基于EDEM-ADAMS的甘薯水平移栽機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：針對現(xiàn)有甘薯水平栽插移栽機(jī)械較少、移栽位姿不符合農(nóng)藝要求等問題，結(jié)合甘薯栽植農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)一款能實(shí)現(xiàn)水平栽插的甘薯移栽機(jī)構(gòu)。通過建立數(shù)學(xué)模型對移栽機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度、機(jī)構(gòu)安裝高度為試驗(yàn)因素，通過EDEM-ADAMS耦合仿真對薯苗入土深度與土中直線長度進(jìn)行仿真試驗(yàn)與參數(shù)優(yōu)化，仿真試驗(yàn)的最優(yōu)參數(shù)為：機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度0.22 m/s、安裝高度181 mm。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，薯苗入土深度平均合格率與土中直線長度合格率分別為95.32%、93.12%，符合甘薯水平栽插農(nóng)藝要求。

關(guān)鍵詞：甘薯；移栽機(jī)；水平栽插；耦合仿真

中圖分類號：S223.93

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Optimization design of sweet potato horizontal transplanting mechanism based on EDEM-ADAMS

Abstract：

Aiming at the problems that there are few existing sweet potato horizontal transplanting machines and the transplanting position does not meet the agronomic requirements， this paper designs a sweet potato transplanting mechanism that can realize flat planting by combining the agronomic needs of sweet potato planting. The overall structure and critical components of transplanting mechanism are optimized through establishing mathematical modelling. With the forward speed and installation height of the mechanism as the test factors， the simulation test and parameter optimization of the depth of potato seedlings into the soil and the straight length in the soil was carried out by coupled EDEM-ADAMS simulation. The optimal parameters of the simulation test were determined as the forward speed of the mechanism by 0.22 m/s and the installation height by 181 mm. The test results showed that the passing rate of the depth of potato seedlings into the soil and the straight length in the soil of sweet potato seedlings were 95.32% and 93.12%， respectively， which met the agronomic requirements of sweet potato horizontal planting.

Keywords：

sweet potato; transplanter; horizontal planting; coupled simulation

0 引言

甘薯又名紅薯、地瓜等，是我國主要糧食作物之一，其種植面積及總產(chǎn)量居我國第四位，僅次于水稻、小麥和玉米［12］。甘薯用途廣泛，常用于淀粉、飼料加工以及進(jìn)行新能源開發(fā)等，具有極高的經(jīng)濟(jì)價值［3］。甘薯種植方式繁多，農(nóng)藝要求復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化種植，目前我國甘薯種植機(jī)械化水平不足26%，很多甘薯種植地區(qū)仍采用傳統(tǒng)人工種植或部分機(jī)械化種植模式，作業(yè)效率低，費(fèi)時費(fèi)力，隨著農(nóng)村勞動人口流失，人工成本逐年增加，我國甘薯種植面積及總產(chǎn)量逐年減少［4］。

歐美等發(fā)達(dá)國家對于甘薯機(jī)械化技術(shù)裝備研究起步較早［5］，時至今日，一些國家已實(shí)現(xiàn)甘薯從種植到收獲的機(jī)械化生產(chǎn)。意大利研制的鏈夾式甘薯移栽機(jī)，一次可栽植多行，適用于大規(guī)模、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，作業(yè)時由大馬力拖拉機(jī)牽引，人工將薯苗放入鏈夾中，鏈夾將薯苗送入土中以此完成甘薯苗的機(jī)械化移栽［6］。日本研制的自走式帶夾苗移栽機(jī)，適用于小型丘陵種植，能實(shí)現(xiàn)膜上移栽［79］。劉正鐸［10］等研發(fā)的機(jī)械臂式甘薯移栽機(jī)通過深度學(xué)習(xí)進(jìn)行漏苗檢測，由補(bǔ)苗機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)補(bǔ)苗，同時能夠?qū)崿F(xiàn)薯苗多種栽插方式。胡良龍［11］等采用非零速栽插原理，研制的甘薯裸苗復(fù)式栽植機(jī)可一次完成兩壟甘薯的旋耕、起壟、開溝、栽插、鎮(zhèn)壓等作業(yè)。申屠留芳團(tuán)隊(duì)［1213］采用遺傳算法優(yōu)化四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡，使其更加符合甘薯斜插法農(nóng)藝要求，運(yùn)動軌跡的深度偏差率與入土苗長偏差率分別降低了5%與37.8%，該團(tuán)隊(duì)也設(shè)計(jì)了一種指夾式甘薯移栽機(jī)，根據(jù)仿生學(xué)原理，模擬人手指的形狀設(shè)計(jì)甘薯移栽機(jī)的關(guān)鍵部件，降低了栽植裝置移栽過程對薄膜的破壞。

