蔬菜自動移栽機對置秧盤交替自動取投苗機構研究

陳 斌 胡廣發 劉 文 孫松林 孫超然 肖名濤

(1.湖南農業大學機電工程學院，長沙 410428；2.永州職業技術學院，永州 425100)

0 引言

目前穴盤苗的蔬菜移栽機械以半自動為主，機械主要完成栽植作業，取苗投苗需要由人工完成，受人工取投苗速度限制，移栽效率較低，無法滿足蔬菜產業快速發展的需求，全自動移栽機已成為主要發展方向。穴盤苗取苗裝置是全自動移栽機的關鍵部件，其取苗效率、取苗效果直接影響移栽機的栽植效率和栽植效果。

針對不同秧盤、秧苗以及栽植農藝要求的特點，國內外學者提出了不同的取苗方式，并在取苗方法的基礎上開發了多種取苗裝置或者末端。目前主流的取苗方式包括插入莖稈夾持式[1-3]、缽體夾取式[4-6]、缽體頂出式[7-9]、頂出-夾取結合式[10-11]、氣力式[12-13]等。由于秧苗缽體的抗拉強度遠低于抗壓強度[14-16]，莖稈夾持式和缽體夾取式在取苗過程中對缽體施加拉力，易對秧苗缽體造成損傷，破壞秧苗根系，導致缽體破裂。缽體頂出式取苗方式是對秧苗缽體施加壓力，取苗過程中秧苗損傷程度較低，但由于秧苗與秧盤穴壁之間的粘附力各不相同，因此存在秧苗頂出過程中壓縮程度不同、頂出后落苗軌跡不一致、落苗點不可控等問題。

本文基于頂出-夾取結合式取苗方式，開展對置秧盤交替取投苗策略分析，以可彎曲秧盤及用其培育的辣椒缽苗為作業對象，設計一種曲柄搖桿附加直線氣缸的對置秧盤交替自動取投苗機構，該機構與送盤、投苗、栽植等機構組成的供苗裝置裝載于大型移栽機上，配合旋耕裝置、起壟裝置、開溝裝置等，可實現多行自動移栽，相較于傳統多行移栽機用工量少。針對該自動取投苗機構進行機構運動學建模，仿真分析關鍵參數對氣動苗爪運動軌跡的影響，得到符合作業要求的參數值；開展多栽植頻率下的取投苗性能試驗，以驗證該取投苗方案的可行性。

1 對置秧盤交替取投苗策略與要求

1.1 取投苗策略分析

取投苗機構是供苗裝置中的核心部件，作業時完成秧苗從秧盤到栽植裝置的轉移工作，直接影響移栽作業效率和作業效果。利用柔性秧盤的可彎曲特性，設計一種對稱布置的秧盤布局，如圖1a所示，秧盤從兩側進入后，在水平階段末端進行取苗，進入彎曲階段后進給方向發生改變，最后從進盤口下方退出，有效減小秧盤輸送機構體積。

圖1 取苗、投苗、落苗原理圖

基于此對置秧盤布局，提出一種交替取投苗方法。在對置秧盤中間設置落苗機構，取投苗機構一側苗夾在取苗位置時，另一側苗夾則位于投苗位置，其理想軌跡如圖1所示，苗夾在取苗位置對秧苗進行夾持后，沿豎直方向將秧苗拔出，然后水平運動至投苗位置，松開苗夾，秧苗沿豎直方向落入分批落苗裝置中，落苗機構可存放取投苗裝置整行投下的秧苗，并將其按等時間間隔分批次落入下方栽植裝置中(圖1b)，由栽植裝置完成定植，也可與開溝裝置配合使用，將秧苗直接落入下方植苗溝槽中。

1.2 取投苗機構結構原理

1.2.1交替自動取投苗機構

在實際運行過程中，為減少運行過程中速度方向急變造成的沖擊，物體的運動軌跡一般由平滑曲線組成，綜合考慮往復運動和平面旋轉運動，提出一種由曲柄搖桿機構和直線氣缸共同驅動的交替自動取投苗機構，如圖2所示。

