玉米缽苗頂出式有序分秧機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

尹大慶，張 爍，辛 亮※，張心雨，，周脈樂(lè)

（1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2. 雷沃重工股份有限公司天津雷沃阿波斯技術(shù)中心，天津 300402）

0 引 言

玉米是全世界分布最廣的糧食作物之一，在糧食安全問(wèn)題中占有極其重要的地位[1]。玉米缽苗移栽較直播可以大幅度提高玉米單產(chǎn)，一般可提高產(chǎn)量 10%以上；缽苗大棚育秧，與大田播種相比發(fā)芽率不受春旱和春澇的影響；在黑龍江、吉林等地，這一技術(shù)相當(dāng)于可以增加玉米生長(zhǎng)大約 200 ℃的積溫，可以選擇積溫更高的玉米品種，從而大幅度提高玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)；同時(shí)，缽苗移栽可使玉米大田生長(zhǎng)期減少10 d左右，解決了前后茬作物生長(zhǎng)期相加積溫不夠的矛盾[2-3]。

旱田缽苗移栽機(jī)械，主要有半自動(dòng)和全自動(dòng) 2種。半自動(dòng)缽苗移栽機(jī)[4-9]主要依靠人工分秧，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，難以用于玉米移栽。而全自動(dòng)旱田缽苗移栽技術(shù)與裝備主要為歐共體和日本處于國(guó)際領(lǐng)先地位。歐共體30多年前迫于經(jīng)濟(jì)作物缽苗移栽的需求，當(dāng)時(shí)正值信息化技術(shù)帶動(dòng)了機(jī)電一體化的發(fā)展[10-13]，研究人員將信息化技術(shù)帶來(lái)的單片機(jī)、電磁閥、氣缸組成機(jī)械手開(kāi)發(fā)了取秧裝置，用帶傳動(dòng)開(kāi)發(fā)了輸送裝置，栽植裝置一般采用鴨嘴式栽植器。為了提高機(jī)器的作業(yè)效率，采用增加取秧機(jī)械手?jǐn)?shù)量的方式完成，從而使成本大幅增高，因此，該種機(jī)型主要用于煙草、蔬菜、花卉[14-17]等經(jīng)濟(jì)作物的移栽，不適用于大田作物移栽。例如 Hakli等[18]研制的將頂出裝置和夾持機(jī)構(gòu)組合形成取苗機(jī)構(gòu)，將成排取出的缽苗放置到輸送帶后進(jìn)行栽植。而日本在此基礎(chǔ)上進(jìn)行發(fā)展，例如 Choi等[19]和 Nakashima等[20]分別提出了曲柄滑道式和行星輪驅(qū)動(dòng)滑道機(jī)械手式取苗裝置進(jìn)行單體取缽秧，均采用滑道機(jī)構(gòu)控制取秧軌跡與姿態(tài)，然后將缽苗落入栽植器進(jìn)行栽植，滑道機(jī)構(gòu)影響了機(jī)構(gòu)的效率。Ye Bingliang等[21]提出了回轉(zhuǎn)式旱田缽苗移栽機(jī)構(gòu)，雖用一個(gè)機(jī)構(gòu)就完成整個(gè)缽苗移栽過(guò)程，但由于其取苗過(guò)程需配合間歇式送秧機(jī)構(gòu)靜止從而完成取苗，因此影響了移栽效率。

為了提高大田玉米缽苗移栽的工作效率、降低裝備成本，本文研制一種杠桿頂出式有序分秧機(jī)構(gòu)，采用連續(xù)送秧與杠桿快速頂出的方式進(jìn)行取苗作業(yè)。對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出關(guān)鍵核心杠桿輪廓曲線的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真分析，最后建立物理樣機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)和田間試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 頂出式有序分秧機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理

當(dāng)送秧機(jī)構(gòu)為間歇運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致作業(yè)效率低，為了解決這個(gè)問(wèn)題，頂出式有序分秧機(jī)構(gòu)所應(yīng)用的送秧機(jī)構(gòu)采用連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的方式。由于連續(xù)頂出式分秧機(jī)構(gòu)在頂桿頂出缽苗和返回的過(guò)程中，秧盤一直在縱向運(yùn)動(dòng)，這就要求頂桿頂出缽苗的時(shí)間必須很短，同時(shí)要求缽盤底部的孔要比頂桿直徑大，允許有足夠的時(shí)間使頂桿在返回的過(guò)程中不會(huì)碰到缽盤。

