變行距水稻缽苗移栽機移栽裝置設計與試驗

蔡金平 劉木華 肖麗萍 林金龍 葉洋洋 楊紅飛

(1.江西農(nóng)業(yè)大學工學院， 南昌 330045； 2.江西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室， 南昌 330045)

0 引言

水稻缽苗移栽傷秧小、返青快，且抗倒伏能力強，千粒質量提高，籽粒更加充實，具有顯著的增產(chǎn)優(yōu)勢[1-2]。為此，國內(nèi)外學者對水稻缽苗移栽機進行了廣泛的研究，包春江等[3]研制了水稻缽苗空氣整根氣吸式有序移栽機，該機通過產(chǎn)生氣體壓差一次完成4個缽苗的移栽。宋建農(nóng)等[4-5]研制出對輥式水稻缽苗行栽機，缽苗在重力的作用下掉落移栽到水田中。俞高紅、葉秉良等[6-15]研制了頂出式、夾苗式、夾缽式等一系列非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機構，這些機構能夠較好地實現(xiàn)缽苗移栽。孫良等[16]、辛亮[17]研制了水稻缽苗寬窄行移栽機構，能實現(xiàn)缽苗寬窄行移栽?，F(xiàn)有水稻缽苗移栽機大多為固定行距移栽，不能適應南方雙季稻區(qū)多種行距種植模式的農(nóng)藝要求。如江西省水稻種植需要同時適應晚稻和雜交稻稀植、早稻密植，以及超級稻小行距制種，即需要適應230～300 mm行距移栽的種植需求[18]，因此開展變行距缽苗移栽機研制很有必要。

現(xiàn)有水稻缽苗移栽機構需實現(xiàn)曲線相對復雜的封閉式取苗軌跡[19-20]，而且水稻缽苗變行距移栽需要實現(xiàn)不同行距輸送秧苗。本文在歩距式水稻插秧機的基礎上，通過分析水稻缽苗拔取運動特性和缽苗下落姿態(tài)與運動特性，設計一種取苗軌跡簡單、能實現(xiàn)不同行距輸送秧苗的變行距移栽裝置，為變行距水稻缽苗移栽機的設計提供依據(jù)。

1 結構與工作原理

變行距水稻缽苗移栽機結構如圖1所示，移栽裝置主要由實現(xiàn)取苗的取苗連桿機構、苗夾與輸苗筒等組成。動力總成通過鏈傳動將動力傳遞到縱向移苗機構、橫向移苗機構和移栽裝置，實現(xiàn)移栽機行走、移苗、取苗與投苗之間運動的協(xié)調(diào)性。

取苗連桿機構帶動苗夾運動至載苗臺上的取苗點時，迅速閉合完成夾持缽苗的動作，隨著取苗連桿機構的進一步運動苗夾夾持缽苗離開取苗點完成取苗；苗夾在隨取苗連桿機構運動至投苗點的過程中旋轉調(diào)整缽苗下落時姿態(tài)即缽苗與水平方向夾角，苗夾運動至投苗點時張開將缽苗投入輸苗筒完成投苗；缽苗投入輸苗筒后與其傾斜壁面碰撞滑行后落入水田，既要保持較好的直立度、不倒伏，同時要保證等株距的移栽作業(yè)要求。

水稻缽苗變行距移栽的關鍵在于變行距輸苗，其中圖1所示的輸苗筒是實現(xiàn)變行距輸苗的關鍵。裝置設計時，不改變載苗臺300 mm的取苗間距，利用缽苗下落時與可移動輸苗筒傾斜壁面碰撞而改變其行距。如圖2所示，通過輸苗筒在位置Ⅰ與位置Ⅱ之間平移，實現(xiàn)230～300 mm行距輸苗要求。

圖1 變行距水稻缽苗移栽機結構示意圖Fig.1 Structural diagrams of variable row-spacing of pot seedling transplanter1.動力總成 2.移栽裝置 3.載苗臺 4.縱向移苗機構 5.橫向移苗機構 6.取苗連桿固定架 7.苗夾 8.拉線 9.苗夾控制凸輪機構 10.移苗動力箱 11.取苗連桿機構 12.動力輸出橫桿 13.鏈輪 14.輸苗筒 15.輸苗筒固定架

