2ZY-1型煙草移栽機(jī)栽植器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

吳 畏，孫松林，肖名濤，李軍政

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

2ZY-1型壟高自適應(yīng)煙草移栽機(jī)為自走式，可實(shí)現(xiàn)膜上移栽和膜下移栽，適應(yīng)110cm的行寬，20～40cm的壟高.整機(jī)輕巧、轉(zhuǎn)彎靈活，特別適合湖南等南方煙區(qū)生產(chǎn)環(huán)境，對(duì)解決南方地區(qū)煙草機(jī)械化移栽過程中存在的技術(shù)難題具有重要意義.

該移栽機(jī)的栽植器為曲柄連桿式，利用ADAMS軟件建立了移栽機(jī)栽植器的模型，通過對(duì)該栽植器進(jìn)行參數(shù)化建模和優(yōu)化分析，得出了曲柄連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，通過試驗(yàn)證明達(dá)到了性能指標(biāo)要求.

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及栽植器的工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

2ZY-1型壟高自適應(yīng)煙草移栽機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，由仿形導(dǎo)向輪、液壓升降機(jī)構(gòu)、吊杯栽植器、投苗轉(zhuǎn)盤、覆土鎮(zhèn)壓輪、液壓仿形調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成.作業(yè)時(shí)，仿形導(dǎo)向輪緊壓壟壁，隨著壟側(cè)面形狀的變化對(duì)機(jī)器進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)向，駕駛員只需站在機(jī)器的一側(cè)將煙苗投入苗盤內(nèi)，由凸輪控制苗盤間歇轉(zhuǎn)動(dòng)和內(nèi)舌開閉，配合鴨嘴栽植器上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)完成落苗動(dòng)作，栽植器下降過程完成打孔和栽植的動(dòng)作；液壓仿形感應(yīng)板緊貼壟面，當(dāng)壟面高度發(fā)生變化時(shí)，感應(yīng)板通過液壓調(diào)節(jié)閥和液壓缸，調(diào)節(jié)底盤的升降，保證煙苗栽植深度穩(wěn)定均勻；安裝在栽植器后面的V形覆土鎮(zhèn)壓輪將苗穴兩側(cè)的土壤覆蓋到煙苗莖部實(shí)現(xiàn)覆土和鎮(zhèn)壓，提高了煙苗移栽的立苗率.

1.2 栽植器工作原理

2ZY-1型煙草移栽機(jī)的栽植機(jī)構(gòu)屬于曲柄連桿型，主要由小曲柄、擺桿、大曲柄、連桿、搖桿、開啟拉板、鴨嘴等組成，如圖2所示.栽植器升降的范圍為0～180mm，在此范圍要求栽植器的運(yùn)動(dòng)與移栽機(jī)的運(yùn)動(dòng)同步，栽植器打開時(shí)的水平方向速度與移栽機(jī)前進(jìn)速度大小相等、方向相反，保證投苗時(shí)水平方向速度為零，避免拖苗、帶苗和拖膜現(xiàn)象，同時(shí)鴨嘴在運(yùn)動(dòng)過程中始終與工作壟面垂直，保證栽植打孔的垂直度，提高立苗率［1－3］.

圖1 煙草移栽機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch of small tobacco transplanter

圖2 曲柄連桿栽植器Fig.2 Planting mechanism with crank and connecting rod

2 栽植器的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

建立曲柄連桿栽植器的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示，并建立解析方程.

式中：l1為小曲柄長(zhǎng)度；α1為小曲柄與x軸正方向的夾角.

圖3 栽植器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of Planting mechanism

式中：l2為擺桿短端長(zhǎng)度l3為連桿長(zhǎng)度；α2，α3分別為擺桿短端、連桿與x軸正方向的夾角.

式中：l4為大曲柄長(zhǎng)度；α4為大區(qū)柄與x軸正方向夾角.

式中：lAE為擺桿長(zhǎng)度；l6為鴨嘴支撐桿長(zhǎng)度；α6為鴨嘴支撐桿與x軸正方向的夾角；l7為搖桿長(zhǎng)度；α5為擺桿長(zhǎng)端與x軸正方向的夾角.

式中：l8為鴨嘴支撐板長(zhǎng)度；α8為鴨嘴支撐板與x軸正方向夾角.

根據(jù)以上方程，通過修改各桿件的長(zhǎng)度、原始夾角等參數(shù)，并根據(jù)移栽性能要求，初步確定機(jī)構(gòu)的形狀和尺寸，并建立三維模型.

