胡喬磊，張青松，李心志，萬星宇，王 磊，廖慶喜

油菜基質(zhì)塊苗移栽機(jī)取苗裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

胡喬磊，張青松，李心志，萬星宇，王 磊，廖慶喜※

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

針對油菜基質(zhì)塊苗機(jī)械化移栽過程中，缺乏取苗裝置完成栽植作業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)狀，該研究設(shè)計(jì)了一種油菜基質(zhì)塊苗移栽機(jī)取苗裝置。取苗裝置的工作過程包括：氣動分苗及對輥取苗2個階段，確定了取苗裝置穩(wěn)定運(yùn)行的工作參數(shù)，構(gòu)建了移栽過程中氣動分苗階段和對輥取苗階段的運(yùn)動學(xué)模型。開展了同步帶線速度、載苗臺安裝角度、輥輪線速度對取苗成功率、取苗同步率影響的二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)。結(jié)果表明：同步帶線速度為120.9 mm/s、輥輪線速度為238.2 mm/s、載苗臺角度為31.9°時(shí)取苗效果較優(yōu)。較優(yōu)參數(shù)組合條件下，臺架試驗(yàn)的取苗成功率為93.42%，取苗同步率為94.42%，田間試驗(yàn)的取苗同步率為92.71%，滿足油菜基質(zhì)塊苗移栽機(jī)取苗技術(shù)要求。研究結(jié)果可為油菜基質(zhì)塊苗移栽機(jī)取苗裝置的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考。

機(jī)械化；設(shè)計(jì)；油菜；移栽機(jī)；取苗裝置；油菜基質(zhì)塊苗；對輥輪；參數(shù)優(yōu)化

0 引 言

中國的油菜種植面積和油菜籽產(chǎn)量均居世界前列，長江流域是國內(nèi)主要的冬油菜種植區(qū)域，茬口矛盾突出[[1]-2]，人工移栽勞動強(qiáng)度大，易損傷油菜幼苗根系，作業(yè)質(zhì)量難以保證，油菜機(jī)械化育苗移栽是緩解茬口矛盾的重要生產(chǎn)手段[3-4]。育苗移栽具有縮短作物生育期、提高土地復(fù)種指數(shù)和作物單產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[5-7]?，F(xiàn)有油菜機(jī)械移栽育苗方式多以缽苗、穴盤苗、毯狀苗及基質(zhì)塊苗為主，其中基質(zhì)塊育苗具有可以提供更多營養(yǎng)成分、移栽時(shí)對幼苗根系損傷小成活率高等優(yōu)點(diǎn)[8-9]?，F(xiàn)有移栽機(jī)對油菜基質(zhì)塊苗適應(yīng)性較差，國內(nèi)鮮見針對適用于油菜基質(zhì)塊苗移栽機(jī)及其配套裝置的相關(guān)研究。

