油菜基質(zhì)塊苗移栽機(jī)取苗裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

廖慶喜 王 洋 胡喬磊 張青松 何 坤 肖文立

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070)

0 引言

長(zhǎng)江流域是我國(guó)主要的冬油菜種植區(qū)域，稻油輪作茬口矛盾突出，育苗移栽是解決該問題的重要手段[1-3]。人工移栽勞動(dòng)強(qiáng)度大，易損傷油菜幼苗根系，難以保證作業(yè)質(zhì)量[4]。開發(fā)油菜移栽機(jī)對(duì)提高移栽效率、節(jié)約農(nóng)時(shí)、提升油菜移栽質(zhì)量具有重要意義[5]。取苗裝置是油菜移栽機(jī)的關(guān)鍵部件，對(duì)移栽作業(yè)效果和栽植質(zhì)量有著決定性的影響[6]?，F(xiàn)有油菜移栽機(jī)對(duì)油菜基質(zhì)塊苗適應(yīng)性較差[7]，目前國(guó)內(nèi)尚缺乏適用于油菜基質(zhì)塊苗移栽及其配套取苗裝置的相關(guān)研究。

國(guó)外關(guān)于基質(zhì)塊苗移栽機(jī)的研制起步較早，如意大利FERRARI公司研發(fā)的FPC型移栽機(jī)[8]，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蔬菜基質(zhì)塊苗全自動(dòng)化覆膜移栽作業(yè)，栽植過程穩(wěn)定可靠；法國(guó)CM®ERO公司研制了全自動(dòng)移栽機(jī)[9]，其取苗基于氣動(dòng)控制原理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)基質(zhì)塊苗的高頻、高效移栽。國(guó)外全自動(dòng)移栽機(jī)主要根據(jù)各國(guó)作物種植模式和農(nóng)藝要求研制，其整機(jī)較為龐大，對(duì)田間條件要求較高，不適合我國(guó)長(zhǎng)江流域稻坂田粘重土壤的油菜移栽實(shí)際情況[10]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)移栽機(jī)械及其配套取苗裝置的研究主要針對(duì)缽體苗、穴盤苗及毯狀苗。廖慶喜等[11]基于氣動(dòng)控制原理研制了適用于油菜紙缽苗移栽機(jī)的嵌入式氣動(dòng)取苗裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多行缽苗的同步取苗投苗功能；高國(guó)華等[12]運(yùn)用單驅(qū)動(dòng)源下的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了穴盤苗取苗手爪，通過參數(shù)分析降低了移栽過程中的穴苗缽坨損傷；吳崇友等[13-14]對(duì)油菜毯狀苗移栽機(jī)取苗裝置的取苗過程進(jìn)行分析，通過優(yōu)化相關(guān)參數(shù)提高了移栽質(zhì)量。上述研究借助傳動(dòng)系統(tǒng)與取苗針實(shí)現(xiàn)了移栽機(jī)的取苗功能，但均出現(xiàn)因脫苗而造成的基質(zhì)粘附損失和破壞損失。目前鮮有關(guān)于油菜基質(zhì)塊苗移栽機(jī)及其配套取苗裝置設(shè)計(jì)的報(bào)道。

本文以立方體油菜基質(zhì)塊苗為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一種往復(fù)夾取式取苗裝置，以減小基質(zhì)損失率和脫苗率為目標(biāo)，建立取苗臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，得出其位移方程及相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，優(yōu)化取苗裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立苗塊的動(dòng)力學(xué)模型，得到末端執(zhí)行器相關(guān)參數(shù)，通過軌跡提取和臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證該裝置的工作軌跡及取苗作業(yè)性能，以期為油菜基質(zhì)塊苗移栽機(jī)配套取苗裝置的研制提供參考。

1 移栽機(jī)結(jié)構(gòu)與工作過程

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作過程

油菜基質(zhì)塊苗移栽機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括立式旋耕驅(qū)動(dòng)耙、空氣壓縮機(jī)、放苗盤、同步帶輸送機(jī)構(gòu)、分苗裝置、取苗裝置、開溝器、覆土輪等，其中取苗裝置為其核心部件。參照NY/T 1924—2010《油菜移栽機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》[15]，并結(jié)合油菜基質(zhì)塊苗移栽種植農(nóng)藝要求，確定其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 油菜基質(zhì)塊苗移栽機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagrams of rapeseed substrate seedling transplanter1.載苗盤 2.送苗裝置 3.取苗裝置 4.分苗裝置 5.覆土輪 6.開溝器 7.旋耕刀 8.空氣壓縮機(jī) 9.同步帶輸送苗機(jī)構(gòu) 10.副機(jī)架 11.立式旋耕驅(qū)動(dòng)耙

