夾缽式水稻缽苗移栽機構(gòu)設(shè)計與試驗

俞高紅 金 也 常數(shù)數(shù) 葉秉良 顧錦波 趙 雄

(1.浙江理工大學(xué)機械與自動控制學(xué)院， 杭州 310018； 2.浙江省種植裝備技術(shù)重點實驗室， 杭州 310018；3.浙江小精農(nóng)機制造有限公司， 紹興 312000)

0 引言

當前，國內(nèi)外水稻移栽技術(shù)主要分為毯狀苗插秧和缽苗移栽[1]。毯狀苗插秧的均勻性與栽植苗直立度均較好，但取苗作業(yè)會對水稻苗根部產(chǎn)生撕扯，對苗根傷害較大，不能完整保留根部的生長基質(zhì)與營養(yǎng)成分，延長了水稻苗的緩苗期[2]；缽苗移栽技術(shù)利用塑料缽苗盤培育水稻缽苗，取苗時對苗根幾乎無傷害，移栽后缽苗根部的營養(yǎng)土缽也可以較好地保留，栽植的缽苗分蘗早，此外，將缽苗種在溫度較高的土表，有利于水稻缽苗的生長[3]。缽苗移栽又分為拋秧和擺栽，拋秧方式的特點是植苗比較淺，缽苗的損傷輕、返青快與分蘗早，但移栽的水稻苗易倒伏，植苗的直立度也比較差；擺栽方式不僅具備拋秧方式的優(yōu)點，且移栽的缽苗直立度較好。日本井關(guān)農(nóng)機株式會社研發(fā)了一種水稻缽苗擺栽機，通過頂出機構(gòu)、輸送帶機構(gòu)和擺栽機構(gòu)的配合完成取苗、送苗和植苗作業(yè)。該擺栽機移栽質(zhì)量較高，栽植的缽苗均勻有序，但擺栽機的擺栽臂沒有推秧機構(gòu)，移栽過程中容易出現(xiàn)帶苗現(xiàn)象，頂出機構(gòu)對送秧機構(gòu)的精度和缽盤育秧質(zhì)量要求很高，且該擺栽機構(gòu)由3套機構(gòu)配合完成，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價格也比較昂貴[4-5]。本課題組設(shè)計了多種夾苗式非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機構(gòu)[6-11]，該類機構(gòu)由齒輪傳動部分和移栽臂組成，通過非圓齒輪傳動使移栽臂形成滿足水稻缽苗移栽要求的姿態(tài)和軌跡，可以依次實現(xiàn)取苗、送苗和植苗3個動作，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，傳動平穩(wěn)、效率高。但該類移栽機構(gòu)是通過移栽臂上的秧片夾緊缽苗根莖部進行取苗，容易夾傷缽苗莖稈，同時當秧片上粘有泥土?xí)r，易導(dǎo)致取苗成功率下降；并且，夾苗式取苗方式存在推秧爪不能完全推土缽的現(xiàn)象，致使缽苗下落初速度不夠大，影響缽苗栽植的直立度。

為了改善水稻缽苗取苗的成功率和栽植的直立度，同時減少傷苗，本文提出一種移栽機構(gòu)——夾缽式水稻缽苗移栽機構(gòu)。該移栽機構(gòu)可實現(xiàn)一種新的取苗方式——夾缽式取苗，即通過移栽臂的秧針直接插入穴盤中夾住缽苗的缽?fù)吝M行取苗，然后送苗至推苗位置，土缽在推秧爪的作用下被推離秧針，實現(xiàn)插秧作業(yè)，使缽苗栽植后有較好的直立度。該移栽機構(gòu)是一種非圓齒輪行星輪系機構(gòu)，在液態(tài)施肥機扎穴機構(gòu)[12-13]和蔬菜缽苗取苗[14-16]中已有類似的應(yīng)用。本文基于機構(gòu)運動學(xué)模型和Visual Basic 6.0(VB)軟件平臺，開發(fā)機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化軟件[16-18]，通過人機交互的方式尋求滿足水稻缽苗移栽要求的工作軌跡和機構(gòu)參數(shù)；然后進行移栽機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，試制移栽機構(gòu)樣機并進行臺架試驗，通過試驗驗證移栽機構(gòu)設(shè)計的合理性。

