李　江,付作立,朱瑞祥,黃閃閃,時　永

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌　712100)

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基于零位移的膜上移栽裝置運動軌跡設(shè)計與仿真

李江,付作立,朱瑞祥,黃閃閃,時永

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌712100)

摘要：針對現(xiàn)有移栽機移栽效率低及膜上作業(yè)存在刮膜、撕膜等問題，研究設(shè)計了一種由雙曲柄搖架連桿構(gòu)成的蔬菜快速移栽裝置。該裝置通過曲柄的旋轉(zhuǎn)和搖架搖擺，使打穴體鈍角入土、銳角出土，以及打穴體實現(xiàn)相對后移；增速裝置增加打穴體入土速度，縮短打穴時間，實現(xiàn)了打穴體零位移條件下的快速移栽作業(yè)。仿真實驗表明：該裝置可以實現(xiàn)在2km/h行進(jìn)速度下打穴體的“Y”運動軌跡，滿足蔬菜移栽的農(nóng)藝要求，且保證移栽性能、克服刮膜現(xiàn)象、提高作業(yè)速度。

關(guān)鍵詞：蔬菜；移栽機；移栽裝置；仿真分析

0引言

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)在整個國民經(jīng)濟發(fā)展中占有舉足輕重的地位。我國主要經(jīng)濟作物，如煙草、甜菜、蔬菜等，通常都是采用育苗移栽的栽植方式[1-2]。目前，我國多數(shù)地區(qū)蔬菜、煙草等作物種植作業(yè)，仍采用人工進(jìn)行打穴栽植方式，勞動強度大、孔穴質(zhì)量差，難以滿足農(nóng)藝作業(yè)質(zhì)量要求。而國內(nèi)已有的栽植設(shè)備，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、栽植效率偏低、適應(yīng)性和可靠性差等問題；國外的栽植機具雖性能尚可，但價格昂貴，難以在小農(nóng)戶種植模式的區(qū)域推廣應(yīng)用。另外，國內(nèi)外的栽植設(shè)備均不能滿足較高作業(yè)速度下的零位移栽植。因此，研制開發(fā)性能可靠、通用性強及功能完備的移栽機顯得尤為迫切和重要[3-5]。

1現(xiàn)有移栽機性能分析

現(xiàn)有的移栽機主要有撓性圓盤式移栽機、回旋加持式移栽機、導(dǎo)苗管式移栽機及鴨嘴式移栽機[3]。鴨嘴式蔬菜移栽機結(jié)構(gòu)簡單, 將開穴與移栽合為一體, 實現(xiàn)了整棵缽苗從喂入到栽植, 無須開溝裝置。其 不僅動力消耗小, 而且缽苗損傷率低，能適應(yīng)多種缽苗作物的移栽作業(yè)要求，已成為膜上移栽的理想機型[2]。鴨嘴式膜上移栽的栽植機構(gòu)主要有吊杯式植苗機構(gòu)、多桿式植苗機構(gòu)和行星輪-滑道式植苗機構(gòu)。吊杯式植苗機構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)的限制，移栽效率不超過單行1 800 株/h，即偏心圓盤吊杯式移栽機不適合高速移栽作業(yè)。七桿式植苗機構(gòu)通過選擇合適的參數(shù)，栽植嘴軌跡類似于“海豚形”，其挖出的穴口小且能保持較高的立苗率；但往復(fù)式機構(gòu)使其工作時振動較大。行星輪-滑道式植苗機構(gòu)由行星輪系和滑道共同控制栽植機構(gòu)的軌跡，通過滑道可以準(zhǔn)確控制栽植嘴的姿態(tài)；但滑道容易磨損，且軌跡不連續(xù)，振動較大，機構(gòu)復(fù)雜[4-6]。

2移栽裝置方案設(shè)計

2.1設(shè)計方案

筆者研究設(shè)計了一種打穴體擺動、后移及快速出入土的零位移作物栽植裝置，可提高作物栽植作業(yè)效率，實現(xiàn)高質(zhì)量打穴栽植作業(yè)。如圖1所示，栽植機構(gòu)主要由雙曲柄搖架連桿機構(gòu)、曲柄、平行桿機構(gòu)、增速裝置、限位彈墊及打穴體等組成。