杠桿頂出式有序分秧機(jī)構(gòu)[22-23]主要由撥桿、杠桿、頂桿、彈簧、缽盤以及缽盤驅(qū)動(dòng)輪等組成。為了實(shí)現(xiàn)頂桿快速將缽苗頂出后迅速收回，即撥桿對(duì)杠桿的作用控制在很短時(shí)間內(nèi)完成，因此，本機(jī)構(gòu)在撥桿和頂桿之間加了一個(gè)杠桿，通過(guò)利用較大的杠桿比，將頂桿較大的線位移轉(zhuǎn)換為杠桿較小的角位移。

具體結(jié)構(gòu)如下：機(jī)構(gòu)在撥桿軸上橫向均布安裝 8個(gè)結(jié)構(gòu)相同的撥桿，有序安裝的撥桿間相位角差為 45°，8個(gè)撥桿分別對(duì)應(yīng)8個(gè)杠桿，8個(gè)杠桿又分別對(duì)應(yīng)縱向距離差相同的8個(gè)頂桿，而8個(gè)頂桿則分別對(duì)應(yīng)著連續(xù)縱向送秧機(jī)構(gòu)中縱向運(yùn)動(dòng)的缽盤中同一排的 8棵缽苗。撥桿軸轉(zhuǎn)動(dòng)1周，秧盤勻速縱向下移40 mm（即2排缽苗間距），由于缽盤中一排秧苗為8棵，每行缽苗從中間開(kāi)始逐漸到兩邊的頂出順序，因此按照順序排列的 2個(gè)頂桿之間的縱向高度差為5 mm，而撥桿的軸間距則通過(guò)塑料缽盤缽體的間距確定，如圖 1所示。其工作原理如下：動(dòng)力通過(guò)撥桿驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)8個(gè)均布安裝的撥桿勻速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)縱向連續(xù)送秧機(jī)構(gòu)與撥桿驅(qū)動(dòng)軸聯(lián)動(dòng)，使縱向送秧機(jī)構(gòu)帶動(dòng)秧盤縱向勻速送秧，當(dāng)每個(gè)撥桿逐次撥動(dòng)對(duì)應(yīng)的杠桿擺動(dòng)，擺動(dòng)的杠桿推動(dòng)其對(duì)應(yīng)的頂桿，頂桿將與其對(duì)應(yīng)的缽苗通過(guò)秧盤底孔快速頂出，頂出后在彈簧的作用下使頂桿迅速?gòu)?fù)位，完成 1次分秧動(dòng)作；隨后機(jī)構(gòu)逐次有序的完成以上動(dòng)作，使各自對(duì)應(yīng)的頂桿頂出連續(xù)縱向運(yùn)動(dòng)的缽苗。該機(jī)構(gòu)撥桿驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)一周可有序的頂出 8棵缽苗，被頂出的缽苗經(jīng)導(dǎo)苗裝置有序?qū)胩镏型辉灾残兄型瓿稍灾?，工作原理如圖1c所示。

圖1 頂出式有序分秧機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖Fig.1 Sketch and working schematic of mechanism of push-out orderly separating seedling

2 機(jī)構(gòu)的理論參數(shù)確定

2.1 相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

為了將玉米缽苗快速而有規(guī)律的從缽盤中連續(xù)頂出且不發(fā)生干涉，頂出過(guò)程則會(huì)產(chǎn)生較大的加速度，同時(shí)缽苗土缽與缽盤之間還有一定的黏著力，因此頂桿能否將缽苗頂出而不扎入缽體是設(shè)計(jì)頂桿運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。因此，本文前期對(duì)玉米缽苗頂出力與扎入力進(jìn)行一系列試驗(yàn)，得出當(dāng)玉米缽苗含水率為 18%時(shí)，利于頂出秧苗，且隨著頂桿位移的增加受到的力也線性增大，當(dāng)力達(dá)到一定值時(shí)增加放緩或不再增加后突然減小。最終結(jié)合缽苗秧盤底孔尺寸以及頂出規(guī)律，選取直徑為8 mm的頂桿，可以實(shí)現(xiàn)頂出位移達(dá)到5 mm前均可以將缽苗從缽體中頂出。

