巨菌草扦插機扦插機構優化設計與試驗*

鄭邵秋，張彩虹，王國強，

(1.新疆農業大學機電工程學院,烏魯木齊市,830052;2.新疆農業科學院農業機械化研究所,烏魯木齊市,830091)

0 引言

巨菌草作為一種用途廣泛的作物,能為種植者提供良好經濟收益。其莖葉可以用于畜牧飼料,也可用來培養菌類,為種植當地增加收入,其莖稈木質部曬干以后可以作為輔助燃料。目前國內種植的品種,是由福建農林大學林占熺等[1-2]1980年前后從非洲引進,經過多代選育而成。巨菌草在新疆地區的大面積引種有著深遠的意義。南疆地區地廣人稀,適合大面積機械化作業,所以巨菌草大面積引種需要先解決機械化種植的問題。根據巨菌草的生長特性將莖稈種苗扦插進地,很快就能發芽生長,因此考慮使用扦插機進行大面積扦插作業,從而快速在廣闊南疆地區大面積推廣種植。

目前國內外對于蔬菜栽植機、播種機、插秧機都有很深入的研究。國外Satpathy團隊研究了影響栽植機作業的因素與作業指標,表明在栽植機作業中土壤含水率、機器作業速度與秧苗自身狀況對作業效果有重要影響;而栽植合格率指標可以設置栽植角度、漏栽率、栽植深度等[3-4]。國內20世紀七八十年代就已經有一批農機專家致力于研究移栽機,如包春江團隊于80年代就研制出了蔬菜移栽機;21世紀之初中國農業大學封俊團隊[5]分析了吊杯式移栽機的運動軌跡,并給出了吊杯式移栽機的設計準則;趙勻團隊[6-8]深入研究并嘗試使用現代化設計理論和設計方法對水稻插秧機的研制工作進行革新,通過虛擬的仿真分析,甚至虛擬試驗進一步縮短研發周期;俞高紅等[9-10]對栽植機構中行星輪系的運動機理進行了仔細分析,并自主開發了一套可以人機交互的優化軟件,可以方便對移栽機設計參數進一步優化改進。

本文基于南疆特殊土壤地貌特色對巨菌草扦插機的扦插機構、鴨嘴機構進行優化改進,并針對扦插機的具體工作情況,采用回歸正交試驗對巨菌草扦插機的關鍵參數進行優化,進而提高扦插合格率。

1 基本結構及工作原理

巨菌草扦插機的扦插基本結構如圖1所示,主要是由機架、五連桿扦插機構、鏈輪、扦插鴨嘴機構、莖稈種苗旋轉投苗缽盤等組成。

圖1 扦插機結構圖Fig.1 Structure diagram of transplanter1.機架 2.投苗機構 3.五連桿機構 4.覆土輪 5.扦插鴨嘴機構

巨菌草莖稈由人工放置在莖稈種苗旋轉缽盤中,扦插機構是由鏈輪帶動,而鏈輪動力由拖動扦插機的拖拉機提供,經動力輸入桿輸入齒輪箱調速后,輸入主動鏈輪和與其同軸的凸輪,再由主動鏈輪帶動從動鏈輪轉動,進而與主動鏈輪同軸凸輪按其輪廓軌跡轉動時,牽動著鴨嘴上控制張合的拉線的運動,通過拉線移動,控制鴨嘴兩部分的張合。兩曲柄以相同速度、相同的旋轉方向帶動后續連桿運動從而帶動連桿末端鴨嘴往復運動,實現扦插動作。

2 關鍵結構設計

2.1 五連桿扦插機構

2.1.1 五連桿扦插機構工作原理及運動學模型

五連桿扦插機構運動簡圖如圖2所示,該扦插機構分別由O、B兩處兩鏈輪帶動兩曲柄以相同速度、相同的旋轉方向帶動后續連桿運動,從而帶動連桿末端鴨嘴往復運動,實現扦插動作。圖2中五連桿扦插機構機架OB=l1,兩曲柄OA=l2、BC=l3,連桿CG=l4、AD=l5、DE=l6、AG=l9、GD=l8,鴨嘴上下兩部分,上半部分接苗防漏擋圈深度EH=l10,下半部分鴨嘴打穴器長度EF=l7,各對應夾角分別為θ1～θ8。

圖2 扦插機構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the cuttings mechanism

以O為坐標原點,水平、豎直方向分別為x、y軸,由此建立五連桿扦插機構的運動學模型[11-15]。

A點位移方程

(1)

C點位移方程

(2)