圖2 輸苗筒變行距輸苗工作過程示意圖Fig.2 Schematic of rice pot seedling transplanting process with variable row-spacing

2 關鍵部件設計與參數(shù)確定

移栽裝置是整個移栽機的核心部件之一，取苗成功率、投苗位置準確性與缽苗下落至水田的直立度將直接影響移栽效果。

2.1 取苗連桿機構

2.1.1取苗運動軌跡分析

由取苗原理知取苗軌跡即為苗夾夾苗點M的運動軌跡，同時需保證軌跡通過取苗點M1與投苗點M2。為確定夾苗點M運動軌跡，以圖1中動力輸出橫桿為原點O建立坐標系，如圖3所示。

圖3 取苗連桿機構取苗運動示意圖Fig.3 Working schematic of pick-up mechanism

前期進行了缽苗拔取特性試驗，結果表明拔取力與缽苗呈45°夾角時拔取力最小，拔取位置在距缽土表面15 mm時缽苗拉斷概率最低[21]；結合載苗臺結構參數(shù)確定取苗點M1的位置參數(shù)L1=376 mm、H4=123.7 mm，即M1坐標為(376 mm，123.7 mm)。

根據(jù)已有研究表明：缽苗自由下落位置與水田表面距離超過500 mm時可保證缽苗入水田不倒伏且直立度好[22]，考慮到缽苗與輸苗筒碰撞、摩擦，設定投苗點M2與水田豎直距離H1=600 mm，由原機型可知作業(yè)時動力輸出橫桿與水田高度H3=342 mm，得H2=258 mm；由輸苗筒空間安裝位置確定L2=205 mm，即M2坐標為(205 mm，258 mm)。

在已知取苗軌跡的情況下，采用優(yōu)化設計確定取苗連桿機構的結構參數(shù)。由于受取苗空間結構限制，動力輸出與取、投苗點距離較大，若直接采用曲柄搖桿機構實現(xiàn)目標取苗軌跡，將可能出現(xiàn)由于桿長偏大而導致機構振動大、運動不準確等問題。因此采用如圖3所示雙曲柄機構ABCD與曲柄搖桿機構AEFG的組合機構實現(xiàn)所需的目標取苗軌跡。

2.1.2雙曲柄機構設計

雙曲柄機構ABCD結構簡圖如圖4所示，為確定其結構參數(shù)，建立運動學模型。

圖4 雙曲柄機構簡圖Fig.4 Diagram of double crank mechanism

假定取苗過程中苗夾與取苗機構固定即夾苗點M與連桿BC位置固定，根據(jù)圖4建立矢量封閉方程

lAM=lAB+lBC+lCM

(1)

將矢量方程轉換為解析方程，得夾苗點M的位移方程為

(2)

其中

式中 (xA,yA)——機架A點坐標，mm

l1——曲柄AB長度，mm

l2——連桿BC長度，mm

l3——機架AD長度，mm

l4——曲柄CD長度，mm

l5——CM距離，mm

l6——BD距離，mm

β——BD與機架AD的夾角，(°)

φ1——曲柄AB角位移，(°)

φ2——連桿BC角位移，(°)

φ3——機架AD與X軸夾角，(°)

φ4——連桿BC與桿CM夾角,(°)

點M速度方程為

(3)

(4)

雙曲柄機構桿長還需滿足如下約束條件：

(1)由雙曲柄機構確定最短桿為AD桿，且所有桿長需大于零，得

(5)

(2)由曲柄存在條件得

(6)

(3)由機架安裝位置點A需在機架與載苗臺之間得

g6(x)=-xA<0

(7)

根據(jù)以上約束條件借助Matlab軟件求解，得優(yōu)化后設計參數(shù)：xA=25 mm、yA=-75.5 mm、l1=169.7 mm、l2=78.5 mm、l3=45.9 mm、l4=186.7 mm、l5=186.3 mm、φ3=13°、φ4=59.4°。