采用水平栽插種植方式，甘薯結(jié)薯均勻、產(chǎn)量高，商品屬性好，國內(nèi)外甘薯移栽裝備機(jī)型多采用直插法及斜插法種植，目前針對甘薯水平栽插的研究較少。本文設(shè)計(jì)一種甘薯水平栽植機(jī)構(gòu)，并通過EDEM-ADAMS對栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合仿真試驗(yàn)，利用田間試驗(yàn)驗(yàn)證栽植機(jī)構(gòu)的工作效果，為薯苗機(jī)械化移栽的探索與研究提供新參考。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

兩壟兩行移栽機(jī)需與大功率拖拉機(jī)配套使用，可一次完成旋耕、施肥、起壟、移栽、澆水等工序；其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由懸掛機(jī)架、旋耕刀具、起壟機(jī)構(gòu)、覆土機(jī)構(gòu)、傳動鏈、支撐輪、栽植機(jī)構(gòu)、送苗帶、傳動軸、錐齒輪組等部件組成。

1.2 工作原理

作業(yè)時，拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛裝置拖動機(jī)具前行，拖拉機(jī)后輸出動力經(jīng)過減速箱帶動旋耕刀具轉(zhuǎn)動，完成碎土整地與起壟作業(yè)，旋耕刀具將土塊碎細(xì)后經(jīng)肥箱施肥，再由起壟機(jī)構(gòu)筑起高度為250～300 mm的梯形壟（壟高可調(diào)）。拖拉機(jī)帶動移栽機(jī)向前運(yùn)動，此時在地輪與土地接觸，在摩擦力的作用下轉(zhuǎn)動，通過鏈條帶動栽植機(jī)構(gòu)和送苗帶同步運(yùn)動，送苗裝置每向夾取手傳送一株甘薯苗，栽植裝置則夾取甘薯苗完成一次移栽，然后拖拉機(jī)攜帶的水箱給移栽后的甘薯苗通過澆水裝置完成澆水，使得機(jī)具能一次進(jìn)地就能完成甘薯苗移栽的全部工序。

2 移栽裝置設(shè)計(jì)

2.1 薯苗水平栽插軌跡分析

機(jī)械移栽的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)符合農(nóng)藝要求的軌跡。如圖2所示，水平栽插法因薯苗在土中軌跡部分為一段直線而得名，一般入土4～5節(jié)位，單株結(jié)薯較多，結(jié)薯大小均勻。薯苗栽植深度h為40～60 mm，直線部分長度l為90～110 mm，株距為200～300 mm。

2.2 運(yùn)動數(shù)學(xué)模型

平面連桿機(jī)構(gòu)是最常見的機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)各種軌跡運(yùn)動，在機(jī)床、車輛、機(jī)器人等均有應(yīng)用［14］。本文以平面四連桿機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)水平栽插機(jī)構(gòu)。如圖3所示，以A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系對移栽裝置運(yùn)動數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論分析。