3 栽植器的參數(shù)化建模與優(yōu)化

將在Pro/E中建立的曲柄連桿栽植器三維模型導(dǎo)入到ADAMS中，給各零件增加材料屬性，在鴨嘴的頂點(diǎn)位置創(chuàng)建一個(gè)Marker點(diǎn)，并建立該Marker點(diǎn)水平方向速度大小的測(cè)量［4］.在相應(yīng)位置添加運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)力包括2個(gè)曲柄的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為1r·s－1，機(jī)器前進(jìn)為直線驅(qū)動(dòng)，速度為500mm·s－1.在此條件下，滿足栽植機(jī)構(gòu)移栽1株·s－1煙苗且株距為500mm的要求.運(yùn)行一個(gè)時(shí)間為0.5s，步長(zhǎng)大小0.01的運(yùn)動(dòng)仿真，得到Marker點(diǎn)在最低點(diǎn)時(shí)水平方向的分速度為－177mm·s－1，不符合煙草移栽機(jī)工作時(shí)零速投苗的作業(yè)要求.由于從Pro/E導(dǎo)入進(jìn)ADAMS中的零件不能參數(shù)化，也就不能進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化分析，將通過在ADAMS中創(chuàng)建相應(yīng)的設(shè)計(jì)點(diǎn)和設(shè)計(jì)變量后對(duì)該栽植器進(jìn)行參數(shù)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)移栽器的優(yōu)化.

3.1 栽植器的參數(shù)化建模

在原有機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在各零件的鉸接點(diǎn)創(chuàng)建11個(gè)原始設(shè)計(jì)點(diǎn)，并定義大曲柄的旋轉(zhuǎn)中心D位于ADAMS全局坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn).把栽植器處于最高點(diǎn)時(shí)的位置作為運(yùn)動(dòng)仿真的起始位置，此時(shí)大曲柄與連桿重合，小曲柄的位置方向與大曲柄相差180°.創(chuàng)建的設(shè)計(jì)變量及范圍，各設(shè)計(jì)點(diǎn)的坐標(biāo)值或參數(shù)化表達(dá)式見表1.

表1 設(shè)計(jì)點(diǎn)的坐標(biāo)及參數(shù)化表達(dá)式Tab.1 Coordination and parametric expression of designed point

在ADAMS中用link連接各個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)，并在相應(yīng)位置添加約束副和驅(qū)動(dòng)，創(chuàng)建的參數(shù)化模型如圖4所示.

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

3.2.1 設(shè)計(jì)變量的確定

利用ADAMS對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，大曲柄和小曲柄的長(zhǎng)度對(duì)栽植軌跡以及栽植深度有著重要的影響；連桿的長(zhǎng)度對(duì)栽植軌跡和深度有一定影響；擺桿的長(zhǎng)度對(duì)移栽時(shí)鴨嘴的垂直度及鴨嘴到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)的速度影響不大，但對(duì)栽植軌跡有一定影響；搖桿的長(zhǎng)度對(duì)移栽時(shí)鴨嘴的垂直度及鴨嘴到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)的速度影響較大，隨著長(zhǎng)度的增加，垂直度減小，到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)的速度增大；大曲柄與x軸正方向的夾角對(duì)移栽時(shí)的垂直度有較大影響，隨著該夾角的增大，移栽的垂直度增加，對(duì)鴨嘴到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)的速度影響不大；搖桿與x軸正方向的夾角對(duì)移栽深度和垂直度有一定影響，對(duì)移栽軌跡和鴨嘴到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)的速度影響不大.

圖4 栽植器參數(shù)化模型Fig.4 Parametric model of planting mechanism

綜合上述分析，以大曲柄、小曲柄、連桿以及搖桿的長(zhǎng)度，大曲柄與x軸正方向的夾角作為該栽植器模型的設(shè)計(jì)變量，即

3.2.2 建立約束條件

ADAMS中每個(gè)約束條件均創(chuàng)建一個(gè)不等式或關(guān)系式準(zhǔn)則，優(yōu)化方法是要盡可能使得所有約束條件值小于或等于零.因此，條件值為正值代表設(shè)計(jì)不可行，而負(fù)值或零代表設(shè)計(jì)可行.要滿足約束條件值為零，則可創(chuàng)建2個(gè)相反的測(cè)量函數(shù).

在鴨嘴的最低點(diǎn)（H點(diǎn)）選擇一個(gè)Marker點(diǎn)（Marker＿12）并建立該 Marker點(diǎn)在水平方向速度分量的函數(shù)測(cè)量FUNCTION＿M(jìn)EA＿M(jìn)12＿VX和FUNCTION＿M(jìn)EA＿M(jìn)12＿FVX，這2個(gè)測(cè)量的函數(shù)表達(dá)式分別為：VX（Marker＿12）和－VX（Marker＿12）.以這2個(gè)互為相反數(shù)的測(cè)量函數(shù)建立2個(gè)約束條件，當(dāng)滿足這2個(gè)約束條件時(shí)，即可滿足栽植器在最低點(diǎn)投苗時(shí)水平速度為零.

