尹大慶，池相河，周脈樂，王佳照

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

缽苗移栽裝備需完成取苗、輸送和栽植等動(dòng)作，分為半自動(dòng)移栽機(jī)和全自動(dòng)移栽機(jī)[1-2]，半自動(dòng)移栽機(jī)由人工完成取苗和喂苗動(dòng)作，勞動(dòng)強(qiáng)度大。全自動(dòng)移栽機(jī)核心工作部件為分秧裝置，完成自動(dòng)取苗和輸送過程決定移栽質(zhì)量[3-4]。開發(fā)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效分秧裝置，實(shí)現(xiàn)低傷秧率和高取苗成功率具有重要意義。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)移栽機(jī)械分秧裝置開展系列研究[5-6]。國(guó)外移栽機(jī)械研究以歐美國(guó)家和日韓為主[7-8]。歐美國(guó)家分秧裝置主要采用機(jī)電液一體化技術(shù)驅(qū)動(dòng)，自動(dòng)化程度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高[9]；日韓分秧裝置多使用桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，穩(wěn)定性較差，效率低[10]。王文卿等提出夾缽式末端執(zhí)行器，適用于旱田缽苗移栽，取苗針在桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下探出取苗，回縮推苗，效率較低[11]。尹大慶等提出探出取推缽式末端執(zhí)行器，取苗針和推苗板同時(shí)運(yùn)動(dòng)，取苗、推苗速度快，效率較高，但穩(wěn)定性差[12]。梁喜鳳等設(shè)計(jì)取缽式補(bǔ)苗末端執(zhí)行器，補(bǔ)苗成功率較高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜[13]。分秧裝置是限制全自動(dòng)移栽技術(shù)大面積推廣主要原因，相關(guān)研究仍處于試驗(yàn)階段[14-15]。目前，國(guó)內(nèi)外分秧裝置多為夾取缽?fù)练绞絒16]，夾持莖稈方式較少。水稻等大田農(nóng)作物莖稈韌性較高，苗缽基質(zhì)規(guī)格小，采用夾取莖稈取苗方式更利于高效移栽[17-18]。雙曲柄五桿式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)，水稻缽苗移栽（效率可達(dá)80株·行-1·min-1以上），移栽效果較好，已在一定范圍推廣應(yīng)用[19]。

水稻缽苗移栽與毯狀苗機(jī)插秧相比，不傷根、無緩苗期，提早分蘗，具有省種、節(jié)水、節(jié)肥等優(yōu)點(diǎn)，平均可提高單產(chǎn)10%～20%。水稻缽苗移栽農(nóng)藝已提出幾十年，但由于移栽裝備不成熟而未能大面積推廣。夾秧片是移栽機(jī)構(gòu)中直接接觸秧苗部件，對(duì)移栽效果有直接影響。為提高分秧裝置作業(yè)效率和穩(wěn)定性，簡(jiǎn)化分秧裝置結(jié)構(gòu)，保證分秧裝置作業(yè)質(zhì)量，本文設(shè)計(jì)適用于水稻缽苗分秧的可變形彈性分秧裝置，通過彈性夾秧片夾緊與張開實(shí)現(xiàn)秧苗與穴盤分離動(dòng)作。夾片式分秧裝置以一端固定彈性夾片代替原來結(jié)構(gòu)復(fù)雜擺臂式夾片（由兩個(gè)滾子驅(qū)動(dòng)和兩個(gè)螺旋壓縮彈簧復(fù)位），擺臂式夾片為剛性夾片，末端可轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝在移栽臂上，故障率和傷秧率較高。彈性夾片分秧成功率高、傷秧率低，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減小質(zhì)量，增強(qiáng)穩(wěn)定性，可提高移栽效率。

1分秧裝置組成與原理

分秧裝置由一對(duì)可實(shí)現(xiàn)彈性形變夾秧片、夾秧器、推秧器、推秧?xiàng)U、彈簧座以及由凸輪和撥叉等構(gòu)成的凸輪機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。