2.1.3曲柄搖桿機構設計

由搖桿AE與曲柄AB剛性連接，可確定其擺角ψ=50°；因縮短缽苗夾持時間可減少苗夾對缽苗莖稈的損傷[23]，取曲柄搖桿機構行程速比系數(shù)K=1.25，最小傳動角γmin=40°，曲柄搖桿機構簡圖如圖5所示。

圖5 曲柄搖桿機構簡圖Fig.5 Diagram of crank-rocker mechanism

根據(jù)機械原理中行程系數(shù)比關系式得

(8)

式中θ——曲柄搖桿機構AEFG極位夾角，(°)

根據(jù)圖5中的△AEG、△AE′G和△EE′G，利用余弦定理得

(9)

式中l(wèi)7——曲柄FG長度，mm

l8——連桿EF長度，mm

l9——搖桿AE長度，mm

l10——機架AG長度，mm

θ1——搖桿AE終止相角，(°)

根據(jù)最小傳動角γmin計算關系得

(10)

由機械原理可知在速比系數(shù)K與搖桿AE擺角ψ已確定，機架的長度將不影響搖桿AE的運動速度，考慮機架AG的空間安裝位置，設定l10=140 mm，將γmin=40°、ψ=50°代入式(8)～(10)，得曲柄搖桿機構設計參數(shù)l7=54 mm、l8=107.6 mm、l9=133.5 mm。

根據(jù)取苗連桿機構中曲柄AB與搖桿AE的連接特性及雙曲柄機構ABCD與曲柄搖桿機構AEFG的極限位置，確定如圖3所示復合機構的安裝位置角θ1=22°、θ2=8.5°。

2.2 苗夾機構

苗夾機構是取、投苗的執(zhí)行部件，如圖6所示，主要由苗夾、拉線、彈簧、苗夾運動控制凸輪(包括開合凸輪和旋轉凸輪)等組成，運動控制凸輪為苗夾機構核心零件，其通過彈簧與拉線實現(xiàn)苗夾的運動要求。開合凸輪控制苗夾在取苗點M1時能閉合取苗，在投苗點M2時張開投苗；旋轉凸輪控制苗夾旋轉調(diào)節(jié)投苗時缽苗下落姿態(tài)。

圖6 苗夾機構工作原理圖Fig.6 Working schematic of seedling collecting mechanism1.苗夾固定架 2.取苗連桿機構 3.開合凸輪 4.旋轉凸輪 5.彈簧 6.拉線 7.苗夾

苗夾由兩個苗夾片及其固聯(lián)的不完全齒輪實現(xiàn)苗夾的開合運動，由夾苗點M與苗夾片旋轉中心W距離、缽苗盤缽孔直徑，以及苗夾片旋轉中心W與拉線固定點R距離，計算出兩苗夾片開口張角為14°，從而確定開合凸輪行程為10 mm。

根據(jù)取苗連桿機構計算知，缽苗到達投苗點時與水平方向的夾角為-15°，前期試驗表明當缽苗與水平方向夾角小于15°下落時與輸苗筒碰撞后可能出現(xiàn)缽體朝上苗朝下的“倒栽蔥”現(xiàn)象，損傷秧苗且不符合栽植需求[20]，因此通過苗夾固定架繞Q點旋轉調(diào)整缽苗下落姿態(tài)。由于受空間限制，在滿足投苗角度要求的情況下，旋轉凸輪取較小的行程以減小其結構尺寸，因此設定苗夾固定架旋轉角為35°，此時缽苗與水平夾角為20°，大于投苗所需最小水平夾角，符合投苗角度要求。且根據(jù)點T、P、Q幾何關系可確定旋轉凸輪行程為25 mm。

取苗連桿機構作業(yè)時，苗夾到達取苗點時迅速閉合夾緊，要求開合凸輪回程角減?。坏竭_投苗點時苗夾應完成旋轉再張開投苗，根據(jù)取苗機構的運動參數(shù)、苗夾運動需求確定凸輪的設計參數(shù)如表1所示。

