，主動桿轉(zhuǎn)角由φ0變化至φ1，往復(fù)擺動機構(gòu)需滿足平面四桿機構(gòu)主動桿存在條件。當(dāng)主動桿轉(zhuǎn)角φ=180°時，主動桿與機架運動學(xué)尺寸重合共線，機構(gòu)存在最小傳動角[18]，為保證機構(gòu)具有良好的傳力性能，該四桿機構(gòu)傳動角應(yīng)大于許用[βmin]。其中[βmin]一般為40°～50°，取[βmin]=50°。故各桿件間尺寸的約束條件為

(3)

2.2 取苗臂運動學(xué)模型

取苗過程中，取苗進(jìn)程與回程、投苗進(jìn)程與回程，取苗臂所形成的相對運動軌跡分別相同，取苗回程與投苗進(jìn)程為攜苗運動過程，該過程取苗臂運動狀態(tài)直接決定苗塊的運動狀態(tài)，分別建立取苗回程和投苗進(jìn)程的運動學(xué)模型，具體如下：

取苗回程階段，根據(jù)圖3建立矢量封閉方程為

lBE=lBC+lCE

(4)

將矢量式轉(zhuǎn)換為解析形式，得出取苗回程階段取苗臂位移方程為

xB=yB=0

(5)

(6)

(7)

整理式(4)～(7)可得

(8)

投苗進(jìn)程階段，取苗臂在水平X方向位置不變，其鉛垂Y方向位移為

yE=l1sin(π-φ(T1)+θ2)+l5sinθ1(T1)+vt
(0≤t≤T2)

(9)

式中θ1(t)——取苗臂偏角關(guān)于時間的函數(shù)

φ(t)——主動桿轉(zhuǎn)角關(guān)于時間的函數(shù)

v——機組前進(jìn)速度，mm/s

T1——取苗回程中取苗裝置運行時間，s

T2——投苗進(jìn)程中取苗裝置運行時間，s

根據(jù)式(8)、(9)繪制取苗回程及投苗進(jìn)程的取苗軌跡如圖4所示。其中，取苗臂末端E點在x方向位移為ΔxE，其物理意義為取苗回程階段取苗軌跡水平間距，取苗臂末端E點在y方向位移為ΔyE，其物理意義為取苗回程階段取苗軌跡高度。其計算方法為

(10)

圖4 相對取苗軌跡Fig.4 Relative seedling trajectory

取苗軌跡水平間距ΔxE及取苗軌跡高度ΔyE與往復(fù)擺動機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，同等條件下，取苗軌跡水平間距ΔxE越大，取苗臂在X方向運動時間越長，則該過程苗塊越不穩(wěn)定而脫苗，取苗軌跡高度ΔyE越大，取苗臂末端點E與地面的距離越大，即取苗回程中苗塊底端與地面的距離逐漸增大，此時若苗塊脫離取苗夾板，苗塊與地面或栽植器碰撞造成基質(zhì)損失率將增大。因此，確定取苗軌跡水平間距ΔxE及取苗軌跡高度ΔyE為往復(fù)擺動機構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)。

2.3 取苗裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

根據(jù)取苗臂位移方程及運動軌跡，分析得出取苗軌跡水平間距ΔxE與取苗軌跡高度ΔyE越小，越有利于取苗可靠及基質(zhì)完整性。考慮取苗裝置與同步帶輸送苗機構(gòu)間的裝配關(guān)系及往復(fù)擺動機構(gòu)各組成構(gòu)件尺寸需求，賦予取苗軌跡水平間距ΔxE及取苗軌跡高度ΔyE邊界條件為

(11)

設(shè)定取苗裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)初值l1=75 mm，l4=171 mm，θ1=30°，θ2=13.5°，[βmin]=50°，采用擬牛頓法和Matlab軟件，對式(2)、(3)、(8)、(10)、(11)組成的非線性方程組進(jìn)行數(shù)值計算與迭代優(yōu)化[19]，取苗軌跡水平間距ΔxE與取苗軌跡高度ΔyE隨迭代變化趨勢如圖5所示，在第2次迭代時得到第1組優(yōu)解參數(shù)組合，隨后迭代過程中取苗軌跡水平間距ΔxE與取苗軌跡高度ΔyE逐漸減小并收斂于穩(wěn)定值，于第10次迭代時完成最終優(yōu)化。

圖5 優(yōu)化目標(biāo)在迭代過程的變化趨勢Fig.5 Trends of optimization goals in iterative process

