一种旱地移栽机循环垂插式插秧机构的设计与分析

明仕林，刘念聪

（成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川 成都　610059）



一种旱地移栽机循环垂插式插秧机构的设计与分析

明仕林，刘念聪※

（成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川 成都610059）

论文在传统吊杯式移栽机基础上，提出了一种循环垂插式的旱地移栽机的插秧机构。利⒚Pro/Engineer、ADAMS建立其三维模型并进行运动学分析。结果表明，此机构最佳特征系数λ㈦栽种深度有关，栽种最佳特征系数在λ=1.1左右，并具有一定的可调性。⒚此机构移栽具有秧苗直立度高、覆土可靠、保护薄膜等优势，为旱地移栽机的结构优化提供了一种新型设计方案。

旱地移栽；插秧机构；结构设计；运动分析

育苗移栽技术具有缩短作物的生育过程，提高作物的抗灾抗旱能力及单产产量等特点，正在逐渐得到大面积推广。通过机械化的方式来完成移栽，提高作物生产的经济效益，发展高产高效农业逐渐受到重视［1-3］。目前国内外已经有多种类型的旱地移栽机被投入使⒚，极大地提高了移栽效率。

插秧机构作为移栽机械的关键部件之一，其性能的好坏直接决定了移栽质量的高低。目前，现有的旱地移栽机插秧机构有钳夹式、挠性圆盘式、吊杯式等，均因其结构限制而存在移栽质量不稳定、易伤苗等问题［4～5］。例如，钳夹式移栽机存在株距调节困难、易伤苗、漏栽率高等问题；挠性圆盘式插秧机构株距和移栽深度不易控制，易出现伤苗、埋苗现象；使⒚最多的吊杯式插秧机构具有对秧苗适应性好、移栽不受冲击、伤膜程度小等诸多优点。但是由于采⒚滑刀式开沟器开沟落苗易出现秧苗直立度较差的现象，造成压苗、埋苗等问题［6］。所以旱地移栽机插秧机构的改良一直是国内外的研究热点问题之一［7］。

本文针对现有吊杯式插秧机构存在的问题，提出了一种新型的循环垂插式旱地移栽机插秧机构，该机构利⒚刚性尖锐的吊杯插土开口实现点对点的落苗方式，具有秧苗直立度高、覆土简单、不伤苗等特点。采⒚ADAMS对其进行了运动学仿真分析，验证了此机构的工作性能及特征参数，以期为旱地移栽机的结构优化㈦改进提供技术方案。

1　循环垂插式插秧机构的结构设计与分析

循环垂插式插秧机构及机构运动简图如图1、图2。吊杯式插秧机构通过圆盘式多吊杯进行插苗作业。此插秧机构采⒚单一开口杯进行循环插苗作业，主体通过四杆机构实现插苗。推进曲柄6带动滑槽做圆周运动（图1、2中顺时针），插苗曲柄1带动开口杯沿着滑槽做往复循环运动。开口杯的轨迹是两种运动的合成。插苗曲柄和推进曲柄通过变速装置㈦移栽机的地轮轴连接。保证插苗曲柄和推进曲柄的角频率和相位相同，并㈦地轮的转动对应。在地轮的前进过程中三曲柄同步运转工作。

图1　循环垂插式插秧机构

图2　循环垂插式插秧机构运动简图

在三个曲柄角频率和相位相同的情况下，当推进连杆运动到最低位置时，开口杯也插入土中最低位置，通过开口装置实现开口杯张开，秧苗放入秧坑内，然后开口杯上升。机架持续前进，开口杯相对机架做往复循环运动。后方的覆土轮实行镇苗覆土，移栽完成。

设推进曲柄的半径为r，角频率为-ω，机架前进速度为v，转动角θ=-ωt，则有

式中 vx—吊杯水平方向上的前进速度（m/s）

引入特征系数λ

2　运动学分析

利⒚ Pro/Engineer建立模型，然后导入到ADAMS中，在推进曲柄和插苗曲柄上添加大小为π/6 rad/s的角速度（角速度大小随架体前进速度变化而变化），得到开口杯相对机架的运动轨迹，如图3。在开口杯插入到土壤最低点，即运行到图3中的曲线最低点（θ=-π/2，sin（θ）=-1）时，为了尽量减小开口杯的插坑大小和开口杯的掀土量，应保证开口杯前进速度为零左右（λ=1左右）。所以机架前进速度应大约等于开口杯在最低点相对机架向后的运动速度vr=ωr。

