許春林 單伊尹 辛 亮 解江濤 李 崢

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150030)

0 引言

水稻覆膜栽培具有增溫、保水、保肥、改善土壤理化性質(zhì)、抑制雜草生長、減輕病害等作用，逐漸成為綠色農(nóng)業(yè)稻作栽培的關(guān)鍵技術(shù)［1-5］。水稻覆膜栽培過程中，覆膜后膜上機(jī)械化插秧可大幅度提高勞動(dòng)效率，降低生產(chǎn)成本［6］。影響機(jī)械化水稻膜上插秧質(zhì)量的核心機(jī)構(gòu)為分插機(jī)構(gòu)，因此，研制性能穩(wěn)定、高效的破膜分插機(jī)構(gòu)可為大規(guī)模推廣應(yīng)用有機(jī)水稻膜上栽培技術(shù)提供有效手段［7-9］。

國內(nèi)外學(xué)者對膜上插秧技術(shù)開展了一系列研究。日本三菱株式會(huì)社MKP610 型插秧機(jī)未配置開孔破膜裝置，由秧針攜帶秧苗直接破膜完成栽植，對秧苗根系造成二次損傷，延長了緩苗期［10］。BERNARDO 等［11］基于洋馬RR40 型分插機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種連桿式破膜機(jī)構(gòu)，由固結(jié)于栽植臂的執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)連桿，控制尼龍破膜裝置擺動(dòng)完成縱向破膜，實(shí)現(xiàn)破膜插秧同步作業(yè)，該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且運(yùn)行可靠性差。目前，國內(nèi)主要采用的方法是使用劃孔刀或切膜刀軸輥在地膜上預(yù)先進(jìn)行切膜開孔，但開孔與插秧位置難以保持一致［12］。陳海濤等［13］研制了“H”型同步覆膜開孔插秧裝置，開孔裝置隨秧針運(yùn)動(dòng)完成地膜開孔插秧作業(yè)，但開孔裝置與秧針之間縫隙狹窄，且兩者之間無相對運(yùn)動(dòng)，易發(fā)生堵塞。田佳航［14］提出了一種偏心輪-搖桿式地膜打孔機(jī)構(gòu)，結(jié)合前插旋轉(zhuǎn)式分插機(jī)構(gòu)依次完地膜打孔、插秧動(dòng)作，該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)不夠緊湊，在高速作業(yè)時(shí)同步性差，存在配合失誤的問題。

針對以上問題，結(jié)合水稻覆膜插秧栽培農(nóng)藝要求，本文設(shè)計(jì)一種利用非圓齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)栽植臂，實(shí)現(xiàn)切膜開孔、分秧栽植一體化作業(yè)的探出開孔式高速插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)。通過建立分插機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、開發(fā)計(jì)算機(jī)輔助分析與優(yōu)化軟件得到滿足相應(yīng)農(nóng)藝要求的“腰子形”插秧軌跡和“類腰子形”切膜開孔軌跡和姿態(tài)，并開展三維建模、ADAMS 虛擬仿真、土槽試驗(yàn)等工作，以驗(yàn)證分插機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性與可行性。

1 分插機(jī)構(gòu)組成與工作原理

1.1 設(shè)計(jì)要求與運(yùn)動(dòng)軌跡

為滿足水稻覆膜栽培的農(nóng)藝要求，將非圓齒輪的不等速傳動(dòng)和切膜開孔刀探出運(yùn)動(dòng)特性相結(jié)合，使分插機(jī)構(gòu)在一個(gè)周期內(nèi)依次完成切膜開孔和栽植動(dòng)作，秧針尖點(diǎn)和切膜開孔刀尖點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1所示，圖中同一字母的大小寫表示同時(shí)刻位置，紅色為秧針尖點(diǎn)軌跡，藍(lán)色為切膜開孔刀尖點(diǎn)軌跡。

圖1 分插機(jī)構(gòu)相對運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.1 Relative trajectory of rice transplanting mechanism

