基于零位移的膜上移栽裝置運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)與仿真

李　江,付作立,朱瑞祥,黃閃閃,時(shí)　永

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌　712100)

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基于零位移的膜上移栽裝置運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)與仿真

李江,付作立,朱瑞祥,黃閃閃,時(shí)永

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌712100)

摘要：針對(duì)現(xiàn)有移栽機(jī)移栽效率低及膜上作業(yè)存在刮膜、撕膜等問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)了一種由雙曲柄搖架連桿構(gòu)成的蔬菜快速移栽裝置。該裝置通過(guò)曲柄的旋轉(zhuǎn)和搖架搖擺，使打穴體鈍角入土、銳角出土，以及打穴體實(shí)現(xiàn)相對(duì)后移；增速裝置增加打穴體入土速度，縮短打穴時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了打穴體零位移條件下的快速移栽作業(yè)。仿真實(shí)驗(yàn)表明：該裝置可以實(shí)現(xiàn)在2km/h行進(jìn)速度下打穴體的“Y”運(yùn)動(dòng)軌跡，滿(mǎn)足蔬菜移栽的農(nóng)藝要求，且保證移栽性能、克服刮膜現(xiàn)象、提高作業(yè)速度。

關(guān)鍵詞：蔬菜；移栽機(jī)；移栽裝置；仿真分析

0引言

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有舉足輕重的地位。我國(guó)主要經(jīng)濟(jì)作物，如煙草、甜菜、蔬菜等，通常都是采用育苗移栽的栽植方式[1-2]。目前，我國(guó)多數(shù)地區(qū)蔬菜、煙草等作物種植作業(yè)，仍采用人工進(jìn)行打穴栽植方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大、孔穴質(zhì)量差，難以滿(mǎn)足農(nóng)藝作業(yè)質(zhì)量要求。而國(guó)內(nèi)已有的栽植設(shè)備，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、栽植效率偏低、適應(yīng)性和可靠性差等問(wèn)題；國(guó)外的栽植機(jī)具雖性能尚可，但價(jià)格昂貴，難以在小農(nóng)戶(hù)種植模式的區(qū)域推廣應(yīng)用。另外，國(guó)內(nèi)外的栽植設(shè)備均不能滿(mǎn)足較高作業(yè)速度下的零位移栽植。因此，研制開(kāi)發(fā)性能可靠、通用性強(qiáng)及功能完備的移栽機(jī)顯得尤為迫切和重要[3-5]。

1現(xiàn)有移栽機(jī)性能分析

現(xiàn)有的移栽機(jī)主要有撓性圓盤(pán)式移栽機(jī)、回旋加持式移栽機(jī)、導(dǎo)苗管式移栽機(jī)及鴨嘴式移栽機(jī)[3]。鴨嘴式蔬菜移栽機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 將開(kāi)穴與移栽合為一體, 實(shí)現(xiàn)了整棵缽苗從喂入到栽植, 無(wú)須開(kāi)溝裝置。其 不僅動(dòng)力消耗小, 而且缽苗損傷率低，能適應(yīng)多種缽苗作物的移栽作業(yè)要求，已成為膜上移栽的理想機(jī)型[2]。鴨嘴式膜上移栽的栽植機(jī)構(gòu)主要有吊杯式植苗機(jī)構(gòu)、多桿式植苗機(jī)構(gòu)和行星輪-滑道式植苗機(jī)構(gòu)。吊杯式植苗機(jī)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)的限制，移栽效率不超過(guò)單行1 800 株/h，即偏心圓盤(pán)吊杯式移栽機(jī)不適合高速移栽作業(yè)。七桿式植苗機(jī)構(gòu)通過(guò)選擇合適的參數(shù)，栽植嘴軌跡類(lèi)似于“海豚形”，其挖出的穴口小且能保持較高的立苗率；但往復(fù)式機(jī)構(gòu)使其工作時(shí)振動(dòng)較大。行星輪-滑道式植苗機(jī)構(gòu)由行星輪系和滑道共同控制栽植機(jī)構(gòu)的軌跡，通過(guò)滑道可以準(zhǔn)確控制栽植嘴的姿態(tài)；但滑道容易磨損，且軌跡不連續(xù)，振動(dòng)較大，機(jī)構(gòu)復(fù)雜[4-6]。

2移栽裝置方案設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)方案

筆者研究設(shè)計(jì)了一種打穴體擺動(dòng)、后移及快速出入土的零位移作物栽植裝置，可提高作物栽植作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量打穴栽植作業(yè)。如圖1所示，栽植機(jī)構(gòu)主要由雙曲柄搖架連桿機(jī)構(gòu)、曲柄、平行桿機(jī)構(gòu)、增速裝置、限位彈墊及打穴體等組成。

