萬(wàn)霖，汪春，車剛，馮金龍，張吉軍

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319）

蔬菜移栽機(jī)分插機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及運(yùn)動(dòng)特性分析

萬(wàn)霖，汪春，車剛，馮金龍，張吉軍

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319）

基于水稻插秧機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)的小型蔬菜移栽機(jī)，移栽的核心工作部件是采用曲柄搖桿的后插式分插機(jī)構(gòu)，其性能決定移栽質(zhì)量，通過(guò)理論分析，建立曲柄搖桿分插機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模型，模擬了相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡。運(yùn)動(dòng)VB軟件獲得運(yùn)動(dòng)軌跡，并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，獲得取苗角=13.2°，推苗角=68.08°，兩角差值=55.50°。絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡高度達(dá)到300 mm，滿足蔬菜移栽農(nóng)藝要求，為蔬菜移栽設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

蔬菜移栽機(jī)；分插機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)特性；軌跡

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的確立、人民生活水平的不斷提高，蔬菜生產(chǎn)迅猛發(fā)展，已成為中國(guó)農(nóng)業(yè)及農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)[1-2]。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，2009年蔬菜種植面積2072.11萬(wàn)hm2，其中設(shè)施蔬菜種植491.35萬(wàn)hm2。移栽是蔬菜生產(chǎn)過(guò)程中重要環(huán)節(jié)之一，具有對(duì)氣候的補(bǔ)償作用和使作物生育提早的綜合效益，可以充分利用光熱資源，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益均非常可觀，要求其配套機(jī)械不斷的改進(jìn)，發(fā)展機(jī)械化栽植是設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[3-6]。

基于水稻插秧機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)的小型蔬菜移栽機(jī)移栽的核心工作部件是后插式分插機(jī)構(gòu)，后插式分插機(jī)構(gòu)是改進(jìn)的蔬菜移栽機(jī)的核心工作部件，其性能的好壞決定移栽質(zhì)量、工作可靠，其參數(shù)的選擇既要滿足運(yùn)動(dòng)軌跡，又要保證旱地栽植的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，滿足栽植臂部不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉的要求[7]。通過(guò)模擬絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化較佳的設(shè)計(jì)參數(shù)，確定最優(yōu)值[8-12]。

1 分插機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型的建立

蔬菜移栽機(jī)的核心工作部件是后插式分插機(jī)構(gòu)，即分插機(jī)構(gòu)的夾持缽苗指向和插秧機(jī)的前進(jìn)方向相反如1示意圖。該機(jī)構(gòu)采用是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖及位置分析如圖2，曲柄搖桿式分插機(jī)構(gòu)適用步行蔬菜移栽機(jī)，通過(guò)改變曲柄搖桿式分插

機(jī)構(gòu)的搖桿鉸鏈點(diǎn)相對(duì)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)中心位置，形成不同軌跡，改變連桿上P點(diǎn)位置和角度引起軌跡的變化規(guī)律，其等效于改變了搖桿鉸鏈點(diǎn)D的相對(duì)位置。

圖1 移栽方式示意圖Fig.1Diagram of transplanting methods

圖2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)位置分析Fig.2Analysis of crank position

1.1 曲柄原動(dòng)件的復(fù)數(shù)和矩陣數(shù)學(xué)模型建立

如圖3所示，在復(fù)數(shù)坐標(biāo)中，曲柄的復(fù)數(shù)和矩陣數(shù)學(xué)模型的建立AB復(fù)向量的模rj為常數(shù)、幅角θj為變量，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副A與機(jī)架連接，轉(zhuǎn)動(dòng)副A的復(fù)向量的模ri為常量、幅角θi為常量，曲柄AB端點(diǎn)B位移、速度、加速度推導(dǎo)如下：

圖3 曲柄復(fù)數(shù)坐標(biāo)Fig.3Coordinates of crank complex

方程（1）對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)得：

方程（2）對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)得：

由（3）寫出矩陣形式有

1.2 桿組的復(fù)數(shù)和矩陣數(shù)學(xué)模型的建立

圖4 桿組的復(fù)數(shù)坐標(biāo)Fig.4Complex coordinates of bar group

桿組的復(fù)數(shù)坐標(biāo)系中，由三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副（B，C，D）和兩個(gè)構(gòu)件（ri，rj）組成，即為RRRⅡ級(jí)桿組。構(gòu)件的幅角θi和θj是變量，C點(diǎn)的加速度推導(dǎo)如下：

