川芎苓種扦插裝備關鍵機構運動分析與試驗

楊濤　張梅　李曉曉　李佳航　凌寧　馬偉

摘要：針對川芎扦插人工成本較高、效率低等問題，設計一種鴨嘴式川芎扦插裝備。該裝備主要由扦插機構、覆土機構等構成，能夠一次性完成4行苓種扦插、覆土等作業(yè)。建立鴨嘴式栽植器仿真模型，分析其運動軌跡，探討滿足農藝要求的適合投苗點，依據(jù)破土面積較小、直立度較好等原則，結合“零速投苗原理”確立鴨嘴端點的運動軌跡與相關的技術參數(shù)，通過現(xiàn)場試驗驗證倒插率、漏插率、重插率、倒伏率、傷苗率、未填埋率等關鍵性能指標均小于5%，能夠較好地滿足川芎扦插農藝要求。

關鍵詞：川芎；扦插；移栽；吊籃；鴨嘴式栽植器；運動分析

中圖分類號：S223.9文獻標識碼：A文章編號：20955553 （2023） 11003206

Kinematics analysis and test of the key mechanism of Chuanxiong cutting equipment

Yang Tao Zhang Mei Li Xiaoxiao Li Jiahang Ling Ning Ma Wei

（1. School of Mechanical and Electrical Information， Chengdu Agricultural College， Chengdu， 611130， China；

2. School of Mechanical Engineering， Chengdu University， Chengdu， 610106， China；

3. Institute of Urban Agriculture， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Chengdu， 610213， China）

Abstract：Aiming at the problems of high labor cost and low efficiency of Chuanxiong cuttings， a duck-billed Chuanxiong cutting equipment was designed. The equipment is mainly composed of cutting mechanism， soil covering mechanism， etc.， which can complete cutting and soil covering of 4 rows at one time. A simulation model of the duckbill planter was established， its movement track was analyzed， and the suitable seedling point was explored to meet the agronomic requirements. The duckbill was established based on the principles of smaller broken soil area and better erection， combined with the principle of zero-speed seedling throwing. The movement trajectory and related technical parameters of the machine were verified by field tests， so as to verify that the key performance indicators such as inverted insertion rate， missed insertion rate， reinsertion rate， lodging rate， damaged seedling rate， and unfilled rate were all less than 5%， which could well meet the agronomic requirements for Chuanxiong cuttings.

Keywords：Chuanxiong; cutting; transplanting; hanging basket; duckbill type transplanter; motion analysis

0引言

川芎是主要“川產道地”藥材之一，主產于彭州、什邡、都江堰、眉山、邛崍等地?！端拇ㄊ≈兴幉漠a業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2018—2025年）》（川中醫(yī)藥強省辦發(fā)〔2019〕6號）文件顯示，2020年四川盆地川芎常年種植面積超過10khm²，到2025年種植面積達13.4khm²［1］。隨著規(guī)?；某掷m(xù)推進與人力成本的逐年上升，用戶對機械化的需求尤為迫切。當前，四川省乃至全國根莖類中藥材生產綜合機械化水平滯后主要糧食作物（小麥、水稻等）機械化水平約20年，僅施肥、施藥環(huán)節(jié)有少量通用型植保無人機參與，尤其是中藥材移栽與收獲環(huán)節(jié)相關作業(yè)機械尤為短缺甚至處于空白［1］。

中藥材生產全程機械化發(fā)展還處于起步階段，秧苗類、種子類中藥材移栽已經有不少科研院所、高校展開了技術攻關［23］。李樹森等［4］設計了一種具有急回特性的新型六桿移栽機構，并驗證了栽植深度、株距、直立度的要求；尹大慶等［5］設計了一種高速變姿態(tài)接苗鴨嘴式移栽機構，在羊角椒移栽試驗中平均移栽合格率達99.8%；劉洋等［6］為了提高吊籃式移栽機構喂苗準確率和降低苗缽質量損失，利用接觸力學建立苗缽最大變形量的方程，并用高速攝像機觀察番茄穴盤苗與栽植器的碰撞運動，得出影響喂苗準確率和苗缽質量損失的主要因素。顯然，中藥材移栽機械的研究集中在秧苗類、種子類藥材移栽方面，對于根莖類藥材移栽、扦插的研究甚少。秧苗類蔬菜移栽機械的研究為中藥材移栽機的研究與應用奠定了理論基礎［7］。本文結合川芎扦插農藝要求，參考蔬菜移栽機械基本原理，研制國內首款川芎扦插樣機，并對其核心部件鴨嘴式栽植器進行運動分析，進而確立樣機相關技術參數(shù)，解決人工扦插成本高、效率低的問題，有效推動川芎生產全程機械化發(fā)展進程。

