藜蒿扦插機扦插裝置的設(shè)計與扦插軌跡分析

摘要：為了提高藜蒿栽植效率，降低栽植成本，設(shè)計了一種藜蒿扦插機。介紹了藜蒿扦插機關(guān)鍵工作部件扦插裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理，分析確定了相關(guān)參數(shù)的設(shè)計依據(jù)；并依據(jù)藜蒿苗稈的機械物理特性和扦插裝置的扦插要求，建立了扦插機構(gòu)的運動學(xué)模型，借助分插機構(gòu)輔助分析優(yōu)化軟件構(gòu)建了其扦插軌跡，得出了優(yōu)化的扦插參數(shù)組合為Φ0=35°，α0=-40°，S=138 mm。通過田間試驗，對該扦插裝置的苗稈扦插功能進(jìn)行了驗證。

關(guān)鍵詞：藜蒿扦插機；扦插裝置；扦插軌跡；運動學(xué)模型

中圖分類號：S223.9；S636.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）22-5592-04

藜蒿是一種優(yōu)勢經(jīng)濟(jì)作物[1，2]，我國藜蒿產(chǎn)區(qū)主要分布在中東部地區(qū)[3，4]，目前武漢市蔡甸區(qū)已廣泛栽培[5，6]。藜蒿的種植生產(chǎn)主要依靠人工，不僅效率低、成本高，而且勞動強度大。推廣藜蒿機械化扦插技術(shù)能有效提高藜蒿種植效率，節(jié)約成本。藜蒿扦插機包括分苗取苗裝置和扦插裝置兩大部分，前者利用機械滾筒裝置和氣力技術(shù)實現(xiàn)自動分苗、取苗，后者借助插秧機分插機構(gòu)實現(xiàn)扦插，兩者共同實現(xiàn)藜蒿的機械化扦插種植，能滿足生產(chǎn)實際對藜蒿機械化栽植技術(shù)的迫切需求。藜蒿扦插機的實物如圖1所示。扦插裝置是藜蒿扦插機的核心工作部件，它決定了扦插機的扦插質(zhì)量和效率。本試驗設(shè)計了一種扦插裝置，可以實現(xiàn)導(dǎo)苗、接苗和扦插的動作，開展了扦插機構(gòu)的運動分析、數(shù)學(xué)建模和模擬仿真研究。

1 扦插裝置的設(shè)計與分析

1.1 結(jié)構(gòu)組成

扦插裝置包括3個主要工作機構(gòu)：導(dǎo)苗機構(gòu)、接苗機構(gòu)和扦插機構(gòu)。扦插裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.2 工作原理

扦插裝置通過3個機構(gòu)分別對苗稈實現(xiàn)分離導(dǎo)向、固定限位和抓取扦插。

導(dǎo)苗機構(gòu)上的擋苗環(huán)將苗稈從取苗機構(gòu)分離并利用導(dǎo)苗機構(gòu)上寬下窄的漸進(jìn)結(jié)構(gòu)為苗稈的下落提供導(dǎo)向作用。苗稈下落到接苗機構(gòu)后落于兩個接苗彈片之間，并處于有利于扦插的近似豎直姿態(tài)；扦插機構(gòu)在動力驅(qū)動下進(jìn)行回轉(zhuǎn)運動，在行星輪系作用下，扦插桿上的10個扦插臂既隨整個扦插機構(gòu)一起順時針回轉(zhuǎn)又隨扦插桿進(jìn)行不等速的逆向轉(zhuǎn)動，即形成了一個特定的扦插軌跡；當(dāng)扦插臂回轉(zhuǎn)到接苗彈片處時，扦插爪與接苗彈片產(chǎn)生擠壓，落于兩個接苗彈片之間的苗稈被扦插爪夾住并沿扦插軌跡往下運動；扦插爪脫離彈片后，彈片由于壓簧的作用而回位，扦插爪受到Y(jié)形支架上橡皮筋的彈力作用而松開，此時隨扦插爪運動到最下端的苗稈被插入土壤中，隨機組前進(jìn)，如此循環(huán)完成連續(xù)扦插作業(yè)。

1.3 扦插技術(shù)指標(biāo)

