玉米植質(zhì)缽苗運(yùn)動(dòng)軌跡及落地形態(tài)的研究

劉洪利，張偉

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶163319）

玉米植質(zhì)缽苗運(yùn)動(dòng)軌跡及落地形態(tài)的研究

劉洪利，張偉

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶163319）

針對(duì)玉米植質(zhì)缽苗栽植過程中出現(xiàn)位移及翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，對(duì)玉米植質(zhì)缽苗栽植運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了分析。通過理論分析玉米植質(zhì)缽苗翻轉(zhuǎn)狀態(tài)和玉米缽苗位移變化規(guī)律，建立缽苗落地角度和位移變化方程，得到了缽苗角度及位移變化的曲線圖。利用高速攝影對(duì)缽苗實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析，表明曲線與理論分析曲線擬合，驗(yàn)證了理論分析的正確性。當(dāng)機(jī)車前進(jìn)速度為0.43 m·s-1，栽植臂角速度為2 rad·s-1時(shí)，得到最佳投苗高度150 mm，缽苗水平位移S=48 mm，落地角度θ=19.3°。為覆土器的研究提供基礎(chǔ)。

移栽機(jī)；玉米植質(zhì)缽苗；落地形態(tài)；運(yùn)動(dòng)軌跡分析

玉米植質(zhì)缽育苗移栽具有對(duì)氣候的補(bǔ)償和使作物生育提早的綜合效應(yīng)，是玉米增產(chǎn)的有效措施［1］。玉米缽育移栽機(jī)是玉米移栽的專用機(jī)械，采用偏心齒輪行星式栽植臂，工作時(shí)秧刀在供苗機(jī)構(gòu)上夾持缽苗隨栽植臂做圓弧運(yùn)動(dòng)，當(dāng)栽植臂運(yùn)動(dòng)最低點(diǎn)時(shí)，秧刀拋苗，缽苗落入種溝內(nèi)，覆土鎮(zhèn)壓完成栽植過程，但缽苗落入種溝內(nèi)易發(fā)生覆土倒苗的現(xiàn)象，已有的研究如周德義設(shè)計(jì)凸輪擺桿式扶苗機(jī)構(gòu)，使缽苗在支撐狀態(tài)下覆土，保證缽苗直立［2］。彭旭等［3］研制柵條式扶苗器，根據(jù)“零速原理”扶苗柵條相對(duì)地面為零位移，保持缽苗落地時(shí)的直立狀態(tài)，防止了缽苗的倒伏或埋沒。曹國(guó)金提出了一種曲柄搖桿推苗機(jī)構(gòu)，缽苗落地后采用推苗機(jī)構(gòu)把缽苗推出開溝器，擠入開溝器的回土中［4］。以上的研究均是采用機(jī)械扶苗，需要另外增加機(jī)構(gòu)，增加了整機(jī)的復(fù)雜性。

因此，在偏心齒輪行星式栽植臂基礎(chǔ)上，使缽苗落入到溝底時(shí)的傾斜方向與覆土流的方向相反，利用覆土流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的力將缽苗扶正，既保證了缽苗直立度又可適應(yīng)高速化作業(yè)?；谶@種理念，對(duì)投苗的過程中缽苗的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了研究，建立了缽苗翻轉(zhuǎn)及位移變化的運(yùn)動(dòng)方程，為覆土器及鎮(zhèn)壓器的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

1 玉米植質(zhì)缽育移栽機(jī)工作原理

如圖1，玉米植質(zhì)缽育移栽機(jī)由秧箱、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、栽植臂、開溝器、覆土器組成。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞給移栽機(jī)，通過變速箱調(diào)節(jié)供苗秧箱的供苗速度和栽植速度。事先將缽苗擺放在秧箱內(nèi)，秧箱內(nèi)的缽苗傾斜方向與機(jī)車前進(jìn)方向相反，移栽臂2旋轉(zhuǎn)到5的位置將缽苗夾持。利用“零速投苗”原理，使缽苗落地時(shí)絕對(duì)速度為零。保證栽植臂與機(jī)架角度相對(duì)固定時(shí)，控制投苗延遲角，使缽苗適當(dāng)后傾，從而利用覆土作用的扶正缽苗，再由鎮(zhèn)壓輪鎮(zhèn)壓完成整個(gè)栽植的過程。

圖1 玉米植質(zhì)缽育移栽機(jī)示意圖Fig.1 Diagram of corn planting bowl seedling transplanting machine

