葛 鹏，韩长杰，张 静，夏广宝，刘希光

(新疆农业大学 机电工程学院，乌鲁木齐 830052)

0 引言

传统钵苗移栽的打穴方式主要以被动冲压式为主，常见的结构主要为偏心盘式鸭嘴栽植器，优点是可在膜上直接打穴移栽、不易伤苗、运动简单，能适应多种钵苗作物的移栽作业要求，已逐渐成为膜上移栽的主要机型[1]；但是对西瓜、甜瓜等秧苗的移栽[2-3]，要求株距在740～760mm范围内，传统的偏心盘式鸭嘴栽植器会产生明显的多边形效应，导致穴形不稳定及穴孔深度不一致，孔径变异系数达到16.1%[4]。针对被动冲压式打穴装置存在的问题，本文设计并制作了一种基于多杆式钻穴装置。其能够避免偏心盘式驱动装置的多边形效应[5]，由拖拉机牵引，钻穴器由电机驱动旋转，完成入土、取土、抛土和出土的主动钻穴动作，获得稳定穴形的孔。

1 整机结构与工作过程

钻穴装置包括轨迹生成机构和牵引机架：轨迹生成机构由曲柄摇杆机构和平行四杆机构组合构成，主要包括机架、连杆、摇杆、打穴臂、钻穴器及配重块等构件；牵引机架由悬挂梁、地轮总成及连接架构成，轨迹生成机构与牵引机架固连。整机结构如图1所示。

1.连接架 2.地轮机架 3.短连杆 4.多杆机构机架 5.上曲柄 6.同步链轮 7.同步链条 8.配重块 9.摆杆 10.下曲柄 11.长连杆 12.12V电动机 13.打穴臂 14.钻穴器 15.地轮 16.传动链条图1 钻穴装置整机结构示意图

当拖拉机以恒定速度前进时，地轮经过链传动驱动下曲柄匀速转动，下曲柄与上曲柄由同步链条实现同相位等速转动，打穴臂由曲柄摇杆机构驱动进行往复运动，并通过平行四杆机构保持与地面垂直[6]；钻穴器与打穴臂固连，在入土和出土时保持相对地面静止，并由12V电动机驱动旋转；入土时，钻头与回转叶片将土壤切碎，并通过叶片旋转将碎土从穴孔内取出，抛撒至穴孔周围，完成主动钻穴动作。

2 钻穴装置主要工作部件参数的确定

2.1 轨迹生成机构的空间约束

为避免钻穴机构作业时与地轮机架发生干涉、碰撞，需合理布置机构的空间结构与相对位置，其空间限制如图2所示。

L1为轨迹与地轮机架前梁间距，L2为摆杆到达极限位置时长连杆与地轮机架后梁间距，L3为四杆机构的极限长度，L4为地轮机架前后梁间距，L5为打穴臂与四杆机构机架间距，H1为连接长短连杆的部分打穴臂长度，H2为打穴臂延长部分的长度，H3为打穴深度，H4为机架距离地面高度。

图2 机构空间限位图

Fig.2 Institutional space limit

1)为钻孔器及电动机预留安装位置，不能与地轮机架干涉，要求L1>180mm,L5>180mm；为避免长连杆与地轮机架干涉，取L2>20mm；为避免曲柄摇杆机构运转时与地轮机架干涉，要求L1+L2+L3

2)本文针对不同农作物，播深取值范围为80～100mm。为使打穴臂轨迹能够满足播种深度H3，打穴臂最低点应当满足H1+H2>H3+H4，H1与H2成反比关系，H1与b成正比关系；为避免长连杆与机架干涉、打穴深度不满足条件等问题,保证L5>180mm，取b>600mm，L3>917mm，H3>360。

3)根据现有地轮机架尺寸，得到H4=1270mm，L4=580mm，并由四杆机构约束条件以及最小传动角[7]，得到

2.2 基于MatLab优化机构参数

本设计的四杆机构属于曲柄摇杆型，只有选取合适的尺寸参数才能使机构形成完整封闭的连杆曲线。为使钻穴器能够形成相对地面的滚摆线轨迹，根据四杆机构图解法[7]，初定图1中短连杆为400mm，摆杆长度为390mm，长连杆为800mm，上曲柄和下曲柄为150mm。

