金　鑫，姬江濤，楊傳華，杜新武，劉衛(wèi)想

(1.河南科技大學 農業(yè)工程學院，河南 洛陽　471003；2.佳木斯大學 機械工程學院，黑龍江 佳木斯　154007)

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凸輪-六桿式導苗機構設計及仿真

金鑫1，姬江濤1，楊傳華2，杜新武1，劉衛(wèi)想1

(1.河南科技大學 農業(yè)工程學院，河南 洛陽471003；2.佳木斯大學 機械工程學院，黑龍江 佳木斯154007)

摘要：為了提高導苗管式移栽機作業(yè)質量，簡化核心部件結構，通過AHP-模糊綜合評價法優(yōu)化提出了凸輪-六桿式導苗機構，根據導苗管式移栽機作業(yè)農藝要求，并結合導苗機構作業(yè)時序設計規(guī)定，確定了導苗機構的關鍵結構與運動參數(shù)。當株距δ=225mm、作業(yè)效率ξ=80株/(min·行)時，ωc=8.38rad/s，υm=0.30m/s，φc0∈(-15°,72°)，φg0=350°，l1=24mm，l2=60mm，l3∈(285,295)mm，l4=180mm，l5=105mm，l6=45mm，l7=355mm，l9=290mm。在該設計參數(shù)下，對凸輪-六桿式導苗機構進行了虛擬樣機分析，結果表明：缽苗從導苗管滑道斜拋落入開溝器底部能夠保持直立姿態(tài)，驗證了結構分析和設計的正確性。

關鍵詞：導苗管式移栽機；AHP-模糊綜合評價法；凸輪-六桿式導苗機構；虛擬樣機

0引言

導苗管式移栽機系統(tǒng)一般由苗盤輸送、自動取苗、投苗導苗、栽植及覆土壓實等幾部分組成[1-2]。栽植和覆土壓實作為移栽機系統(tǒng)的末端執(zhí)行部分，要求將開溝、送苗入溝、扶正及覆土壓實等工序協(xié)同完成，進而達到替代人工定植秧苗成活的目的。導苗機構作為移栽機栽植器的重要組成部分，良好的設計：一方面，可以保證秧苗被導引入土后，不僅具有較低的倒伏率，而且還能具有較小的傷苗率，從而提高秧苗移栽后的成功率；另一方面，可以提高移栽機的作業(yè)速度，改善機器的工作效率。因此，對移栽機栽植器導苗機構的研究將為整機綜合性能的提升提供必要基礎[3-7]。

導苗管式移栽機秧苗依靠自身重力落入苗溝，不會傷苗，直立度較好，能夠保證株距且栽深穩(wěn)定[8]，移栽根裸苗時不會出現(xiàn)窩跟的現(xiàn)象，速度能達到60～70株/min[9-10]。目前，國內外導苗管式移栽機類型主要有：黑龍江農墾科學院研制的2ZY-2型玉米移栽機，中國農業(yè)大學研制的2ZDF型半自動導苗管式移栽機，山東工程學院研制的2ZG-2型缽苗移栽機，曲靖煙草公司研制的2YZ-1型煙草移栽機，意大利Ferrari公司生產的Maxi Multipla導苗管式蔬菜移栽機及意大利Chechen&Magli公司生產的雙行導苗管式半自動移栽機等[1,11-12]。但是，由于部分導苗管式移栽機存在機構復雜、造價高[13]等原因并未得到廣泛的推廣應用。

因此，本文基于導苗管式移栽機的結構類型，設計研發(fā)了一種新型導苗機構，并利用虛擬樣機技術，對導苗機構導苗動作過程進行模擬，分析并驗證導苗機構動作時序及缽苗被擺塊撥出后的直立度；獲得缽苗質心豎直方向運動位移及缽苗運動姿態(tài)角，驗證理論設計的正確性。