3.2.3 確定目標(biāo)函數(shù)及優(yōu)化

栽植器工作時(shí)，除了要滿足零速投苗的條件外，鴨嘴的運(yùn)動(dòng)過程應(yīng)始終保持與工作壟面基本垂直.

同理，在Marker＿12點(diǎn)建立該Marker點(diǎn)相對(duì)于ADAMS全局坐標(biāo)系中z軸旋轉(zhuǎn)的角度測(cè)量函數(shù)FUNCTION＿M(jìn)EA＿M(jìn)12＿AZ，函數(shù)表達(dá)式為：57.3＊ABS（AZ（MARKER＿12）），優(yōu)化時(shí)以該函數(shù)表達(dá)式運(yùn)動(dòng)過程中的平均值最小為優(yōu)化目標(biāo)，運(yùn)行一個(gè)時(shí)間為0.5s，步長(zhǎng)大小0.01的運(yùn)動(dòng)仿真，優(yōu)化運(yùn)算在30次時(shí)發(fā)生迭代，此時(shí)鴨嘴在最低點(diǎn)時(shí)的速度為0.18mm·s－1，如圖5所示，基本實(shí)現(xiàn)了移栽時(shí)的零速投苗.

優(yōu)化后各設(shè)計(jì)變量的值分別為：大曲柄l4＝45mm，小曲柄l1＝30mm，連桿l3＝120mm以及搖桿的長(zhǎng)度l7＝310mm，大曲柄與x軸正方向的夾角α4＝165°，優(yōu)化目標(biāo)的值為4.2°，初始狀態(tài)的值為13.4°，優(yōu)化結(jié)果較明顯.圖6為優(yōu)化后鴨嘴在0.5s的運(yùn)動(dòng)過程中的角度變化情況，從圖可以看出曲線大部分都處于5°以下，基本保證了移栽時(shí)鴨嘴的垂直度.

圖5 鴨嘴最低點(diǎn)的速度曲線Fig.5 Velocity curve of duck-mouth lowest point

圖6 鴨嘴最低點(diǎn)的角度變化曲線Fig.6 Angle changing curve of duck-mouth lowest point

4 樣機(jī)試驗(yàn)

樣機(jī)研制出來之后，通過選擇不同水分條件、煙苗類型、旋耕、起壟高度的農(nóng)田，先后在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)土槽、油菜試驗(yàn)田、中南煙草站煙草基地進(jìn)行了多次移栽試驗(yàn)，每次試驗(yàn)移栽120株煙苗，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，測(cè)定煙苗處于自然生長(zhǎng)狀態(tài)下的物理特性參數(shù).依據(jù)煙苗的直立度用苗體與地面的夾角，即栽植傾角θ來劃分，θ﹥70°為優(yōu)良；θ﹥45°為合格；θ≤45°為倒伏.并用倒伏率、直立度合格率和直立度優(yōu)良率來評(píng)價(jià)煙苗直立度.

表2 樣機(jī)栽植試驗(yàn)Tab.2 Model machine transplanting test %

通過樣機(jī)試驗(yàn)，移栽效果得到中南煙草站相關(guān)技術(shù)人員以及周邊農(nóng)戶的肯定，此后在寧鄉(xiāng)煙草基地為煙農(nóng)示范移栽3畝（1畝＝666.6m2）煙苗（1 200株·畝－1），并測(cè)取整機(jī)移栽性能參數(shù)，見表3.

表3 整機(jī)移栽性能參數(shù)Tab.3 Transplanting performance parameters of whole machine

5 結(jié)論

（1）建立了曲柄連桿栽植器的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過聯(lián)立各方程，可求解各質(zhì)點(diǎn)的位移、速度以及加速度，初步確定機(jī)構(gòu)的形狀和尺寸.

（2）利用ADAMS進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，當(dāng)各設(shè)計(jì)變量的值分別為：大曲柄l4＝45mm，小曲柄l1＝30mm，連桿l3＝120mm以及搖桿的長(zhǎng)度l7＝310mm，大曲柄與x軸正方向的夾角α4＝165°時(shí)，優(yōu)化目標(biāo)的平均值最小為4.2°，基本保證了移栽時(shí)鴨嘴的垂直度，此時(shí)鴨嘴在最低點(diǎn)時(shí)的速度為0.18mm·s－1，實(shí)現(xiàn)了煙苗移栽時(shí)的零速垂直投苗.

（3）通過試驗(yàn)，整機(jī)移栽效果優(yōu)于設(shè)計(jì)要求.

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