行星齒輪連桿式栽植機構的設計

沈飛

摘 要： 伴隨農業技術的快速發展，對栽植機構綜合性能提出更高的要求，如需做到零速栽植、不掛膜等，這是保證栽植產量的關鍵所在。特別目前大多地區引入鋪膜移栽模式后，發現取得的成效并不理想，極易出現地模破損情況。此時考慮在栽植機構上優化設計，提高機構整體性能。本次研究將以行星齒輪連桿式栽植機構為研究對象，對機構的運行原理簡單分析，構建機構基本模型，并通過相關的運動方程明確設計方向，最終通過仿真驗證優化設計后運行效果。

關鍵詞： 行星齒輪連桿式；栽植機構；優化設計

前言：作為近年來田間移栽工作的主要工具，栽植機構運行情況直接影響移栽效果。從我國部分地區田間移栽情況看，在栽植機構選擇上有較多如鴨嘴式、導苗管式、鉗夾式等，均可取得良好的移栽效果。但比較下能夠發現，部分區域屬于干旱氣候，需采用膜上覆土移栽方法，采用鴨嘴式栽植機構更加適宜，若在此基礎上進一步優化設計，能夠滿足栽植深度要求，且不掛膜等。因此，本文對行星齒輪連桿式鴨嘴栽植機構的設計研究，具有十分重要的意義。

1栽植機構基本介紹

關于栽植機構，是一種用于田間移栽的農業器械，如何使栽植效果得到保證，要求栽植機構具備一定的條件，具體體現在：①零速栽植，主要強調鴨嘴張開放苗過程中，為達到栽植直立度要求，需使鴨嘴水平方向保持接近零；②不掛膜，如部分區域栽植中傾向于鋪膜移栽方法，操作中需將地膜扎破然后在地中移栽秧苗，雖然可保證移栽量，但地膜受損影響保溫性，所以栽植機構運用下可解決不掛膜問題；③栽植深度控制，其是影響幼苗成活率與作物產量的關鍵。

本次研究中提出行星齒輪連桿式栽植機構，該機構設計中，鴨嘴1個，可滿足1株幼苗栽植要求。具體剖析該機構，除鴨嘴外，有連桿、行星齒輪機構。其中在行星齒輪方面，又可細化為行星架、行星齒輪軸、中間齒輪、中心齒輪等，機構運行中中心齒輪保持不動，行星架轉動時中間齒輪于中心齒輪圍繞旋轉。齒輪運行傳動主要通過外嚙合形式實現。當行星架轉動中，齒輪輪保持轉動，此時連桿動作使鴨嘴上下運動，這樣便能完成栽植過程[1]。

2行星齒輪連桿式栽植機構設計模型構建

2.1栽植結構基本結構設計

為使行星齒輪連桿式栽植機構設計優化，本文在研究中以機械原理為指導，提出結構設計思路。設計中主要將連桿、鴨嘴保持鉸接，在連桿帶動作用下，使鴨嘴保持一定運動軌跡，沿該軌跡運動，便能達到移栽要求。如鴨嘴保持上升運動中，可將缽苗取出向鴨嘴中投放，向下運動中至栽植地面將打孔，滿足栽植深度后，鴨嘴放開向土穴內植入缽苗，當缽苗完全離開鴨嘴后，鴨嘴繼續進行下一輪作業。從整個機構運動情況看，如何保證其處于理想狀態，關鍵在于各零件無彈性變形情況，且轉動中無轉動間隙情況。需注意的是，設計中主要從運動軌跡控制上著手，盡可能做到保持直線運動。其中行星齒輪的運動設計，需做好傳動比的控制，假定對中心齒輪齒數利用Z1表示，行星齒輪齒數利用Z3表示，傳動比iH3，則有iH3=1-Z1/Z3[2]。

2.2相關運動學方程

關于栽植機構運動情況，本次研究中取具體的方程模型做運動學分析，如利用l1、l2、l3、l4分別表示曲柄長度、連桿長度、連桿長度以及搖桿長度，并取α1、α2、α3、α4表示曲柄與x軸角度（水平方向）、連桿與x軸角度、搖桿與x軸角度。構建方程模型，取A、B、J三點，有：①xA=l1cosα1，yA=l1sinα1；②xB=l1cosα1+l2cosα12，yB=l1sinα1+l2sinα2；③xJ=xP+l4cosα3，yJ=yP+l4sinsinα3。明確各位移方程后，在此基礎上做機構鉸點速度與加速度分析，可判斷出各位移點加速度方向。

3優化設計思路與仿真結果

3.1優化設計思路

根據運動方程分析結果，可獲取各運動鉸點加速度與位移情況，在此基礎上做優化涉及。設計中應注意首先將基本運動條件明確，做機構自由度的計算，確保機構正常運動下連桿機構、桿長條件均可滿足運動要求。考慮到以往機構設計中需涉及較多算法流程，所以采用VB6.0軟件平臺，通過該平臺對各機構運動桿長初始值計算，在此基礎上做VB語言編程，VB6.0可視化界面能夠對各桿長變化反映出來，做參數化驅動，這樣將使軌跡優劣程度表達出來，利用其做各桿件尺寸的評價[3]。參數優化下，本次研究將行星架長度、兩個連桿長度以及桿件長度分別設定為62mm、62mm、120mm、191mm，在此基礎上做仿真分析。

3.2仿真結果

仿真分析中，明確各機構尺寸，取SolidWorks2014設計軟件，使各零部件以三維模型形式呈現。根據三維模型結果，能夠發現各零部件均能正常運行，齒輪可滿足嚙合運行要求，各運動工況的實現可通過調整運動副實現。同時，從整個機構仿真軌跡看，靜軌跡為閉合曲線，呈“梭”形軌跡，在軌跡最高點完成接苗操作，而最低點破土栽苗。同時運動中，有零速點存在，整個軌跡運行均可滿足栽植機構設計基本要求，包括零速點、栽植深度控制等，說明優化設計后的行星齒輪連桿式栽植機構設計能夠達到設計要求。

結論：行星齒輪連桿式栽植機構設計是否合理直接影響栽植質量。實際設計中，應正確認識栽植機構的基本結構與運行原理，并結合區域實際情況包括土地、種植情況，采取相關的優化設計策略。本次研究中，通過構建運動學方程，并在VB6.0軟件平臺下做參數優化，可發現最終設計的栽植機構在各方面參數上均可達到設計要求。

參考文獻

[1]張照，廖慶喜，許博，等.油菜缽苗移栽機栽植機構參數匹配與軌跡分析[J].華中農業大學學報，2017，36（02）：108-116.

[2]何亞凱，李樹君，楊學軍，等.凸輪擺桿式栽植機構運動分析及性能試驗[J].農業工程學報，2016，32（06）：34-41.

[3]陳建能，夏旭東，王英，等.缽苗在鴨嘴式栽植機構中的運動微分方程及應用試驗[J].農業工程學報，2015，31（03）：31-39.