一種旱地移栽機循環垂插式插秧機構的設計與分析

明仕林，劉念聰

（成都理工大學核技術與自動化工程學院，四川 成都　610059）

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一種旱地移栽機循環垂插式插秧機構的設計與分析

明仕林，劉念聰※

（成都理工大學核技術與自動化工程學院，四川 成都610059）

論文在傳統吊杯式移栽機基礎上，提出了一種循環垂插式的旱地移栽機的插秧機構。利⒚Pro/Engineer、ADAMS建立其三維模型并進行運動學分析。結果表明，此機構最佳特征系數λ㈦栽種深度有關，栽種最佳特征系數在λ=1.1左右，并具有一定的可調性。⒚此機構移栽具有秧苗直立度高、覆土可靠、保護薄膜等優勢，為旱地移栽機的結構優化提供了一種新型設計方案。

旱地移栽；插秧機構；結構設計；運動分析

育苗移栽技術具有縮短作物的生育過程，提高作物的抗災抗旱能力及單產產量等特點，正在逐漸得到大面積推廣。通過機械化的方式來完成移栽，提高作物生產的經濟效益，發展高產高效農業逐漸受到重視［1-3］。目前國內外已經有多種類型的旱地移栽機被投入使⒚，極大地提高了移栽效率。

插秧機構作為移栽機械的關鍵部件之一，其性能的好壞直接決定了移栽質量的高低。目前，現有的旱地移栽機插秧機構有鉗夾式、撓性圓盤式、吊杯式等，均因其結構限制而存在移栽質量不穩定、易傷苗等問題［4～5］。例如，鉗夾式移栽機存在株距調節困難、易傷苗、漏栽率高等問題；撓性圓盤式插秧機構株距和移栽深度不易控制，易出現傷苗、埋苗現象；使⒚最多的吊杯式插秧機構具有對秧苗適應性好、移栽不受沖擊、傷膜程度小等諸多優點。但是由于采⒚滑刀式開溝器開溝落苗易出現秧苗直立度較差的現象，造成壓苗、埋苗等問題［6］。所以旱地移栽機插秧機構的改良一直是國內外的研究熱點問題之一［7］。

本文針對現有吊杯式插秧機構存在的問題，提出了一種新型的循環垂插式旱地移栽機插秧機構，該機構利⒚剛性尖銳的吊杯插土開口實現點對點的落苗方式，具有秧苗直立度高、覆土簡單、不傷苗等特點。采⒚ADAMS對其進行了運動學仿真分析，驗證了此機構的工作性能及特征參數，以期為旱地移栽機的結構優化㈦改進提供技術方案。

1　循環垂插式插秧機構的結構設計與分析

循環垂插式插秧機構及機構運動簡圖如圖1、圖2。吊杯式插秧機構通過圓盤式多吊杯進行插苗作業。此插秧機構采⒚單一開口杯進行循環插苗作業，主體通過四桿機構實現插苗。推進曲柄6帶動滑槽做圓周運動（圖1、2中順時針），插苗曲柄1帶動開口杯沿著滑槽做往復循環運動。開口杯的軌跡是兩種運動的合成。插苗曲柄和推進曲柄通過變速裝置㈦移栽機的地輪軸連接。保證插苗曲柄和推進曲柄的角頻率和相位相同，并㈦地輪的轉動對應。在地輪的前進過程中三曲柄同步運轉工作。

圖1　循環垂插式插秧機構

圖2　循環垂插式插秧機構運動簡圖

在三個曲柄角頻率和相位相同的情況下，當推進連桿運動到最低位置時，開口杯也插入土中最低位置，通過開口裝置實現開口杯張開，秧苗放入秧坑內，然后開口杯上升。機架持續前進，開口杯相對機架做往復循環運動。后方的覆土輪實行鎮苗覆土，移栽完成。

設推進曲柄的半徑為r，角頻率為-ω，機架前進速度為v，轉動角θ=-ωt，則有

式中 vx—吊杯水平方向上的前進速度（m/s）

引入特征系數λ

2　運動學分析

利⒚ Pro/Engineer建立模型，然后導入到ADAMS中，在推進曲柄和插苗曲柄上添加大小為π/6 rad/s的角速度（角速度大小隨架體前進速度變化而變化），得到開口杯相對機架的運動軌跡，如圖3。在開口杯插入到土壤最低點，即運行到圖3中的曲線最低點（θ=-π/2，sin（θ）=-1）時，為了盡量減小開口杯的插坑大小和開口杯的掀土量，應保證開口杯前進速度為零左右（λ=1左右）。所以機架前進速度應大約等于開口杯在最低點相對機架向后的運動速度vr=ωr。

圖3　開口杯相對機架運動軌跡

圖4給出了特征參數λ=0.9、λ=1.0、λ=1.1和λ= 1.2幾種情況下開口杯的運動軌跡。由圖4可知，為了盡量減小開口杯在土中的攪動和減少開口杯的掀土，對于不同深度的栽種有不同的最佳特征系數。