同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)頂出機(jī)構(gòu)與勻速連續(xù)送秧機(jī)構(gòu)配合，準(zhǔn)確地將頂桿所對(duì)應(yīng)的缽苗從秧盤中頂出，機(jī)構(gòu)采用設(shè)計(jì)撥桿軸和秧盤驅(qū)動(dòng)軸連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)速比為24∶1，即撥桿軸每勻速旋轉(zhuǎn)1圈，秧盤驅(qū)動(dòng)裝置勻速旋轉(zhuǎn)15°，秧盤縱向送秧40 mm，實(shí)現(xiàn)同排缽苗有序地將8 棵缽苗頂出，因此按照順序設(shè)計(jì)相鄰頂桿之間的縱向高度差為5 mm。但由于同排缽苗并不是同一時(shí)間被頂出，第1棵缽苗與第8棵缽苗具有一定的高度差，考慮缽盤兩端的缽苗被頂出后，通過(guò)導(dǎo)苗裝置最終要?dú)w到中間位置再栽植到田間，因此每行缽苗設(shè)計(jì)從中間 2棵開(kāi)始頂出，逐漸過(guò)渡到兩邊的頂出順序。

為了實(shí)現(xiàn)頂出式有序分秧機(jī)構(gòu)快速、有效地將缽苗全部頂出，將頂桿所需要的線位移轉(zhuǎn)換為杠桿的角位移時(shí)，杠桿的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。首先對(duì)撥桿與杠桿進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型分析。由于本文采取 8個(gè)相同的撥桿，對(duì)杠桿進(jìn)行依次撥動(dòng)，因此每個(gè)撥桿對(duì)應(yīng)杠桿的輸入力臂相同，當(dāng)處于最高位置的頂桿頂出行程滿足頂出缽苗所需的最小行程即可保證全部頂桿要求。

以撥桿驅(qū)動(dòng)軸中心點(diǎn) O為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系XOY，如圖2所示。撥桿作為主動(dòng)件逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，1是撥桿最大極徑端點(diǎn)所在圓周，其最大極徑的長(zhǎng)度為l1，2是杠桿輸入力臂最大極徑端點(diǎn)所在圓周，其極徑長(zhǎng)度 l2，3是杠桿輸出力臂最大極徑端點(diǎn)所在圓周，其極徑長(zhǎng)度l3，點(diǎn)B為撥桿與杠桿輸入力臂的初始接觸點(diǎn)，點(diǎn)C為撥桿與杠桿輸入力臂的脫離點(diǎn)，點(diǎn) D1為杠桿輸出力臂與頂桿的初始接觸點(diǎn)，頂出缽苗所需的行程為S，點(diǎn) D1′為杠桿將頂桿頂出S時(shí)杠桿輸出力臂與頂桿的接觸點(diǎn)。α1為撥桿的角位移，初始安裝角為α10，α2為杠桿的角位移，初始安裝角為α20。杠桿所需轉(zhuǎn)角為∠D1AD1′，杠桿轉(zhuǎn)角Δα2，撥桿轉(zhuǎn)角為Δα1。所涉及長(zhǎng)度單位均為mm，角度單位為rad。

撥桿最大極徑點(diǎn)的軌跡方程為：

杠桿輸入力臂最大極徑點(diǎn)的軌跡方程為：

杠桿輸入力臂最大極徑點(diǎn)與杠桿支撐軸中心 A 點(diǎn)連線的直線AB方程為：

各角位移及轉(zhuǎn)角，撥桿、杠桿的生成角位移和轉(zhuǎn)角由B、C點(diǎn)決定。令 α2=α20，求得：

圖2 杠桿頂出式分秧機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.2 Kinematic sketch of mechanism of push-out orderly separating seedling

2.2 漸開(kāi)線反轉(zhuǎn)法設(shè)計(jì)杠桿輪廓曲線

由于頂桿運(yùn)動(dòng)直線水平線位移較大，且頂桿較細(xì)，因此，在滿足最小傳動(dòng)角的條件下，必須使頂桿在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的有效推力最大，從而使機(jī)構(gòu)受力良好，減小橫向分力。