圖2 交替取投苗機構簡化模型

該機構由曲柄搖桿組件OABCD、平行桿組件CDD′C′、平面旋轉組件EFF′組成。在平面旋轉組件EFF′中，FF′兩端分別安裝苗夾，FF′可在氣缸HI的驅動下繞旋轉圓心E的轉動進而實現對夾持秧苗的豎向拔起。在曲柄搖桿組件OABC中，搖桿CD通過連桿AB與曲柄OA相連，通過其連續旋轉進行往復擺動，平行桿組件CDD′C′中CD與C′D′平行，DD′處于水平狀態，可隨搖桿CD進行左右擺動，且一直處于水平狀態。平面旋轉組件EFF′通過旋轉圓心E與DD′連接，DD′的往復擺動可帶動FF′兩端苗夾夾持秧苗從取苗位置運動至投苗位置。

1.2.2推盤機構與苗夾橫向位移原理

取投苗過程中，秧盤需配合取投苗機構進行步進式移動，保證取苗位置秧苗供給?？紤]到秧盤移動時刻以及利用平行桿組件CDD′C′中CD和C′D′的擺動，設計一套雙搖桿組件CKLM，桿件MN通過連桿KL與搖桿CK相連，可隨其進行往復擺動，N處安裝有推盤鉤，通過往復擺動推動秧盤步進式進給。

為避免因葉片交錯造成秧苗掛在接苗筒隔斷上，需在投苗前進行苗夾間的橫向位移，破壞葉片交錯，同時增大接苗筒橫截面積，讓秧苗有更大下落空間。苗夾橫向位移過程如圖3所示，苗夾在取苗位置整排取出秧苗后運動至投苗位置，此過程中苗夾在橫向位移氣缸的驅動下發生橫向位移，其間隔距離增加，并通過苗夾之間的柔性連接控制最終間隔距離，使其對齊接苗筒中心位置。

圖3 苗夾橫向位移過程示意圖

1.3 運動軌跡要求

考慮機械的連續運轉，以及秧苗位置、速度的變化，以氣動苗夾夾持點為觀察對象，拔苗、運苗以及投苗過程中各機構配合運行所形成的運動軌跡需滿足如下要求：①拔苗階段軌跡：夾持點軌跡近似豎直，水平方向上的位置變化越小，對秧苗莖稈的彎折越小，豎直方向上的高度變化不小于秧盤穴深度。②運苗階段軌跡：各位置的秧苗從取苗點到達投苗點的移動距離不同，中間小兩側大，同排秧苗應在運苗階段完成位置偏移，偏移時長越長，偏移速度越慢，偏移過程中對秧苗的晃動越小。③投苗階段軌跡：由于一側投苗時另一側在進行取苗，因此兩者軌跡呈中心點對稱關系，在氣動苗夾松開時刻，秧苗應整體呈豎直狀態，其瞬時速度方向及其中心軸線與分批投苗機構中心線重合時最理想。

2 運動學與力學分析

2.1 交替取投苗機構簡化模型參數

機構作業過程中苗夾的運動軌跡是三維曲線，其中拔苗和運苗過程是順利完成取投苗的關鍵，從豎直平面分析秧苗夾持點的運動，為優化機構參數以及零部件選型提供參考。根據圖2所示交替取投苗機構模型，以曲柄OA中O為原點建立坐標系。F和F′為前后兩側苗夾夾持點；桿件HI為拔苗驅動氣缸，計算過程中其長度為變量。確定機構運動狀態所需變量符號及含意見表1。

表1 機構運動相關參數

2.2 作業過程關鍵點位移方程

2.2.1后側秧苗夾持點F豎直平面位移方程

根據圖2以及氣動苗夾運動原理，簡化后得到如圖4所示苗夾驅動機構原理圖。

圖4 苗夾驅動機構原理圖

以曲柄搖桿機構OABC和四桿機構HEFI建立封閉矢量方程

lOA+lAB=lOC+lCB

(1)

lHE+lEF=lHI+lIF

(2)

