巨菌草扦插機扦插機構(gòu)優(yōu)化設計與試驗*

鄭邵秋，張彩虹，王國強，

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學機電工程學院,烏魯木齊市,830052;2.新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所,烏魯木齊市,830091)

0 引言

巨菌草作為一種用途廣泛的作物,能為種植者提供良好經(jīng)濟收益。其莖葉可以用于畜牧飼料,也可用來培養(yǎng)菌類,為種植當?shù)卦黾邮杖?其莖稈木質(zhì)部曬干以后可以作為輔助燃料。目前國內(nèi)種植的品種,是由福建農(nóng)林大學林占熺等[1-2]1980年前后從非洲引進,經(jīng)過多代選育而成。巨菌草在新疆地區(qū)的大面積引種有著深遠的意義。南疆地區(qū)地廣人稀,適合大面積機械化作業(yè),所以巨菌草大面積引種需要先解決機械化種植的問題。根據(jù)巨菌草的生長特性將莖稈種苗扦插進地,很快就能發(fā)芽生長,因此考慮使用扦插機進行大面積扦插作業(yè),從而快速在廣闊南疆地區(qū)大面積推廣種植。

目前國內(nèi)外對于蔬菜栽植機、播種機、插秧機都有很深入的研究。國外Satpathy團隊研究了影響栽植機作業(yè)的因素與作業(yè)指標,表明在栽植機作業(yè)中土壤含水率、機器作業(yè)速度與秧苗自身狀況對作業(yè)效果有重要影響;而栽植合格率指標可以設置栽植角度、漏栽率、栽植深度等[3-4]。國內(nèi)20世紀七八十年代就已經(jīng)有一批農(nóng)機專家致力于研究移栽機,如包春江團隊于80年代就研制出了蔬菜移栽機;21世紀之初中國農(nóng)業(yè)大學封俊團隊[5]分析了吊杯式移栽機的運動軌跡,并給出了吊杯式移栽機的設計準則;趙勻團隊[6-8]深入研究并嘗試使用現(xiàn)代化設計理論和設計方法對水稻插秧機的研制工作進行革新,通過虛擬的仿真分析,甚至虛擬試驗進一步縮短研發(fā)周期;俞高紅等[9-10]對栽植機構(gòu)中行星輪系的運動機理進行了仔細分析,并自主開發(fā)了一套可以人機交互的優(yōu)化軟件,可以方便對移栽機設計參數(shù)進一步優(yōu)化改進。

本文基于南疆特殊土壤地貌特色對巨菌草扦插機的扦插機構(gòu)、鴨嘴機構(gòu)進行優(yōu)化改進,并針對扦插機的具體工作情況,采用回歸正交試驗對巨菌草扦插機的關鍵參數(shù)進行優(yōu)化,進而提高扦插合格率。

1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理

巨菌草扦插機的扦插基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要是由機架、五連桿扦插機構(gòu)、鏈輪、扦插鴨嘴機構(gòu)、莖稈種苗旋轉(zhuǎn)投苗缽盤等組成。

圖1 扦插機結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of transplanter1.機架 2.投苗機構(gòu) 3.五連桿機構(gòu) 4.覆土輪 5.扦插鴨嘴機構(gòu)

巨菌草莖稈由人工放置在莖稈種苗旋轉(zhuǎn)缽盤中,扦插機構(gòu)是由鏈輪帶動,而鏈輪動力由拖動扦插機的拖拉機提供,經(jīng)動力輸入桿輸入齒輪箱調(diào)速后,輸入主動鏈輪和與其同軸的凸輪,再由主動鏈輪帶動從動鏈輪轉(zhuǎn)動,進而與主動鏈輪同軸凸輪按其輪廓軌跡轉(zhuǎn)動時,牽動著鴨嘴上控制張合的拉線的運動,通過拉線移動,控制鴨嘴兩部分的張合。兩曲柄以相同速度、相同的旋轉(zhuǎn)方向帶動后續(xù)連桿運動從而帶動連桿末端鴨嘴往復運動,實現(xiàn)扦插動作。

2 關鍵結(jié)構(gòu)設計

2.1 五連桿扦插機構(gòu)