為了實(shí)現(xiàn)偏心直動(dòng)從動(dòng)件最大有效受力，本文提出一種“漸開(kāi)線反轉(zhuǎn)法”來(lái)設(shè)計(jì)偏心、直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪輪廓曲線即杠桿輪廓曲線。其主要原理就是杠桿（凸輪）不動(dòng)，頂桿（從動(dòng)件）的中心線保持與偏心圓（以杠桿中心為中心，以偏心距為半徑所做的圓）相切并繞杠桿中心以杠桿推程轉(zhuǎn)動(dòng)方向的反方向旋轉(zhuǎn)，以頂桿端部所包絡(luò)的曲線為漸開(kāi)線時(shí)，杠桿對(duì)頂桿的作用力始終沿著頂桿的軸線（忽略摩擦力的影響）。而偏心圓就是漸開(kāi)線的基圓，頂桿的軸線就是漸開(kāi)線的發(fā)生線，發(fā)生線是漸開(kāi)線的法線。因此杠桿推動(dòng)頂桿工作時(shí)，相當(dāng)于偏心圓（基圓）與頂桿的軸線（發(fā)生線）做純滾動(dòng)，頂桿的位移等于基圓轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)（取決于偏心圓的半徑和轉(zhuǎn)過(guò)的角度）。

以杠桿中心A為原點(diǎn)建立如圖 3所示直角坐標(biāo)系，若想完成將缽苗全部頂出，頂桿的工作行程為S（mm），頂桿與杠桿的輪廓線在初始接觸點(diǎn) D1點(diǎn)處的坐標(biāo)為(xD1,yD1)，則按漸開(kāi)線反轉(zhuǎn)法的原理所做的基圓以原點(diǎn)A為圓心，以 |yD1|（mm）為半徑r所在的圓周。

圖3 杠桿輪廓曲線解析法求解坐標(biāo)系Fig.3 Coordinate of lever contour curve constructed

設(shè)頂桿與杠桿的輪廓線在任意 D1′點(diǎn)接觸，D1′點(diǎn)的坐標(biāo)為(x,y)，過(guò) D1′點(diǎn)做基圓的切線，切點(diǎn)為A′，直線AA′與X軸正向的夾角α2（rad），則A′點(diǎn)的坐標(biāo)為(rcosα2,r s in α2)。而 D1′點(diǎn)與A′點(diǎn)之間的距離 lD1′A′為：

則可求得杠桿輪廓曲線上任意1D′點(diǎn)的坐標(biāo)方程為：

式中2α的取值范圍是：

通過(guò)Matlab編程[24-25]求出各點(diǎn)坐標(biāo)，并直接利用其“polyfit”命令進(jìn)行曲線多項(xiàng)式擬合，其中解析法擬合結(jié)果各取6個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值見(jiàn)表1。

表1 解析法坐標(biāo)值Table 1 Analytical normal coordinate

由于共有8個(gè)撥桿和8個(gè)杠桿，撥桿的結(jié)構(gòu)和尺寸基本相同，但每個(gè)杠桿的理論曲線和尺寸都不相同，為了便于加工和降低成本，將8個(gè)杠桿設(shè)計(jì)成完全相同的。經(jīng)過(guò)對(duì)每條杠桿的輪廓曲線進(jìn)行分析和比對(duì)，取所有曲線的中間結(jié)果，作為杠桿的輪廓曲線。

為了將缽苗順利頂出，頂桿頂入深度必須大于缽?fù)氲母叨?，即頂桿的行程要至少40 mm，而根據(jù)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)首先確定已知頂桿行程S=40 mm、撥桿最大極徑l1=95 mm和頂桿的初始位置坐標(biāo) ( xD1,0)為（115 mm,0）。為了達(dá)到頂桿行程一定的情況下，控制撥桿與杠桿接觸時(shí)間最小，即撥桿轉(zhuǎn)過(guò)的角度最小，確定參數(shù)的約束條件，包括杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)中心坐標(biāo)位置–90 mm≤ xA≤–60 mm，60 mm≤ yA≤90 mm；杠桿輸入力臂長(zhǎng)度 25 mm＜l2＜35 mm；杠桿的初始安裝角270°＜α20＜320°；以及為了使杠桿受力合理，杠桿輸出與輸入力臂長(zhǎng)度之比為 3左右等目標(biāo)。最終優(yōu)化得出一組參數(shù)，即杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸坐標(biāo)(xA, yA)為（–80 mm, 89.5 mm），杠桿輸入力臂極徑長(zhǎng)度l2=28 mm，杠桿的初始安裝角α20為314°，得到撥桿轉(zhuǎn)過(guò)的角度 Δα1為 7.31°。