矢量方程lOB+lBC+lCG=lOA+lAG

G點位移方程

(3)

(4)

(5)

將θ4代入式(3)求出θ5。

D點位移方程

(6)

E點位移方程

(7)

F點位移方程

(8)

對式(8)求一階二階導可以得到鴨嘴末端F點的速度v與加速度a。

H點位移方程

(9)

2.1.2 五連桿扦插機構約束條件與參數選定

如圖2所示,為滿足巨菌草扦插機中的五連桿扦插機構正常運轉,進而帶動鴨嘴提升至最高點處,使得鴨嘴上半部分莖稈(種苗)接入口的防漏擋圈處于莖稈(種苗)下落轉盤式缽盤落苗處正下方,正好接住巨菌草莖稈(種苗);同時在狀態Π整個扦插機構運轉帶動鴨嘴插入土壤打穴,滿足巨菌草莖稈扦插深度范圍50～70 mm,因此O點轉動帶動l2,轉動至最低點時與地面高度為H1,此時鴨嘴扦插入土深度為H2。

綜上整體高度

H=H1+H2+l1sinθ1+l2

參考市面扦插機參數結合扦插軌跡,扦插軌跡高度不低于300 mm,H初定600 mm。

結合鴨嘴部分的計算,l7=100 mm,l10=40 mm,鴨嘴扦插深度50～70 mm,暫定60 mm。同時為了避免O、B兩處曲柄帶動連桿運轉時發生干涉,五連桿機構要時刻滿足裝配條件[16-19]。令X=max(l4,l9),Y=min(l4,l9)。

綜上所述,最終確定各參數l1=480 mm,l2=46 mm,l3=135 mm,l4=320 mm,l5=350 mm,l6=240 mm,l7=100 mm,l10=40 mm,θ1=55°,θ2=55°,θ3=55°,θ4=235°,θ5=20°,θ7=90°。

2.1.3 五連桿扦插機構運動曲線

使用SolidWorks軟件繪制巨菌草扦插機的扦插機構模型,并利用SolidWorks軟件Simulation模塊導出巨菌草扦插機扦插運動的運動曲線如圖3所示。

圖3 扦插機扦插軌跡Fig.3 Cutting track of cutting mechanism

2.2 扦插鴨嘴

2.2.1 扦插鴨嘴工作原理

扦插鴨嘴結構簡圖如圖4所示,K處受力可以推動J處的旋轉滑移,J、z兩處高副可以旋轉滑移,N、M兩處不可滑移僅可以轉動。Nz、Mz分別連接一半的鴨嘴Ⅰ、Ⅱ,∠JNz=β是固定角度,J處的轉動滑移帶動N、M兩處轉動∠MNz=α2=∠NMz=α3,最終z處的轉動滑移,會造成鴨嘴Ⅰ、Ⅱ張開δ,完成鴨嘴在地面打穴,放入巨菌草莖稈的過程。

圖4 扦插鴨嘴示意圖Fig.4 Schematic diagram of the cut-duck mouth

2.2.2 扦插鴨嘴的改進

由于南疆土壤的特殊情況,巨菌草扦插機需要做出相應的優化改進,南疆土壤砂石比例高,粘連性差,土壤在含水率(土壤濕度)過低時,扦插種苗很難直立;含水率過高時,容易出現扦插打穴后在扦插鴨嘴上遺留大量土塊不利于后續扦插作業。在保證合適的土壤濕度后,還需要解決盡量用較小的扦插鴨嘴張角打出適合扦插的孔洞。這就需要對扦插鴨嘴做一系列的優化改進。

用于扦插的巨菌草莖稈長度為80～120 mm,為了順利從投苗缽盤接住扦插用的巨菌草莖稈(種苗),在盡量不傷害苗芽的同時考慮實際情況,鴨嘴扦插部分長度L取值范圍應該在60～130 mm,鴨嘴扦插打出穴口直徑范圍20～30 mm,鴨嘴張角

鴨嘴張角δ范圍為

式中：d——扦插穴口大小,mm。

將L與d的范圍代入可以得到δ范圍10°～30°。

結合實際試驗中觀察發現預設穴口直徑過大不利于扦插直立,而預設穴口直徑過小又不利于巨菌草莖稈順利落入穴內,所以綜合考慮在保證巨菌草莖稈可以順利下落的情況下,盡可能選擇小一些的穴口直徑。利用Matlab軟件遺傳算法包對鴨嘴張角建立數學模型,分析L、d與δ之間的關系,可以得到圖5、圖6。

