金 鑫，姬江濤※，劉衛(wèi)想，何亞凱，杜新武

（1. 河南科技大學農(nóng)業(yè)裝備工程學院，洛陽471003；2. 機械裝備先進制造河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，洛陽 471003；3. 河南林業(yè)職業(yè)學院，洛陽 471002；4. 中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院，北京 100083）

0 引 言

鴨嘴式栽植機構在缽苗移栽過程對缽苗無夾持作用，缽苗移栽全程運動是自由的，不易損傷，廣泛應用于現(xiàn)有移栽機型[1-5]。然而，在對缽苗進行移栽作業(yè)的過程中，缽苗不可避免的會與栽植器本身發(fā)生作用，并且隨著栽植機 構轉速的增加，缽苗與栽植器間的相對運動也會發(fā)生一些變化，使得缽苗的直立率有所下降，甚至導致缽苗的漏栽現(xiàn)象，影響移栽作業(yè)過程中的栽植質量[6-7]。

目前對移栽過程的研究主要集中在取苗、栽植過程相關機構的研究[8-18]及缽苗相關的物理機械特性方面的研究[19-22]，對移栽過程中缽苗的運動方面的研究相對較少，主要有向衛(wèi)兵等[23]采用ANSYS/LS-DYNA分析軟件建立了缽苗從穴盤孔中吹出及與導苗管壁面相碰過程的有限元模型，獲得了缽苗吹出和碰撞的運動規(guī)律；陳建能等[24-25]將缽苗在鴨嘴式栽植器內(nèi)的運動過程分為了 3個運動階段，并建立了缽苗在 3個運動階段的運動微分方程，找出了變形橢圓齒輪行星輪系栽植機構的最高轉速；劉洪利等[26]對玉米植質缽苗在投苗過程中的運動情況進行了分析研究，建立了缽苗翻轉及位移變化運動方程；彭旭等[27]建立了缽苗在導苗管中的運動學和動力學模型，對缽苗在導苗管中的運動及影響缽苗直立率的因素進行了分析研究。

本文通過采用透明式有機玻璃以及高速攝像機對缽苗在鴨嘴式栽植器內(nèi)的運動過程進行試驗記錄，根據(jù)試驗記錄的結果對缽苗與鴨嘴式栽植器間的互作特性進行研究分析，探索高速作業(yè)條件下缽苗的栽植機理，找出導致缽苗倒伏率增加及漏栽率上升的根本原因，以期為鴨嘴式缽苗高速移栽轉速和栽植結構的優(yōu)化設計提供參考。

1 缽苗栽插下落過程分析

高速移栽作業(yè)條件下，缽苗從導苗筒下落至鴨嘴栽植器底部的過程中，缽苗與栽植器間存在著復雜的相對運動關系，缽苗與鴨嘴之間的相對運動對栽植質量有較大的影響。為真實有效描述缽苗在栽植器中運動過程，本文通過高速攝像對苗齡為 40d，基質成分為草炭：蛭石：珍珠巖=3∶1∶2，土缽含水率為 55%下的辣椒缽苗進行下落過程試驗研究。

采用圖像后處理方法對栽植機構轉速分別為40，60，80 r/min下的缽苗在有機玻璃栽植器內(nèi)的整個運動過程進行分析，分析得到在 3個不同的轉速下，缽苗在栽植器中下落過程均會出現(xiàn)以下6個階段（圖1用虛線圓標注了缽苗的位置）：1）缽苗在空中自由下落階段（見圖1-1），該階段為缽苗開始下落到與栽植器壁面接觸前在空中自由下落的過程；2）缽苗落入鴨嘴栽植器內(nèi)時與栽植器壁面產(chǎn)生碰撞[24-28]（見圖 1中 1-2），該過程為缽苗與栽植器壁面的碰撞階段；3）缽苗與栽植器碰撞過程結束后，缽苗被彈起，在栽植器內(nèi)做斜拋運動，該過程為斜拋運動階段（見圖1中1-3和1-4）；4）缽苗在運動到鴨嘴部分時與鴨嘴壁面發(fā)生碰撞，該過程為缽苗與鴨嘴壁面發(fā)生碰撞的階段（見圖1中1-5）；5）缽苗與鴨嘴壁面碰撞結束時，開始一邊繞與鴨嘴壁面的接觸點旋轉，直至缽苗土缽側面與鴨嘴壁面貼合，一邊沿鴨嘴壁面下滑，該過程為缽苗在鴨嘴內(nèi)的平面運動階段（見圖1中1-6）；6）缽苗土缽與鴨嘴壁面貼合完成后，開始沿鴨嘴壁面下滑，直至落至鴨嘴底部，該過程為缽苗沿鴨嘴壁面下滑階段（見圖1中1-7和圖1中1-8）。

通過試驗分析，栽植機構轉速在40和60 r/min均會出現(xiàn)明顯的6個運動過程，但當轉速為80 r/min時，會出現(xiàn)一段缽苗與鴨嘴栽植器保持相對靜止甚至有上滑趨勢。因此，隨著栽植機構轉速的繼續(xù)增大，在栽植器運動至栽植點時，缽苗還未落至栽植器的底部，從而導致缽苗的漏栽及產(chǎn)生嚴重的倒伏現(xiàn)象。

