设施膜上移栽机栽植机构设计与试验_王春辉.pdf

第 期 王春辉 等 设施膜上移栽机栽植机构设计与试验 设施膜上移栽机栽植机构设计与试验 王春辉 尹义蕾 丁小明 陈永生 付亚斌 陈杰 农业农村部规划设计研究院 北京市 农业农村部农业设施结构工程重点实验室 北京市 农业农村部南京农业机械化研究所 南京市 宝鸡市鼎铎机械有限公司 陕西宝鸡 摘要 针对设施蔬菜穴盘苗移栽机膜上作业效果不好 稳定性较差等问题 设计一种八杆栽植机构 建立八杆栽植机构的数 学模型并进行仿真分析与效果验证 使用 动力仿真软件 对八杆栽植机构的虚拟样机在取投苗效率为 株 栽植深度为 株距为 时进行仿真分析 仿真分析结果表明 膜面连接长度满足蔬菜移栽机 行业标准 按蔬菜移栽机膜面穴口开孔合格率中膜面连接长度测定方法对八杆栽植机构样机进行试验测试 试验结果表 明 样机株距设置为 时 膜面连接长度平均值为 与仿真结果误差分 别为 关键词 移栽机 八杆栽植机构 膜面连接长度 中图分类号 文献标识码 文章编号 王春辉 尹义蕾 丁小明 陈永生 付亚斌 陈杰 设施膜上移栽机栽植机构设计与试验 中国农机化学报 收稿日期 年 月 日 修回日期 年 月 日 基金项目 国家重点研发计划 第一作者 王春辉 男 年生 河北保定人 硕士 助理工程师 研究方向为设施农业智能装备 通讯作者 尹义蕾 男 年生 山东泰安人 硕士 高级工程师 研究方向为设施农业智能装备 引言 截至 年 我国设施蔬菜面积已超过 为保障菜篮子供应和提高农民收入发挥了重大作用 穴 盘育苗移栽是设施蔬菜生产中最重要的环节之一 相 较于直播 移栽可有效提高作物产量与收益 当 前 我国设施穴盘苗移栽主要是膜上移栽 移栽株距 深度 覆土效果等要求高 相关的装备研制仍处于起步 阶段 作业主要依靠人工 成本高 效率低 劳动强度 大 因此 研制适用性强 移栽效率高的穴盘苗移栽机 是一个亟待解决的难题 取投苗与栽植机构是移栽机械的关键组成部分 其机械化与自动化能够显著提高移栽效率 降低劳动 强度 近年来 国内很多学者都对栽植机构进行了 一系列的应用与研究 石河子大学的李华等 设计的 型全自动蔬菜穴盘苗铺膜移栽机采用了行星 轮系 五杆式栽植机构 由于该机构使用了较为复杂 的行星轮系因此加工与维护的成本较高 江苏大学的 王震 设计了入土角度与栽植深度可调鸭嘴式高速移 栽装置 其栽植机构对土壤的划痕较长实用性不高 不 适宜做温室内的膜上移栽 昆明理工大学的于英杰 等 设计了一种双曲柄式花椰菜钵苗栽植机构 该机 构可保持末端的姿态不变 但其自由度为 需要有两 个曲柄同步转动 其加工与维护的成本较高 东北林 业大学的李树森等 设计了一种新型六杆栽植机构 该机构可使末端在工作时保持姿态不变 但并没有对 该机构进行实际的试验 其实用性有待进一步研究 为得到一种结构简单 实用性高 成本较低的栽植 机构 本文提出一种八杆单自由度的栽植机构 建立该 机构的运动学方程 并进行仿真分析与试验 栽植机构设计与工作原理 整机结构 移栽机主要由行走机构 送苗机构 栽植机构三部 分组成 行走机构采用直流无刷电机驱动 经带有差 速减速机减速后将动力输出到驱动轮上 工作时需要 人工将苗投喂到送苗机构的送苗盒中 送苗机构再将 苗继续投喂给栽植机构 栽植机构将苗栽植到垄上 第 卷 第 期 年 月 中国农机化学报 中国农机化学报 年 栽植机构设计 八杆栽植机构如图 所示 主要由机架 驱动轮 滑动连杆 平行四杆机构 平行四杆机构 栽植盒 组成 在两个平行四杆机构的共同作用下可使得栽植 盒在工作时姿态保持不变 栽植盒为鸭嘴式结构 可 垂直与作业方向打开 图 八杆栽植机构平面图 栽植盒 滑动连杆 驱动轮 机架 平行四杆机构 平行四杆机构 为便于说明和分析 八杆栽植机构可简化为图 的机构简图 八杆指的是图中 八根杆件 图 栽植机构简图 栽植机构活动构件数 低副数量 高 副数量 代入自由度公式 可得栽植机构的自由度为 因此只需要一个原 动件 便可实现复杂确定的动作 减速箱的输出轴 带动 绕 点转动 点为栽植盒末端 以各个杆逆 时针转动为正 轴正半轴为初始化的相位基准 