工作時(shí)，人工將油菜基質(zhì)塊苗放置于載苗盤中，分苗裝置推板將整列苗塊推送至同步帶，苗塊隨同步帶排隊(duì)向下運(yùn)苗至分苗位置，分苗裝置以一定頻率對(duì)整列苗塊逐一夾持以達(dá)到單株分離，取苗裝置以相同頻率對(duì)苗塊往復(fù)夾取并垂直投苗，苗塊在自身重力作用下下落至栽植器；立式旋耕驅(qū)動(dòng)耙在拖拉機(jī)牽引下對(duì)苗床帶進(jìn)行旋耕作業(yè)，形成合理的苗溝，同時(shí)為保證苗塊在栽植時(shí)的直立度，通過開溝器對(duì)溝壑進(jìn)行二次作業(yè)以形成平整溝型，當(dāng)苗塊落入苗溝內(nèi)，安裝在開溝器后端的覆土器及時(shí)將土壤填覆至苗塊兩側(cè)，并完成一個(gè)周期的移栽作業(yè)。

表1 油菜基質(zhì)塊苗移栽機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of rapeseed substrate seedling transplanter

1.2 取苗裝置結(jié)構(gòu)與取苗過程

取苗裝置主要由回轉(zhuǎn)曲柄、主動(dòng)桿、取苗夾板、從動(dòng)軸、Ⅰ號(hào)氣缸、Ⅱ號(hào)氣缸、Ⅲ號(hào)氣缸及相應(yīng)氣缸固定座等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。其中，Ⅲ號(hào)氣缸、Ⅲ號(hào)氣缸固定座及取苗夾板構(gòu)成取苗末端執(zhí)行器，可對(duì)苗塊進(jìn)行夾持取苗；取苗末端執(zhí)行器與Ⅱ號(hào)氣缸、Ⅱ號(hào)氣缸固定板、主動(dòng)桿、從動(dòng)桿等構(gòu)成往復(fù)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，以Ⅰ號(hào)氣缸為動(dòng)力源，以回轉(zhuǎn)曲柄和從動(dòng)軸為介質(zhì)，將動(dòng)力傳動(dòng)至主動(dòng)桿，實(shí)現(xiàn)取苗裝置往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖2 取苗裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of pick-up device1.回轉(zhuǎn)曲柄 2.主動(dòng)桿 3.主動(dòng)桿固定套筒 4.從傳動(dòng)軸 5.從動(dòng)桿鉸接座 6.第一副機(jī)架 7.取苗夾板 8.Ⅲ號(hào)氣缸 9.Ⅲ號(hào)氣缸固定座 10.Ⅱ號(hào)氣缸 11.Ⅱ號(hào)氣缸固定板 12.第二副機(jī)架 13.Ⅰ號(hào)氣缸

取苗作業(yè)初始狀態(tài)時(shí)，Ⅰ號(hào)氣缸呈縮短狀態(tài)，Ⅲ號(hào)氣缸呈張開狀態(tài)。具體取苗過程為：①取苗進(jìn)程，Ⅰ號(hào)氣缸伸出，驅(qū)動(dòng)往復(fù)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)主動(dòng)桿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)取苗臂垂直于苗盤，取苗夾板置于苗塊兩側(cè)時(shí)，取苗裝置處于取苗位置。②取苗時(shí)刻，Ⅲ號(hào)氣缸閉合，驅(qū)動(dòng)取苗夾板夾持苗塊基質(zhì)體。③取苗回程，Ⅰ號(hào)氣缸收縮，驅(qū)動(dòng)往復(fù)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)主動(dòng)桿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，使苗塊隨取苗臂遠(yuǎn)離苗盤，使取苗臂運(yùn)動(dòng)至與鉛垂線平行，此時(shí)取苗裝置處于直立位置。④投苗進(jìn)程，Ⅱ號(hào)氣缸伸出，驅(qū)動(dòng)取苗末端執(zhí)行器向下運(yùn)動(dòng)至栽植器上方，即投苗位置。⑤投苗時(shí)刻，Ⅲ號(hào)氣缸張開，驅(qū)動(dòng)取苗夾板釋放苗塊，油菜基質(zhì)塊苗落入栽植器中。⑥投苗回程，Ⅱ號(hào)氣缸收縮，驅(qū)動(dòng)取苗末端執(zhí)行器向上運(yùn)動(dòng)，取苗裝置回到初始狀態(tài)，完成一次完整的取苗動(dòng)作。