3 虛擬樣機(jī)仿真分析

根據(jù)上述理論分析確定機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)后，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維模型建模，并導(dǎo)入 ADAMS動(dòng)力學(xué)虛擬軟件中進(jìn)行虛擬仿真。通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能進(jìn)行虛擬仿真驗(yàn)證，其頂桿仿真位移與杠桿角位移變化運(yùn)動(dòng)規(guī)律相一致，如圖 4所示，與理論設(shè)計(jì)參數(shù)基本保持一致，從而驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)運(yùn)行的合理性。

圖4 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析曲線Fig.4 Kinematic analysis curve

同時(shí)為了分析機(jī)構(gòu)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中機(jī)架的受力和振動(dòng)情況，擬進(jìn)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真和構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)特性仿真[26-27]，圖5是杠桿作用于頂桿X、Y方向的作用力變化情況。

圖5 杠桿對(duì)頂桿的力曲線Fig.5 Force curve of lever to ejector pin

從仿真結(jié)果分析可得出：為了節(jié)約成本利于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，在將撥桿、杠桿和頂桿的結(jié)構(gòu)全部統(tǒng)一加工的情況下，頂桿在頂出缽苗過(guò)程中的受力變化比較均勻。各受力點(diǎn)處X方向上的作用力均大于Y方向，且Y方向分力很小，這與頂桿做水平直線運(yùn)動(dòng)相符，這也充分驗(yàn)證了本文基于最大有效受力的凸輪輪廓曲線所設(shè)計(jì)的杠桿正確性。在復(fù)位回程中，頂桿在X方向受力有較大突變，這是由于彈簧的快速?gòu)?fù)位產(chǎn)生的沖擊所造成。曲線不夠光滑有波動(dòng)，這主要是因?yàn)楦鳂?gòu)件是絕對(duì)剛體，沒(méi)有彈性變形，兩處輪廓曲線相互作用下，較小的速度變化也會(huì)產(chǎn)生較大的加速度。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

4.1 缽苗頂出翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)

玉米缽苗被頂出秧盤時(shí)的狀態(tài)基本為秧苗和土缽水平橫放位置。由于土缽和秧苗的空氣阻尼系數(shù)不同，理論上土缽和秧苗在被頂出時(shí)首先做包含旋轉(zhuǎn)的自由落體運(yùn)動(dòng)[28]。直到轉(zhuǎn)至土缽在下秧苗在上的基本直立狀態(tài)，轉(zhuǎn)動(dòng)停止。缽苗開(kāi)始做平移的自由落體運(yùn)動(dòng)。

試驗(yàn)?zāi)康模豪徝绫豁敵龊蟮倪\(yùn)動(dòng)狀態(tài)與土缽質(zhì)量和秧苗大小有直接關(guān)系，因此對(duì)不同質(zhì)量與秧苗高度的玉米缽苗進(jìn)行試驗(yàn)，探究缽苗滿足什么條件時(shí)直立下落。

試驗(yàn)材料：品種為東農(nóng)253的玉米缽苗，苗齡19～25 d，3葉1心到4葉一心，土缽質(zhì)量分別為5、10、15、20、25 g，秧苗高度約100～180 mm，手工育苗，土壤種類為黑土（土壤密度2 650 g/mm3）。

評(píng)價(jià)指標(biāo)：以轉(zhuǎn)體高度為考核指標(biāo)，由于缽苗首先做包含旋轉(zhuǎn)的自由落體運(yùn)動(dòng)，直到轉(zhuǎn)至土缽在下秧苗在上的基本直立狀態(tài)，轉(zhuǎn)動(dòng)停止，缽苗在此過(guò)程中下落的鉛垂距離稱為其轉(zhuǎn)體高度。

試驗(yàn)方法：首先將含水率相同、土缽質(zhì)量不同的缽苗在適合移栽且秧苗高度相同的條件下將秧苗水平橫向由底部頂出，每個(gè)土缽質(zhì)量的缽苗重復(fù)試驗(yàn)1盤（120棵），探究土缽質(zhì)量對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，即轉(zhuǎn)體高度的影響；而后，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選擇土缽質(zhì)量相同、高度不同的缽苗，每個(gè)高度缽苗選取1盤（120棵）重復(fù)試驗(yàn)，探究秧苗高度對(duì)轉(zhuǎn)體高度的影響。試驗(yàn)過(guò)程利用Phantom v5.1型高速數(shù)碼攝影機(jī)對(duì)頂出后的缽苗下落過(guò)程進(jìn)行正向監(jiān)測(cè)，并在背景處安放測(cè)量尺作為標(biāo)尺，通過(guò) Phantom Camera Control分析軟件對(duì)缽苗轉(zhuǎn)體高度進(jìn)行測(cè)量，精度為1 mm。