國外旱地移栽機(jī)研究起步早，現(xiàn)以高效自動化方向發(fā)展為主，全自動移栽機(jī)應(yīng)用廣泛[10-12]，日本井關(guān)農(nóng)機(jī)株式社及洋馬公司研制了全自動蔬菜移栽機(jī)；意大利Ferrari、Hortech及英國Pearson等公司生產(chǎn)了全自動移栽機(jī)[13]，這些全自動移栽機(jī)多在原有半自動移栽機(jī)基礎(chǔ)上增加了自動分苗、取苗裝置得以實(shí)現(xiàn)，配套本國作物種植農(nóng)藝特點(diǎn)，與國內(nèi)實(shí)際種植要求適配性較差[14]。國內(nèi)移栽機(jī)研究起步較晚，現(xiàn)有移栽機(jī)多以半自動為主，缺乏配套的分、取苗裝置[15]。為解決移栽機(jī)分、取苗技術(shù)難題，國內(nèi)學(xué)者針對移栽機(jī)種植模式及栽植方式進(jìn)行了研究。廖慶喜等[16-17]設(shè)計(jì)了一種油菜缽苗插入式取苗裝置，基于取苗軌跡和運(yùn)動學(xué)仿真分析，確定了取苗機(jī)構(gòu)的優(yōu)化參數(shù)，提高了油菜缽苗移栽機(jī)取苗效果，在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)針對油菜基質(zhì)塊苗，設(shè)計(jì)了一種氣缸往復(fù)夾取式取苗裝置，建立了苗塊的動力學(xué)模型，確定了末端執(zhí)行器相關(guān)參數(shù)，但作業(yè)效率有待提高；吳俊等[18-19]借鑒水稻插秧機(jī)的切塊取苗原理，設(shè)計(jì)了一種油菜毯狀苗插入式取苗裝置，構(gòu)建了栽植過程中運(yùn)移苗階段油菜毯狀苗動力學(xué)模型，提高了油菜毯狀苗栽植效率和質(zhì)量。崔巍等[20]以齒輪-五桿機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了鴨嘴移栽機(jī)自動取苗裝置，通過仿真優(yōu)化機(jī)構(gòu)參數(shù)，獲得較優(yōu)取苗軌跡，優(yōu)化了機(jī)構(gòu)的動力學(xué)特性；俞高紅等[21]提出一種新型的基于偏心圓-不完全非圓齒輪間歇傳動行星輪系機(jī)構(gòu)，并將該行星輪系機(jī)構(gòu)應(yīng)用于穴盤苗取苗機(jī)構(gòu)；韓綠化等[22]利用成熟的直線模組和無桿氣缸組合設(shè)計(jì)出自動移栽機(jī)械臂，驅(qū)動取苗末端執(zhí)行器進(jìn)行取苗、移苗、栽苗操作；胡先朋[23]計(jì)了一種油菜移栽機(jī)輸送帶式缽苗分苗裝置，構(gòu)建了分苗過程中送苗與分苗階段的運(yùn)動學(xué)模型，得出了輸送平穩(wěn)、缽體完整的條件，但分苗過程流暢性有待提高。綜上，國內(nèi)移栽機(jī)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了分、取苗作業(yè)，但多以穴盤苗、缽苗、毯狀苗作為研究對象，鮮見與油菜基質(zhì)塊苗相匹配的移栽機(jī)分、取苗裝置研究，制約了油菜載苗基質(zhì)塊移栽機(jī)的研究進(jìn)展。

本文以自主培育油菜基質(zhì)塊苗為作業(yè)對象，為更好地與現(xiàn)有移栽機(jī)送苗機(jī)構(gòu)相配合，提高取苗工作效率，采用氣缸有序分苗結(jié)合對輥輪穩(wěn)定取苗的方式，設(shè)計(jì)了一種油菜基質(zhì)塊苗移栽機(jī)取苗裝置，開展了氣動分苗、對輥取苗過程分析，探究了分取苗過程中載苗基質(zhì)塊穩(wěn)定條件，以期為油菜基質(zhì)塊苗移栽機(jī)取苗裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考。

1 取苗裝置結(jié)構(gòu)與工作過程

1.1 基本結(jié)構(gòu)

油菜基質(zhì)塊苗移栽機(jī)（圖1）主要由旋耕機(jī)、空氣壓縮機(jī)、送苗裝置、取苗裝置，苗床整理裝置、控制系統(tǒng)等組成。整機(jī)主要作業(yè)性能參數(shù)見表1。

表1 整機(jī)作業(yè)性能參數(shù)

取苗裝置（圖2）主要參數(shù)為196 mm×150 mm× 296 mm（長×寬×高），栽植速率50株/min，主要包括氣動分苗機(jī)構(gòu)和對輥取苗機(jī)構(gòu)2部分。氣動分苗機(jī)構(gòu)由開合氣缸（工作行程14 mm、最大夾持力104 N）、聯(lián)動桿、分苗夾板組成；對輥取苗機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)（扭矩8.5 N·m）、齒輪換向箱、柔性聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)軸、對輥輪、撥桿、載苗臺等組成。

1.2 工作過程

分取苗過程分為分苗夾板逐一分苗、對輥輪主動約束取苗2個階段，工作過程如圖3所示。

工作時(shí)，PLC控制開合氣缸打開，分苗夾板和對輥輪在聯(lián)動桿和撥桿帶動下同時(shí)打開且對輥輪停止轉(zhuǎn)動，載苗基質(zhì)塊隨同步帶向前輸送，當(dāng)一株載苗基質(zhì)塊通過分苗夾板運(yùn)動至對輥輪之間時(shí)，由狀態(tài)Ⅰ變?yōu)闋顟B(tài)Ⅱ，此時(shí)PLC控制開合氣缸閉合，分苗夾板及對輥輪同時(shí)夾緊且對輥輪開始轉(zhuǎn)動，分苗板夾持約束后續(xù)載苗基質(zhì)塊使其停止向前運(yùn)動，完成一次氣動分苗動作；對輥輪夾持之間的載苗基質(zhì)塊并通過反向轉(zhuǎn)動主動約束載苗基質(zhì)塊苗向下運(yùn)動至苗溝內(nèi)，載苗基質(zhì)塊由狀態(tài)Ⅱ運(yùn)動至狀態(tài)Ⅲ，完成一次對輥取苗動作。分、取苗動作按程序設(shè)定依次循環(huán)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 氣動分苗機(jī)構(gòu)

