朱斌彬，呂釗欽

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018)

0 引言

甘薯是一年生或多年生蔓生草本，又名山芋、地瓜、紅薯、朱薯等。甘薯是一種營(yíng)養(yǎng)豐富、用途廣泛、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的農(nóng)作物。我國(guó)的甘薯種植面積和總產(chǎn)量均世界首位，它不但是主要的糧食作物，而且還是很好的飼料及工業(yè)生產(chǎn)原料。甘薯一般采用塊根無性繁殖，先用種薯在苗床育苗，生長(zhǎng)至一定時(shí)期后剪(或拔)取莖尖，再運(yùn)至大田進(jìn)行裸苗高壟栽插作業(yè)[1-2]。

甘薯裸苗難以實(shí)現(xiàn)高效自動(dòng)分苗，所以目前全球機(jī)械移栽中基本都采用半自動(dòng)栽插形式，如美國(guó)瑪馳尼克公司生產(chǎn)的大馬力拖拉機(jī)牽引的半自動(dòng)鏈夾式甘薯裸苗栽植機(jī)、日本井關(guān)農(nóng)機(jī)株式會(huì)社等生產(chǎn)的小型自走帶夾式栽植機(jī)。我國(guó)的甘薯移栽機(jī)研發(fā)使用尚處初級(jí)階段，機(jī)具也多以半自動(dòng)移栽機(jī)和簡(jiǎn)易移栽器為主。山西省農(nóng)科院研發(fā)的可一次完成打孔、澆水、乘坐手工栽插等作業(yè)的簡(jiǎn)易栽植器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但效率低，且壓壟傷壟問題突出，難以實(shí)現(xiàn)斜插作業(yè)， 栽插質(zhì)量低。南通富來威農(nóng)業(yè)裝備有限公司研制了2ZL-1型鏈夾式移栽機(jī)，胡良龍、胡冰等研制了2ZGF-2型甘薯復(fù)式栽植機(jī)。鏈夾式移栽機(jī)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但是無法進(jìn)行膜上移栽，且無法實(shí)現(xiàn)精確的栽植軌跡[3-4]。

針對(duì)現(xiàn)有移栽機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)甘薯裸苗移栽軌跡的問題，本文設(shè)計(jì)出一種帶夾式甘薯裸苗移栽機(jī)。該機(jī)采用栽插四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行插秧，可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)農(nóng)藝要求的栽插軌跡，經(jīng)過初步試驗(yàn)，該移栽機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)甘薯裸苗的移栽作業(yè)，從而為甘薯苗的移栽作業(yè)提供了一種新的機(jī)具。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 作業(yè)要求

生產(chǎn)上甘薯秧苗栽插方式主要有斜插法、 直插法、 舟底形插法和水平插法等，如圖 1所示。 其中， 斜插法以秧苗傾斜地面 60°～70°的方式插入土壟中，苗根部與水平面夾角約為30°，薯苗入土節(jié)數(shù)較多， 且入土深度適宜， 有利于抗旱增產(chǎn)，是目前甘薯生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的一種栽插方式[5]。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

帶夾式甘薯裸苗移栽機(jī)主要由機(jī)架、行走裝置、仿形裝置、送苗裝置、插秧裝置和夾苗裝置組成，如圖2所示。圖3為傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力傳遞路線。

機(jī)架用于支撐移栽機(jī)的其他部分，并懸掛在拖拉機(jī)上；行走裝置由兩個(gè)地輪組成，地輪轉(zhuǎn)動(dòng)為整機(jī)提供動(dòng)力；仿形裝置由安裝在機(jī)架后端的兩個(gè)仿形輪組成，仿形輪傾斜安裝，防止工作時(shí)機(jī)器跑偏。

1.機(jī)架 2.地輪 3.插秧連桿Ⅰ 4.插秧連桿Ⅱ 5.插秧連桿Ⅲ 6.仿形輪 7.地輪傳動(dòng)鏈輪Ⅰ 8.主傳動(dòng)軸Ⅰ 9.傳動(dòng)鏈輪Ⅱ 10.主傳動(dòng)軸Ⅱ 11.同步帶輪 12.同步帶 13.秧苗固定鈑金

1.不完全齒輪機(jī)構(gòu) 2.曲柄連桿機(jī)構(gòu) 3.齒輪齒條 4.同步帶輪 5.槽輪機(jī)構(gòu) 6.地輪

送苗裝置由傳動(dòng)鏈輪、槽輪機(jī)構(gòu)、同步帶輪、同步帶和夾苗鈑金組成。甘薯苗固定在夾苗鈑金上，地輪動(dòng)力經(jīng)鏈輪傳動(dòng)和槽輪機(jī)構(gòu)傳遞給同步帶，實(shí)現(xiàn)同步帶的間歇性運(yùn)動(dòng)，為栽植機(jī)構(gòu)提供甘薯苗。

插秧裝置由傳動(dòng)鏈輪、不完全齒輪機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)及栽植四桿機(jī)構(gòu)組成。地輪動(dòng)力經(jīng)鏈傳動(dòng)、不完全齒輪機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)和齒輪齒條機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)的主動(dòng)連桿間歇性往復(fù)擺動(dòng)，形成插秧軌跡。