2 取苗過程運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1 取苗臂數(shù)學(xué)模型

取苗過程中，往復(fù)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)各構(gòu)件長(zhǎng)度不變，可以將其簡(jiǎn)化為一種外加動(dòng)力的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。往復(fù)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖3所示，其中：BC為主動(dòng)桿、CE為取苗臂、AD為從動(dòng)桿、AB為副機(jī)架，取苗臂CE與從動(dòng)桿AD鉸接于D點(diǎn)，ABCDA構(gòu)成封閉四邊形。

圖3 往復(fù)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.3 Kinematic diagram of reciprocate swing mechanism

為保證取苗和投苗時(shí)取苗裝置能夠到達(dá)指定位置執(zhí)行取苗和投苗動(dòng)作，取苗臂偏角應(yīng)滿足如下條件：取苗裝置處于取苗狀態(tài)時(shí)，各桿處于ABCDE位置，取苗夾板對(duì)苗塊進(jìn)行夾持取苗，此時(shí)取苗臂偏角θ1需等于苗盤傾角，即θ1為30°；取苗裝置處于直立狀態(tài)時(shí)，各桿處于A′B′C′D′E′位置，此時(shí)取苗臂CE偏角θ1需為0°。

設(shè)定鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)各構(gòu)件尺寸為l1、l2、l3、l4、l5，取苗狀態(tài)時(shí)主動(dòng)桿BC、從動(dòng)桿AD的初始角分別為φ0、ψ0，直立狀態(tài)時(shí)主動(dòng)桿BC、從動(dòng)桿AD的位置角為φ1、ψ1。由封閉四邊形ABCDA及A′B′C′D′A′得出機(jī)構(gòu)各桿所構(gòu)成的封閉矢量方程[16-17]

l1+l2=l3+l4

(1)

將式(1)轉(zhuǎn)換為標(biāo)量表達(dá)式，并向X、Y方向投影可得各桿件尺寸關(guān)系為

(2)

式中l(wèi)1——主動(dòng)桿BC長(zhǎng)度，mm

l2——取苗臂CD長(zhǎng)度，mm

l3——從動(dòng)桿AD長(zhǎng)度，mm

l4——機(jī)架AB長(zhǎng)度，mm

l5——I號(hào)氣缸閉合時(shí)，取苗臂CE長(zhǎng)度，mm

θ2——機(jī)架AB與豎直面傾角，(°)

在取苗過程中，主動(dòng)桿轉(zhuǎn)角由φ0變化至φ1，往復(fù)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)需滿足平面四桿機(jī)構(gòu)主動(dòng)桿存在條件。當(dāng)主動(dòng)桿轉(zhuǎn)角φ=180°時(shí)，主動(dòng)桿與機(jī)架運(yùn)動(dòng)學(xué)尺寸重合共線，機(jī)構(gòu)存在最小傳動(dòng)角[18]，為保證機(jī)構(gòu)具有良好的傳力性能，該四桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角應(yīng)大于許用[βmin]。其中[βmin]一般為40°～50°，取[βmin]=50°。故各桿件間尺寸的約束條件為

(3)

2.2 取苗臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

取苗過程中，取苗進(jìn)程與回程、投苗進(jìn)程與回程，取苗臂所形成的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡分別相同，取苗回程與投苗進(jìn)程為攜苗運(yùn)動(dòng)過程，該過程取苗臂運(yùn)動(dòng)狀態(tài)直接決定苗塊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，分別建立取苗回程和投苗進(jìn)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，具體如下：

取苗回程階段，根據(jù)圖3建立矢量封閉方程為

lBE=lBC+lCE

(4)

將矢量式轉(zhuǎn)換為解析形式，得出取苗回程階段取苗臂位移方程為

xB=yB=0

(5)

(6)

(7)

整理式(4)～(7)可得

(8)

投苗進(jìn)程階段，取苗臂在水平X方向位置不變，其鉛垂Y方向位移為

yE=l1sin(π-φ(T1)+θ2)+l5sinθ1(T1)+vt
(0≤t≤T2)

(9)

式中θ1(t)——取苗臂偏角關(guān)于時(shí)間的函數(shù)

φ(t)——主動(dòng)桿轉(zhuǎn)角關(guān)于時(shí)間的函數(shù)

v——機(jī)組前進(jìn)速度，mm/s

T1——取苗回程中取苗裝置運(yùn)行時(shí)間，s

T2——投苗進(jìn)程中取苗裝置運(yùn)行時(shí)間，s

根據(jù)式(8)、(9)繪制取苗回程及投苗進(jìn)程的取苗軌跡如圖4所示。其中，取苗臂末端E點(diǎn)在x方向位移為ΔxE，其物理意義為取苗回程階段取苗軌跡水平間距，取苗臂末端E點(diǎn)在y方向位移為ΔyE，其物理意義為取苗回程階段取苗軌跡高度。其計(jì)算方法為