將矢量方程(1)轉換為解析形式，得到動點A、B的位移方程

(3)

(4)

對點B位移方程(4)進行移項、平方后，消除α2，得到

2lBC[(xC-xA)cosα3+(yC-yA)sinα3]=0

(5)

連接點A、C，設AC與x軸夾角為β1，則有

(6)

綜合方程(4)、(6)，根據余弦定理可得

(7)

因為α3-β1為△ABC的內角，因此有

0<α3-β1<π

(8)

求解β1、α3-β1、α3后，通過式(4)即可求解α2。求得α3后，根據點D、E、G、H之間的位置關系，可依次求得其位移方程

(9)

將矢量方程(2)轉換為解析形式，可得

(10)

其中

將方程(10)中已知量簡化后移項、平方再相加，消去α7，得到

2lEF[(xE-xI)cosα6+(yE-yI)sinα6]=0

(11)

連接E、I，設連線EI與x軸夾角為β2，則

(12)

綜合方程(10)、(12)，根據余弦定理可得

cos(β2-α6)=

(13)

因為β2-α6為△EFI的內角，因此有

0<β2-α6<π

(14)

求解β2、β2-α6、α6后，通過式(10)求解得到α7。

2.2.2后側推盤驅動點N位移方程

根據圖2以及推盤搖桿運動原理，簡化后得到如圖5所示推盤搖桿驅動機構原理圖，該機構可看作是由CKLM組成的一套雙搖桿機構，建立矢量方程

圖5 推盤搖桿驅動機構原理圖

lCK+lKL=lCM+lML

(15)

CKLM雙搖桿機構中，主動搖桿CK為曲柄搖桿機構OABC的搖桿BC一部分，因此可得點K位移方程

(16)

將矢量方程(15)轉換為解析形式，求解點L位移方程

(17)

將方程(17)進行移項、平方后，消除α9，得到

2lKL[(xK-xM)cosα8+(yK-yM)sinα8]=0

(18)

連接點K、M，設KM與x軸夾角為β3，則有

(19)

綜合方程(17)、(19)，根據余弦定理可得

(20)

因為α8-β3為△KML的內角，因此有

0<α8-β3<π

(21)

求解β3、α8-β3、α8后，通過式(17)即可求解α9。由于推盤驅動點N在桿ML延長線上，因此可得點N位移方程

(22)

2.3 拔苗過程力學模型與頂苗機構參數優化

圖6a所示為拔苗過程示意圖，苗夾在到達取苗位置后通氣，夾持秧苗莖稈后在拔苗驅動氣缸的作用下向上移動完成拔苗。秧苗被夾持時其莖稈、缽體分別受到苗夾作用力和苗盤的反作用力，取P、P′為研究點，分析取苗過程中秧苗受力關系，如圖6b所示。

圖6 拔苗過程原理圖

分析點P、P′，苗夾對秧苗莖稈分別有夾持力F1和提升力F2、苗夾與秧苗莖稈的摩擦力f2；秧盤對缽體分別有正壓力FN、秧盤與缽體粘附力Ni[14，17]、秧盤與缽體之間的摩擦力f1；秧苗還受本身重力GM。為了將秧苗拔起，并保持穩定狀態，氣動苗夾對秧苗的提升力F2要滿足

π(R+r)h(f1cosθ+Nisinθ+

GM-FNsinθ-f2)≤F2

(23)

式中R——秧苗缽體上端截面半徑，mm

r——秧苗缽體下端截面半徑，mm

h——秧苗缽體高度，mm

θ——秧苗缽體側邊角，(°)

秧苗抗脫拉能力反映秧苗夾取的難易程度，將秧苗豎直方向的合力擬定為抗脫拉力Fq，即

Fq≈π(R+r)h[FN(μ1cosθ-sinθ)+

Nisinθ+GM-μ2[F1]]

(24)

式中μ1——秧盤穴壁與秧苗間摩擦因數

μ2——秧苗莖稈與苗夾間摩擦因數

[F1]——秧苗徑向抗壓許用力，N

為保證秧苗順利脫出，苗夾對秧苗提升力F2要滿足

Fq≤F2

(25)