2.1.1 五連桿扦插機構(gòu)工作原理及運動學模型

五連桿扦插機構(gòu)運動簡圖如圖2所示,該扦插機構(gòu)分別由O、B兩處兩鏈輪帶動兩曲柄以相同速度、相同的旋轉(zhuǎn)方向帶動后續(xù)連桿運動,從而帶動連桿末端鴨嘴往復運動,實現(xiàn)扦插動作。圖2中五連桿扦插機構(gòu)機架OB=l1,兩曲柄OA=l2、BC=l3,連桿CG=l4、AD=l5、DE=l6、AG=l9、GD=l8,鴨嘴上下兩部分,上半部分接苗防漏擋圈深度EH=l10,下半部分鴨嘴打穴器長度EF=l7,各對應夾角分別為θ1～θ8。

圖2 扦插機構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the cuttings mechanism

以O為坐標原點,水平、豎直方向分別為x、y軸,由此建立五連桿扦插機構(gòu)的運動學模型[11-15]。

A點位移方程

(1)

C點位移方程

(2)

矢量方程lOB+lBC+lCG=lOA+lAG

G點位移方程

(3)

(4)

(5)

將θ4代入式(3)求出θ5。

D點位移方程

(6)

E點位移方程

(7)

F點位移方程

(8)

對式(8)求一階二階導可以得到鴨嘴末端F點的速度v與加速度a。

H點位移方程

(9)

2.1.2 五連桿扦插機構(gòu)約束條件與參數(shù)選定

如圖2所示,為滿足巨菌草扦插機中的五連桿扦插機構(gòu)正常運轉(zhuǎn),進而帶動鴨嘴提升至最高點處,使得鴨嘴上半部分莖稈(種苗)接入口的防漏擋圈處于莖稈(種苗)下落轉(zhuǎn)盤式缽盤落苗處正下方,正好接住巨菌草莖稈(種苗);同時在狀態(tài)Π整個扦插機構(gòu)運轉(zhuǎn)帶動鴨嘴插入土壤打穴,滿足巨菌草莖稈扦插深度范圍50～70 mm,因此O點轉(zhuǎn)動帶動l2,轉(zhuǎn)動至最低點時與地面高度為H1,此時鴨嘴扦插入土深度為H2。

綜上整體高度

H=H1+H2+l1sinθ1+l2

參考市面扦插機參數(shù)結(jié)合扦插軌跡,扦插軌跡高度不低于300 mm,H初定600 mm。

結(jié)合鴨嘴部分的計算,l7=100 mm,l10=40 mm,鴨嘴扦插深度50～70 mm,暫定60 mm。同時為了避免O、B兩處曲柄帶動連桿運轉(zhuǎn)時發(fā)生干涉,五連桿機構(gòu)要時刻滿足裝配條件[16-19]。令X=max(l4,l9),Y=min(l4,l9)。

綜上所述,最終確定各參數(shù)l1=480 mm,l2=46 mm,l3=135 mm,l4=320 mm,l5=350 mm,l6=240 mm,l7=100 mm,l10=40 mm,θ1=55°,θ2=55°,θ3=55°,θ4=235°,θ5=20°,θ7=90°。

2.1.3 五連桿扦插機構(gòu)運動曲線

使用SolidWorks軟件繪制巨菌草扦插機的扦插機構(gòu)模型,并利用SolidWorks軟件Simulation模塊導出巨菌草扦插機扦插運動的運動曲線如圖3所示。

圖3 扦插機扦插軌跡Fig.3 Cutting track of cutting mechanism

2.2 扦插鴨嘴

2.2.1 扦插鴨嘴工作原理

扦插鴨嘴結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示,K處受力可以推動J處的旋轉(zhuǎn)滑移,J、z兩處高副可以旋轉(zhuǎn)滑移,N、M兩處不可滑移僅可以轉(zhuǎn)動。Nz、Mz分別連接一半的鴨嘴Ⅰ、Ⅱ,∠JNz=β是固定角度,J處的轉(zhuǎn)動滑移帶動N、M兩處轉(zhuǎn)動∠MNz=α2=∠NMz=α3,最終z處的轉(zhuǎn)動滑移,會造成鴨嘴Ⅰ、Ⅱ張開δ,完成鴨嘴在地面打穴,放入巨菌草莖稈的過程。