由最終迭代輸出結(jié)果得到往復(fù)擺動機構(gòu)參數(shù)為：主動桿長度l1=75.10 mm，取苗臂與主動桿鉸接段長度l2=122.08 mm，取苗臂長度l5=335.26 mm，從動桿長度l3=100.42 mm，機架長度l4=171.32 mm，該參數(shù)組合下，取苗軌跡水平間距ΔxE為173.20 mm，取苗軌跡高度ΔyE為29.56 mm。將Matlab計算得出的各構(gòu)件最優(yōu)解及相關(guān)角度保留小數(shù)點后兩位，結(jié)果如表2所示。

3 取苗過程動力學(xué)分析

3.1 苗塊動力學(xué)模型

苗塊在取苗過程中與取苗夾板協(xié)同運動[20-21]，當(dāng)苗塊重力、取苗夾板對苗塊的摩擦力及取苗夾板對苗塊的夾持力的合力，不足以支撐苗塊隨取苗夾板運動時，苗塊將與取苗夾板產(chǎn)生相對位移，并脫離滑落進(jìn)而脫苗，影響取苗可靠性及基質(zhì)損失率[22]。以苗塊質(zhì)心N點為原點，垂直于幼苗主莖稈方向為Fx方向，對苗塊進(jìn)行受力分析，建立取苗回程苗塊的動態(tài)受力坐標(biāo)系如圖6所示，則苗塊臨界脫苗方程為

(12)

表2 往復(fù)擺動機構(gòu)相關(guān)參數(shù)Tab.2 Operation values of pick-up device

式中Fix——所需外部作用力的x向分量，N

Fiy——所需外部作用力的y向分量，N

fsx——取苗夾板對苗塊摩擦力的x向分量，N

fsy——取苗夾板對苗塊摩擦力的y向分量，N

G——苗塊重力

圖6 苗塊受力分析圖Fig.6 Kinematics analysis of seedling block

其中，取苗夾持力與苗塊摩擦力間轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(13)

式中fs——取苗夾板對苗塊的摩擦力，N

fp——取苗夾板對苗塊的夾持力，N

μ——苗塊與取苗夾板間的摩擦因數(shù)

由式(12)、(13)可知，取苗夾持力和苗塊的摩擦因數(shù)是影響脫苗率的關(guān)鍵因素，取苗夾持力越大，苗塊摩擦因數(shù)越大，取苗過程越可靠，同時為保證基質(zhì)完整性，取苗夾持力應(yīng)在苗塊抗壓極限內(nèi)。

聯(lián)立式(12)、(13)得到取苗回程苗塊不脫苗的最小夾持力為

(14)

由式(14)可知，最小取苗夾持力與苗塊摩擦特性有關(guān)，苗塊與取苗夾板間的摩擦因數(shù)越大，取苗過程苗塊所需的最小夾持力越小。

3.2 苗塊力學(xué)特性參數(shù)測定

為減小脫苗率和基質(zhì)損失率，以測定苗塊的摩擦與抗壓特性為目的開展苗塊力學(xué)特性參數(shù)測定試驗，以期為取苗末端執(zhí)行器關(guān)鍵參數(shù)確定提供依據(jù)。

選用育苗周期為28 d的適栽期華油雜62油菜基質(zhì)塊苗作為試驗樣本，其育苗基質(zhì)由蚯蚓糞、黃棕壤、珍珠巖3種成分混合組成，育苗基質(zhì)體積配比為1∶1∶1，基質(zhì)壓實度為1.2，硼硒營養(yǎng)液濃度為3.0%。試驗前采用天平測定苗塊平均質(zhì)量m為0.085 kg，變異系數(shù)為8.18%，采用干濕法測定基質(zhì)平均含水率ρ為23%。

采用圖7a所示的MXD-02型摩擦因數(shù)儀(負(fù)荷范圍0～10 N，精度：0.5級)，隨機選取10株油菜基質(zhì)塊苗，測量苗塊與不同滑道試樣(普通薄鐵板、ABS塑料板及304不銹鋼板)間的摩擦因數(shù)[23]，同一組試驗重復(fù)測量5次，根據(jù)數(shù)顯屏數(shù)值記錄3組試驗的靜、動摩擦因數(shù)，并得出所測定摩擦因數(shù)置信區(qū)間如表3所示。

圖7 苗塊物理特性測定試驗Fig.7 Characteristics test of seedling block1.滑軌試樣 2.基質(zhì)塊苗 3.MXD-02型摩擦因數(shù)儀

