移栽機伸縮片式取苗器仿真設計

胡 凱，趙斌棟

（1.沂水縣公共資源交易中心，山東沂水 276400；2.石河子大學機械電氣工程學院）

0 引言

目前，番茄主要采用穴盤育苗移栽的方式進行機械化種植，該方式可以避免低溫天氣對幼苗的影響，能夠提高幼苗存活率，提升作物產量與品質[1]。穴苗移栽以半自動化機械為主，需要依靠人工取苗投苗，勞動強度高，移栽效率低，因此研制具有自動取送苗功能的移栽機成為了目前研究的新方向[2-3]。

當今，國外常用機型為英國Pearson移栽機與意大利Futura移栽機，以上兩種機型均采用頂出夾取式取苗器，便于自動化作業，能提高移栽效率[4-5]。國內也相繼出現了一些不同類型的取苗器，如回旋加持式[6-9]與伸縮指針夾取式[10]，也有下壓[11]、氣吹[12]、振動或其多種組合的取苗方式[13]。

本文以番茄穴盤苗為研究對象，設計了伸縮片式取苗器，在推桿推動下實現整排穴盤苗的夾取作業，提升了取苗效率與幼苗存活率。使用ANSYS Workbench對取苗器進行靜力學仿真，探究了該裝置在取苗、夾持與釋放過程中的受力后的應力變化，滿足取苗器穩定取苗的工作要求，可為全自動番茄穴盤苗移栽機取苗裝置設計提供參考。

1 物料選擇與試驗

1.1 穴盤

本文采用128株塑料穴盤培育番茄穴苗，單孔育苗一株，測量穴盤的外形尺寸、單個穴孔邊長與孔深如圖1。穴盤外形為512 mm×256 mm，單個穴孔的上邊長W1=32 mm，下邊長W2=14 mm，穴孔深度H1=50 mm，該距離可為取苗器設計做參考，為取苗器運動位移的研究提供依據。

圖1 空苗盤與整盤穴苗

1.2 番茄穴盤苗

幼苗是取苗與移栽的對象，其基本特性對取苗作業至關重要，為了提升取苗質量與效果，需對幼苗進行形態參數測量。通過測量，得出平均苗高H2=136.67mm，平均葉展W3=102.83 mm。

1.3 穴盤苗基質壓縮特性

為了探究番茄幼苗基質的抗壓縮特性，需對幼苗基質進行抗壓縮特性試驗，得出基質抗壓縮特性值。如圖2，試驗采用TA-Xtplus型物性測試儀對兩組不同含水率的穴苗進行試驗，每組壓縮8株幼苗。

圖2 基質抗壓縮特性試驗

通過試驗可知，2組穴苗的壓縮力的最大值分別為22974.70g（含水率35.41%）與6856.39g（含水率63.21%），該結果為兩組穴盤苗的最大受壓縮力，此結果可計算苗針尖點刺破基質所需力的大小，為取苗器靜力學分析提供依據。

2 取苗器模型設計

2.1 取苗器運動模型

取苗器是移栽機的關鍵部件，其主要功能是將穴盤中的幼苗取出后輸送至接苗帶。伸縮片式取苗器單體如圖3，主要由上板、固定桿、滑動桿、伸縮片組件、苗針與退苗桿組成，單個取苗器完成一株穴苗夾取。

圖3 裝置結構示意

為探究取苗器各項運動參數，以固定桿轉動中心為原點，建立參數化模型（圖4）。點E為滑動桿，當取苗器工作時，伸縮片EP向前運動，伸縮片EP、OQ與X軸的夾角用β表示。

圖4 取苗器結構模型

將桿件OQMA作為研究對象，A點坐標為：

式中lP--拾取針長度，mm；lF--伸縮片長度，mm。

同理B點坐標可表示為：

則AB兩點的水平位移lAB為：

垂直位移lDA（lDB）可表示為：

2.2 取苗器零部件設計

圖5為穴苗高度示意圖，伸縮片運動時，兩片垂直狀態下的伸縮片總長應大于苗高。為了保證苗針取苗時不傷苗盤，其長度應小于穴盤深度，此外伸縮片長度應大于電動推桿的伸縮量，根據以上要求可得：

圖5 穴孔與苗高

式中H1—穴孔深度，50mm；H2—番茄苗平均高度，13.2mm；S—電動推桿行程伸縮片長度，mm。

根據式（5）計算得出伸縮片長度lF最小為70 mm，取苗針長度lP最大為36 mm，電動推桿可選的最大距離為70 mm。

2.3 取苗器裝配與原理

圖6伸縮片組件為4個伸縮片兩兩交叉，組合成4桿鉸鏈機構。固定桿與滑動桿分別安裝于上板下方支撐片內的孔洞和槽口內。圖7為伸縮片與拾取針裝配，伸縮片收縮帶動取苗針夾苗。