1設計要求與整機結構

1.1設計要求與主要性能指標

川芎為無性繁殖，母子（留種的川芎）被稱為苓種，呈圓柱狀，長約2～6cm、粗約1～2cm，節(jié)盤直徑在1.3～2.5cm，苓種種植密度要求株距20～25cm、行距25～35cm［8］。扦插效果要求：（1）苓種節(jié)盤必須與土壤接觸，即要求苓種填埋于土壤不能裸露于地表，以便于苓種生根發(fā)芽；（2）苓種芽口必須朝上，切記倒插以提高苓種發(fā)芽率和成活率；（3）不能出現(xiàn)重播、漏播，以免造成苓種浪費和缺窩減產現(xiàn)象，尤其是空穴數(shù)量不宜過多；（4）扦插后苓種應盡量直立，不能東倒西歪呈倒伏狀。那么，根據(jù)川芎扦插農藝要求進一步明確扦插機主要性能指標見表1。

1.2整機結構與工作原理

川芎扦插機整體結構見圖1，工作原理見圖2。扦插機構安裝于旋耕機后，扦插機在拖拉機牽引下地輪隨之滾動，再通過傳動機構帶動扦插機構運轉，以完成苓種扦插作業(yè)。扦插機構采用偏心圓盤式吊籃結構，其栽植器呈鴨嘴狀。作業(yè)時需2～4名操作員端坐于座椅上，將擱置臺上的苓種逐一按芽口朝上的要求從投喂口喂入栽植器，再由扦插機構將其插入土壤中填埋。并且，安裝于扦插機構后方的覆土機構還能夠在扦插后進一步覆土以獲得更好的扦插效果。

2關鍵部件設計

川芎扦插機由扦插機構、覆土機構、傳動系統(tǒng)、機架等組成，其核心在于傳動系統(tǒng)與扦插機構兩部分。

2.1傳動系統(tǒng)

地輪在拖拉機牽引力作用下在地面滾動，進而帶動扦插機構運動?？紤]到扦插機空間結構、作業(yè)效率、扦插頻率、川芎種植株距的要求，采用二級鏈傳動系統(tǒng)，如圖3所示。

為保證扦插機作業(yè)效率，參考人工扦插作業(yè)效率可知拖拉機行駛速度v≥0.2m/s；地輪選用半徑為R0=0.3m的人字紋輪胎。為避免漏插，就需要保證無彈性滑動和打滑現(xiàn)象，要求平均傳動比較為準確、工作可靠、效率高。因而，鏈傳動是最適宜的選擇。而且，地輪與吊籃空間位置關系就決定了必須采用二級傳動。

由傳動比計算公式（1），得出地輪轉速n₁與吊籃轉速n₂的關系，結合扦插頻率f=60株/min確定地輪與吊籃傳動比i₀=0.75。從圖3可以看出，在拖拉機拖動作用下使得地輪滾動并帶動了吊籃的作旋轉運動。查閱機械設計手冊可用式（2）確定扦插機構所需的功率P_w約為712W，并由此確定計算功率P_c約為925W，進而依據(jù)鏈傳動設計步驟與方法進一步確定鏈輪轉速、齒數(shù)、中心距、鏈節(jié)數(shù)、鏈型號等參數(shù)，以完成鏈傳動設計。