表3 摩擦試驗結(jié)果Tab.3 Analysis of friction test results

采用FTC公司生產(chǎn)的TMS-PRO型高精度食品物性分析儀(測力范圍0～1 000 N，精度：±0.1 N)，進(jìn)行抗壓試驗[24]，試驗設(shè)定預(yù)壓縮力為1 N，測試全壓縮量為10 mm，測試壓縮速度為1 mm/s，記錄壓縮全過程的力與變形情況如圖7b所示。

摩擦試驗表明，苗塊側(cè)面與普通薄鐵板間摩擦因數(shù)最大，與ABS塑料板間摩擦因數(shù)次之，與304不銹鋼板間的動摩擦因數(shù)最小；當(dāng)接觸材料為普通薄鐵板時，苗塊基質(zhì)顆粒與鋼板摩擦產(chǎn)生脫落，表現(xiàn)為滑動能力弱，當(dāng)接觸材料為304不銹鋼板或ABS塑料板時，苗塊滑動能力較好。

抗壓試驗表明，當(dāng)壓縮量為0～1 mm時，苗塊所受載荷與壓縮量呈近似線性遞增關(guān)系，載荷隨壓縮量增大而緩慢增大；當(dāng)壓縮量為1～5 mm時，載荷隨壓縮量增大而增大，苗塊表現(xiàn)為具有一定的壓實特性；當(dāng)壓縮量約為5 mm時，外部載荷達(dá)到最大值，此時苗塊出現(xiàn)裂紋、基質(zhì)顆粒粘結(jié)滑移而脫落；當(dāng)壓縮量大于6.5 mm時，基質(zhì)完全破損。可得苗塊基質(zhì)保持完整性的最大壓縮量約為5 mm，對應(yīng)的載荷約為80 N。

綜上分析，苗塊與普通薄鐵板間摩擦因數(shù)最大，所需的取苗夾持力最小，選用普通薄鐵板作為取苗夾板材料，此時苗塊與取苗夾板間的摩擦因數(shù)μ為0.607；在苗塊抗壓極限內(nèi)取安全系數(shù)為0.6，確定取苗夾板對苗塊的許用夾持力應(yīng)小于48 N，許用外部最大夾持量為5 mm。

3.3 取苗末端執(zhí)行器參數(shù)分析

根據(jù)式(8)及取苗臂末端點E與苗塊質(zhì)心點N間的距離關(guān)系，可以獲得取苗回程點N的位移方程，對其求一階和二階導(dǎo)數(shù)，可分別得到點N的速度和加速度。取氣動系統(tǒng)極限循環(huán)周期T為1 s，取苗回程時間T1為取苗周期的40%，為0.4 s，由表2可得主動桿輸出角為39.65°，借助Matlab軟件得出取苗回程苗塊加速度最大值aix為39.91 m/s2，aiy為13.80 m/s2，此時苗塊所需外部作用力分量Fix為1.60 N，F(xiàn)iy為0.71 N，代入式(14)求得取苗夾板的最小取苗夾持力fp為7.07 N。

油菜基質(zhì)塊苗苗塊邊長約為40 mm，主莖稈高度H約為90 mm，為避免損傷幼苗主莖稈，取苗夾板長度D應(yīng)該大于90 mm，取D=100 mm。取苗夾板置于苗塊兩側(cè)取苗，應(yīng)留有不小于2.5 mm的單側(cè)對中余量，取軟墊寬度Wa為0～5 mm，故在Ⅲ號氣缸張開時取苗夾板間距Da應(yīng)不小于45 mm；苗塊許用外部最大夾持量為5 mm，則Ⅲ號氣缸閉合時取苗夾板間距Db應(yīng)為35～40 mm。綜上所述，確定Ⅲ號氣缸為SMC-MHZ2型平行手指氣缸，其常開和常閉時狀態(tài)如圖8所示。

圖8 取苗末端執(zhí)行器工作狀態(tài)Fig.8 Working state of actuator of pick-up device1.手指氣缸 2.軟墊 3.取苗夾板 4.苗塊

查閱SMC-MHZ2型氣缸參數(shù)[25]可知，當(dāng)手指氣缸缸徑為20 mm時，取苗夾板常開間距為42.3～52.3 mm，常閉間距為32.3～42.3 mm，符合取苗夾板間距需求；氣壓為0.8 MPa時，手指氣缸提供的理論夾持力為33 N，滿足最小夾持力7.07 N需求，且其對苗塊的夾持負(fù)載程度相對較輕，有利于減小基質(zhì)損失，因此選取末端執(zhí)行器氣缸缸徑為20 mm。