圖6 土缽質(zhì)量對(duì)轉(zhuǎn)體高度的影響曲線Fig.6 Influence curve of soil bowl weight on rotary height

圖7 秧苗高度對(duì)轉(zhuǎn)體高度的影響曲線Fig.7 Influence curve of seedling height on rotary height

試驗(yàn)結(jié)果分析：

圖6是在秧苗高度相同（均為160 mm）的條件下，5組不同土缽質(zhì)量對(duì)轉(zhuǎn)體高度的影響曲線，圖中顯示數(shù)據(jù)為1組秧苗的平均試驗(yàn)數(shù)值，可以看出秧苗高度相同時(shí)，土缽質(zhì)量大于5 g小于15 g時(shí)，缽苗的轉(zhuǎn)體高度隨著土缽質(zhì)量的增加先減小后增加，從圖中可以觀察到理想值為9～13 g，因此，最終選定土缽質(zhì)量為10 g。

圖7是選定土缽質(zhì)量為10 g后，秧苗高度對(duì)轉(zhuǎn)體高度的影響曲線，同樣圖中顯示數(shù)據(jù)為 1組秧苗的平均試驗(yàn)數(shù)值，可以看出，缽苗的轉(zhuǎn)體高度隨著秧苗高度增加而減小。但是在試驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，秧苗隨著苗齡的增加，土缽內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)不足，在秧苗超過(guò)180 mm后，部分秧苗會(huì)出現(xiàn)葉部發(fā)黃，且長(zhǎng)勢(shì)基本停滯。

因此，本著缽苗轉(zhuǎn)體高度較小的原則，基于上述試驗(yàn)確定：當(dāng)土缽質(zhì)量為10 g、秧苗高度160 mm時(shí)，玉米缽苗的轉(zhuǎn)體高度適宜栽植。因此，根據(jù)土壤密度、土缽質(zhì)量以及圓臺(tái)體積，即可確定秧盤設(shè)計(jì)尺寸，并可根據(jù)缽苗的轉(zhuǎn)體高度對(duì)該機(jī)構(gòu)距離地面的高度進(jìn)行設(shè)計(jì)。為樣機(jī)的設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)，同時(shí)也驗(yàn)證了頂出式落苗的可行性。

4.2 頂出均勻性試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康模河捎谟行蚍盅頃r(shí)，缽苗出盤后至落地的運(yùn)動(dòng)總時(shí)間，影響株距均勻性。塑料缽盤上每行缽苗有8棵，由于縱向送秧是連續(xù)的，同一行的缽苗并不在相同的高度上被頂出，頂出速度也不盡相同，所以缽苗頂出后落地時(shí)間的差異需要進(jìn)行試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)材料：選取質(zhì)量為10 g、缽苗高度160 mm、含水率為18%的缽苗作為試驗(yàn)對(duì)象。

評(píng)價(jià)指標(biāo)：以缽苗被橫向頂出后，最終直立落地所經(jīng)歷的時(shí)間間隔作為評(píng)價(jià)缽苗均勻度的指標(biāo)。

試驗(yàn)方法：由于缽苗含水率越高，不能被頂出的棵數(shù)越多，同時(shí)隨著撥桿轉(zhuǎn)速的增加，不能被頂出的棵數(shù)也會(huì)增加。而當(dāng)缽苗盤根效果較好且在恰當(dāng)?shù)暮蕰r(shí)，撥桿轉(zhuǎn)速的增加，對(duì)頂出效果影響不是很大。因此為了有效的進(jìn)行均勻性試驗(yàn)測(cè)試，采用所設(shè)計(jì)的物理樣機(jī)，設(shè)定撥桿軸轉(zhuǎn)速約為30 r/min（每分鐘240棵苗），采用高速攝像對(duì)缽苗的落地時(shí)間間隔進(jìn)行記錄，如圖9所示，測(cè)量連續(xù)12棵缽苗頂出后到達(dá)離地面相同高度的時(shí)間，重復(fù)試驗(yàn)240組，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果取平均值，所得結(jié)果如表2所示。

圖8 玉米缽苗頂出試驗(yàn)的高速攝像Fig.8 High speed photograph of maize pot seedling ejection test