圖1 分秧裝置原理Fig.1 Principle of seedling dividing device

分秧裝置工作原理：分秧裝置在一個(gè)工作周期分為取苗、持苗、植苗、回程四個(gè)階段，并實(shí)現(xiàn)張開與閉合動(dòng)作。凸輪機(jī)構(gòu)中凸輪部件和撥叉部件以擺動(dòng)從動(dòng)件形式組合運(yùn)動(dòng)。在凸輪驅(qū)動(dòng)下，撥叉上端和與推秧?xiàng)U固接彈簧座相互配合，驅(qū)動(dòng)推秧?xiàng)U作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。推秧?xiàng)U上固接夾秧器與推秧器，固接于分秧裝置殼體上可產(chǎn)生彈性形變夾秧片，對(duì)稱分布并緊貼在夾秧器兩外側(cè)壁，推秧器與推秧?xiàng)U前端固接并置于夾秧片下端。當(dāng)分秧裝置空行程處于回程段時(shí)，夾秧片在夾秧器作用下?lián)伍_并緊貼夾秧器外側(cè)壁，如圖2a所示。當(dāng)分秧裝置處于取苗段時(shí)，凸輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)撥叉逆時(shí)針擺動(dòng)，當(dāng)分秧裝置運(yùn)動(dòng)到取秧位置時(shí)，在撥叉作用下，推秧?xiàng)U帶動(dòng)夾秧器壓縮推秧彈簧并向遠(yuǎn)離夾秧片方向運(yùn)動(dòng)，脫離與夾秧片配合作用，兩個(gè)對(duì)稱夾秧片在自身彈性形變作用下實(shí)現(xiàn)快速夾緊秧苗動(dòng)作，如圖2b所示。當(dāng)分秧裝置處于持苗段時(shí)，夾秧片將秧苗與穴盤分離并取出秧苗，夾秧片保持夾緊狀態(tài)，運(yùn)輸缽苗同時(shí)將秧苗送入植苗段。當(dāng)分秧裝置處于植苗段時(shí)，凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)分秧裝置運(yùn)動(dòng)到栽植位置時(shí)，撥叉在凸輪以及推秧彈簧驅(qū)動(dòng)下順時(shí)針擺動(dòng)，在撥叉作用下推秧?xiàng)U和夾秧器向夾秧片方向運(yùn)動(dòng)，夾秧器與夾秧片接觸并對(duì)夾秧片產(chǎn)生推力，作用于兩片夾秧片內(nèi)側(cè)，并將兩夾秧片分開，釋放夾秧片中攜帶缽苗，與此同時(shí)，推秧?xiàng)U向夾秧片方向探出，固接于推秧?xiàng)U上推秧器作用于秧苗下端基質(zhì)，彈出缽苗，完成植苗動(dòng)作，見圖2c。凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，分秧裝置回到回程階段，推秧?xiàng)U在凸輪撥叉作用下，向遠(yuǎn)離夾秧片方向運(yùn)動(dòng)，夾秧器和推秧器復(fù)位，避免推秧器與秧盤干涉，準(zhǔn)備下個(gè)周期運(yùn)動(dòng)。

圖2 夾秧片工作原理Fig.2 Working principle of seedling clip

2 分秧裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立

2.1 夾秧片形變計(jì)算理論模型

工作過程中，夾秧片一端固定，另一端在外力作用下發(fā)生彈性形變。根據(jù)秧苗移栽農(nóng)藝和夾持力完成夾秧片材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（結(jié)構(gòu)拐點(diǎn)）。根據(jù)夾秧片結(jié)構(gòu)將夾秧片簡(jiǎn)化為含拐點(diǎn)懸臂梁，并根據(jù)結(jié)構(gòu)拐點(diǎn)劃分變形區(qū)域，從懸臂端逐段（微小變形段）計(jì)算其形變量。簡(jiǎn)化形變計(jì)算理論模型見圖3。

圖3a為簡(jiǎn)化懸臂梁模型，其右側(cè)端點(diǎn)受到力矩M作用而發(fā)生形變。圖3b根據(jù)夾秧片結(jié)構(gòu)將簡(jiǎn)化后懸臂梁模型劃分成3小段。假設(shè)從各段劃分點(diǎn)斷開，每段端點(diǎn)右側(cè)部分對(duì)該段力矩分別為M1、M2和M3。圖3c為第一段形變后狀態(tài)，圖3d為第2段形變后狀態(tài)，圖3e為第3段形變后狀態(tài)。圖3f為綜合所有段形變后狀態(tài)。

圖3 形變計(jì)算理論模型Fig.3 Theoretical model of deformation calculation

2.2 夾秧片形變計(jì)算

夾秧片由兩個(gè)固定點(diǎn)固定在移栽臂上，以夾秧片右側(cè)固定點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立笛卡爾坐標(biāo)系。簡(jiǎn)化后夾秧片受力示意圖如圖4所示。