1 夾缽式移栽機構(gòu)工作原理

夾缽式水稻缽苗移栽機要求移栽機構(gòu)模擬人手把缽苗從缽苗盤中取出，到達推苗位置后以一定的初速度推出，使缽苗植入水田中，接著移栽機構(gòu)重復(fù)上述動作。通過分析現(xiàn)有的移栽機構(gòu)的軌跡特點，為了順利從缽盤中夾取缽苗，要求有一段具有一定長度的“尖嘴型”移栽軌跡，同時移栽臂進入和退出缽盤的軌跡段之間的夾角不能太大，并且進入和退出段的軌跡要盡量平直。

圖1 夾缽式水稻缽苗移栽機構(gòu)Fig.1 Schematics of potted rice seedling transplanting mechanism1.移栽軌跡 2、12.行星橢圓齒輪 3、9.第一中間非圓齒輪 4、10.第二中間橢圓齒輪 5、11.凹鎖止弧 6.凸鎖止弧 7.太陽輪 8.行星架 13、14.移栽臂 15.缽盤 16.凸輪 17.撥叉18.彈簧 19.彈簧座 20.推秧桿 21.秧針 22.秧爪 23.缽苗

為了實現(xiàn)上述工作要求，本文參考文獻[14-15，19]，仍采用文獻[19]的移栽機構(gòu)構(gòu)型，提出一種如圖1a所示的移栽機構(gòu)，該移栽機構(gòu)的工作原理如下(該機構(gòu)屬于對稱機構(gòu)，現(xiàn)以一側(cè)的齒輪傳動為例說明工作原理)：太陽輪7與機架固接，行星架8繞回轉(zhuǎn)中心O點按順時針方向轉(zhuǎn)動，第一中間非圓齒輪3與太陽輪7有齒部分嚙合，第二中間橢圓齒輪4與行星橢圓齒輪2嚙合，第一中間非圓齒輪3與第二中間橢圓齒輪4同軸固連，通過兩對非圓齒輪嚙合傳動，使移栽臂14相對行星架8做非勻速間歇轉(zhuǎn)動；ABC段為移栽機構(gòu)的取秧段，移栽臂14進入缽盤15前秧針21完全張開，凸輪16推動撥叉17，秧針21在秧爪22的作用下開始夾緊缽苗23的土缽，當移栽臂尖點到達缽盤底部時(B點)，秧針21完全夾緊土缽，然后缽苗23隨著秧針21一起往缽盤外運動，實現(xiàn)取苗。CD段為移栽機構(gòu)的持秧段，此時第一中間非圓齒輪3與太陽輪7脫開嚙合，與第一中間非圓齒輪3固連的凹鎖止弧5和與太陽輪7固連的凸鎖止弧6相對滑動，移栽臂14與行星架8保持相對靜止，夾持缽苗23運動。DE段為移栽機構(gòu)的推秧段，推秧桿20在彈簧18作用下向下推苗，秧針21完全張開，秧爪22迅速推出，缽苗23以一定的初速度植入水田中，實現(xiàn)栽植苗。EA段為移栽機構(gòu)的回程段，秧針21在推完苗后一直保持張開狀態(tài)，直到下一次取苗開始。移栽臂14一方面隨著行星架作勻速轉(zhuǎn)動，同時又相對行星架8作反方向的非勻速間歇轉(zhuǎn)動，在這兩種運動的復(fù)合下，形成了可以滿足移栽工作要求的移栽軌跡ABCDEA。

2 移栽機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

如圖2所示，以不完全非圓齒輪(太陽輪)1的固定中心O點為坐標原點，建立坐標系XOY。太陽輪1固定不動，行星架6繞O點從初始位置順時針轉(zhuǎn)動。移栽機構(gòu)的初始位置如圖2a，圖2b為行星架轉(zhuǎn)過角度φ1時機構(gòu)的位置狀態(tài)(以逆時針方向為正方向)。參考文獻[19]，得到第一中間非圓齒輪的節(jié)曲線表達式

圖2 移栽機構(gòu)示意圖Fig.2 Schematics of transplanting mechanism1.不完全非圓齒輪(太陽輪) 2.凸鎖止弧 3.凹鎖止弧 4.第一中間非圓齒輪 5.第二中間橢圓齒輪 6.行星架 7.行星橢圓齒輪 8.移栽臂

式中m1、m2、m3、m4——待定系數(shù)