圖1 轉速為80 r·min–1時缽苗在鴨嘴中運動過程分析Fig.1 Analysis of movement of pot seedling in duckbilled planter at rotating speed of 80 r·min–1

2 栽插過程缽苗下落與栽植器間運動受力分析及模型建立

為了對缽苗與鴨嘴栽植器間的運動與受力進行理論研究，首先建立栽植機構的運動學模型，然后在此基礎上分析力學特性。

2.1 栽植機構運動學模型的建立

行星輪系栽植機構的結構簡圖如圖 2所示。以行星輪系栽植機構中心軸為坐標原點，以水平向左的方向為X軸的正方向建立直角坐標系XOY，其中，點A為行星輪系栽植機構行星軸軸心。

圖2 行星輪系栽植機構結構簡圖Fig.2 Structural diagram of planetary gear train planting mechanism

行星輪系栽植機構鴨嘴栽植器上點B的坐標方程為

式中θ=40°；t為缽苗從開始下落到落至栽植器底部時的時間，s；φ0為缽苗開始下落時栽植機構（OA）與X軸負向角，(°)；lAB為AB兩點間距離，m，已知lAB=0.0335m。

2.2 缽苗自由下落過程模型建立

缽苗在開始下落至與栽植器壁面接觸的一段過程內(nèi)做自由下落運動，其缽苗做自由下落過程的分析簡圖如圖3a所示。在該過程中缽苗豎直方向初速度為0，缽苗受自身的重力及下落過程中空氣的阻力[29]。

則缽苗在豎直方向上所受合力F1為

式中mB為試驗時所用缽苗質量，kg；g為重力加速度，m/s2，取g=9.8 m/s2；v為缽苗在t時刻的速度，m/s；vL為缽苗的漂浮速度，m/s。

選用苗齡為 40d，基質成分為草炭：蛭石：珍珠巖=3∶1∶2，缽苗土缽含水率為 55%的缽苗進行漂浮速度測定。其測定方法[29-30]是通過高速攝像試驗對缽苗的自由下落過程進行記錄，通過后期圖像處理軟件確定下落位移和下落時間，得缽苗的漂浮速度vL為3.5～7.6 m/s，本文取vL=5.55 m/s，其中，令k=g/vL2。

圖3 缽苗落入鴨嘴前運動受力分析Fig.3 Analysis of movement of pot seedling before falling into duckbill

則對式（2）進行積分可得缽苗自由下落階段的速度及位移h2方程為

式中e為缽苗的恢復系數(shù)。

在缽苗下落過程結束時，缽苗與栽植器壁面相碰，設其碰撞點為P1，則碰撞點P1與栽植器上的點B在坐標系XOY內(nèi)的橫、縱坐標的差值為

式中Δx/Δy=tanβ；n為土缽下表面邊寬，m；H為缽苗開始下落時，在坐標系XOY內(nèi)的縱坐標值，m。

2.3 缽苗與栽植器壁面碰撞過程模型建立

自由下落過程結束時，缽苗與鴨嘴栽植器壁面產(chǎn)生碰撞，其碰撞位置為缽苗的下邊沿。建立慣性坐標系XOBY（坐標原點為缽苗質心OB），及相對坐標系X′OBY′（坐標原點與慣性坐標系坐標原點重合），其中橫坐標與栽植器壁面相垂直。碰撞過程運動分析如圖3b所示。

由于缽苗的質量主要集中在缽苗土缽上，因此忽略土缽以上苗葉對缽苗質量的影響，則缽苗質心距缽苗土缽底面的距離h1d為

式中h1為土缽高度，m；h1d缽苗質心距苗缽底面的距離，m；m為缽苗土缽上表面邊寬，m。

由圖3b中缽苗受力分析可知

式中1BOPr 為碰撞點P1到缽苗質心OB的距離，m。

缽苗在與栽植器壁面碰撞的過程中做平面運動，根據(jù)沖量定理及沖量矩定理，對缽苗的碰撞過程建立運動方程

式中J為缽苗繞其質心的轉動慣量，J=1.81×10–6kg·m2。

由于缽苗的碰撞時間極短，忽略碰撞過程中缽苗與栽植器壁面間的摩擦力對其的影響，則有

根據(jù)理論力學碰撞理論內(nèi)容，對于材料確定的物體，碰撞后物體恢復系數(shù)的值基本不變[25]。由于缽苗在與鴨嘴栽植器壁面進行碰撞時忽略了缽苗與栽植器壁面間的摩擦力對其的影響，則碰撞前后缽苗的沖量僅在垂直于栽植器壁面的方向發(fā)生了變化，由于缽苗與栽植器碰撞過程中對栽植器產(chǎn)生的影響較小，因此認為碰撞前后栽植器的速度并未發(fā)生變化，則恢復系數(shù)e為此時

式中v′為第一次碰撞后缽苗在碰撞點P1處X′軸分速度，m/s；1Pxv′為栽植器在P1點處X′軸向上的速度分量，m/s；v1x′為缽苗自由下落結束時缽苗質心X′軸分速度，m/s。