開口杯插入土中的深度一般不會很大，在圖4中水平軸下的部分是土下部分，由圖可知最佳特征參數在λ=1.1左右。在此時機構很好地實現了“零速”落苗，即開口杯的插土方式幾乎是垂直插入、垂直提起。這種落苗方式工作，不會造成因開口杯在土中過度攪動而增大秧坑，導致秧苗直立度降低。也不會造成因開口杯進出秧坑的弧度過大，導致掀土過度而覆土質量低劣。在膜上移栽時也不會過多的損壞薄膜，所以此機構非常適合于膜上移栽。

開口杯在土中的開口大小在保證秧苗根土能掉下的前提下應盡量小。這種循環垂插式插秧機構可以保證秧苗高直立度、覆土簡單化、踏實。滿足秧苗移栽要求。

根據式（1）、式（2）可得若要滿足最佳特征系數，在最低點（θ=-π/2）處應滿足

式（4）所述的關系，可由地輪軸和推進曲柄間安裝的變速裝置實現。設地輪半徑為R，地輪㈦推進曲柄的傳動比為i，則有

由式（6）可知若要調節移栽株距，可以通過調節推進曲柄長度r和傳動比i實現。由圖4還可以看出此種機構的特征參數λ具有一定的可調節性，λ= 1.0～1.2之間變化對移栽性能影響不大。

圖4　λ=0.9、1.0、1.1、1.2時開口杯軌跡

特征參數λ=1.1時開口杯機構相對地面運動速度如圖5，運動加速度如圖6。

圖5和圖6直觀反⒊了在移栽過程中開口杯在各處的速度和加速度。由圖5的速度曲線可得開口杯在除了插土過程中速度波動較大外，其余過程速度比較均衡。由圖6的加速度曲線可知開口杯在插土之初，開口杯加速度較小（圖中在27mm/s2左右），而由圖5可知此時的速度比較大（圖中在75mm/s左右），使得開口杯以較大的慣性插入土中，保證了插土的可靠度。

圖5　λ=1.1時開口杯運動速度—前進距離關系曲線

圖6　λ=1.1時開口杯運動加速度—前進距離關系曲線

3　結束語

本文以吊杯式移栽機為參照，提出了一種循環垂插式的旱地移栽機插秧機構，并采⒚ADAMS對其進行運動學仿真分析，得出其最佳特征系數㈦栽種深度相關。一般移栽情況下λ=1.1左右具有最佳移栽性能，并且此機構因其結構特性具有一定的特征系數可調節性。該插秧機構具有秧苗直立度高、覆土可靠等特點，可以很好地防止薄膜被過度損壞。

［1］薛黨勤，侯書林，張佳喜.我國旱地移栽機械的研究進展與發展趨勢［J］.中國農機化學報，2013，34（5）：8～11.

［2］李旭英，王玉偉，魯國成等.吊杯式栽植器的優化設計及試驗［J］.農業工程學報，2015，31（14）：58～64.

［3］崔巍，顏華，高希文等.旱地移栽機發展現狀與趨勢［J］.農業工程，2015，5（2）：15～18.

［4］秦貴，張艷紅.吊杯式移栽機栽植性能研究［J］.農業機械，2011（31）：101～104.

［5］何揚清，尹文慶，章士秀.3種旱地移栽機栽植器的性能分析［J］.安徽農業科學，2006，32（24）：6722～6723.

［6］趙曉偉，郭輝，張靜等.新疆旱地移栽機的現狀及發展趨勢［J］.新疆農機化，2014（4）：25～29.

［7］張小志，李旭英，田陽等.基于Pro/E吊杯式栽苗器的三維建模與運動仿真分析［J］.農機化研究，2014（1）：87～90.

Design and Analysis of a Vertical Circulation Pluggable Planting Mechanism of Nonirrigated Farm land Transplanting Machine

M ING Shi-lin，LIU N ian-cong※

（The College of Nuclear Technology and Automatic Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，SiChuan China）

The paper puts forward a vertical circulation pluggable plantingmechanism based on the dibble-type transplanter. Themodel is created by Pro/Engineerand themotion simulation analysisis carried on by ADAMS.The result shows that the mechanism'sbestcharacteristicscoefficient is related to planting depth and it should benearof1.1 atgeneralplantingw ith abit ofad justment range.A lso，thew ay of the vertical circulation p luggable p lantingmechanism w orkshas the amazing characteristicsof high seeding upright degree，reliable soil covering and good film protection.It providesa nonirrigated farm land transplantingmachine'soptim ization for the design.

Nonirrigated farm land transplanting；Plantingmechanism；Structuraldesign；Motion analysis

10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2016.02.002

S223.92

A

1007-7782（2016）02-0008-03

2016-03-24

劉念聰