夾取振動復合式取苗機構的結構設計

姚思博，劉劍雄，曾家興，石喬，趙倉圓，何湘

（1.650550 云南省 昆明市 昆明理工大學 機電工程學院；2.650224 云南省 昆明市 云南省農業機械鑒定站）

0 引言

目前，我國移栽機多以半自動為主，取苗、投苗仍需人工操作，勞動強度高并且工作效率低，為了降低勞動強度、減少人力、降低成本、提高移栽效率和質量、實現全自動化移栽，發展取苗機構和投苗機構很有必要[1]。

國外旱田移栽機械的研究已有很長的發展歷史，早已開始研究高效率、全自動的移栽機械[2]。現在市場上已經出現很多種成熟的機型并開始應用，如意大利Ferrari 公司生產的Futura 系列，英國Pearson、日本久保田以及日本洋馬等公司的全自動移栽機。這些公司的全自動移栽機大多是在原半自動移栽機的基礎上添加了自動取苗、自動投苗裝置加以完善，但這些移栽機的研發大都是結合了本國農作物的農藝和種植習慣，并不能完全符合我國的農業生產。

國內旱田移栽機械的研究起步較晚，最初在20 世紀60 年代進行對棉花和紅薯的移栽試驗，但到了20 世紀70 年代，輕工部研究所才研制出甜菜缽苗移栽機，由于成本問題并未推廣。直到20 世紀80 年代初，國內部分單位研發出各種蔬菜半自動移栽機，雖已改善大部分性能，但用戶認可度較低，并未在市場上推廣使用。從21 世紀開始，我國的蔬菜移栽機的研發才算是有一定的規模[3]。例如：華龍2ZBZ-2A 型半自動乘坐式移栽機、鼎鐸2ZB-2 半自動移栽機、富來威2ZQ半自動移栽機、新疆農科院等研制的2ZT-2 型紙筒甜菜移栽機等。但是國內取苗機構的研究才剛剛發展，由于取苗精度、自動化程度、取苗成功率等方面的問題，國內現有的取苗機構并不能投入到實際應用中。會出現實際取苗成功率低于試驗取苗成功率，并且實際傷苗率高于試驗傷苗率等問題。

本文設計了一種夾取振動結合的取苗機構，通過預振動來減少含根基質與穴盤間的粘附力，再通過夾緊裝置將苗從穴盤中取出，通過理論分析完成機構的設計與優化。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

夾取振動式取苗機構主要由夾取苗機構、振動裝置等部分組成，取苗機構整機結構如圖1 所示。與機器配套使用的苗盤由穴苗盤、無紡布育苗袋、缽苗組成，穴苗盤為標準的72 孔穴苗盤。振動電機安裝在機架中央，振動架4 個邊角下方分別由2 個彈簧固定在機架上并由滑軌來限定機架與振動板的位置，振動過程中使缽苗產生一定的慣性力，并克服缽苗與苗盤之間的摩擦力，以便缽苗能輕松從育苗盤中取出。夾苗機構通過手柄控制鋼絲軟繩夾住缽苗莖桿，將缽苗從育苗盤中取出放入投苗匣中以便后續的投苗過程。振動裝置與夾取裝置相結合，共同完成取苗工作。其中夾取保護海綿的作用是防止夾取板力量過大將缽苗莖桿夾斷，微調螺栓能調節鋼絲軟繩的松緊，取苗彈簧使機構處于常閉狀態。

圖1 整機結構示意圖Fig.1 Structure diagram of seedlings unloading mechanism

1.2 工作原理

圖2 為夾取振動復合式取苗機構的取苗原理圖。將苗盤放到振動架上，振動機構上蓋通過滑軌把苗盤固定在振動板上。振動板在振動電機的作用下，依靠8 個支撐振動彈簧，不斷做簡諧振動，帶動苗盤上下振動，缽苗在振動過程中產生慣性力，來減少缽苗與苗穴內壁間的摩擦力，以便于缽苗的取出。當振動一段時間后，利用夾取機構將缽苗取出。當振動機構重力與振動產生的慣性力之和大于缽苗與苗穴內壁間的摩擦力時，即可取出缽苗，具體過程為：在初始階段，由于取苗彈簧為常閉彈簧，此時兩個夾取板處于閉合狀態，通過手柄拉緊鋼絲軟繩帶動兩個夾取板打開，將缽苗莖稈放置于兩個夾取板中間，松開手柄，此時夾取板夾住缽苗，垂直向上直接將缽苗取出，再將缽苗放入苗匣中，準備進行投苗階段。

圖2 取苗原理圖Fig.2 Principle of seedlings unloading

2 振動過程中苗盤與缽苗力學模型

2.1 缽苗振出最小條件

建立坐標軸，其中坐標原點O位于振動架左下角，水平方向為x軸，豎直方向為y軸，并對苗盤單振動周期建立動力學分析模型，如圖3 所示。苗盤整體在振動板的作用下不斷做簡諧運動。