1結構設計與工作原理

1.1　整體結構設計

新型導苗機構的結構主要包括導苗管、扶苗機構及擋苗機構等部分。其中，缽苗的著落點設計為開溝器內的底部平面，扶苗機構布置于開溝器的內側，并通過扶苗板的后推或后擺動作實現(xiàn)將落于開溝器底部平面的缽苗推出、扶正；在缽苗被推出一側設計帶有缽苗擋板的擋苗機構，以減少機具作業(yè)過程中的振動對立于開溝器底部的缽苗姿態(tài)所造成的不利影響，主動、可靠地保證缽苗在被推出前具有較好的直立姿態(tài)。

各執(zhí)行機構的運動形式為導苗管擺動，擋苗機構的缽苗擋板外擺的升降；扶苗機構對缽苗進行推出、扶正。因此，根據執(zhí)行機構運動形式，匹配相應的執(zhí)行機構，通過AHP-模糊綜合評價法對導苗機構的執(zhí)行機構的結構形式進行評價分析，得出最優(yōu)機構方案：曲柄擺桿組合機構驅動導苗管擺動，凸輪杠桿機構控制缽苗擋板升降，曲柄連桿機構對缽苗進行推出、扶正。最后，綜合考慮栽植器的空間配置要求和導苗機構的結構要求，結合執(zhí)行機構動作協(xié)調設計方法[14]，對優(yōu)選得出的導苗機構設計方案下的執(zhí)行機構進行合理變形和組合，得到導苗機構機構簡圖，如圖1所示。

1.曲柄　 2.輥子　3.凸輪　4.擋苗機構擺桿　5.連桿

Fig.1The diagram of guiding seedling mechanism

主要參數(shù)含義：ys0為缽苗落至開溝器底部時相對其坐標系原點的豎直方向坐標；φc0為曲柄的初始相位角；φg0為導苗管的初始安裝角；φv0為擋苗機構缽苗擋板的初始安裝角；φb0為扶苗機構擺塊的初始相位角；T為導苗機構的一個動作周期；l1為曲柄OcO的長度；l2為曲桿OgD的長度；rc為輥子半徑；θ0為OA與OcA間的夾角；β為曲柄OcO與OcA間的夾角；φ為OgOc與OcA間的夾角；φc1為輥子剛好與曲桿在A處接觸時的曲柄轉角；(xg,yg)為曲桿鉸接點Og的坐標； γ為OgA與AD間的夾角；κ為OcOg與OgA間的夾角；α為曲桿彎角；ωc為主動曲柄轉速；t1為缽苗從移栽機導苗筒下落至開溝器底部的時間；T’為最大作業(yè)效率下的曲柄轉動周期，T’=0.5s；φW為曲柄工作行程時間段內轉過的角度；h為缽苗落苗點距離開溝器底部的距離，h=630mm；ξ為移栽機的設計作業(yè)效率，ξ=80株/(分鐘·行)；φc3為導苗管與輥子分離瞬時，曲柄轉角；δ為設計株距，δ=225mm；φg2為輥子位于B點位置時的曲桿轉角；hf為缽苗從開始下落到即將脫離承接筒的豎直高度；t2為缽苗沿導苗管滑道下滑的時間；t3為缽苗滑離導苗管落至開溝器的時間；△ts為下落過程中各種阻礙因素所損耗的時間；tz為缽苗從投苗筒投出到落至開溝器底部所用總時間；l6為搖桿ObB的長度；ψ為搖桿擺角；θ為OcC1與OcC2之間的夾角；R為曲柄搖桿機構圓O的半徑；L為弦長C1C2的長度；l7為連桿CE的長度；l8為機架OcOb的長度；l9為導苗管滑道長度；l3為擋苗機構擋板AB的長；l4為擋苗機構擺桿BO段的長；l5為擋苗機構擺桿OC段的長；δp為擋板升起的高度；δs為缽苗被擋板防護的高度；rOA為A點的運動軌跡半徑；β1為擋板與擺桿間的夾角；λ為缽苗擋板轉過的角度差；φv0為缽苗擋板的初始角；χ為缽苗擋板與導苗管滑道間的距離；cs為缽苗的最大寬度尺寸，cs=30mm；ψg為導苗管與水平方向的夾角；ψs為缽苗側面與底面夾角，ψs=77.39°；hs為缽苗苗高；h1為導苗管滑道的豎直高度；h2為導苗管最下端距離開溝器底部豎直高度。

