開溝式植苗機構缽體低損接苗機理與試驗研究*

楊偉，唐濤，俞高紅，2，杜成成，葉秉良，2

(1. 浙江理工大學機械與自動控制學院,杭州市,310018; 2. 浙江省種植裝備技術重點實驗室,杭州市,310018)

0 引言

我國蔬菜種植的面積和產量分別占全世界的40%和50%以上,是世界上最大的蔬菜生產國和消費國[1]。蔬菜缽苗移栽具有提高蔬菜苗存活率、縮短生長周期和增產增收等優勢[2],因此,大力推進蔬菜缽苗移栽機的研發是提高蔬菜生產規模和效益的重要途徑。

開溝式植苗機構是蔬菜缽苗移栽機的最終執行機構,與移栽機的取苗機構配套進行移栽作業[3]。在機構植苗過程中,缽苗離開接苗管下落時會與植苗機構的桿件或開溝器底部發生碰撞而造成缽體破損,導致缽苗推苗困難、直立度差等問題,影響植苗質量[4-7]。目前國內外主要對取苗過程缽苗的物理機械特性和損傷機理進行了研究[8-12],如韓綠化等用質地分析儀對黃瓜缽苗進行平板壓縮試驗,研究了壓縮量與抗壓力之間的關系,認為取苗爪夾取苗缽的變形量應超過生物屈服點[11];Choi等[12]以夾針插入苗缽深度和取苗速度為因素進行試驗,得出在取苗速度為30株/min,夾針插入苗缽深度為41 mm時,缽苗質量損失最少,取苗成功率最高。因此,鑒于尚未有文獻從缽苗和機構互作的角度對植苗過程的缽苗損傷影響機理進行研究的現狀,本文提出一種多桿式開溝式植苗機構,并以降低植苗過程缽體破損率為目標,分析蔬菜缽苗與機構互作機理,開展在機構底部平面碰撞和楔形側面護缽兩種接苗方式下蔬菜缽苗缽體碰撞的受力分析以及仿真驗證和相關試驗,為確定能夠有效降低缽體破損率的植苗機構接苗方式及機構設計提供理論和試驗依據。

1 開溝式植苗機構的組成和工作原理

多桿式開溝式植苗機構主要由推苗機構、扶苗機構、仿形開溝器、接苗管和覆土輪組成,其中推苗機構由主動曲柄盤組件、接苗板、連桿、拉簧和接苗板構成的凸輪五桿機構;扶苗機構由扶苗板、從動曲柄構成的曲柄滑塊機構,其機構簡圖如圖1所示。

圖1 開溝式植苗機構簡圖Fig. 1 Schematic diagram of ditch-type seedling planting mechanism1.開溝器 2.拉簧 3.連桿 4.接苗板 5.主動曲柄盤組件 6.接苗管 7.從動曲柄 8.扶苗板 9.覆土輪 10.蔬菜缽苗 11.接苗板

該植苗機構在植苗作業時,缽苗由接苗管接苗處下落至開溝器底部后,主動曲柄盤組件在移栽機傳動軸提供的動力驅動下逆時針轉動,帶動接苗板擺動,推苗塊向開溝器左側運動,同時通過鏈傳動帶動從動曲柄驅動扶苗板向上運動,缽苗被順利地推入開溝器已開好的苗溝中,在覆土輪的滾動鎮壓下,土壤回流至苗溝內實現對缽苗的覆土和填壓,完成對缽苗的植苗作業[13]。該植苗機構的技術參數如表1所示。

表1 植苗機構技術參數Tab. 1 Related parameter values

2 缽體碰撞力學分析

根據上述開溝式植苗機構的工作原理可知,機構工作空間要求缽苗從接苗管接苗處開始到開溝器底部的運動高度較高。圖2(a)和圖2(b)所示分別為缽苗直接掉落至開溝器底部的平面碰撞接苗方式和楔形側面護缽接苗方式示意圖(其中部件僅包含圖1機構簡圖的接苗管、接苗板、扶苗板和開溝器)。

(a) 底部平面碰撞

(b) 楔形側面護缽圖2 兩種不同接苗方式示意圖Fig. 2 Schematic diagram of two different ways of receiving seedling1.開溝器 2.扶苗板 3.接苗板 4.接苗管