恢復系數(shù)測定方法：采用高速攝像系統(tǒng)對缽苗自由落體運動的下落與回彈過程進行記錄，并采用后期處理軟件對該自由下落過程進行分析，得出缽苗與栽植器壁面碰撞的恢復系數(shù)e取值0.174～0.184，本文在對缽苗的運動過程進行分析時選取缽苗的恢復系數(shù)為e=0.179。

由式（8）～式（10）得出缽苗與栽植器壁面碰撞結束后的速度、角速度為

式中t1為自由下落階段缽苗在空中下落的時間，s。

2.4 缽苗在栽植器內(nèi)做斜拋運動過程

在分析缽苗斜拋運動時，忽略缽苗在運動過程中重力及空氣阻力對缽苗繞其質心時對其角速度的影響，設定缽苗在做斜拋運動的過程中繞其質心旋轉的角速度固定不變，并將缽苗作為一個質點進行研究[31]。由于缽苗在栽植器內(nèi)運動的同時，栽植器也在繞其旋轉中心做角速度為ω的旋轉運動，因此運用相對運動力學的拉格朗日方程來對在栽植器內(nèi)做斜拋運動的缽苗進行動力學分析[32]。其中，缽苗在栽植器內(nèi)做斜拋運動過程的受力分析如圖3c所示。

以行星輪系的旋轉中心O為坐標原點建立慣性坐標系XOY，坐標系X′AY′固聯(lián)于行星軸軸心，設缽苗質心在坐標系X′AY′中的坐標值為(s1,h3)，則缽苗相對運動動力學微分方程為

由于碰撞時間較短，因此忽略缽苗與栽植器壁面碰撞時間，則缽苗在栽植器內(nèi)做斜拋運動過程中質心在慣性坐標系XOY中豎直方向的瞬時速度BOyv 為

設缽苗在栽植器內(nèi)開始做斜拋運動時其質心在坐標系X′AY′中的初始坐標值為(s10, h30)，則有

式中l(wèi)2為點A到鴨嘴的水平距離，mm，已知l2=26 mm。

由于缽苗在栽植器內(nèi)做斜拋運動，其在水平方向受力為 0，可得出缽苗質心在 X′AY′內(nèi)的水平方向的位移與速度為

式中v′1x第一次碰撞結束時缽苗質心X軸分速度，m/s。

由式（12）～式（15）可得出缽苗質心在X′AY′內(nèi)的豎直方向的位移h3、速度3h˙及加速度3h˙為

2.5 缽苗與栽植器鴨嘴壁面碰撞過程

缽苗在栽植器內(nèi)做斜拋運動結束時與栽植器鴨嘴壁面產(chǎn)生碰撞，且缽苗與鴨嘴栽植器的碰撞位置為缽苗的下邊沿，設缽苗與栽植器壁面的碰撞點為P2。建立慣性坐標系XOBY（坐標原點為缽苗質心的位置OB），建立相對坐標系X′OBY′（坐標原點與慣性坐標系坐標原點重合，橫坐標與鴨嘴壁面相垂直），對缽苗與鴨嘴壁面碰撞過程的運動分析如圖4a所示。則可知P2OB與X′軸之間夾角α1。

式中β1鴨嘴壁面與水平面間的夾角，（°），已知β1=78°；t2斜拋階段缽苗在栽植器內(nèi)運動時間，s。

碰撞點P2與缽苗質心OB之間連線的距離2BOPr 為

缽苗在與鴨嘴壁面碰撞的過程中做平面運動，由沖量定理及沖量矩定理可知

式中 v′2x′為第二次碰撞結束時缽苗質心 X′軸分速度, m/s；v′2y’第二次碰撞結束時缽苗質心Y′軸分速度，m/s；v2x′斜拋運動結束時缽苗質心X′軸分速度，m/s；v2y′斜拋運動結束時缽苗質心Y′軸分速度，m/s；ω2第二次碰撞結束時缽苗角速度，(°)/s。

由于缽苗的碰撞時間極短，忽略碰撞過程中摩擦力對其的影響，則有此時

式中v2x為第二次碰撞前缽苗質心在X軸上分速度，m/s；v2y為第二次碰撞前缽苗質心在Y軸上分速度，m/s。

以缽苗質心OB點為基點，則碰撞后缽苗在碰撞點P2處的速度2Pv′為

式中v′2為第二次碰撞結束時缽苗質心的速度，m/s；2BPOv′為第二次碰撞結束后碰撞點 P2相對缽苗質心的相對速度，m/s。

圖4 缽苗落入鴨嘴中運動受力分析Fig.4 Movement analysis of pot seedling falling into duckbilled planter

將（21）式沿相對坐標系橫坐標方向投影可得：

式中 v′2x′第 2次碰撞結束時缽苗質心 X′軸分速度，m/s；rOBP2為碰撞點P2到缽苗質心OB的距離，m；α1為碰撞點P2與缽苗質心的連線與相對坐標軸橫坐標之間的夾角，（°）。

由高速攝像試驗分析結果可知缽苗在與鴨嘴壁面碰撞后缽苗與栽植器間的相對速度相差很小，缽苗回彈的程度很小（即缽苗與栽植器碰撞后在極短的時間內(nèi)與栽植器接觸），并開始繞與栽植器的接觸點進行旋轉直至與栽植器壁面貼合，因此忽略缽苗碰撞后的回彈，對該過程簡化后可知

