移栽机自动升降底盘设计与试验研究

胡建平, 王留柱, 付鹏洋, 黄 磊

(江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江 212013)



移栽机自动升降底盘设计与试验研究

胡建平, 王留柱, 付鹏洋, 黄 磊

(江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江 212013)

针对旱地移栽机插深一致的需要，设计了一种基于双四杆机构的移栽机自动升降仿形底盘，包括底盘机架、导向轮、驱动轮、仿形机构、升降机构和液压控制回路等。对双四杆底盘升降机构进行理论分析，建立了底盘升降高度与液压缸伸缩量之间的数学模型。用SolidWorks建立了该移栽机升降底盘的虚拟样机模型，并将虚拟样机模型导入ADAMS中，基于ADAMS/Hydraulics建立了移栽机自动升降底盘的机液联合仿真模型，进行机液联合仿真分析，得到了底盘高度、液压缸受力等相关参数变化。仿真结果验证了理论分析了的正确性，表明所设计的底盘升降机构和液压回路能够满足工作需求。以自制的2ZXW-2型穴盘苗自动移栽机为试验对象，以底盘和垄面间距稳定性及钵苗栽植深度均匀性作为评价指标，对样机仿形作业性能进行试验研究。试验结果表明：作业中底盘和垄面的间距能够基本保持稳定，钵苗栽植深度合格率为98%，栽植深度变异系数0.036，自动升降仿形底盘满足设计要求，很好地保证了钵苗栽植深度的均匀性。

移栽机；自动升降；底盘设计；仿真分析； 试验研究

0 引言

移栽作为一种栽培技术，具有对气候的补偿作用和使作物生育提早的综合效益,可充分利用光热资源,延长作物生长时间，提高作物产量，其经济效益十分可观[1-2]。移栽机底盘作为移栽机的载体,要完成在田间的行走、转向、离合、高度调节等系列动作,其结构设计必须符合作物移栽的相关农艺要求。

目前，国内自主研制的移栽机底盘大多采用手动式升降结构，地面凹凸不平时不能实时调节底盘与垄面的距离，影响钵苗栽植深度的均匀性，不能满足垄上栽植的要求。孙松林、王金葵对垄高自适应烟叶移栽机的底盘进行了设计与研究，设计了一种自动导向仿形烟苗移栽机底盘[3]；王德成、赵建柱设计了一种农用仿形履带式动力底盘，并对履带仿形底盘进行了理论分析和试验验证[4]。但上述底盘都有一定的使用局限性。

本文针对现有移栽机底盘不能实时调节栽植平台与地面的相对高度的问题，设计出一种自动升降仿形底盘。该底盘能够实现自动升降和仿形功能，作业中可根据地面的高低变化实时调节底盘和垄面的间距，以保证栽植深度的均匀性，提高钵苗的栽植质量。

1 自动升降仿形底盘结构设计和工作原理

1.1 自动升降仿形底盘结构设计

1.1.1 自动升降仿形底盘组成

如图1所示，升降底盘由机架、前轮、后轮、地面仿形轮、升降机构和液压系统等组成。升降机构对称布置在机架两侧，由液压缸推动前轮、后轮上的支杆绕轮心转动，以实现底盘的自动升降[5-7]。

1.地面仿形轮 2.后轮 3.后支杆 4.升降机构 5.前轮 6.前支杆 7.液压缸 8.机架 9.液压系统图1 底盘结构简图Fig.1 The schematic diagram of the chassis

1.1.2 底盘升降机构设计

底盘升降机构由3个四连杆机构ACBG、CIHG和CDFE组成，如图2所示。

图2 底盘升降机构设计简图Fig.2 Chassis lifting mechanism design diagram

(1)

(2)

(3)

(4)

t时刻，C点的坐标为(mcos(α+Δα),msin(α+Δα))，G点坐标为(l+ncos(β+Δβ),R1+nsin(β+Δβ))，可以得出

h0+Δh=R1+nsin(β+Δβ)

(5)

Δh=nsin(β+Δβ)-nsinβ

(6)

为了实现底盘的平行升降，将四杆机构ACGB和CIHG设计为平行四边行机构，则

(7)

因为CI和GH相等，AC和BG相等，从而α和β相等。在平行四连杆机构ACGB杆长和G点的离地高度h0确定以后，α和β也是确定的，即

(8)

在l0、l2、l3、l4、l5及θ4和油缸的安装位置E点给定以后，θ1和θ2也是确定的，且根据平行四边形机构原理Δγ、Δβ、Δα三者是相等的，则

(9)

设计时，根据整机尺寸、底盘高度及钵苗移栽的农艺要求，选取前后轮半径R1=180mm、R2=225mm，前后轮距l=625mm，前、后支杆长度取600mm。G点初始离地高度h0为400mm时，由式(7)、式(8)计算得到l5=k=626.62mm，α=β=21.51°。取l0=110mm，l1=350mm，l2=310mm，l3=l4=100mm，设计底盘升降高度Δh为150mm，由式(9)计算得到油缸活塞杆的伸缩量Δl1为64.45mm，该计算结果为选取液压油缸行程提供了科学依据。

