余東滿等

摘要：棉苗的移栽能夠帶來(lái)苗壯、苗齊、成活率高等優(yōu)點(diǎn)。開(kāi)發(fā)出移栽機(jī)能夠大幅提高作物產(chǎn)量與質(zhì)量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度大。本研究設(shè)計(jì)的棉花移栽機(jī)主要由主體、支撐架、投苗機(jī)構(gòu)、秧苗架、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、栽苗器、地輪和傳動(dòng)系統(tǒng)等部件組成。栽苗器的總成包含牽引臂、擋板、圓盤、偏心輪、凸輪、連桿機(jī)構(gòu)、鴨嘴和彈簧等部件。地輪的運(yùn)動(dòng)通過(guò)水平的錐齒輪傳遞到豎直的錐齒輪軸，帶動(dòng)投苗圓盤的圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，完成投苗動(dòng)作。試驗(yàn)結(jié)果表明，棉花移栽機(jī)可以實(shí)現(xiàn)棉花移栽。把取苗時(shí)機(jī)選為λ>1時(shí)，秧苗與穴坑土壤接觸時(shí)鴨嘴體的張開(kāi)幅度最大，適宜投放秧苗。

關(guān)鍵詞：棉花；移栽機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)軌跡

中圖分類號(hào)： S223.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）02-0387-02

收稿日期：2014-04-08

基金項(xiàng)目：河南省科技攻關(guān)重點(diǎn)支持計(jì)劃（編號(hào)：112102210207）；河南省青年骨干教師資助計(jì)劃（編號(hào)：2012GGJS-248）。

作者簡(jiǎn)介：余東滿（1977—），男，河南鄧州人，博士，副教授、機(jī)械工程師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備設(shè)計(jì)研究。E-mail：yudongman@126.com。棉花是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的重要農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略物資。棉花幼苗的移栽能夠帶來(lái)苗壯、苗齊、成活率高等優(yōu)點(diǎn)，大幅提高棉花產(chǎn)量和質(zhì)量。國(guó)內(nèi)農(nóng)機(jī)部門已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多種類型的棉花移栽機(jī)，但目前還沒(méi)有建立棉花移栽機(jī)的統(tǒng)一分類標(biāo)準(zhǔn)，業(yè)內(nèi)將其劃分為3類：（1）按秧苗的栽培方式，可劃分成裸苗移栽機(jī)與缽苗移栽機(jī)；（2）按自動(dòng)化程度，可劃分成手動(dòng)移栽機(jī)、半自動(dòng)移栽機(jī)和全自動(dòng)移栽機(jī)；（3）按栽植器的機(jī)械機(jī)構(gòu)，可劃分為鉗夾式移栽機(jī)、吊籃式移栽機(jī)、撓性圓盤式移栽機(jī)、導(dǎo)苗管式移栽機(jī)和鴨嘴式移栽機(jī)[1-3]。受地理位置、地形特點(diǎn)、土壤類型、氣候特征等各項(xiàng)條件的不同，各類棉花移栽機(jī)推廣均有難度。2011年，在河南省農(nóng)業(yè)廳棉花辦的資金支持下，河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院與南陽(yáng)市利民農(nóng)機(jī)開(kāi)發(fā)有限公司聯(lián)合攻關(guān)，研發(fā)制造了適用于河南區(qū)域棉花種植要求的新型棉花移栽機(jī)。對(duì)新型棉花移栽機(jī)的關(guān)鍵部件，配苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行了深入分析[1-2]，新型棉花移栽機(jī)的盤式配苗機(jī)構(gòu)取得國(guó)家專利，授權(quán)號(hào)為201120453652.2。2013年，我們根據(jù)南陽(yáng)市使用棉花移栽機(jī)棉農(nóng)的反饋意見(jiàn)，進(jìn)一步對(duì)移栽機(jī)的結(jié)構(gòu)做出較大改進(jìn)，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)棉花移栽機(jī)“零速”投苗的要求，研究了栽苗器的運(yùn)動(dòng)軌跡。。

1棉花移栽機(jī)結(jié)構(gòu)要求與投苗方式

棉花移栽機(jī)的動(dòng)力選用了華中地區(qū)農(nóng)村廣泛使用的小四輪拖拉機(jī)。棉花移栽機(jī)的設(shè)計(jì)既要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，又要求工作過(guò)程平穩(wěn)可靠，移栽效率高[2]。具體的設(shè)計(jì)要求如下：（1）整機(jī)的操作性好，結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)單，操作人員無(wú)需復(fù)雜培訓(xùn)，即能上手操作。（2）移栽后的棉花苗體保持直立，秧苗損傷率低，株距與深度可調(diào)。土壤適應(yīng)性好，小巧靈活，適宜在中小的黃土地作業(yè)，移栽速度快。為了保持投放到穴坑中的棉花幼苗處于直立狀態(tài)，運(yùn)用了“零速”投苗方式。