根據(jù)圖3可得取苗稈計(jì)算公式。

B點(diǎn)的坐標(biāo)為

C點(diǎn)的坐標(biāo)為

E點(diǎn)的坐標(biāo)為

式中：

L1——主動件AB的長度；

L2——連桿BC的長度；

L3——連架桿CD的長度；

L4——機(jī)架AD的長度；

L5——取苗稈BE的長度；

A——AB與水平方向的夾角；

δ——BC與AD間的夾角；

φ——AD與水平方向的夾角；

θ——BC與BE間的夾角；

β——AD與BD間的夾角；

v——整個機(jī)構(gòu)水平向左運(yùn)動的速度。

根據(jù)建立的栽插機(jī)構(gòu)運(yùn)動數(shù)學(xué)模型，利用Matlab編寫鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)輔助程序，通過輔助程序?qū)\(yùn)動軌跡進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，各桿件長度為L1=100 mm，L2=330 mm，L3=350 mm，L4=215 mm，L5=300 mm且θ=230°，φ=-40°時，其運(yùn)動軌跡如圖4所示。

在栽插深度為50 mm的情況下，軌跡中直線部分在100 mm左右，因此夾苗桿端點(diǎn)運(yùn)動軌跡能夠很好滿足甘薯水平栽插法農(nóng)藝要求。

2.3 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 夾苗裝置設(shè)計(jì)

如圖5所示，夾苗裝置由彈簧、固定輪軸、取苗夾手等部分組成，其承擔(dān)著移栽的運(yùn)動軌跡與薯苗的取放工作。從上文中已確定栽植裝置的各個參數(shù)，并對移栽工作軌跡進(jìn)行了分析，符合甘薯水平栽插的農(nóng)藝要求，但還需要對其取苗與放苗功能進(jìn)行研究。在工作過程中，取苗夾手由固定輪軸與彈簧共同作用控制開合。當(dāng)移栽裝置處于回程階段與夾苗前的預(yù)備狀態(tài)時，在彈簧向內(nèi)的拉力及固定輪軸的作用下取苗夾手始終處于張開狀態(tài)。當(dāng)取苗夾手夾苗時，固定輪軸向上運(yùn)動，彈簧提供拉力，兩者共同作用帶動取苗夾手閉合，之后取苗夾手一直保持閉合狀態(tài)，直至栽植階段結(jié)束。取苗夾手夾苗部位設(shè)計(jì)有褶皺，能增加摩擦力，使薯苗在入土?xí)r不易脫落。

為保證移栽機(jī)構(gòu)能順利夾取甘薯苗，需要研究固定輪軸上下移動距離與夾取桿開口大小之間的函數(shù)關(guān)系。如圖6所示，探討兩者之間的影響規(guī)律。

控制取苗夾手尾部開合的固定輪軸隨杠桿臂的運(yùn)動做相對于夾取手的上下運(yùn)動。固定輪軸推動取苗夾手尾部向中間夾攏的寬度計(jì)算如式（7）所示。

根據(jù)杠桿原理

式中：

q1——固定輪軸上下運(yùn)動距離，mm；

γ——夾取手尾部突出部分傾斜角度，（°）；

q2——中部固定點(diǎn)到夾手尾部與輪軸接觸最低點(diǎn)的垂直距離，mm；

q3——夾手中部固定點(diǎn)到指夾的距離，mm；

q4——夾手指夾部位張開最大尺寸，mm。

根據(jù)已建立的移栽裝置虛擬樣機(jī)分析夾苗裝置工作情況，移栽過程中指夾會有張開—閉合動作。取苗夾手的開合情況如圖7所示，指夾的最大位置偏移約為20 mm，因此取苗夾手最大張開距離為40 mm，取苗夾手由張開到閉合大約需要0.2 s，能夠在瞬間夾住薯苗，減少漏栽率；當(dāng)完成薯苗栽植后，取苗夾手需要快速張開且張開距離要大，避免將帶出薯苗，破壞移栽軌跡，取苗夾手從閉合到完全張開需要0.1s，符合設(shè)計(jì)要求。

2.3.2 移栽裝置設(shè)計(jì)