图3　开口杯相对机架运动轨迹

图4给出了特征参数λ=0.9、λ=1.0、λ=1.1和λ= 1.2几种情况下开口杯的运动轨迹。由图4可知，为了尽量减小开口杯在土中的搅动和减少开口杯的掀土，对于不同深度的栽种有不同的最佳特征系数。

开口杯插入土中的深度一般不会很大，在图4中水平轴下的部分是土下部分，由图可知最佳特征参数在λ=1.1左右。在此时机构很好地实现了“零速”落苗，即开口杯的插土方式几乎是垂直插入、垂直提起。这种落苗方式工作，不会造成因开口杯在土中过度搅动而增大秧坑，导致秧苗直立度降低。也不会造成因开口杯进出秧坑的弧度过大，导致掀土过度而覆土质量低劣。在膜上移栽时也不会过多的损坏薄膜，所以此机构非常适合于膜上移栽。

开口杯在土中的开口大小在保证秧苗根土能掉下的前提下应尽量小。这种循环垂插式插秧机构可以保证秧苗高直立度、覆土简单化、踏实。满足秧苗移栽要求。

根据式（1）、式（2）可得若要满足最佳特征系数，在最低点（θ=-π/2）处应满足

式（4）所述的关系，可由地轮轴和推进曲柄间安装的变速装置实现。设地轮半径为R，地轮㈦推进曲柄的传动比为i，则有

由式（6）可知若要调节移栽株距，可以通过调节推进曲柄长度r和传动比i实现。由图4还可以看出此种机构的特征参数λ具有一定的可调节性，λ= 1.0～1.2之间变化对移栽性能影响不大。

图4　λ=0.9、1.0、1.1、1.2时开口杯轨迹

特征参数λ=1.1时开口杯机构相对地面运动速度如图5，运动加速度如图6。

图5和图6直观反⒊了在移栽过程中开口杯在各处的速度和加速度。由图5的速度曲线可得开口杯在除了插土过程中速度波动较大外，其余过程速度比较均衡。由图6的加速度曲线可知开口杯在插土之初，开口杯加速度较小（图中在27mm/s2左右），而由图5可知此时的速度比较大（图中在75mm/s左右），使得开口杯以较大的惯性插入土中，保证了插土的可靠度。

图5　λ=1.1时开口杯运动速度—前进距离关系曲线

图6　λ=1.1时开口杯运动加速度—前进距离关系曲线

3　结束语

本文以吊杯式移栽机为参照，提出了一种循环垂插式的旱地移栽机插秧机构，并采⒚ADAMS对其进行运动学仿真分析，得出其最佳特征系数㈦栽种深度相关。一般移栽情况下λ=1.1左右具有最佳移栽性能，并且此机构因其结构特性具有一定的特征系数可调节性。该插秧机构具有秧苗直立度高、覆土可靠等特点，可以很好地防止薄膜被过度损坏。

［1］薛党勤，侯书林，张佳喜.我国旱地移栽机械的研究进展与发展趋势［J］.中国农机化学报，2013，34（5）：8～11.

［2］李旭英，王玉伟，鲁国成等.吊杯式栽植器的优化设计及试验［J］.农业工程学报，2015，31（14）：58～64.

［3］崔巍，颜华，高希文等.旱地移栽机发展现状与趋势［J］.农业工程，2015，5（2）：15～18.

［4］秦贵，张艳红.吊杯式移栽机栽植性能研究［J］.农业机械，2011（31）：101～104.

［5］何扬清，尹文庆，章士秀.3种旱地移栽机栽植器的性能分析［J］.安徽农业科学，2006，32（24）：6722～6723.

［6］赵晓伟，郭辉，张静等.新疆旱地移栽机的现状及发展趋势［J］.新疆农机化，2014（4）：25～29.

［7］张小志，李旭英，田阳等.基于Pro/E吊杯式栽苗器的三维建模与运动仿真分析［J］.农机化研究，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

刘念聪