行星齿轮连杆式栽植机构的设计

沈飞

摘 要： 伴随农业技术的快速发展，对栽植机构综合性能提出更高的要求，如需做到零速栽植、不挂膜等，这是保证栽植产量的关键所在。特别目前大多地区引入铺膜移栽模式后，发现取得的成效并不理想，极易出现地模破损情况。此时考虑在栽植机构上优化设计，提高机构整体性能。本次研究将以行星齿轮连杆式栽植机构为研究对象，对机构的运行原理简单分析，构建机构基本模型，并通过相关的运动方程明确设计方向，最终通过仿真验证优化设计后运行效果。

关键词： 行星齿轮连杆式；栽植机构；优化设计

前言：作为近年来田间移栽工作的主要工具，栽植机构运行情况直接影响移栽效果。从我国部分地区田间移栽情况看，在栽植机构选择上有较多如鸭嘴式、导苗管式、钳夹式等，均可取得良好的移栽效果。但比较下能够发现，部分区域属于干旱气候，需采用膜上覆土移栽方法，采用鸭嘴式栽植机构更加适宜，若在此基础上进一步优化设计，能够满足栽植深度要求，且不挂膜等。因此，本文对行星齿轮连杆式鸭嘴栽植机构的设计研究，具有十分重要的意义。

1栽植机构基本介绍

关于栽植机构，是一种用于田间移栽的农业器械，如何使栽植效果得到保证，要求栽植机构具备一定的条件，具体体现在：①零速栽植，主要强调鸭嘴张开放苗过程中，为达到栽植直立度要求，需使鸭嘴水平方向保持接近零；②不挂膜，如部分区域栽植中倾向于铺膜移栽方法，操作中需将地膜扎破然后在地中移栽秧苗，虽然可保证移栽量，但地膜受损影响保温性，所以栽植机构运用下可解决不挂膜问题；③栽植深度控制，其是影响幼苗成活率与作物产量的关键。

本次研究中提出行星齿轮连杆式栽植机构，该机构设计中，鴨嘴1个，可满足1株幼苗栽植要求。具体剖析该机构，除鸭嘴外，有连杆、行星齿轮机构。其中在行星齿轮方面，又可细化为行星架、行星齿轮轴、中间齿轮、中心齿轮等，机构运行中中心齿轮保持不动，行星架转动时中间齿轮于中心齿轮围绕旋转。齿轮运行传动主要通过外啮合形式实现。当行星架转动中，齿轮轮保持转动，此时连杆动作使鸭嘴上下运动，这样便能完成栽植过程[1]。

2行星齿轮连杆式栽植机构设计模型构建

2.1栽植结构基本结构设计

为使行星齿轮连杆式栽植机构设计优化，本文在研究中以机械原理为指导，提出结构设计思路。设计中主要将连杆、鸭嘴保持铰接，在连杆带动作用下，使鸭嘴保持一定运动轨迹，沿该轨迹运动，便能达到移栽要求。如鸭嘴保持上升运动中，可将钵苗取出向鸭嘴中投放，向下运动中至栽植地面将打孔，满足栽植深度后，鸭嘴放开向土穴内植入钵苗，当钵苗完全离开鸭嘴后，鸭嘴继续进行下一轮作业。从整个机构运动情况看，如何保证其处于理想状态，关键在于各零件无弹性变形情况，且转动中无转动间隙情况。需注意的是，设计中主要从运动轨迹控制上着手，尽可能做到保持直线运动。其中行星齿轮的运动设计，需做好传动比的控制，假定对中心齿轮齿数利用Z1表示，行星齿轮齿数利用Z3表示，传动比iH3，则有iH3=1-Z1/Z3[2]。

2.2相关运动学方程

关于栽植机构运动情况，本次研究中取具体的方程模型做运动学分析，如利用l1、l2、l3、l4分别表示曲柄长度、连杆长度、连杆长度以及摇杆长度，并取α1、α2、α3、α4表示曲柄与x轴角度（水平方向）、连杆与x轴角度、摇杆与x轴角度。构建方程模型，取A、B、J三点，有：①xA=l1cosα1，yA=l1sinα1；②xB=l1cosα1+l2cosα12，yB=l1sinα1+l2sinα2；③xJ=xP+l4cosα3，yJ=yP+l4sinsinα3。明确各位移方程后，在此基础上做机构铰点速度与加速度分析，可判断出各位移点加速度方向。

3优化设计思路与仿真结果

3.1优化设计思路

根据运动方程分析结果，可获取各运动铰点加速度与位移情况，在此基础上做优化涉及。设计中应注意首先将基本运动条件明确，做机构自由度的计算，确保机构正常运动下连杆机构、杆长条件均可满足运动要求。考虑到以往机构设计中需涉及较多算法流程，所以采用VB6.0软件平台，通过该平台对各机构运动杆长初始值计算，在此基础上做VB语言编程，VB6.0可视化界面能够对各杆长变化反映出来，做参数化驱动，这样将使轨迹优劣程度表达出来，利用其做各杆件尺寸的评价[3]。参数优化下，本次研究将行星架长度、两个连杆长度以及杆件长度分别设定为62mm、62mm、120mm、191mm，在此基础上做仿真分析。

3.2仿真结果

仿真分析中，明确各机构尺寸，取SolidWorks2014设计软件，使各零部件以三维模型形式呈现。根据三维模型结果，能够发现各零部件均能正常运行，齿轮可满足啮合运行要求，各运动工况的实现可通过调整运动副实现。同时，从整个机构仿真轨迹看，静轨迹为闭合曲线，呈“梭”形轨迹，在轨迹最高点完成接苗操作，而最低点破土栽苗。同时运动中，有零速点存在，整个轨迹运行均可满足栽植机构设计基本要求，包括零速点、栽植深度控制等，说明优化设计后的行星齿轮连杆式栽植机构设计能够达到设计要求。

结论：行星齿轮连杆式栽植机构设计是否合理直接影响栽植质量。实际设计中，应正确认识栽植机构的基本结构与运行原理，并结合区域实际情况包括土地、种植情况，采取相关的优化设计策略。本次研究中，通过构建运动学方程，并在VB6.0软件平台下做参数优化，可发现最终设计的栽植机构在各方面参数上均可达到设计要求。

参考文献

[1]张照，廖庆喜，许博，等.油菜钵苗移栽机栽植机构参数匹配与轨迹分析[J].华中农业大学学报，2017，36（02）：108-116.

[2]何亚凯，李树君，杨学军，等.凸轮摆杆式栽植机构运动分析及性能试验[J].农业工程学报，2016，32（06）：34-41.

[3]陈建能，夏旭东，王英，等.钵苗在鸭嘴式栽植机构中的运动微分方程及应用试验[J].农业工程学报，2015，31（03）：31-39.