则各 个杆和构件的初始相位为 世界坐标系为 以减速器的输出轴为原点作为机架坐标系 构件 为机架 各个杆之间通过转动副连接 各个杆长 为 曲柄 可绕原点 转动 杆可在构件 中滑动 构件 可绕点 自由转动 其余各个杆之间铰 支连接 点为杆 的中心位置 因为机构中存在 平行四杆机构 和 则构件 杆件 杆件 杆件只能在 坐标系内实现平移而 不能转动 所以夹角 保持不变 作业速度大 小为 方向沿世界坐标系的 负方向 工作原理 送苗机构在主动链轮的带动下使链条上的送苗盒 围绕送苗架运动 在需要投苗的位置安装有撞块 当送 苗盒移动到投苗位置后开合机构上的轴承与撞块碰撞 迫使送苗盒打开 送苗盒里的苗落入栽植盒内 越过此 位置后在弹簧作用下送苗盒关闭 在八杆栽植机构中 杆 由减速器驱动 当栽植 盒正好运动到最高位置时送苗机构正好将送苗盒运送 到其正上方 然后打开送苗盒将苗投入到栽植盒内 八杆栽植机构末端的栽植盒继续运动到最低位置 由 于存在两个平行四杆机构 可使得送苗盒落入栽植盒 内的钵苗姿态保持不变 保证了移栽钵苗的直立度 当 栽植盒运行到最低点时栽植盒打开 钵苗自由落入穴 孔中 穴孔在栽植盒入土出土时形成 栽植盒从最 低点继续运行到最高点重复上述动作 送苗机构的送 苗盒同时给两套栽植机构供苗 当一套机构的栽植盒 插入土中放苗时 送苗机构正好将苗放入另一套机构 的栽植盒中 在链条上的送苗盒依次间隔的放入各自 对应的栽植机构中 八杆栽植机构运动学分析 如图 所示 在机架坐标系 下 根据图 栽 植机构简图列出矢量封闭方程组 烅 烄 烆 根据矢量方程组中的第一个式子可得 烅 烄 烆 整理可得 槡 烅 烄 烆 根据矢量方程组中的第二个式子可得 烅 烄 烆 第 期 王春辉 等 设施膜上移栽机栽植机构设计与试验 消去 整理可求得关于 的解为 槡 槡 烅 烄 烆 根据矢量方程组中的第三个式子可得 烅 烄 烆 机架坐标系 原点 在世界坐标系 的 方向上高度恒为 以速度恒定 运行 时间后的位置 坐标为 则 点在世界坐标系 的位置 方程 对式 求一阶导可得 点的速度 烅 烄 烆 对式 求二阶导可得 点的加速度 烅 烄 烆 可通过式 式 的求解得到栽植机盒末端 点的实际运动学参数 八杆栽植机构轨迹仿真分析 实际工作过程中 由于存在水平方向的行进速度 导致栽植机构在完成钵苗插植工作时 并不能垂直入 土和出土 在作业方向上容易产生膜 撕裂 的现象 在膜上移栽时 若相邻穴口间的地膜连接部分变短 覆 盖地膜容易撕开 为探究八杆栽植机构在设施膜 上移栽时膜面连接长度是否合格对其进行仿真分析 在分析移栽轨迹对膜面连接长度的影响时 栽植盒在 最低点投苗打开方向与轨迹垂直 因此可忽略其对膜 面连接长度的影响 作业速度的确定 设从取苗到放苗动作所用的时间为 驱动杆转速 为 则有 烅 烄 烆 式中 机构取投苗效率 株 驱动杆从投苗点到达取苗点时转过的角 度 栽植机构个数 由于设施农业中主要是一 垄双行模式 本文实际样机个数为 当取投苗效率 株 时 根据式 可 求得驱动轴转速 作业时作业速度 驱动 轴转速 株距满足 式中 作业速度 驱动轴转速 株距 通过实际调研可知 设施果菜的株距范围为 根据式 可得在取投苗效率 株 时 作业速度范围为 膜面长度仿真分析 将栽植机构三维模型导入到 中并施加对应 的运动副 添加驱动轴的转速为 设置仿真时间为 仿真模型如图 所示 图 仿真模型 分 别 选 取 作 业 速 度 穴孔深 对其进行轨迹仿真分析 得到的仿真轨迹如图 图 所示 最大栽植穴口在栽植盒入土和出土时形成 选取 栽植深度为 距离栽植盒最下端高 处宽 为 当株距为 时 栽植盒在穴口水平 方向上产生约 的滑移 加上栽植盒宽度后穴口 宽度为 不考虑地膜物理特性则膜面连接长度 为 同理 采用同样的仿真步骤 可得株距为 膜面连接长度为 株距为 膜 面连接长度为 中国农机化学报 年 图 株距 仿真轨迹 图 株距 仿真轨迹 图 株距 仿真轨迹 根据行 业 标 准 蔬 菜 移 栽 机 作 业 质 量 对膜面穴口开孔合格的测定要求 株距大 于等于 且小于 时 膜面长度大于株距 的 株距大于等于 