式中 vP2x為栽植器在P2點處X軸向上的速度分量，m/s；vP2y栽植器在P2點處Y軸向上的速度分量，m/s。

由式（19）～式（23）可知缽苗與鴨嘴壁面碰撞結束后的速度、角速度為

2.6 缽苗在栽植器鴨嘴內(nèi)的平面運動過程

缽苗在鴨嘴內(nèi)平面運動受力分析如圖4b所示。利用牛頓定律和動量矩定理可得缽苗在鴨嘴內(nèi)的運動微分方程為

式中x′˙、y′˙分別為缽苗質心的加速度在相對坐標系X′、Y′軸上的分量，BOθ˙為缽苗轉動的角加速度，BOθ為缽苗碰撞點與缽苗質心間的連線與相對坐標系 X′軸之間的夾角；μ為缽苗與栽植器壁面間的摩擦系數(shù)，已知μ=0.5389。

缽苗在該階段一邊下滑，一邊繞P2轉動，選取缽苗質心OB為基點，對P2點進行加速度合成定理可得

式中aP2為缽苗在接觸點P2處的加速度，m/s2；aOB為缽苗質心 OB的加速度，m/s2；aτP2

OB為接觸點 P2相對缽苗質心 OB的切向加速度，m/s2；aPn2OB為接觸點 P2相對缽苗質心OB的法向加速度，m/s2。

將式（26）在相對坐標系 X′OBY′橫坐標上進行投影可得

根據(jù)缽苗在鴨嘴內(nèi)的運動分析可知，缽苗與鴨嘴壁面的接觸點 P2在相對坐標系 X′OBY′橫坐標上的加速度aP2x′= 0 ，則有

則聯(lián)立式（25）～式（28）可得

式（29）為一微分方程，該微分方程的初始條件為采用改進的歐拉方法對該微分方程進行求解，求得缽苗在鴨嘴內(nèi)做平面運動過程中每一時刻的角度、角速度及角加速度。將求得的結果帶入式（25）得出缽苗在該運動過程中的FN及 Ff。

2.7 缽苗沿栽植器鴨嘴壁面下滑過程

缽苗在鴨嘴內(nèi)平面運動過程結束時開始沿鴨嘴壁面下滑。為了簡化缽苗下滑運動模型，忽略該過程中的空氣阻力，并將缽苗簡化成一個質點進行分析，則缽苗沿鴨嘴壁面下滑時的受力分析如圖4c所示。

將缽苗與栽植機構作為一個質點系來進行動力學分析，其中該質點系由載體（行星輪系）和被載體（缽苗）組成，其中載體以角速度ω繞旋轉中心O勻速旋轉，因此可運用相對運動力學的拉格朗日方程來對缽苗沿鴨嘴壁面下滑過程進行分析。以行星輪系的旋轉中心O為坐標原點建立慣性坐標系XOY，坐標系X′AY′固聯(lián)于行星軸軸心，設鴨嘴部分上口面與缽苗質心在 Y′軸方向上的距離為 s2。則參照斜拋運動過程拉格朗日方程可得出，缽苗下滑過程的運動微分方程。

式（30）為一微分方程，對該微分方程進行求解，可得下滑過程中缽苗質心在坐標系X′AY′內(nèi)位移、速度和加速度

3 缽苗與栽植器運動過程編程及下落時間分析

3.1 缽苗運動過程輔助分析程序

根據(jù)所建立的缽苗在鴨嘴栽植器內(nèi)的運動過程動力學模型，以移栽辣椒缽苗的最佳參數(shù)組合（苗齡為40d、基質成分為草炭：蛭石：珍珠巖=3∶1∶2、土缽含水率約55%）為基礎，采用Visual Basic 6.0語言編寫了缽苗下落過程運動狀態(tài)及時間的輔助分析程序（如圖5所示）。通過人機對話，用戶可以改變各參數(shù)數(shù)值，其中包括缽苗開始下落時栽植器的位置、缽苗開始下落時相對栽植器旋轉中心的位置、栽植器傾角、高度等結構參數(shù)，根據(jù)軟件的輸出可獲得缽苗不同下落階段的運動狀態(tài)及時間，判斷出缽苗運動到鴨嘴栽植器底部時栽植器相對栽植點的位置，從而改進設計栽植機構的結構參數(shù)。

3.2 缽苗下落過程時間分析

根據(jù)缽苗在鴨嘴栽植器內(nèi)的運動過程分析可知，缽苗從開始下落到落至栽植器底部時所運動的時間 t主要包括以下4個時間段，即：

1）缽苗在空中自由下落階段所用的時間t1。由式（3）和（4）可得式（31），則可得出缽苗在空中自由下落過程中所用t1。

圖5 缽苗運動過程輔助分析界面Fig.5 Auxiliary analysis interface of motor process of pot seedling

