旱地缽苗移栽復(fù)式作業(yè)機(jī)栽植機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

那明君 滕 樂 周 坤 王金武 董 欣 周脈樂

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

目前我國旱地缽苗移栽仍以人工移栽為主，功能單一的半自動(dòng)移栽為輔[1-3]。半自動(dòng)移栽機(jī)存在作業(yè)質(zhì)量不能滿足生產(chǎn)要求、作業(yè)效率低、機(jī)具投入產(chǎn)出比低等問題，開展旱地缽苗移栽復(fù)式作業(yè)機(jī)研究，滿足機(jī)具一次進(jìn)地完成成穴、穴內(nèi)施肥、移栽、注水覆土和覆膜所有農(nóng)藝要求，提高機(jī)具綜合作業(yè)效率，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[4-6]。

栽植機(jī)構(gòu)是旱地缽苗移栽機(jī)械核心工作部件，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量研究。JEONG-HYEON等[7]研究的凸輪式栽植機(jī)構(gòu)，漏苗率低且不易傷苗，但秧苗栽植軌跡不理想，秧苗栽植合格率低；YOUNG-BONG等[8]提出了一種四連桿凸輪式移栽機(jī)構(gòu)，栽植軌跡理想，但栽植過程中振動(dòng)大，漏苗率高；于英杰等[9]提出了雙曲柄五桿式移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，可適應(yīng)復(fù)雜地形，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；何亞凱等[10]設(shè)計(jì)了一種凸輪擺桿式栽植機(jī)構(gòu)，缽苗栽植直立度優(yōu)良，但其凸輪結(jié)構(gòu)精度要求高，加工制造難度較大；金鑫等[11]提出了曲柄滑槽式栽植機(jī)構(gòu)，移栽軌跡較優(yōu)，但運(yùn)動(dòng)時(shí)受滑槽限制，振動(dòng)噪聲明顯。

本文設(shè)計(jì)一種曲柄連桿附加平行四桿的栽植機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)接苗、運(yùn)苗、扶苗栽植和復(fù)位等功能；開展栽植機(jī)構(gòu)理論分析與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到滿足移栽農(nóng)藝要求的接苗和扶苗栽植運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速度；開展樣機(jī)田間試驗(yàn)，驗(yàn)證栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與正確性。

1 設(shè)計(jì)要求與工作原理

1.1 設(shè)計(jì)要求

栽植機(jī)構(gòu)是旱地缽苗移栽機(jī)的核心部件，作業(yè)時(shí)人工將缽苗投入輸苗盤，由輸苗盤送入栽植器后完成田間自動(dòng)移栽。綜合考慮旱地缽苗栽植農(nóng)藝特點(diǎn)、機(jī)具功能要求和現(xiàn)有栽植機(jī)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果[12-13]，提出一種曲柄連桿機(jī)構(gòu)。連桿末端點(diǎn)E的兩個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)了栽植器運(yùn)動(dòng)軌跡的要求；機(jī)構(gòu)附加的兩個(gè)聯(lián)動(dòng)的平行四桿機(jī)構(gòu)BB′C′C和BDEF，使栽植器增加了一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，保證了栽植器始終與壟面垂直。栽植機(jī)構(gòu)在曲柄OA驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)栽植器，實(shí)現(xiàn)接苗—送苗導(dǎo)入—扶苗栽植—回程復(fù)位移栽運(yùn)動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，如圖1所示。

圖1 栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.1 Movement track of planting mechanism1.栽植機(jī)構(gòu) 2.相對(duì)軌跡 3.絕對(duì)軌跡

旱地缽苗移栽復(fù)式作業(yè)機(jī)的栽植軌跡與栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足如下要求：

(1)為保證可靠接取秧苗，接苗段cd的水平位移盡量小、運(yùn)動(dòng)速度低，與栽植器夾指保持閉合狀態(tài)；前期接苗試驗(yàn)研究表明，栽植器在接苗段的水平位移需小于40 mm。

(2)送苗導(dǎo)入段da栽植器夾指保持閉合狀態(tài)。

(3)栽植段ab的水平運(yùn)動(dòng)速度趨近零，即栽植器入土、在點(diǎn)a逐漸開啟，隨后觸底、提升這一栽植過程中水平方向的絕對(duì)位移應(yīng)趨于零[14-15]。為保證栽植后缽苗的直立度和穩(wěn)定性，栽植機(jī)構(gòu)在栽植段運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)保持與地面近于垂直[16]且有足夠高度(前期實(shí)驗(yàn)表明其高度大于等于缽體高度185%效果較優(yōu))。