i₀=i₁i₂=Z_aZ₂/Z₁Z_b（1）

式中：

i₁——第Ⅰ級傳動比；

i₂——第Ⅱ級傳動比；

Z₁——地輪所用的鏈輪齒數(shù)，Z₁=19；

Z_a——中間軸與地輪連接鏈輪齒數(shù)，Z_a=14；

Z_b——中間軸與吊籃連接鏈輪齒數(shù)，Z_b=15；

Z₂——吊籃所用的鏈輪齒數(shù)，Z₂=27。

P_w=2μmgv₀/1 000η_w（2）

式中：

μ——滾動摩擦系數(shù)，取μ=0.3；

m——扦插機構的質量，滿載時取m=500kg；

v₀——拖拉機的行駛速度，m/s；

η_w——為傳動效率，取η_w=0.95。

2.2扦插機構

扦插機構采用偏心圓盤式吊籃結構，如圖4所示。由偏心圓盤、同心圓盤、栽植器等構成，栽植器下方呈鴨嘴狀，同心圓盤與偏心圓盤通過多個“Z型”桿連接，鴨嘴式栽植器則均勻地周布于兩圓盤之間。由此，形成多組平行四桿機構，使得栽植器在運動過程中能夠始終保持鴨嘴豎直向下，從而保證扦插苓種不至于倒伏［9］。工作時，當栽植器上的滾子與吊籃支架上的導軌接觸后會推動滾子向鴨嘴內部方向運動，在杠桿原理的作用下迫使栽植器底部鴨嘴向相反方向運動，也就張開了鴨嘴；當?shù)趸@繼續(xù)旋轉到滾子脫離導軌后，栽植器在回位彈簧的作用下迅速閉合鴨嘴。即栽植器在插入土壤后迅速張開鴨嘴以便苓種落入土壤，同時在鴨嘴離開土壤后四周的土壤能夠迅速回落以填埋苓種。由此，也便完成了苓種扦插作業(yè)。

鴨嘴式栽植器由投苗杯、鴨嘴、復位彈簧、銷軸等部件構成，如圖5所示。其中，投苗杯起著接收苓種和扶正苓種的作用。若投苗杯內徑過小，可能會出現(xiàn)掛苗現(xiàn)象，進而造成漏插；若投苗杯內徑過大，不僅會迫使整個吊籃結構增大，還會影響到苓種扦插的直立度。那么，投苗杯內徑在滿足川芎苓種扦插作業(yè)質量的前提下要盡可能地減小體積。

根據(jù)苓種的基本形狀和大小特征，確定投苗杯長寬為90mm×90mm。此外，鴨嘴開口直徑d0必須大于苓種節(jié)盤直徑13～25mm。同時，空間尺寸又受到吊籃體積的限制。由此，確立鴨嘴式栽植器體積為160mm×110mm×210mm。考慮到扦插機結構緊湊與操作方便性，同時還要滿足扦插株距L=20～25cm、行距D=25～35cm、扦插深度d=0～8mm的要求。初步選定吊籃回轉半徑R=0.22m、行距D=30cm，扦插深度d=0～8mm可調，一次栽植4行，幅寬1.3m。由此，得到扦插機主要性能參數(shù)，進而由仿真試驗得到鴨嘴栽植器運動軌跡；再結合扦插效果（漏插率、倒插率、重插率、倒伏率、傷苗率、未填埋率等關鍵指標均小于5%，進一步從運動軌跡中分析計算或驗證出拖拉機行駛速度v、鏈輪齒數(shù)z、移栽頻率f、鴨嘴數(shù)量N等關鍵指標。

3栽植機構仿真分析與關鍵參數(shù)確定

3.1鴨嘴運動軌跡仿真分析

3.1.1構建鴨嘴運動軌跡數(shù)學模型

如何保證扦插苓種的直立度是扦插機構設計的核心問題之一，鴨嘴是扦插機構的執(zhí)行部件，其運動軌跡會直接影響到扦插苓種的直立度。鴨嘴在破土時若存在水平方向上的速度，會導致鴨嘴在水平方向上產生滑移，進一步造成破土面積大，苓種扦插直立度較差，苓種填埋率較低等問題［10］。為進一步驗證扦插裝置核心部件的運動軌跡，避免扦插過程中出現(xiàn)倒伏、帶苗等不良現(xiàn)象，影響扦插效果，還需分析鴨嘴端點運動軌跡。鴨嘴相對于吊籃做圓周運動，同時在拖拉機牽引力的作用下沿前進方向運動。由此可知，以吊籃回轉中心為坐標原點，建立直角坐標系，以拖拉機前進方向為X軸，豎直方向為Y軸。那么，就可以得到鴨嘴端點的運動軌跡是一條擺線并符合式（3）。

