王春輝，尹義蕾，丁小明，陳永生，付亞斌，陳杰

(1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院，北京市，100125； 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)工程重點實驗室，北京市，100125；3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京市，210014； 4. 寶雞市鼎鐸機械有限公司，陜西寶雞，721000)

0 引言

截至2019年，我國設(shè)施蔬菜面積已超過4 100 khm2，為保障菜籃子供應(yīng)和提高農(nóng)民收入發(fā)揮了重大作用。穴盤育苗移栽是設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中最重要的環(huán)節(jié)之一，相較于直播，移栽可有效提高作物產(chǎn)量與收益[1-4]。當(dāng)前，我國設(shè)施穴盤苗移栽主要是膜上移栽，移栽株距、深度、覆土效果等要求高，相關(guān)的裝備研制仍處于起步階段，作業(yè)主要依靠人工，成本高、效率低、勞動強度大。因此，研制適用性強、移栽效率高的穴盤苗移栽機是一個亟待解決的難題。

取投苗與栽植機構(gòu)是移栽機械的關(guān)鍵組成部分，其機械化與自動化能夠顯著提高移栽效率，降低勞動強度[5]。近年來，國內(nèi)很多學(xué)者都對栽植機構(gòu)進行了一系列的應(yīng)用與研究。石河子大學(xué)的李華等[6]設(shè)計的ZXM-2型全自動蔬菜穴盤苗鋪膜移栽機采用了行星輪系—五桿式栽植機構(gòu)，由于該機構(gòu)使用了較為復(fù)雜的行星輪系因此加工與維護的成本較高。江蘇大學(xué)的王震[7]設(shè)計了入土角度與栽植深度可調(diào)鴨嘴式高速移栽裝置，其栽植機構(gòu)對土壤的劃痕較長實用性不高，不適宜做溫室內(nèi)的膜上移栽。昆明理工大學(xué)的于英杰等[8]設(shè)計了一種雙曲柄式花椰菜缽苗栽植機構(gòu)，該機構(gòu)可保持末端的姿態(tài)不變，但其自由度為2，需要有兩個曲柄同步轉(zhuǎn)動，其加工與維護的成本較高。東北林業(yè)大學(xué)的李樹森等[9]設(shè)計了一種新型六桿栽植機構(gòu)，該機構(gòu)可使末端在工作時保持姿態(tài)不變，但并沒有對該機構(gòu)進行實際的試驗，其實用性有待進一步研究。

為得到一種結(jié)構(gòu)簡單、實用性高、成本較低的栽植機構(gòu)，本文提出一種八桿單自由度的栽植機構(gòu)，建立該機構(gòu)的運動學(xué)方程，并進行仿真分析與試驗。

1 栽植機構(gòu)設(shè)計與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

移栽機主要由行走機構(gòu)、送苗機構(gòu)、栽植機構(gòu)三部分組成。行走機構(gòu)采用直流無刷電機驅(qū)動，經(jīng)帶有差速減速機減速后將動力輸出到驅(qū)動輪上。工作時需要人工將苗投喂到送苗機構(gòu)的送苗盒中，送苗機構(gòu)再將苗繼續(xù)投喂給栽植機構(gòu)，栽植機構(gòu)將苗栽植到壟上。

1.2 栽植機構(gòu)設(shè)計

八桿栽植機構(gòu)如圖1所示，主要由機架、驅(qū)動輪、滑動連桿、平行四桿機構(gòu)Ⅰ、平行四桿機構(gòu)Ⅱ、栽植盒組成。在兩個平行四桿機構(gòu)的共同作用下可使得栽植盒在工作時姿態(tài)保持不變。栽植盒為鴨嘴式結(jié)構(gòu)，可垂直與作業(yè)方向打開。

圖1 八桿栽植機構(gòu)平面圖Fig. 1 Plan of eight bar planting mechanism1.栽植盒 2.滑動連桿 3.驅(qū)動輪 4.機架5.平行四桿機構(gòu)Ⅰ 6.平行四桿機構(gòu)Ⅱ