分插機(jī)構(gòu)順時(shí)針回轉(zhuǎn)一周，依次經(jīng)歷不同的工作段軌跡:在取秧點(diǎn)h 處應(yīng)保證切膜開孔刀不影響取秧動(dòng)作且與秧箱不發(fā)生干涉;AB 段軌跡為切膜開孔刀的探出軌跡，此時(shí)秧苗根部介于秧針與切膜開孔刀之間，故要求切膜開孔刀在探出過程中與秧苗根部不干涉;BC 段軌跡中切膜開孔刀保持探出狀態(tài)，該段軌跡保證秧針持秧接近地膜之前進(jìn)行切膜開孔，避免秧針帶苗破膜，減少對秧苗的二次損傷;CD 段軌跡為切膜開孔刀回收段軌跡，為減少對推秧點(diǎn)f 附近土壤的攪動(dòng)及對推苗動(dòng)作的影響，要求切膜開孔刀在秧針到達(dá)推秧點(diǎn)f(秧針軌跡最低點(diǎn))之前完成回收(D 點(diǎn));DG 段軌跡中在雙廓線凸輪、撥叉的作用下完成推秧動(dòng)作，且切膜開孔刀刃于G 點(diǎn)完成切膜動(dòng)作;GH 段軌跡中，秧針尖點(diǎn)和切膜開孔刀尖點(diǎn)軌跡所呈先往后再向上的運(yùn)動(dòng)趨勢避免了與已栽植的秧苗干涉，保證了栽植質(zhì)量。

實(shí)際作業(yè)時(shí)，分插機(jī)構(gòu)的絕對運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示，切膜開孔刀于A′點(diǎn)處開始切膜，當(dāng)秧針到達(dá)推秧點(diǎn)B′(軌跡最低點(diǎn))時(shí)推秧，此時(shí)切膜開孔刀與地面的交點(diǎn)為C′點(diǎn)，則基于A′點(diǎn)位置定義段長度為膜上穴口長度段為栽植位置［15］。

圖2 分插機(jī)構(gòu)絕對運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.2 Absolute trajectory of rice transplanting mechanism

1.2 機(jī)構(gòu)組成

探出開孔式分插機(jī)構(gòu)是水稻插秧機(jī)的核心部件，主要由非圓齒輪行星輪系和兩個(gè)栽植臂組成，如圖3 所示。作業(yè)時(shí)，太陽輪固接于機(jī)架，行星架順時(shí)針繞O1勻速回轉(zhuǎn)，使其內(nèi)部相互嚙合的非圓齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)栽植臂隨著行星輪作不等速轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)秧針尖點(diǎn)和切膜開孔刀尖點(diǎn)在凸輪、撥叉的作用下分別形成滿足水稻覆膜栽培農(nóng)藝要求的“腰子形”插秧軌跡和“類腰子形”切膜開孔軌跡。

圖3 水稻膜上探出開孔式分插機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of rice transplanting machinery with mulch slit cutting mechanism

栽植臂作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)是分插機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文基于非圓齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提出一種新型栽植臂，主要包括雙廓線凸輪、“U”型推桿、推秧?xiàng)U、左撥叉、右撥叉、栽植臂殼體、復(fù)位彈簧等，如圖4 所示，其中，雙廓線凸輪可在一個(gè)周期內(nèi)通過與右、左撥叉配合分別控制“U”型推桿和推秧?xiàng)U完成切膜開孔、推苗動(dòng)作，且互不干擾。該機(jī)構(gòu)將非圓齒輪不等速傳動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和栽植臂中切膜開孔刀的探出運(yùn)動(dòng)特性相結(jié)合，形成滿足水稻覆膜栽培特定農(nóng)藝要求的運(yùn)動(dòng)軌跡與姿態(tài)。

圖4 栽植臂結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic of transplanting arm