1.2 底盘液压系统设计原理

1.2.1 液压回路设计

液压系统回路由液压泵、三位三通换向阀、液压缸及溢流阀等组成，如图3所示。换向阀处于左位时，油口P和A接通，液压泵供油进入液压缸左腔，活塞在压力油压力的作用下向右运动，通过活塞杆带动升降机构实现整个底盘的提升；换向阀处于右位工作时，油口A和T接通，由于机体自身重力的作用，活塞左移，液压缸左腔的压力油在活塞推力的作用下回到油箱，升降机构下降。

1.油箱 2.溢流阀 3.三位三通换向阀 4.液压缸 5.液压泵图3 液压控制回路简图Fig.3 The schematic diagram of hydraulic control circuit

1.2.2 自动升降仿形底盘工作原理

移栽机工作时，由仿形机构感知垄面的高低变化，把采集到的信号传递到液压控制回路，液压控制回路中的方向阀根据采集到的信号实时地调节液压油的流通方向；液压油推动液压缸伸缩，通过液压缸的伸缩带动升降机构升降，从而自动调节底盘离地间隙，以保证移栽平台和垄面有一个相对稳定的高度，提高秧苗栽植深度的均匀性，保证栽植效果。

2 自动升降底盘机液联合仿真分析

2.1 虚拟样机底盘模型的建立

根据升降底盘的设计参数，在SolidWorks中建立自动升降底盘的三维零部件模型与装配模型，把建立的三维模型导入到动力学仿真软件ADAMS中[8-10]。根据底盘的升降运动要求,在各部件之间添加固定副、旋转副、滑移副和接触等约束。为了仿真结果更接近实际情况，需要在机架上添加载荷，以模拟整机升降过程中底盘所要承载的质量，所以在虚拟样机的机架上添加1 500N的单向固定力来模拟底盘所承受的载荷。ADAMS中建立完成底盘的虚拟样机模型如图4所示。

图4 底盘虚拟样机模型Fig.4 The chassis virtual prototype model

2.2 液压系统模型的建立

在ADAMS/Hydraulic环境下建立液压回路，主要包括环境参数设置、创建工作介质、油箱、压力泵、换向阀及液压缸等。液压元件建立完成后，利用Hydraulic的Connect功能依次将各元件按所设计液压回路连接起来，并将液压回路虚拟连接到机械模型上，建立的液压系统模型如图5所示。

图5 液压回路模型图Fig.5 The model of hydraulic circuit

液压回路中, 换向阀采用STEP函数控制：STEP(time，0.0，0.0，0.3，0.1)+STEP(time，0.7，0.0，1.3，-0.2)+STEP(time，1.7，0.0，2.0，0.1)，控制压力油流动方向,从而驱动机械系统完成预定动作。控制函数如图6所示。

图6 换向阀控制函数曲线Fig.6 The control function curve of the reversing valve

2.3 机液联合仿真分析

上述设置完成后，进入仿真对话框，设定仿真时间为 4s(两个完整升降周期)，步数为500，进行仿真分析。仿真结束后，进入后处理模块加载所需曲线，底盘前支杆G点位移曲线和液压缸驱动力变化曲线如图7和图8所示。

图7 前支杆G点位移曲线Fig.7 The displacement curve of the front strut G point

图8 液压缸驱动力变化曲线Fig.8 The curve of driving force change about the hydraulic cylinder

由图7可知：当液压缸活塞伸长65mm时，前支杆G点位移升高152mm，与理论设计计算相符。这说明底盘升降高度满足要求，验证了参数选择和机构设计的正确性和合理性。

由图8可知：底盘升降过程中驱动力最大为3 550N，该结果可为液压元件的选择及后续机液联合仿真提供参考。底盘前支杆G点位移曲线和液压缸驱动力变化曲线与换向阀控制函数曲线趋势一致，表明换向阀实现了控制液压缸运动换向的目的，且设计的底盘升降机构和液压控制回路能够满足运动要求。

3 试验分析

为了验证升降仿形底盘结构设计的合理性，以自制的2ZXW-2型穴盘苗自动移栽机为研究对象，对自动升降仿形底盘的作业性能以及该底盘对钵苗栽植深度均匀性的影响等方面进行试验研究，试验分为测距试验和栽植试验[11-12]，样机底盘和垄面间距检测如图9所示。

1.试验样机 2.超声波传感器 3.计算机 4.微机电源 5.数据采集分析系统图9 样机底盘和垄面间距检测试验Fig.9 The prototype chassis and ridge surface spacing test

3.1 试验装置及试验条件

试验是在江苏大学农业工程研究院的土槽上进行的，试验土垄是经过除草、起垄的旱地，垄高为120～160mm，旨在对所设计底盘仿形机构的仿形工作性能进行试验研究。为了更直观地展现仿形机构的仿形效果，在起好的垄面上设置4个凹坑作为参考点，在0.3m/s栽植速度下测量底盘和垄面的实时间距。采用苗龄为20天的黄瓜苗作为试验秧苗，单人操作试验样机，以30株/min的栽植速度进行作业,连续移栽90株后对相关数据进行统计计算。每10株/min为一组，共分成9组，选取其中5组对栽植深度进行统计分析。