φ2——中間非圓齒輪相對行星架OF的角位移

秧針尖點A的位移方程與速度方程為

(1)

(2)

式中L1——第一級齒輪中心距(OF)

φ0——行星架初始角位移

φ3——行星橢圓齒輪相對行星架角位移

φ30——初始位置時行星橢圓齒輪7相對行星架OFG的角位移

a——橢圓齒輪長半軸長度

δ0——行星架OF與FG的夾角

S——行星橢圓齒輪轉(zhuǎn)動中心G到秧針尖點A的距離

λ——初始位置時秧針尖點A與行星橢圓齒輪轉(zhuǎn)動中心G點之間的連線相對行星橢圓齒輪長軸的夾角

2.1 移栽機構(gòu)運動學(xué)目標與優(yōu)化變量

為了使移栽機構(gòu)的秧針能夠直接插入缽穴夾取缽苗的土缽進行取苗，并在推苗位置進行推苗，需要保證移栽機構(gòu)有較好的移栽軌跡和姿態(tài)。優(yōu)化目標具體要求如下：①兩移栽臂間不能發(fā)生運動干涉。②移栽臂不能與秧箱和未被移栽的缽苗發(fā)生干涉。③尖點軌跡在取苗階段的軌跡盡可能接近直線，使秧針可以直進直出完成取苗作業(yè)，保證取出缽苗時不與缽盤發(fā)生干涉。④移栽軌跡進入穴盤的深度約14 mm，保證兩秧針可以夾緊缽苗的缽?fù)敛课?。⑤取秧?秧針夾緊缽苗時與水平線的夾角)要求在5°～12°之間。⑥秧針插入缽穴進行取苗時，不能碰到該缽穴缽苗的莖稈，否則會導(dǎo)致缽苗莖稈的損傷。⑦推秧角(推秧時，秧針與水平線的夾角)要求在55°～60°之間，推秧角與取秧角的差值越接近缽苗盤與水平線的夾角，栽植后水稻苗的直立度就越好，本文設(shè)定缽盤的傾角為50°。⑧移栽靜軌跡高度大于260 mm，避免“搭橋”問題(前一株水稻苗的葉子隨著后一株水稻苗的根一起被植入田間)[20]，移栽靜軌跡是移栽機靜止，移栽機構(gòu)繞中心軸回轉(zhuǎn)時，秧針尖點形成的軌跡。⑨在移栽動軌跡中，秧針尖點的回程段軌跡要求先朝上然后再向前，移栽臂在完成推苗后不會推倒已植好的缽苗，移栽動軌跡是移栽機構(gòu)隨著移栽機前進時繞著中心軸回轉(zhuǎn)，秧針尖點形成的軌跡。

優(yōu)化變量包括：第一中間非圓齒輪的節(jié)曲線參數(shù)m1、m2、m3和m4；橢圓齒輪長半軸長度a；太陽輪有齒部分對應(yīng)的圓心角α；移栽臂的初始安裝角α0；移栽機構(gòu)的行星架OF與FG的夾角δ0；太陽輪的初始安裝角φ0；移栽臂尖點到行星輪旋轉(zhuǎn)中心的距離S。

移栽機構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化是一類多參數(shù)多目標耦合的復(fù)雜優(yōu)化問題，某一個目標的改變都會引起其他目標的變化，都會對移栽軌跡的形狀和移栽臂的姿態(tài)造成比較大的影響，所以本文設(shè)定以上目標要求為主要優(yōu)化目標，借助專家經(jīng)驗，通過人機交互方式，尋求一組“非劣”解，滿足移栽機構(gòu)取苗和插秧的工作要求。

2.2 關(guān)鍵參數(shù)對移栽軌跡的影響

圖3 優(yōu)化軟件主界面Fig.3 Optimizing software main interface

根據(jù)建立的移栽機構(gòu)運動學(xué)模型，并依托VB軟件平臺，開發(fā)夾缽式水稻缽苗移栽機構(gòu)輔助分析與優(yōu)化軟件，見圖3。影響移栽臂姿態(tài)和移栽軌跡形狀的參數(shù)較多，各參數(shù)影響的效果不同且相互關(guān)聯(lián)。因此，分析各個參數(shù)對優(yōu)化目標的影響從而總結(jié)出相應(yīng)的變化規(guī)律，使用控制變量法分析單個參數(shù)對移栽機構(gòu)工作軌跡的影響。人機交互參數(shù)優(yōu)化軟件主界面主要有：菜單及編輯欄、圖形顯示區(qū)、輸入?yún)?shù)區(qū)和輸出結(jié)果區(qū)。