這兩種不同接苗方式下缽體所受到的碰撞力不同,而缽體破損率與其所受到的碰撞力成正相關關系,因此對不同接苗方式下缽苗缽體所受到的碰撞力進行分析。

2.1 缽體碰撞力學模型

為便于取苗機構從育苗穴盤里取出缽苗及防止缽體棱邊的破損,育苗穴盤的孔穴設計成倒四棱臺形狀,且棱邊為圓角[14]。由于缽苗生長的不對稱性,缽苗的重心并不一定在缽體的幾何對稱線上,導致缽苗在下落的過程中可能會發生傾斜。因此缽體與植苗機構桿件和開溝器底面碰撞時可視為兩個球體碰撞(其中一個球體半徑無限大,即一個平面)[15]。缽苗從取苗機構下落瞬時,垂直速度為零,水平速度較小忽略不計[16-17],則可將缽苗從取苗機構下落到第一次碰撞階段視為自由落體運動,同時假設缽體與植苗機構發生的碰撞為完全彈性碰撞[14]。

當缽苗與機構構件發生碰撞時,缽苗在碰撞過程中所受到的最大碰撞力[18]

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:vN——碰撞接觸點的法向速度,mm/s;

μ1、μ2——缽苗和機構構件泊松比,分別為0.36,0.3;

m1、m2——缽苗和機構構件質量,分別為6.6×10-3kg,2 kg;

R1、R2——缽苗和機構構件碰撞時的接觸半徑;

E1、E2——缽苗和機構構件彈性模量,mm;

E——等效彈性模量,MPa;

m——等效質量,kg;

R——等效半徑,mm。

缽苗跌落過程中與機構發生碰撞時,碰撞機構構件均為板件(即機構構件接觸半徑R2無限大),為了防止缽體棱邊破損,在育苗盤的穴口棱邊進行半徑為3 mm的倒圓角處理,即缽苗接觸半徑R1取3 mm。

由式(1)可知,缽苗碰撞時所受接觸力與缽苗的泊松比與彈性模量有關,其中缽苗的泊松比沒有相關文獻,根據文獻[19-20]可知黏土泊松比為0.3～0.42,因此假定缽苗缽體(根土復合體)泊松比在0.3～0.42,分別取缽體泊松比為0.3、0.42代入式中計算缽苗所受碰撞力,得出碰撞力相差較小,據此本文用中間值0.36作為缽體泊松比。缽體與機構構件彈性模量[14]分別為3×106MPa和2.1×1011MPa。

2.1.1 底部平面碰撞接苗方式

如圖2(a)所示,缽體做高度為h的自由落體運動,則缽苗與開溝器底部碰撞時缽苗在碰撞接觸點的法向速度

(5)

式中:g——重力加速度,9.8 m/s2;

h——接苗口到開溝器底部的距離,435 mm。

將式(5)代入式(1),得到底部平面碰撞接苗方式下缽體所受到的最大碰撞力

(6)

因此,在底部平面碰撞接苗方式下,缽體與開溝器底部碰撞所受到的最大碰撞力Fmax1為29.27 N。

2.1.2 楔形側面護缽接苗方式

在圖2(b)所示的楔形側面護缽接苗方式下,當接苗板運行到左極限位置時,接苗口處的缽苗開始下落,與接苗板與扶苗板所形成的楔形發生碰撞(圖3),然后缽苗沿著慢速回程的接苗板下滑,在楔形底部的間隙寬度大于缽苗缽體上邊長時,再次下落并與開溝器底部發生碰撞。因此,該接苗方式下缽苗運動過程可分為三個階段:(1)缽苗從接苗處下落至楔形底部與接苗板和扶苗板發生第一次碰撞;(2)缽苗沿著慢速回程的接苗板下滑;(3)缽苗從楔形底部間隙下落與開溝器底部發生第二次碰撞。

(a) 第一次碰撞

(b) 滑行

(c) 第二次碰撞圖3 楔形側面護缽接苗方式下缽苗運動過程Fig. 3 Movement process of seedlings in the way of receving seedlings with wedge-shaped side pot-guard

如圖3(a)所示,在接苗板與扶苗板形成楔形進行接苗時,兩桿件剛好不發生干涉,則根據幾何關系可得

(7)

式中:k——扶苗板的長度,170 mm;

S1——扶苗板與接苗板鉸鏈點水平距離,40 mm;

S2——接苗板直角拐臂長度,36 mm;

β0——楔形側面護缽接苗的楔形角。

由式(7)可求出楔形角β0為25.21°,則缽苗與接苗板碰撞時下落的高度

(8)

式中:L——接苗口到接苗板鉸鏈點垂直距離,130 mm。

缽苗缽體與接苗板和扶苗板碰撞時的法向速度

(9)

(10)

將式(8)～式(10)分別代入式(1),得到缽體與接苗板和扶苗板碰撞時所受到的最大碰撞力

(11)

