川芎苓种扦插装备关键机构运动分析与试验

杨涛　张梅　李晓晓　李佳航　凌宁　马伟

摘要：针对川芎扦插人工成本较高、效率低等问题，设计一种鸭嘴式川芎扦插装备。该装备主要由扦插机构、覆土机构等构成，能够一次性完成4行苓种扦插、覆土等作业。建立鸭嘴式栽植器仿真模型，分析其运动轨迹，探讨满足农艺要求的适合投苗点，依据破土面积较小、直立度较好等原则，结合“零速投苗原理”确立鸭嘴端点的运动轨迹与相关的技术参数，通过现场试验验证倒插率、漏插率、重插率、倒伏率、伤苗率、未填埋率等关键性能指标均小于5%，能够较好地满足川芎扦插农艺要求。

关键词：川芎；扦插；移栽；吊篮；鸭嘴式栽植器；運动分析

中图分类号：S223.9文献标识码：A文章编号：20955553 （2023） 11003206

Kinematics analysis and test of the key mechanism of Chuanxiong cutting equipment

Yang Tao Zhang Mei Li Xiaoxiao Li Jiahang Ling Ning Ma Wei

（1. School of Mechanical and Electrical Information， Chengdu Agricultural College， Chengdu， 611130， China；

2. School of Mechanical Engineering， Chengdu University， Chengdu， 610106， China；

3. Institute of Urban Agriculture， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Chengdu， 610213， China）

Abstract：Aiming at the problems of high labor cost and low efficiency of Chuanxiong cuttings， a duck-billed Chuanxiong cutting equipment was designed. The equipment is mainly composed of cutting mechanism， soil covering mechanism， etc.， which can complete cutting and soil covering of 4 rows at one time. A simulation model of the duckbill planter was established， its movement track was analyzed， and the suitable seedling point was explored to meet the agronomic requirements. The duckbill was established based on the principles of smaller broken soil area and better erection， combined with the principle of zero-speed seedling throwing. The movement trajectory and related technical parameters of the machine were verified by field tests， so as to verify that the key performance indicators such as inverted insertion rate， missed insertion rate， reinsertion rate， lodging rate， damaged seedling rate， and unfilled rate were all less than 5%， which could well meet the agronomic requirements for Chuanxiong cuttings.

Keywords：Chuanxiong; cutting; transplanting; hanging basket; duckbill type transplanter; motion analysis

0引言

川芎是主要“川产道地”药材之一，主产于彭州、什邡、都江堰、眉山、邛崃等地。《四川省中药材产业发展规划（2018—2025年）》（川中医药强省办发〔2019〕6号）文件显示，2020年四川盆地川芎常年种植面积超过10khm²，到2025年种植面积达13.4khm²［1］。随着规模化的持续推进与人力成本的逐年上升，用户对机械化的需求尤为迫切。当前，四川省乃至全国根茎类中药材生产综合机械化水平滞后主要粮食作物（小麦、水稻等）机械化水平约20年，仅施肥、施药环节有少量通用型植保无人机参与，尤其是中药材移栽与收获环节相关作业机械尤为短缺甚至处于空白［1］。

中药材生产全程机械化发展还处于起步阶段，秧苗类、种子类中药材移栽已经有不少科研院所、高校展开了技术攻关［23］。李树森等［4］设计了一种具有急回特性的新型六杆移栽机构，并验证了栽植深度、株距、直立度的要求；尹大庆等［5］设计了一种高速变姿态接苗鸭嘴式移栽机构，在羊角椒移栽试验中平均移栽合格率达99.8%；刘洋等［6］为了提高吊篮式移栽机构喂苗准确率和降低苗钵质量损失，利用接触力学建立苗钵最大变形量的方程，并用高速摄像机观察番茄穴盘苗与栽植器的碰撞运动，得出影响喂苗准确率和苗钵质量损失的主要因素。显然，中药材移栽机械的研究集中在秧苗类、种子类药材移栽方面，对于根茎类药材移栽、扦插的研究甚少。秧苗类蔬菜移栽机械的研究为中药材移栽机的研究与应用奠定了理论基础［7］。本文结合川芎扦插农艺要求，参考蔬菜移栽机械基本原理，研制国内首款川芎扦插样机，并对其核心部件鸭嘴式栽植器进行运动分析，进而确立样机相关技术参数，解决人工扦插成本高、效率低的问题，有效推动川芎生产全程机械化发展进程。