為便于說明和分析，八桿栽植機構(gòu)可簡化為圖2的機構(gòu)簡圖，八桿指的是圖中AB、BE、FD、DR、RN、NFGM、HG、JM八根桿件。

圖2 栽植機構(gòu)簡圖Fig. 2 Schematic diagram of planting mechanism

栽植機構(gòu)活動構(gòu)件數(shù)n=9，低副數(shù)量PL=13，高副數(shù)量PH=0代入自由度公式[10]

F=3n-2PL-PH

(1)

可得栽植機構(gòu)的自由度為1，因此只需要一個原動件，便可實現(xiàn)復(fù)雜確定的動作[11]。減速箱的輸出軸帶動L1繞A點轉(zhuǎn)動，K點為栽植盒末端。以各個桿逆時針轉(zhuǎn)動為正，x軸正半軸為初始化的相位基準，則各個桿和構(gòu)件的初始相位為α1～α5。世界坐標系為xOy以減速器的輸出軸為原點作為機架坐標系x1Ay1[12]，構(gòu)件I為機架，各個桿之間通過轉(zhuǎn)動副連接，各個桿長為L1～L9，曲柄L1可繞原點A轉(zhuǎn)動，L2桿可在構(gòu)件Ⅱ中滑動，構(gòu)件Ⅱ可繞點C自由轉(zhuǎn)動，其余各個桿之間鉸支連接，O點為桿DR的中心位置。因為機構(gòu)中存在平行四桿機構(gòu)GHJM和DFNR，則構(gòu)件Ⅲ、DR桿件、OG桿件、GK桿件只能在x1Ay1坐標系內(nèi)實現(xiàn)平移而不能轉(zhuǎn)動，所以夾角α4、θ、δ、γ保持不變。作業(yè)速度大小為v，方向沿世界坐標系的x負方向。

1.3 工作原理

送苗機構(gòu)在主動鏈輪的帶動下使鏈條上的送苗盒圍繞送苗架運動，在需要投苗的位置安裝有撞塊，當(dāng)送苗盒移動到投苗位置后開合機構(gòu)上的軸承與撞塊碰撞迫使送苗盒打開，送苗盒里的苗落入栽植盒內(nèi)，越過此位置后在彈簧作用下送苗盒關(guān)閉。

在八桿栽植機構(gòu)中，桿L1由減速器驅(qū)動，當(dāng)栽植盒正好運動到最高位置時送苗機構(gòu)正好將送苗盒運送到其正上方，然后打開送苗盒將苗投入到栽植盒內(nèi)。八桿栽植機構(gòu)末端的栽植盒繼續(xù)運動到最低位置，由于存在兩個平行四桿機構(gòu)，可使得送苗盒落入栽植盒內(nèi)的缽苗姿態(tài)保持不變，保證了移栽缽苗的直立度，當(dāng)栽植盒運行到最低點時栽植盒打開，缽苗自由落入穴孔中。穴孔在栽植盒入土出土?xí)r形成[12]，栽植盒從最低點繼續(xù)運行到最高點重復(fù)上述動作。送苗機構(gòu)的送苗盒同時給兩套栽植機構(gòu)供苗，當(dāng)一套機構(gòu)的栽植盒插入土中放苗時，送苗機構(gòu)正好將苗放入另一套機構(gòu)的栽植盒中，在鏈條上的送苗盒依次間隔的放入各自對應(yīng)的栽植機構(gòu)中。

2 八桿栽植機構(gòu)運動學(xué)分析

如圖2所示，在機架坐標系x1Ay1下，根據(jù)圖2栽植機構(gòu)簡圖列出矢量封閉方程組[13-16]

(2)

根據(jù)矢量方程組中的第一個式子可得

(3)

整理可得

(4)

根據(jù)矢量方程組中的第二個式子可得

(5)

消去α5整理可求得關(guān)于α3的解為

(6)

根據(jù)矢量方程組中的第三個式子可得

(7)

機架坐標系x1Ay1原點，在世界坐標系xOy的y方向上高度恒為h，以速度恒定v運行t時間后的位置坐標為(xOK，yOK)則K點在世界坐標系xOy的位置方程

(8)

對式(8)求一階導(dǎo)可得K點的速度

(9)