1.2　工作原理

移栽機工作時，缽苗經由人工或自動取苗裝置，將其從苗盤中逐次或成排取出，然后通過旋轉的導苗筒，將缽苗運送至落苗位置后，缽苗落入呈傾斜狀態(tài)的導苗管中；當缽苗順著導苗管滑下落至開溝器底部，缽苗將在擋板、開溝器側板及導苗管共同圍成的空間區(qū)域內保持直立姿態(tài)；當扶苗板將缽苗后推的同時，缽苗擋板升起并外擺，缽苗被推入由覆土鎮(zhèn)壓輪擁起的土堆中，并進行覆土和鎮(zhèn)壓，完成缽苗定植。

導苗機構的動作時序圖如圖2所示。工作時，曲柄轉動，缽苗同時開始下落，連桿帶動扶苗機構的擺塊同步動作(0~t1時間)；缽苗經過導苗管導引，t1時刻落至開溝器底部；t2時刻，輥子壓迫導苗管動作，同時驅動擋苗機構的擺桿同步動作，從而促使缽苗擋板升起(t2~t3時間)；t3時刻，擺塊將缽苗瞬時外撥，經過△t時間，擺塊達到去程的極限位置并開始回擺(t3~t3+△t時間)。t4時刻，輥子脫離導苗管，導苗管在復位彈簧的作用下完全復位，同時擋苗機構的缽苗擋板在導苗管驅動下降下，擺塊在連桿和導苗管的共同作用下回擺復位，完成一個動作周期(t4~T時間)。

圖2　導苗機構動作時序圖

2關鍵部件的設計

2.1　導苗管

導苗管擺動機構為一曲柄擺桿組合機構，曲柄作為主動件，結構簡圖如圖3所示。曲桿OgDE為簡化的導苗管擺動機構，主動曲柄為桿OcO，曲柄末端O為輥子，A、B、C3點分別為輥子O與曲桿的觸碰點，即曲桿初始安裝位置、曲桿擺動最大位置、曲桿復位位置(曲桿復位通過彈簧實現(xiàn)，圖中未畫出)。以曲柄鉸接點Oc為坐標原點建立直角坐標系。

圖3　主動曲柄與導苗管擺動機構組合機構運動簡圖

考慮l1>rc，由圖3中幾何關系可得

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

由于缽苗從移栽機導苗筒下落的高度一定，因此，將缽苗下落過程所做的運動近似看做為自由落體運動，其下落時間為

(8)

為了充分保證擺塊運動至推苗位置時，缽苗已經落至開溝器底部，需要有充裕的曲柄工作轉角，則最充裕曲柄工作轉角為

(9)

在設計株距δ=225mm，作業(yè)效率ξ=80株/(min·行)，曲柄轉速ωc為

(10)

根據結構的空間配置要求，確定xg=-95mm，yg=-40mm，rc=12mm，l1=24mm，l2=60mm，α=140°，由式(8)~式(9)，求得φW=100.8°。由式(1)~式(7)，聯(lián)立式(9)，求得曲桿的初始安裝角φg0=350°，輥子剛好與曲桿接觸時(即A點位置)，OA與OcA間的夾角θ0=38.32°，此時曲柄轉角φc1=243.86°。由圖3分析可知，曲桿擺動角度達到最大，輥子此時位于圖中B點位置，且OA與OcA間的夾角θ0=0，由式(1)~式(7)聯(lián)立可得φg2=334.26°，φc2=294.26°。由式(10)可得ωc=8.38rad/s。

導苗管與輥子分離瞬時，曲柄轉角為φc3=φc1+φw=344.66°。

為了縮小移栽機整體機構尺寸，保證缽苗準確落入導苗管與擋苗機構形成的通道中，在導苗機構與落苗點之間增設中間承接筒裝置，使缽苗先經過中間承接筒，而后落入導苗管。假定缽苗脫離中間承接筒后即沿導苗管滑道下滑，則缽苗從開始下落到即將脫離承接筒的豎直高度hf=295mm。忽略缽苗與側壁的碰撞，以自由落體運動方程計算缽苗該過程的近似下落時間tf=0.243s。