1设计要求与整机结构

1.1设计要求与主要性能指标

川芎为无性繁殖，母子（留种的川芎）被称为苓种，呈圆柱状，长约2～6cm、粗约1～2cm，节盘直径在1.3～2.5cm，苓种种植密度要求株距20～25cm、行距25～35cm［8］。扦插效果要求：（1）苓种节盘必须与土壤接触，即要求苓种填埋于土壤不能裸露于地表，以便于苓种生根发芽；（2）苓种芽口必须朝上，切记倒插以提高苓种发芽率和成活率；（3）不能出现重播、漏播，以免造成苓种浪费和缺窝减产现象，尤其是空穴数量不宜过多；（4）扦插后苓种应尽量直立，不能东倒西歪呈倒伏状。那么，根据川芎扦插农艺要求进一步明确扦插机主要性能指标见表1。

1.2整机结构与工作原理

川芎扦插机整体结构见图1，工作原理见图2。扦插机构安装于旋耕机后，扦插机在拖拉机牵引下地轮随之滚动，再通过传动机构带动扦插机构运转，以完成苓种扦插作业。扦插机构采用偏心圆盘式吊篮结构，其栽植器呈鸭嘴状。作业时需2～4名操作员端坐于座椅上，将搁置台上的苓种逐一按芽口朝上的要求从投喂口喂入栽植器，再由扦插机构将其插入土壤中填埋。并且，安装于扦插机构后方的覆土机构还能够在扦插后进一步覆土以获得更好的扦插效果。

2关键部件设计

川芎扦插机由扦插机构、覆土机构、传动系统、机架等组成，其核心在于传动系统与扦插机构两部分。

2.1传动系统

地轮在拖拉机牵引力作用下在地面滚动，进而带动扦插机构运动。考虑到扦插机空间结构、作业效率、扦插频率、川芎种植株距的要求，采用二级链传动系统，如图3所示。

为保证扦插机作业效率，参考人工扦插作业效率可知拖拉机行驶速度v≥0.2m/s；地轮选用半径为R0=0.3m的人字纹轮胎。为避免漏插，就需要保证无弹性滑动和打滑现象，要求平均传动比较为准确、工作可靠、效率高。因而，链传动是最适宜的选择。而且，地轮与吊篮空间位置关系就决定了必须采用二级传动。

由传动比计算公式（1），得出地轮转速n₁与吊篮转速n₂的关系，结合扦插频率f=60株/min确定地轮与吊篮传动比i₀=0.75。从图3可以看出，在拖拉机拖动作用下使得地轮滚动并带动了吊篮的作旋转运动。查阅机械设计手册可用式（2）确定扦插机构所需的功率P_w约为712W，并由此确定计算功率P_c约为925W，进而依据链传动设计步骤与方法进一步确定链轮转速、齿数、中心距、链节数、链型号等参数，以完成链传动设计。