1.3 工作原理

如圖5 所示，當(dāng)右撥叉與第2 層凸輪廓線上A點(diǎn)接觸后，其失去凸輪廓線的支撐，在復(fù)位彈簧力的作用下，彈簧座、“U”型推桿、切膜開孔刀在右撥叉的控制下迅速探出;隨后右撥叉在復(fù)位彈簧的作用下與BC 段廓線抵接，切膜開孔刀保持探出狀態(tài);CD段廓線撥動(dòng)右撥叉，帶動(dòng)彈簧座壓縮復(fù)位彈簧，從而使“U”型推桿和切膜開孔刀實(shí)現(xiàn)回收動(dòng)作;以上切膜開孔刀動(dòng)作期間，左撥叉始終與第1 層凸輪廓線抵接;直至行星架轉(zhuǎn)至推苗時(shí)刻，左撥叉到達(dá)第1 層凸輪廓線f 時(shí)，在復(fù)位彈簧的作用下滑入凸輪廓線凹槽，實(shí)現(xiàn)推秧動(dòng)作;直到廓線g 與左撥叉抵接，推秧?xiàng)U回收動(dòng)作完成;以上推秧?xiàng)U運(yùn)動(dòng)期間，切膜開孔刀已保持回收狀態(tài)。

圖5 雙廓線凸輪示意圖Fig.5 Schematic of double profile cam

2 分插機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

2.1 基于非圓傳動(dòng)的切膜開孔刀運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

采用帕斯卡蝸線(Pascal's limacon)設(shè)計(jì)非圓齒輪節(jié)曲線并建立分插機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型［16-17］。

水稻膜上探出開孔式分插機(jī)構(gòu)2 個(gè)栽植臂對稱分布，運(yùn)動(dòng)規(guī)律僅相差180°，故取單臂分析，以太陽輪旋轉(zhuǎn)中心O1為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立如圖6 所示的直角坐標(biāo)系，圖中黑色所示為初始位置，紅色所示為行星架轉(zhuǎn)過θ 角度后的位置，設(shè)X 軸方向?yàn)闄C(jī)構(gòu)前進(jìn)方向，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)檎?/p>

圖6 分插機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.6 Structure diagram of transplanting mechanism

依據(jù)非圓齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)基本運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與分析可求解行星輪相對轉(zhuǎn)角α3(θ)以及栽植臂拐點(diǎn)坐標(biāo)XF(θ)、YF(θ)、XF′(θ)、YF′(θ)等基本運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)［10］。

分插機(jī)構(gòu)工作過程中，由圖3、6 可知，切膜開孔刀尖點(diǎn)長度是變化的，在雙廓線凸輪、撥叉的作用下，切膜開孔刀尖點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過程可分為近休、探出、遠(yuǎn)休和回收4 個(gè)階段，具體運(yùn)動(dòng)分析如下:

(1)近休段指切膜開孔刀保持回收狀態(tài)，即位于初始位置G′處，其位移方程為

式中 LF′G′——栽植臂拐點(diǎn)F′到G′的距離，mm

α0——行星架初始安裝角，rad

φ3——栽植臂初始安裝角，rad

φP1FG——栽植臂拐角，rad

(2)探出段指切膜開孔刀探出的過程，其長度是變化的，運(yùn)動(dòng)區(qū)間為θ∈［θ1，θ1+θ′1］，設(shè)定切膜開孔刀探出長度為ΔL，將該段運(yùn)動(dòng)與栽植臂尖點(diǎn)G′的基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)相疊加，獲得切膜開孔刀在該段的位移方程為

其中

式中 θ′1——切膜開孔刀探出段行星架轉(zhuǎn)角，rad

(3)遠(yuǎn)休段是指切膜開孔刀完全探出后保持探出狀態(tài)，即切膜開孔刀探出長度LG′G″=ΔL，其運(yùn)動(dòng)特性與栽植臂的基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)相同，則該段切膜開孔刀尖點(diǎn)的位移方程為

(4)回收段是指切膜開孔刀回收的過程，運(yùn)動(dòng)區(qū)間為θ∈［θ2，θ2+θ′2］，該段切膜開孔刀尖點(diǎn)的位移方程為

其中

式中 θ′2——切膜開孔刀回收段行星架轉(zhuǎn)角，rad

實(shí)際工作過程中，行星架一邊繞O1作勻速圓周運(yùn)動(dòng)(太陽輪中心O1到行星輪旋轉(zhuǎn)中心P1的距離即為回轉(zhuǎn)半徑R)，一邊由機(jī)架牽引作前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，為保證工作過程中所優(yōu)化株距下動(dòng)軌跡的實(shí)現(xiàn)，引入速比特征系數(shù)［18］