圖4 扦插鴨嘴示意圖Fig.4 Schematic diagram of the cut-duck mouth

2.2.2 扦插鴨嘴的改進

由于南疆土壤的特殊情況,巨菌草扦插機需要做出相應的優(yōu)化改進,南疆土壤砂石比例高,粘連性差,土壤在含水率(土壤濕度)過低時,扦插種苗很難直立;含水率過高時,容易出現(xiàn)扦插打穴后在扦插鴨嘴上遺留大量土塊不利于后續(xù)扦插作業(yè)。在保證合適的土壤濕度后,還需要解決盡量用較小的扦插鴨嘴張角打出適合扦插的孔洞。這就需要對扦插鴨嘴做一系列的優(yōu)化改進。

用于扦插的巨菌草莖稈長度為80～120 mm,為了順利從投苗缽盤接住扦插用的巨菌草莖稈(種苗),在盡量不傷害苗芽的同時考慮實際情況,鴨嘴扦插部分長度L取值范圍應該在60～130 mm,鴨嘴扦插打出穴口直徑范圍20～30 mm,鴨嘴張角

鴨嘴張角δ范圍為

式中：d——扦插穴口大小,mm。

將L與d的范圍代入可以得到δ范圍10°～30°。

結(jié)合實際試驗中觀察發(fā)現(xiàn)預設穴口直徑過大不利于扦插直立,而預設穴口直徑過小又不利于巨菌草莖稈順利落入穴內(nèi),所以綜合考慮在保證巨菌草莖稈可以順利下落的情況下,盡可能選擇小一些的穴口直徑。利用Matlab軟件遺傳算法包對鴨嘴張角建立數(shù)學模型,分析L、d與δ之間的關系,可以得到圖5、圖6。

圖5 遺傳算法分析影響鴨嘴張角因素Fig.5 Genetic algorithm analyzes the angle factors of duck mouth

圖6 鴨嘴機構(gòu)函數(shù)曲面Fig.6 Duck mouth mechanism function surface

可以發(fā)現(xiàn),鴨嘴長度尺寸L越大,越容易以相對較小的張角,打出更大的穴口大小。因此要在控制穴口不過大(保證莖稈扦插直立度)的同時保證莖稈可以從鴨嘴順利落入穴中。綜上,選取鴨嘴長度L=100 mm,鴨嘴大小與鴨嘴上半部分接苗防漏遮擋圍圈長度L′=140 mm。再結(jié)合前面選定的穴口直徑d的準則,代入計算δ。計算和結(jié)合實際考慮選取δ為20°。

由鴨嘴結(jié)構(gòu)簡化圖4可知,∠KJN=α4,∠JNz=β,∠MNz=α2=∠NMz=α3,∠MzN=α1,SNM=S1,SMz=S3=SNz=S2,SJN=S4。

根據(jù)正弦定理,對鴨嘴結(jié)構(gòu)分析可得

綜上對ΔS3整理后發(fā)現(xiàn)該式中只有S1與α3兩個變量,找到這兩個變量的約束條件如下。

式中：S1～S4——鴨嘴機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖各段長度,mm;

α1～α4——機構(gòu)各段對應夾角,(°)。

將目標函數(shù)輸入Matlab中,調(diào)用Matlab自帶遺傳算法包,分析影響因子對函數(shù)的影響,如圖7所示。

再結(jié)合Matlab對目標函數(shù)分析繪制的目標函數(shù)三維曲面圖8,可得S1越大對z處轉(zhuǎn)動滑移高副影響越大,結(jié)合設計的實際需要,選取SMN=S1=60 mm,而對于α取值要盡量偏小,再結(jié)合實際情況選取∠MNz=α2=∠NMz=α3=10°,∠NzM=α1=160°。

圖8 鴨嘴機構(gòu)z點處目標函數(shù)曲面Fig.8 Target function surface at the duck beak mechanism point z