(10)

圖4 相對(duì)取苗軌跡Fig.4 Relative seedling trajectory

取苗軌跡水平間距ΔxE及取苗軌跡高度ΔyE與往復(fù)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，同等條件下，取苗軌跡水平間距ΔxE越大，取苗臂在X方向運(yùn)動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，則該過程苗塊越不穩(wěn)定而脫苗，取苗軌跡高度ΔyE越大，取苗臂末端點(diǎn)E與地面的距離越大，即取苗回程中苗塊底端與地面的距離逐漸增大，此時(shí)若苗塊脫離取苗夾板，苗塊與地面或栽植器碰撞造成基質(zhì)損失率將增大。因此，確定取苗軌跡水平間距ΔxE及取苗軌跡高度ΔyE為往復(fù)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)。

2.3 取苗裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

根據(jù)取苗臂位移方程及運(yùn)動(dòng)軌跡，分析得出取苗軌跡水平間距ΔxE與取苗軌跡高度ΔyE越小，越有利于取苗可靠及基質(zhì)完整性?？紤]取苗裝置與同步帶輸送苗機(jī)構(gòu)間的裝配關(guān)系及往復(fù)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)各組成構(gòu)件尺寸需求，賦予取苗軌跡水平間距ΔxE及取苗軌跡高度ΔyE邊界條件為

(11)

設(shè)定取苗裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)初值l1=75 mm，l4=171 mm，θ1=30°，θ2=13.5°，[βmin]=50°，采用擬牛頓法和Matlab軟件，對(duì)式(2)、(3)、(8)、(10)、(11)組成的非線性方程組進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與迭代優(yōu)化[19]，取苗軌跡水平間距ΔxE與取苗軌跡高度ΔyE隨迭代變化趨勢(shì)如圖5所示，在第2次迭代時(shí)得到第1組優(yōu)解參數(shù)組合，隨后迭代過程中取苗軌跡水平間距ΔxE與取苗軌跡高度ΔyE逐漸減小并收斂于穩(wěn)定值，于第10次迭代時(shí)完成最終優(yōu)化。

圖5 優(yōu)化目標(biāo)在迭代過程的變化趨勢(shì)Fig.5 Trends of optimization goals in iterative process

由最終迭代輸出結(jié)果得到往復(fù)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)為：主動(dòng)桿長(zhǎng)度l1=75.10 mm，取苗臂與主動(dòng)桿鉸接段長(zhǎng)度l2=122.08 mm，取苗臂長(zhǎng)度l5=335.26 mm，從動(dòng)桿長(zhǎng)度l3=100.42 mm，機(jī)架長(zhǎng)度l4=171.32 mm，該參數(shù)組合下，取苗軌跡水平間距ΔxE為173.20 mm，取苗軌跡高度ΔyE為29.56 mm。將Matlab計(jì)算得出的各構(gòu)件最優(yōu)解及相關(guān)角度保留小數(shù)點(diǎn)后兩位，結(jié)果如表2所示。

3 取苗過程動(dòng)力學(xué)分析

3.1 苗塊動(dòng)力學(xué)模型

苗塊在取苗過程中與取苗夾板協(xié)同運(yùn)動(dòng)[20-21]，當(dāng)苗塊重力、取苗夾板對(duì)苗塊的摩擦力及取苗夾板對(duì)苗塊的夾持力的合力，不足以支撐苗塊隨取苗夾板運(yùn)動(dòng)時(shí)，苗塊將與取苗夾板產(chǎn)生相對(duì)位移，并脫離滑落進(jìn)而脫苗，影響取苗可靠性及基質(zhì)損失率[22]。以苗塊質(zhì)心N點(diǎn)為原點(diǎn)，垂直于幼苗主莖稈方向?yàn)镕x方向，對(duì)苗塊進(jìn)行受力分析，建立取苗回程苗塊的動(dòng)態(tài)受力坐標(biāo)系如圖6所示，則苗塊臨界脫苗方程為

(12)

表2 往復(fù)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)Tab.2 Operation values of pick-up device