圖5 遺傳算法分析影響鴨嘴張角因素Fig.5 Genetic algorithm analyzes the angle factors of duck mouth

圖6 鴨嘴機構函數曲面Fig.6 Duck mouth mechanism function surface

可以發現,鴨嘴長度尺寸L越大,越容易以相對較小的張角,打出更大的穴口大小。因此要在控制穴口不過大(保證莖稈扦插直立度)的同時保證莖稈可以從鴨嘴順利落入穴中。綜上,選取鴨嘴長度L=100 mm,鴨嘴大小與鴨嘴上半部分接苗防漏遮擋圍圈長度L′=140 mm。再結合前面選定的穴口直徑d的準則,代入計算δ。計算和結合實際考慮選取δ為20°。

由鴨嘴結構簡化圖4可知,∠KJN=α4,∠JNz=β,∠MNz=α2=∠NMz=α3,∠MzN=α1,SNM=S1,SMz=S3=SNz=S2,SJN=S4。

根據正弦定理,對鴨嘴結構分析可得

綜上對ΔS3整理后發現該式中只有S1與α3兩個變量,找到這兩個變量的約束條件如下。

式中：S1～S4——鴨嘴機構結構簡圖各段長度,mm;

α1～α4——機構各段對應夾角,(°)。

將目標函數輸入Matlab中,調用Matlab自帶遺傳算法包,分析影響因子對函數的影響,如圖7所示。

再結合Matlab對目標函數分析繪制的目標函數三維曲面圖8,可得S1越大對z處轉動滑移高副影響越大,結合設計的實際需要,選取SMN=S1=60 mm,而對于α取值要盡量偏小,再結合實際情況選取∠MNz=α2=∠NMz=α3=10°,∠NzM=α1=160°。

圖8 鴨嘴機構z點處目標函數曲面Fig.8 Target function surface at the duck beak mechanism point z

再繼續對KJN部分分析,∠KJN=α4,SJN=S4,可以有以下計算

β-α3=α4

綜上整理ΔS4可知整個函數僅β和h兩個變量因素,找到這兩個變量的約束條件如下。

式中：h——N點到KJ垂直距離,mm。

將目標函數輸入Matlab中,調用Matlab自帶遺傳算法包,分析兩個影響因子對函數的影響,如圖9所示。

圖9 遺傳算法分析鴨嘴機構J點處參數Fig.9 Genetic algorithm analyzes the parameters at the point J of the duck mouth mechanism

再結合Matlab對目標函數分析繪制的目標函數三維曲面圖10,可得h越大對J處轉動滑移高副影響越大,結合設計的實際需要,選取h=20 mm,而對于α取值應在結合實際情況的基礎之上盡量取小一些,本文取∠KJN=α4=15°。

圖10 鴨嘴機構J點處目標函數曲面Fig.10 Target function surface at point J of the duck beak mechanism

綜上,可以對鴨嘴張開方式做出調整,進一步減小了β值由P處直接用拉線的方式讓鴨嘴Ⅰ、Ⅱ張開δ,示意圖如圖11所示。

圖11 改進鴨嘴機構示意圖Fig.11 Schematic diagram of the improved duck mouth mechanism

3 仿真分析

3.1 EDEM扦插鴨嘴土壤扦插仿真

扦插機鴨嘴模型利用SolidWorks2019建立,并將扦插機鴨嘴模型另存為.igs格式文件。建立尺寸(長×寬×厚)為500 mm×500 mm×100 mm的土壤顆粒模型,其中土壤顆粒選取半徑為5 mm的球體,通過Particle Factory(顆粒工廠)建立土壤模型,選用顆粒數量50 000個,生成速度z軸負向5 m/s,生成速率50 000個/s,仿真步長2.44 772×10-5s,記錄數據時間間隔0.01 s。利用EDEM仿真扦插機鴨嘴扦插土壤時,扦插機鴨嘴與土壤顆粒以及土壤顆粒間受力狀況。依據扦插機鴨嘴扦插過程中土壤與土壤、土壤與扦插機鴨嘴的相互作用及運動規律,選取相關作用參數如表1所示[20]。根據土壤顆粒間的相互作用,設置土壤顆粒與土壤顆粒接觸模型為Hertz-Mindlin with JKR(Bonding),黏結能量設置為10 J。設置土壤顆粒之間黏結力能夠準確地模擬出土壤黏結。土壤與扦插機鴨嘴接觸模型選擇Hertz-Mindlin(no-slip)。根據具體實際情況,扦插機鴨嘴扦插速度為0.02 m/s,混合時間步選定為20%,仿真時長選擇3 s,仿真模型如圖12所示。

