沈飛

摘 要： 伴隨農(nóng)業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)栽植機(jī)構(gòu)綜合性能提出更高的要求，如需做到零速栽植、不掛膜等，這是保證栽植產(chǎn)量的關(guān)鍵所在。特別目前大多地區(qū)引入鋪膜移栽模式后，發(fā)現(xiàn)取得的成效并不理想，極易出現(xiàn)地模破損情況。此時(shí)考慮在栽植機(jī)構(gòu)上優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高機(jī)構(gòu)整體性能。本次研究將以行星齒輪連桿式栽植機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行原理簡(jiǎn)單分析，構(gòu)建機(jī)構(gòu)基本模型，并通過相關(guān)的運(yùn)動(dòng)方程明確設(shè)計(jì)方向，最終通過仿真驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)后運(yùn)行效果。

關(guān)鍵詞： 行星齒輪連桿式；栽植機(jī)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

前言：作為近年來(lái)田間移栽工作的主要工具，栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)行情況直接影響移栽效果。從我國(guó)部分地區(qū)田間移栽情況看，在栽植機(jī)構(gòu)選擇上有較多如鴨嘴式、導(dǎo)苗管式、鉗夾式等，均可取得良好的移栽效果。但比較下能夠發(fā)現(xiàn)，部分區(qū)域?qū)儆诟珊禋夂?，需采用膜上覆土移栽方法，采用鴨嘴式栽植機(jī)構(gòu)更加適宜，若在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠滿足栽植深度要求，且不掛膜等。因此，本文對(duì)行星齒輪連桿式鴨嘴栽植機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究，具有十分重要的意義。

1栽植機(jī)構(gòu)基本介紹

關(guān)于栽植機(jī)構(gòu)，是一種用于田間移栽的農(nóng)業(yè)器械，如何使栽植效果得到保證，要求栽植機(jī)構(gòu)具備一定的條件，具體體現(xiàn)在：①零速栽植，主要強(qiáng)調(diào)鴨嘴張開放苗過程中，為達(dá)到栽植直立度要求，需使鴨嘴水平方向保持接近零；②不掛膜，如部分區(qū)域栽植中傾向于鋪膜移栽方法，操作中需將地膜扎破然后在地中移栽秧苗，雖然可保證移栽量，但地膜受損影響保溫性，所以栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)用下可解決不掛膜問題；③栽植深度控制，其是影響幼苗成活率與作物產(chǎn)量的關(guān)鍵。

本次研究中提出行星齒輪連桿式栽植機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，鴨嘴1個(gè)，可滿足1株幼苗栽植要求。具體剖析該機(jī)構(gòu)，除鴨嘴外，有連桿、行星齒輪機(jī)構(gòu)。其中在行星齒輪方面，又可細(xì)化為行星架、行星齒輪軸、中間齒輪、中心齒輪等，機(jī)構(gòu)運(yùn)行中中心齒輪保持不動(dòng)，行星架轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)中間齒輪于中心齒輪圍繞旋轉(zhuǎn)。齒輪運(yùn)行傳動(dòng)主要通過外嚙合形式實(shí)現(xiàn)。當(dāng)行星架轉(zhuǎn)動(dòng)中，齒輪輪保持轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)連桿動(dòng)作使鴨嘴上下運(yùn)動(dòng)，這樣便能完成栽植過程[1]。

2行星齒輪連桿式栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)模型構(gòu)建

2.1栽植結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為使行星齒輪連桿式栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，本文在研究中以機(jī)械原理為指導(dǎo)，提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。設(shè)計(jì)中主要將連桿、鴨嘴保持鉸接，在連桿帶動(dòng)作用下，使鴨嘴保持一定運(yùn)動(dòng)軌跡，沿該軌跡運(yùn)動(dòng)，便能達(dá)到移栽要求。如鴨嘴保持上升運(yùn)動(dòng)中，可將缽苗取出向鴨嘴中投放，向下運(yùn)動(dòng)中至栽植地面將打孔，滿足栽植深度后，鴨嘴放開向土穴內(nèi)植入缽苗，當(dāng)缽苗完全離開鴨嘴后，鴨嘴繼續(xù)進(jìn)行下一輪作業(yè)。從整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況看，如何保證其處于理想狀態(tài)，關(guān)鍵在于各零件無(wú)彈性變形情況，且轉(zhuǎn)動(dòng)中無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)間隙情況。需注意的是，設(shè)計(jì)中主要從運(yùn)動(dòng)軌跡控制上著手，盡可能做到保持直線運(yùn)動(dòng)。其中行星齒輪的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，需做好傳動(dòng)比的控制，假定對(duì)中心齒輪齒數(shù)利用Z1表示，行星齒輪齒數(shù)利用Z3表示，傳動(dòng)比iH3，則有iH3=1-Z1/Z3[2]。