由于初设固定铰链C与点D轨迹的相对位置是四杆机构生成轨迹曲线的影响因素，利用惩罚函数法通过MatLab对机构参数进行优化[8]，四杆机构坐标系如图3所示。

图3 四杆机构坐标系

图3中，铰链E点为坐标系原点，A点坐标为(l4cosα，l4sinα)，C点坐标为(l1cosθ，l1sinθ)。

设B点坐标(Bx，By)，则

四杆机构D点坐标为

结合式(1)～式(3)，基于MatLab编程对模型进行优化，根据摆线轨迹形成原理[9]，得到理想轨迹与优化后D点轨迹的对比图及优化后的轨迹与初设轨迹对比图，如图4所示。

图4 四杆机构轨迹优化结果对比

当优化后的轨迹点图与初设的目标轨迹差异最小时，得到结果为：l1=644.95，θ=143.63；C点坐标xc=-519.36，yc=382.39，取整为(520,380)。

2.3 传动比的计算

钻穴装置以恒定速度前进，钻穴器的运动轨迹与曲柄摇杆机构中下曲柄的转速有关。根据农艺需求，设钻穴装置前进速度v1为800mm/s，对曲柄摇杆机构进行运动学仿真，得到不同转速时打穴器的轨迹对比，如图5所示。

图5 下曲柄不同转速的轨迹对比

由图5可知：当下曲柄转速100r/min时，钻穴器形成余摆线轨迹；当转速30r/min时，钻穴器形成短摆线轨迹，余摆线与短摆线会造成打穴器入土与出土的轨迹重合度不高，导致钻穴器在打穴时会产生相对地面位移，不利于穴形稳定。机构运动学仿真分析表明：当下曲柄转速为65r/min时，钻穴器形成滚摆线轨迹，入土与出土的重合度较高，此时得到孔距为755mm，可栽孔深为50mm。

2.4 钻穴器的结构参数

钻穴器(见图6)由锥形头与两片回转叶片构成，随打穴臂完成入土、出土的动作；由12V电动机驱动旋转，完成碎土、送土的主动钻穴动作。为保证回转叶片具有切削刀片具有良好的切土性能、足够的强度和冲击韧性，叶片的切土角为50°。考虑到钻穴器在打穴过程中只有下半部分入土及穴孔内壁土壤坍塌等因素，为保证穴深不小于50mm，最低穴径不小于85mm，取a2=125mm，取a1=110mm。图6中，a1为回转叶片半径，a2为锥形头长度。

图6 钻穴器的结构

2.5 地轮传动部件的参数

如图7所示，地轮通过地轮棘舌与轴孔的啮合传递转矩给地轮轴，通过压簧达到棘舌的限位作用，试验后发现棘舌与地轮轴凹槽的啮合效果不理想，会产生跳舌现象影响传动。本文设计一种异形齿，使异形齿与轴孔充分啮合，保证了地轮传动更加稳定、可靠。异形齿结构如图8所示。

1.地轮轴 2.地轮法兰盘 3.压簧 4.地轮棘舌

图8 异形齿结构示意图Fig.8 Structure of a profiled member

异形齿参数依照地轮轴的相关尺寸及相对位置而定，取代棘舌位置并与地轮轴啮合。图8中：S1=30mm，S2=4.8mm，S3=16mm，S4=35.2mm，R1=20mm，R2=35mm。为保证异形齿强度，取厚度为10mm。

3 田间钻穴试验

3.1 试验设计

田间钻穴试验于2017年9月在新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市新疆农业大学试验地进行。在试验钻穴前，为使土壤呈松软状态，人工将试验地翻松，去除石块残膜等杂物。试验地土壤类型为壤土，0～10cm土层的平均容重1.41g/cm3，平均含水率45.95%，土壤紧实度92.5kPa。

3.2 试验方法

牵引机架与拖拉机通过三点悬挂的方式挂接，拖拉机动力为29.4kW。作业时，打孔机构保持800mm/s速度前进，设置移栽理论株距为755mm，选取机组速度平稳阶段打出的孔作为测量样本。