2棉花移栽機(jī)基本結(jié)構(gòu)

棉花移栽機(jī)是一套組合式裝備，一般包含動(dòng)力機(jī)構(gòu)、苗盤機(jī)構(gòu)、喂苗機(jī)構(gòu)、秧苗傳送機(jī)構(gòu)等[3-5]。本研究設(shè)計(jì)的棉花移栽機(jī)主要由主體、支撐架、投苗機(jī)構(gòu)、秧苗架、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、栽苗器、地輪和傳動(dòng)系統(tǒng)等部件組成（圖1）。小四輪拖拉機(jī)帶動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)前進(jìn)，依靠地輪以及鏈輪傳遞動(dòng)力，偏心裝置的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)移栽器做圓周式運(yùn)動(dòng)。通過(guò)人工配苗的方式將秧苗喂入，棉花苗體放入配苗盤后，移栽器在接近運(yùn)動(dòng)的最低點(diǎn)位置打開(kāi)，就能完成秧苗的種植。機(jī)架采用方形框架，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。該機(jī)作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)帶動(dòng)移栽機(jī)前行，地輪與地面接觸滾動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)力，通過(guò)鏈傳動(dòng)，按一定的傳動(dòng)比關(guān)系，分別將地輪動(dòng)力傳遞給投苗機(jī)構(gòu)和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)定距挖穴、準(zhǔn)確投苗、秧苗栽植、澆水等功能。

牽引架總成由懸掛橫梁、懸掛與拖拉機(jī)連接機(jī)構(gòu)、地輪總成與懸梁連接機(jī)構(gòu)、移栽器總成和懸梁連接機(jī)構(gòu)組成，其各部分零件均與懸掛橫梁通過(guò)U型螺栓固定。地輪總成由地輪、地輪軸和地輪機(jī)架組成。地輪軸端有鏈輪進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)，通過(guò)改變地輪上的鏈輪齒數(shù)，即可改變移栽機(jī)傳動(dòng)比，從而改變株距。地輪機(jī)架上端為移栽深度調(diào)節(jié)裝置，其主要部分為絲杠，通過(guò)旋轉(zhuǎn)絲杠可以改變懸掛橫梁與地面的相對(duì)高度，從而改變移栽器與地面的相對(duì)高度。

3栽苗器運(yùn)動(dòng)軌跡分析

秧苗移栽機(jī)的核心是栽苗機(jī)構(gòu)，即栽苗器。栽苗器的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)與工作方式最能反映移栽機(jī)的工作過(guò)程。棉花移栽機(jī)的栽苗器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

作業(yè)過(guò)程中，拖拉機(jī)與移栽機(jī)的牽引支架相連，在拖車動(dòng)力的作用下向前方做直線運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，投苗圓盤隨著圓盤主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而做周向運(yùn)轉(zhuǎn)。投苗圓盤的組成分別是偏心圓盤和主動(dòng)圓盤，二者以相同的角速度同步轉(zhuǎn)動(dòng)。曲柄連接主動(dòng)圓盤與偏心圓盤，形成一個(gè)曲柄連桿動(dòng)力機(jī)構(gòu)。吊籃與曲柄以鉸接形式相連，因此在運(yùn)動(dòng)過(guò)程，吊籃能夠處于近似垂直狀態(tài)。當(dāng)?shù)趸@移動(dòng)到上部正中位置時(shí)，工作人員將秧苗投放到吊籃中間，吊籃移動(dòng)到接近地面水平位置時(shí)，鴨嘴形狀的機(jī)構(gòu)在凸輪外力的作用下打開(kāi)。吊籃處于最低位置時(shí)，鴨嘴機(jī)構(gòu)的張開(kāi)幅度最大，秧苗在重力作用下掉入穴坑中。吊籃在牽引力的作用下繼續(xù)移動(dòng)，即將離開(kāi)土壤時(shí)，鴨嘴機(jī)構(gòu)保持開(kāi)口狀態(tài)，秧苗與鴨嘴機(jī)構(gòu)完全分離。鴨嘴體在凸輪壓力和彈簧繃緊力作用下，緩慢合緊。吊籃運(yùn)動(dòng)到牽引支部位時(shí)，鴨嘴體完全合緊。當(dāng)?shù)跛{(lán)重新移動(dòng)到正上方空間時(shí)，操作人員將秧苗投入，完成移栽過(guò)程的操作。