夾苗裝置用于甘薯苗的夾取和松開，由氣缸控制苗夾的開合；夾苗指的材料為彈簧鋼，通過控制夾苗指的變形程度控制夾苗的力量，保證在夾取過程中不傷苗。

1.3 工作原理

拖拉機(jī)通過三點(diǎn)懸掛與移栽機(jī)連接，帶動(dòng)移栽機(jī)前進(jìn)作業(yè)。地輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)力一方面通過鏈傳動(dòng)、錐齒輪傳動(dòng)、槽輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)和同步帶輪帶動(dòng)夾苗帶間歇式轉(zhuǎn)動(dòng)，為插秧機(jī)構(gòu)提供秧苗；另一方面通過鏈傳動(dòng)、不完全齒輪機(jī)構(gòu)、曲軸連桿機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)插苗連桿機(jī)構(gòu)的主動(dòng)桿間歇式往復(fù)擺動(dòng)，通過四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)栽植軌跡，同時(shí)配合夾苗指的開合，來實(shí)現(xiàn)移栽過程。

2 關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)

2.1 送苗裝置的設(shè)計(jì)

送苗機(jī)構(gòu)主要由機(jī)架、從動(dòng)鏈輪、1對(duì)錐齒輪、棘輪機(jī)構(gòu)、同步帶和夾苗鈑金組成，如圖4所示。

1.傳動(dòng)鏈輪 2.機(jī)架 3.同步帶輪 4.同步帶 5.秧苗固定鈑金 6.圓柱銷盤 7.對(duì)錐齒輪 8.槽輪

地輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力通過槽輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)同步帶輪間歇性轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)同步帶間歇性轉(zhuǎn)動(dòng)。秧苗固定在夾苗鈑金上。圓柱銷盤每轉(zhuǎn)1圈，槽輪旋轉(zhuǎn)90°，所以每次同步帶移動(dòng)距離為

S=πd/4

(1)

其中，d為同步帶輪的直徑。計(jì)算得出夾苗鈑金的在同步帶上布置的距離為102mm。

2.2 插秧機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

插秧機(jī)構(gòu)主要由不完全齒輪機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)和四連桿機(jī)構(gòu)組成，如圖5所示。地輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)不完全齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過不完全齒輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)曲軸間歇式轉(zhuǎn)動(dòng)，通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為齒條間歇式直線運(yùn)動(dòng)，通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為主動(dòng)桿的間歇往復(fù)擺動(dòng)。

1.支撐板 2.不完全齒輪Ⅰ 3.驅(qū)動(dòng)鏈輪 4.曲軸 5.不完全齒輪Ⅱ 6.連桿 7.齒條 8.齒輪 9.插秧連桿Ⅰ 10.插秧連桿Ⅱ 11.插秧連桿Ⅲ圖5 插秧裝置簡(jiǎn)圖

2.2.1 插秧四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)模型如圖6所示。在理論軌跡上取6個(gè)點(diǎn)，以連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)軌跡與理論軌跡的偏差最小建立目標(biāo)函數(shù)，即

(2)

其中，Mxi(i=1,2,3....)為理論軌跡上一系列點(diǎn)的坐標(biāo);Pxi(i=1,2,3，....)為設(shè)計(jì)軌跡上一系列點(diǎn)的坐標(biāo)。根據(jù)圖6中的幾何關(guān)系可以得到

Mxi=l2cosθi+l5cosφi+l5cosφi

(3)

Myi=l2sinθi+l5sinφi

(4)

θi=θ0+Δθi

(5)

φi=γ+ηi-(εi-β)

(6)

栽植機(jī)構(gòu)是一個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，要滿足曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的要求，則約束條件為

l1>0

(7)

l2+l3-l1-l0>0

(8)

l1+l3-l2-l0>0

(9)

l2+l0-l1-l3>0

(10)

圖6 四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)模型

利用 MatLab優(yōu)化工具箱提供的多變量有約束非線性函數(shù)最優(yōu)化函數(shù)fmincon 進(jìn)行計(jì)算：

[xopt,fopt]=f mincom@lgjg_gjyh_mb，

x0[],[],[],[],lb,ub,@lgjg_gjyh_ys)。

其中，lgjg_gjyh_mb.m’為目標(biāo)函數(shù)的m文件，‘lgjg_gjyh_ys.m’為約束函數(shù)的m文件。得到四桿機(jī)構(gòu)的各個(gè)參數(shù)[6]。

在SolidWorks中建立插秧裝置的三維模型，并用motion插件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真，得到的軌跡如圖7所示。

圖7 插秧裝置仿真軌跡

2.2.2 夾苗爪的設(shè)計(jì)

夾苗爪的結(jié)構(gòu)如圖8所示。整個(gè)機(jī)構(gòu)將氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閵A苗指的開合運(yùn)動(dòng)，夾苗指為5mm彈簧鋼，夾苗時(shí)夾苗指發(fā)生變形，通過控制夾苗指變形的大小控制夾苗的力度，保證夾苗過程中不傷苗。