式中Fix——所需外部作用力的x向分量，N

Fiy——所需外部作用力的y向分量，N

fsx——取苗夾板對(duì)苗塊摩擦力的x向分量，N

fsy——取苗夾板對(duì)苗塊摩擦力的y向分量，N

G——苗塊重力

圖6 苗塊受力分析圖Fig.6 Kinematics analysis of seedling block

其中，取苗夾持力與苗塊摩擦力間轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(13)

式中fs——取苗夾板對(duì)苗塊的摩擦力，N

fp——取苗夾板對(duì)苗塊的夾持力，N

μ——苗塊與取苗夾板間的摩擦因數(shù)

由式(12)、(13)可知，取苗夾持力和苗塊的摩擦因數(shù)是影響脫苗率的關(guān)鍵因素，取苗夾持力越大，苗塊摩擦因數(shù)越大，取苗過程越可靠，同時(shí)為保證基質(zhì)完整性，取苗夾持力應(yīng)在苗塊抗壓極限內(nèi)。

聯(lián)立式(12)、(13)得到取苗回程苗塊不脫苗的最小夾持力為

(14)

由式(14)可知，最小取苗夾持力與苗塊摩擦特性有關(guān)，苗塊與取苗夾板間的摩擦因數(shù)越大，取苗過程苗塊所需的最小夾持力越小。

3.2 苗塊力學(xué)特性參數(shù)測(cè)定

為減小脫苗率和基質(zhì)損失率，以測(cè)定苗塊的摩擦與抗壓特性為目的開展苗塊力學(xué)特性參數(shù)測(cè)定試驗(yàn)，以期為取苗末端執(zhí)行器關(guān)鍵參數(shù)確定提供依據(jù)。

選用育苗周期為28 d的適栽期華油雜62油菜基質(zhì)塊苗作為試驗(yàn)樣本，其育苗基質(zhì)由蚯蚓糞、黃棕壤、珍珠巖3種成分混合組成，育苗基質(zhì)體積配比為1∶1∶1，基質(zhì)壓實(shí)度為1.2，硼硒營(yíng)養(yǎng)液濃度為3.0%。試驗(yàn)前采用天平測(cè)定苗塊平均質(zhì)量m為0.085 kg，變異系數(shù)為8.18%，采用干濕法測(cè)定基質(zhì)平均含水率ρ為23%。

采用圖7a所示的MXD-02型摩擦因數(shù)儀(負(fù)荷范圍0～10 N，精度：0.5級(jí))，隨機(jī)選取10株油菜基質(zhì)塊苗，測(cè)量苗塊與不同滑道試樣(普通薄鐵板、ABS塑料板及304不銹鋼板)間的摩擦因數(shù)[23]，同一組試驗(yàn)重復(fù)測(cè)量5次，根據(jù)數(shù)顯屏數(shù)值記錄3組試驗(yàn)的靜、動(dòng)摩擦因數(shù)，并得出所測(cè)定摩擦因數(shù)置信區(qū)間如表3所示。

圖7 苗塊物理特性測(cè)定試驗(yàn)Fig.7 Characteristics test of seedling block1.滑軌試樣 2.基質(zhì)塊苗 3.MXD-02型摩擦因數(shù)儀

表3 摩擦試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Analysis of friction test results

采用FTC公司生產(chǎn)的TMS-PRO型高精度食品物性分析儀(測(cè)力范圍0～1 000 N，精度：±0.1 N)，進(jìn)行抗壓試驗(yàn)[24]，試驗(yàn)設(shè)定預(yù)壓縮力為1 N，測(cè)試全壓縮量為10 mm，測(cè)試壓縮速度為1 mm/s，記錄壓縮全過程的力與變形情況如圖7b所示。

摩擦試驗(yàn)表明，苗塊側(cè)面與普通薄鐵板間摩擦因數(shù)最大，與ABS塑料板間摩擦因數(shù)次之，與304不銹鋼板間的動(dòng)摩擦因數(shù)最??；當(dāng)接觸材料為普通薄鐵板時(shí)，苗塊基質(zhì)顆粒與鋼板摩擦產(chǎn)生脫落，表現(xiàn)為滑動(dòng)能力弱，當(dāng)接觸材料為304不銹鋼板或ABS塑料板時(shí)，苗塊滑動(dòng)能力較好。

抗壓試驗(yàn)表明，當(dāng)壓縮量為0～1 mm時(shí)，苗塊所受載荷與壓縮量呈近似線性遞增關(guān)系，載荷隨壓縮量增大而緩慢增大；當(dāng)壓縮量為1～5 mm時(shí)，載荷隨壓縮量增大而增大，苗塊表現(xiàn)為具有一定的壓實(shí)特性；當(dāng)壓縮量約為5 mm時(shí)，外部載荷達(dá)到最大值，此時(shí)苗塊出現(xiàn)裂紋、基質(zhì)顆粒粘結(jié)滑移而脫落；當(dāng)壓縮量大于6.5 mm時(shí)，基質(zhì)完全破損。可得苗塊基質(zhì)保持完整性的最大壓縮量約為5 mm，對(duì)應(yīng)的載荷約為80 N。