為減少取苗過程中取苗驅動氣缸負荷，在拔苗驅動氣缸作業前設置有頂苗工序，由氣缸驅動頂苗桿從秧盤穴底部進入秧盤穴，接觸到缽體后繼續向上，直至缽體與秧盤穴脫離。頂苗過程中，頂出距離、頂苗桿直徑以及頂出速度等對頂出效果有較大影響[18-19]。參考文獻[19]中進行的缽體頂出特性試驗，在頂苗桿直徑8 mm、頂苗氣缸驅動氣壓 0.6 MPa、節流閥開度100%的情況下進行頂出距離優化試驗。試驗結果表明，當頂苗桿頂出距離為 7 mm 時，95%的秧苗缽體能脫離秧盤穴，頂苗過程用時約0.8 s。

3 苗夾運動軌跡優化與結構設計

苗夾在豎直方向上的運動是其繞拔苗旋轉中心軸旋轉及其隨曲柄搖桿機構往復擺動的復合運動，其運動軌跡受拔苗氣缸作用時刻和作用時長以及曲柄搖桿機構中各桿件長度、安裝和連接位置影響。根據上文分析結果對部分參數進行取值，通過仿真軟件分析各因素對秧苗夾持點運動軌跡的影響，確定優選參數。對關鍵部件進行結構設計和虛擬裝配，得到自動供苗裝置。

3.1 取苗驅動氣缸選型與部分參數設計分析

分析秧盤彎折半徑以及考慮分批落苗裝置安裝空間需求，兩側取苗點距離dQ取420 mm，則單側取苗點與投苗點之間距離dQT為210 mm。育苗選用的亞美柯D220P型秧盤穴深dX為35 mm，考慮拔苗過程中機具震動以及夾持點打滑對夾持點豎直方向實際提升高度的影響，要求設計提升高度dT需大于 35 mm，設拔苗過程中桿EF與x軸方向最大夾角為α6max，將以上約束條件整理為

(26)

計算后對結果進行取整，當lEF=107 mm、α6max=11°時可滿足要求，此時提升高度dT=40.8 mm。

受交替取投苗機構運行過程中各桿件位置變化的限制，拔苗驅動氣缸的運行空間較小，應滿足結構緊湊要求。同時應選用帶有緩沖功能的氣缸作為拔苗驅動氣缸，減少氣缸到達極限位置時的沖擊。星辰氣動CDJ2D系列迷你氣缸采用氣緩沖，符合要求。具體選用CDJ2D10-20-B型氣缸，缸徑10 mm，行程20 mm，使用壓力范圍0.06～0.7 MPa，活塞速度0.05～0.75 m/s，收縮狀態長度lHImin=107.5 mm，伸出狀態長度lHImax=127.5 mm。

初選lDG=173.4 mm，lGH=60 mm，根據苗夾拔苗過程中初始和終止位置，圖解法得到lEJ=48.2 mm，lIJ=40 mm?；趯嶋H電機安裝情況，初選點C位置為(-234.6 mm,-142.2 mm)，根據2.2節進行計算取整，取lOA=51.5 mm，lAB=234.5 mm，lBC=151 mm，lCD=309 mm，lDE=210 mm，該條件下的交替取投苗機構滿足關鍵點位置要求。

3.2 夾持點運動軌跡影響因素分析

3.2.1運動學仿真模型

對裝置虛擬裝配后進行運動學仿真，添加驅動馬達和驅動函數，得到運動學仿真模型[20]。在模型中改變氣缸伸出時刻、氣缸伸出速度、取投苗搖桿長度以及驅動曲柄轉速，記錄秧苗夾持點運動軌跡，將軌跡坐標導入繪圖軟件進行分析，得到不同因素條件下的運動軌跡疊加圖，分析各因素對秧苗夾持點運動軌跡的影響方式。

