設(shè)施膜上移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

王春輝，尹義蕾，丁小明，陳永生，付亞斌，陳杰

(1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京市，100125； 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市，100125；3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014； 4. 寶雞市鼎鐸機(jī)械有限公司，陜西寶雞，721000)

0 引言

截至2019年，我國(guó)設(shè)施蔬菜面積已超過(guò)4 100 khm2，為保障菜籃子供應(yīng)和提高農(nóng)民收入發(fā)揮了重大作用。穴盤(pán)育苗移栽是設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中最重要的環(huán)節(jié)之一，相較于直播，移栽可有效提高作物產(chǎn)量與收益[1-4]。當(dāng)前，我國(guó)設(shè)施穴盤(pán)苗移栽主要是膜上移栽，移栽株距、深度、覆土效果等要求高，相關(guān)的裝備研制仍處于起步階段，作業(yè)主要依靠人工，成本高、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大。因此，研制適用性強(qiáng)、移栽效率高的穴盤(pán)苗移栽機(jī)是一個(gè)亟待解決的難題。

取投苗與栽植機(jī)構(gòu)是移栽機(jī)械的關(guān)鍵組成部分，其機(jī)械化與自動(dòng)化能夠顯著提高移栽效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度[5]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者都對(duì)栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一系列的應(yīng)用與研究。石河子大學(xué)的李華等[6]設(shè)計(jì)的ZXM-2型全自動(dòng)蔬菜穴盤(pán)苗鋪膜移栽機(jī)采用了行星輪系—五桿式栽植機(jī)構(gòu)，由于該機(jī)構(gòu)使用了較為復(fù)雜的行星輪系因此加工與維護(hù)的成本較高。江蘇大學(xué)的王震[7]設(shè)計(jì)了入土角度與栽植深度可調(diào)鴨嘴式高速移栽裝置，其栽植機(jī)構(gòu)對(duì)土壤的劃痕較長(zhǎng)實(shí)用性不高，不適宜做溫室內(nèi)的膜上移栽。昆明理工大學(xué)的于英杰等[8]設(shè)計(jì)了一種雙曲柄式花椰菜缽苗栽植機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可保持末端的姿態(tài)不變，但其自由度為2，需要有兩個(gè)曲柄同步轉(zhuǎn)動(dòng)，其加工與維護(hù)的成本較高。東北林業(yè)大學(xué)的李樹(shù)森等[9]設(shè)計(jì)了一種新型六桿栽植機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可使末端在工作時(shí)保持姿態(tài)不變，但并沒(méi)有對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際的試驗(yàn)，其實(shí)用性有待進(jìn)一步研究。

為得到一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性高、成本較低的栽植機(jī)構(gòu)，本文提出一種八桿單自由度的栽植機(jī)構(gòu)，建立該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并進(jìn)行仿真分析與試驗(yàn)。

1 栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

移栽機(jī)主要由行走機(jī)構(gòu)、送苗機(jī)構(gòu)、栽植機(jī)構(gòu)三部分組成。行走機(jī)構(gòu)采用直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)帶有差速減速機(jī)減速后將動(dòng)力輸出到驅(qū)動(dòng)輪上。工作時(shí)需要人工將苗投喂到送苗機(jī)構(gòu)的送苗盒中，送苗機(jī)構(gòu)再將苗繼續(xù)投喂給栽植機(jī)構(gòu)，栽植機(jī)構(gòu)將苗栽植到壟上。

1.2 栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

八桿栽植機(jī)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)架、驅(qū)動(dòng)輪、滑動(dòng)連桿、平行四桿機(jī)構(gòu)Ⅰ、平行四桿機(jī)構(gòu)Ⅱ、栽植盒組成。在兩個(gè)平行四桿機(jī)構(gòu)的共同作用下可使得栽植盒在工作時(shí)姿態(tài)保持不變。栽植盒為鴨嘴式結(jié)構(gòu)，可垂直與作業(yè)方向打開(kāi)。

圖1 八桿栽植機(jī)構(gòu)平面圖Fig. 1 Plan of eight bar planting mechanism1.栽植盒 2.滑動(dòng)連桿 3.驅(qū)動(dòng)輪 4.機(jī)架5.平行四桿機(jī)構(gòu)Ⅰ 6.平行四桿機(jī)構(gòu)Ⅱ

為便于說(shuō)明和分析，八桿栽植機(jī)構(gòu)可簡(jiǎn)化為圖2的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，八桿指的是圖中AB、BE、FD、DR、RN、NFGM、HG、JM八根桿件。

圖2 栽植機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig. 2 Schematic diagram of planting mechanism

栽植機(jī)構(gòu)活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=9，低副數(shù)量PL=13，高副數(shù)量PH=0代入自由度公式[10]