表1 仿真模型參數Tab.1 Simulation model parameters

圖12 鴨嘴扦插土壤仿真Fig.12 Soil simulation of duck mouth cuttings

利用EDEM后處理模塊提取扦插機鴨嘴扦插過程的土壤所受壓力數據如圖13所示,扦插機鴨嘴扦插土壤所受載荷隨著時間的推移,由0開始逐漸增大,其中,壓力值的變化范圍為0～7.932 kPa。

圖13 鴨嘴扦插土壤所受載荷仿真數據Fig.13 Simulation data of loading on duck-bill cutting soil

3.2 ANSYS靜應力仿真模擬

扦插機鴨嘴模型利用SolidWorks2019建立,并將扦插機鴨嘴模型另存為.parasolid.x.t格式文件。導入ANSYS/Workbench軟件中,應用軟件對扦插機鴨嘴進行靜力學分析。選取的不銹鋼材料屬性如表2所示,泊松比為0.31,選定材料密度7 750 kg/m2,彈性模量193 GPa,屈服強度200 MPa[21-22]。對模型進行網格劃分,設定模型節點數21 035,劃分網格數為13 023,設定好固定約束(限制鴨嘴張口上方支架各方向上的自由度,將鴨嘴固定),結合EDEM軟件仿真扦插過程中,所受載荷最大為8 kPa;在ANSYS中在鴨嘴兩片張口外表面上施加8 kPa載荷,扦插機鴨嘴的有限元靜應力分析模型如圖14所示,可見鴨嘴的末端破土處承受載荷最大,形變也最大,整個鴨嘴破土打穴張口承受載荷部位,承受載荷在0～2.4 MPa之間,而所選不銹鋼材料在22 ℃下的壓縮屈服強度為200 MPa。綜上優化后的扦插機鴨嘴理論上滿足使用要求,適合田間作業。

表2 扦插機鴨嘴材料參數Tab.2 Material parameters of cuttings

圖14 鴨嘴承受載荷靜應力仿真分析Fig.14 Simulation analysis of duck nozzle bearing load static stress

4 試驗與結果分析

4.1 試驗材料與方法

4.1.1 試驗材料與試驗設備

試驗材料選用8～12 cm巨菌草莖稈種苗。試驗儀器主要有巨菌草扦插機試驗樣機、電子式游標卡尺、電子量角器、溫濕度測量裝置。

4.1.2 試驗方法

2021年9月在新疆農業科學院農業機械化研究所的南疆土壤地塊開展回歸試驗,通過Design Expert軟件進行回歸分析并建立回歸模型,通過顯著性與響應曲面分析找出最佳模型,從中確定試驗因素與試驗指標的回歸方程,最后通過回歸方程求極值的方法確定扦插深度、扦插頻率以及土壤濕度的最佳值,并對參數的最佳值進行試驗驗證。試驗因素有扦插深度、扦插頻率以及土壤濕度三項[23-24],根據JB/T 10291—2013《旱地栽植機械》[25-26]進行巨菌草種苗扦插試驗,選擇栽植合格率(扦插莖稈直立程度)為試驗指標。試驗采用三因素五水平中心組合試驗方法[27-28]。

4.2 試驗因素與水平

巨菌草莖稈扦插的3個試驗因素：扦插深度為40～60 mm;土壤濕度為25%～65%;扦插頻率為40～60株/min。本次回歸試驗,共20組試驗,每組試驗進行5次,每次試驗結果取平均值,因素取值表如表3所示。

表3 試驗因素編碼Tab.3 Coding of test factors

4.3 試驗指標

扦插合格率(扦插后莖稈種苗直立程度)為試驗指標,測量扦插后莖稈種苗直立程度,莖稈扦插完全豎直是90°,扦插傾斜夾角在0°～90°范圍之間,扦插傾斜夾角越小,扦插莖稈豎直程度越高,分值評定對照表如表4所示。扦插傾斜夾角大于50°就判定為不合格,漏插、未插直接不合格,每組試驗結束后統計合格株數,扦插合格率為一組試驗中扦插合格株數占該組試驗扦插總株數比值。