i₀=i₁i₂=Z_aZ₂/Z₁Z_b（1）

式中：

i₁——第Ⅰ级传动比；

i₂——第Ⅱ级传动比；

Z₁——地轮所用的链轮齿数，Z₁=19；

Z_a——中间轴与地轮连接链轮齿数，Z_a=14；

Z_b——中间轴与吊篮连接链轮齿数，Z_b=15；

Z₂——吊篮所用的链轮齿数，Z₂=27。

P_w=2μmgv₀/1 000η_w（2）

式中：

μ——滚动摩擦系数，取μ=0.3；

m——扦插机构的质量，满载时取m=500kg；

v₀——拖拉机的行驶速度，m/s；

η_w——为传动效率，取η_w=0.95。

2.2扦插机构

扦插机构采用偏心圆盘式吊篮结构，如图4所示。由偏心圆盘、同心圆盘、栽植器等构成，栽植器下方呈鸭嘴状，同心圆盘与偏心圆盘通过多个“Z型”杆连接，鸭嘴式栽植器则均匀地周布于两圆盘之间。由此，形成多组平行四杆机构，使得栽植器在运动过程中能够始终保持鸭嘴竖直向下，从而保证扦插苓种不至于倒伏［9］。工作时，当栽植器上的滚子與吊篮支架上的导轨接触后会推动滚子向鸭嘴内部方向运动，在杠杆原理的作用下迫使栽植器底部鸭嘴向相反方向运动，也就张开了鸭嘴；当吊篮继续旋转到滚子脱离导轨后，栽植器在回位弹簧的作用下迅速闭合鸭嘴。即栽植器在插入土壤后迅速张开鸭嘴以便苓种落入土壤，同时在鸭嘴离开土壤后四周的土壤能够迅速回落以填埋苓种。由此，也便完成了苓种扦插作业。

鸭嘴式栽植器由投苗杯、鸭嘴、复位弹簧、销轴等部件构成，如图5所示。其中，投苗杯起着接收苓种和扶正苓种的作用。若投苗杯内径过小，可能会出现挂苗现象，进而造成漏插；若投苗杯内径过大，不仅会迫使整个吊篮结构增大，还会影响到苓种扦插的直立度。那么，投苗杯内径在满足川芎苓种扦插作业质量的前提下要尽可能地减小体积。

根据苓种的基本形状和大小特征，确定投苗杯长宽为90mm×90mm。此外，鸭嘴开口直径d0必须大于苓种节盘直径13～25mm。同时，空间尺寸又受到吊篮体积的限制。由此，确立鸭嘴式栽植器体积为160mm×110mm×210mm。考虑到扦插机结构紧凑与操作方便性，同时还要满足扦插株距L=20～25cm、行距D=25～35cm、扦插深度d=0～8mm的要求。初步选定吊篮回转半径R=0.22m、行距D=30cm，扦插深度d=0～8mm可调，一次栽植4行，幅宽1.3m。由此，得到扦插机主要性能参数，进而由仿真试验得到鸭嘴栽植器运动轨迹；再结合扦插效果（漏插率、倒插率、重插率、倒伏率、伤苗率、未填埋率等关键指标均小于5%，进一步从运动轨迹中分析计算或验证出拖拉机行驶速度v、链轮齿数z、移栽频率f、鸭嘴数量N等关键指标。

3栽植机构仿真分析与关键参数确定

3.1鸭嘴运动轨迹仿真分析

3.1.1构建鸭嘴运动轨迹数学模型

如何保证扦插苓种的直立度是扦插机构设计的核心问题之一，鸭嘴是扦插机构的执行部件，其运动轨迹会直接影响到扦插苓种的直立度。鸭嘴在破土时若存在水平方向上的速度，会导致鸭嘴在水平方向上产生滑移，进一步造成破土面积大，苓种扦插直立度较差，苓种填埋率较低等问题［10］。为进一步验证扦插装置核心部件的运动轨迹，避免扦插过程中出现倒伏、带苗等不良现象，影响扦插效果，还需分析鸭嘴端点运动轨迹。鸭嘴相对于吊篮做圆周运动，同时在拖拉机牵引力的作用下沿前进方向运动。由此可知，以吊篮回转中心为坐标原点，建立直角坐标系，以拖拉机前进方向为X轴，竖直方向为Y轴。那么，就可以得到鸭嘴端点的运动轨迹是一条摆线并符合式（3）。