藜蒿扦插機的機組前進(jìn)速度為vm，vm=108 mm/s，機頭輸出軸轉(zhuǎn)速為r，r=60 r/min，總傳動比為i，i=1，機械化扦插藜蒿的行距為90 mm，共扦插10行，株距為80～100 mm，扦插深度為50～60 mm，扦插直立度≤10%；扦插裝置的扦插頻率為f，f=1，即每行每秒扦插一根苗稈。實際扦插株距為108 mm，可滿足藜蒿種植農(nóng)藝的要求。

1.4 主要參數(shù)分析

整個導(dǎo)苗機構(gòu)呈上寬下窄的漸進(jìn)結(jié)構(gòu)，可以使藜蒿苗稈與取苗機構(gòu)分離并順勢導(dǎo)下。

扦插所用的藜蒿苗稈直徑為D，導(dǎo)苗機構(gòu)下隔板間距為L。為保證苗稈既能順利從導(dǎo)苗機構(gòu)落入接苗機構(gòu)，又能在接苗機構(gòu)中呈近似豎直的姿態(tài)以利于扦插，D和L要滿足以下關(guān)系：

D≤L≤2D （1）

扦插藜蒿選用的D的范圍是6～10 mm，根據(jù)綜合功能要求和加工工藝兩個條件，L最終取值為20 mm。

接苗機構(gòu)中接苗彈片之間的夾角為8°，螺釘末端裝有2個螺母，目的是防止接苗彈片竄位；壓簧套在安裝柱上，其一端與隔板相接，另一端與接苗彈片相接。

扦插機構(gòu)中的行星輪系選用久保田SPU-68C型。

2 扦插機構(gòu)的運動學(xué)模型和模擬仿真

2.1 扦插要求

機械化扦插一般要求藜蒿的苗稈較粗，其長度為80～90 mm、直徑6～10 mm的光稈，藜蒿的扦插軌跡主要有4個環(huán)節(jié)：取苗、送苗、插苗和回程。

取苗階段，苗稈落在接苗機構(gòu)的接苗彈片之間，處于稍微向扦插爪方向傾斜的豎直姿態(tài)，為了保證扦插爪能順利夾取苗稈，要求此點的扦插軌跡與苗稈相切；送苗階段行程較短，苗稈的軌跡近似為豎直向下；插苗階段，為達(dá)到苗稈的入土直立度要求，插苗瞬間苗稈的水平絕對速度應(yīng)該為0，即要求扦插爪既隨機組向前行走，又隨扦插桿進(jìn)行逆向轉(zhuǎn)動；回程階段，要求扦插爪迅速逆向回轉(zhuǎn)并上提，以保證不在泥土中停留過久，不阻礙機組前進(jìn)并不帶起泥土。

根據(jù)藜蒿扦插軌跡的要求，選擇久保田SPU-68C型的行星輪系作為扦插機構(gòu)的關(guān)鍵工作部件，經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)能有效實現(xiàn)藜蒿苗稈的扦插動作。

2.2 扦插機構(gòu)運動特點

偏心齒輪行星輪系簡圖如圖3所示，扦插爪尖點的相對運動軌跡為“海豚形”軌跡，也稱為靜軌跡。扦插機構(gòu)中的行星輪系由5個全等的偏心齒輪組成，5個齒輪的旋轉(zhuǎn)中心分別為O1、O2、O3、O4、O5，且它們在同一條直線上。5個偏心齒輪的初始安裝相位角相同，太陽輪固定不動，動力輸入軸帶動機架和行星架一起順時針轉(zhuǎn)動；行星輪既隨行星架作順時針轉(zhuǎn)動，又相對行星架作逆時針的非勻速轉(zhuǎn)動，通過扦插桿與行星輪固結(jié)的10個扦插臂和行星輪作相同的復(fù)合運動[7，8]。

2.3 位移和速度模型

根據(jù)圖3所示的直角坐標(biāo)系XOY，參照《農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊》（上冊），行星輪回轉(zhuǎn)中心O1的位移為：

XO1=4Rcos（Φ0+Φ1）YO1=4Rsin（Φ0+Φ1） （2）

扦插爪尖點D的相對運動位移為：

XD=XO1+Scos（Φ0+Φ1-Φ3-α0）YD=YO1+Ssin（Φ0+Φ1-Φ3-α0） （3）

式中，R——偏心齒輪節(jié)圓半徑；Φ0——行星架初始位置與X軸的夾角；Φ1——行星架從初始位置繞O3點的角位移；S——行星輪回轉(zhuǎn)中心O1與扦插爪尖點D的距離；α0——O1和D的連線與行星架在初始位置的夾角；Φ3——扦插爪相對于行星架的角位移。