2）缽苗在栽植器做斜拋運動所用的時間t2。通過對缽苗的高速攝像試驗結果可以發(fā)現(xiàn)缽苗斜拋運動結束時缽苗底部與鴨嘴壁面相接觸，通過對缽苗及栽植器接觸點間的幾何關系可以得出缽苗斜拋運動過程的時間t2。因此，由式（15）和（16）可得式（32），則可得出缽苗在栽植器內(nèi)做斜拋運動所用的時間t2。

3）缽苗在栽植器鴨嘴內(nèi)的平面運動過程所用的時間t3。在該過程中，缽苗繞與栽植器的接觸點旋轉，最終與栽植器壁面相貼合，因此缽苗旋轉過程中缽苗碰撞點與缽苗質心間的連線與相對坐標系X′軸之間的夾角θOB的最大值 θ OBmax 為

因此，通過缽苗平面運動過程微分方程所得出的缽苗平面運動過程角度方程得出缽苗平面運動過程所用時間 t3。

4）缽苗沿栽植器鴨嘴壁面下滑所用的時間t4。對缽苗沿栽植器鴨嘴壁面下滑微分方程進行求解，求得缽苗沿鴨嘴壁面下滑過程中缽苗質心, 在坐標系 X′AY′內(nèi)的位移s2，則缽苗運動至栽植器底部時則有

式中HZ為鴨嘴部分上口面至鴨嘴底部距離，mm。

由式（34）可求得缽苗從平面運動過程結束到下滑至鴨嘴底部時所用的時間t4。

通過對缽苗及栽植機構的運動過程分析可知，當缽苗從開始下落至落至栽植器底部時所用的時間 t小于栽植器從缽苗開始下落至運動至最低點時的時間 t′時缽苗能夠順利落入到溝穴內(nèi)，否則，缽苗則會出現(xiàn)倒伏甚至漏栽的現(xiàn)象。

由于缽苗與栽植器壁面的碰撞時間極短，因此忽略缽苗碰撞過程中所用的時間，則缽苗從開始下落至落至栽植器底部時所用的時間t為

令栽植器從缽苗開始下落至運動至最低點時的時間為 t′，則

4 移栽機結構參數(shù)優(yōu)選

通過對缽苗下落過程中各運動階段所需時間進行分析發(fā)現(xiàn)，當缽苗的下落時間小于栽植器從缽苗開始下落至運動至栽植點處的時間時，缽苗能夠順利完成移栽作業(yè)，并且兩者的時間差越大對缽苗的移栽作業(yè)越有利。故以此為目標，對栽植機構結構參數(shù)進行優(yōu)化。

由缽苗運動過程理論模型分析可得出，影響缽苗下落過程的時間的主要因素有：1）缽苗開始下落時的初始位置(s0,H)；2）缽苗開始下落時栽植器的相位角φ0；3）鴨嘴上苗杯壁面與豎直面間夾角 β；4）栽植器鴨嘴壁面與水平面間夾角 β1；5）鴨嘴開口部分高度 HZ；6）栽植器豎段的高度l1,l3。

由于受栽植深度、缽苗高度及栽植機構尺寸的限制，鴨嘴栽植器高度的改進幅度并不大，因此在結構參數(shù)優(yōu)化過程忽略此因素。

鴨嘴栽植器上苗杯壁面與豎直面間的夾角 β較大時栽植器間會產(chǎn)生干涉，較小時缽苗不能順利落入栽植器內(nèi)，因此優(yōu)選β1為40°。

栽植器鴨嘴部分傾角 β1主要影響缽苗斜拋運動、缽苗平面運動及缽苗下滑運動時間，β1的值越大缽苗運動過程的時間越小，但是當 β1值過大時會導致缽苗在下滑過程中缽苗翻轉，加大缽苗的倒伏。因此，結合 2個因素經(jīng)對缽苗下落過程時間分析取β1為82°。

栽植機構在不同轉速條件下缽苗的初始下落位置是固定不變的，故需優(yōu)選出一組最佳初始落苗位置以適應多種栽植速度，且能夠在栽苗前順利落入到栽植器底部。

結合缽苗下落運動過程動力學模型及輔助分析界面對缽苗運動過程進行優(yōu)化分析可得，栽植機構的轉速在40 r/min時，φ0=25°；栽植機構的轉速在 60 r/min時，φ0=40°；栽植機構的轉速在80 r/min時，φ0=55°；初始落苗位置為（40 mm, 350 mm）。

對比初始設計栽植機構運動過程可知，當優(yōu)化前栽植機構的轉速達到80 r/min時，栽植器運動至最低點（即栽植點）時，缽苗還未落入栽植器底部，嚴重影響了栽植效果；通過對改進后栽植機構的缽苗下落分析得出其下落時間（t=0.4129s）小于栽植器運動栽植點處的時間（t′=0.5104s），表明了優(yōu)化后的栽植機構能夠使缽苗順利落入到栽植器底部，從而保證了良好地栽植效果。

5 缽苗下落試驗

根據(jù)栽植機構互作過程中栽植器結構及缽苗初始下落位置優(yōu)化的參數(shù)，對栽植器進行加工與優(yōu)化，借助高速攝像機對缽苗與栽植器互作過程進行試驗，以對優(yōu)化后的栽植機構進行評價。