由構(gòu)造的第一中間非圓齒輪節(jié)曲線表達式R2(φ2)，根據(jù)試湊法得出，當m2=0.5、m3=-0.5時，第一中間非圓齒輪節(jié)曲線比較光滑，且這兩個參數(shù)的值上下微變時，移栽軌跡變化幅度很小，所以在此不做過多分析。主要考慮系數(shù)m1與m4的變化對移栽軌跡的影響規(guī)律。如圖4a所示，當m1由15增大到16時，移栽軌跡在取秧段發(fā)生了明顯變化，推秧段幾乎一致，取秧段部分越來越尖；由16增大到17時，取秧段軌跡尖嘴變大。因為夾缽式移栽機構(gòu)是要插進缽盤中進行取苗，所以取秧段寬度不宜太大，防止秧針在穴盤中擺動過大傷到缽苗。如圖4b所示，當m4逐漸增大時，取秧段的環(huán)扣越來越大，但推秧的直立度逐漸變好。m1、m2、m3和m4的選值具有強耦合性，需同時優(yōu)化。

如圖4c所示，a不僅影響軌跡的整體大小，還會影響取秧角和推秧角。當a增大時，取秧角逐漸變小，推秧角逐漸變大，這比較符合移栽軌跡的要求，但是夾缽式的移栽機構(gòu)需要考慮軌跡在穴盤內(nèi)一段的形狀，在穴盤內(nèi)軌跡段與水平面夾角太小將會導(dǎo)致秧針插破缽盤，并且移栽機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)需要盡可能緊湊。

α直接決定移栽軌跡中移栽臂持秧段的長度。如圖4d所示，當α增大時，移栽軌跡在推秧段保持不變，在取秧段有了明顯變化，持秧段開始的時間越來越早，并且取秧段的軌跡與水平面夾角越來越小。考慮到缽苗盤與水平面的角度，取秧段與水平面夾角太大，就會出現(xiàn)移栽臂在取苗前撞傷缽苗的問題；夾角太小，秧針進入穴盤內(nèi)的深度就會很小，取不出缽苗。

如圖4e所示，α0主要影響移栽軌跡的推秧角和取秧段的形狀，當α0由20°增大到22°時，移栽軌跡取秧段由環(huán)扣逐漸變?yōu)榧庾?，逐漸符合移栽軌跡的要求，但隨著α0由22°繼續(xù)增大到24°時，取秧段的軌跡長度越來越小，導(dǎo)致取秧深度變淺；此外，推秧角越小，移栽后的缽苗的直立度越差。

圖4 關(guān)鍵參數(shù)對移栽軌跡的影響Fig.4 Effect of key parameters on transplant trajectory

如圖4f所示，δ0對移栽軌跡的取秧段和推秧段均有影響。當行星架OF與FG的夾角增大時，移栽軌跡整體上移，取秧角逐漸變小，但取苗效果變差，推秧角也逐漸變小并且軌跡后傾。

如圖4g所示，在φ0取值不同時，移栽軌跡的大小和形狀保持不變，只有取秧角和推秧角在變化。當φ0增大時，取秧角逐漸減小，但是推秧角也逐漸變小且推秧段軌跡后傾越來越嚴重，移栽臂回程中會撞倒已栽植的缽苗。

如圖4h所示，當S增大時，移栽軌跡整體逐漸變大，在取秧段有較大變化，取秧段軌跡的尖嘴越來越長、越來越尖，使秧針可以達到插入缽盤中取苗的效果。但是S值過大將會導(dǎo)致兩移栽臂之間互相干涉。

2.3 移栽機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)以上各個關(guān)鍵參數(shù)對移栽軌跡影響的分析，基于自主編寫的優(yōu)化軟件，最終得出一組既符合移栽軌跡形狀要求又符合移栽臂姿態(tài)要求的機構(gòu)參數(shù)。優(yōu)化后的參數(shù)為m1=16、m2=0.5、m3=-0.5、m4=0.9、a=24.5 mm、α=280°、α0=22°、δ0=30°、φ0=55°、S=165 mm。