對式(8)求二階導(dǎo)可得K點的加速度

(10)

可通過式(8)～式(10)的求解得到栽植機盒末端K點的實際運動學(xué)參數(shù)。

3 八桿栽植機構(gòu)軌跡仿真分析

實際工作過程中，由于存在水平方向的行進速度，導(dǎo)致栽植機構(gòu)在完成缽苗插植工作時，并不能垂直入土和出土，在作業(yè)方向上容易產(chǎn)生膜“撕裂”的現(xiàn)象。在膜上移栽時，若相鄰穴口間的地膜連接部分變短，覆蓋地膜容易撕開[12]。為探究八桿栽植機構(gòu)在設(shè)施膜上移栽時膜面連接長度是否合格對其進行仿真分析。在分析移栽軌跡對膜面連接長度的影響時，栽植盒在最低點投苗打開方向與軌跡垂直，因此可忽略其對膜面連接長度的影響。

3.1 作業(yè)速度的確定

設(shè)從取苗到放苗動作所用的時間為t，驅(qū)動桿轉(zhuǎn)速為n，則有[13]

(11)

式中：η——機構(gòu)取投苗效率，株/min；

φ——驅(qū)動桿從投苗點到達取苗點時轉(zhuǎn)過的角度，φ=185°；

z——栽植機構(gòu)個數(shù)，由于設(shè)施農(nóng)業(yè)中主要是一壟雙行模式，本文實際樣機個數(shù)為2。

當(dāng)取投苗效率η=120株/min時，根據(jù)式(11)可求得驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速n≈62 r/min，作業(yè)時作業(yè)速度、驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速、株距滿足

v=nd

(12)

式中：v——作業(yè)速度；

n——驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速；

d——株距。

通過實際調(diào)研可知：設(shè)施果菜的株距范圍為200～450 mm，根據(jù)式(11)可得在取投苗效率120株/min時，作業(yè)速度范圍為200～450 mm/s。

3.2 膜面長度仿真分析

將栽植機構(gòu)三維模型導(dǎo)入到Adams中并施加對應(yīng)的運動副，添加驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速為1 r/s(n≈62 r/min)。設(shè)置仿真時間為3 s，仿真模型如圖3所示。

圖3 仿真模型Fig. 3 Simulation model

分別選取作業(yè)速度200 mm/s、300 mm/s、450 mm/s，穴孔深60 mm對其進行軌跡仿真分析。得到的仿真軌跡如圖4～圖6所示。

最大栽植穴口在栽植盒入土和出土?xí)r形成，選取栽植深度為60 mm，距離栽植盒最下端高60 mm處寬為38 mm。當(dāng)株距為200 mm時，栽植盒在穴口水平方向上產(chǎn)生約32 mm的滑移，加上栽植盒寬度后穴口寬度為70 mm，不考慮地膜物理特性則膜面連接長度為130 mm。同理，采用同樣的仿真步驟，可得株距為300 mm，膜面連接長度為252 mm；株距為450 mm，膜面連接長度為392 mm。

圖4 株距200 mm仿真軌跡Fig. 4 Simulation track of 200 mm spacing

圖5 株距300 mm仿真軌跡Fig. 5 Simulation track of 300 mm spacing

圖6 株距450 mm仿真軌跡Fig. 6 Simulation track of 450 mm spacing

根據(jù)行業(yè)標準《蔬菜移栽機作業(yè)質(zhì)量》(NY/T 3486—2019)對膜面穴口開孔合格的測定要求(株距大于等于150 mm且小于250 mm時，膜面長度大于株距的1/2；株距大于等于250 mm時，膜面長度大于株距的2/3)，可知八桿栽植機構(gòu)在對設(shè)施果菜苗進行移栽時均滿足標準中的膜面穴口開孔合格指標。