F=3n-2PL-PH

(1)

可得栽植機(jī)構(gòu)的自由度為1，因此只需要一個(gè)原動(dòng)件，便可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜確定的動(dòng)作[11]。減速箱的輸出軸帶動(dòng)L1繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，K點(diǎn)為栽植盒末端。以各個(gè)桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正，x軸正半軸為初始化的相位基準(zhǔn)，則各個(gè)桿和構(gòu)件的初始相位為α1～α5。世界坐標(biāo)系為xOy以減速器的輸出軸為原點(diǎn)作為機(jī)架坐標(biāo)系x1Ay1[12]，構(gòu)件I為機(jī)架，各個(gè)桿之間通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，各個(gè)桿長(zhǎng)為L(zhǎng)1～L9，曲柄L1可繞原點(diǎn)A轉(zhuǎn)動(dòng)，L2桿可在構(gòu)件Ⅱ中滑動(dòng)，構(gòu)件Ⅱ可繞點(diǎn)C自由轉(zhuǎn)動(dòng)，其余各個(gè)桿之間鉸支連接，O點(diǎn)為桿DR的中心位置。因?yàn)闄C(jī)構(gòu)中存在平行四桿機(jī)構(gòu)GHJM和DFNR，則構(gòu)件Ⅲ、DR桿件、OG桿件、GK桿件只能在x1Ay1坐標(biāo)系內(nèi)實(shí)現(xiàn)平移而不能轉(zhuǎn)動(dòng)，所以?shī)A角α4、θ、δ、γ保持不變。作業(yè)速度大小為v，方向沿世界坐標(biāo)系的x負(fù)方向。

1.3 工作原理

送苗機(jī)構(gòu)在主動(dòng)鏈輪的帶動(dòng)下使鏈條上的送苗盒圍繞送苗架運(yùn)動(dòng)，在需要投苗的位置安裝有撞塊，當(dāng)送苗盒移動(dòng)到投苗位置后開(kāi)合機(jī)構(gòu)上的軸承與撞塊碰撞迫使送苗盒打開(kāi)，送苗盒里的苗落入栽植盒內(nèi)，越過(guò)此位置后在彈簧作用下送苗盒關(guān)閉。

在八桿栽植機(jī)構(gòu)中，桿L1由減速器驅(qū)動(dòng)，當(dāng)栽植盒正好運(yùn)動(dòng)到最高位置時(shí)送苗機(jī)構(gòu)正好將送苗盒運(yùn)送到其正上方，然后打開(kāi)送苗盒將苗投入到栽植盒內(nèi)。八桿栽植機(jī)構(gòu)末端的栽植盒繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到最低位置，由于存在兩個(gè)平行四桿機(jī)構(gòu)，可使得送苗盒落入栽植盒內(nèi)的缽苗姿態(tài)保持不變，保證了移栽缽苗的直立度，當(dāng)栽植盒運(yùn)行到最低點(diǎn)時(shí)栽植盒打開(kāi)，缽苗自由落入穴孔中。穴孔在栽植盒入土出土?xí)r形成[12]，栽植盒從最低點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)行到最高點(diǎn)重復(fù)上述動(dòng)作。送苗機(jī)構(gòu)的送苗盒同時(shí)給兩套栽植機(jī)構(gòu)供苗，當(dāng)一套機(jī)構(gòu)的栽植盒插入土中放苗時(shí)，送苗機(jī)構(gòu)正好將苗放入另一套機(jī)構(gòu)的栽植盒中，在鏈條上的送苗盒依次間隔的放入各自對(duì)應(yīng)的栽植機(jī)構(gòu)中。

2 八桿栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

如圖2所示，在機(jī)架坐標(biāo)系x1Ay1下，根據(jù)圖2栽植機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖列出矢量封閉方程組[13-16]

(2)

根據(jù)矢量方程組中的第一個(gè)式子可得

(3)

整理可得

(4)

根據(jù)矢量方程組中的第二個(gè)式子可得

(5)

消去α5整理可求得關(guān)于α3的解為

(6)

根據(jù)矢量方程組中的第三個(gè)式子可得

(7)

機(jī)架坐標(biāo)系x1Ay1原點(diǎn)，在世界坐標(biāo)系xOy的y方向上高度恒為h，以速度恒定v運(yùn)行t時(shí)間后的位置坐標(biāo)為(xOK，yOK)則K點(diǎn)在世界坐標(biāo)系xOy的位置方程

(8)

對(duì)式(8)求一階導(dǎo)可得K點(diǎn)的速度

(9)

對(duì)式(8)求二階導(dǎo)可得K點(diǎn)的加速度

(10)