x=－［vt+Rcos（ωt）］

y=－Rsin（ωt）（3）

式中：

x——前进方向上的位移，m；

y——竖直方向上的位移，m；

ω——吊篮的角速度，rad/s；

t——运动的时间，s。

3.1.2鸭嘴运动轨迹及分析

对鸭嘴端点运动轨迹求导即可得到鸭嘴端点运动速度方程，如式（4）所示。

v_x=－［v－ωRsin（ωt）］

v_y=－ωRcos（ωt）（4）

式中：

v_x——前进方向上的速度，m/s；

v_y——竖直方向上的速度，m/s。

由式（4）得到鸭嘴端点运动轨迹见图6（a），将其局部放大得到图6（b）。

前人在对鸭嘴端点轨迹方程与运动方程分析的基础上提出了“零速投苗原理”，即栽植器在栽植秧苗时水平方向上的速度v_x=0，以保证栽植作物的直立度［11－12］。那么，令λ=ωR/v，并将λ定义为运动轨迹特征系数［13］。显然，当λ＞1时，鸭嘴端点的运动轨迹为Ⅰ，曲线上出现了一个环扣。此条件下，鴨嘴端点运动到A、B两点时其水平方向上的速度均为0，在A、B两点之间均有与拖拉机行驶方向相反的水平速度。若在A点投苗，苓种存在竖直向下的惯性力，有利于投苗，但投苗点较高；若在B点投苗，苓种存在竖直向上的惯性力，有上抛的运动趋势，且投苗点较高；若在AB段投苗，鸭嘴端点有一个与拖拉机行驶方向相反的速度，会造成破土面积大，影响苓种填埋率，同时也会导致扦插苓种后倾。但是，在紧随其后的覆土镇压轮的作用下，可进一步覆土、扶正，进而保证扦插苓种填埋率与直立度。

当λ=1时，鸭嘴端点的运动轨迹为Ⅱ，且轨迹曲线上只有一个拐点C，说明鸭嘴端点在C点时水平方向上的速度为0，其他位置均存在水平方向上的速度。若在C点位置投苗，最大程度上的减小了破土面积，但鸭嘴端点在投苗后立即沿运动轨迹向前运动，存在继续带动苓种向前倾的可能性。

当λ＜1时，鸭嘴端点的运动轨迹为Ⅲ，此时鸭嘴端点水平速度方向与拖拉机行驶方向相同，鸭嘴端点在入土后仍有一个相对向前的速度，无水平方向速度为0的时刻。换言之，该条件下无论何时扦插苓种均会导致扦插苓种倾斜，影响直立度要求。

由此，为消除鸭嘴端点入土后水平方向上的速度对移栽效果的影响，只有在鸭嘴端点到达最低点时的线速度等于拖拉机行驶速度，最大程度上减小了破土面积，才能够保证扦插苓种的直立度。虽然，从“零速投苗原理”上来说，A、B两点投苗也符合“零速”要求，但此时投苗点较高，鸭嘴端点可能还未入土；A、B两点之间投苗会有后倾趋势，需覆土镇压轮“扶正”；C点投苗，破土面积小、填埋率较好，基本符合扦插要求，但存在扦插后继续带苗的可能性。结合试验效果，选择在C点投苗符合川芎栽植农艺要求。据此得到拖拉机行驶速度v、吊篮回转半径R、吊篮角速度ω等扦插机构关键参数之间的函数关系式（5）。

v=ω₀R₀=ωR（5）

式中：

ω₀——地轮回转角速度，rad/s；

R₀——地轮回转半径，R₀=0.3m。

3.2关键参数确定

3.2.1苓种扦插频率与行驶速度

在确定鸭嘴端点运动轨迹的基础上，进一步保证机构尺寸的合理性与扦插效果，需确定传动比、吊篮直径、株距、鸭嘴数量等关键参数。根据苓种扦插直立度要求又有拖拉机行驶速度与移栽频率f、株距L之间符合关系式（5），由此可计算出拖拉机的适宜行驶速度。考虑到人工劳动强度与作业效率，取移栽频率f=60株/min，则根据式（6）可得鸭嘴回转半径R=0.22m。

v=ωR=Lf（6）

3.2.2鸭嘴数量

扦插机在扦插作业过程中地轮不可避免地会存在一定的滑移，这使得地轮滚动一定圈数后实际走过的距离比理论距离要长。滑移率ε₀由式（7）计算，运动轨迹特征系数λ即可改写为式（8）。