4 試驗分析

為驗證八桿栽植機構(gòu)膜上移栽的效果，按照實際三維設(shè)計的尺寸加工并裝配，在溫室內(nèi)進行膜上移栽試驗，選用平均苗高為100 mm番茄苗進行試驗。八桿栽植機構(gòu)的減速機和行走機構(gòu)均由調(diào)速電機進行驅(qū)動，通過調(diào)節(jié)八桿栽植機構(gòu)的電機驅(qū)動器將驅(qū)動轉(zhuǎn)速調(diào)整到1 r/s，然后，分別將行走速度調(diào)節(jié)到200 mm/s、300 mm/s、450 mm/s進行作業(yè)，在三種速度下對應(yīng)的株距為200 mm、300 mm、450 mm。

根據(jù)行業(yè)標準中《蔬菜移栽機作業(yè)質(zhì)量標準》(NY/T 3486—2019)對膜面穴口開孔合格的測定要求，需要連續(xù)測定120個地膜穴口開孔，由于整個移栽機存在兩個八桿栽植機構(gòu)因此每種速度下應(yīng)栽植242棵苗，整個試驗需栽植726棵苗。

試驗樣機如圖7所示，試驗現(xiàn)場如圖8所示，株距測量如圖9所示。

圖7 八桿栽植機構(gòu)試驗樣機Fig. 7 Experimental prototype of eight bar planting mechanism

圖8 試驗現(xiàn)場Fig. 8 Test site

(a) 株距200 mm

(b) 株距300 mm

(c) 株距450 mm圖9 株距測量Fig. 9 Spacing measurement

對試驗連續(xù)測得的膜面連接長度編號為1、2、3…120，在三種株距下測得的膜面連接長度統(tǒng)計如圖10～圖12所示。

圖10 株距200 mm時膜面長度統(tǒng)計Fig. 10 Statistics of film surface length atplant spacing of 200 mm

圖11 株距300 mm時膜面長度統(tǒng)計Fig. 11 Statistics of film surface length atplant spacing of 300 mm

圖12 株距450 mm時膜面長度統(tǒng)計Fig. 12 Statistics of film surface length atplant spacing of 450 mm

由于溫室內(nèi)地面平整，壟高誤差較小，因此每次試驗過程中連續(xù)成功開孔726個，開孔合格率100%。為較小工作量，統(tǒng)一選取每次前進方向的左側(cè)進行測量，圖中虛線為在該株距下的合格膜面連接長度，實線為實際測得的膜面連接長度。八桿栽植機構(gòu)在株距為200 mm 時，膜面平均連接長度141 mm，仿真值130 mm；株距為300 mm時，膜面平均連接長度237 mm，仿真值252 mm；株距為450 mm時，膜面平均連接長度368 mm，仿真值392 mm，在三種株距下，根據(jù)NY/T 3486—2019計算出的膜面穴口開孔合格率均為100%。在200 mm、300 mm、450 mm株距時，膜面連接長度仿真與試驗測試結(jié)果誤差分別為8.5%、6%、6.1%，驗證了仿真結(jié)果的正確性和設(shè)計的合理性，誤差初步分析可能是受地膜的本身屬性、壟面平整度和行走速度不均勻引起。

5 結(jié)論

1) 提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、加工成本低的八桿栽植機構(gòu)，建立了該機構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，并介紹其工作原理。

2) 在取投苗效率為120株/min時，對株距為200 mm、300 mm、450 mm時，對八桿栽植機構(gòu)進行了仿真分析，仿真分析結(jié)果表明：株距為200 mm，膜面連接長度為130 mm，大于200 mm/2；株距為300 mm，膜面連接長度252 mm，大于300 mm×2/3；株距為450 mm，膜面連接長度392 mm，大于450 mm×2/3，在株距為200～450 mm范圍內(nèi)，膜面連接長度隨株距的增大而增大。在三種株距下，根據(jù)NY/T 3486—2019計算出的膜面穴口開孔合格率均為100%，均滿足蔬菜移栽機作業(yè)質(zhì)量標準NY/T 3486—2019中的膜面穴口開孔指標要求。

3) 對八桿栽植機構(gòu)進行了田間試驗，在株距分別為200 mm、300 mm、450 mm時，根據(jù)NY/T 3486—2019計算出的膜面穴口開孔合格率均為100%，實際作業(yè)膜面連接長度與仿真誤差分別為8.5%、6%、6.1%，驗證了仿真結(jié)果的正確性和設(shè)計的合理性。