表1 凸輪設計參數(shù)Tab.1 Structural parameters of cam

為減小開合凸輪與旋轉凸輪運動過程中的沖擊，增加凸輪機構的穩(wěn)定性，選用正弦運動曲線，得凸輪從動件運動曲線方程為

(11)

式中s——凸輪從動件位移，mm

r0——凸輪基圓半徑，mm

φ——凸輪運動轉角，(°)

h——凸輪行程，mm

Φ——凸輪推程角，(°)

Φ′——凸輪回程角，(°)

Φs——凸輪遠休止角，(°)

Φ′s——凸輪近休止角，(°)

根據(jù)反轉法原理與滾子圓族包絡線方程并結合圖6建立的XOY坐標系得凸輪實際輪廓曲線方程為

(12)

式中 (XT,YT)——凸輪實際輪廓線坐標，mm

rT——凸輪滾子半徑，mm

利用Pro/E軟件參數(shù)化建模設計盤形凸輪結構，完成凸輪的三維建模，如圖7所示。

圖7 凸輪三維模型Fig.7 3D model of cam

2.3 取苗過程運動仿真與分析

為了分析取苗連桿機構與苗夾機構運動相關性，將Pro/E軟件所建立的取苗連桿機構和苗夾機構三維模型導入ADAMS軟件中，設置各連接點約束條件，并假定取苗連桿機構與凸輪運動轉速為60 r/min，苗夾運動起始位置為取苗點。圖8a所示為優(yōu)化設計的取苗連桿機構取苗軌跡仿真曲線，從圖中可看出仿真取苗軌跡與設計目標取苗軌跡基本重合。

又根據(jù)取苗連桿機構轉速并結合式(2)計算出取苗、投苗、取苗的3個時刻分別為0、0.44、1.0 s。從圖8b中可以看出，夾苗點M速度在這3個時刻為速度零點，滿足實際取、投苗點速度為零的運動要求。

從圖8c可以看出，0～0.44 s時，開合凸輪處于近休止角而苗夾一直保持夾緊狀態(tài)，當0.44 s時凸輪進入升程苗夾開始張開，到1.0 s時凸輪快速完成回程苗夾迅速閉合，實現(xiàn)取苗時苗夾迅速夾緊，投苗時苗夾張開；苗夾在夾緊和張開時已經(jīng)完成旋轉并處于靜止狀態(tài)，所以不影響取、投苗速度。

結合圖8b、8c可得出，取苗時苗夾夾緊，投苗時苗夾張開，滿足取苗運動的要求。驗證了取苗連桿機構與苗夾機構之間運動的同步性。

圖8 取苗運動過程仿真曲線Fig.8 Kinematic simulation curves of seedling pick-up mechanism

2.4 輸苗筒參數(shù)設計

輸苗行距小于300 mm時缽苗下落過程中將與輸苗筒壁面發(fā)生碰撞、滑行，如行距230 mm輸苗時缽苗下落過程如圖9所示?，F(xiàn)有研究表明缽苗在輸苗筒中的滑行摩擦阻力不能忽略[24]，由于缽苗下落后在各輸苗筒壁面滑行距離不同，因此缽苗摩擦能量損失不一致，如果輸苗筒設計不合理，將引起缽苗下落至水田的時刻不同從而導致移栽時的株距偏差，而不能保證等株距輸苗要求。

圖9 230 mm行距輸苗時缽苗下落過程示意圖Fig.9 Falling schematic of pot seedlings with 230 mm distance

圖10 缽苗下落時在輸苗筒中運動受力分析Fig.10 Analysis of movement of pot seedling falling into tube

若實現(xiàn)等株距輸苗需滿足缽苗下落時刻的一致性，根據(jù)缽苗運動過程的分析可知，改變輸苗筒壁面傾角δ可實現(xiàn)缽苗下落時刻的同步性。為了確定各輸苗筒的壁面傾角，對缽苗下落與輸苗筒接觸過程進行運動學分析，并計算其下落過程所需總時間tz，其下落運動過程受力分析如圖10所示，根據(jù)缽苗下落所需總時間tz相等確定各輸苗筒的壁面傾角δ(其中由輸苗筒對稱布置結構得δ1=δ4,δ2=δ3)。