2 玉米缽苗位移變化分析

玉米植質(zhì)缽育秧苗在栽植的過程中，與地面接觸后產(chǎn)生傾斜，其傾斜方向與覆土流的方向相反，應(yīng)保證缽苗在落地的瞬間即與覆土流接觸，利用覆土流的作用力將其扶正，過早或過晚的接觸都會(huì)出現(xiàn)倒苗、覆苗的現(xiàn)象，影響栽植質(zhì)量。綜上所述，玉米植質(zhì)缽苗在栽植過程中位移變化量決定著覆土器的安裝位置。下面以秧刀開始夾持缽苗的位置為基點(diǎn)，分析缽苗的位移變化規(guī)律。秧刀端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)為秧刀自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和機(jī)車運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示，1為秧刀隨栽植臂自轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，2為合運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。秧刀自轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為［6］：

φ0—偏心齒輪軸心連線與水平軸的夾角

φ3—軸心距連線轉(zhuǎn)動(dòng)的角度4

φ—行星輪絕對(duì)角位移

L—齒輪的直徑

S—行星輪軸心到秧刀端點(diǎn)的距離

α0—行星輪心和秧刀端點(diǎn)連線與偏心齒輪軸心連線夾角

秧刀自轉(zhuǎn)的速度為

則缽苗隨秧刀自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的位移為

v0機(jī)車前進(jìn)速度

缽苗脫離秧刀到落入種溝內(nèi)的位移變化為：

下落時(shí)間t

即以秧刀開始夾持缽苗的位置為基點(diǎn)，缽苗移栽的位移變化量為

圖2 秧刀運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.2 Movement trajectory of seedling knife

3 玉米缽苗移栽角度變化分析

玉米植質(zhì)缽育移栽機(jī)采用偏心齒輪行星式夾持秧刀，秧刀運(yùn)動(dòng)到夾持點(diǎn)，夾持缽苗，缽苗與水平呈一定夾角，當(dāng)缽苗脫離秧刀后在夾持點(diǎn)產(chǎn)生切向速度，但由于秧刀對(duì)缽苗的夾持點(diǎn)與缽苗的質(zhì)心不在同一點(diǎn)，下落過程中缽苗繞質(zhì)心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，落地角度發(fā)生改變。落地角度影響覆土器的覆土夾角。所以應(yīng)缽苗進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及力學(xué)分析，建立缽苗角度變化方程，為覆土器的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

如圖3所示通過實(shí)驗(yàn)方法得到缽苗的質(zhì)心為B點(diǎn)，A點(diǎn)秧刀的夾持點(diǎn)。

圖3 缽苗落地角度及位移示意圖Fig.3 Diagram of seedling angle and displacement

根據(jù)栽植臂運(yùn)動(dòng)的軌跡方程得到拋苗時(shí)A點(diǎn)產(chǎn)生的切向速度v為

缽苗脫離秧刀下路的過程中只受到重力的作用故其豎直方向機(jī)械能守恒，即

mvl sinα=mv0h sin b

則缽苗落地角度方程為：

根據(jù)已有研究得到，栽植臂需在“零速投苗”狀態(tài)下進(jìn)行投苗，保持缽苗的直立度及穩(wěn)定性。即得到機(jī)車前進(jìn)速度為0.43 m·s-1，栽植臂角速度為2 rad·s-1時(shí)，栽植臂運(yùn)動(dòng)半徑105 mm，即影響缽苗落地角度的因素為拋苗時(shí)缽苗離地高度h。根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)及機(jī)器的干涉性，缽苗拋苗的離地高度的變化范圍為150≤h≤250（mm），即得到不同高度下缽苗的位移變化曲線及角度變化曲線。

由圖4可知在不同高度條件下，隨著高度的減小，缽苗與水平面的夾角不斷增大。表明缽苗向后傾斜的幅度越來越小。由圖5可知，隨著高度增加水平位移變大，在高度150，其水平位移為4.8 cm，隨著高度的增加水平位移不斷變大，但高度越高落地時(shí)缽苗的沖力就越大，容易發(fā)生彈跳，所以選取高度150 mm時(shí)投苗，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6所示。

圖4 高度與角度變化關(guān)系Fig.4 The variation between height and angle

圖5 高度與水平位移變化關(guān)系Fig.5 The variation between height and horizontal displacement

圖6 高度150 mm時(shí)缽苗運(yùn)動(dòng)軌跡圖Fig.6 Diagram ofseedlingmovementlocusin theheightof150 mm

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)儀器

為了對(duì)玉米植質(zhì)缽苗的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行驗(yàn)證，制作了試驗(yàn)臺(tái)并進(jìn)行了驗(yàn)證。使用TCC-3土槽自動(dòng)化試驗(yàn)車做牽引動(dòng)力。栽植臂的栽植頻率通過變頻器（型號(hào)為ZVF9V-P0015T4SDR，變頻范圍：0～400 Hz）控制三異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速為1 110轉(zhuǎn)·min-1，額定功率1.1 KW）進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用美國(guó)Vision Research公司生產(chǎn)的V5.1型高速攝像機(jī)和深圳生產(chǎn)的楓雨杰TM牌500萬像素?cái)z像頭，并利用MIDIAS、Excel和Photoshop對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