方程（5）整理后對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，寫成矩陣形式：

2 蔬菜移栽機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡分析

如圖1所示，步行式移栽機(jī)屬于后插式作業(yè)，核心工作部件——曲柄搖桿式分插機(jī)構(gòu)來(lái)展開，取苗器固定在連桿（栽植臂）上，取苗器的運(yùn)動(dòng)軌跡為連桿運(yùn)動(dòng)曲線的一種特定形式。當(dāng)曲柄按一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，搖桿擺動(dòng)，固定在連桿上的取苗器按封閉曲線運(yùn)動(dòng)，完成取苗和移苗動(dòng)作，不需要控制機(jī)構(gòu)控制軌跡，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，摩擦阻力小，但取苗器的行程受限制，行程過(guò)大每分鐘移栽的次數(shù)不能提高，所以應(yīng)用在步行移栽機(jī)，前進(jìn)的速度慢，不會(huì)影響移栽質(zhì)量。

分插機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡指的是相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡。相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡是指移栽機(jī)在水平方向沒(méi)

有位移時(shí)分插機(jī)構(gòu)上的夾持部分尖點(diǎn)形成的運(yùn)動(dòng)軌跡；絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡指移栽機(jī)按照實(shí)際工作要求水平前進(jìn)時(shí)分插機(jī)構(gòu)上夾持部分尖點(diǎn)形成的軌跡。

2.1 構(gòu)建軌跡設(shè)想

（1）考慮缽苗的高度的要求，從苗盤上取下缽苗至最低的距離，機(jī)構(gòu)要有實(shí)現(xiàn)的可能；

（2）取苗器進(jìn)入缽苗群處（叫入簾），相對(duì)取苗器尖點(diǎn)的軌跡走向要與缽苗軸向成銳角（一般5°～20°）；

（3）取苗段的軌跡走向應(yīng)盡量與苗簾平行，而分苗方向要垂直，減少切削阻力；

（4）取苗深度要滿足缽苗的缽塊高度，一般為35～50 mm；

（5）基本上與地面垂直向下運(yùn)苗，接近垂直式分苗；

（6）取苗器進(jìn)行下移返回，要求不碰到剛移栽的缽苗；

（7）回程間隙保證機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)不碰到苗群。

2.2 相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡（靜軌跡）分析

相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡根據(jù)分苗—運(yùn)苗—移栽—回程各段的要求而定，作為設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的依據(jù)，并判定分苗、運(yùn)苗、回程段的合理性如圖5，這些軌跡最根本的原因是其運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的非勻速傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)，可以通過(guò)改變結(jié)構(gòu)參數(shù)的方式獲得“海豚形”曲線。

圖5 相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.5Simulation of relative motion path and absolute motion path

2.3 絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡（動(dòng)軌跡）分析

為保證移栽質(zhì)量必須對(duì)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，用于理論上檢驗(yàn)移栽段和回程段軌跡是否能適應(yīng)給定的株距范圍，作為靜軌跡評(píng)價(jià)和修改的依據(jù)如圖。

絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡是機(jī)車前進(jìn)速度形成的，即速度比：

令機(jī)車的前進(jìn)速度：Vm；

取苗器尖點(diǎn)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度：V，其水平運(yùn)動(dòng)方向速度Vx和垂直運(yùn)動(dòng)方向速度Vy，對(duì)各個(gè)階段運(yùn)動(dòng)加以分析：

（1）在取苗點(diǎn)前的某小段軌跡要求λ≥1。工作時(shí)苗箱與機(jī)車的行走速度一致，如果出現(xiàn)λ＜1，則會(huì)出現(xiàn)取不上缽苗的情況。

（2）送苗過(guò)程，對(duì)這一階段栽植臂的軌跡無(wú)特殊要求。

（3）回轉(zhuǎn)過(guò)程，要求λ＜0且｜λ｜＞1，目的是避免推倒缽苗。

（4）避讓過(guò)程，要求λ＜0且｜λ｜≥1。一般取λ=-1，尖點(diǎn)的水平絕對(duì)速度為0，只有垂直向上的運(yùn)動(dòng)，高度由缽苗的高度決定，以不傷苗為準(zhǔn)。可以避免隨機(jī)車向前運(yùn)動(dòng)時(shí)把已移栽好的缽苗碰傷。