5.1 試驗材料及設備

1）試驗材料。本實驗所用穴盤苗為河南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究開發(fā)基地進行培育的穴盤苗，苗盤規(guī)格為 128穴，苗齡為40d，缽苗土缽含水率為55%，基質成分為草炭：蛭石：珍珠巖為3∶1∶2的601型辣椒缽苗。

2）試驗設備。Phantom系列高速攝像機（美國VRI公司生產(chǎn)），PCC控制拍攝及后期圖像處理軟件優(yōu)化結構參數(shù)后的行星輪系栽植機構試驗臺（如圖6所示）。

圖6 改進后栽植裝置-高速攝像試驗系統(tǒng)Fig.6 Improved planting device and high-speed camera test system

5.2 試驗方法

本試驗過程采用一個1.5 kW的白光進行照射，高速攝像機攝速率250幅/s，試驗缽苗土缽采用白色反光紙進行標記，且一直保持鴨嘴栽植器為張開狀態(tài)。為準確控制栽植機構轉速和初始相位，本試驗選用步進電機為動力源，并對該步進電機采用接近開關來進行啟動，調(diào)整接近開關的安裝位置，能夠調(diào)節(jié)缽苗開始下落時栽植機構行星軸軸心O與栽植器旋轉中心A與水平面的夾角φ0。打開高速攝像機及燈光的電源，調(diào)整攝像機及燈光的位置，調(diào)整接近開關使初始角φ0為25°，啟動電機并控制轉速為80 r/min，對缽苗開始下落至離開栽植器的過程進行拍攝記錄，后期采用PCC軟件跟蹤拾取標記點，對缽苗從開始下落在離開栽植器的時間進行分析。

5.3 試驗結果分析

缽苗開始下落及缽苗移栽栽植器內(nèi)的高速攝像截圖如圖 7所示，其中缽苗在圖中采用白色方點及細實線框標示出。

通過高速攝像試驗可以發(fā)現(xiàn)，栽植機構轉速80 r/min時，栽植器未運動至最低點時，缽苗已經(jīng)離開了栽植器，即缽苗下落的時間小于栽植機構從缽苗開始下落到運動至最低點栽苗處的時間，說明優(yōu)化改進后的栽植器，能夠使缽苗順利完成移栽，也驗證栽植機構改進設計的正確性。

其中，采用高速攝像后處理軟件PCC來對缽苗從開始下落至離開栽植器的時間進行獲取，得出在最佳初始落苗位置、栽植器初始相位角及栽植器優(yōu)化后的結構參數(shù)下的缽苗下落時間 t0=0.4375s，與理論分析結果t=0.4129s，兩者相差Δt=0.0246s。其中，時間的誤差主要來源于忽略缽苗碰撞過程的時間及忽略缽苗斜拋運動過程中缽苗阻力對缽苗旋轉角速度的影響。

圖7 缽苗下落過程高速攝像結果Fig.7 High-speed camera results of falling process of pot seedling

對缽苗的初始運動位置及栽植器的改進措施，使栽植器轉速不高于 80 r/min時缽苗均能順利完成移栽，但是，在栽植機構轉速增大時，缽苗在沿栽植器壁面下滑的過程中，缽苗相對栽植器向上運動，此時，對栽植器的改進措施無法使缽苗順利落入栽植器底部，嚴重影響缽苗栽植效果，必須對缽苗施加額外的作用力，使缽苗順利落入到栽植器底部，以保證良好地移栽效果。

6 結 論

本文針對現(xiàn)有栽植機構在高速移栽作業(yè)過程中缽苗極易出現(xiàn)倒伏甚至漏栽，以及缽苗損傷嚴重的現(xiàn)象，結合對現(xiàn)有栽植機構的分析，選取齒輪行星輪系栽植機構作為本文的移栽機構來對移栽過程中缽苗與鴨嘴栽植器間的相互作用過程進行研究，所得結論如下：

1）采用高速攝像對缽苗在有機玻璃質鴨嘴栽植器中的運動過程進行分析，得出產(chǎn)生倒伏或漏栽的根本原因是：栽植機構轉速越大，缽苗與栽植器相對運動速度減小甚至反向，導致栽植器運動至栽植點時，缽苗還未落至鴨嘴底部。

2）明確了缽苗栽插下落過程的6個運動階段：自由下落、與栽植器壁面碰撞、栽植器內(nèi)斜拋運動、與鴨嘴壁面碰撞、鴨嘴內(nèi)平面運動、沿鴨嘴壁面下滑。并建立了各階段缽苗運動的力學模型

3）以缽苗落入栽植器鴨嘴底部時間小于栽植器運動至栽植點時間為優(yōu)化目標，利用編寫的缽苗運動輔助分析程序，進行了栽植機構相關參數(shù)優(yōu)化，并完成驗證。結果表明：缽苗最佳初始下落位置為（40 mm, 350 mm），鴨嘴栽植器上苗杯壁面與豎直面間的夾角為 40°，栽植器鴨嘴部分傾角為82°，初始相位角為25°。

[參 考 文 獻]

[1] 封俊，秦貴，宋衛(wèi)堂，等.移栽機的吊杯運動分析與設計準則[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2002，33(5)：48－50.Feng Jun, Qin Gui, Song Weitang, et al. The kinematic analysis and design criteria of the dibble-type transplanters[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2002, 33(5): 48－50. (in Chinese with English abstract)

[2] 張祖立，王君玲，張為政，等.懸杯式蔬菜移栽機的運動分析與性能試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27(11)：21－25.Zhang Zuli, Wang Junling, Zhang Weizheng, et al. Kinematic analysis and performance experiment of cantilever cup vegetable transplanter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2011, 27(11): 21－25. (in Chinese with English abstract)

[3] Ji Jiangtao, He Yakai, Du Xinwu, et al. Design of the up-film transplanter and kinematic analysis of its planting devices[C]//ICAMechS, 2013 International Conference on. IEEE,2013: 312－316.