时 膜面长度大于株距 的 可知八杆栽植机构在对设施果菜苗进行移栽 时均满足标准中的膜面穴口开孔合格指标 试验分析 为验证八杆栽植机构膜上移栽的效果 按照实际 三维设计的尺寸加工并装配 在温室内进行膜上移栽 试验 选用平均苗高为 番茄苗进行试验 八 杆栽植机构的减速机和行走机构均由调速电机进行驱 动 通过调节八杆栽植机构的电机驱动器将驱动转速调 整到 然后 分别将行走速度调节到 进行作业 在三种速度下对应的 株距为 根据 行 业 标 准 中 蔬 菜 移 栽 机 作 业 质 量 标 准 对膜面穴口开孔合格的测定要 求 需要连续测定 个地膜穴口开孔 由于整个移栽 机存在两个八杆栽植机构因此每种速度下应栽植 棵苗 整个试验需栽植 棵苗 试验样机如图 所示 试验现场如图 所示 株距 测量如图 所示 图 八杆栽植机构试验样机 图 试验现场 株距 株距 株距 图 株距测量 对试验连续测得的膜面连接长度编号为 第 期 王春辉 等 设施膜上移栽机栽植机构设计与试验 在三种株距下测得的膜面连接长度统计如图 图 所示 图 株距 时膜面长度统计 图 株距 时膜面长度统计 图 株距 时膜面长度统计 由于温室内地面平整 垄高误差较小 因此每次试 验过程中连续成功开孔 个 开孔合格率 为 较小工作量 统一选取每次前进方向的左侧进行测量 图中虚线为在该株距下的合格膜面连接长度 实线为实 际测 得 的 膜 面 连 接 长 度 八 杆 栽 植 机 构 在 株 距 为 时 膜 面 平 均 连 接 长 度 仿 真 值 株 距 为 时 膜 面 平 均 连 接 长 度 仿真值 株距为 时 膜面平均 连接长度 仿真值 在三种株距下 根据 计算出的膜面穴口开孔合格率均为 在 株距时 膜面连 接长度仿真与试验测试结果误差分别为 验证了仿真结果的正确性和设计的合理性 误 差初步分析可能是受地膜的本身属性 垄面平整度和 行走速度不均匀引起 结论 提出了一种结构简单 加工成本低的八杆栽植 机构 建立了该机构的数学模型 并介绍其工作原理 在取投苗效率为 株 时 对 株 距 为 时 对八杆栽植机构进行了 仿真分析 仿真分析结果表明 株距为 膜面连 接长度为 大于 株距为 膜面连接长度 大于 株距为 膜面连接长度 大于 在株距为 范围内 膜面连接长度随株距 的增大而增大 在三种株距下 根据 计算出的膜面穴口开孔合格率均为 均满 足蔬菜移栽机作业质量标准 中的 膜面穴口开孔指标要求 对八杆栽植机构进行了田间试验 在株距分别 为 时 根据 计算出的膜面穴口开孔合格率均为 实际 作业膜面连接长度与仿真误差分别为 验证了仿真结果的正确性和设计的合理性 参 考 文 献 王宁 任玲 李江全 等 穴盘苗移栽机自动取苗技术研究 现状与展望 中国农机化学报 邵园园 刘艺 玄冠涛 等 多功能鸭嘴式蔬菜移栽机设计 与仿真分 析 中国农机化学报 廖庆喜 王洋 胡乔磊 等 油菜基质块苗移栽机取苗装置 设计与试验 农业机械学报 中国农机化学报 年 廖禺 占建仁 贺捷 等 蔬菜育苗移栽机械的研究与发 展 南方农机 袁挺 王栋 文永双 等 蔬菜移栽机气吹振动复合式取苗机 构设计与试验 农业机械学报 李华 曹卫彬 李树峰 等 型全自动蔬菜穴盘 苗铺膜移栽机的研制 农业工程学报 王震 入土角度与栽植深度可调鸭嘴式高速栽植装置设计 及试验 镇江 江苏大学 于英杰 秦伟 赖庆辉 等 花椰菜钵苗移栽机栽植机构设 计与试验 农业机械学报 李树森 李昱莹 丁禹程 等 新型六杆移栽机构的设计与 运动仿真分析 中国农机化学报 华尔天 鹿浩 李生辉 等 基于进化理论的变自由度机 构设计与 原 型 系 统 研 究 农 业 机 械 学 报 黎宁慧 旱地移栽机的设计及其关键部件的研制 南 京 南京农业大学 李鹏斌 颜华 王品隆 等 移栽机小株距栽植机构杆件 优化与试验 农业机械学报 谢守勇 阳尚宏 刘军 等 蔬菜移栽机斜插夹钵式取投 苗装置研制 农业工程学报 于红英 唐德威 王建宇 平面五杆机构运动学和动力学 特性分析 哈尔滨工业大学学报 廖庆喜 张照 胡乔磊 等 油菜纸钵苗移栽机气动取苗 机构设计与轨迹分析 农业机械学报