(4)復(fù)位段bc栽植器完成扶苗上移至b開度達(dá)最大，夾指臨近點(diǎn)c快速閉合；栽植機(jī)構(gòu)的栽植器夾指開啟范圍的變化應(yīng)滿足在栽植過程具有對(duì)缽苗扶苗作用和栽植后避讓秧苗的功能，以確保缽苗移栽的穩(wěn)定性；為避免栽植器粘土堵塞，在栽植過程中的栽植段與復(fù)位段利用機(jī)具向缽苗注水覆土作業(yè)同時(shí)對(duì)栽植器的夾指沖刷(針對(duì)粘土)，并利用栽植器上的復(fù)位彈簧快速復(fù)位產(chǎn)生的振動(dòng)抖落粘附夾指上的土壤。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

旱地缽苗移栽復(fù)式作業(yè)機(jī)如圖2所示，機(jī)具由成穴機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)、栽植機(jī)構(gòu)(圖3)、輸苗盤、施肥機(jī)構(gòu)、注水機(jī)構(gòu)、覆土圓盤、覆膜機(jī)構(gòu)及機(jī)架等構(gòu)成，機(jī)具一次進(jìn)地完成壟上成穴、穴內(nèi)施肥、移栽、注水覆土和覆膜移栽作業(yè)，可適用于多種旱地缽苗的移栽，如西瓜、甜瓜、茄子、草莓、烤煙等。

圖2 旱地缽苗移栽復(fù)式作業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of structure of dryland pot seedling transplanting compound machine1.機(jī)架 2.肥箱 3.地輪 4.成穴機(jī)構(gòu) 5.傳動(dòng)系統(tǒng) 6.栽植器 7.注水管 8.輸苗盤 9.地膜輪 10.水箱 11.注水控制機(jī)構(gòu) 12.壓膜輪 13.覆土圓盤

圖3 栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Planting mechanism structure diagram1.桿機(jī)構(gòu) 2.開度控制板 3.壓桿 4.復(fù)位彈簧 5.夾指

1.3 工作原理

移栽作業(yè)時(shí)，在拖拉機(jī)牽引下地輪通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。成穴機(jī)構(gòu)由固定在桿機(jī)構(gòu)上的成穴鏟在回轉(zhuǎn)曲柄驅(qū)動(dòng)下垂直壟面做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，與機(jī)具合成運(yùn)動(dòng)擠壓土壤形成穴坑；施肥機(jī)構(gòu)通過軟管連接排肥器與成穴鏟；多工位回轉(zhuǎn)輸苗盤轉(zhuǎn)動(dòng)至栽植器上方將缽苗投入到栽植器內(nèi)；栽植器由曲柄搖桿帶動(dòng)的平行四桿機(jī)構(gòu)將缽苗栽植至穴坑底部；當(dāng)栽植器接近穴坑底部時(shí)，夾指逐漸開啟栽植缽苗，水流在注水機(jī)構(gòu)控制下經(jīng)水管流出沖刷穴坑邊緣，水流裹挾土壤流至穴坑中心完成對(duì)缽苗缽體覆土；栽植器上移回程接近接苗區(qū)時(shí)，夾指閉合進(jìn)入接苗階段，最后覆膜機(jī)構(gòu)對(duì)缽苗進(jìn)行覆膜作業(yè)，完成整個(gè)栽植過程。

栽植器鉸接在桿機(jī)構(gòu)上構(gòu)成栽植機(jī)構(gòu)。栽植器圓周上均布4個(gè)鉸接的夾指，當(dāng)栽植器進(jìn)入栽植段(圖1軌跡abc段)時(shí)，擺臂受到開度控制板(該板與機(jī)架固定)的擠壓繞固定軸擺動(dòng)，擺臂上的壓桿壓動(dòng)夾指上端使夾指開啟。在栽植區(qū)，夾指接近穴坑底部時(shí)逐漸開啟；上移扶苗過程中開度逐漸加大，此階段完成注水(水量視土壤墑情確定)覆土、同時(shí)完成對(duì)夾指沖刷；進(jìn)入復(fù)位階段夾指達(dá)到最大開啟狀態(tài)(避免與缽苗葉片刮碰)，臨近接苗段時(shí)脫離開度控制板的控制，在復(fù)位彈簧的作用下夾指快速閉合時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，抖落粘附的土壤。夾指式栽植器與傳統(tǒng)“對(duì)開封閉”鴨嘴栽植器相比，夾指式栽植器夾指間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使粘附在夾指上的土壤散落，結(jié)構(gòu)上利于解決栽植器的擁堵。

2 栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1 栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)模型