由圖4可知，從夾秧片固定端到工作段拐點(diǎn)夾角依次為α1、α2、α3和α4，圓角依次為R1和R2將夾秧片兩個(gè)固定點(diǎn)簡(jiǎn)化為兩個(gè)外力F1和F2，以夾秧片結(jié)構(gòu)拐點(diǎn)將其形變段劃分為AB、BC、CD、DF、FE、EG、GM、MQ、QS、ST共10段，每一段分為n等份。

圖4 夾秧片受力示意圖Fig.4 Schematic diagram of the stress of the seedling clip

已 知 ： LAB、 LBC、 LCD、 L1、 L2、 L3、 LQS、 LST、α1、 α2、 α3、 α4、F、n、E、HH、BB、R1、R2。假設(shè)從各段右側(cè)部分?jǐn)嚅_，各段端點(diǎn)所受力Fi為

E點(diǎn)形變前坐標(biāo)為

G點(diǎn)形變前坐標(biāo)為

M點(diǎn)形變前坐標(biāo)為

形變前在x=xi，（i=1,2,3,…,n）處CD段坐標(biāo)為

形變前在x=xi，i=1,2,3,…,n）處，DE段坐標(biāo)為

形變前在x=xi，（i=1,2,3,…,n）處，EG圓弧段坐標(biāo)為

形變前在x=xi，（i=1,2,3,…,n）處，GK段坐標(biāo)為

形變前在x=xi，（i=1,2,3,…,n）處，KM圓弧段坐標(biāo)為

形變前在x=xi，（i=1,2,3,…,n）處，MQ段坐標(biāo)為

形變前在x=xi，（i=1,2,3,…,n）處，QS段坐標(biāo)為

ST段不受力可視為無變形直線段，其方向沿(xQSn-1,xQSn-1)-(xQSn,xQSn)方向。形變前在 x=xi，（i=1,2,3,…,n）處，ST段坐標(biāo)：

計(jì)算形變量，已知，起點(diǎn)（x1,y1），終點(diǎn)（x2,y2），終點(diǎn)受力F0（垂直方向）°

計(jì)算1次，后面所有點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)1次。轉(zhuǎn)動(dòng)：已知（x1，y1），（x2，y2），y0。

其中，

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件開發(fā)與參數(shù)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件開發(fā)

以夾秧片形變量計(jì)算為理論基礎(chǔ)，開發(fā)分秧裝置輔助分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，見圖5。軟件采用Visual Basic 6.0語言編寫，程序界面友好，操作方便。通過該軟件可觀測(cè)夾秧片形變情況，其初始狀態(tài)、閉合狀態(tài)和張開狀態(tài)見圖6。

圖5 夾秧片形變量計(jì)算與輔助設(shè)計(jì)軟件Fig.5 Software for calculation and auxiliary design of seedling shape variables

圖6 夾秧片關(guān)鍵狀態(tài)形變量Fig.6 Key state deformation of seedling clip

分秧裝置輔助分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件以夾苗式缽苗移栽機(jī)構(gòu)中夾秧片原始、閉合和張開狀態(tài)為優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)象，通過對(duì)夾秧片變形量作理論分析、計(jì)算，以夾秧片張開寬度和無縫隙閉合為約束條件開發(fā)。夾秧片是移栽機(jī)構(gòu)中直接接觸秧苗部件，其變相量直接決定移栽效果。分秧裝置輔助分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件在夾秧片變形量計(jì)算理論分析基礎(chǔ)上開發(fā)，完成夾秧片變形量精準(zhǔn)計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)，為夾苗式缽苗移栽機(jī)構(gòu)中夾秧片開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。分秧裝置輔助分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件包括圖形顯示區(qū)、參數(shù)輸入?yún)^(qū)和數(shù)據(jù)輸出區(qū)等模塊。圖形顯示區(qū)可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前參數(shù)下，夾秧片原始、張開和閉合狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖形；參數(shù)輸入?yún)^(qū)為夾秧片結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)人員可通過參數(shù)微調(diào)按鈕優(yōu)化夾秧片結(jié)構(gòu)參數(shù)；數(shù)據(jù)輸出區(qū)顯示夾秧片各關(guān)鍵位置變形量。

分秧裝置輔助分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件中嵌入“參數(shù)導(dǎo)引”啟發(fā)式優(yōu)化算法，可完成夾秧片機(jī)構(gòu)參數(shù)全自動(dòng)優(yōu)化，縮短夾秧片開發(fā)周期。

