行星齿轮连杆式栽植机构的设计与仿真分析

李树峰，麻 平，曹卫彬,杨 萌，赵宏政，刘娇娣

(1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000；2.新疆生产建设兵团农机技术推广总站，新疆 石河子 832000)

0 引言

栽植机构工作的好坏直接影响到田间的移栽质量，其工作机构要满足农机、农艺相结合的要求。在保证栽植效果前提下，移栽机的栽植机构应满足以下条件[1]：一是零速栽植。即在栽植过程中鸭嘴入土张开放苗的时候，鸭嘴水平方向的合速度接近零或等于零，能很好地保证栽植的直立度；二是不挂膜。我国新疆地区为了提高产量都采用铺膜移栽，鸭嘴入土过程中要先扎破地膜才能把秧苗移栽到地里，由此带来对地膜的破损。假设鸭嘴没有水平方向的速度，不会造成地膜撕裂过大，地膜的完整性和保温性得到很大的提高。三是栽植深度。要满足农作物农艺要求的栽植深度，才能有效地保证幼苗的成活率和移栽后的农作物的产量。

目前，很多学者对栽植机构进行了多方面的研究。刘明峰等人研究移栽机双五杆栽植机构[2]；俞高红等人研究了大株距栽植的行星轮系蔬菜钵苗栽植机构[3]，尤其是对栽植机构的运动轨迹的研究取得了较大的进展，对钳夹式、柔性圆盘及导苗管式和鸭嘴式的栽植机构进行了较多研究[4]。在各种栽植机构中鸭嘴式栽植机构比较适合旱地移栽，尤其是膜上覆土移栽。本文研究的是一种膜上行星齿轮多连杆式单鸭嘴栽植机构，该机构具有栽植深度深、质量小及不挂膜等优点。本文对栽植机构进行了参数化设计与仿真，验证了设计的合理性。

1 栽植机构设计

本文设计了一种行星齿轮连杆式的栽植机构，每个栽植单体只有1个鸭嘴，一次只能栽植1株幼苗，如图1所示。

图1 栽植机构简图

在行星齿轮连杆式栽植机构的简图中，该栽植机构主要由行星齿轮、连杆、鸭嘴构成[5]。行星齿轮由中心齿轮Z1、中间齿轮Z2、行星齿轮轴Z3及行星架H 构成。工作时，中心齿轮固定不动，中间齿轮在行星架的转动下绕中心齿轮旋转，同时也绕行星架自转。同样，行星齿轮轴在绕中间齿轮转动的过程中也绕行星架自转，整个运动过程中齿轮都是以外啮合的方式进行传动。

行星齿轮轴的输出端与连杆AB固定，连杆AB与鸭嘴相连，连杆主要带动鸭嘴上下运动并开启鸭嘴；连杆KC、FD一端与鸭嘴铰接，另一端与圆盘铰接；圆盘共有4个铰接点，另两个铰接点与连杆PJ、QE铰接，连杆PJ、QE的另一端与支架铰接。行星架的转动带动齿轮轮转动，齿轮带动连杆的转动，连杆带动鸭嘴上下运动，最终实现一个栽植过程。

2 栽植机构运动学模型建立

2.1 栽植机构分析简图建立

为了方便理论分析，根据机械原理的相关知识对栽植机构进一步合理简化，建立如图2所示的行星轮系连杆式栽植机构坐标示意图。其原动件是以角速度ω0转动的行星架，简化为连杆OA，在满足机构具有确定运动的条件下与AB杆、BJ杆、JP杆进行运动组合，一起实现鸭嘴的上下移动和鸭嘴的张开与闭合。工作时，连杆AB、BJ、JP杆都在一个平面内运动，从而确保栽植鸭嘴在一个平面内运动。鸭嘴与连杆AB铰接，连杆AB带动鸭嘴以一定的运动轨迹实现鸭嘴的上下运动，即B点运动轨迹就是鸭嘴运动轨迹。当鸭嘴上升运动最高点时，取苗机构取出的钵苗投放入鸭嘴中，并随鸭嘴一起向下运动，到栽植地面时，鸭嘴打孔；当到达栽植深度后，由鸭嘴的平面凸轮带动销轴顶开鸭嘴，钵苗被植入土穴内，随后鸭嘴保持张开直到离开钵苗的顶端，然后闭合进行下一轮栽植作业。

图2 栽植装置简图

在运动分析时，OA杆为原动件，其余所有连杆和齿轮都为刚性零件，在运动过程中所有零件为不发生弹性变形、零件间的转动副无转动间隙的理想工作状态[6-7]。以行星架的转动中心(中心齿轮的固定中心)O点为坐标原点建立笛卡尔坐标系，水平方向为x轴，垂直方向为y轴，其余各零件以某一个工作状态分布于坐标系里。为了便于分析，各个连杆和各个齿轮的相关参数初始值如表1所示。

表1 栽植机构相关参数

栽植机构为实现把转动的运动转化成上下的直线运动轨迹要求，设计连杆AB的长度与3个齿轮的中心距相等，转动方向与行星架相反。行星齿轮始终满足以下条件：太阳轮的齿数是中间齿轮和行星齿轮轴齿数的2倍，行星齿轮的传动比为