其中

式中 H——株距，mm

a——非圓齒輪中心距，mm

φ1——行星架拐角，rad

2.2 凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

利用反轉(zhuǎn)法［19-20］分析栽植臂與雙廓線凸輪之間的相對轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系，依據(jù)栽植臂的結(jié)構(gòu)尺寸，左、右撥叉的運(yùn)動(dòng)行程K2與K1的極限位置坐標(biāo)M(xM，yM)、m(xm，ym)、H(xH，yH)、h(xh，yh)以及鉸接點(diǎn)坐標(biāo)P(xP，yP)、J(xJ，yJ)、O(xO，yO)，通過機(jī)構(gòu)之間的幾何關(guān)系確定凸輪廓線小徑R3、大徑R2，以及左、右撥叉與雙廓線凸輪抵接關(guān)鍵點(diǎn)N、n、I、i 的坐標(biāo)參數(shù)［21］，以雙廓線凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心O 為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立如圖7 所示的直角坐標(biāo)系，雙廓線凸輪相對轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)轫槙r(shí)針。

圖7 雙廓線凸輪機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)建模示意圖Fig.7 Schematic of mathematical modeling of double profile cam mechanism

右撥叉在初始位置與凸輪第2 層廓線抵接點(diǎn)I(xI，yI)的坐標(biāo)方程為

式中 γ——右撥叉拐角，rad

R1——凸輪第2 層廓線小徑，mm

右撥叉運(yùn)動(dòng)行程K1與凸輪第2 層廓線抵接點(diǎn)i(xi，yi)的坐標(biāo)方程

式中 LIJ——右撥叉抵接點(diǎn)I 到其鉸接點(diǎn)J 的距離，mm

LJH——右撥叉鉸接點(diǎn)J 到其與彈簧座抵接點(diǎn)H 的距離，mm

雙廓線凸輪大徑R2求解方程為由公式(11)可求得雙廓線凸輪大徑R2，根據(jù)公式(9)～(11)同理可求凸輪第1 層廓線小徑R3及左撥叉與凸輪第1 層廓線抵接關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)N(xN，yN)、n(xn，yn)。

3 分插機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與建模仿真

3.1 參數(shù)優(yōu)化

依據(jù)上述分插機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，結(jié)合水稻種植農(nóng)藝要求(育秧苗土厚度15 ～20 mm，株距100 ～200 mm，插秧軌跡高度260 ～310 mm)，確定探出開孔式分插機(jī)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)和約束條件［22-29］:取秧角γ1滿足5° ＜γ1＜25°;推秧角γ2滿足60° ＜γ2＜80°;插秧深度d1滿足15 mm ＜d1＜25 mm;插秧穴口寬度s1＜30 mm，避免所插秧苗倒伏或漂浮;膜上開孔長度s2＜50 mm，減少地表裸露，防止雜草滋生;膜孔與穴口偏差d2＞0 mm，減少秧苗根部與地膜接觸后的二次損傷;兩栽植臂運(yùn)動(dòng)過程中無干涉，且開孔刀運(yùn)動(dòng)過程與苗土互不干涉，故切膜開孔刀與秧針位置間距d3＞15 mm;取秧角與推秧角之間的角度差γ3滿足45° ＜γ3＜55°;栽植臂軸心不能與已插秧苗莖基部干涉。