2.2工作原理

雙曲柄搖架連桿機(jī)構(gòu)一方面通過(guò)短曲柄的旋轉(zhuǎn)，促使打穴體后移，提供后移位移；另一方面通過(guò)搖架的搖擺，實(shí)現(xiàn)打穴體鈍角入土、銳角出土，提供搖擺位移。通過(guò)雙位移驅(qū)動(dòng)使栽植器在投苗過(guò)程中，缽苗的水平分速度為零，避免拖苗、帶苗現(xiàn)象；同時(shí)，增速裝置通過(guò)旋轉(zhuǎn)體與銷(xiāo)軸相對(duì)的滑動(dòng)，獨(dú)立增加打穴體入土速度并完成彈簧蓄能；通過(guò)彈簧復(fù)位，增加打穴體出土速度，可以有效減少打穴時(shí)間，增加機(jī)具行進(jìn)速度，保證打穴質(zhì)量，提高作物栽植作業(yè)效率。

1.短曲柄　2.長(zhǎng)曲柄　3.連桿　4.旋轉(zhuǎn)體　5.銷(xiāo)軸　6.彈簧　7.擋板

3桿件運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)

為了簡(jiǎn)化研究，主要對(duì)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算。

3.1自由度計(jì)算

欲使平面連桿機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)，則其原動(dòng)件的數(shù)目必須等于該機(jī)構(gòu)的自由度的數(shù)目。圖2所示是曲柄搖架連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，據(jù)此自由度計(jì)算為

F=3n-(2pl+ph-p′)-F′

其中，n是活動(dòng)構(gòu)件數(shù)；pl是低副數(shù)目；ph是高副數(shù)目；p′是虛約束數(shù)；F'是局部自由度。

圖2　曲柄搖架連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

由機(jī)械原理及公式計(jì)算可知F=2。該機(jī)構(gòu)屬于雙曲柄搖架平行桿機(jī)構(gòu)，有兩個(gè)原動(dòng)件。由于此機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)與原動(dòng)件數(shù)相等，故該機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)，則可以根據(jù)作業(yè)要求，通過(guò)修改各桿件長(zhǎng)度、初始相位角等多個(gè)參數(shù)以獲得滿(mǎn)意的效果。但是，該雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)變量過(guò)多容易產(chǎn)生干涉和交互影響等問(wèn)題，必須進(jìn)行仿真模擬[9]。

3.2運(yùn)動(dòng)及桿件分析設(shè)計(jì)

連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

由三角形的桿長(zhǎng)條件可知

在ΔABF中，要使機(jī)構(gòu)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需滿(mǎn)足的條件為

由此得到的桿長(zhǎng)條件為

圖3　連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

2)平面連桿長(zhǎng)度分析。根據(jù)機(jī)械原理有關(guān)知識(shí)，平面連桿機(jī)構(gòu)有曲柄的桿長(zhǎng)條件(L1為曲柄)為

其中，L1為最短桿[9]。

3)輔助加速裝置運(yùn)動(dòng)分析。為減少打穴體入土?xí)r間，設(shè)計(jì)了一種刀型結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)體，如圖4所示。

1.旋轉(zhuǎn)體　2.銷(xiāo)軸　3.彈簧　4.擋板　5.軸套　6.打穴體

由圖4可以看出：當(dāng)打穴體接近地面時(shí)，旋轉(zhuǎn)體與銷(xiāo)軸接觸，打穴體相對(duì)軸套向下運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，在上、下?lián)醢宓淖饔孟拢瑥椈蓧嚎s蓄能，打穴體完成加速入土；到達(dá)下止點(diǎn)后，旋轉(zhuǎn)體與銷(xiāo)軸脫離，彈簧釋放能量，打穴體在彈簧作用下加速出土，完成一次打穴作業(yè)。

3.3運(yùn)動(dòng)軌跡分析

不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下打穴體理想運(yùn)動(dòng)軌跡分析如圖5所示。

(a)　　　　　　　　　　(b)　　　　　　　　(c)

圖5(a)是機(jī)構(gòu)未加水平速度及增速裝置時(shí)栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡，x為穴孔的水平最大位移；圖5(b)是機(jī)構(gòu)添加水平速度時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡；圖5(c)是機(jī)構(gòu)添加水平速度和增速裝置時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

由圖5分析可知：所設(shè)計(jì)的打穴體擺動(dòng)、后移及快速出入土的零位移作物栽植裝置，可以有效地實(shí)現(xiàn)零速移栽，解決缽苗直立度和地膜撕裂等問(wèn)題[2]。

4運(yùn)動(dòng)模擬仿真

由于增速裝置仿真模擬的復(fù)雜性，現(xiàn)通過(guò)改變曲軸轉(zhuǎn)速代替增速裝置增加打穴體出入土的速度。

為了對(duì)所設(shè)計(jì)的移栽裝置進(jìn)行仿真，構(gòu)建了如圖6所示的仿真模型。其中，以O(shè)為原點(diǎn)、水平向右為x軸、豎直向上為y軸的坐標(biāo)系。

圖6　移栽裝置仿真模型

雙曲柄搖架連桿機(jī)構(gòu)各桿件長(zhǎng)度，移栽機(jī)的前進(jìn)速度嚴(yán)重影響著打穴體鴨嘴端的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而影響栽植性能。為此，依據(jù)理論分析及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，確定了仿真模型的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1模擬相關(guān)技術(shù)參數(shù)