2.4.1移栽過程缽苗下落運動學分析

(1)缽苗自由下落過程

(13)

式中mA——缽苗質量，g

g——重力加速度，取9.8 m/s2

v1——缽苗自由下落t時刻速度，m/s

vL——缽苗下落時漂浮速度，取17.5 m/s[24]

t——缽苗運動時間，s

對式(13)積分得缽苗自由下落過程的速度及位移方程為

(14)

式中h1——缽苗自由下落t時刻位移，mm

(2)缽苗與輸苗筒壁面碰撞過程

根據(jù)缽苗土缽的物理特性，假設其與輸苗筒碰撞為塑性碰撞，碰撞時間很短忽略摩擦力的影響，在點N2碰撞結束后只剩下沿輸苗筒速度[24]，由圖10a幾何關系得碰撞后缽苗速度為

v2a=v1asinδ

(15)

式中v1a——缽苗自由落體結束時速度，m/s

v2a——缽苗與輸苗筒碰撞結束時速度，m/s

(3)缽苗沿輸苗筒壁面下滑過程

(16)

式中μ——缽苗與輸苗筒壁面摩擦因數(shù)，取0.67

v3——缽苗沿壁面滑行t時刻速度，m/s

整理式(16)并積分得缽苗速度和位移方程為

(17)

其中

式中s1——缽苗沿壁面滑行t時刻位移，mm

(4)缽苗斜拋運動過程

(18)

式中v4——缽苗斜拋t時刻Y軸向速度，m/s

整理式(18)并積分得缽苗Y軸向速度和位移方程為

(19)

式中v3a——缽苗沿輸苗筒滑行結束時速度，m/s

h3——缽苗斜拋t時刻Y軸向位移，mm

(5)缽苗與輸苗筒豎直壁面第2次碰撞過程

根據(jù)缽苗土缽的物理特性，假設其與輸苗筒碰撞為塑性碰撞，在點N4碰撞結束后只剩下豎直方向速度，水平速度為零，如圖10d所示，得

v5a=v4a

(20)

式中v4a——缽苗斜拋結束時Y軸向速度，m/s

v5a——缽苗與豎直壁面第2次碰撞結束時速度，m/s

(6)缽苗沿輸苗筒自由下落過程

缽苗在輸苗筒中自由下落中，忽略缽苗與輸苗筒豎直壁面摩擦力，如圖10e所示。下落過程參照第1次自由下落過程，得缽苗速度和位移方程為

(21)

式中v6——缽苗沿輸苗筒下落t時刻速度，m/s

h4——缽苗沿輸苗筒下落t時刻位移，mm

由于缽苗與輸苗筒壁面碰撞時間很短，所以不考慮其對缽苗下落時間的影響，因此缽苗沿輸苗筒下落至水田所用總時間為

tz=t1+t2+t3+t4

(22)

式中t1——缽苗第1次自由下落時間，s

t2——缽苗沿輸苗筒斜壁面下滑時間，s

t3——缽苗在輸苗筒內(nèi)斜拋運動時間，s

t4——缽苗沿輸苗筒自由下落時間，s

由缽苗運動特性分析可知，輸苗筒壁面傾角δ會影響缽苗下落時間。

2.4.2輸苗筒壁面參數(shù)設計

由缽苗下落運動特性分析知，在變行距輸苗時，可改變輸苗筒壁面傾角實現(xiàn)缽苗等株距。但為減少輸苗筒的制造數(shù)量，本文只取時刻相差最大即230 mm行距輸苗時來確定一組壁面傾角。為減小輸苗筒的高度，現(xiàn)取輸苗筒Ⅰ壁面傾角δ1=45°，由前述知投苗點與水田距離為600 mm，結合圖10得幾何關系式為

(23)

式中L3——投苗點與輸苗筒中心水平距離，mm

h2——缽苗沿輸苗筒壁面滑行Y軸向高度，mm

h5——輸苗筒直筒段長度，mm

h6——輸苗筒距泥面高度，mm

將輸苗筒Ⅰ已確定參數(shù)h5=40 mm、h6=210 mm、L3=105 mm代入式(14)、(15)、(17)、(19)～(23)求出缽苗下落總時間tz=0.445 s。