對(duì)新鮮甘薯苗根部進(jìn)行壓縮力學(xué)實(shí)驗(yàn)，得出了在不損壞苗的情況下的最大夾緊力。取30棵新鮮甘薯苗，在根部(夾苗位置)取10mm苗徑，直徑為3～5mm，在壓縮試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，得到應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖9所示。

1.氣缸 2.連鎖定軸套 3.氣缸安裝板 4.緩沖彈簧 5.連接板 6.插秧連桿2 7.運(yùn)動(dòng)軸 8.導(dǎo)向軸套 9.短連桿 10.三孔連桿 11.夾苗指固定板 12.夾苗指

圖9 應(yīng)力應(yīng)變曲線

由應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出：甘薯裸苗夾緊力為12N左右時(shí)，在壓縮力不變的情況下，變形較大，說明甘薯苗發(fā)生損壞。所以，取夾苗爪的夾緊力為10N。在夾苗指的一端施加10N的力，另一端固定，在SolidWorks simulation插件中仿真得到夾苗指的橫向變形為3.3mm。

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)基本條件

田間性能試驗(yàn)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)南校區(qū)試驗(yàn)田進(jìn)行。試驗(yàn)土壤為壤土，土壤含水率為20%，粘度適中；試驗(yàn)地平整， 已提前用起壟鋪膜機(jī)完成起壟鋪膜，壟型規(guī)范， 鋪膜平整，覆土嚴(yán)實(shí)，能夠滿足試驗(yàn)要求。試驗(yàn)用拖拉機(jī)為歐豹520型拖拉機(jī)，后輪輪距1300mm，輪胎寬度320mm。試驗(yàn)用苗為黃皮黃心甘薯苗，試驗(yàn)時(shí)苗平均苗直徑4.6mm,長(zhǎng)260mm,葉片的數(shù)量為8～12片。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析

在拖拉機(jī)行進(jìn)速度0.3m/s條件下進(jìn)行了單壟單行移栽作業(yè)方式的試驗(yàn)，主要對(duì)插秧深度、傾斜角度、成活率及地輪滑移率4個(gè)技術(shù)性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果如表1所示。

表1 帶夾式甘薯裸苗移栽機(jī)試驗(yàn)性能結(jié)果

Table 1 Experimental performance results of Transplanting Machine for Nude Seedling with Belt

測(cè)試項(xiàng)目實(shí)測(cè)值(平均值)合格率/%標(biāo)準(zhǔn)差 變異系數(shù)插秧深度9.8cm86.40.790.35傾斜角度 29.8°931.220.13成活率92%———左地輪滑移率6.2%———

由表1可以看出：插秧深度和傾斜角度滿足甘薯苗移栽的農(nóng)藝要求，說明所設(shè)計(jì)的四連桿插秧裝置滿足要求；成活率較高，說明夾苗裝置中夾苗指對(duì)苗的傷害較小，滿足設(shè)計(jì)要求；地輪滑移率為6.2%，滿足農(nóng)藝要求，能夠保證地輪為整機(jī)提供動(dòng)力。

4 結(jié)論

1)理論分析與試驗(yàn)表明：研制的帶夾式甘薯裸苗移栽機(jī)能順利完成甘薯裸苗的移栽作業(yè)，各項(xiàng)作業(yè)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)及甘薯裸苗移栽的農(nóng)藝要求。

2)設(shè)計(jì)了送苗裝置、插秧裝置、夾苗裝置及整機(jī)的動(dòng)力傳遞；采用四連桿式插秧機(jī)構(gòu)，對(duì)插秧軌跡進(jìn)行了分析，能夠精確滿足甘薯裸苗的插秧軌跡；對(duì)甘薯苗進(jìn)行了力學(xué)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)了夾苗裝置，確定了氣缸的行程，在夾苗過程中減少了對(duì)苗的傷害。

3)試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)拖拉機(jī)前進(jìn)速度增大時(shí)，插秧軌跡發(fā)生變化，插秧深度減小，傾斜角度變大，需要進(jìn)一步優(yōu)化插秧機(jī)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡良龍,計(jì)福來,王冰,等.國(guó)內(nèi)甘薯機(jī)械移栽技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化,2015(3):289-291，317.

[2] 孫登峰.甘薯移栽解決方案初討[J].農(nóng)機(jī)市場(chǎng),2012(11):22-24.

[3] 孫登峰,吳亦鵬,陳建華.甘薯機(jī)械移栽方案[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械,2012(23):61-62.

[4] 胡良龍,胡志超,謝一芝,等.我國(guó)甘薯生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)路線研究[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化,2011(6):20-25.

[5] 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院.中國(guó)甘薯栽培學(xué) [M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1984.

[6] 郭仁生.機(jī)械工程設(shè)計(jì)分析和MATLAB應(yīng)用.[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,

[7] 西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研室.機(jī)械原理 [M].北京：高等教育出版社，2006.