為建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，簡(jiǎn)化栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)，建立了旱地缽苗栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)模型，該機(jī)構(gòu)是以曲柄為原動(dòng)件的七桿機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)栽植器具有3個(gè)自由度，如圖4所示。其中，曲柄OA的驅(qū)動(dòng)位置點(diǎn)O作為坐標(biāo)原點(diǎn)，為分析方便，在該點(diǎn)建立平面直角坐標(biāo)系，取x軸水平向右為正方向，y軸垂直向上為正方向，曲柄OA逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為負(fù)，點(diǎn)G為栽植器夾指末端點(diǎn)。通過建立栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型[17-19]，結(jié)合缽苗移栽農(nóng)藝要求，優(yōu)化機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖4 栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Structural model of planting mechanism

2.2 栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立

在缽苗栽植機(jī)構(gòu)工作過程中，曲柄OA逆時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，由圖4建立機(jī)構(gòu)的位移矢量方程

LOA+LAC=LOC

(1)

曲柄OA端點(diǎn)A的位移方程為

(2)

式中LOA——曲柄OA長度，mm

α1——曲柄OA角位移，(°)

搖桿BC端點(diǎn)B的位移方程為

(3)

式中LAB——連桿AB長度，mm

LBC——搖桿BC長度，mm

α2——連桿AB繞OA角位移，(°)

α3——搖桿BC角位移，(°)

xC、yC——點(diǎn)C位移

拐桿BE端點(diǎn)E的位移方程為

(4)

式中LBE——拐桿BE長度，mm

θ——桿AB與桿BE間夾角，(°)

搖桿BC的角位移為

α3=β+δ

(5)

其中

式中β——AC連線與水平方向夾角，(°)

δ——AC連線與搖桿BC夾角，(°)

根據(jù)兩組平行四桿機(jī)構(gòu)可得栽植器端點(diǎn)G始終在點(diǎn)E的垂直下方，栽植器端點(diǎn)G的位移方程為

(6)

式中LEG——栽植器EG長度，mm

2.3 機(jī)構(gòu)速度方程

對(duì)點(diǎn)A的位移方程求一階導(dǎo)數(shù)，得點(diǎn)A速度方程為

(7)

對(duì)點(diǎn)B的位移方程求一階導(dǎo)數(shù)，得點(diǎn)B速度方程為

(8)

對(duì)點(diǎn)E的位移方程求一階導(dǎo)數(shù)，得點(diǎn)E速度方程為

(9)

對(duì)點(diǎn)G的位移方程求一階導(dǎo)數(shù)，得點(diǎn)G速度方程為

(10)

3 栽植機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與仿真

根據(jù)所建立的栽植機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，基于Visual Basic 6.0可視化編程開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)出“旱地缽苗栽植機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件”。

3.1 優(yōu)化目標(biāo)與參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)旱地缽苗移栽的農(nóng)藝要求，結(jié)合栽植機(jī)構(gòu)的軌跡形態(tài)與前期研究基礎(chǔ)設(shè)立栽植機(jī)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)4個(gè)：栽植機(jī)構(gòu)在接苗段相對(duì)于機(jī)架的水平位移需小于40 mm；栽植段軌跡應(yīng)保證栽植器垂直于地面，即栽植器端點(diǎn)在栽植階段的水平分速度近似為零，依據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，適于本機(jī)具移栽的秧苗營養(yǎng)缽平均高度為40 mm，經(jīng)模擬試驗(yàn)確定栽植區(qū)絕對(duì)軌跡直線段高度大于等于營養(yǎng)缽高度的185%；為確保栽植機(jī)構(gòu)與地面不干涉，曲柄運(yùn)動(dòng)最低點(diǎn)離地高度需大于150 mm。

選擇LOC、LOA、LAB、LBC、LBE、LEG、θ作為優(yōu)化變量。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在優(yōu)化軟件中輸入農(nóng)藝參數(shù)：栽植株距500 mm、作業(yè)速度20 m/min和機(jī)構(gòu)初始參數(shù)，界面顯示對(duì)應(yīng)的栽植機(jī)構(gòu)工作軌跡和姿態(tài)。

為了進(jìn)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于課題組自主研制的計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，利用Visual Basic 6.0設(shè)計(jì)了旱地缽苗栽植機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)程序。結(jié)合移栽農(nóng)藝與優(yōu)化目標(biāo)，在優(yōu)化軟件中輸入農(nóng)藝參數(shù)和機(jī)構(gòu)初始參數(shù)，根據(jù)所建立的缽苗栽植機(jī)構(gòu)理論模型，對(duì)栽植機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過人機(jī)交互優(yōu)化得到滿足要求的理想軌跡[20-23](圖5)和一組滿足移栽要求的較優(yōu)機(jī)構(gòu)參數(shù)：LOC=210 mm；LAC=210 mm；LOA=100 mm；LAB=220 mm；LBC=130 mm；θ=15°；LBE=240 mm；LEG=440 mm。