再繼續(xù)對KJN部分分析,∠KJN=α4,SJN=S4,可以有以下計算

β-α3=α4

綜上整理ΔS4可知整個函數(shù)僅β和h兩個變量因素,找到這兩個變量的約束條件如下。

式中：h——N點到KJ垂直距離,mm。

將目標函數(shù)輸入Matlab中,調(diào)用Matlab自帶遺傳算法包,分析兩個影響因子對函數(shù)的影響,如圖9所示。

圖9 遺傳算法分析鴨嘴機構(gòu)J點處參數(shù)Fig.9 Genetic algorithm analyzes the parameters at the point J of the duck mouth mechanism

再結(jié)合Matlab對目標函數(shù)分析繪制的目標函數(shù)三維曲面圖10,可得h越大對J處轉(zhuǎn)動滑移高副影響越大,結(jié)合設計的實際需要,選取h=20 mm,而對于α取值應在結(jié)合實際情況的基礎之上盡量取小一些,本文取∠KJN=α4=15°。

圖10 鴨嘴機構(gòu)J點處目標函數(shù)曲面Fig.10 Target function surface at point J of the duck beak mechanism

綜上,可以對鴨嘴張開方式做出調(diào)整,進一步減小了β值由P處直接用拉線的方式讓鴨嘴Ⅰ、Ⅱ張開δ,示意圖如圖11所示。

圖11 改進鴨嘴機構(gòu)示意圖Fig.11 Schematic diagram of the improved duck mouth mechanism

3 仿真分析

3.1 EDEM扦插鴨嘴土壤扦插仿真

扦插機鴨嘴模型利用SolidWorks2019建立,并將扦插機鴨嘴模型另存為.igs格式文件。建立尺寸(長×寬×厚)為500 mm×500 mm×100 mm的土壤顆粒模型,其中土壤顆粒選取半徑為5 mm的球體,通過Particle Factory(顆粒工廠)建立土壤模型,選用顆粒數(shù)量50 000個,生成速度z軸負向5 m/s,生成速率50 000個/s,仿真步長2.44 772×10-5s,記錄數(shù)據(jù)時間間隔0.01 s。利用EDEM仿真扦插機鴨嘴扦插土壤時,扦插機鴨嘴與土壤顆粒以及土壤顆粒間受力狀況。依據(jù)扦插機鴨嘴扦插過程中土壤與土壤、土壤與扦插機鴨嘴的相互作用及運動規(guī)律,選取相關作用參數(shù)如表1所示[20]。根據(jù)土壤顆粒間的相互作用,設置土壤顆粒與土壤顆粒接觸模型為Hertz-Mindlin with JKR(Bonding),黏結(jié)能量設置為10 J。設置土壤顆粒之間黏結(jié)力能夠準確地模擬出土壤黏結(jié)。土壤與扦插機鴨嘴接觸模型選擇Hertz-Mindlin(no-slip)。根據(jù)具體實際情況,扦插機鴨嘴扦插速度為0.02 m/s,混合時間步選定為20%,仿真時長選擇3 s,仿真模型如圖12所示。

表1 仿真模型參數(shù)Tab.1 Simulation model parameters

圖12 鴨嘴扦插土壤仿真Fig.12 Soil simulation of duck mouth cuttings

利用EDEM后處理模塊提取扦插機鴨嘴扦插過程的土壤所受壓力數(shù)據(jù)如圖13所示,扦插機鴨嘴扦插土壤所受載荷隨著時間的推移,由0開始逐漸增大,其中,壓力值的變化范圍為0～7.932 kPa。

圖13 鴨嘴扦插土壤所受載荷仿真數(shù)據(jù)Fig.13 Simulation data of loading on duck-bill cutting soil