依據導苗機構的結構配置，導苗管最下端距離開溝器底部豎直高度h2=120mm，缽苗開始從導苗管滑道下滑距離導苗管最下端的豎直高度h1=215mm。對導苗過程中缽苗的運動過程進行分析，并忽略缽苗下滑過程中導苗管因為振動引起的傾角變化，求得t2=0.082s，t3=0.031s。

下落過程中由于缽苗與導苗管碰撞及莖葉接觸摩擦等阻礙運動因素所損耗時間記為Δts，則缽苗從投苗筒投出到落至開溝器底部所用總時間tz=tf+t2+t3+Δts=0.356s+Δts。

當φc0>0時，則有

(11)

同時，曲柄初始安裝狀態(tài)不處于曲柄的工作行程內，則有

φc0-φc3>0

(12)

2.2　扶苗機構

扶苗機構的擺塊由曲柄帶動連桿驅動，擺塊鉸接于導苗管滑道末端(見圖1)。0~t2時間段內，曲柄處于空行程區(qū)，導苗管在復位彈簧作用下，近似處于靜止狀態(tài)，此時擺塊鉸接端位置固定。扶苗機構為一曲柄四連桿機構，機構運動簡圖如圖4所示。其中，Oc為曲柄鉸接點，OcA為主動曲柄，AB為連桿，擺塊鉸接端為Ob，ObB為從動搖桿。

圖4　扶苗機構運動簡圖

以Oc為坐標為原點建立直角坐標系。

根據擺塊的結構與空間運動的配置要求，取l6=45mm，ψ=65°。擺塊對缽苗作用過程中，擺塊的加速度特性應當盡量小，以減小對缽苗的沖擊，因此，試取搖桿的行程速比系數(shù)K=1.03。

對扶苗機構簡圖進一步簡化，如圖5所示。

圖5　曲柄搖桿機構簡圖

其中，Oc、Ob分別表示曲柄和搖桿的鉸接位置，C1、C2分別表示搖桿的運動極限位置，E1、E2分別表示搖桿位于極限位置時的曲柄運動的對應位置點。以搖桿鉸接點Ob為坐標原點，C1、C2連線的中線為坐標縱軸，建立直角坐標系。

從圖5中可以看出：OcC1與OcC2之間的夾角即為極位夾角，ObC1與ObC2之間的夾角即為搖桿擺角，ψ=65°。根據行程速比公式可得θ=3.07°。

由圖5中的幾何關系知

(13)

(14)

由極位夾角定義可得：OcC1=l7-l1OcC2=l7+l1。

根據余弦定理及式(14)可得

(15)

在△OcC1Ob中，由余弦定理整理可得

(16)

根據導苗機構的結構特點，記鉸接點Oc、Og、Ob構成的三角形為△OcOgOb， Og為導苗管固定鉸接點。則由其中的幾何關系可得

(17)

由式(13)~式(17)及前文所得參數(shù)可得：l7=355.36mm，l8=343.42mm，l9=286.50mm；對其進行適當?shù)男拚胠7=355mm，l8=343mm，l9=290mm。

2.3　擋苗機構

擋苗機構的主要功用是保證缽苗落至開溝器后能夠具有穩(wěn)定姿態(tài)，以防止移栽機作業(yè)過程中因前進不平穩(wěn)導致缽苗提前歪倒，從而影響秧苗移栽一致性。擋苗機構的設計實質為一杠桿機構，并由導苗管的末端凸輪對其進行驅動(見圖1)，其動作簡圖如圖6所示。

以杠桿中心鉸接點O為坐標原點建立直角坐標系。其中，GM表示導苗管，LNQ表示開溝器，LN表示開溝器底部平面，AB為缽苗擋板，BOC為擋苗機構擺桿，A點的運動軌跡為以O為圓心，以OA為半徑的一段圓弧。