Table 1Simulating the related technical simulating parameters

符號(hào)解釋說(shuō)明符號(hào)解釋說(shuō)明l1短曲柄CD長(zhǎng)度32mml2長(zhǎng)曲柄AB長(zhǎng)度85mml3機(jī)架AC長(zhǎng)度493mml4機(jī)架AO長(zhǎng)度483mml5機(jī)架CO長(zhǎng)度133mml6搖桿EO長(zhǎng)度100mml7三腳架桿EF長(zhǎng)度60mml8連桿HB長(zhǎng)度270mml9平行桿HF長(zhǎng)度300mml10平行桿FK長(zhǎng)度450mml11連桿KJ長(zhǎng)度130mmψ搖桿OE、OG夾角28°θ2-θ1初始相位角差240°

在Pro/E骨架模型創(chuàng)建中輸入表1各個(gè)桿件的長(zhǎng)度和初始夾角等參數(shù)，驅(qū)動(dòng)短、長(zhǎng)曲柄曲軸分別以720rad/s和360rad/s運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行干涉檢驗(yàn)和I點(diǎn)的軌跡模擬,所得的軌跡如圖7所示。仿真結(jié)果表明：機(jī)構(gòu)未發(fā)生相互干涉，且打穴體I點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡符合設(shè)計(jì)要求。

圖7　栽植機(jī)構(gòu)三維模型

將Pro/E中建立的三維實(shí)體模型導(dǎo)入Adams中，設(shè)定機(jī)組前進(jìn)速度為2km/h，驅(qū)動(dòng)短、長(zhǎng)曲柄曲軸轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為720rad/s和360rad/s，長(zhǎng)曲柄旋轉(zhuǎn)1周作業(yè)1次，栽植頻率為60株/min。在機(jī)構(gòu)入土過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)短、長(zhǎng)曲柄電機(jī)轉(zhuǎn)速分別加倍，用以實(shí)現(xiàn)增速裝置的增速功能。栽植點(diǎn)I的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)measure測(cè)量栽植點(diǎn)I的X、Y方向位移獲得，并在postprocessing中將獲取的位移曲線擬合，最終得到的栽植點(diǎn)I的軌跡曲線如圖8所示。

由圖8可知：軌跡高度30cm時(shí)，可以減少缽苗下落過(guò)程中與機(jī)構(gòu)發(fā)生干涉，栽植株距為41cm，栽植深度10cm，滿(mǎn)足農(nóng)藝要求；栽植器在出入土過(guò)程中，與地壟面能保持較好的垂直性；2km/h的行走速度時(shí)，也能形成較好“Y”形軌跡，保證缽苗在栽植過(guò)程中保持較好的直立度。

圖8　栽植點(diǎn)軌跡曲線

5結(jié)論

1)通過(guò)增加增速裝置，可以提高移栽機(jī)的工作速度。

2)本研究基于零位移的快速出入土裝置，通過(guò)獨(dú)立增加增速裝置，使移栽機(jī)的入土部件能與2km/h的行走速度相適應(yīng)，為膜上高速移栽機(jī)的設(shè)計(jì)提供了借鑒，

3)本研究提供的快速出入土裝置，未能實(shí)現(xiàn)理論的“Y”形運(yùn)動(dòng)軌跡；但在現(xiàn)有條件下，可實(shí)現(xiàn)不撕膜移栽，具有良好的栽植性能，可滿(mǎn)足農(nóng)藝要求。

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Design and Simulation of Above-film Vegetable Transplanter Movement Track Based on the Zero Displacement

Li Jiang, Fu Zuoli, Zhu Ruixiang, Huang Shanshan, Shi Yong

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

Abstract：In order to solve the problem of existing transplanting machine transplanting efficiency is not high and membrane operation is blown film, tear film and other issues. This study designs a composed of double crank cradle connecting rod vegetable transplanting device, through which the rotation of the crank and cradle swing to make the construction body obtuse angle into the soil and acute angle unearthed, so the construction body achieve relatively backward;Construction growth device is designed to increase the speed of the grave and shorten the construction time, realizing the zero displacement under the condition of the construction body transplanting work quickly.Simulation experiments show that the device can be realized under the 2 km/h speed of construction of“Y” trajectory, and meet the agronomic requirements of vegetable transplanting, ensure transplanting performance, overcome the phenomenon of blown film and can improve the operation speed.

Key words：vegetable； seedling transplanter； transplanting system； simulation and analysis

文章編號(hào)：1003-188X(2016)07-0147-05

中圖分類(lèi)號(hào)：S233.92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：李江(1990-)，男，山東濱州人，碩士研究生，(E-mail)18710933122@163.com。通訊作者：朱瑞祥(1956-)，男，陜西三原人，教授，(E-mail)zrxjdxy2006@ sohu.com。

基金項(xiàng)目：“十二五” 國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD14B11)

收稿日期：2015-06-15