试验依照国家标准中华人民共和国机械行业标准(JB/T 10291—2001)，测量孔距、孔径和孔深数据以合格率作为测试指标[10-11]，并计算相应的变异系数。

1)孔距合格率：设理论间距为Xr(mm)，测量相邻两孔的间距Xi(mm)，若0.8Xr

2)孔径合格率：设理论孔径为Dr(mm)，测量穴孔端面直径Di(mm)，若0.8Dr

3)孔深合格率：根据相关标准要求，穴孔的深度范围在理论打孔深度的±10mm内认为孔径合格，取理论穴孔深度为50mm。将合格孔径样本与样本总数的比值作为孔距合格率。孔深合格率、孔深的变异系数是对穴形均匀度的评价。

为保证试验精度，试验重复3次，结果取平均值，如表1、图9所示。

表1 钻穴装置测试结果

图9 整机钻穴效果

4 结果及分析

钻穴机构在实际工作中的平均孔距为761.5mm，与理论孔距755mm差距不大，孔距合格率在95%，孔距变异系数3.2%。根据机械行业标准(JB/T 10291—2001)中移栽机性能指标，孔距变异系数应当≤20%，试验值小于指标值，说明机构运行比较稳定，穴距差异不大，能够满足移栽需求。试验中发现，轨迹生成机构的连杆较重，往复运动中会产生较大惯性，打穴臂在上升过程中会对链条产生较大载荷，传动过程中抖动会造成打穴臂不能稳定形成理论摆线轨迹，造成了实际孔距数据与理论数据存在一定的偏差。因此，要在保证机构强度和功能不受影响情况下，减轻曲柄摇杆的质量，从而减小链条负载，保证打穴臂往复运动的稳定性和连续性。

试验测量得到平均孔深49.7mm、孔深合格率95.12%。根据相关标准，孔深变异系数应当≥75%，试验值大于指标值，平均孔深在40～60mm范围内，孔深变异系数5.1%，符合栽植要求。孔深的变异系数与机构的成穴轨迹有关，试验中拖拉机的牵引速度不能保持恒定。前文验证了拖拉机能够在平稳的水泥地面牵引地轮机架保持稳定的前进速度，试验中在凹凸不平的田地里地轮会产生打滑现象，导致了钻孔器的运动轨迹不稳定。因此，为保证装置能够生成稳定的运动轨迹，建议整平地面。

平均孔径为91.3mm、孔径合格率90.26%，基本满足穴盘苗栽植需求，孔径变异系数5.2%，孔径稳定性与钻孔器的转速有关。通过试验发现，高转速条件下的孔径变异系数小于低转速。李旭英[4]等将传统的鸭嘴式栽植器进行改良，试验结果平均孔径变异系数达到16.1%，高于本文所得到的试验结果，说明多杆式钻穴机构的穴形更稳定。试验中发现，孔径、孔深的变异系数与土壤湿度、钻穴器转速及有效工作时间有关。土壤湿度上升，土壤粘度随之提高，穴孔的内壁不易坍塌；低转速时成型的穴孔穴壁容易坍塌，导致各穴孔的穴径不一致，高转速条件下成型的穴孔则更加稳定；钻孔器的有效工作时间与运动轨迹有关，即钻孔器入土与出土的时间越久，成型效果越好。

5 结论

1)通过运动学分析和计算确定了钻穴装置的结构参数，在拖拉机前进速度为800mm/s、曲柄转速65r/min的情况下，钻穴器在打穴时能够保持相对地面静止，入土与出土时轨迹的重合度较高，电动机带动钻穴器完成碎土和抛土的主动钻穴动作。

2)基于MatLab对机构参数进行优化，得到摆杆长度为390mm，摆杆铰链相对下曲柄铰链坐标(520，380)；对地轮进行改良，避免了跳齿现象，使机构运行稳定。

3)研制的钻穴装置能够较好地完成钻穴工作。田间试验表明：孔距合格率95%，孔距变异系数3.2%，孔深合格率95.12%，孔深变异系数5.1%，孔径合格率90.26%，孔径变异系数为5.2%，符合相关标准。经过对比发现，试验结果的孔径变异系数5.2%，低于文献中所提的传统栽植器16.1%，说明多杆式钻穴装置的穴形更稳定、可行。