3.2.2關鍵因素影響分析

以后側秧苗夾持點為觀察對象，定義以下參數為基準參數：機構取苗速度為100株/(min·行)，對應曲柄轉速10 r/min，驅動氣缸伸出速度20 mm/s，伸出時刻為驅動搖桿旋轉至右極限位置前0.5 s，1 s完成拔苗驅動，取投苗搖桿長度309 mm。此參數下的夾持點運動軌跡如圖7所示，該軌跡可分為接近段ab、拔苗段bc、轉運段cd以及投苗段da，其中接近段ab和轉運段cd為苗夾隨曲柄搖桿機構進行的擺動，拔苗段bc和投苗段da為苗夾繞軸轉動與曲柄搖桿擺動的復合運動。拔苗段bc在x軸上的投影長度變化即為拔苗過程中苗夾對秧苗莖稈的橫向位移，位移越大則對秧苗莖稈的拉扯作用越明顯，導致秧苗在拔取過程中發生晃動，易損壞秧苗莖稈；在y軸上的投影長度變化即為拔苗始末位置高度變化，即理論拔苗高度。

圖7 基準參數下夾持點運動軌跡及分段區間

圖8a為基準參數下，拔苗驅動氣缸伸出時刻分別為驅動搖桿旋轉至右極限位置前0.25、0.50、0.75 s時的秧苗夾持點運動軌跡。由于拔苗氣缸完全伸出時長為1 s，當伸出時刻為驅動搖桿旋轉至右極限位置前0.50 s時，拔苗段a、b兩點的橫坐標重合，夾持點在x軸方向上的累計位移為0 mm，當伸出時刻為前0.25 s時累計位移為負，伸出時刻為前0.75 s時累計位移為正。由此可得出結論：在其他參數一定的情況下，若拔苗驅動氣缸伸出時長為t1，當拔苗驅動氣缸伸出時刻為驅動搖桿旋轉至右極限位置前0.5t1時，拔苗階段秧苗莖稈橫向累計位移為0 mm，將此時刻稱為橫向位移對稱時刻。

圖8 關鍵參數對秧苗夾持點運動軌跡的影響

當拔苗驅動氣缸伸出速度vQ分別為13.33、20.00、26.67 mm/s時，對應氣缸伸出時長分別為1.50、1.00、0.75 s，根據上文結論，仿真過程中應將拔苗驅動氣缸伸出時刻分別改為前0.750、0.500、0.375 s，其他參數為基準值。運動軌跡仿真結果如圖8b所示。由圖可知，拔苗氣缸伸出速度越快，夾持點橫向位移距離越短，拔苗過程中秧苗莖稈的橫向拉扯程度越小，但秧苗在縱向上脫離秧盤穴的速度也越快，易導致夾持點打滑和秧苗缽體破碎。因此，在保證夾持點穩定和秧苗缽體完整的情況下，拔苗驅動氣缸伸出速度越快越好。

圖8c為基準參數下，取投苗搖桿長度lCD分別為289、309、329 mm時的秧苗夾持點運動軌跡。從圖中可以看出，隨著取投苗搖桿長度的增加，夾持點運動軌跡高度增加，且接近段ab和轉運段cd的長度增長，但拔苗段bc和投苗段da無明顯變化。由此可得出結論，取投苗搖桿長度主要影響夾持點運動軌跡高度位置，其次影響取苗點和投苗點之間距離，在實際取苗過程中可根據秧苗和分批落苗裝置之間的位置關系調節取投苗搖桿長度，使得夾持點運動軌跡符合實際要求。

圖8d為基準狀態下驅動曲柄轉速nD分別為10、12、15 r/min時的秧苗夾持點運動軌跡。由圖可知，驅動曲柄轉速越快，夾持點在拔苗段的橫向位移越大，對應秧苗莖稈橫向拉扯越明顯。因此可得出結論，驅動曲柄轉速對夾持點運動軌跡的影響主要在于拔苗段橫向位移，在實際取苗過程中雖然轉速越快取苗效率越高，但應同步提高取苗氣缸伸出速度，以抵消由轉速增加帶來的夾持點拔苗段橫向位移的增加，同時在調節過程中由于拔苗速度和轉運速度的加快，應綜合考慮夾持點莖稈以及秧苗缽體的抗拉扯能力。