優(yōu)化后秧針尖點的移栽靜軌跡如圖5所示，從圖中可以看出，取秧段軌跡呈“尖嘴”型，取苗時秧針運動接近直進直出，優(yōu)化目標結(jié)果如表1所示。表中傾角θ如圖6所示。

圖5 移栽機構(gòu)靜軌跡 Fig.5 Relative motion trajectory of transplanting mechanism

由優(yōu)化軟件可以看出，在整個移栽過程中兩移栽臂之間、移栽臂與秧箱間都沒發(fā)生干涉現(xiàn)象。因此，這組機構(gòu)參數(shù)可以滿足文中設(shè)定的優(yōu)化目標和約束條件。圖6所示為一個移栽周期內(nèi)兩個移栽臂尖點的動軌跡，水稻缽苗的株距H為180 mm。在優(yōu)化軟件中減小株距H，移栽機構(gòu)動軌跡的前傾現(xiàn)象會有明顯改善，即秧針尖點在回程段軌跡先朝上然后再向前運動，移栽臂在完成推苗后不會推倒已植的缽苗。

表1 優(yōu)化目標結(jié)果Tab.1 Optimized objective results

圖6 移栽機構(gòu)動軌跡Fig.6 Absolute motion trajectory of transplanting mechanism1、2.移栽動軌跡 3.水稻缽苗

3 移栽機構(gòu)試驗

3.1 試驗臺設(shè)計

試驗臺(圖7)主要包括機架、傳動系統(tǒng)、送秧裝置和移栽機構(gòu)。送秧裝置包含秧箱、橫向送秧機構(gòu)和縱向送秧機構(gòu)。機構(gòu)簡圖如圖8所示，動力從主動橢圓齒輪1處輸入，通過主動橢圓齒輪1與從動橢圓齒輪2嚙合實現(xiàn)雙螺旋軸3的非勻速轉(zhuǎn)動，通過滑塊4嵌入雙螺旋軸3溝槽實現(xiàn)秧箱14的橫向往復(fù)非勻速移動。擺桿6和平行四連桿7固連在秧箱上。當滑塊4移動到左右2個極限位置時，與雙螺旋軸固連的凸輪5撞擊擺桿6，實現(xiàn)平行四連桿7的間歇運動，平行四連桿7驅(qū)動棘輪8實現(xiàn)縱向單向間歇運動。棘輪8和主動鏈輪10固連在主動鏈輪軸9上，輸送鏈條11上安裝有鋼絲12，嵌入缽盤13背面的溝槽中，主動鏈輪10間歇轉(zhuǎn)動帶動輸送鏈條11將缽盤13向下移動一個缽距，實現(xiàn)縱向換行。

圖7 試驗臺模型圖Fig.7 Model chart of test bed1.機架 2.縱向送秧機構(gòu) 3.擺桿 4.凸輪 5.橫向送秧機構(gòu)6.傳動系統(tǒng) 7.移栽機構(gòu) 8.秧箱

圖8 送秧裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.8 Structural sketch of seedling feeding device1.主動橢圓齒輪 2.從動橢圓齒輪 3.雙螺旋軸 4.滑塊 5.凸輪 6.擺桿 7.平行四連桿 8.棘輪 9.主動鏈輪軸 10.主動鏈輪 11.輸送鏈條 12.鋼絲 13.缽盤 14.秧箱 15.從動鏈輪 16.從動鏈輪軸

縱向送秧機構(gòu)實現(xiàn)缽苗的縱向間歇輸送，每次輸送1行缽苗，其機構(gòu)簡圖如圖9所示，由雙螺旋軸上的凸輪驅(qū)動主動擺桿1擺動，通過連桿2帶動從動搖桿8擺動，再由棘爪6驅(qū)動棘輪10轉(zhuǎn)過1個齒，實現(xiàn)縱向送秧1次。

圖9 縱向送秧機構(gòu)簡圖Fig.9 Schematic of longitudinal rice seedling delivery mechanism1.主動擺桿 2.連桿 3.解鎖桿 4.解鎖桿扭簧 5.解鎖桿擋板 6.驅(qū)動棘爪 7.驅(qū)動棘爪扭簧 8.從動搖桿 9.平行四連桿扭簧 10.驅(qū)動棘輪 11.止動棘輪 12.止動棘爪 13.止動棘爪扭簧