氣動分苗機(jī)構(gòu)通過分苗夾板有規(guī)律開合實(shí)現(xiàn)對載苗基質(zhì)塊運(yùn)動姿態(tài)和軌跡的穩(wěn)定約束（圖4），完成對載苗基質(zhì)塊的逐一分離。分苗夾板與撥桿連接位置及開合氣缸工作行程是影響分苗夾板末端開合范圍的關(guān)鍵因素；分苗夾板長度及閉合時(shí)與水平位置夾角是決定分苗夾板閉合時(shí)末端距離的關(guān)鍵因素。

1.分苗夾板轉(zhuǎn)動軸 2.分苗夾板

1.Rotation shaft of seedlings separation splint 2.Seedlings separation splint

注：為坐標(biāo)原點(diǎn)；、為坐標(biāo)軸；O為分苗夾板與分苗夾板轉(zhuǎn)動軸連接點(diǎn)；1為撥桿與分苗夾板連接點(diǎn)；1為分苗夾板張開時(shí)撥桿與分苗夾板連接點(diǎn)；為分苗夾板長度，mm；1為分苗夾板起始端間距，mm；2為分苗夾板閉合時(shí)末端間距，mm；3為分苗夾板打開時(shí)末端間距，mm；為開合氣缸工作行程，mm；LO1為分苗夾板轉(zhuǎn)動軸位置至撥桿連接點(diǎn)距離，mm；為分苗夾板閉合時(shí)與水平位置夾角，（°）。

Note:is the coordinate origin;andare the coordinate axis;Ois the connection point between the seedling dividing splint and the rotation axis of the seedling dividing splint;1is the connection point between the paddle and the splint;1is the connection point between the rod and the splint when the splint is open;Lis the length of splint, mm;1is the distance between the beginning of the splint, mm;2is the distance between the ends when the splint is closed, mm;3is the distance between the ends when the splint is opened, mm;is the working stroke of opening and closing cylinder, mm;LO1is the distance between rotation shaft of seedlings separation splint and the connecting point of the paddle, mm;is the angle between the closed splint and the horizontal position, (°).

圖4 分苗夾板開閉位置俯視圖

Fig.4 Top view of opening and closing position of seedlings separationsplint

氣動分苗機(jī)構(gòu)位于船式開溝犁內(nèi)，為保證氣動分苗機(jī)構(gòu)工作流暢且與其他機(jī)構(gòu)無干涉，分苗夾板閉合時(shí)與水平位置夾角及分苗夾板與撥桿連接位置應(yīng)滿足如下關(guān)系：

式中L為船式開溝犁兩側(cè)間距，mm。

由式（1）得分苗夾板閉合時(shí)起始端與撥桿連接點(diǎn)距離為

分苗夾板對載苗基質(zhì)塊的夾持力是影響分苗過程穩(wěn)定的關(guān)鍵，為保證分苗夾板對載苗基質(zhì)塊約束穩(wěn)定，分苗過程中應(yīng)保證分苗夾板有效夾持一株載苗基質(zhì)塊時(shí)輸送帶上后續(xù)載苗基質(zhì)塊停止運(yùn)動；各行同步帶長度決定送苗最大容量，根據(jù)整機(jī)尺寸設(shè)計(jì)同步帶長度為490 mm，送苗過程中，為避免擠壓力過大時(shí)載苗基質(zhì)塊發(fā)生形變及損傷，各行同步帶上其他載苗基質(zhì)塊對首株的擠壓力應(yīng)小于其最大屈服力。圖5為載苗基質(zhì)塊分苗過程受力分析圖。

分苗夾板對載苗基質(zhì)塊夾持力及同步帶最大送苗數(shù)量應(yīng)滿足

式中為油菜載苗基質(zhì)塊邊長，mm；0為載苗基質(zhì)塊與同步帶間的靜摩擦系數(shù)，同步帶由PVC材料制作，試驗(yàn)測定為0.754；3為載苗基質(zhì)塊與分苗夾板間的靜摩擦系數(shù)，分苗夾板由不銹鋼板制作，試驗(yàn)測定為0.304；為各行同步帶最大送苗數(shù)量；F為分苗夾板對載苗基質(zhì)塊的夾持力，N。