(12)

如圖3(b)所示,由于缽苗沿著推桿下滑過程未與機構構件發生碰撞,其缽體的損傷較小,故不分析缽體在滑行階段的受力情況。根據圖3(b)所示的幾何關系可得

S1-a+S2cosβ1=psinβ1

(13)

h2=h-L-S2sinβ1-pcosβ1-b

(14)

式中:a——缽苗缽體上端邊長,32 mm;

b——缽苗缽體高度,35 mm;

p——接苗板長臂的長度,230 mm;

β1——楔形底部空隙寬度為a時接苗板與扶苗板的夾角。

由式(13)可求出楔形角β1為11.46°,缽苗與開溝器底部碰撞時的法向速度

(15)

式中:v0——缽苗離開接苗板時的速度,mm/s。

通過對缽苗在接苗板上滑行建立運動微分方程,可求出缽苗離開接苗板時的速度v0為0.13 m/s。

將式(14)和式(15)代入式(1),得到第三階段缽體所受到的最大碰撞力

(16)

將數值代入式(11)～式(16),可得出楔形側面護缽接苗方式下,缽體與接苗板、扶苗板和開溝器碰撞所受到的最大碰撞力Fmax21、Fmax22、Fmax23分別為7.66 N,6.80 N,6.81 N。

2.2 缽體碰撞力分析

通過對比兩種接苗方式下求出的碰撞力可知,楔形側面護缽接苗方式下缽苗缽體與機構構件碰撞所受到的最大碰撞力7.66 N遠小于底部平面碰撞接苗方式的最大碰撞力29.27 N。由于缽體與機構構件發生碰撞后的破損程度與缽體所受的碰撞力成正比[14],因此,楔形側面護缽接苗方式能有效降低缽苗缽體在植苗過程中的損傷,有利于提升缽苗植苗質量。

3 缽體碰撞離散元仿真

應用SolidWorks軟件建立缽體和機構的仿真模型,再應用離散元仿真軟件EDEM對兩種不同接苗方式下缽體與機構構件碰撞進行仿真,得到缽體與機構構件發生碰撞時所受到的最大碰撞力,并與理論計算結果進行比較,驗證缽苗碰撞力學模型的可靠性和理論結果的正確性。

3.1 機構與缽體仿真模型

在理論分析中,已知缽苗缽體(根土復合體)的泊松比和彈性模量,本文將根系與基質用同一種顆粒模型建立缽體模型進行仿真,缽體顆粒間仿真接觸參數參考相關文獻[21-22];設定植苗機構所用材料為Q235鋼,則仿真模型參數如表2所示。

表2 缽體模型基本參數Tab. 2 Basic parameters of seedling pot model

缽體仿真模型尺寸為常用的128穴育苗盤穴口尺寸,應用SolidWorks軟件對育苗穴口進行三維建模,將模型另存為IGS格式文件并導入到EDEM軟件中生成模塊的幾何體[21]。為提高軟件的計算效率,缽體顆粒模型為單個球形,半徑為1 mm。缽體顆粒間的接觸模型為Hertz-Mindlin with bonding模型,各顆粒間通過bond鍵連接來代替缽體內部的粘結力[21-22]。通過顆粒工Factory生成顆粒并由重力掉入育苗盤模型內,在顆粒穩定的情況下對模型進行適當壓縮,最后得到缽苗仿真模型如圖4所示。同時在SolidWorks中建立開溝式植苗機構的三維模型并另存為IGS格式文件,再將其導入EDEM軟件中得到開溝式植苗機構仿真模型,如圖5所示。

(a) 缽體顆粒模型

(b) 缽體模型 圖4 缽體仿真模型Fig. 4 Simulation model of seedling pot

圖5 開溝式植苗機構仿真模型Fig. 5 Simulation model of the ditch-type seedling planting mechanism

3.2 缽體碰撞仿真分析

調整好缽體模型與開溝式植苗機構模型的相對位置,開始進行仿真試驗[22]。缽苗在自身重力作用下作自由落體運動,與機構發生碰撞。對底部平面碰撞和楔形側面護缽兩種不同接苗方式進行缽體碰撞仿真分析。利用EDEM后處理模塊求解得到缽體與機構構件碰撞所受到的碰撞力。

3.2.1 底部平面碰撞接苗仿真

缽苗從接苗處自由下落與開溝器底部直接碰撞(圖6),缽體所受到的碰撞力如圖7所示。

(a) 初始

(b) 掉落圖6 底部平面碰撞接苗仿真Fig. 6 Simulation of the bottom plane collision seedling receiving