4 試驗

4.1 軌跡驗證

4.1.1虛擬仿真分析

為探究該取苗裝置在移栽過程中的絕對取苗軌跡，利用三維造型軟件SolidWorks完成取苗裝置的三維設(shè)計以及虛擬裝配，并將裝配體導(dǎo)入計算機仿真分析軟件ADAMS中，參照文獻(xiàn)[26-27]對仿真模型設(shè)置運行參數(shù)，根據(jù)東方紅954型拖拉機掛接移栽機后，實測的慢1擋機組前進(jìn)速度為0.22 m/s，對取苗裝置模型賦予整體移動速度和移動方向，設(shè)定運動循環(huán)周期為1.5 s，即取苗頻率為40株/min。

圖9為仿真取苗軌跡(A1B1C1D1E1F1A2)，分為如下4個軌跡段：

(1)取苗進(jìn)程軌跡段A1B1：取苗臂以A1為初始點向取苗位置移動，在到達(dá)取苗位置B1時夾取苗塊。

(2)取苗回程軌跡段B1C1：取苗臂帶動苗塊一起運動至C1；隨后投苗回程至投苗進(jìn)程轉(zhuǎn)換取苗臂豎直方向保持靜止，在水平方向隨模型整體平移至D1。

(3)投苗進(jìn)程軌跡段D1E1：取苗臂在Ⅲ號氣缸作用下向下移動，當(dāng)?shù)竭_(dá)E1時釋放苗塊；隨后手指氣缸由張開至閉合，該過程取苗臂豎直方向保持靜止，在水平方向隨模型整體平移至F1。

(4)投苗回程軌跡段F1A2：取苗臂在Ⅲ號氣缸作用下向上移動至A2，隨后以A2為起始點，以相同運動軌跡開始下一次取苗作業(yè)。

圖9 ADAMS模型仿真軌跡Fig.9 Simulation trajectory of ADAMS model

機組運動方向與X正方向一致，故取苗進(jìn)程，取苗臂在X方向上運動趨勢與機組運動相同，取苗回程，取苗臂在X方向上運動趨勢與機組運動相反，因此仿真取苗軌跡水平間距數(shù)值計算為點B1與點C1的橫坐標(biāo)差值、點B1與點A1的橫坐標(biāo)差值之和的均值；機組在Y方向上無運動，仿真取苗軌跡高度數(shù)值計算為點B1與點C1縱坐標(biāo)差值或點B1與點A1縱坐標(biāo)差值。

由ADAMS導(dǎo)出數(shù)據(jù)點得相關(guān)坐標(biāo)值為A1(0，0)、B1(285.56 mm，29.94 mm)、C1(223.28 mm，29.94 mm)，經(jīng)計算得出仿真取苗軌跡水平間距為173.92 mm，仿真取苗軌跡高度為29.94 mm。

4.1.2高速攝影分析

為驗證取苗裝置實際運動軌跡是否滿足取苗需求，將取苗裝置參數(shù)取整，取主動桿長度為75 mm，從動桿長度為100 mm，機架長度為171 mm，取苗臂長度為335 mm，為減小制造誤差，采用福斯特公司生產(chǎn)的FST-1530型數(shù)控金屬激光切割機(精度：±0.01 mm)進(jìn)行相關(guān)構(gòu)件切割，按照工藝要求完成移栽機裝配。以東方紅954型拖拉機為動力，參照文獻(xiàn)[28-30]試驗方法開展高速攝影軌跡驗證試驗，如圖10a所示。調(diào)節(jié)空氣壓縮機輸出壓力為0.8 MPa，通過控制程序調(diào)節(jié)各氣缸運行時間，手動調(diào)節(jié)節(jié)流閥以調(diào)節(jié)各氣缸速度，進(jìn)而準(zhǔn)確控制取苗頻率為40株/min，東方紅954型拖拉機調(diào)至慢1擋，機組前進(jìn)速度為0.22 m/s，采用PCO.dimax HD+型高速攝像機實時拍攝取苗臂標(biāo)記點，運用Cam Ware V3.14軟件記錄拍攝過程，運行Startrails圖像合成軟件對所拍攝圖像進(jìn)行疊加處理，其中高速攝像機拍攝速度為2 000 f/s，獲得實際取苗軌跡如圖10b所示。