可通過(guò)式(8)～式(10)的求解得到栽植機(jī)盒末端K點(diǎn)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。

3 八桿栽植機(jī)構(gòu)軌跡仿真分析

實(shí)際工作過(guò)程中，由于存在水平方向的行進(jìn)速度，導(dǎo)致栽植機(jī)構(gòu)在完成缽苗插植工作時(shí)，并不能垂直入土和出土，在作業(yè)方向上容易產(chǎn)生膜“撕裂”的現(xiàn)象。在膜上移栽時(shí)，若相鄰穴口間的地膜連接部分變短，覆蓋地膜容易撕開(kāi)[12]。為探究八桿栽植機(jī)構(gòu)在設(shè)施膜上移栽時(shí)膜面連接長(zhǎng)度是否合格對(duì)其進(jìn)行仿真分析。在分析移栽軌跡對(duì)膜面連接長(zhǎng)度的影響時(shí)，栽植盒在最低點(diǎn)投苗打開(kāi)方向與軌跡垂直，因此可忽略其對(duì)膜面連接長(zhǎng)度的影響。

3.1 作業(yè)速度的確定

設(shè)從取苗到放苗動(dòng)作所用的時(shí)間為t，驅(qū)動(dòng)桿轉(zhuǎn)速為n，則有[13]

(11)

式中：η——機(jī)構(gòu)取投苗效率，株/min；

φ——驅(qū)動(dòng)桿從投苗點(diǎn)到達(dá)取苗點(diǎn)時(shí)轉(zhuǎn)過(guò)的角度，φ=185°；

z——栽植機(jī)構(gòu)個(gè)數(shù)，由于設(shè)施農(nóng)業(yè)中主要是一壟雙行模式，本文實(shí)際樣機(jī)個(gè)數(shù)為2。

當(dāng)取投苗效率η=120株/min時(shí)，根據(jù)式(11)可求得驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n≈62 r/min，作業(yè)時(shí)作業(yè)速度、驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速、株距滿足

v=nd

(12)

式中：v——作業(yè)速度；

n——驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速；

d——株距。

通過(guò)實(shí)際調(diào)研可知：設(shè)施果菜的株距范圍為200～450 mm，根據(jù)式(11)可得在取投苗效率120株/min時(shí)，作業(yè)速度范圍為200～450 mm/s。

3.2 膜面長(zhǎng)度仿真分析

將栽植機(jī)構(gòu)三維模型導(dǎo)入到Adams中并施加對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副，添加驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速為1 r/s(n≈62 r/min)。設(shè)置仿真時(shí)間為3 s，仿真模型如圖3所示。

圖3 仿真模型Fig. 3 Simulation model

分別選取作業(yè)速度200 mm/s、300 mm/s、450 mm/s，穴孔深60 mm對(duì)其進(jìn)行軌跡仿真分析。得到的仿真軌跡如圖4～圖6所示。

最大栽植穴口在栽植盒入土和出土?xí)r形成，選取栽植深度為60 mm，距離栽植盒最下端高60 mm處寬為38 mm。當(dāng)株距為200 mm時(shí)，栽植盒在穴口水平方向上產(chǎn)生約32 mm的滑移，加上栽植盒寬度后穴口寬度為70 mm，不考慮地膜物理特性則膜面連接長(zhǎng)度為130 mm。同理，采用同樣的仿真步驟，可得株距為300 mm，膜面連接長(zhǎng)度為252 mm；株距為450 mm，膜面連接長(zhǎng)度為392 mm。

圖4 株距200 mm仿真軌跡Fig. 4 Simulation track of 200 mm spacing

圖5 株距300 mm仿真軌跡Fig. 5 Simulation track of 300 mm spacing

圖6 株距450 mm仿真軌跡Fig. 6 Simulation track of 450 mm spacing

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《蔬菜移栽機(jī)作業(yè)質(zhì)量》(NY/T 3486—2019)對(duì)膜面穴口開(kāi)孔合格的測(cè)定要求(株距大于等于150 mm且小于250 mm時(shí)，膜面長(zhǎng)度大于株距的1/2；株距大于等于250 mm時(shí)，膜面長(zhǎng)度大于株距的2/3)，可知八桿栽植機(jī)構(gòu)在對(duì)設(shè)施果菜苗進(jìn)行移栽時(shí)均滿足標(biāo)準(zhǔn)中的膜面穴口開(kāi)孔合格指標(biāo)。