（5）為了避免傷苗，在回轉(zhuǎn)過(guò)程和避讓過(guò)程段中尖點(diǎn)的絕對(duì)水平分速度Vx一直小于機(jī)車的前進(jìn)速度Vm，只有當(dāng)Vx＞Vm時(shí)才能趕上秧門并進(jìn)行下一周期的取苗、移栽。

從分插機(jī)構(gòu)栽植臂的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡可以看出，各階段其運(yùn)動(dòng)方向和大小各不相同，做變速運(yùn)動(dòng)，才能獲得滿足農(nóng)藝要求的移栽軌跡。

3 仿真分析

利用VB建立可視化界面，在計(jì)算機(jī)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，確定可行方案，再經(jīng)過(guò)必要的分析，進(jìn)一步評(píng)定優(yōu)劣，選取合理方案。

3.1 絕對(duì)運(yùn)動(dòng)模擬

絕對(duì)運(yùn)動(dòng)模擬模塊的功能是模擬栽植機(jī)在田間的實(shí)際工作情況。在水平前進(jìn)速度的作用下栽植機(jī)構(gòu)形成絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，從絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡上可以分析取苗穴口的大小、投苗位置等，如圖6所示。

圖6 優(yōu)化前的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.6Path of absolute motion

圖7 優(yōu)化后的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.7Path of optimized absolute motion

在改變株距時(shí)，應(yīng)用該組參數(shù)設(shè)計(jì)的分插機(jī)構(gòu)在實(shí)際的工作過(guò)程中會(huì)發(fā)生壓苗現(xiàn)象，所以要修改參數(shù)。導(dǎo)致壓苗現(xiàn)象的原因是取苗器尖點(diǎn)靜軌跡過(guò)于前傾，所以要減小初始角度。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后得到如圖7所示的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡?？梢钥闯?，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的軌跡不會(huì)產(chǎn)生壓苗現(xiàn)象。同時(shí)，計(jì)算得取苗角=13.2°，推苗角=68.08°，兩角差值=55.50°。絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡高度達(dá)到300 mm，可以同時(shí)滿足蔬菜缽苗移栽要求。

在以上輔助設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中，要始終注意取苗角、推苗角的大小。以保證移栽后缽苗的直立度。

4 結(jié)論與討論

（1）平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題，采用復(fù)矢量法分析法，建立矩陣方程，為采用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序提供依據(jù)，使得原本復(fù)雜的計(jì)算變得容易。

（2）對(duì)分插機(jī)構(gòu)上栽植臂尖點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，分析了海豚形運(yùn)動(dòng)軌跡的生成過(guò)程。

（3）利用VB軟件，分析分插機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)。分插機(jī)構(gòu)在工作條件下，取苗位置合理。理論推苗角為70°，基本吻合，推苗滿足理論設(shè)計(jì)要求。推苗時(shí)間為0.019 S。推苗結(jié)束后，缽苗在重力作用下，缽苗與水平線之間的夾角在80°～90°之間變化，可以保證機(jī)械插秧時(shí)秧苗直立的農(nóng)藝要求。

（4）理論分析和虛擬技術(shù)相結(jié)合，已滿足要求，但實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中諸多因素的影響，如蔬菜缽苗大小、蔬菜根部結(jié)構(gòu)、切割力的大小需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

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Study on Structural Parameter Optimization and Motion Characteristics Analysis of Transplanting Mechanism

Wan Lin，Wang Chun，Che Gang，F(xiàn)eng Jinlong，Zhang Jijun
（College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

To improve small vegetable transplanter on the basic of rice transplanter，the core component of transplanting used crank rocker of plug transplanting mechanism，and the performance decided transplanting quality.Based on the theory analysis，the paper built motion model of crank and rocker transplanting mechanism and simulated the relative motion path and absolute motion path. The software VB got trajectory，optimized parameter and obtained seedling angle 13.2°，and pushed seedlings angle 68.08°and corners difference 55.50°.The height of absolute trajectory was 300 mm to meet the agricultural requirement of vegetable transplanting and provide the theory basis for vegetable transplanting design.

vegetable transplanter；transplanting mechanism；motion characteristics；trajectory

266.6

A

1002-2090（2015）02-0083-04

10.3969/j.issn.1002-2090.2015.02.019

2013-12-18

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（12521366）。

萬(wàn)霖（1971-），女，教授，碩士研究生導(dǎo)師，現(xiàn)主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論方面的教學(xué)與研究工作。