2.4 仿真優(yōu)化

利用基于Visual Basic 6.0開發(fā)的分插機構(gòu)輔助分析優(yōu)化軟件[9]，能有效、直觀地得到不同參數(shù)下的扦插爪尖點運動軌跡。影響扦插爪尖點軌跡的主要參數(shù)是Φ0、α0和S，同時這3個參數(shù)也決定了扦插機構(gòu)的設(shè)計尺寸和安裝角度。

該軟件運行界面如圖4所示，在界面中輸入需要調(diào)整和驗證的參數(shù)值，即可輸出對應(yīng)的運動軌跡。分別對Φ0、α0和S這3個參數(shù)進(jìn)行單一參數(shù)對比，找出每個參數(shù)的變化對軌跡的影響；再參照扦插要求找出一組最合適的參數(shù)值。圖5、圖6和圖7分別為Φ0、α0和S的3個取值下扦插軌跡的變化情況[10]。3個圖的坐標(biāo)系原點均為行星輪系太陽輪的回轉(zhuǎn)中心。

由分插機構(gòu)輔助分析優(yōu)化軟件得出的軌跡是完整的扦插爪尖點相對運動軌跡，扦插裝置中接苗機構(gòu)的安裝高度與行星輪系太陽輪回轉(zhuǎn)中心O3高度一致。以圖7為例，a為取苗點，ab為送苗階段，bc為插苗階段，ca為回程階段。綜合藜蒿的扦插要求，利用軟件的便捷和有效性，得到一組扦插藜蒿的最佳參數(shù)組合：Φ0=35°，α0=-40°，S=138 mm。扦插裝置中扦插機構(gòu)的初始安裝位置和關(guān)鍵設(shè)計尺寸與這組最佳參數(shù)值進(jìn)行匹配，得到行星輪系的初始安裝位置與水平面夾角為35°，扦插臂與行星輪系初始安裝位置之間的夾角為40°，扦插臂的設(shè)計長度為138 mm。

3 試驗驗證

經(jīng)過三輪藜蒿扦插機的試制加工，驗證了這組扦插參數(shù)的合理性。行星架處于初始位置，即夾角Φ0取35°時，藜蒿扦插機取苗機構(gòu)處于水平位置的取苗狀態(tài)，扦插機構(gòu)與取苗機構(gòu)能夠完成一個扦插周期動作的銜接，證明此角度合理；α0取40°時，扦插機構(gòu)中扦插臂的復(fù)合動作能順利地抓取并扦插苗稈；扦插臂的長度S取138 mm時，能保證各工作機構(gòu)之間不發(fā)生干涉。試制的藜蒿扦插機在一條經(jīng)過耕整的試驗田上進(jìn)行扦插試驗（圖8）。

經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，扦插裝置能實現(xiàn)完整的扦插動作，與分苗取苗裝置配合共同實現(xiàn)苗稈的扦插入土。通過觀察苗稈的入土情況，包括苗稈的直立度和深度，可以驗證扦插裝置的合理性和可行性。

4 結(jié)論

1）設(shè)計了一種藜蒿扦插機的扦插裝置，分析了該裝置的結(jié)構(gòu)特點和工作原理。

2）建立了扦插裝置中扦插機構(gòu)的運動學(xué)模型，借助分插機構(gòu)輔助分析優(yōu)化軟件對模型進(jìn)行模擬仿真，得到了滿足扦插要求的扦插優(yōu)化參數(shù)組合：行星架初始位置與水平面夾角Φ0=35°，扦插臂與行星架初始位置夾角α0=40°，扦插臂長度S=138 mm。

3）藜蒿扦插機扦插裝置在工作時，扦插機構(gòu)中扦插臂尖點的運動軌跡與仿真軌跡基本一致，扦插裝置能實現(xiàn)苗稈的導(dǎo)向、固定與扦插。田間試驗驗證了裝置的合理性和可行性。

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（責(zé)任編輯 昌炎新）