2.2相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

關(guān)于栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況，本次研究中取具體的方程模型做運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，如利用l1、l2、l3、l4分別表示曲柄長(zhǎng)度、連桿長(zhǎng)度、連桿長(zhǎng)度以及搖桿長(zhǎng)度，并取α1、α2、α3、α4表示曲柄與x軸角度（水平方向）、連桿與x軸角度、搖桿與x軸角度。構(gòu)建方程模型，取A、B、J三點(diǎn)，有：①xA=l1cosα1，yA=l1sinα1；②xB=l1cosα1+l2cosα12，yB=l1sinα1+l2sinα2；③xJ=xP+l4cosα3，yJ=yP+l4sinsinα3。明確各位移方程后，在此基礎(chǔ)上做機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)速度與加速度分析，可判斷出各位移點(diǎn)加速度方向。

3優(yōu)化設(shè)計(jì)思路與仿真結(jié)果

3.1優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

根據(jù)運(yùn)動(dòng)方程分析結(jié)果，可獲取各運(yùn)動(dòng)鉸點(diǎn)加速度與位移情況，在此基礎(chǔ)上做優(yōu)化涉及。設(shè)計(jì)中應(yīng)注意首先將基本運(yùn)動(dòng)條件明確，做機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算，確保機(jī)構(gòu)正常運(yùn)動(dòng)下連桿機(jī)構(gòu)、桿長(zhǎng)條件均可滿足運(yùn)動(dòng)要求?？紤]到以往機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中需涉及較多算法流程，所以采用VB6.0軟件平臺(tái)，通過該平臺(tái)對(duì)各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)桿長(zhǎng)初始值計(jì)算，在此基礎(chǔ)上做VB語(yǔ)言編程，VB6.0可視化界面能夠?qū)Ω鳁U長(zhǎng)變化反映出來(lái)，做參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，這樣將使軌跡優(yōu)劣程度表達(dá)出來(lái)，利用其做各桿件尺寸的評(píng)價(jià)[3]。參數(shù)優(yōu)化下，本次研究將行星架長(zhǎng)度、兩個(gè)連桿長(zhǎng)度以及桿件長(zhǎng)度分別設(shè)定為62mm、62mm、120mm、191mm，在此基礎(chǔ)上做仿真分析。

3.2仿真結(jié)果

仿真分析中，明確各機(jī)構(gòu)尺寸，取SolidWorks2014設(shè)計(jì)軟件，使各零部件以三維模型形式呈現(xiàn)。根據(jù)三維模型結(jié)果，能夠發(fā)現(xiàn)各零部件均能正常運(yùn)行，齒輪可滿足嚙合運(yùn)行要求，各運(yùn)動(dòng)工況的實(shí)現(xiàn)可通過調(diào)整運(yùn)動(dòng)副實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，從整個(gè)機(jī)構(gòu)仿真軌跡看，靜軌跡為閉合曲線，呈“梭”形軌跡，在軌跡最高點(diǎn)完成接苗操作，而最低點(diǎn)破土栽苗。同時(shí)運(yùn)動(dòng)中，有零速點(diǎn)存在，整個(gè)軌跡運(yùn)行均可滿足栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)基本要求，包括零速點(diǎn)、栽植深度控制等，說明優(yōu)化設(shè)計(jì)后的行星齒輪連桿式栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

結(jié)論：行星齒輪連桿式栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理直接影響栽植質(zhì)量。實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)正確認(rèn)識(shí)栽植機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理，并結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況包括土地、種植情況，采取相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)策略。本次研究中，通過構(gòu)建運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并在VB6.0軟件平臺(tái)下做參數(shù)優(yōu)化，可發(fā)現(xiàn)最終設(shè)計(jì)的栽植機(jī)構(gòu)在各方面參數(shù)上均可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]張照，廖慶喜，許博，等.油菜缽苗移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)參數(shù)匹配與軌跡分析[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，36（02）：108-116.

[2]何亞凱，李樹君，楊學(xué)軍，等.凸輪擺桿式栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析及性能試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（06）：34-41.

[3]陳建能，夏旭東，王英，等.缽苗在鴨嘴式栽植機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)微分方程及應(yīng)用試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（03）：31-39.