2.2工作原理

雙曲柄搖架連桿機構(gòu)一方面通過短曲柄的旋轉(zhuǎn)，促使打穴體后移，提供后移位移；另一方面通過搖架的搖擺，實現(xiàn)打穴體鈍角入土、銳角出土，提供搖擺位移。通過雙位移驅(qū)動使栽植器在投苗過程中，缽苗的水平分速度為零，避免拖苗、帶苗現(xiàn)象；同時，增速裝置通過旋轉(zhuǎn)體與銷軸相對的滑動，獨立增加打穴體入土速度并完成彈簧蓄能；通過彈簧復(fù)位，增加打穴體出土速度，可以有效減少打穴時間，增加機具行進(jìn)速度，保證打穴質(zhì)量，提高作物栽植作業(yè)效率。

1.短曲柄　2.長曲柄　3.連桿　4.旋轉(zhuǎn)體　5.銷軸　6.彈簧　7.擋板

3桿件運動軌跡設(shè)計

為了簡化研究，主要對連桿機構(gòu)進(jìn)行分析計算。

3.1自由度計算

欲使平面連桿機構(gòu)具有確定的運動，則其原動件的數(shù)目必須等于該機構(gòu)的自由度的數(shù)目。圖2所示是曲柄搖架連桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖，據(jù)此自由度計算為

F=3n-(2pl+ph-p′)-F′

其中，n是活動構(gòu)件數(shù)；pl是低副數(shù)目；ph是高副數(shù)目；p′是虛約束數(shù)；F'是局部自由度。

圖2　曲柄搖架連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

由機械原理及公式計算可知F=2。該機構(gòu)屬于雙曲柄搖架平行桿機構(gòu)，有兩個原動件。由于此機構(gòu)的自由度數(shù)與原動件數(shù)相等，故該機構(gòu)具有確定的運動，則可以根據(jù)作業(yè)要求，通過修改各桿件長度、初始相位角等多個參數(shù)以獲得滿意的效果。但是，該雙曲柄連桿機構(gòu)設(shè)計變量過多容易產(chǎn)生干涉和交互影響等問題，必須進(jìn)行仿真模擬[9]。

3.2運動及桿件分析設(shè)計

連桿機構(gòu)運動簡圖如圖3所示。

由三角形的桿長條件可知

在ΔABF中，要使機構(gòu)正常運轉(zhuǎn)，需滿足的條件為

由此得到的桿長條件為

圖3　連桿機構(gòu)運動簡圖

2)平面連桿長度分析。根據(jù)機械原理有關(guān)知識，平面連桿機構(gòu)有曲柄的桿長條件(L1為曲柄)為

其中，L1為最短桿[9]。

3)輔助加速裝置運動分析。為減少打穴體入土?xí)r間，設(shè)計了一種刀型結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)體，如圖4所示。

1.旋轉(zhuǎn)體　2.銷軸　3.彈簧　4.擋板　5.軸套　6.打穴體

由圖4可以看出：當(dāng)打穴體接近地面時，旋轉(zhuǎn)體與銷軸接觸，打穴體相對軸套向下運動；同時，在上、下?lián)醢宓淖饔孟拢瑥椈蓧嚎s蓄能，打穴體完成加速入土；到達(dá)下止點后，旋轉(zhuǎn)體與銷軸脫離，彈簧釋放能量，打穴體在彈簧作用下加速出土，完成一次打穴作業(yè)。

3.3運動軌跡分析

不同運動狀態(tài)下打穴體理想運動軌跡分析如圖5所示。

(a)　　　　　　　　　　(b)　　　　　　　　(c)

圖5(a)是機構(gòu)未加水平速度及增速裝置時栽植機構(gòu)的運動軌跡，x為穴孔的水平最大位移；圖5(b)是機構(gòu)添加水平速度時的運動軌跡；圖5(c)是機構(gòu)添加水平速度和增速裝置時的運動軌跡。

由圖5分析可知：所設(shè)計的打穴體擺動、后移及快速出入土的零位移作物栽植裝置，可以有效地實現(xiàn)零速移栽，解決缽苗直立度和地膜撕裂等問題[2]。

4運動模擬仿真

由于增速裝置仿真模擬的復(fù)雜性，現(xiàn)通過改變曲軸轉(zhuǎn)速代替增速裝置增加打穴體出入土的速度。

為了對所設(shè)計的移栽裝置進(jìn)行仿真，構(gòu)建了如圖6所示的仿真模型。其中，以O(shè)為原點、水平向右為x軸、豎直向上為y軸的坐標(biāo)系。