ε₀=s－s₀s×100%（7）

式中：

s₀——理论距离，s₀=2πR₀；

s——实际距离，m。

λ=（1－ε₀）R/R₀i₀（8）

根据鸭嘴端点运动轨迹可知，鸭嘴既沿着吊篮回转中心做回转运动，又在拖拉机牵引下沿前进方向移动。那么，在1个周期内鸭嘴在前进方向上移动的距离应等于鸭嘴数量与株距的乘积，即株距与吊篮鸭嘴的数量N的关系符合式（9）。

L=2πR₀i₀/N（1－ε₀）（9）

株距与鸭嘴数量、地轮半径、传动比、滑移率等直接相关。试验表明，当滑移率较小时可选择较大的传动比。

由此，在地轮半径R₀=0.3m、传动比i₀=0.75、滑移率ε₀=4%的情况下绘制L-N关系图，如图7所示。当N=6时，L约为21cm，符合川芎扦插要求。

4试验分析

试验选取彭州市某企业川芎种植基地，土壤平均含水率约24.5%、平均温度约28.5℃，要求旋耕后整地起垄，使用适宜机械作业的苓种，长约6cm。结合现行GB/T 5667—2008《农业机械生产试验方法》与JB/T 10291—2013《旱地栽植机械》作业规范要求，设计了扦插机扦插效果试验。

试验前准备好苓种，调整机械消除无关变量对试验效果的影响，重点检验扦插机倒插率、漏插率、重插率、填埋率、倒伏率、伤苗率、扦插频率以及在保证作业效果的前提下的最大扦插效率等指标［14］。填埋率是指苓种节盘必须接触土壤，出现悬空或裸露空气中的苓种视为土壤填埋不合格；倒伏率是指扦插后的苓种直立度较差，影响后续生长；伤苗率是指在扦插作业过程中机械装备对苓种的损害。倒插率、漏插率、重插率、填埋率、倒伏率、伤苗率等指标均可按式（10）计算，作业效率η按式（11）计算。

η_i=n_i／Num×100%i=1，2，…，6 （10）

式中：

Num——扦插的总株数，株；

n_i——扦插不合格（漏插、倒插、重插、倒伏、伤苗、未填埋等）株数，株。

η=1.5×1^0－3×（3 600－ct₀）Bv-≥η₀m₀（11）

式中：

c——拖拉机调头次数；

t0——拖拉机调头需要的时间，s；

B——作业宽度，B=1.5m；

v-——拖拉机作业平均速度，m/s；

m₀——扦插機工作需要的总人数，m_max=5人；

η₀——

单人人工扦插作业效率，η₀= 1.1×10^-2hm²/h。

试验中，由拖拉机牵引移栽机在基地田间作业，试验分3组，4人投喂苓种，每组要求拖拉机行驶30m以上，至少扦插400株，以获得试验足够样本数据。

试验分析结果如表2所示。川芎扦插倒插率、漏插率、重插率、倒伏率、伤苗率、未填埋率等指标均小于5%，并且，漏插、重插、倒插主要受到投喂人员的主观影响，节盘未接触土壤的苓种只出现在两侧较低矮处，由旋耕机整地不平导致。扦插效率受到投喂人数以及投喂人熟练程度的影响，理想情况下按最大作业速度、4人投喂计算最大扦插效率大于0.96hm²/h，相较于人工作业效率提高了1.2倍。由此，无论是从作业效果还是作业效率均能够满足设计要求与用户使用需要，同时也为进一步研制自动取苗机构，实现自动化作业奠定基础。

5结论

1）  借鉴蔬菜移栽机研制经验，设计吊篮式川芎扦插装备，构建鸭嘴端点运动轨迹数学模型，分析鸭嘴端点运动轨迹，结合川芎扦插农艺要求（株距、行距、扦插深度、扦插直立度等）确立具体投苗位置，并详细分析计算出各技术参数：传动比i₀=0.75、鸭嘴数量N=6、扦插频率f=60株/min、鸭嘴回转半径R=0.22m等。

2）  试制川芎扦插样机，能够一次性完成4行苓种扦插、覆土作业，试验扦插效果，验证倒插率、漏插率、重插率、倒伏率、伤苗率、未填埋率等关键性能指标均小于5%，基本满足农艺要求和用户使用需求。

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