以水平栽插理想?yún)?shù)組合對移栽裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖8所示，移栽裝置由機(jī)架板、取苗夾手、凸輪推桿、固定輪軸、凸輪、連桿等組成。移栽裝置工作過程共有三個階段。夾苗階段：當(dāng)夾手位于甘薯苗上方時，凸輪處于回程期，取苗夾手可以精準(zhǔn)夾住放置在送苗機(jī)構(gòu)上的薯苗，為提高取苗準(zhǔn)確率，取苗夾手取苗時要垂直于薯苗，且在不發(fā)生干涉情況下，盡量靠近送苗機(jī)構(gòu)；由于甘薯苗脆弱，取苗夾手指夾處采取突起處理，在夾苗階段，取苗夾手不完全閉合，以達(dá)到不傷苗的目的。栽植階段：凸輪處于近休止期，取苗夾手將薯苗帶離送苗機(jī)構(gòu)，并帶苗入土實(shí)現(xiàn)甘薯水平栽插軌跡，接著凸輪進(jìn)入推程期，取苗夾手松開薯苗。回程階段：凸輪處于遠(yuǎn)休止期，機(jī)構(gòu)已完成栽插作業(yè)，取苗夾手始終處于張開狀態(tài)，然后準(zhǔn)備進(jìn)入夾苗階段。該移栽裝置在一個運(yùn)動周期內(nèi)完成取苗、帶苗入土實(shí)現(xiàn)栽插軌跡、放苗、出土等。

3 仿真試驗(yàn)

3.1 仿真模型建立

EDEM軟件中的Hertz-Mindlin with bonding接觸模型可以用來黏結(jié)顆粒，能夠很好地代替薯苗中纖維的連接作用［15］。Hertz-Mindlin with JKR接觸模型可以很好地模擬土壤間因靜電、水分等原因發(fā)生明顯黏結(jié)和團(tuán)聚現(xiàn)象［16］。

薯苗的泊松比、密度和剪切模量分別為0.3、910 kg/m3和1.868×107 Pa，顆粒半徑為0.5 mm，接觸半徑0.6 mm、單位面積法向剛度5×108 N/m3、單位面積切向剛度6.05×108 N/m3，臨界法向應(yīng)力1×1010 Pa，臨界切向應(yīng)力1×1010 Pa；土壤泊松比、密度和剪切模量分別為0.4、2950 kg/m3和1.09×106 Pa［17］，土壤模型顆粒半徑為1～4 mm，表面能為1.5 J/m2。聯(lián)合仿真參數(shù)如表1所示，聯(lián)合仿真模型如圖9所示。

3.2 仿真結(jié)果與分析

移栽機(jī)構(gòu)各參數(shù)均已確定，分析機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度及安裝高度對薯苗入土深度、薯苗土中直線長度的影響。機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度根據(jù)人工放苗速度，設(shè)定速度區(qū)間為0.1～0.3 m/s。根據(jù)甘薯平插栽植深度農(nóng)藝要求，機(jī)構(gòu)安裝高度為170～190 mm。以機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度、安裝高度為試驗(yàn)因素，以薯苗入土深度、薯苗土中直線長度為評價指標(biāo)，進(jìn)行二元二次回歸正交組合設(shè)計(jì)仿真試驗(yàn)。薯苗位姿情況及測量方式如圖10所示。因素水平編碼表、試驗(yàn)方案及結(jié)果以及方差分析如表2～表5所示，其中A、B為因素編碼值。

通過表4方差分析結(jié)果可知，機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度及安裝高度對薯苗入土深度Y1的分析模型均具有顯著性，且失擬項(xiàng)均不顯著表明模型較為穩(wěn)定，回歸方程擬合較好。薯苗入土深度Y1影響程度從大到小順序：B、A、B2、A2、AB，其中AB的交互作用不顯著，剔除不顯著項(xiàng)，其回歸方程為