橫向送秧利用橢圓齒輪傳動和雙螺旋軸傳動實現(xiàn)往復(fù)非勻速移動，使得移栽機構(gòu)在取苗時，橫向送秧速度較慢，有利于提高取苗的成功率，當移栽機構(gòu)不取苗時，橫向送秧速度較快，保證取苗的效率。

橢圓齒輪傳動關(guān)系式為

(3)

式中θ1——主動橢圓齒輪角位移

θ2——從動橢圓齒輪角位移

k——橢圓齒輪偏心率

夾缽式移栽機構(gòu)運行時，秧針需要插入缽盤進行取苗，秧針從插入缽盤到拔出缽苗的過程中，秧箱仍在橫向移動，存在橫向偏移。由于雙螺旋軸的螺距P=20 mm，所以隨著雙螺旋軸的轉(zhuǎn)動，秧箱的橫向偏移量為

(4)

式中 Δθ2——秧針開始插入缽苗盤到秧針完全退出缽苗盤的過程中，從動橢圓齒輪轉(zhuǎn)過的角度

夾缽式水稻缽苗移栽機構(gòu)移栽臂從秧針開始插入缽苗盤到秧針完全退出缽苗盤的過程中，移栽機構(gòu)轉(zhuǎn)過了59°，主動橢圓齒輪與移栽機構(gòu)之間存在傳動比i=2的齒輪傳動，主動橢圓齒輪應(yīng)轉(zhuǎn)過118°。因此，為了使橫向偏移量最小，當θ1=120°時，移栽機構(gòu)秧針開始插入缽苗盤，而當θ1=240°時，移栽機構(gòu)秧針完全退出缽苗盤。

(5)

橢圓齒輪偏心率k越大，橫向送秧速度變化越劇烈，但是送秧時會產(chǎn)生較大的振動，不利于取苗。偏心率k對橫向送秧偏移量l的影響如圖10所示。

圖10 偏心率k對橫向送秧偏移量l的影響Fig.10 Effect of eccentricity k on transverse seedling displacement l

綜合考慮橫向送秧偏移量、變速效果和機構(gòu)振動的影響，選擇偏心率k為0.3的橢圓齒輪傳動實現(xiàn)秧箱橫向的非勻速移動，此時取秧時橫向移動產(chǎn)生的偏移量l=3.838 mm，而采用圓柱齒輪傳動時，橫向移動產(chǎn)生的偏移量為6.667 mm。

3.2 移栽機構(gòu)靜軌跡分析

將移栽機構(gòu)安裝在試驗臺架上進行空轉(zhuǎn)試驗，拍攝移栽機構(gòu)工作視頻，利用Photoshop軟件分析繪制移栽機構(gòu)靜軌跡如圖11b所示，圖11a為移栽機構(gòu)仿真分析靜軌跡，圖11c為移栽機構(gòu)理論計算靜軌跡，移栽機構(gòu)物理樣機的測試靜軌跡與仿真靜軌跡基本保持一致，而理論計算靜軌跡的底部有一個尖點，是在不完全非圓齒輪(太陽輪)與第一中間非圓齒輪剛開始嚙合時產(chǎn)生，這個嚙合時刻會產(chǎn)生傳動沖擊，為了減少沖擊，在機構(gòu)設(shè)計時在太陽輪與第一中間非圓齒輪之間加裝了緩沖裝置，使軌跡下端尖點變?yōu)閳A弧，其余部分軌跡與測試靜軌跡均一致。

圖11 移栽機構(gòu)靜軌跡對比Fig.11 Comparison of relative movement trajectories of transplanting mechanism

3.3 移栽機構(gòu)取苗試驗

圖12 夾缽式水稻缽苗移栽試驗臺Fig.12 Rice bowl seedling transplanting test stand with bowl type

為了檢驗移栽機構(gòu)在實際工作中的移栽工作性能，將裝配好的移栽機構(gòu)安裝在水稻缽苗試驗臺(圖12)上，開展機構(gòu)的取苗與推苗試驗，試驗采用14×29穴的缽盤。

通過多次試驗發(fā)現(xiàn)，移栽臂從開始取苗到夾緊缽苗的過程中，進入缽穴的深度為14 mm，取苗角約為7°，推苗角約為58°，推苗角與取苗角的差值為51°。圖13所示為移栽機構(gòu)在推苗時刻的位置與移栽臂的姿態(tài)。