[4] 鄭治華.膜上高速移栽機構試驗研究[D].洛陽：河南科技大學，2014.Zheng Zhihua. Experimental Research of Up-film Transplanting Mechanism [D]. Luoyang: Henan University of Science and Technology, 2014. (in Chinese with English abstract)

[5] 崔巍，趙亮，宋建農(nóng)，等.吊杯式移栽機栽植器運動學分析與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2012，43(增刊1)：35－38，34.Cui Wei, Zhao Liang, Song Jiannong, et al. Kinematic analysis and experiment of dibble-type planting devices [J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(Supp.1): 35－38, 34. (in Chinese with English abstract)

[6] Prasanna K G V. Raheman. Automatic feeding mechanism of a vegetable transplanter[J]. International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 2012, 5(2): 20－27.

[7] Ye Bingliang, Yi Weiming, Yu Gaohong, et al. Optimization design and test of rice plug seedling transplanting mechanism of planetary gear train with incomplete eccentric circular gear and non-circular gears[J]. International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 2017, 10(6): 43－55.

[8] 高國華，韋康成.自動化穴苗移栽機關鍵機構的模塊化設計[J]. 機電工程，2012，29(8)：882－885.Gao Guohua, Wei Kangcheng. Modular design for key institutions of seedling transplanting manipulator[J].Mechanical & Electrical Engineering Magazine, 2012, 29(8):882－885. (in Chinese with English abstract)

[9] 張麗華，邱立春，田素博，等.指針夾緊式穴盤苗移栽爪設計[J]. 沈陽農(nóng)業(yè)大學學報，2010，41(2)：235－237.Zhang Lihua, Qiu Lichun, Tian Subo, et al. Design of a needle clamping claw for plug seedling transplanting[J].Journal of Shenyang Agricultural University,2010,41(2):235－237. (in Chinese with English abstract)

[10] 韓長杰，楊宛章，張學軍，等.穴盤苗移栽機自動取喂系統(tǒng)的設計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29(8)：51－61.Han Changjie, Yang Wanzhang, Yang Xuejun, et al. Design and test of automatic feed system for tray seedlings transplanter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013,29(8): 51－61. (in Chinese with English abstract)

[11] 孫磊，毛罕平，丁文芹，等.穴盤苗自動移栽機取苗爪工作參數(shù)試驗研究[J]. 農(nóng)機化研究，2013，35(3)：167－170.Sun Lei, Mao Hanping, Ding Wenqin, et al. The experimental research for the working parameters of the seedling pick-up claw of the plug seedlings auto-transplanter[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2013, 35(3): 167－170.(in Chinese with English abstract)

[12] 金鑫，李樹君，楊學軍，等.膜上移栽缽苗栽植機構運動分析與參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2012，43(增刊1)：29－34.Jin Xin, Li Shujun, Yang Xunjun, et al. Motion analysis and parameter optimization for pot seedling planting mechanism based on up-film transplanting[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(Supp.1): 29－34. (in Chinese with English abstract)

[13] 俞高紅，陳志威，趙勻，等.橢圓—不完全非圓齒輪行星系蔬菜缽苗取苗機構的研究[J]. 機械工程學報，2012，48(13)：32－39.Yu Gaohong, Chen Zhiwei, Zhao Yun, et al. Study on vegetable plug seedling pick-up mechanism of planetary gear train with ellipse gears and incomplete non-circular gear[J].Journal of Mechanical Engineering, 2012, 48(13): 32－39.(in Chinese with English abstract)

[14] Feng Q C, Zhao C J, Jiang K, et al. Design and test of tray-seedling sorting transplanter[J]. International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 2015, 8(2): 14–20.

[15] Ji Jiangtao, Jin Xin, Du Xinwu, et al. Motion trajectory analysis and performance test of up-film punch transplanting mechanism[J]. International Agricultural Engineering Journal,2015, 24(2): 30－38.