x=－［vt+Rcos（ωt）］

y=－Rsin（ωt）（3）

式中：

x——前進方向上的位移，m；

y——豎直方向上的位移，m；

ω——吊籃的角速度，rad/s；

t——運動的時間，s。

3.1.2鴨嘴運動軌跡及分析

對鴨嘴端點運動軌跡求導即可得到鴨嘴端點運動速度方程，如式（4）所示。

v_x=－［v－ωRsin（ωt）］

v_y=－ωRcos（ωt）（4）

式中：

v_x——前進方向上的速度，m/s；

v_y——豎直方向上的速度，m/s。

由式（4）得到鴨嘴端點運動軌跡見圖6（a），將其局部放大得到圖6（b）。

前人在對鴨嘴端點軌跡方程與運動方程分析的基礎上提出了“零速投苗原理”，即栽植器在栽植秧苗時水平方向上的速度v_x=0，以保證栽植作物的直立度［11－12］。那么，令λ=ωR/v，并將λ定義為運動軌跡特征系數(shù)［13］。顯然，當λ＞1時，鴨嘴端點的運動軌跡為Ⅰ，曲線上出現(xiàn)了一個環(huán)扣。此條件下，鴨嘴端點運動到A、B兩點時其水平方向上的速度均為0，在A、B兩點之間均有與拖拉機行駛方向相反的水平速度。若在A點投苗，苓種存在豎直向下的慣性力，有利于投苗，但投苗點較高；若在B點投苗，苓種存在豎直向上的慣性力，有上拋的運動趨勢，且投苗點較高；若在AB段投苗，鴨嘴端點有一個與拖拉機行駛方向相反的速度，會造成破土面積大，影響苓種填埋率，同時也會導致扦插苓種后傾。但是，在緊隨其后的覆土鎮(zhèn)壓輪的作用下，可進一步覆土、扶正，進而保證扦插苓種填埋率與直立度。

當λ=1時，鴨嘴端點的運動軌跡為Ⅱ，且軌跡曲線上只有一個拐點C，說明鴨嘴端點在C點時水平方向上的速度為0，其他位置均存在水平方向上的速度。若在C點位置投苗，最大程度上的減小了破土面積，但鴨嘴端點在投苗后立即沿運動軌跡向前運動，存在繼續(xù)帶動苓種向前傾的可能性。

當λ＜1時，鴨嘴端點的運動軌跡為Ⅲ，此時鴨嘴端點水平速度方向與拖拉機行駛方向相同，鴨嘴端點在入土后仍有一個相對向前的速度，無水平方向速度為0的時刻。換言之，該條件下無論何時扦插苓種均會導致扦插苓種傾斜，影響直立度要求。

由此，為消除鴨嘴端點入土后水平方向上的速度對移栽效果的影響，只有在鴨嘴端點到達最低點時的線速度等于拖拉機行駛速度，最大程度上減小了破土面積，才能夠保證扦插苓種的直立度。雖然，從“零速投苗原理”上來說，A、B兩點投苗也符合“零速”要求，但此時投苗點較高，鴨嘴端點可能還未入土；A、B兩點之間投苗會有后傾趨勢，需覆土鎮(zhèn)壓輪“扶正”；C點投苗，破土面積小、填埋率較好，基本符合扦插要求，但存在扦插后繼續(xù)帶苗的可能性。結合試驗效果，選擇在C點投苗符合川芎栽植農藝要求。據(jù)此得到拖拉機行駛速度v、吊籃回轉半徑R、吊籃角速度ω等扦插機構關鍵參數(shù)之間的函數(shù)關系式（5）。

v=ω₀R₀=ωR（5）

式中：

ω₀——地輪回轉角速度，rad/s；

R₀——地輪回轉半徑，R₀=0.3m。

3.2關鍵參數(shù)確定

3.2.1苓種扦插頻率與行駛速度

在確定鴨嘴端點運動軌跡的基礎上，進一步保證機構尺寸的合理性與扦插效果，需確定傳動比、吊籃直徑、株距、鴨嘴數(shù)量等關鍵參數(shù)。根據(jù)苓種扦插直立度要求又有拖拉機行駛速度與移栽頻率f、株距L之間符合關系式（5），由此可計算出拖拉機的適宜行駛速度?？紤]到人工勞動強度與作業(yè)效率，取移栽頻率f=60株/min，則根據(jù)式（6）可得鴨嘴回轉半徑R=0.22m。

v=ωR=Lf（6）

3.2.2鴨嘴數(shù)量

扦插機在扦插作業(yè)過程中地輪不可避免地會存在一定的滑移，這使得地輪滾動一定圈數(shù)后實際走過的距離比理論距離要長?；坡师?sub>0由式（7）計算，運動軌跡特征系數(shù)λ即可改寫為式（8）。

ε₀=s－s₀s×100%（7）

式中：

s₀——理論距離，s₀=2πR₀；

s——實際距離，m。

λ=（1－ε₀）R/R₀i₀（8）

根據(jù)鴨嘴端點運動軌跡可知，鴨嘴既沿著吊籃回轉中心做回轉運動，又在拖拉機牽引下沿前進方向移動。那么，在1個周期內鴨嘴在前進方向上移動的距離應等于鴨嘴數(shù)量與株距的乘積，即株距與吊籃鴨嘴的數(shù)量N的關系符合式（9）。