分插機(jī)構(gòu)的軌跡和姿態(tài)是一個(gè)多參數(shù)、強(qiáng)耦合的復(fù)雜優(yōu)化問題［29］，涉及的優(yōu)化參數(shù)27 個(gè)，其中節(jié)曲線參數(shù)14 個(gè)，結(jié)構(gòu)參數(shù)13 個(gè)?；赩isual Basic 6.0 平臺(tái)編寫了探出開孔式分插機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助分析與優(yōu)化軟件，界面如圖8 所示，通過人工交互方式得出一組滿足農(nóng)藝要求的結(jié)構(gòu)參數(shù)，由圖2 可知該組參數(shù)對應(yīng)的優(yōu)化后的破膜插秧軌跡，速比特征系數(shù)λ=1.57，株距150 mm，行星架初始安裝角為195°，行星架拐角-74°，回轉(zhuǎn)半徑為75.04 mm，切膜開孔刀探出行程為20 mm，切膜開孔刀與秧針位置間距為18 mm，軌跡高度268.56 mm，取秧角16.01°，推秧角62.43°，插秧穴口15.19 mm，膜上開孔長度44.31 mm，插秧深度15.64 mm，膜孔與穴口偏差5.02 mm，栽植位置21.63 mm，該軌跡滿足取秧和插秧要求，插秧后秧針尖點(diǎn)回程軌跡避免與已插秧苗接觸，栽植臂軸心軌跡(余擺線)未與已插秧苗莖基部干涉，該軌跡滿足開孔破膜插秧作業(yè)要求。

圖8 優(yōu)化軟件界面Fig.8 Software interface of rice transplanting mechanism

3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

基于所建立的分插機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，將切膜開孔刀尖點(diǎn)及推秧?xiàng)U尖點(diǎn)的相對位移方程編入優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，參數(shù)優(yōu)化結(jié)束后，通過所編寫的數(shù)據(jù)調(diào)用模塊獲得兩者在一個(gè)工作周期內(nèi)的相對運(yùn)動(dòng)行程變化曲線，如圖9 所示。初始位置時(shí)，切膜開孔刀已探出，當(dāng)行星架轉(zhuǎn)至5°時(shí)，切膜開孔刀由C 點(diǎn)開始回收，直至行星架轉(zhuǎn)角為38°(D 點(diǎn))時(shí)，切膜開孔刀完成回收動(dòng)作;隨后行星架轉(zhuǎn)至43°(e 點(diǎn))時(shí)，推秧?xiàng)U迅速探出至栽植點(diǎn)f 完成推秧動(dòng)作(推秧?xiàng)U相對位移15 mm);由圖可知，切膜開孔刀在推秧?xiàng)U推秧動(dòng)作之前完成回收，避免對栽植動(dòng)作的干擾，滿足分插機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求;隨后，推秧?xiàng)U完成回收動(dòng)作與切膜開孔刀進(jìn)入回程階段，直至行星架轉(zhuǎn)至340°時(shí)，在切膜開孔刀接觸地膜之前，其于A 點(diǎn)迅速探出至B 點(diǎn)(行星架轉(zhuǎn)角為344°)完成探出動(dòng)作，隨后在雙廓線凸輪的作用下保持20 mm 的探出量進(jìn)入下一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)周期。

3.3 三維建模仿真分析

圖9 相對運(yùn)動(dòng)行程與行星架轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線Fig.9 Relationship curves between relative displacement and planetary carrier angle

圖10 仿真運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.10 Motion trajectory of virtual simulation

根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在SolidWorks 2014 中完成移栽機(jī)構(gòu)虛擬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并導(dǎo)入ADAMS 2014中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。通過對比仿真軌跡(圖10)與理論軌跡(圖8)可知，兩者基本保持一致，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性;切膜開孔刀探出段存在一定的波動(dòng)，其原因在于:在仿真過程中施加了碰撞約束、彈簧力，使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)振動(dòng);雙廓線凸輪通過圖解法設(shè)計(jì)，存在一定的精度誤差［30］。

通過水稻膜上探出開孔式分插機(jī)構(gòu)仿真得到運(yùn)動(dòng)行程與行星架轉(zhuǎn)角關(guān)系，如圖11 所示，其與理論分析結(jié)果(圖9)變化趨勢基本一致，仿真數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)基本吻合，證明了理論分析的正確性和分插機(jī)構(gòu)三維建模的準(zhǔn)確性。