圖13 推苗位置Fig.13 Seedling position

開展移栽機構(gòu)取苗試驗，共進行了兩組試驗。使移栽機構(gòu)的轉(zhuǎn)速分別為50、60、70、80 r/min，采用攝像機拍攝移栽機構(gòu)運轉(zhuǎn)過程，記錄缽盤空穴與取苗失敗數(shù)，分析機構(gòu)取苗成功率。

第1組試驗用的缽苗長勢茂盛，但是空穴數(shù)量較多，缽苗土質(zhì)為泥土，第1組取苗試驗結(jié)果見表2。第2組試驗用的缽苗生長整齊一致，空穴數(shù)量較小，缽苗土質(zhì)為基質(zhì)，第2組取苗試驗結(jié)果見表3。

當移栽機構(gòu)轉(zhuǎn)速為50 r/min時，共進行了5組試驗，實際取苗總數(shù)為677，失敗總數(shù)為47，平均取苗成功率為93.06%，成功率隨著轉(zhuǎn)速的提高而降低，當轉(zhuǎn)速為80 r/min時，共進行了2組試驗，平均取苗成功率為88.89%。

表2 第1組缽苗移栽試驗結(jié)果Tab.2 Test results of plug-seedlings transplanting in the first group

表3 第2組缽苗移栽試驗結(jié)果Tab.3 Test results of plug-seedlings transplanting in the second group

由于第2組缽?fù)翞榛|(zhì)，與缽盤間的吸附力較小，當移栽機構(gòu)轉(zhuǎn)速增大到70 r/min后，縱向送秧換行時容易引起缽?fù)琳鹇洌虼说?組試驗70 r/min時的空穴率較其他轉(zhuǎn)速有顯著提高。第2組試驗缽盤空穴數(shù)量較少，但是相鄰缽苗根系盤在一起，取苗時容易將相鄰穴內(nèi)的缽苗一起帶出，導(dǎo)致試驗時空穴數(shù)量比實際偏高。

移栽機構(gòu)的臺架試驗表明，移栽臂能夠精確實現(xiàn)取苗和推苗動作，對于生長較好的缽苗，可以得到良好的試驗效果。但在速度較快的情況下，取苗成功率降低，這與育苗的質(zhì)量、機構(gòu)的加工精度、移栽臂上兩秧針尖點張開時的距離、夾緊缽苗時的閉合程度及試驗臺的運行誤差都有較大關(guān)系。通過后期的改善，增大兩秧針尖點張開時的距離，增加秧針插入土缽的角度使得秧針更好的夾緊缽苗；改進秧針形狀使得剛進入缽盤時夾緊缽苗的速度較低，而當秧針尖點到達缽盤底部時，夾緊速度存在一個突變，“突然”的夾緊使得移栽臂更好的夾緊缽苗。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)水稻缽苗移栽要求，提出了一種新型旋轉(zhuǎn)式移栽機構(gòu)——夾缽式水稻缽苗移栽機構(gòu)，分析了該移栽機構(gòu)的工作原理。

(2)開發(fā)了移栽機構(gòu)輔助分析與優(yōu)化軟件，分析了各個關(guān)鍵參數(shù)對移栽軌跡的影響，獲得了一組適合水稻缽苗移栽要求的機構(gòu)參數(shù)，m1=16，m2=0.5，m3=-0.5，m4=0.9，a=24.5 mm，α=280°，α0=22°，δ0=30°，φ0=55°，S=165 mm。

(3)對移栽機構(gòu)進行虛擬仿真分析，設(shè)計了水稻缽苗移栽試驗臺并進行了臺架試驗，仿真分析得到的靜軌跡與試驗測試、理論計算得到的靜軌跡進行了對比，驗證了參數(shù)優(yōu)化結(jié)果的正確性；進行了移栽機構(gòu)的取苗試驗，移栽機構(gòu)轉(zhuǎn)速為50 r/min時，平均取苗成功率為93.06%，當轉(zhuǎn)速為80 r/min時，平均取苗成功率為88.89%，取苗成功率隨著轉(zhuǎn)速的提高而降低，表明該機構(gòu)具有較高的取苗效率和取苗成功率，可應(yīng)用于水稻缽苗移栽機上。