圖5 移栽軌跡優(yōu)化結(jié)果Fig.5 Transplanting trajectory optimization results

由優(yōu)化參數(shù)得到栽植器末端點(diǎn)速度曲線如圖6所示，由圖可知，栽植機(jī)構(gòu)的栽植器移栽作業(yè)運(yùn)動(dòng)是不等速傳動(dòng)。

圖6 優(yōu)化參數(shù)下速度曲線Fig.6 Speed curves under optimized parameters

3.2 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果分析

3.2.1相對(duì)運(yùn)動(dòng)與絕對(duì)運(yùn)動(dòng)分析

相對(duì)運(yùn)動(dòng)為旱地缽苗栽植機(jī)構(gòu)栽植器端點(diǎn)相對(duì)移栽機(jī)機(jī)架的運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5a所示。在軌跡上端附近，栽植器在接苗段相對(duì)于機(jī)架的水平位移為30 mm，小于40 mm，滿足優(yōu)化目標(biāo)。

絕對(duì)運(yùn)動(dòng)為旱地缽苗栽植機(jī)構(gòu)相對(duì)地面的運(yùn)動(dòng)，栽植器端點(diǎn)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5b所示。曲柄最低點(diǎn)與壟面距離為200 mm，大于150 mm，滿足優(yōu)化目標(biāo)要求。栽植機(jī)構(gòu)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡在栽植區(qū)域形成長度約100 mm、與水平方向的夾角為83°的重疊直線段，滿足栽植區(qū)絕對(duì)軌跡直線段高度大于等于營養(yǎng)缽高度的185%(74 mm)、與環(huán)扣傾角介于80°～100°的優(yōu)化目標(biāo)要求。

3.2.2運(yùn)動(dòng)速度分析

旱地缽苗栽植機(jī)構(gòu)栽植器端點(diǎn)的絕對(duì)速度(水平和垂直)曲線如圖6所示，初始位置(曲柄逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)、角度為0°)設(shè)為栽植器端點(diǎn)即將入土的時(shí)刻。經(jīng)分析可知，當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速為40 r/min時(shí)(移栽頻率40株/min)，栽植區(qū)域(曲柄轉(zhuǎn)角15°～95°)栽植器端點(diǎn)相對(duì)地面的水平速度趨近零速，完成近零速栽植。在栽植過程中，栽植器垂直方向速度由快至慢，直至速度降為零觸底，此時(shí)栽植器夾指進(jìn)入開啟狀態(tài)，而后由慢到快向上提升一段距離后完全張開，以配合注水覆土動(dòng)作，栽植器端點(diǎn)速度變化保證了缽苗栽植的直立度，滿足機(jī)構(gòu)方案對(duì)栽植段速度的設(shè)計(jì)要求。栽植器在接苗過程(曲柄轉(zhuǎn)角220°～280°)，接苗速度下降，與缽苗相對(duì)速度降低，減小了對(duì)缽苗的沖擊作用，保證了接苗質(zhì)量。

3.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

根據(jù)優(yōu)化出的機(jī)構(gòu)參數(shù)，對(duì)栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)旱地缽苗栽植機(jī)構(gòu)的各零部件三維建模，完成數(shù)字樣機(jī)建立與干涉分析[24-25]。

將栽植機(jī)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)模型導(dǎo)入ADAMS軟件進(jìn)行旱地缽苗栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真[24-25]，得到栽植器端點(diǎn)的軌跡曲線與速度曲線，如圖7所示。

圖7 仿真分析結(jié)果Fig.7 Simulation analysis results

將仿真分析軌跡曲線(圖7)與計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件優(yōu)化出的軌跡曲線(圖5)對(duì)比可知，兩者運(yùn)動(dòng)軌跡基本一致，驗(yàn)證了栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

移栽機(jī)構(gòu)栽植器端點(diǎn)的速度特性仿真分析結(jié)果表明，仿真分析得到的速度曲線與優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件的栽植器夾指末端速度結(jié)果基本一致，相互驗(yàn)證了理論分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件和虛擬樣機(jī)仿真的正確性。

4 樣機(jī)田間移栽試驗(yàn)