3.2 機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

以分秧裝置中夾秧片張開時(shí)前端開口為20 mm（水稻缽苗缽體表面尺寸）和閉合時(shí)兩夾秧片間無縫隙為約束條件（有效夾持秧苗），結(jié)合“參數(shù)導(dǎo)引”啟發(fā)式優(yōu)化算法，通過將參數(shù)和優(yōu)化目標(biāo)當(dāng)量化，依次對(duì)比分析各目標(biāo)與目標(biāo)理想范圍差值，每次改變1個(gè)參數(shù)（其他參數(shù)不變）逐次優(yōu)化最差目標(biāo)，直至所有目標(biāo)值與對(duì)應(yīng)理想值偏差小于預(yù)先確定系列微小值，利用自主開發(fā)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件得到1組滿足夾秧和推秧要求結(jié)構(gòu)參數(shù)：LAB=4.7 mm，LBC=20 mm，LCD=4.7 mm，L1=48.5 mm，L2=8.5 mm，L3=11.9 mm， LQS=13 mm，LST=13 mm， α1=-10°，α2=-74°，α3=72.1°，α4=7.5°，R1=5 mm，R2=2 mm，F(xiàn)=10 N，H=1.2 mm，B=15 mm。

4 試驗(yàn)研究

4.1 虛擬仿真試驗(yàn)

基于NX軟件設(shè)計(jì)水稻缽苗分秧裝置虛擬樣件，在ANSYS中劃分網(wǎng)格后（見圖7），導(dǎo)入AD?AMS中并添加約束后作剛?cè)狁詈咸摂M仿真試驗(yàn)，如圖8所示。水稻缽苗分秧裝置在虛擬仿真環(huán)境中約束關(guān)系有固定、轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)、接觸等，其中互為固定副關(guān)系零部件：移栽臂殼體與地面、移栽臂殼體與后（前）蓋、移栽臂殼體與夾秧片、推秧?xiàng)U與彈簧座；互為轉(zhuǎn)動(dòng)副關(guān)系零部件：凸輪與地面、撥叉與移栽臂殼體；互為移動(dòng)副關(guān)系零部件：推秧?xiàng)U與移栽臂殼體；互為接觸副關(guān)系零部件：凸輪與撥叉；彈簧座與撥叉。虛擬仿真試驗(yàn)表明：所設(shè)計(jì)水稻缽苗分秧裝置可完成間歇性夾緊與張開動(dòng)作，夾秧片變形尺寸與理論計(jì)算結(jié)果接近一致，夾秧片變形精準(zhǔn)可靠，夾秧片完全閉合時(shí)夾緊力為10.2 N（經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定：加持力在8～15 N可滿足水稻缽苗夾秧要求），適用于水稻缽苗移栽機(jī)。虛擬仿真試驗(yàn)和理論分析一致性相互驗(yàn)證理論分析、虛擬樣機(jī)和仿真試驗(yàn)正確性。

圖7 夾秧片劃分網(wǎng)格Fig.7 Gridding of seedling clip

圖8 虛擬仿真試驗(yàn)Fig.8 Virtual simulation test

4.2 樣機(jī)開發(fā)與臺(tái)架試驗(yàn)

4.2.1 樣機(jī)開發(fā)