Y1=51.76+0.772A-6.91B-0.418A2-0.950B2（9）

通過表5方差分析結(jié)果可知，機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度A及安裝高度B對薯苗土中直線長度Y2的分析模型均具有顯著性，且失擬項(xiàng)均不顯著表明模型較為穩(wěn)定，回歸方程擬合較好。薯苗土中直線長度Y2影響程度從大到小順序：A、B、A2、B2、AB，其回歸方程為

Y2=101.84-1.80A+1.45B+0.85AB-1.05A2-0.93B2（10）

由圖11（a）可知，隨著機(jī)構(gòu)安裝高度的增加，薯苗入土深度隨之減小，機(jī)構(gòu)安裝高度直接影響薯苗入土深度。當(dāng)以前進(jìn)速度作為試驗(yàn)因素時，隨著機(jī)具前進(jìn)速度的增加，薯苗入土深度隨之增加。機(jī)具前進(jìn)速度增加，取苗夾手運(yùn)動速度加快，造成苗上方的土壤被快速向后方擾動，苗莖稈上方的土壤形成空穴，莖稈在自身彈性作用下向上“挺直”。

由圖11（b）可知，薯苗土中直線長度隨機(jī)具前進(jìn)速度增加而降低，因?yàn)槿∶鐘A手運(yùn)動速度加快，土壤擾動過程中改變薯苗的位姿。薯苗土中直線長度隨機(jī)構(gòu)安裝高度增加而增加，因?yàn)閵A取手在土壤中的水平運(yùn)動軌跡長度是固定的，入土深度增加到一定程度后，會使水平運(yùn)動軌跡在土壤的作用下發(fā)生傾斜。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

針對薯苗入土深度與土中直線長度的回歸模型，運(yùn)用Design-Expert軟件中Optimization功能，以栽植深度51 mm、直線長度101 mm為條件，求解回歸模型得到的最優(yōu)參數(shù)為前進(jìn)速度0.22 m/s、安裝高度181 mm。

根據(jù)最優(yōu)參數(shù)組合完成樣機(jī)試制，并進(jìn)行田間試驗(yàn)，驗(yàn)證該機(jī)是否滿足作業(yè)要求。

薯苗入土深度合格率

式中：

M1——入土深度合格數(shù)量，株；

M——樣本總數(shù)量，株。

薯苗土中直線長度是指在甘薯扦插后，薯苗呈直線部分的長度。直線長度在90～110 mm范圍內(nèi)為合格。薯苗土中直線長度合格率

式中：

M2——土中直線長度合格數(shù)量，株；

M——樣本總數(shù)量，株。

每30株薯苗為1組，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，記錄薯苗入土深度合格率、薯苗土中直線長度合格率。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

入土深度合格率與土中直線長度率試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，平均入土深度合格率與土中直線長度合格率分別為95.32%和93.12%，表明水平移栽機(jī)構(gòu)可以很好地滿足甘薯水平栽植農(nóng)藝要求。

5 結(jié)論

1）" 建立栽植裝置水平栽插運(yùn)動學(xué)模型，運(yùn)用Matlab編寫四桿鉸鏈機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)輔助程序，分析四桿機(jī)構(gòu)各個參數(shù)對薯苗移栽軌跡的影響，當(dāng)各桿件長度為L1=100 mm，L2=330 mm，L3=350 mm，L4=215 mm，L5=300 mm且θ=230°，φ=-40°時，機(jī)構(gòu)運(yùn)動軌跡滿足甘薯水平栽插農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)。

2）" 利用EDEM軟件建立薯苗柔性體模型及土壤顆粒模型，基于EDEM-ADAMS聯(lián)合仿真模擬移栽裝置整個移栽過程，并進(jìn)行仿真試驗(yàn)。仿真試驗(yàn)的最優(yōu)參數(shù)為機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度0.22 m/s、安裝高度為181 mm。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，薯苗入土深度平均合格率與土中直線長度合格率分別為95.32%、93.12%，通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證表明該機(jī)構(gòu)滿足甘薯水平栽植農(nóng)藝要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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