3.2 ANSYS靜應力仿真模擬

扦插機鴨嘴模型利用SolidWorks2019建立,并將扦插機鴨嘴模型另存為.parasolid.x.t格式文件。導入ANSYS/Workbench軟件中,應用軟件對扦插機鴨嘴進行靜力學分析。選取的不銹鋼材料屬性如表2所示,泊松比為0.31,選定材料密度7 750 kg/m2,彈性模量193 GPa,屈服強度200 MPa[21-22]。對模型進行網(wǎng)格劃分,設定模型節(jié)點數(shù)21 035,劃分網(wǎng)格數(shù)為13 023,設定好固定約束(限制鴨嘴張口上方支架各方向上的自由度,將鴨嘴固定),結(jié)合EDEM軟件仿真扦插過程中,所受載荷最大為8 kPa;在ANSYS中在鴨嘴兩片張口外表面上施加8 kPa載荷,扦插機鴨嘴的有限元靜應力分析模型如圖14所示,可見鴨嘴的末端破土處承受載荷最大,形變也最大,整個鴨嘴破土打穴張口承受載荷部位,承受載荷在0～2.4 MPa之間,而所選不銹鋼材料在22 ℃下的壓縮屈服強度為200 MPa。綜上優(yōu)化后的扦插機鴨嘴理論上滿足使用要求,適合田間作業(yè)。

表2 扦插機鴨嘴材料參數(shù)Tab.2 Material parameters of cuttings

圖14 鴨嘴承受載荷靜應力仿真分析Fig.14 Simulation analysis of duck nozzle bearing load static stress

4 試驗與結(jié)果分析

4.1 試驗材料與方法

4.1.1 試驗材料與試驗設備

試驗材料選用8～12 cm巨菌草莖稈種苗。試驗儀器主要有巨菌草扦插機試驗樣機、電子式游標卡尺、電子量角器、溫濕度測量裝置。

4.1.2 試驗方法

2021年9月在新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所的南疆土壤地塊開展回歸試驗,通過Design Expert軟件進行回歸分析并建立回歸模型,通過顯著性與響應曲面分析找出最佳模型,從中確定試驗因素與試驗指標的回歸方程,最后通過回歸方程求極值的方法確定扦插深度、扦插頻率以及土壤濕度的最佳值,并對參數(shù)的最佳值進行試驗驗證。試驗因素有扦插深度、扦插頻率以及土壤濕度三項[23-24],根據(jù)JB/T 10291—2013《旱地栽植機械》[25-26]進行巨菌草種苗扦插試驗,選擇栽植合格率(扦插莖稈直立程度)為試驗指標。試驗采用三因素五水平中心組合試驗方法[27-28]。

4.2 試驗因素與水平

巨菌草莖稈扦插的3個試驗因素：扦插深度為40～60 mm;土壤濕度為25%～65%;扦插頻率為40～60株/min。本次回歸試驗,共20組試驗,每組試驗進行5次,每次試驗結(jié)果取平均值,因素取值表如表3所示。

表3 試驗因素編碼Tab.3 Coding of test factors

4.3 試驗指標

扦插合格率(扦插后莖稈種苗直立程度)為試驗指標,測量扦插后莖稈種苗直立程度,莖稈扦插完全豎直是90°,扦插傾斜夾角在0°～90°范圍之間,扦插傾斜夾角越小,扦插莖稈豎直程度越高,分值評定對照表如表4所示。扦插傾斜夾角大于50°就判定為不合格,漏插、未插直接不合格,每組試驗結(jié)束后統(tǒng)計合格株數(shù),扦插合格率為一組試驗中扦插合格株數(shù)占該組試驗扦插總株數(shù)比值。

表4 分值評定對照表Tab.4 Score evaluation comparison table

4.4 試驗方案與試驗結(jié)果

對三因素五水平中心組合試驗,試驗方案與試驗結(jié)果如表5所示,X1、X2、X3為因素編碼值。

表5 試驗方案與試驗結(jié)果Tab.5 Test programme and test results

使用Design Expert 10軟件對表5中的試驗結(jié)果數(shù)據(jù)進行回歸擬合,建立扦插深度、土壤濕度、扦插頻率和扦插合格率的回歸方程為

Y=93.61+4.96X1+5.75X2+0.16X3-

0.062X1X2+0.013X1X3-0.037X2X3-

8.52X12-13.46X22-2.82X32

由表6中顯著性檢驗結(jié)果得到模型的F=7.16,同時顯著性概率P=0.002 5,顯然P<0.01。因此由該回歸模型所建立的回歸方程擬合度顯著,并且有意義。