根據(jù)優(yōu)化得到結(jié)構(gòu)參數(shù)，試制分秧裝置物理樣機(jī)?？紤]夾秧片需頻繁實(shí)現(xiàn)閉合和張開動(dòng)作，本文選擇夾秧片材料為65 Mn，經(jīng)折彎成型后熱處理，將加工夾秧片配裝于回轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)?；剞D(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)是水稻缽苗移栽機(jī)核心工作部件，其性能直接決定最終移栽效果。移栽機(jī)構(gòu)通過非圓齒輪行星輪系不等速傳動(dòng)，使移栽臂部件實(shí)現(xiàn)水稻缽苗移栽所需復(fù)雜軌跡和姿態(tài)。在初始安裝位置上，各非圓齒輪及移栽臂部件按初始安裝角安裝。當(dāng)移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)至夾秧位置時(shí)，移栽臂部件探至缽苗莖稈處，再由夾秧裝置夾取秧苗。隨后，秧苗隨移栽臂部件輸送至推秧位置。在推秧位置，由移栽臂部件中推秧裝置將缽苗推出，完成栽植動(dòng)作。推秧結(jié)束后，移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)至初始安裝位置，移栽臂部件中推秧位置完成復(fù)位動(dòng)作，準(zhǔn)備下個(gè)移栽作業(yè)周期。在傳動(dòng)箱兩側(cè)分別布置1個(gè)對(duì)稱非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)，任一側(cè)移栽機(jī)構(gòu)均有上、下兩個(gè)移栽臂部件，且上、下移栽臂部件相差180°轉(zhuǎn)角（上移栽臂部件由初始位置隨行星架順時(shí)針轉(zhuǎn)過180°時(shí)，為下移栽臂部件初始位置）。動(dòng)力通過傳動(dòng)軸由移栽機(jī)底盤傳入傳動(dòng)箱，經(jīng)傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳至太陽軸，齒輪箱與太陽軸軸端固結(jié)，隨太陽軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪箱內(nèi)含5個(gè)非圓齒輪，其中太陽輪與法蘭通過牙嵌連接，與傳動(dòng)箱保持相對(duì)靜止。上（下）中間輪）分別與上（下）中間軸固結(jié)，中間輪與太陽輪相互嚙合，以上（下）中間軸為傳動(dòng)中心相對(duì)齒輪箱轉(zhuǎn)動(dòng)；上（下）行星輪分別與上（下）行星軸）固結(jié)，行星輪與中間輪嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)。在非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)中，齒輪箱（行星架）為原動(dòng)件，上（下）行星軸探出齒輪箱軸端與上（下）移栽臂部件固結(jié)，齒輪箱隨太陽軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其中非圓齒輪相互嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)，上（下）移栽臂部件隨齒輪箱作圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)隨行星軸相對(duì)齒輪箱轉(zhuǎn)動(dòng)。優(yōu)化結(jié)構(gòu)和非圓齒輪參數(shù)即可使移栽臂部件獲得滿足移栽要求復(fù)雜軌跡和姿態(tài)。

在一個(gè)工作周期中，移栽機(jī)構(gòu)依次完成夾秧、拔秧、送秧、推秧、碰撞、空運(yùn)行和復(fù)位等階段，結(jié)合水稻缽苗移栽農(nóng)藝，提出回轉(zhuǎn)式移栽機(jī)構(gòu)約束目標(biāo)：①運(yùn)轉(zhuǎn)中兩移栽臂互不干涉；②取秧角-5°～15°；③ 推秧角 45°～65°；④ 角度差50°～60°；⑤移栽臂不推秧；⑥齒輪箱距地面高度＞15 mm；⑦軌跡高度＞260 mm；⑧齒輪模數(shù)＞2.5。結(jié)合大同DUO60乘坐式插秧機(jī)行走底盤，開發(fā)水稻缽苗移栽機(jī)整機(jī)，機(jī)型主要技術(shù)參數(shù)如下：采用高速乘坐式結(jié)構(gòu)形式及回轉(zhuǎn)式移栽機(jī)構(gòu)形式，標(biāo)定功率為15.3 kW，標(biāo)定轉(zhuǎn)速為3 600 r·min-1，外形尺寸為3 120 mm×2 140 mm×1 655 mm，結(jié)構(gòu)質(zhì)量為780 kg，工作行數(shù)為6行，行距為300 mm，穴距為190～240 mm，插秧深度為10～40 mm。

4.2.2 臺(tái)架試驗(yàn)

為驗(yàn)證夾秧裝置取苗性能，在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)移栽機(jī)械化技術(shù)與裝備課題組開發(fā)移栽機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)架上完成取苗試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)架主要由地輪、底架、扭矩傳感器、傳動(dòng)軸、傳動(dòng)帶、電機(jī)、秧箱、連桿移栽機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)式移栽機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)支座、旱田移栽機(jī)構(gòu)等部分組成。試驗(yàn)臺(tái)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)軸支撐架上安裝有傳動(dòng)軸和扭矩傳感器，試驗(yàn)臺(tái)后側(cè)上方安裝秧箱，底架后側(cè)上方安裝有可調(diào)節(jié)支撐座，其上安裝移栽機(jī)構(gòu)完成取苗試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)架下側(cè)安放土槽，可作室內(nèi)移栽試驗(yàn)，底架左前側(cè)裝有電機(jī)及擺線針輪減速機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速由變頻器控制，動(dòng)力經(jīng)過傳動(dòng)帶傳動(dòng)進(jìn)一步降速，將動(dòng)力傳遞給傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸上裝有扭矩傳感器，通過扭矩傳感器可實(shí)時(shí)輸出動(dòng)態(tài)扭矩，進(jìn)而測(cè)試整機(jī)功耗、扭矩等，傳動(dòng)軸另一端與萬向聯(lián)軸器連接，萬向聯(lián)軸器另一端與工作箱輸入軸相連，動(dòng)力經(jīng)萬向聯(lián)軸器傳遞至工作箱中，通過工作箱內(nèi)錐齒輪及齒輪傳動(dòng)可帶動(dòng)雙螺旋軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使秧箱做橫向送秧運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)送到一側(cè)時(shí)縱向秧機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)縱向送秧。