圖6 伸縮片組件裝配

圖7 拾取針與伸縮片組件裝配

3 基于ANSYS Workbench取苗器靜力學仿真

3.1 靜力學仿真過程

當取苗器部件在SolidWorks中完成建模并裝配后，導入ANSYS Workbench中進行靜力學仿真，在ANSYSWorkbench中完成模型導入、前處理過程、約束與力施加、計算分析四個步驟，如圖8。

圖8 基于ANSYS Workbench的靜力學分析過程

3.2 仿真結果

取苗器工作需完成破土—拉拔—輸送三個過程，其中破土過程取苗器最大受力由穴盤苗壓縮力試驗結果計算得知，其值為18.19 N。將此力的值作為破土狀態下載荷的施加條件，并進行Workbench靜力學分析。

從仿真結果可知，在破土—夾取—輸送三個工況下，取苗器的應變分別為取苗器的應力云圖如圖9。應力值與出現位置如表1。取苗器破土時受到最大應力182MPa，發生位置為推桿與伸縮片連接處。

圖9 取苗器靜力學分析結果

表1 靜力分析應力值與位置

3.3 部件優化

該仿真設置取苗器的材料為結構鋼Q235，屈服強度為235 MPa。在破土時，接近結構鋼的屈服壓力。若此取苗器安裝于整機上，長時間工作后會造成該部件疲勞磨損，為避免零件在低于其屈服強度的條件下出現斷裂彎曲磨損，需對該部件材料及結構尺寸進行優化。

將取苗器的材料變更為304不銹鋼，屈服強度為280 MPa，不銹鋼屈服強度更高且在潮濕的土壤環境中更耐腐蝕。同時，對該部件的尺寸進行了優化，如表2。將變優化的取苗器部件再次進行破土—夾取—輸送三個狀態下的力學分析，結果如圖10。

表2 部件結構優化

圖10 優化后的取苗器靜力學分析結果

從優化后的仿真結果可知，當取苗器的材料變為不銹鋼且當部件尺寸發生更改后，破土、夾取與輸送三個狀態下取苗器的等效應力均下降，具體變化的數值如表3。

表3 優化后的靜力分析結果

優化后的取苗器在破土過程時下降了91.93 MPa，最大應力為90.07 MPa，遠小于不銹鋼的屈服強度，由此仿真可知該材料及結構尺寸滿足取苗時最大破土壓力下的應力應變要求。

4 取苗軌跡試驗

試制取苗器部件并完成整排取苗器裝配。架設試驗臺架，運行取苗器并使用連續攝影記錄運動過程，得到實際取苗器的運行軌跡。

重復進行10次試驗，記錄實際取苗軌跡如圖11，并測量軌跡的l1（T2時刻苗針尖點AB的距離）與l2（T2至T3時刻苗針尖點A/B的垂直移動距離）的值，結果如表4。

圖11 取苗運動軌跡

表4 軌跡試驗結果（單位：mm）

其中，l1的平均距離為28.30 mm，小于穴盤穴孔上邊長W1（32 mm），表明苗針到達基質平面時，苗針間的距離略小于穴孔上邊長，更有利于苗針進入基質；垂直運動距離l2為13.34 mm，為穴苗最佳夾取位置，可更好地完成穴苗夾持。

5 結論

（1）本文以番茄穴盤苗為研究對象，對穴盤穴孔進行了尺寸測量，得出穴盤穴孔上下邊長分別為32mm與14 mm，完成了穴盤苗的外形測量，得出平均苗高136.67 mm，平均葉展102.83mm。完成了穴盤苗的外形測量和壓縮特性試驗。在此基礎上建立了取苗器分析模型，使用Solidworks完成了對取苗器的部件設計和裝配。

（2）根據苗高與穴孔尺寸計算得出取苗器三個關鍵部件的長度：伸縮片長度lF最小為70 mm，取苗針長度lP最大為36 mm，電動推桿可選的最大距離為70 mm。根據此計算結果，使用SolidWorks完成了對取苗器的部件設計和取苗器整體裝配。

（3）使用ANSYS Workbench對取苗器進行靜力學仿真，將最大力作為載荷施加至取苗器上，求解得出最大應力為182.10 MPa。為降低最大應力，優化取苗器部件參數與部件材料，仿真結果可知最大應力降至90.07 MPa，遠小于不銹鋼的屈服強度。試制了取苗器部件并完成取苗器裝配，進行了軌跡實驗測量取苗過程的位移。測量結果表明，l1（開始取苗時刻AB間距）與l2（取苗過程垂直位移距離）的平均距離分別為28.3 mm與13.34 mm，略小于穴孔的上邊長（32 mm）與下邊長（14 mm），符合取苗器實際取苗需求。