圖6　移栽裝置仿真模型

雙曲柄搖架連桿機構(gòu)各桿件長度，移栽機的前進(jìn)速度嚴(yán)重影響著打穴體鴨嘴端的運動軌跡，進(jìn)而影響栽植性能。為此，依據(jù)理論分析及實際經(jīng)驗，確定了仿真模型的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1模擬相關(guān)技術(shù)參數(shù)

Table 1Simulating the related technical simulating parameters

符號解釋說明符號解釋說明l1短曲柄CD長度32mml2長曲柄AB長度85mml3機架AC長度493mml4機架AO長度483mml5機架CO長度133mml6搖桿EO長度100mml7三腳架桿EF長度60mml8連桿HB長度270mml9平行桿HF長度300mml10平行桿FK長度450mml11連桿KJ長度130mmψ搖桿OE、OG夾角28°θ2-θ1初始相位角差240°

在Pro/E骨架模型創(chuàng)建中輸入表1各個桿件的長度和初始夾角等參數(shù)，驅(qū)動短、長曲柄曲軸分別以720rad/s和360rad/s運轉(zhuǎn)，對栽植機構(gòu)進(jìn)行干涉檢驗和I點的軌跡模擬,所得的軌跡如圖7所示。仿真結(jié)果表明：機構(gòu)未發(fā)生相互干涉，且打穴體I點的運動軌跡符合設(shè)計要求。

圖7　栽植機構(gòu)三維模型

將Pro/E中建立的三維實體模型導(dǎo)入Adams中，設(shè)定機組前進(jìn)速度為2km/h，驅(qū)動短、長曲柄曲軸轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為720rad/s和360rad/s，長曲柄旋轉(zhuǎn)1周作業(yè)1次，栽植頻率為60株/min。在機構(gòu)入土過程中，驅(qū)動短、長曲柄電機轉(zhuǎn)速分別加倍，用以實現(xiàn)增速裝置的增速功能。栽植點I的運動軌跡，通過measure測量栽植點I的X、Y方向位移獲得，并在postprocessing中將獲取的位移曲線擬合，最終得到的栽植點I的軌跡曲線如圖8所示。

由圖8可知：軌跡高度30cm時，可以減少缽苗下落過程中與機構(gòu)發(fā)生干涉，栽植株距為41cm，栽植深度10cm，滿足農(nóng)藝要求；栽植器在出入土過程中，與地壟面能保持較好的垂直性；2km/h的行走速度時，也能形成較好“Y”形軌跡，保證缽苗在栽植過程中保持較好的直立度。

圖8　栽植點軌跡曲線

5結(jié)論

1)通過增加增速裝置，可以提高移栽機的工作速度。

2)本研究基于零位移的快速出入土裝置，通過獨立增加增速裝置，使移栽機的入土部件能與2km/h的行走速度相適應(yīng)，為膜上高速移栽機的設(shè)計提供了借鑒，

3)本研究提供的快速出入土裝置，未能實現(xiàn)理論的“Y”形運動軌跡；但在現(xiàn)有條件下，可實現(xiàn)不撕膜移栽，具有良好的栽植性能，可滿足農(nóng)藝要求。

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Design and Simulation of Above-film Vegetable Transplanter Movement Track Based on the Zero Displacement

Li Jiang, Fu Zuoli, Zhu Ruixiang, Huang Shanshan, Shi Yong

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

Abstract：In order to solve the problem of existing transplanting machine transplanting efficiency is not high and membrane operation is blown film, tear film and other issues. This study designs a composed of double crank cradle connecting rod vegetable transplanting device, through which the rotation of the crank and cradle swing to make the construction body obtuse angle into the soil and acute angle unearthed, so the construction body achieve relatively backward;Construction growth device is designed to increase the speed of the grave and shorten the construction time, realizing the zero displacement under the condition of the construction body transplanting work quickly.Simulation experiments show that the device can be realized under the 2 km/h speed of construction of“Y” trajectory, and meet the agronomic requirements of vegetable transplanting, ensure transplanting performance, overcome the phenomenon of blown film and can improve the operation speed.

Key words：vegetable； seedling transplanter； transplanting system； simulation and analysis

文章編號：1003-188X(2016)07-0147-05

中圖分類號：S233.92

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：李江(1990-)，男，山東濱州人，碩士研究生，(E-mail)18710933122@163.com。通訊作者：朱瑞祥(1956-)，男，陜西三原人，教授，(E-mail)zrxjdxy2006@ sohu.com。

基金項目：“十二五” 國家科技支撐計劃項目(2012BAD14B11)

收稿日期：2015-06-15