3.3 優選結果

綜合上述秧苗夾持點運動軌跡分析過程及結論，在滿足交替取投苗機構運動軌跡要求前提下選定參數：根據交替取投苗速度要求，選定驅動曲柄轉速10 r/min，對應取投苗速度100株/(min·行)；根據供苗裝置整機安裝實際布局限制，選定取投苗搖桿長度309 mm，此時搖桿固定端與秧盤輸送裝置平齊，便于布置；根據取苗速率和拔苗過程中夾持點的橫向位移，設定驅動氣缸伸出速度25 mm/s，0.8 s內完成拔苗；根據上文分析結果中的橫向位移對稱時刻，將伸出時刻設定為驅動搖桿旋轉至右極限位置前0.4 s。該參數組合下夾持點運動軌跡如圖9所示。

圖9 優選參數下夾持點運動軌跡及氣缸執行時刻

測得秧苗莖稈在拔苗段的最大橫向位移為 9.6 mm，累計橫向位移為0 mm，理論提升高度為 44 mm。在各氣缸動作時刻方面，將苗夾通氣夾持時刻設定在b，斷氣松夾時刻設定在e，該位置下瞬時速度方向接近豎直；苗夾橫向位移氣缸在夾苗狀態下的伸出通氣時刻設定在f，到達g位置時完成橫向擴張位移，空載狀態下的收縮通氣時刻設定在h，到達i位置時完成橫向收攏移動，以達到1.3節所提出的交替取投苗機構運動軌跡要求。

3.4 結構設計

自動供苗裝置如圖10所示，其主要由兩側秧盤輸送機構、交替自動取投苗機構、分批落苗機構以及安裝機架等組成。兩側秧苗輸送機構負責秧盤供給，限定秧盤沿既定滑槽路線移動，按預設移栽機前進方向分為前側和后側，其中后側安裝有電機等驅動裝置。分批落苗機構位于裝置正中間位置，接住交替取投苗機構投放的整排秧苗后，以相同時間間隔將其落入下方植苗溝槽或栽植裝置中，具體原理可參考圖1b。

圖10 自動供苗裝置結構示意圖

交替自動取投苗機構參照圖1進行設計。氣動苗夾總成是該裝置的關鍵部件，需要在作業過程中進行秧苗夾取與投放、橫向位移破壞秧苗交錯，同時其通過拔苗旋轉中心軸安裝在水平連桿上，可通過拔苗氣缸的伸縮實現轉動拔苗。為提高秧苗夾持穩定性，減少夾持過程中苗夾對秧苗莖稈的損傷[21]，基于EPSMC-MINI-E型氣動機械手對其進行設計，如圖11所示。該總成氣動機械手通過輔助夾持塊對秧苗莖稈進行夾持，輔助夾持塊上粘貼有柔性夾持材料，用于增加與秧苗莖稈之間的摩擦力，減少夾持損傷。機械手通過安裝板安裝在直線導軌滑塊上，且整排氣動苗夾之間通過棉線互相連接，可在橫向位移氣缸的牽引下沿直線導軌移動。

圖11 氣動苗夾總成結構示意圖

4 樣機取投苗性能試驗

4.1 樣機研制與育苗

樣機如圖12所示，外形尺寸(長×寬×高，不含空氣壓縮機和電器控制元件安裝板)989 mm×429 mm×450 mm，使用24 V直流電源驅動電機、空氣壓縮機以及氣動控制系統工作。

圖12 自動供苗裝置樣機

氣動元件驅動系統如圖13所示，圖中AS為氣源，RV為減壓閥，EV為電磁閥，TV為節流閥，LMJ為前側苗夾，LD為前側頂苗氣缸，LH為前側橫向位移氣缸，RMJ為后側苗夾，RD為后側頂苗氣缸，RH為后側橫向位移氣缸，BM為拔苗驅動氣缸。氣源輸出的高壓空氣由氣動調壓閥調控后輸送至各處氣動元件。氣動苗夾均由兩位三通閥控制，苗夾夾持力大小由氣動減壓閥調節氣壓控制。氣缸均由二位五通電磁閥控制，運行速度通過節流閥進行調節，調節后氣缸運行平穩，行程末端無沖擊現象。