考慮到不同品種缽苗、不同苗齡缽苗高度不一致，當缽苗擋板設計長度較長，而缽苗高度較高，缽苗在被撥出時可能由于擋板升起高度不夠，而導致秧苗莖葉被擋板“打彎”，移栽后呈前伏姿態(tài)；當缽苗擋板設計長度較短，而缽苗高度較低，擋板對缽苗起不到“防護”作用，缽苗可能由于機具顛簸振動在被擺塊推出前出現(xiàn)倒伏，影響移栽質量。因此，為了提高缽苗擋板對苗高的適應性，將擋板長度，即l3設計為可調，擋板與擋苗機構擺桿間的夾角，即β1設計為可調。

圖6　擋苗機構運動簡圖

為了保證缽苗能夠順利被擺塊推出，擋板升起的高度至少大于缽苗上段莖葉被擋板“防護”的高度。即二者間的約束關系可以表示為

δp>δs

(18)

由圖中幾何關系可得

(19)

(20)

(21)

將式(20)~式(21)帶入式(18)得

(22)

缽苗從導苗筒投出后能夠順利沿導苗管滑道滑落，則缽苗擋板與導苗管滑道間的最短距離要大于缽苗最大寬度尺寸，則約束條件為

χ>cs

(23)

當導苗管傾斜角度最大時與缽苗擋板底端相距最近，此時有

(24)

代值計算可得，ψg=74.26°，與缽苗側表面和底面夾角ψs=77.39°非常接近。因此，認為缽苗沿導苗管滑下的過程中，缽苗處于直立狀態(tài)。

3虛擬仿真

根據導苗機構各部件的結構參數(shù)尺寸和設計要求，綜合考慮結構配置的緊湊型，利用CATIA軟件建立導苗機構的三維虛擬模型，如圖7所示?；贏DAMS對導苗機構導苗動作過程進行模擬，分析并驗證導苗機構動作時序及缽苗被擺塊撥出后的直立度，導苗機構的ADAMS虛擬樣機模型如圖8所示。

1.曲柄 2.缽苗擋板 3.導苗管 4.擺塊 5.連桿 6.開溝器

1.缽苗　 2.導苗機構　3.虛擬地面

3.1　導苗機構動作過程及缽苗姿態(tài)模擬

采用ADAMS交互式控制仿真方式，對導苗機構的動作過程進行模擬。設置仿真時間1.5s，仿真步長500；仿真過程中，導苗機構的動作過程及缽苗姿態(tài)如圖9所示。

t=0s　　　　　　　　　　t=0.240s

t=0.330s　　　　　　　　t=0.366s

t=0.432s

如圖3~圖10，缽苗從導苗筒投出后，先與導苗管發(fā)生碰撞，而后沿導苗管滑道下滑，接著離開滑道，做斜拋運動落至開溝器底部，此時缽苗具有直立姿態(tài)；缽苗在開溝器底板上經過短暫停留后，被擺塊向后撥出。由于缽苗模型選用梯形體，擺塊對其撥出時，與其接觸部分為點接觸，仿真中考慮了地面對缽體的摩擦作用，缽苗產生了附加力矩，因此，缽苗被擺塊撥動后，呈向后傾倒姿態(tài)。

根據對導苗機構動作過程的模擬，可以進一步獲得缽苗質心豎直方向運動位移及缽苗運動姿態(tài)角(姿態(tài)角規(guī)定：缽體模型對稱平面內豎直軸線與水平平面之間的夾角)曲線，如圖10所示。

由圖10可知：缽苗下落過程中，與導苗管碰撞之前，缽苗做自由落體運動，其運動姿態(tài)曲線呈一條直線。缽苗下落到一定高后與導苗管發(fā)生碰撞，而后沿著導苗管滑道下滑，缽苗的運動姿態(tài)曲線表現(xiàn)為缽苗姿態(tài)角坐標先迅速減小后變?yōu)槠骄?圖中虛線所示)；與此同時，缽苗質心在豎直方向運動軌跡曲線表現(xiàn)為坐標值逐漸下降(圖10中實線所示)。缽苗離開滑道后斜拋落地，缽體質心坐標表現(xiàn)為一條水平直線，而缽苗運動姿態(tài)曲線表現(xiàn)出輕微波動。這主要是由于缽苗斜拋落地瞬間，缽體對開溝器底部的較大沖量引起缽體晃動造成。缽苗落至開溝器底部后的姿態(tài)角由圖10中可以看出近似呈直立姿態(tài)。缽苗在開溝器底部停留一段時間后被擺塊向后撥動，此時缽苗姿態(tài)曲線表現(xiàn)為迅速下降，即缽苗姿態(tài)角迅速減小，這主要是由于模擬過程未考慮回流土壤對缽體的作用，缽體被撥動后呈現(xiàn)向后翻倒姿態(tài)。翻轉過程中，缽體質心坐標隨之下降，缽體質心軌跡曲線表現(xiàn)為坐標值下降。通過對缽體運動姿態(tài)曲線的分析可知，缽苗的運動模擬過程與理論設計基本一致，從而進一步驗證了理論分析的正確性。