綜上分析，苗塊與普通薄鐵板間摩擦因數(shù)最大，所需的取苗夾持力最小，選用普通薄鐵板作為取苗夾板材料，此時(shí)苗塊與取苗夾板間的摩擦因數(shù)μ為0.607；在苗塊抗壓極限內(nèi)取安全系數(shù)為0.6，確定取苗夾板對(duì)苗塊的許用夾持力應(yīng)小于48 N，許用外部最大夾持量為5 mm。

3.3 取苗末端執(zhí)行器參數(shù)分析

根據(jù)式(8)及取苗臂末端點(diǎn)E與苗塊質(zhì)心點(diǎn)N間的距離關(guān)系，可以獲得取苗回程點(diǎn)N的位移方程，對(duì)其求一階和二階導(dǎo)數(shù)，可分別得到點(diǎn)N的速度和加速度。取氣動(dòng)系統(tǒng)極限循環(huán)周期T為1 s，取苗回程時(shí)間T1為取苗周期的40%，為0.4 s，由表2可得主動(dòng)桿輸出角為39.65°，借助Matlab軟件得出取苗回程苗塊加速度最大值aix為39.91 m/s2，aiy為13.80 m/s2，此時(shí)苗塊所需外部作用力分量Fix為1.60 N，F(xiàn)iy為0.71 N，代入式(14)求得取苗夾板的最小取苗夾持力fp為7.07 N。

油菜基質(zhì)塊苗苗塊邊長(zhǎng)約為40 mm，主莖稈高度H約為90 mm，為避免損傷幼苗主莖稈，取苗夾板長(zhǎng)度D應(yīng)該大于90 mm，取D=100 mm。取苗夾板置于苗塊兩側(cè)取苗，應(yīng)留有不小于2.5 mm的單側(cè)對(duì)中余量，取軟墊寬度Wa為0～5 mm，故在Ⅲ號(hào)氣缸張開時(shí)取苗夾板間距Da應(yīng)不小于45 mm；苗塊許用外部最大夾持量為5 mm，則Ⅲ號(hào)氣缸閉合時(shí)取苗夾板間距Db應(yīng)為35～40 mm。綜上所述，確定Ⅲ號(hào)氣缸為SMC-MHZ2型平行手指氣缸，其常開和常閉時(shí)狀態(tài)如圖8所示。

圖8 取苗末端執(zhí)行器工作狀態(tài)Fig.8 Working state of actuator of pick-up device1.手指氣缸 2.軟墊 3.取苗夾板 4.苗塊

查閱SMC-MHZ2型氣缸參數(shù)[25]可知，當(dāng)手指氣缸缸徑為20 mm時(shí)，取苗夾板常開間距為42.3～52.3 mm，常閉間距為32.3～42.3 mm，符合取苗夾板間距需求；氣壓為0.8 MPa時(shí)，手指氣缸提供的理論夾持力為33 N，滿足最小夾持力7.07 N需求，且其對(duì)苗塊的夾持負(fù)載程度相對(duì)較輕，有利于減小基質(zhì)損失，因此選取末端執(zhí)行器氣缸缸徑為20 mm。

4 試驗(yàn)

4.1 軌跡驗(yàn)證

4.1.1虛擬仿真分析

為探究該取苗裝置在移栽過程中的絕對(duì)取苗軌跡，利用三維造型軟件SolidWorks完成取苗裝置的三維設(shè)計(jì)以及虛擬裝配，并將裝配體導(dǎo)入計(jì)算機(jī)仿真分析軟件ADAMS中，參照文獻(xiàn)[26-27]對(duì)仿真模型設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)東方紅954型拖拉機(jī)掛接移栽機(jī)后，實(shí)測(cè)的慢1擋機(jī)組前進(jìn)速度為0.22 m/s，對(duì)取苗裝置模型賦予整體移動(dòng)速度和移動(dòng)方向，設(shè)定運(yùn)動(dòng)循環(huán)周期為1.5 s，即取苗頻率為40株/min。