4.2 試驗(yàn)材料

以正常的田間管理對(duì)玉米植質(zhì)缽苗進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，玉米缽苗生長(zhǎng)到三葉一心時(shí)的玉米植質(zhì)缽盤作為試驗(yàn)材料，尺寸為42 mm×35 mm×32 mm，質(zhì)量M=0.56 kg。

4.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用V5.1高速攝像機(jī)，拍攝頻率為125幀·s-1，即兩幀圖片相隔時(shí)間為0.008。機(jī)車前進(jìn)速度0.43 m·s-1，栽植臂角速度為2 rad·s-1，缽苗投苗離地高度范圍150≤h≤250（mm），在其中分別取10個(gè)點(diǎn)，對(duì)每個(gè)點(diǎn)的位移及角度變化進(jìn)行分析。

4.4 結(jié)果分析

通過高速攝像得到的缽苗投苗實(shí)際運(yùn)動(dòng)圖像如圖4所示，以秧刀開始夾持缽苗的位置為基點(diǎn)，缽苗存在水平位移，在空中有翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，其翻轉(zhuǎn)方向與機(jī)車前進(jìn)方向相反。與地面接觸后具有向后傾斜的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，與理論分析的缽苗運(yùn)動(dòng)情況基本一致。

圖7 缽苗投苗過程Fig.7 Seedling sending process

利用MIDIAS軟件分析不同高度下缽苗角度和水平位移的變化曲線圖及在高度150 mm其運(yùn)動(dòng)軌跡，與理論分析所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證理論分析得到運(yùn)動(dòng)方程的正確性。高速攝像曲線與理論分析曲線擬合如下圖所示。

圖8 高度與角度變化關(guān)系Fig.8 The variation between height and angle

圖9 高度與水平位移關(guān)系曲線Fig.9 The curve of height and horizontal displacement

通過擬合曲線圖可知，高速攝像所得到的曲線圖與理論分析得到的曲線圖相識(shí)度90%以上，理論分析得到的運(yùn)動(dòng)方程基本符合實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況。存在差異主要是由于機(jī)器的工作的不穩(wěn)定性以及行駛中的震動(dòng)。

圖10 高度150 mm時(shí)缽苗運(yùn)動(dòng)軌跡圖Fig.10 Seedling movement locus of 150 mm height

5 結(jié)論

通過理論分析建立缽苗運(yùn)動(dòng)軌跡方程和下落過程中角度變化方程，并通過高速攝像進(jìn)行驗(yàn)證理論分析的正確性。得到以下結(jié)論：

（1）落地角度隨投苗高度的增加而增大。水平位移隨投苗高度的增加而增大。

（2）根據(jù)最小位移量確定最佳投苗高度150 mm，在此高度下缽苗落地角度為19.3°，水平位移48 mm。

（3）利用高速攝像及MIDIAS分析軟件來研究玉米植質(zhì)缽苗運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律是一種可行的方法。

［1］郭建平，王春乙，馬樹慶.玉米育苗移栽防御低溫冷害和春旱試驗(yàn)研究［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2003，12（1）：116-120.

［2］馬樹慶，襲祝香，王琪.中國(guó)東北地區(qū)玉米低溫冷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2003，12（3）：137-141.

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［8］王一夫，王新利.黑龍江墾區(qū)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展水平分析［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，26（1）：99-104.

Study on Trajectory Path and Landing Form of Corn Planting Seedling

Liu Hongli，Zhang W ei
（College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

According to the phenomenon of the displacement and turning appeared in the process of corn planting seedling，the motion trail of the corn plant seedling was analyzed.Through the theoretical analysis the state of corn planting pot seedlings and the rule of displacement of maize pot seedling，the equation of seedling landing angle and displacement was established，and the curve figure of angle and displacement of pot seedlings was obtained.High-speed photography was used to analyze the actual movement of seedling，the results showed that the curve corresponded with theoretical analysis curve，which proved the correctness of the theoretical analysis.When the forward speed of the locomotive was 0.43 m·s-1，planting arm angular velocity was 2 rad·s-1，the best height of seedling was 150 mm，the pot seedling horizontal displacement was 48 mm，the degrees of the landing angle was 19.3°.It would provide the basis for the study of casing.

transplanting machine；corn planting seedling；landing trajectory；motion trail analysis

S223.2+6

A

1002-2090（2016）03-0124-05

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.03.024

2015-03-20

教育部高校博士點(diǎn)基金（玉米植質(zhì)缽育移栽機(jī)械關(guān)鍵裝置的理論研究與試驗(yàn)：20092305110002）。

劉洪利（1990-），男，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院2012級(jí)碩士研究生。

張偉，男，教授，博士研究生導(dǎo)師，E-mail：zhang66wei@163.com。