表2 缽苗頂出后的均勻性Table 2 Homogeneity of pot seedlings after ejection

從試驗(yàn)的結(jié)果看，缽苗被頂出后到下降到相同高度所用的時(shí)間并不規(guī)律，其原因是多方面的，包括盡管頂桿頂出時(shí)間間隔相同，但由于每棵缽苗的個(gè)體差異，頂出速度不盡相同，且降落過(guò)程中不同的姿態(tài)也會(huì)影響缽苗的降落速度。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算，用實(shí)際時(shí)間間隔與其平均值求差，相對(duì)于平均值的變化即可計(jì)算出每個(gè)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差，通過(guò)計(jì)算，時(shí)間間隔的最大相對(duì)誤差為10.99%，平均相對(duì)誤差為4.07%，因此缽苗頂出后的時(shí)間間隔能夠滿足工作需要[29]。

4.3 田間試驗(yàn)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)樣機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，加工了整機(jī)物理樣機(jī)，并進(jìn)行了田間移栽試驗(yàn)，試驗(yàn)方法主要參照《栽植機(jī)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)與檢測(cè)方法》[29]。

試驗(yàn)材料：選取東農(nóng)253玉米品種缽苗，秧齡20 d，缽苗平均質(zhì)量為10 g，秧苗平均高度為160 mm，2盤共240棵秧苗。

試驗(yàn)時(shí)間及地點(diǎn)：2015年10月，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)具實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)田。

試驗(yàn)方法：試驗(yàn)設(shè)定機(jī)具行走速度為2.5 km/h，單行作業(yè)，株距為250 mm，頂出式有序分秧機(jī)構(gòu)栽植頻率為160 棵/min，進(jìn)行田間試驗(yàn)并記錄移栽后栽植結(jié)果。

評(píng)價(jià)指標(biāo)：根據(jù)田間試驗(yàn)移栽玉米缽苗的質(zhì)量，以移栽成功率作為田間試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。移栽成功率的計(jì)算公式為：

式中 Q為移栽成功率，%；w1為移栽合格數(shù)；w為總移栽數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果：在土壤整地良好的地塊，通過(guò)開(kāi)溝器兩側(cè)回流的土壤和覆土輪對(duì)土壤二次覆土后，可將頂出的缽苗固定于苗溝，完成缽苗的移栽作業(yè)，最終共有 217個(gè)移栽合格，因此該樣機(jī)在田間作業(yè)時(shí)的性能測(cè)試結(jié)果為移栽成功率90.4%，滿足移栽要求。整機(jī)作業(yè)效率達(dá)到160棵/min，高于現(xiàn)有傳統(tǒng)旱田缽苗移栽機(jī)100棵/min以下的作業(yè)效率。埋苗率即秧苗移栽后被土壤埋沒(méi)而影響正常生長(zhǎng)的數(shù)量占總移栽數(shù)量的百分比，埋苗率為4.2%；露苗率即移栽的秧苗缽體裸露在地表影響生長(zhǎng)的數(shù)量與移栽總數(shù)量的百分比，露苗率為2.8%；株距變異系數(shù)即株距的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值百分比，結(jié)果為 16%，均符合旱地栽植標(biāo)準(zhǔn)[30]。圖 9為物理樣機(jī)在田間作業(yè)的情況。相對(duì)于其他移栽形式，沒(méi)有強(qiáng)制夾苗機(jī)構(gòu)，沒(méi)有傷苗情況發(fā)生。需要注意的是在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)開(kāi)溝器入土深度對(duì)栽植質(zhì)量影響很大，需要根據(jù)土壤情況及時(shí)調(diào)整。

圖9 整機(jī)作業(yè)情況Fig.9 Operation diagram of machine

5 結(jié) 論

1）本文提出的杠桿頂出式有序分秧機(jī)構(gòu)，能夠在連續(xù)送秧的情況下完成有序分秧，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)并提高了作業(yè)效率。

2）基于從動(dòng)件最大有效受力而提出的“漸開(kāi)線反轉(zhuǎn)法”設(shè)計(jì)偏心直動(dòng)盤形凸輪輪廓曲線，通過(guò)解析法求得了杠桿輪廓曲線。

3）高速攝像試驗(yàn)結(jié)果證明玉米缽苗分秧后是有序的，時(shí)間間隔基本一致，平均時(shí)間間隔誤差為4.07%以內(nèi)，滿足均勻度要求；而田間試驗(yàn)獲得了 90.4%的移栽成功率，表明所設(shè)計(jì)的參數(shù)是合理的。

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