圖3 苗盤動力學模型Fig.3 Dynamic model of seedling tray

振動機帶動整個振動架做簡諧運動，由于苗盤固定在振動架上，會使缽苗不停地上下振動，其位移方程為

對式（1）求導得其速度方程為

式中：A——振動電機振幅；ω——振動電機角速度。

為了使缽苗與苗盤分離，則缽苗與苗盤的粘附力FN此時為0，并要滿足以下力學模型，即

設當時間t=B時缽苗與苗盤分離，則此時缽苗豎直方向的速度為

式中：F——振動所產生的慣性力；Fo——其他外力；FN1，FN2——缽苗對苗盤穴孔側壁的粘附力；FN3——缽苗對苗盤穴孔底部的粘附力；θ——缽苗基質的傾斜角度。

可通過試驗得出脫盤力FL。在不考慮其他因素的情況下，脫盤力能反映出粘附力的大小，即

缽苗在拋起后，短時間內做豎直方向速度為vy的上拋運動，考慮到有空氣阻力的影響，設空氣對物體的阻力與速度的平方成正比，即

式中：f——空氣阻力；k1——空氣阻力系數；v——缽苗速度。

綜合式（3）、式（8），建立缽苗的運動微分方程：

式中：mi——單株缽苗質量；vy——缽苗豎直方向速度。對式（9）進行定積分

求得缽苗想要脫離苗盤時所需的速度為

將式（4）、式（7）代入式（11）可得

文獻[4-5]研究得出，72 孔辣椒穴盤苗拉拔的脫盤力均值為（1.63±0.29）N，標準差為0.27，缽苗質量約為12 g。將數值代入式（12）中并通過分析可知，在振動過程中，振動電機的頻率和振幅為影響苗盤取苗成功率的主要因素，缽苗與苗盤間的脫盤力也是取苗成功率的另一因素。Yang[6]等發現缽苗的粘附力與缽苗基質含水率有一定關系，并且通過穴盤苗脫盤試驗得出脫盤力與缽苗基質含水率有一定關系；并且Ryu[7]等通過移栽試驗，發現在含水率為44%～59%的缽苗有很好的移栽效果，其試驗成功率為99%，故基質含水率是取苗成功率的另一因素。

2.2 缽苗振出不受破壞的最小條件

為防止振動取苗過程中由于振動導致缽苗破壞，必須經過計算和試驗證明在取苗過程中所選用的頻率不會導致缽苗的破壞。其中育苗基質主要由草炭和蛭石組成，可以近似看成為煤巖體。

在阻尼（欠阻尼）單自由度振動系統中，其固有頻率為

式中：ω0——振動系統的固有角速度；k2——振動系統的剛度系數；M——振動系統的質量。

劉建鋒[8]等通過試驗得出阻尼比ζ為2.64%～5.34%，將阻尼比代入式（13）中發現，阻尼比對固有頻率的影響較小，可以將式（13）近似認為單自由度無阻尼振動系統中的固有頻率，即

缽苗和苗盤一起振動為多自由振動。根據機械振動理論，苗盤為72 孔，含有72 個自由度的無阻尼自由振動系統的運動微分方程為：

由于初始階段所有缽苗位于苗盤中，故假設所有缽苗做同步簡諧振動，故式（16）的特解為

式中：p——缽苗的固有頻率；φ——相位；t——時間。

將式（19）代入式（16）求得

從式（21）可以看出，若要使A 有非零解，則必須滿足其系數行列式為0，即

式（22）為關于p2的72 次多項式，從該式中可以求出苗盤中72 個缽苗的固有頻率。

李成武[9]等通過試驗得出，煤巖體自振頻率約為50 Hz。故可以將振動電機的振動頻率調節到在可以取苗的振動范圍中并且不破壞缽苗基質的頻率。

2.3 夾取苗機構的結構參數設計

為了保證夾取苗機構在非工作狀態時處于常閉狀態，需保證取苗彈簧為常開彈簧，并且其長度l與閉合時兩個夾取板距離D相同，即

具體細節，如圖4 所示。

圖4 結構尺寸示意圖1Fig.4 Structure size diagram 1

圖4 中：a——夾取板厚度；b——夾取保護海綿厚度。

為保證夾取板打開距離基本相同，由于缽苗間距固定，相鄰夾取板距離相同，故要保證相鄰兩個鋼絲軟繩傳動滾子的距離相同，如圖5 所示。

圖5 結構尺寸示意圖2Fig.5 Structure size diagram 2

圖5 中：c——缽苗盤孔距；d——相鄰兩個鋼絲軟繩傳動滾子的距離。

通過計算得出夾苗板打開時，兩個保護海綿的間距數值差可以忽略不計，理論計算上可以達到取苗要求。

3 結論

設計的夾取振動復合式取苗機構主要由夾取機構和振動裝置等部分組成，各部分配合完成取苗工作。通過動力學模型和振動模型分析得出振動電機的振動頻率、振幅和缽苗基質含水率與取苗成功率有一定關系。本文為后續取投苗機構的設計與研發提供一種新思路。