圖13 氣動元件連接圖

試驗用興蔬215辣椒秧苗在湖南農業大學周邊大棚進行培育，育苗時間2022年6月5日至7月20日，苗齡45 d。育苗基質采用袋裝營養土，主要成分為椰糠、泥炭、珍珠巖。隨機取40株秧苗進行物料學特性試驗，測得秧苗平均高度(不包含缽體)104.3 mm，平均最大葉展幅度82.8 mm，平均質量9.3 g。

4.2 試驗方案與評價指標

參考JB/T 10291—2013《旱地栽植機械》，高速移栽機栽植頻率大于或等于90株/(min·行)，結合實際栽植需求，分別選取70、80、90、100、110、120株/(min·行)為目標栽植頻率T，分組進行取投苗性能試驗，單次試驗從兩邊各取1行秧苗，共計20株，每組進行3次。通過調整電機轉速來改變取投苗速率，轉速測量儀器為TA8146A型非接觸式光電轉速計，最低測量轉速2.5 r/min，分辨率0.1 r/min。試驗過程如圖14所示。

圖14 交替取投苗機構取投苗試驗

試驗選取取苗成功率Y1、投苗成功率Y2、總體成功率Y3為取投苗性能評價指標。取苗成功率用于衡量機構取苗性能，投苗成功率用于衡量機構對已成功夾取秧苗的投苗作業性能，總體成功率則用于衡量機構取投苗作業性能。取苗、投苗分開計算的目的是后期判斷栽植頻率對各作業階段的影響。

Y1=n2/n1×100%

(27)

Y2=n3/n2×100%

(28)

Y3=n3/n1×100%

(29)

式中n1——單組試驗用缽苗總數，株

n2——取苗成功株數，株

n3——投苗成功株數，株

4.3 試驗結果與分析

取投苗性能試驗結果如表2所示。

表2 取投苗試驗結果

試驗結果表明：

(1)在T≤100株/(min·行)情況下取苗效果穩定，基質損失較小，失敗的主要原因是秧苗莖稈偏離秧盤穴中心位置較大，脫離苗爪捕捉范圍。T>100株/(min·行)時取苗成功率開始下降，失敗的主要原因是受機構急回特性影響機架變形，苗夾與取苗位置發生偏移。

(2)在T≤110株/(min·行)情況下投苗效果穩定，失敗的主要原因是秧苗下落過程中葉片被苗夾卡住。T>110株/(min·行)時投苗成功率開始下降，該階段投苗失敗的主要原因是取苗過程中夾持效果較差，移動過程中秧苗提前掉落。

(3)T≤100株/(min·行)情況下總體成功率大于85%，處于可靠工作狀態，T>100株/(min·行)后總體成功率明顯下降，該取投苗方案不再可靠。

5 結論

(1)基于頂出-夾取結合式取苗方式，設計了一種基于可彎曲秧盤的交替取投苗機構，分析了工作原理，建立了關鍵點運動學模型和取苗過程力學模型。

(2)對樣機進行了設計和虛擬裝配，分析了機構結構參數和作業參數對夾持點運動軌跡的影響，確定了關鍵參數取值：驅動曲柄轉速10 r/min，取投苗搖桿長度為309 mm，拔苗驅動氣缸運行速度 25 mm/s，0.8 s完成拔苗，伸出時刻為提前0.4 s。該參數組合下秧苗夾持點在拔苗段最大橫向位移為9.6 mm，累計橫向位移為0 mm，理論提升高度為 44 mm，滿足取投苗作業理論要求。

(3)設計了氣動系統并研制了樣機。開展了多取苗頻率下的取投苗性能試驗，試驗結果表明，該取投苗機構在取苗效率100株/(min·行)時可達到取苗成功率93%，投苗成功率95%，總體成功率88%，驗證了方案可行性。