圖10　缽苗運動姿態(tài)曲線

4結論

1)設計了一種新型凸輪-六桿式導苗機構，該機構主要包括曲柄擺桿、凸輪杠桿和曲柄連桿組合機構，對缽苗完成栽植的過程中，可靠地保證了缽苗具有較好的直立姿態(tài)。

2)結合移栽機設計要求、結構空間配置約束和針對導苗系統(tǒng)動作時序的分析和計算，確定了導苗機構的主要結構參數(shù)。在設計株距δ=225mm，作業(yè)效率ξ=80株/(min·行)的前提下，計算得導苗機構的曲柄轉速ωc=8.38rad/s，移栽機行進速度υm=0.30m/s，曲柄初始安裝角范圍φc0∈(-15°,72°)，導苗管的初始安裝角φg0=350°，曲柄桿長l1=24mm，導苗管鉸接部長度l2=60mm，擋苗機構擋片長度l3∈(285,295)mm，杠桿鉸接點兩側長度l4=180mm，l5=105mm，搖桿長度l6=45mm，連桿長度l7=355mm，導苗管滑道長度l9=290mm。

3)利用CATIA軟件建立導苗機構的三維虛擬模型，并基于ADAMS對導苗機構動作過程進行了模擬仿真。仿真結果表明：缽苗從導苗管滑道斜拋落入開溝器底部能夠保持直立姿態(tài)。通過對導苗機構進行動作過程模擬，驗證了理論分析和設計的正確性，證明了該機構能夠較好地實現(xiàn)預計功能和完成導苗移栽工作。

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Design and Simulation of Cam-six-bar Guiding Seedling Mechanism

Jin Xin1, Ji Jiangtao1, Yang Chuanhua2, Du Xinwu1, Liu Weixiang1

(1.College of Agricultural Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China; 2.School of Mechanical Engineering, Jiamusi University, Jiamusi 154000, China)

Abstract：In order to improve the working quality of transplanter with chute and simplify the structure of core parts, the cam-six-bar guiding seedling mechanism was put forward and optimized by AHP-Fuzzy Comprehensive Evaluation Method. The key structure and motion parameters of guiding seedling mechanism was determined on the basis of agronomic requirements of transplanter with chute and the rule of timing design of guiding seedling mechanism. When plant spacing was δ=225mm and working efficiency was ξ=80 plants/(minutes· line), The key structure and motion parameters of guiding seedling mechanism was ωc=8.38rad/s，υm=0.30m/s，φc0∈(-15°,72°)，φg0=350°，l1=24mm， l2=60mm，l3∈(285,295)mm，l4=180mm，l5=105mm，l6=45mm，l7=355mm，l9=290mm. Under the design parameters of cam-six-bar guiding seedling mechanism, the virtual prototype analysis of it was carried out, and the results showed that the seedling could keep upright posture when the seedling thrown into the bottom of opener. The results verified the correctness of the structural analysis and design.

Key words：transplanter with chute; AHP-Fuzzy Comprehensive Evaluation Method; cam-six-bar guiding seedling mechanism; virtual prototype

中圖分類號：S223.92

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0137-08

作者簡介：金鑫(1986-)，男，河南新縣人，講師，博士，(E-mail)jx.771@163.com。通訊作者：姬江濤(1965-)，男，河南洛陽人，教授，博士生導師，(E-mail) jjt0907@163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51505130)；黑龍江省科學基金面上項目(E2015042)；河南省教育廳重點項目(15A416003)

收稿日期：2015-10-05