圖7 底部平面碰撞接苗仿真結果Fig. 7 Simulation results of the bottom plane collision seedling receiving

從圖7可以看出,碰撞力峰值(即缽苗與開溝器底部碰撞時的碰撞力)為30.81 N,比理論計算值高0.75 N,兩者誤差為2.43%。

3.2.2 楔形側面護缽接苗仿真

如圖8所示,在楔形側面護缽接苗方式下,缽苗從接苗處下落并與接苗板與扶苗板形成的楔形發生碰撞;隨著接苗板逆時針慢速回程,缽苗沿接苗板下滑;最后下落與開溝器底部碰撞。

(a) 楔形底部碰撞

(b) 沿接苗板滑落

(c) 與開溝器底部碰撞圖8 楔形側面護缽接苗仿真Fig. 8 Simulation of the wedge side pot-guard seedling receiving

仿真得到缽苗缽體的碰撞力如圖9所示。

圖9 楔形側面護缽接苗仿真結果 Fig. 9 Simulation results of the wedge side pot-guard seedling receiving

由仿真結果可知,缽體與接苗板和扶苗板碰撞的時間非常接近。缽體與接苗板碰撞時所受到的碰撞力為8.3 N(圖9第①個峰值點),該值與理論計算值相差0.61 N,誤差為7.96%;缽體與扶苗板碰撞時所受到的碰撞力為7.36 N(圖9第②個峰值點),該值與理論計算值相差0.54 N,誤差為7.94%;缽體與開溝器底部碰撞時所受到的碰撞力為7.38 N(圖9第③個峰值點),該值與理論計算值相差0.57 N,誤差為8.35%。

4 缽體碰撞試驗

開展缽苗下落碰撞試驗,研究底部平面碰撞和楔形側面護缽兩種不同接苗方式下缽體的破損情況,同時進一步驗證缽體碰撞力學模型的可靠性。

試驗用缽苗為浙江省杭州禾美健蔬菜專業合作社育苗基地培育的油菜苗(圖10),苗齡50 d,苗高100～130 mm,含水率65%。

(a) 油菜缽苗

(b) 開溝式植苗機構圖10 試驗用缽苗與開溝式植苗機構Fig. 10 Seedlings and ditch-type seedling planting mechanism for test

試驗臺為初步設計的開溝式植苗機構樣機。根據不同接苗方式將試驗分為兩組,每組試驗缽苗總數均為40株。試驗時,手動調整植苗機構接苗方式,缽苗從距開溝器底部435 mm的接苗管上端開始下落,用數字電子秤(精度為0.01 g)稱量并記錄每次試驗前后的缽苗質量并統計出試驗前后每組缽苗的平均質量,最后計算得到質量損失率,即為缽苗破損率。

(17)

式中:η——缽苗破損率;

M1——試驗前缽苗平均質量,g;

M2——試驗后缽苗平均質量,g。

兩種接苗方式下缽體碰撞試驗結果見表3。

表3 缽體碰撞試驗結果Tab. 3 Results of the seedling pot collision tests

由表3可知,楔形側面護缽接苗方式下缽體破損率為0.77%,明顯低于底部平面碰撞接苗方式的1.69%。試驗結果表明楔形側面護缽接苗方式與底部平面碰撞接苗方式相比,具有大幅降低缽苗缽體損傷的優點,這與理論計算和仿真分析所得出的結論是一致的,同時也驗證了缽體碰撞力學模型的可靠性。

5 結論

1) 提出了一種多桿式開溝式植苗機構,分析了蔬菜缽苗與植苗機構互作機理,建立了植苗機構底部平面碰撞與楔形側面護缽兩種接苗方式下缽體與機構的碰撞力學模型,計算得到兩種接苗方式下缽體所受到的最大碰撞力分別為29.27 N和7.66 N。進行了缽體碰撞離散元仿真,缽體碰撞力的仿真分析與理論計算結果基本一致,驗證了缽體碰撞力學模型的可靠性。

2) 開展了植苗機構底部平面碰撞與楔形側面護缽兩種不同接苗方式下缽苗跌落碰撞試驗,楔形側面護缽接苗方式下缽體破損率為0.77%,明顯低于底部平面碰撞接苗方式下缽體破損率1.69%。

3) 蔬菜缽苗缽體與機構碰撞的理論分析、仿真和試驗結果均表明,開溝式植苗機構采用楔形側面護缽接苗方式,蔬菜缽苗缽體的損傷率低,有利于機構推苗和植苗作業,為植苗機構的設計提供依據。