試驗(yàn)用秧盤為軟質(zhì)塑料秧盤（送秧過程中可折彎變形），每盤406穴（橫向14穴，縱向29穴），穴深22 mm，穴口尺寸為20 mm×20 mm，縱、橫向相鄰穴孔之間中心距20 mm。秧苗品種為嫩農(nóng)6號(hào)，苗齡30 d，平均株高130 mm，每穴平均株數(shù)為5株，秧苗莖稈直徑平均為1.2 mm，基質(zhì)含水率24%～36%。結(jié)合高速攝影技術(shù)分析取苗試驗(yàn)（見圖10）。取苗試驗(yàn)表明，在回轉(zhuǎn)式移栽機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速為150 r·min-1時(shí)（平均每分鐘取苗300次），基質(zhì)完整率為99%，取苗成功率為98.7%。

4.3 田間移栽試驗(yàn)

結(jié)合水稻毯狀苗插秧機(jī)自走底盤，完成田間移栽試驗(yàn)，試驗(yàn)用儀器設(shè)備有XG40-2型電子秒表、10 m 1202型鋼卷尺、30 kg W08080701型電子稱、-45～125℃，0～100%RH684024型數(shù)字風(fēng)速溫濕度壓力計(jì)、50 m 070471型鋼卷尺、量程為600g 01546型電子天平、30～50000r·min-1AE.34220型轉(zhuǎn)速表、300 mm 09641型鋼直尺。田間移栽時(shí)見圖11。試驗(yàn)用秧苗品種為嫩農(nóng)6號(hào)，苗齡38 d，平均株高150 mm，穴盤平均缺苗率2.46%，水田泥腳深度為150 mm，土壤呈弱堿性，移栽前水田由打漿機(jī)平整。試驗(yàn)時(shí)設(shè)定移栽機(jī)工作株距為20 cm（實(shí)測(cè)平均穴距為18.5 cm），結(jié)果見表1。

圖9 多功能移栽試驗(yàn)臺(tái)Fig.9 Multi-function transplanting test bench

圖10 取苗試驗(yàn)Fig.10 Seedling pick-up test

圖11 田間移栽試驗(yàn)Fig.11 Bench scale test

表1 田間移栽試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of field transplantation experiment

試驗(yàn)結(jié)果表明，水稻缽苗分秧裝置可周期性實(shí)現(xiàn)夾秧片張開與閉合動(dòng)作，設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)式移栽機(jī)構(gòu)可完成滿足水稻缽苗移栽作業(yè)的取苗、輸送和栽植等動(dòng)作，形成特定軌跡和姿態(tài)滿足水稻缽苗移栽要求。倒苗、漏苗和傷秧主要原因有：部分秧苗移栽前出現(xiàn)連根現(xiàn)象，取秧時(shí)傷及相鄰秧苗；水田不平整，局部水位較深；秧苗底部長(zhǎng)出較多根系，影響取苗成功率；穴盤移栽前部分缺苗；浮板平底后水流回流速度較大，沖倒部分秧苗。

5結(jié) 論

a.提出一種可變形夾片式分秧裝置，以一端固定式彈性夾片代替擺臂式夾片，具有作業(yè)效率高，機(jī)構(gòu)穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)秧苗與穴盤分離和推秧動(dòng)作。

b.建立分秧裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，開發(fā)分秧裝置可視化優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，嵌入“參數(shù)導(dǎo)引”啟發(fā)式優(yōu)化算法，完成結(jié)構(gòu)參數(shù)全自動(dòng)優(yōu)化，縮短分秧裝置開發(fā)周期。

c.研制分秧裝置物理樣機(jī)，完成取苗試驗(yàn)和田間移栽試驗(yàn)，分秧裝置可完成水稻缽苗移栽動(dòng)作，取苗成功率為98.7%。