表6 方差及顯著性分析結(jié)果Tab.6 Regression coefficient and significance test results

由表6可知,扦插頻率、土壤濕度與扦插頻率的交互項、扦插深度與扦插頻率的交互項、扦插深度與土壤濕度的交互項、扦插頻率的二次項P>0.05,說明影響均不顯著。扦插深度、土壤濕度以及它們的二次項0.010.05,說明差異不顯著,回歸模型與實際擬合良好,去除不顯著因素后整理得到新的回歸方程為

Y=93.61+4.96X1+5.75X2-8.52X12-

13.46X22

4.5 響應面優(yōu)化

結(jié)合表6中各試驗因素的F值,確定了影響扦插合格率的主次因素依次為X2、X1、X22、X12、X32、X3、X2X3、X1X2,并繪制各因素對扦插合格率影響的響應曲面圖(圖15)。

(a) 土壤濕度與扦插深度

從圖15可以看出,當扦插頻率一定時,扦插合格率隨土壤濕度的增加呈先上升后下降的趨勢;同時扦插合格率隨扦插深度的增加呈先上升后下降的趨勢。當土壤濕度一定時,扦插合格率隨扦插頻率的增加呈先上升后下降的趨勢;同時扦插合格率隨扦插深度的增加呈先上升后下降的趨勢。當扦插深度一定時,扦插合格率隨扦插頻率的增加呈先上升后下降的趨勢;同時扦插合格率隨土壤濕度的增加呈先上升后下降的趨勢。但是明顯扦插頻率對扦插合格率的影響不太顯著。根據(jù)回歸方程與響應面曲面圖顯示趨勢,再結(jié)合實際扦插機作業(yè)情況選取合適的數(shù)值,扦插深度X1=50 mm,土壤濕度X2=45%,扦插頻率X3=51株/min。

4.6 試驗驗證

為驗證優(yōu)化后的巨菌草扦插機的實際扦插效果,選取最佳試驗參數(shù),以扦插后扦插巨菌草莖稈種苗直立程度作為扦插合格率,進行5次扦插試驗,結(jié)果見表7。

表7 驗證試驗結(jié)果Tab.7 Validate the test results

試驗結(jié)果表明：改進后的巨菌草扦插機的扦插合格率達到了87.5%以上,平均扦插合格率為92%,完全能夠滿足巨菌草大面積機械化扦插推廣的要求。

4.7 對照試驗

2021年9月期間,在新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所的南疆土壤地塊,開展對照試驗。將未優(yōu)化的扦插試驗樣機與經(jīng)過優(yōu)化扦插機構(gòu)的試驗樣機在相同試驗環(huán)境下,先后分別扦插80株巨菌草莖稈種苗,對比前后扦插合格率。

通過在相同最優(yōu)試驗因素水平：扦插深度50 mm,土壤濕度45%,扦插頻率51株/min情況下進行試驗。對比優(yōu)化前后巨菌草扦插機扦插合格率如表8所示。從表8可以看出,優(yōu)化后的巨菌草扦插機扦插合格率提高了3.75%。

表8 優(yōu)化前后扦插合格率對照表Tab.8 Control table of cutting qualified rate before and after optimization

5 結(jié)論

1) 本文結(jié)合前期對于巨菌草莖稈種苗扦插農(nóng)藝分析與莖稈力學特性的研究,針對目前存在的問題并結(jié)合實際南疆土壤特色,對巨菌草扦插機的關鍵扦插機構(gòu)做了優(yōu)化,通過對機構(gòu)數(shù)學建模,分析目標函數(shù)最優(yōu)取值;對鴨嘴機構(gòu)、連桿機構(gòu),針對實際需要做出相應的優(yōu)化,通過計算并結(jié)合實際考慮選取鴨嘴張角20°,鴨嘴大小為100 mm,連桿機構(gòu)各桿件尺寸分別選取l1=480 mm,l2=46 mm,l3=135 mm,l4=320 mm,l5=350 mm,l6=240 mm。

2) 借助Design Expert軟件對回歸試驗進行回歸分析,確定了巨菌草扦插機扦插效果的三個試驗因素參數(shù)的最優(yōu)組合：扦插深度50 mm、土壤濕度45%、扦插頻率51株/min。最終在驗證試驗中,巨菌草扦插機的扦插合格率達到了87.5%以上,平均扦插合格率為92%,完全能夠滿足巨菌草大面積機械化扦插推廣的要求。