圖11 相對運(yùn)動(dòng)行程與行星架轉(zhuǎn)角關(guān)系仿真曲線Fig.11 Relationship curves between relative displacement and planetary carrier angle of virtual simulation

4 樣機(jī)試驗(yàn)

4.1 高速攝影試驗(yàn)

秧針尖點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡與栽植臂姿態(tài)是水稻膜上探出開孔式分插機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵［31］，其軌跡的合理性和準(zhǔn)確性影響分插機(jī)構(gòu)的作業(yè)性能，因此本試驗(yàn)采用高速攝像技術(shù)驗(yàn)證秧針尖點(diǎn)、切膜開孔刀尖點(diǎn)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡是否與仿真軌跡一致。將分插機(jī)構(gòu)安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行空轉(zhuǎn)試驗(yàn)，通過Phantom 5.1高速攝像機(jī)對分插機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行圖像采集，利用Phantom Camera Control Application 軟件對試驗(yàn)視頻進(jìn)行解析，獲得實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖12 所示。對比實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與仿真軌跡(圖10)，兩者整體基本一致，部分軌跡存在較小的波動(dòng)，主要由于樣機(jī)加工裝配的尺寸偏差、試驗(yàn)臺(tái)架運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)及部分零件強(qiáng)度不足導(dǎo)致。

圖12 試驗(yàn)實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.12 Actual trajectory in test

圖13 為分插機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的關(guān)鍵位置姿態(tài)，圖13a 為水稻覆膜栽培探出開孔式分插機(jī)構(gòu)取秧時(shí)刻，切膜開孔刀保持回收狀態(tài)避免與秧箱干涉;圖13b 中切膜開孔刀接觸地膜之前已完全探出;圖13c、13d 表示切膜開孔刀以最大探出量切膜過程;圖13e 表示接近推秧位置之前，切膜開孔刀已經(jīng)完全回收避免對推秧動(dòng)作干涉;圖13f 為推秧動(dòng)作;圖13g 表示推秧動(dòng)作結(jié)束且切膜開孔動(dòng)作結(jié)束;圖13h 表示回程。

取秧和推秧姿態(tài)是決定分插機(jī)構(gòu)能否滿足設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵因素，因此，從分析軟件中選取秧與推秧位置的圖像進(jìn)行分析(圖13a、13f)，結(jié)合參數(shù)優(yōu)化結(jié)果與仿真，通過測量可知，在秧箱安裝角為55°時(shí)，取秧角γ1=14.87°(理論值γ1=16.01°)，推秧角γ2=61.25°(理論值γ2=62.43°)?？傮w而言，分插機(jī)構(gòu)樣機(jī)的軌跡和姿態(tài)達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，證明了探出開孔式高速插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性。

4.2 機(jī)構(gòu)性能驗(yàn)證試驗(yàn)

4.2.1 試驗(yàn)裝置與方法

為了進(jìn)一步驗(yàn)證分插機(jī)構(gòu)的作業(yè)性能，在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)具實(shí)驗(yàn)室完成土槽試驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)與搭建［32］，如圖14 所示。土槽內(nèi)土壤深度為12 cm，泡田時(shí)間為96 h，模擬田間試驗(yàn)土壤狀態(tài);試驗(yàn)時(shí)使用可降解纖維地膜覆膜;試驗(yàn)采用毯狀盤育秧苗，品種吉隆868，苗高約160 mm，苗土厚15 mm［26］。

圖13 分插機(jī)構(gòu)關(guān)鍵位置與姿態(tài)Fig.13 Key positions and attitudes of transplanter

圖14 土槽試驗(yàn)臺(tái)Fig.14 Soil bin test-bed

根據(jù)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行性能驗(yàn)證試驗(yàn)，取速比特征系數(shù)λ=1.57，考慮到分插機(jī)構(gòu)強(qiáng)度不足、運(yùn)動(dòng)軌跡對株距的適應(yīng)性等問題［13］，故臺(tái)架試驗(yàn)中分插機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)速度為30 r/min，則土槽前進(jìn)速度為150 mm/s，保證株距150 mm 時(shí)所優(yōu)化軌跡的實(shí)現(xiàn)，重復(fù)進(jìn)行5 組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)取速度穩(wěn)定、株距均勻的10 個(gè)膜孔進(jìn)行測量分析，每組取平均值。