圖9為仿真取苗軌跡(A1B1C1D1E1F1A2)，分為如下4個(gè)軌跡段：

(1)取苗進(jìn)程軌跡段A1B1：取苗臂以A1為初始點(diǎn)向取苗位置移動(dòng)，在到達(dá)取苗位置B1時(shí)夾取苗塊。

(2)取苗回程軌跡段B1C1：取苗臂帶動(dòng)苗塊一起運(yùn)動(dòng)至C1；隨后投苗回程至投苗進(jìn)程轉(zhuǎn)換取苗臂豎直方向保持靜止，在水平方向隨模型整體平移至D1。

(3)投苗進(jìn)程軌跡段D1E1：取苗臂在Ⅲ號(hào)氣缸作用下向下移動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)E1時(shí)釋放苗塊；隨后手指氣缸由張開至閉合，該過程取苗臂豎直方向保持靜止，在水平方向隨模型整體平移至F1。

(4)投苗回程軌跡段F1A2：取苗臂在Ⅲ號(hào)氣缸作用下向上移動(dòng)至A2，隨后以A2為起始點(diǎn)，以相同運(yùn)動(dòng)軌跡開始下一次取苗作業(yè)。

圖9 ADAMS模型仿真軌跡Fig.9 Simulation trajectory of ADAMS model

機(jī)組運(yùn)動(dòng)方向與X正方向一致，故取苗進(jìn)程，取苗臂在X方向上運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)與機(jī)組運(yùn)動(dòng)相同，取苗回程，取苗臂在X方向上運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)與機(jī)組運(yùn)動(dòng)相反，因此仿真取苗軌跡水平間距數(shù)值計(jì)算為點(diǎn)B1與點(diǎn)C1的橫坐標(biāo)差值、點(diǎn)B1與點(diǎn)A1的橫坐標(biāo)差值之和的均值；機(jī)組在Y方向上無(wú)運(yùn)動(dòng)，仿真取苗軌跡高度數(shù)值計(jì)算為點(diǎn)B1與點(diǎn)C1縱坐標(biāo)差值或點(diǎn)B1與點(diǎn)A1縱坐標(biāo)差值。

由ADAMS導(dǎo)出數(shù)據(jù)點(diǎn)得相關(guān)坐標(biāo)值為A1(0，0)、B1(285.56 mm，29.94 mm)、C1(223.28 mm，29.94 mm)，經(jīng)計(jì)算得出仿真取苗軌跡水平間距為173.92 mm，仿真取苗軌跡高度為29.94 mm。

4.1.2高速攝影分析

為驗(yàn)證取苗裝置實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡是否滿足取苗需求，將取苗裝置參數(shù)取整，取主動(dòng)桿長(zhǎng)度為75 mm，從動(dòng)桿長(zhǎng)度為100 mm，機(jī)架長(zhǎng)度為171 mm，取苗臂長(zhǎng)度為335 mm，為減小制造誤差，采用福斯特公司生產(chǎn)的FST-1530型數(shù)控金屬激光切割機(jī)(精度：±0.01 mm)進(jìn)行相關(guān)構(gòu)件切割，按照工藝要求完成移栽機(jī)裝配。以東方紅954型拖拉機(jī)為動(dòng)力，參照文獻(xiàn)[28-30]試驗(yàn)方法開展高速攝影軌跡驗(yàn)證試驗(yàn)，如圖10a所示。調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)輸出壓力為0.8 MPa，通過控制程序調(diào)節(jié)各氣缸運(yùn)行時(shí)間，手動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)流閥以調(diào)節(jié)各氣缸速度，進(jìn)而準(zhǔn)確控制取苗頻率為40株/min，東方紅954型拖拉機(jī)調(diào)至慢1擋，機(jī)組前進(jìn)速度為0.22 m/s，采用PCO.dimax HD+型高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)拍攝取苗臂標(biāo)記點(diǎn)，運(yùn)用Cam Ware V3.14軟件記錄拍攝過程，運(yùn)行Startrails圖像合成軟件對(duì)所拍攝圖像進(jìn)行疊加處理，其中高速攝像機(jī)拍攝速度為2 000 f/s，獲得實(shí)際取苗軌跡如圖10b所示。

圖10 高速攝影驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.10 High-speed photography verification experiment1.移栽機(jī)樣機(jī) 2.空氣壓縮機(jī) 3.高速攝影系統(tǒng) 4.計(jì)算機(jī)