2.2 栽植机构运动学方程建立

根据图2，已知常量l1、l2、l3、l4分别为各连杆的长度，已知变量α1、α2、α3、α4为各连杆相对于x轴的转角，建立该栽植机构的矢量方程[8]，即

将矢量方程转化为解析形式，得A、B、J点的位移方程分别为

b=2l1l2cos(α1-α2)-2l1xPcosα1-

2l1yPsinα1-2l2cosα2xP-2l2yPsinα2

c=2xPl4-2l1l4cosα2-2l1l4cosα1

d=2yPl4-2l2l4sinα2+2l1l4sinα1

2.3 栽植机构速度与加速度求解

在理论分析中，通过矢量的方法求得A、B、J这3个主要铰点的的位移方程，对位移方程求其一阶导数和二阶导数，可得栽植机构各铰点的速度和加速度方程。通过对各铰点分析可知：此结构中，铰点B直接与鸭嘴相连，是实现栽植轨迹的重要节点，故在此只求解栽植机构中点B的速度与加速度方程。

B点的x方向与y方向速度为

B点的x方向与y方向加速度为

3 栽植机构VB6.0优化设计

在对栽植机构完成了机构简图的绘制和确定各个运动铰点的位移方程和加速度方程后，在传统的设计方法中采用经验公式对机构进行基本运动条件进行测算，计算机构的自由度，以及机构能够正常运动需要满足的杆长条件和连杆机构不出现死点的位置关系等诸多条件。这样对一个机构的分析是多目标的，传统的方法费事费力，而且效果一般。本文借助VB6.0这个软件平台，先计算出该机构可以运动的杆长的初始值，然后把运动学方程进行VB语言编程[9]，并且杆长的变化可以通过VB6.0可视化的界面进行参数化驱动，通过生成轨迹的优劣程度来评价各杆件的尺寸是否满足工作要求。工作界面如图3所示。

在优化初期，通过可视化的人机界面进行栽植机构变量调整。优化过程中，采用坐标轮换法进行参数优化，最后得到一个理想的栽植轨迹。根据VB6.0的参数化设计，得到了一组理想的栽植机构的主要零件的尺寸参数，即行星架的长度LOA=62mm,连杆AB的长度LAB=62mm，杆件BJ的长度LBJ=120mm，杆件JP的长度LJP=191mm。

4 栽植机构虚拟样机建立

基于VB优化后得到确定的机构尺寸，在三维设计软件SolidWorks2014对栽植机构的关键零部件进行三维建模，得到如图4所示的三维模型。

图3 计算机辅助优化程序界面Fig.3 Computer-aided optimization software interface

图4 栽植装置装配图

通过SolidWorks的数据转换接口，将虚拟样机模型通过格式间的转换，输入到ADMAS中，得到如图5所示的ADMAS仿真模型。同时，简化模型中不影响仿真结果的零部件，减轻计算机运算负担，提高仿真效率[10]。

栽植机构导入ADMAS中，并不具备运动关系，运动关系要通过添加各种约束关系来建立运动间的配合。在添加约束时，要以部件的工作情况来确定，在旋转部位添加旋转副，在需要固定的地方添加锁定，啮合的齿轮添加接触副，原动件添加驱动副来创建运动关系。驱动副可以设定部件的运动形式，由函数进行驱动来满足各种工况。栽植机构的约束关系如图6所示。

图5 Adams/View中的栽植机构

图6 运动副的添加

栽植机构在整个工作过程中必须保证行星齿轮能够互相啮合，连杆机构能在一个平面里实现上下运动。在仿真前，设定好重力方向和其他单位量的国际标准，然后设置栽植机构的运动仿真参数，End Time为20s，Steps为400步，进行仿真分析，该参数下栽植机构能够完成3次栽植工作[11]。仿真前，在鸭嘴的顶尖建立一个测量用的点MAKER79，仿真完成后可测得栽植机构对地的静轨迹如图7(a)所示。但是，鸭嘴在工作的时候会以定的速度前进，其工作时可产生一个相对轨迹，如图7(b)所示。相对轨迹的好坏可以评价鸭嘴式栽植机构的工作性能的好坏。

图7 栽植机构仿真轨迹

由图7(a)可看出：该栽植机构对地的静轨迹是一个“梭”形轨迹，是一条闭合的曲线。在轨迹的最高点接苗，在轨迹的最低点实现破土栽苗。图7(b)中，相对运动轨迹有交叉点，即鸭嘴栽植过程中存在零速点,其轨迹与VB编程中所求的理论轨迹相符，验证了设计的合理性。

5 结论

1)设计了一种行星齿轮连杆式栽植机构，对栽植机构进行了运动学分析，并运用矢量法建立了的动力学方程，获得了鸭嘴末端的速度、加速度和末端轨迹方程。

2)运用软件VB6.0编程进行了多个变量参数化优化，得到行星架的长度LOA=62mm，连杆AB的长度LAB=62mm, 杆件BJ的长度LBJ=120mm，杆件JP的长度LJP=191mm为最佳杆件尺寸。

3)把建立好的栽植机构的虚拟样机模型导入到ADAMS中进生了仿真分析，获得了栽植机构的栽植轨迹。栽植机构的静轨迹是一个梭形轨迹，与理论设计的轨迹相符合，在水平方向存在零速点，满足零速栽植要求。