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1、藜蒿扦插机分苗取苗机构的设计与运动分析藜蒿（Artem isia selen9 ensis）是一种常见蔬菜。20世纪90年代初期人们开始尝试藜蒿人工栽培，目前培栽区域已分布于东北、华北、华中等地，其中湖北省武汉市是全国最大的藜蒿产区i-2。藜蒿的种植生产包括种苗培育、扦插秆制作、整地、田间扦插、施肥等作业环节，其中仅整地已实现机械作业，但其他环节均需人工完成，且效率低、成本高、劳动强度大。藜蒿苗秆的分苗和取苗是实施藜蒿机械化扦插的重要环节。由于藜蒿扦插苗秆特殊的物理特性（扦插季节取木质化茎秆且粗壮笔直的藜蒿制作成扦插裸秆，既无根须也无枝叶，长度为8090mm，直径为6I0 mm)，目前尚无专门
2、的藜蒿栽植机械，而其他作物的栽植机械又不能用于藜蒿扦插作业。为提高藜蒿扦插的生产效率，减轻劳动强度，笔者研制了一种藜蒿扦插机，分析了藜蒿苗秆在分苗和取苗机构中的运动规律，旨在建立分苗和取苗过程的运动模型，确定分苗和取苗的最佳速度。1结构与工作原理藜蒿扦插机由苗箱、分苗机构、取苗机构、曲柄摇杆机构、悬挂架、传动系统、机架、覆土装置、导苗装置、接苗装置和扦插装置组成，其整机结构如图1所示。该机可实现分苗、取苗、扦插作业等多项功能，其工作过程：将人工制作的藜蒿苗秆置人苗箱中，工作时由传动系统将动力传递给动滚筒和曲柄轴；受分苗机构中定滚筒的扰动和苗秆自身重力作用，苗秆在苗箱中实现自动有序摆放；在负压风
3、机作用下(负压为16.8 kPa)，取苗机构的气嘴接头出口处于负压状态；曲柄摇杆机构中摇杆作回转运动，携带取苗机构的气嘴接头做往复式回转运动，进入苗箱内通过负压吸取苗秆；导苗装置从气嘴接头取下苗秆并将其送人接苗装置且使其呈直立状态；由扦插装置的栽植臂做回转运动过程中将接苗装置中的苗秆插入土壤中，如此连续作业。2关键部件的设计与分析2.1分苗机构分苗机构主要包括定滚筒和动滚筒，其结构示意图如图2所示。工作原理：将人工制作的藜蒿苗秆置入苗箱中，工作时定滚筒转动，在定滚筒的扰动和苗秆自重作用下，苗秆有序进入定滚筒和动滚筒之间形成的分苗等候区；气嘴接头作往复式回转运动中，当其接触动滚筒时，挤压动滚筒，
4、使之与定滚筒逐步分开形成取苗口，完成分苗过程。藜蒿扦插机工作过程中，一次能扦插多行，每行均设有一对定滚筒与动滚筒。株距设定为L，定滚筒和动滚筒直径均设为，气嘴接头截面宽度为W。，藜蒿苗秆直径设为，则有关系式2.2取苗机构取苗机构主要包括气嘴接头、气腔轴，其机构简图如图3所示。工作原理：在负压风机作用下，气嘴接头的出口处于负压状态；受曲柄摇杆机构作用，气嘴接头作往复式回转运动进入取苗口，在气嘴接头的负压作用下，分苗等候区内的苗秆被吸附拾取；随着气嘴接头的转动，被吸附的苗秆随之退出分苗等候区，进入下一步的扦插作业环节；此时，在拉簧的作用下，动滚筒复位，取苗口闭合，完成取苗过程。藜蒿扦插机取苗机构的
5、取苗主要通过曲柄摇杆机构实现。根据曲柄摇杆存在的条件可得到AB为最短杆，根据实际设定参数曲柄AB= 50 mm，机架连杆AD=500 mm，则可获得连杆BC=490 mm，摇杆CD= 72 mm。3苗秆的运动学分析3.1分苗过程以动、定滚筒横截面圆心010z连线的中点0为坐标原点，建立直角平面坐标系XOY，图4为分苗机构运动简图。将藜蒿苗秆简化为质量均匀的圆柱体模型（下同），且以其质心P为研究对象，设P点的坐标为(Xp，Yp)，得到P点的轨迹方程为式中s为动滚筒轴心01的位移，OsWo；rl为苗秆的半径(mm)，rl一5 mm；r。为滚筒的半径(mm)，r2=17.5 mm; Wo为气嘴接头横
6、截面宽度(mm) ,Wo =10 mm。对(3)、(4)式进行一阶求导并整理可得到P点速度为(5)对(5)式进行二阶求导并整理可得到P点加速度为(6)对于(5)式和(6)式，%和ap在Os%lO mm内其值均为逐渐增大，当s-lO mm时，%取值0.02 m/s，以。取值1.2 m/sz。3.2取苗过程苗秆被气嘴接头吸附之后，苗秆随气嘴装置与曲柄一起运动，为研究取苗过程苗秆的运动状况，建立取苗机构运动简图（图5）。以苗秆质心P为研究对象，运用独立位置方程法6。83在平面内对曲柄摇杆机构进行分析，以A点为起点，建立矢量方程9。123得到C点和P点位置D.=lieiol -I-lzei02 =14