3.2 栽植质量评价标准

试验中以底盘和垄面间距稳定性及钵苗栽植深度均匀性作为评价指标。对于底盘和垄面间距稳定性，试验通过超声波传感器实时测量底盘和垄面的间距H。钵苗栽植深度均匀性可用栽植深度的变异系数CV来表示, 其计算公式为

(10)

3.3 试验结果与分析

图10表示样机在0.3m/s栽植速度下，移栽作业过程中，仿形机构工作时底盘和垄面间距的变化情况。从垄高曲线可以看出：垄高在80～160mm之间变化，垄上设置有4个凹坑。从底盘和垄面间距曲线可以看出，二者间距值在140～165mm之间变化，波动比较平稳。对比垄高曲线和间距曲线，可以发现在土垄凹坑位置，间距曲线有向上波动的趋势，这说明仿形机构存在一定的滞后性。

图10 仿形机构对底盘和垄面间距的影响Fig.10 The influence of profiling mechanism about the chassis and the

ridge surface spacing

表1栽植试验结果表明：栽植深度合格率为98%，栽植深度变异系数0.036。结果表明：所设计的自动升降仿形系统能很好地保证了钵苗栽植深度的均匀性。

表1 钵苗栽植试验统计表Table 1 The statistics of seedling planting experiment

4 结论

1)设计了一种新型移栽机自动升降仿形底盘，该底盘由机架、导向轮、驱动轮、仿形机构、升降连杆机构和液压控制回路等组成。同时，介绍了底盘升降结构的设计过程和工作原理，建立了底盘升降高度与液压缸伸缩量之间的数学模型。

2)建立了自动升降底盘的虚拟样机模型，并将虚拟样机模型导入到ADAMS中进行仿真分析，当液压缸活塞伸长65mm时，前支杆G点位移升高152mm，与理论设计计算相符。说明底盘升降高度满足要求，验证了参数选择和机构设计的正确性和合理性，且设计的液压回路能够满足工作需求。

3)对自动升降仿形底盘进行了试验研究，选取底盘和垄面间距稳定性及钵苗栽植深度均匀性作为评价标准。试验得到栽植深度合格率为98%，栽植深度变异系数0.036，表明所设计的自动升降仿形底盘能够保证作业过程中底盘和垄面间距的稳定性和插深的一致性，满足设计要求。

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Transplanting Machine Automatic Lifting Chassis Design and Simulation Analysis

Hu Jianping, Wang Liuzhu，Fu Pengyang，Huang Lei

(Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology，Ministry of Education，Jiangsu University, Zhenjiang 212013，China)

In this paper, in accordance with the planting need of transplanting machine inserted deep consistent, we design a transplanting machine automatically lifting profile chassis based on double four-bar linkage mechanism, including chassis frame, guide wheel, driving wheel, profiling mechanism, lifting mechanism and hydraulic control circuit and so on. Theoretical analysis was carried out on the double four-bar chassis lifting mechanism. We established the virtual prototype model of the transplanting machine lift chassis by modeling software SolidWorks, and imported the virtual prototype model into rigid motion simulation software ADAMS to carry out the kinematics simulation analysis. We established the hydraulic circuit in the environment of ADAMS/Hydraulics, and connected to the mechanical system virtually, then we took simulation analysis on mechanical-hydraulic system. We obtained the chassis height, hydraulic cylinder force and relevant parameters, the simulation results verify the correctness of theoretical analysis of the lifting mechanism show that the design of the chassis and hydraulic circuit can meet the job requirements. We took the home-made 2ZXW-2 plug seedling automatic transplantingmachine as the experimental object. We used ultrasonic sensor, data acquisition analyzer testequipment, etc. to research the profiling performance of the profiling mechanism in the process of working. We select the stability of the spacing between the chassis andthe ridge surface and the uniformity of seedling planting depth as the evaluation index of profiling work performance.The distance measurement test result shows that the spacing between the chassis and the ridge surface can keep stable.Planting experiment shows that percent of pass about plugseedling planting depth is 98% and the variation coefficient of planting depth is small.Results show that the automatic lifting and profiling system can meet the design requirements and good to ensure the uniformity of plug seedling planting depth.

transplanting machine; automatic lifting; chassis design; simulation analysis; experimental study

2016-02-27

“十二五”国家科技支撑计划项目(2013BAD08B03)；江苏省科技支撑计划项目(BE2014373)；江苏省农业科技自主创新资金项目(CX(15)1033-5)；江苏省协同创新资金项目(NZXT02201402)

胡建平(1964-)，男，江苏镇江人，教授，博士生导师，(E-mail)hujp@ujs.edu.cn。

S223.92

A

1003-188X(2017)03-0074-05