表4 分值評定對照表Tab.4 Score evaluation comparison table

4.4 試驗方案與試驗結果

對三因素五水平中心組合試驗,試驗方案與試驗結果如表5所示,X1、X2、X3為因素編碼值。

表5 試驗方案與試驗結果Tab.5 Test programme and test results

使用Design Expert 10軟件對表5中的試驗結果數據進行回歸擬合,建立扦插深度、土壤濕度、扦插頻率和扦插合格率的回歸方程為

Y=93.61+4.96X1+5.75X2+0.16X3-

0.062X1X2+0.013X1X3-0.037X2X3-

8.52X12-13.46X22-2.82X32

由表6中顯著性檢驗結果得到模型的F=7.16,同時顯著性概率P=0.002 5,顯然P<0.01。因此由該回歸模型所建立的回歸方程擬合度顯著,并且有意義。

表6 方差及顯著性分析結果Tab.6 Regression coefficient and significance test results

由表6可知,扦插頻率、土壤濕度與扦插頻率的交互項、扦插深度與扦插頻率的交互項、扦插深度與土壤濕度的交互項、扦插頻率的二次項P>0.05,說明影響均不顯著。扦插深度、土壤濕度以及它們的二次項0.010.05,說明差異不顯著,回歸模型與實際擬合良好,去除不顯著因素后整理得到新的回歸方程為

Y=93.61+4.96X1+5.75X2-8.52X12-

13.46X22

4.5 響應面優化

結合表6中各試驗因素的F值,確定了影響扦插合格率的主次因素依次為X2、X1、X22、X12、X32、X3、X2X3、X1X2,并繪制各因素對扦插合格率影響的響應曲面圖(圖15)。

(a) 土壤濕度與扦插深度

從圖15可以看出,當扦插頻率一定時,扦插合格率隨土壤濕度的增加呈先上升后下降的趨勢;同時扦插合格率隨扦插深度的增加呈先上升后下降的趨勢。當土壤濕度一定時,扦插合格率隨扦插頻率的增加呈先上升后下降的趨勢;同時扦插合格率隨扦插深度的增加呈先上升后下降的趨勢。當扦插深度一定時,扦插合格率隨扦插頻率的增加呈先上升后下降的趨勢;同時扦插合格率隨土壤濕度的增加呈先上升后下降的趨勢。但是明顯扦插頻率對扦插合格率的影響不太顯著。根據回歸方程與響應面曲面圖顯示趨勢,再結合實際扦插機作業情況選取合適的數值,扦插深度X1=50 mm,土壤濕度X2=45%,扦插頻率X3=51株/min。

4.6 試驗驗證

為驗證優化后的巨菌草扦插機的實際扦插效果,選取最佳試驗參數,以扦插后扦插巨菌草莖稈種苗直立程度作為扦插合格率,進行5次扦插試驗,結果見表7。

表7 驗證試驗結果Tab.7 Validate the test results

試驗結果表明：改進后的巨菌草扦插機的扦插合格率達到了87.5%以上,平均扦插合格率為92%,完全能夠滿足巨菌草大面積機械化扦插推廣的要求。

4.7 對照試驗

2021年9月期間,在新疆農業科學院農業機械化研究所的南疆土壤地塊,開展對照試驗。將未優化的扦插試驗樣機與經過優化扦插機構的試驗樣機在相同試驗環境下,先后分別扦插80株巨菌草莖稈種苗,對比前后扦插合格率。

通過在相同最優試驗因素水平：扦插深度50 mm,土壤濕度45%,扦插頻率51株/min情況下進行試驗。對比優化前后巨菌草扦插機扦插合格率如表8所示。從表8可以看出,優化后的巨菌草扦插機扦插合格率提高了3.75%。

表8 優化前后扦插合格率對照表Tab.8 Control table of cutting qualified rate before and after optimization

5 結論

1) 本文結合前期對于巨菌草莖稈種苗扦插農藝分析與莖稈力學特性的研究,針對目前存在的問題并結合實際南疆土壤特色,對巨菌草扦插機的關鍵扦插機構做了優化,通過對機構數學建模,分析目標函數最優取值;對鴨嘴機構、連桿機構,針對實際需要做出相應的優化,通過計算并結合實際考慮選取鴨嘴張角20°,鴨嘴大小為100 mm,連桿機構各桿件尺寸分別選取l1=480 mm,l2=46 mm,l3=135 mm,l4=320 mm,l5=350 mm,l6=240 mm。

2) 借助Design Expert軟件對回歸試驗進行回歸分析,確定了巨菌草扦插機扦插效果的三個試驗因素參數的最優組合：扦插深度50 mm、土壤濕度45%、扦插頻率51株/min。最終在驗證試驗中,巨菌草扦插機的扦插合格率達到了87.5%以上,平均扦插合格率為92%,完全能夠滿足巨菌草大面積機械化扦插推廣的要求。