將試驗(yàn)所獲實(shí)際取苗軌跡圖導(dǎo)入AutoCAD中，調(diào)節(jié)圖框尺寸與實(shí)際尺寸比例為1∶1，通過測(cè)量圖上各點(diǎn)橫向及縱向尺寸，得到A1B1橫向長(zhǎng)度為286.31 mm，A1B1縱向長(zhǎng)度為30.40 mm，B1C1橫向長(zhǎng)度為64.25 mm，經(jīng)計(jì)算得出實(shí)際取苗軌跡水平間距為175.28 mm，實(shí)際取苗軌跡高度為30.40 mm，與理論值及仿真值的相對(duì)誤差均小于3%，驗(yàn)證了取苗裝置設(shè)計(jì)的合理性。

4.2 臺(tái)架試驗(yàn)

為驗(yàn)證取苗裝置的可行性，開展取苗裝置臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)，如圖11所示，試驗(yàn)場(chǎng)地為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)訓(xùn)基地。試驗(yàn)設(shè)定取苗頻率為40株/min，每行載苗盤放置48株油菜基質(zhì)塊苗，共4行，試驗(yàn)前后每行基質(zhì)塊苗均進(jìn)行稱量處理。試驗(yàn)以取苗成功率、脫苗率及基質(zhì)損失率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中基質(zhì)損失率的樣本數(shù)為試驗(yàn)樣本總數(shù)，其計(jì)算方法分別為

(15)

(16)

(17)

式中S——取苗成功率，%

T——脫苗率，%

Q——基質(zhì)損失率，%

N——樣本總數(shù)，取192

NS——被取苗夾板成功夾取的基質(zhì)塊苗數(shù)

NT——取苗過程脫離取苗夾板的基質(zhì)塊苗數(shù)

Ma——試驗(yàn)前樣本總質(zhì)量，g

Mb——試驗(yàn)后樣本總質(zhì)量，g

圖11 取苗裝置臺(tái)架試驗(yàn)Fig.11 Bench test of seedling pick-up device

取苗試驗(yàn)結(jié)果為取苗成功率93.33%、脫苗率2.86%、基質(zhì)損失率3.75%，表明該取苗裝置取苗效果能夠滿足油菜基質(zhì)塊苗移栽機(jī)的取苗要求。

分析取苗失效及脫苗率產(chǎn)生的原因主要有：分苗裝置擋苗板對(duì)苗塊限位失效，致使取苗裝置在運(yùn)動(dòng)至取苗臺(tái)前，苗塊即已脫離取苗臺(tái)，造成取苗失效，如圖12b所示；取苗裝置與分苗裝置同步性有待提高，分苗裝置擋苗板對(duì)苗塊限位時(shí)間與取苗進(jìn)程存在時(shí)間差，致使出現(xiàn)空取現(xiàn)象，造成取苗失效，如圖12c所示；少數(shù)苗塊基質(zhì)強(qiáng)度不高，取苗驅(qū)動(dòng)氣缸速度較快，造成臺(tái)架振動(dòng)使苗塊脫離取苗夾板，產(chǎn)生脫苗。

圖12 取苗效果Fig.12 Effects of seedlings pick-up

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種往復(fù)夾取式取苗裝置，根據(jù)垂直苗盤取苗及平行鉛垂線投苗的取苗臂位置要求，確定了取苗裝置各構(gòu)件尺寸關(guān)系，構(gòu)建了取苗臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分析得出其位移方程及相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡。以減小取苗軌跡水平間距及取苗軌跡高度為優(yōu)化目標(biāo)，借助Matlab軟件和擬牛頓法優(yōu)化取苗裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)為：主動(dòng)桿長(zhǎng)度75.10 mm，從動(dòng)桿長(zhǎng)度100.42 mm，機(jī)架長(zhǎng)度171.32 mm，取苗臂長(zhǎng)度335.26 mm，該參數(shù)組合下，取苗軌跡水平間距為173.20 mm，取苗軌跡高度為29.56 mm。

(2)通過創(chuàng)建苗塊的動(dòng)力學(xué)模型，得到苗塊臨界脫苗方程，結(jié)合苗塊力學(xué)特性參數(shù)測(cè)定試驗(yàn)，確定最小取苗夾持力為7.07 N、末端執(zhí)行器氣缸缸徑為20 mm。

(3)借助ADAMS軟件獲得仿真取苗軌跡，運(yùn)用高速攝影技術(shù)提取實(shí)際取苗軌跡，實(shí)際取苗軌跡水平間距為175.28 mm，實(shí)際取苗軌跡高度為30.40 mm，與理論值和仿真值的相對(duì)誤差均小于3%，驗(yàn)證了取苗裝置設(shè)計(jì)的合理性。臺(tái)架試驗(yàn)表明，取苗成功率為93.33%，脫苗率為2.86%，基質(zhì)損失率為3.75%，滿足油菜基質(zhì)塊苗移栽要求。