從圖9可知，輸苗筒變行距輸苗時，輸苗筒Ⅱ移動距離是輸苗筒Ⅰ的1/3，即L3=35 mm；將tz=0.445 s代入式(14)、(15)、(17)、(19)～(23)求得輸苗筒Ⅱ壁面傾角δ2=41°。

3 移栽試驗

3.1 試驗目的與方案設計

為了檢驗移栽裝置在實際作業(yè)中的工作性能，將裝配好的移栽裝置安裝在歩距式水稻插秧機動力總成上，不改變原有的橫、縱移苗機構，并于2019年6月在江西農(nóng)業(yè)大學試驗田開展田間移栽試驗，試驗現(xiàn)場如圖11所示。試驗用缽盤為14×25穴，缽孔直徑22 mm，缽土材質為育秧基質，秧齡25 d。通過多次取苗、投苗試驗發(fā)現(xiàn)，苗夾取苗時與缽苗夾角約為45°，投苗時缽苗與水平夾角約為25°，缽苗下落至水田后直立角約為70°。

圖11 移栽試驗現(xiàn)場Fig.11 Scene of transplanting experience

進行了取苗機構轉速分別為60、75、90 r/min的取苗，每一種轉速下進行了行距分別為230、265、300 mm輸苗試驗，并記錄試驗缽數(shù)、空穴數(shù)、取苗失敗數(shù)和缽苗入泥倒苗數(shù)，分析移栽裝置的工作性能。

3.2 試驗結果與分析

性能試驗結果如表2所示，苗盤平均空穴率21.03%，取苗機構轉速為60 r/min時平均取苗成功率94.52%，90 r/min時平均取苗成功率85.40%，總體平均取苗成功率89.96%；在不同取苗機構轉速工況下輸苗行距230 mm時平均倒苗率4.18%，行距300 mm時平均倒苗率2.8%，總體平均倒苗率3.45%。

通過對試驗結果的進一步分析，知移栽裝置能夠快速地實現(xiàn)取苗和投苗動作，變行距輸苗效果良好。由于缽土為育秧基質，與缽穴的吸附力偏小，在縱向送苗時容易引起缽土震落，導致試驗空穴率偏高。隨著取苗機構轉速的提高，取苗成功率逐漸下降，反之逐漸增加，在取苗速度較快的情況下，取苗成功率下降，這與育苗的質量、零件加工精度、苗夾夾苗時的閉合程度都有較大關系。隨著輸苗行距的減小，倒苗率升高，因缽苗在輸苗筒滑行摩擦距離增大導致下落速度減小，減小缽苗的入泥深度，從而增加倒苗率。通過后期增大苗夾摩擦因數(shù)、改進苗夾凸輪機構運動參數(shù)，提高在較高轉速下的取苗成功率；改善輸苗筒壁面曲面結構與減小摩擦因數(shù)，增加缽苗入泥速度從而減小倒苗率，提高缽苗移栽成功率。

表2 試驗結果Tab.2 Test results

4 結論

(1)在滿足南方雙季稻區(qū)變行距種植農(nóng)藝要求的基礎上，設計了一種簡單、實用及性能可靠的變行距缽苗移栽裝置，并對取苗過程進行了運動學仿真，驗證了裝置具有較好的運動協(xié)調(diào)性。

(2)為保證在變行距輸苗時也滿足等株距輸苗，分析了缽苗下落過程的運動特性，并根據(jù)其下落運動過程，建立了不同運動階段的動力學模型。通過不同的輸苗筒壁面傾角可實現(xiàn)下落時刻一致，即等株距輸苗，并確定輸苗筒Ⅰ、Ⅳ壁面傾角為45°，輸苗筒Ⅱ、Ⅲ壁面傾角為41°。

(3)對移栽裝置進行了田間試驗，其平均取苗成功率達89.96%，平均倒苗率3.45%，表明該裝置變行距移栽效果較好。