7、 -I-laeiOa(7)式中D。为AC距离(ram)；Dp为AP距离(ram)；lo为PD的长度(ram)，lo =194 mm；Z1为曲柄AB的长度(ram)，Z150 mm；Z2为连杆BC的长度(ram)，Z2490 mm；Z3为摇杆CD的长度(mm)，Z372 mm；14为AD的长度(ram)，14500 mm;臼，为曲柄AB的转角；臼。为连杆BC的转角；晚为摇杆CD转角；卢为摇杆CD与PD之间的夹角。式中以为BD与AD之间的夹角。对(9)式两边乘以共轭复数，消除以，即得到分解(10)式的实部和虚部得到从图6-A可知分苗过程中，藜蒿苗秆绕着定滚筒横截面圆心02作变速圆周运动，此运动与(
8、3)式和(4)式推导一致。由图6-B、C可知，苗秆初始为平衡状态处于Po点，动滚筒瞬间移动，苗秆产生速度和加速度，当动滚筒位移大小不超过9 mm时，苗秆运动速度与加速度缓慢增大，动滚筒位移大小超过9 mm时，藜蒿苗秆速度与加速度瞬间急剧增大，4分苗与取苗机构的仿真与验证4.1仿真过程使用MATLAB绘制上述方程的曲线图，可得藜蒿扦插机分苗取苗过程的轨迹、速度、加速度曲线图（图6，图7）。到达P1点时最大速度为0.02 m/s，最大加速度为1.2 m/s2，此过程与15)式和(6)式理论推导一致，说明藜蒿苗秆在接近出苗口时，其主要受到竖直方向上气嘴接头的瞬时负压吸附作用、自重和其他苗秆的挤压作用
9、。从图7-A可知，取苗过程中，藜蒿苗秆被吸附在气嘴接头上随着摇杆一起做圆周变速往复运动，运动过程中2个相对原点A的极限位置坐标为P1(431.3，181.4)、Pz(622.1，150.8)，摇杆的摆角么P1DP2为59.7。由图7-B、C可知，在取苗运动过程中，不同曲柄转速对应气嘴接头未吸附苗秆回转过程中最大角速度与最大角加速度、气嘴接头吸附苗秆回转过程中苗秆最大角速度与最大角加速度（表1）。在1个取苗运动循环中，取苗起始点Pi处，气嘴接头瞬时角速度为o，角加速度达到最大值（曲柄转速为25 r/rain时，最大角加速度为6.6 rad/s2），有利于其吸附苗秆避免伤苗。气嘴接头吸附苗秆之后，
10、苗秆与气嘴接头一起摆动且角速度呈增大趋势，在到达取苗终点P2前出现角速度最大值(曲柄转速为25 r/rain时，最大角速度为1.9 rad/s)，苗秆从P1到P2其加速度变化（曲柄转速为25 r/min时，角加速度变化为O6.6 rad/s2）比较平稳，有利于气嘴接头不因惯性力过大而导致苗秆与气嘴接头分离形成漏取。气嘴接头在取苗过程中，其空载（未吸附苗秆）相对负载（吸附苗秆）速度变化快，避免了气嘴接头吸附苗秆后在运动过程中出现苗秆掉落现象。4.2验证试验为验证机构设计合理性，利用自制的功能试验台架（图8）进行分苗取苗单行验证试验。设定性能指标为合格指数、漏取指数、重取指数、掉落指数，合格指数为
11、气嘴接头单次成功吸取单根裸秆的次数与取苗总次数之比；漏取指数为气嘴接头单次未能吸取裸秆的次数与取苗总次数之比；其他指数为非合格吸取或者非漏取次数与取苗总次数之比。根据以上运动学分析结果显示，在已知分苗、取苗机构相关结构参数情况下，曲柄的转速cU，是影响分苗取苗机构能否完成功能的主要因素。试验参数设定：定滚筒转速，取苗机构气管内负压P= 16.8 kPa，调节曲柄的转速，可得到试验数据（表2）。从试验结果可得知，在定滚筒转速和负压值一定、调节曲柄转速的情况下，机构分离和拾取藜蒿苗秆的平均合格指数为0.82，标准差为2.6110-z，由此可得合格指数的变异系数为3.20/。验证结果表明分苗取苗机构
12、功能是可行性的。5讨论试验结果表明，藜蒿苗秆在分苗过程中紧贴定滚筒表面作圆周运动，接近出苗口时主要受到竖直方向上气嘴接头的瞬时负压吸附作用、自重和其他苗秆的挤压作用，速度和加速度大小急剧增大，确定分苗中苗秆的速度口。取0.02 m/s、加速度以。取1.2 m/s2时可有效实现分苗功能。通过分析藜蒿苗秆的轨迹、速度、加速度的变化规律，确定了藜蒿苗秆在取苗过程中曲柄不同转速情况下，均可有效实现取苗功能，当转速叫，为25 r/min时，苗秆最大角速度为1.9 rad/s，最大角加速度为6.6 rad/s2，取苗效果较好。藜蒿扦插机的分苗取苗机构在工作过程中，藜蒿苗秆的运动轨迹与仿真运动轨迹一致，表明该机构能够较稳定地实现藜蒿裸秆的单体分离和拾取功能。采用机械式分苗和气力式取苗，理论分析与试验验证表明机构设计合理，可为进一步结构设计和参数优化提供科学依据。何达力王磊黄海东舒彩霞华中农业大学工学院，武汉430070第32卷第4期2013年7月华中农业大学学报