L=2πR₀i₀/N（1－ε₀）（9）

株距與鴨嘴數(shù)量、地輪半徑、傳動比、滑移率等直接相關。試驗表明，當滑移率較小時可選擇較大的傳動比。

由此，在地輪半徑R₀=0.3m、傳動比i₀=0.75、滑移率ε₀=4%的情況下繪制L-N關系圖，如圖7所示。當N=6時，L約為21cm，符合川芎扦插要求。

4試驗分析

試驗選取彭州市某企業(yè)川芎種植基地，土壤平均含水率約24.5%、平均溫度約28.5℃，要求旋耕后整地起壟，使用適宜機械作業(yè)的苓種，長約6cm。結合現(xiàn)行GB/T 5667—2008《農業(yè)機械生產試驗方法》與JB/T 10291—2013《旱地栽植機械》作業(yè)規(guī)范要求，設計了扦插機扦插效果試驗。

試驗前準備好苓種，調整機械消除無關變量對試驗效果的影響，重點檢驗扦插機倒插率、漏插率、重插率、填埋率、倒伏率、傷苗率、扦插頻率以及在保證作業(yè)效果的前提下的最大扦插效率等指標［14］。填埋率是指苓種節(jié)盤必須接觸土壤，出現(xiàn)懸空或裸露空氣中的苓種視為土壤填埋不合格；倒伏率是指扦插后的苓種直立度較差，影響后續(xù)生長；傷苗率是指在扦插作業(yè)過程中機械裝備對苓種的損害。倒插率、漏插率、重插率、填埋率、倒伏率、傷苗率等指標均可按式（10）計算，作業(yè)效率η按式（11）計算。

η_i=n_i／Num×100%i=1，2，…，6 （10）

式中：

Num——扦插的總株數(shù)，株；

n_i——扦插不合格（漏插、倒插、重插、倒伏、傷苗、未填埋等）株數(shù)，株。

η=1.5×1^0－3×（3 600－ct₀）Bv-≥η₀m₀（11）

式中：

c——拖拉機調頭次數(shù)；

t0——拖拉機調頭需要的時間，s；

B——作業(yè)寬度，B=1.5m；

v-——拖拉機作業(yè)平均速度，m/s；

m₀——扦插機工作需要的總人數(shù)，m_max=5人；

η₀——

單人人工扦插作業(yè)效率，η₀= 1.1×10^-2hm²/h。

試驗中，由拖拉機牽引移栽機在基地田間作業(yè)，試驗分3組，4人投喂苓種，每組要求拖拉機行駛30m以上，至少扦插400株，以獲得試驗足夠樣本數(shù)據(jù)。

試驗分析結果如表2所示。川芎扦插倒插率、漏插率、重插率、倒伏率、傷苗率、未填埋率等指標均小于5%，并且，漏插、重插、倒插主要受到投喂人員的主觀影響，節(jié)盤未接觸土壤的苓種只出現(xiàn)在兩側較低矮處，由旋耕機整地不平導致。扦插效率受到投喂人數(shù)以及投喂人熟練程度的影響，理想情況下按最大作業(yè)速度、4人投喂計算最大扦插效率大于0.96hm²/h，相較于人工作業(yè)效率提高了1.2倍。由此，無論是從作業(yè)效果還是作業(yè)效率均能夠滿足設計要求與用戶使用需要，同時也為進一步研制自動取苗機構，實現(xiàn)自動化作業(yè)奠定基礎。

5結論

1）? 借鑒蔬菜移栽機研制經驗，設計吊籃式川芎扦插裝備，構建鴨嘴端點運動軌跡數(shù)學模型，分析鴨嘴端點運動軌跡，結合川芎扦插農藝要求（株距、行距、扦插深度、扦插直立度等）確立具體投苗位置，并詳細分析計算出各技術參數(shù)：傳動比i₀=0.75、鴨嘴數(shù)量N=6、扦插頻率f=60株/min、鴨嘴回轉半徑R=0.22m等。

2）? 試制川芎扦插樣機，能夠一次性完成4行苓種扦插、覆土作業(yè)，試驗扦插效果，驗證倒插率、漏插率、重插率、倒伏率、傷苗率、未填埋率等關鍵性能指標均小于5%，基本滿足農藝要求和用戶使用需求。

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