[16] 俞高紅，劉炳華，趙勻，等.橢圓齒輪行星輪系蔬菜缽苗自動移栽機構運動機理分析[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2011，42(4)：53－57.Yu Gaohong, Liu Binghua, Zhao Yun, et al. Kinematic principle analysis of transplanting mechanism with planetary elliptic gears in automatic vegetable transplanter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011,42(4): 53－57. (in Chinese with English abstract)

[17] 何亞凱，李樹君，楊學軍，等.凸輪擺桿式栽植機構運動分析及性能試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2016，32(6)：34－41.He Yakai, Li Shujun，Yang Xuejun，et al. Kinematic analysis and performance experiment of cam-swing link planting mechanism[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016,32(6): 34－41. (in Chinese with English abstract)

[18] 肖名濤，孫松林，羅海峰，等.雙平行多桿栽植機構運動學分析與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30(17)：25－33.Xiao Mingtao, Sun Songlin, Luo Haifeng, et al. Kinematic analysis and experiment of dual parallelogram multi-pole planting mechanism [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2014, 30(17): 25－33. (in Chinese with English abstract)

[19] 劉姣娣，曹衛(wèi)彬，田東洋，等.基于苗缽力學特性的自動移栽機執(zhí)行機構參數(shù)優(yōu)化試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2016，32(16)：32－39.Liu Jiaodi, Cao Weibin, Tian Dongyang, et al. Optimization experiment of transplanting actuator parameters based on mechanical property of seedling pot [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(16): 32－39. (in Chinese with English abstract)

[20] Jin Xin, Du Xinwu, Ji Jiangtao, et al. Physical characteristics of plug seedling transplanted by the return-blank type transplanter[J]. International Agricultural Engineering Journal, 2015, 24(4): 1－10.

[21] 王英，陳建能，吳加偉，等.用于機械化栽植的西蘭花缽苗力學特性試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30(24)：1－10.Wang Ying, Chen Jianneng, Wu Jiawei, et al. Mechanics property experiment of broccoli seedling oriented to mechanized planting [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2014, 30(24): 1－10. (in Chinese with English abstract)

[22] Jin Xin, Du Xinwu, Ji Jiangtao, et al. Mechanical property experiment of plug seeding with pots gripping-picking[J].International Agricultural Engineering Journal, 2015, 24(4):24－33.

[23] 向衛(wèi)兵，羅錫文，王玉興，等.基于 ANSYS/LS-DYNA的缽苗運動模擬[J].農(nóng)機化研究，2007，29(12)：42－44.Xiang Weibing, Luo Xiwen, Wang Yuxing, et al. Kinetic simulation of pot seedling by ANSYS/LS-DYNA [J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2007, 29(12): 42－44. (in Chinese with English abstract)

[24] 陳建能，夏旭東，王英，等.缽苗在鴨嘴式栽植機構中的運動微分方程及應用試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2015，31(3)：31－39.Chen Jianneng, Xia Xudong, Wang Ying, et al. Motion differential equations of seedling in duckbilled planting nozzle and its application experiment [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(3): 31－39. (in Chinese with English abstract)

[25] 王英.面向高立苗率要求的栽植機構參數(shù)優(yōu)化與試驗研究[D].杭州：浙江理工大學，2014.Wang Ying. Parameter Optimization and Experimental Study on High Seedling Erectness Rate Oriented Planting Mechanism [D]. Hangzhou: Zhejiang Sci-Tech University,2014. (in Chinese with English abstract)

[26] 劉洪利，張偉.玉米植質缽苗運動軌跡及落地形態(tài)的研究[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學學報，2016，28(3)：124－128.Liu Hongli, Zhang Wei. Study on trajectory path and landing form of corn planting seedling[J]. Journal of Heilongjiang Bayi Agricultural University, 2016, 28(3): 124－128. (in Chinese with English abstract)

[27] 彭旭，宋建農(nóng)，皇雅斌，等.蔬菜缽苗在導苗管中的動力學分析[J].農(nóng)機化研究，2006，28(8)：54－56, 59.Peng Xu, Song Jiannong, Huang Yabin, et al. The dynamics analysis of the vegetable potted seedling in the seedlingguiding tube[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2006, 28(8)：54－56, 59. (in Chinese with English abstract)

[28] 孫裕晶，馬成林，左春檉.組合振動式導苗機構試驗研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2001，32(6)：30－33.Sun Yujing, Ma Chenglin, Zuo Chuncheng. Experimental investigation on combined guiding device with vibration [J].Transactions of the Chinese society for Agricultural Machinery, 2001, 32(6): 30－33. (in Chinese with English abstract)

[29] 張國鳳，趙勻，陳建能. 水稻缽苗在空中和導苗管上的運動特性分析[J]. 浙江大學學報：工學版，2009，43(3)：529－534.Zhang Guofeng, Zhao Yun, Chen Jianneng. Characteristic analysis of rice plotted-seedlingps motion in air and on turbination-type guide-canal[J]. Journal of Zhejiang University: Engineering Science, 2009, 43(3): 529－534. (in Chinese with English abstract)

[30] 趙勻. 農(nóng)業(yè)機械分析與綜合[M]. 北京：械工業(yè)出版社,2008：98－108.

[31] 金鑫，李樹君，楊學軍，等.蔬菜穴盤苗取苗機構分析與參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2013，44(增刊1)：1－6，13.Jin Xin, Li Shujun, Yang Xuejun, et al. Analysis and parameter optimization for vegetable plug seedling pick-up mechanism [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(Supp.1): 1－6, 13. (in Chinese with English abstract)

[32] 梅鳳翔，劉桂林. 分析力學基礎[M]. 西安:西安交通大學出版社，1987：219－225.