圖10 高速攝影驗證試驗Fig.10 High-speed photography verification experiment1.移栽機樣機 2.空氣壓縮機 3.高速攝影系統(tǒng) 4.計算機

將試驗所獲實際取苗軌跡圖導(dǎo)入AutoCAD中，調(diào)節(jié)圖框尺寸與實際尺寸比例為1∶1，通過測量圖上各點橫向及縱向尺寸，得到A1B1橫向長度為286.31 mm，A1B1縱向長度為30.40 mm，B1C1橫向長度為64.25 mm，經(jīng)計算得出實際取苗軌跡水平間距為175.28 mm，實際取苗軌跡高度為30.40 mm，與理論值及仿真值的相對誤差均小于3%，驗證了取苗裝置設(shè)計的合理性。

4.2 臺架試驗

為驗證取苗裝置的可行性，開展取苗裝置臺架驗證試驗，如圖11所示，試驗場地為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機械實訓(xùn)基地。試驗設(shè)定取苗頻率為40株/min，每行載苗盤放置48株油菜基質(zhì)塊苗，共4行，試驗前后每行基質(zhì)塊苗均進(jìn)行稱量處理。試驗以取苗成功率、脫苗率及基質(zhì)損失率作為評價指標(biāo)，其中基質(zhì)損失率的樣本數(shù)為試驗樣本總數(shù)，其計算方法分別為

(15)

(16)

(17)

式中S——取苗成功率，%

T——脫苗率，%

Q——基質(zhì)損失率，%

N——樣本總數(shù)，取192

NS——被取苗夾板成功夾取的基質(zhì)塊苗數(shù)

NT——取苗過程脫離取苗夾板的基質(zhì)塊苗數(shù)

Ma——試驗前樣本總質(zhì)量，g

Mb——試驗后樣本總質(zhì)量，g

圖11 取苗裝置臺架試驗Fig.11 Bench test of seedling pick-up device

取苗試驗結(jié)果為取苗成功率93.33%、脫苗率2.86%、基質(zhì)損失率3.75%，表明該取苗裝置取苗效果能夠滿足油菜基質(zhì)塊苗移栽機的取苗要求。

分析取苗失效及脫苗率產(chǎn)生的原因主要有：分苗裝置擋苗板對苗塊限位失效，致使取苗裝置在運動至取苗臺前，苗塊即已脫離取苗臺，造成取苗失效，如圖12b所示；取苗裝置與分苗裝置同步性有待提高，分苗裝置擋苗板對苗塊限位時間與取苗進(jìn)程存在時間差，致使出現(xiàn)空取現(xiàn)象，造成取苗失效，如圖12c所示；少數(shù)苗塊基質(zhì)強度不高，取苗驅(qū)動氣缸速度較快，造成臺架振動使苗塊脫離取苗夾板，產(chǎn)生脫苗。

圖12 取苗效果Fig.12 Effects of seedlings pick-up

5 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種往復(fù)夾取式取苗裝置，根據(jù)垂直苗盤取苗及平行鉛垂線投苗的取苗臂位置要求，確定了取苗裝置各構(gòu)件尺寸關(guān)系，構(gòu)建了取苗臂運動學(xué)模型，分析得出其位移方程及相對運動軌跡。以減小取苗軌跡水平間距及取苗軌跡高度為優(yōu)化目標(biāo)，借助Matlab軟件和擬牛頓法優(yōu)化取苗裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)為：主動桿長度75.10 mm，從動桿長度100.42 mm，機架長度171.32 mm，取苗臂長度335.26 mm，該參數(shù)組合下，取苗軌跡水平間距為173.20 mm，取苗軌跡高度為29.56 mm。

(2)通過創(chuàng)建苗塊的動力學(xué)模型，得到苗塊臨界脫苗方程，結(jié)合苗塊力學(xué)特性參數(shù)測定試驗，確定最小取苗夾持力為7.07 N、末端執(zhí)行器氣缸缸徑為20 mm。

(3)借助ADAMS軟件獲得仿真取苗軌跡，運用高速攝影技術(shù)提取實際取苗軌跡，實際取苗軌跡水平間距為175.28 mm，實際取苗軌跡高度為30.40 mm，與理論值和仿真值的相對誤差均小于3%，驗證了取苗裝置設(shè)計的合理性。臺架試驗表明，取苗成功率為93.33%，脫苗率為2.86%，基質(zhì)損失率為3.75%，滿足油菜基質(zhì)塊苗移栽要求。