研制的旱地移栽復(fù)式作業(yè)機(jī)適用于西瓜、甜瓜、茄子、烤煙、草莓等多種作物的移栽，試驗(yàn)選用種植農(nóng)藝最為復(fù)雜的烤煙為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行栽植試驗(yàn)，以考查樣機(jī)栽植機(jī)構(gòu)的作業(yè)性能。

4.1 試驗(yàn)材料

樣機(jī)田間移栽試驗(yàn)在黑龍江省肇東市五站鎮(zhèn)進(jìn)行，土壤為黑鈣土，土壤堅(jiān)實(shí)度16.2 kPa，依據(jù)GB/T 1931—2009測(cè)定土壤含水率均值18.7%。移栽壟距110 cm，壟高17 cm，壟頂寬40 cm，烤煙品種為“龍江911”，苗齡60 d，適栽期內(nèi)煙苗高度為6～18 cm。營養(yǎng)缽基質(zhì)為加肥土壤，形狀為圓臺(tái)形，其頂部直徑40 mm，底部直徑15 mm，高40 mm。為防止缽苗含水率發(fā)生變化，移栽試樣采集后當(dāng)天完成試驗(yàn)。

4.2 試驗(yàn)方法

旱地缽苗移栽復(fù)式作業(yè)機(jī)作業(yè)環(huán)節(jié)包括成穴、穴內(nèi)施肥、移栽、穴內(nèi)注水覆土和覆膜，栽植器不能將缽苗投入穴坑內(nèi)即為漏苗[26-27]。

試驗(yàn)選擇作業(yè)速度和缽苗高度為試驗(yàn)因素，開展田間樣機(jī)單因素五水平缽苗栽植試驗(yàn)研究[28-29]，如圖8所示。選擇移栽合格率、漏苗率、株距變異系數(shù)和栽植深度合格率為試驗(yàn)指標(biāo)，2組單因素試驗(yàn)共有10種處理，每種處理試驗(yàn)重復(fù)5次取均值，每種處理測(cè)試樣本144株。

圖8 樣機(jī)田間試驗(yàn)Fig.8 Scenes of field experiment

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

田間試驗(yàn)方案與結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)過程中，栽植器在注水沖刷與振動(dòng)作用下未發(fā)生積土堵塞情況，達(dá)到預(yù)期效果。

由表1可知，在株高一定的條件下，隨著作業(yè)速度的提高，栽植合格率和栽植深度合格率逐漸降低，漏苗率和株距變異系數(shù)逐漸增大。主要原因是：隨作業(yè)速度的提高，栽植器取苗時(shí)間縮短，導(dǎo)致接苗成功率降低，使栽植合格率降低；隨著作業(yè)速度的提高栽植器運(yùn)動(dòng)頻率加快，栽植器對(duì)缽苗扶持時(shí)間縮短，缽苗覆土過程的穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致栽植合格率和栽植深度合格率降低、株距變異系數(shù)增大。

表1 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.1 Experimental design and results

在移栽機(jī)作業(yè)速度一定的條件下，隨著株高的增大，栽植合格率與栽植深度合格率由小到大后再減小；株距變異系數(shù)由大到小后再變大；漏苗率逐漸增大。這是因?yàn)楫?dāng)栽植器離開栽植區(qū)進(jìn)入復(fù)位階段時(shí)，其移動(dòng)速度加快，缽苗過高與夾指刮碰，導(dǎo)致栽植合格率與栽植深度合格率降低、株距變異系數(shù)增大；缽苗過低，栽植器夾指在栽植區(qū)扶苗作用減弱，缽苗穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致栽植深度合格率降低、株距變異系數(shù)增大；過高的缽苗周向幾何尺寸增大，進(jìn)入栽植器后與栽植器內(nèi)壁摩擦力增大，延緩了缽苗下降速度，導(dǎo)致漏苗率加大。

5 結(jié)論

(1)建立了旱地缽苗移栽復(fù)式作業(yè)機(jī)栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，應(yīng)用開發(fā)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，優(yōu)化獲得栽植機(jī)構(gòu)理想的栽植軌跡和機(jī)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)。

(2)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析栽植軌跡與計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件優(yōu)化得到的栽植軌跡基本一致，驗(yàn)證了栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性和可靠性。

(3)基于優(yōu)化設(shè)計(jì)的樣機(jī)田間試驗(yàn)表明，旱地缽苗移栽復(fù)式作業(yè)機(jī)的栽植機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)缽苗移栽作業(yè)，在株高約15 cm、作業(yè)速度為20 m/min時(shí)，栽植合格率達(dá)98.1%、漏苗率0.4%、株距變異系數(shù)4.3%、栽植深度合格率96.5%，滿足缽苗移栽要求。