4 試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證八桿栽植機(jī)構(gòu)膜上移栽的效果，按照實(shí)際三維設(shè)計(jì)的尺寸加工并裝配，在溫室內(nèi)進(jìn)行膜上移栽試驗(yàn)，選用平均苗高為100 mm番茄苗進(jìn)行試驗(yàn)。八桿栽植機(jī)構(gòu)的減速機(jī)和行走機(jī)構(gòu)均由調(diào)速電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)八桿栽植機(jī)構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速調(diào)整到1 r/s，然后，分別將行走速度調(diào)節(jié)到200 mm/s、300 mm/s、450 mm/s進(jìn)行作業(yè)，在三種速度下對(duì)應(yīng)的株距為200 mm、300 mm、450 mm。

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中《蔬菜移栽機(jī)作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(NY/T 3486—2019)對(duì)膜面穴口開(kāi)孔合格的測(cè)定要求，需要連續(xù)測(cè)定120個(gè)地膜穴口開(kāi)孔，由于整個(gè)移栽機(jī)存在兩個(gè)八桿栽植機(jī)構(gòu)因此每種速度下應(yīng)栽植242棵苗，整個(gè)試驗(yàn)需栽植726棵苗。

試驗(yàn)樣機(jī)如圖7所示，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示，株距測(cè)量如圖9所示。

圖7 八桿栽植機(jī)構(gòu)試驗(yàn)樣機(jī)Fig. 7 Experimental prototype of eight bar planting mechanism

圖8 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig. 8 Test site

(a) 株距200 mm

(b) 株距300 mm

(c) 株距450 mm圖9 株距測(cè)量Fig. 9 Spacing measurement

對(duì)試驗(yàn)連續(xù)測(cè)得的膜面連接長(zhǎng)度編號(hào)為1、2、3…120，在三種株距下測(cè)得的膜面連接長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)如圖10～圖12所示。

圖10 株距200 mm時(shí)膜面長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)Fig. 10 Statistics of film surface length atplant spacing of 200 mm

圖11 株距300 mm時(shí)膜面長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)Fig. 11 Statistics of film surface length atplant spacing of 300 mm

圖12 株距450 mm時(shí)膜面長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)Fig. 12 Statistics of film surface length atplant spacing of 450 mm

由于溫室內(nèi)地面平整，壟高誤差較小，因此每次試驗(yàn)過(guò)程中連續(xù)成功開(kāi)孔726個(gè)，開(kāi)孔合格率100%。為較小工作量，統(tǒng)一選取每次前進(jìn)方向的左側(cè)進(jìn)行測(cè)量，圖中虛線為在該株距下的合格膜面連接長(zhǎng)度，實(shí)線為實(shí)際測(cè)得的膜面連接長(zhǎng)度。八桿栽植機(jī)構(gòu)在株距為200 mm 時(shí)，膜面平均連接長(zhǎng)度141 mm，仿真值130 mm；株距為300 mm時(shí)，膜面平均連接長(zhǎng)度237 mm，仿真值252 mm；株距為450 mm時(shí)，膜面平均連接長(zhǎng)度368 mm，仿真值392 mm，在三種株距下，根據(jù)NY/T 3486—2019計(jì)算出的膜面穴口開(kāi)孔合格率均為100%。在200 mm、300 mm、450 mm株距時(shí)，膜面連接長(zhǎng)度仿真與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果誤差分別為8.5%、6%、6.1%，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性和設(shè)計(jì)的合理性，誤差初步分析可能是受地膜的本身屬性、壟面平整度和行走速度不均勻引起。

5 結(jié)論

1) 提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工成本低的八桿栽植機(jī)構(gòu)，建立了該機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，并介紹其工作原理。

2) 在取投苗效率為120株/min時(shí)，對(duì)株距為200 mm、300 mm、450 mm時(shí)，對(duì)八桿栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析，仿真分析結(jié)果表明：株距為200 mm，膜面連接長(zhǎng)度為130 mm，大于200 mm/2；株距為300 mm，膜面連接長(zhǎng)度252 mm，大于300 mm×2/3；株距為450 mm，膜面連接長(zhǎng)度392 mm，大于450 mm×2/3，在株距為200～450 mm范圍內(nèi)，膜面連接長(zhǎng)度隨株距的增大而增大。在三種株距下，根據(jù)NY/T 3486—2019計(jì)算出的膜面穴口開(kāi)孔合格率均為100%，均滿足蔬菜移栽機(jī)作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)NY/T 3486—2019中的膜面穴口開(kāi)孔指標(biāo)要求。

3) 對(duì)八桿栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，在株距分別為200 mm、300 mm、450 mm時(shí)，根據(jù)NY/T 3486—2019計(jì)算出的膜面穴口開(kāi)孔合格率均為100%，實(shí)際作業(yè)膜面連接長(zhǎng)度與仿真誤差分別為8.5%、6%、6.1%，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性和設(shè)計(jì)的合理性。