4.2.2 結(jié)果與分析

分插機(jī)構(gòu)實(shí)際作業(yè)過程如圖15 所示，圖15a 中切膜開孔刀探出，未與苗土干涉;圖15b 所示為切膜開孔刀更早接觸地膜切膜，避免秧針攜帶秧苗直接栽植，減少對秧苗根系損傷;圖15c 為推秧栽植動(dòng)作，此時(shí)切膜開孔刀已回收，但刀刃仍在穴口中，繼續(xù)進(jìn)行開孔動(dòng)作;圖15d 表示栽植和切膜開孔動(dòng)作已同時(shí)完成。水稻膜上探出開孔式分插機(jī)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)切膜開孔與栽植動(dòng)作的一體化作業(yè)，穴口與栽植位置的匹配關(guān)系是保證作業(yè)質(zhì)量的關(guān)鍵，如圖15e 所示。

圖15 切膜開孔與栽植過程Fig.15 Working process of transplanting mechanism

試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示，實(shí)際測量膜上穴孔長度平均值比理論值小3.91 mm，栽植位置比理論值小3.03 mm，主要原因?yàn)?切膜開孔刀尖點(diǎn)對地膜施加壓力，地膜產(chǎn)生下沉現(xiàn)象，切膜栽植動(dòng)作完成后下沉現(xiàn)象消失，如圖15b ～15d 所示。同時(shí)，存在前窄后寬的穴口偏差，切膜開孔刀尖點(diǎn)先接觸地膜開狹縫形口，后由于秧針攜帶秧苗栽植，其寬度大于狹縫形穴口，故形成如圖15e 所示的穴口偏差。綜上可知，實(shí)測值與理論值偏差均小于4 mm，且偏差趨勢一致，驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的探出開孔式高速水稻膜上插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)能夠依次完成切膜開孔與栽植動(dòng)作，證明了分插機(jī)構(gòu)的可行性。

表1 理論膜上開孔長度及栽植位置與實(shí)際測量值對比Tab.1 Comparison of theoretical hole size on film and planting position with measured values mm

5 結(jié)論

(1)根據(jù)水稻覆膜栽培的農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了一種探出開孔式水稻膜上插秧分插機(jī)構(gòu)，由一套機(jī)構(gòu)依次完成分秧、切膜開孔、栽植和回程4 個(gè)動(dòng)作，分析了分插機(jī)構(gòu)的工作原理，建立了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。

(2)基于Visual Basic 6.0 可視化平臺(tái)編寫了水稻膜上探出開孔式分插機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，通過人機(jī)交互的方式獲得一組滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)參數(shù)和相應(yīng)參數(shù)下的運(yùn)動(dòng)軌跡:行星架初始安裝角為195°，行星架拐角-74°，回轉(zhuǎn)半徑為75.04 mm，切膜開孔刀探出行程為20 mm，切膜開孔刀與秧針位置間距為18 mm;速比特征系數(shù)λ 為1.57 時(shí)，膜上開孔長度為44.31 mm，栽植位置21.63 mm。

(3)通過ADAMS 虛擬樣機(jī)仿真與高速攝影試驗(yàn)得到分插機(jī)構(gòu)的仿真軌跡和實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，對比分析可知，理論軌跡、仿真軌跡和實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡基本一致，驗(yàn)證了探出開孔式高速水稻膜上插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性與可行性。

(4)依據(jù)所優(yōu)化的速比特征系數(shù)λ =1.57 設(shè)置了土槽試驗(yàn)，結(jié)果表明:在實(shí)際工作過程中，切膜開孔刀尖點(diǎn)在接觸地膜之前探出，分插機(jī)構(gòu)能夠依次完成切膜開孔和栽植動(dòng)作，膜上穴口長度與栽植位置滿足理論設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了水稻膜上探出開孔式分插機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。