圖3是吊籃的運(yùn)動(dòng)特征和軌跡圖。吊籃的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由兩部分組成，分別是吊籃在拖拉機(jī)牽引力作用下的直線運(yùn)動(dòng)和吊籃圍繞旋轉(zhuǎn)中心的圓周運(yùn)動(dòng)。將圓盤的中心設(shè)置為系統(tǒng)原點(diǎn)，水平運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樽鴺?biāo)系x軸，垂直運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樽鴺?biāo)系y軸，建立吊籃運(yùn)動(dòng)過(guò)程的方程。

x=v車t+R盤cos（ωt）（1）

y=-R盤sin（ωt）（2）

其中，參數(shù)v車是拖拉機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度，R盤是吊籃的旋轉(zhuǎn)半徑，ω是吊籃旋轉(zhuǎn)的角速度。endprint

將上述的（1）式和（2）式分別對(duì)時(shí)間求一階導(dǎo)數(shù)，能夠獲得吊籃的運(yùn)動(dòng)參數(shù)方程。

vx=v車-R盤ωsin（ωt）（3）

vy=-R盤ωcos（ωt）（4）

令λ=R盤ω/V車，則吊籃的運(yùn)動(dòng)軌跡受λ取值影響。

如圖3所示，當(dāng)λ>1時(shí)，吊籃的運(yùn)動(dòng)沿軌跡Ⅰ；當(dāng)λ=1時(shí)，吊籃的運(yùn)動(dòng)沿軌跡Ⅱ；當(dāng)λ<1時(shí)，吊籃的運(yùn)動(dòng)沿軌跡Ⅲ。

按照“零速投苗”原理[5]，即秧苗植入穴坑后，應(yīng)當(dāng)保持垂直狀態(tài)，此時(shí)，苗根要在水平方向上的移動(dòng)速度降為零。當(dāng)λ=1時(shí)，秧苗根部在與土壤接觸處，應(yīng)與土壤保持近似靜止，相對(duì)速度接近于零，這個(gè)時(shí)候栽植的幼苗直立度最好。但實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，在λ=1時(shí)，C點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)的最低點(diǎn)，吊籃的鴨嘴體投放秧苗后，鴨嘴體與苗體沒(méi)有未完全分離，因此λ=1并不是最優(yōu)選擇的投苗時(shí)機(jī)。

在實(shí)際操作中，應(yīng)該把取苗時(shí)機(jī)選為λ>1時(shí)。從圖3中看出，A點(diǎn)處吊籃的鴨嘴體處于打開(kāi)狀態(tài)，秧苗與穴坑土壤接觸時(shí)鴨嘴體的張開(kāi)幅度最大，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)，秧苗沒(méi)有從吊籃的鴨嘴體處分離，到達(dá)B點(diǎn)處后秧苗與吊籃的鴨嘴體完全分離，然后鴨嘴體在外力作用下緩慢合緊。

4棉花移栽機(jī)技術(shù)參數(shù)

移栽機(jī)研制后，在河南省南陽(yáng)市紅泥灣鎮(zhèn)進(jìn)行了移栽試驗(yàn)，結(jié)果表明，棉花移栽機(jī)技術(shù)參數(shù)為機(jī)車動(dòng)力13～20 kW，株距30～39 cm，行距40～80 cm，深度3～8 cm，單株注水量 0.2～0.8 kg。該裝置可以實(shí)現(xiàn)棉花移栽，移栽過(guò)程中，能夠完成挖土、移栽、澆水和壓土等多項(xiàng)作業(yè)，種植均勻、深度和株距可調(diào)、種植效率高。

5結(jié)論

棉花移栽機(jī)主要由主體、支撐架、投苗機(jī)構(gòu)、秧苗架、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、栽苗器、地輪和傳動(dòng)系統(tǒng)等部件組成。移栽器整體安裝在牽引臂上，隨著地輪及主機(jī)向前運(yùn)動(dòng)。地輪的運(yùn)動(dòng)通過(guò)水平的錐齒輪傳遞到豎直的錐齒輪軸，帶動(dòng)投苗圓盤的圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，完成投苗動(dòng)作。移栽器的總成包含牽引臂、擋板、圓盤、偏心輪、凸輪、連桿機(jī)構(gòu)、鴨嘴和彈簧等部件。試驗(yàn)結(jié)果表明，把取苗時(shí)機(jī)選為λ>1時(shí)，秧苗與穴坑土壤接觸時(shí)鴨嘴體的張開(kāi)幅度最大，適宜投放秧苗。本試驗(yàn)研制的棉花移栽機(jī)可以實(shí)現(xiàn)棉花移栽。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊民，王笛，郭成獻(xiàn). 新型棉花移栽機(jī)的配苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（33）：20923-20924.

[2]劉家平，王笛. 曲柄搖桿式移栽機(jī)的研制[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，39（30）：15041-15042.

[3]張為政，王君玲，張祖立. 懸杯式蔬菜移栽機(jī)的設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2011，33（8）：104-106.

[4]李志鑫. 棉花移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)的分析，設(shè)計(jì)[D]. 石河子：石河子大學(xué)，2004.

[5]王君玲. 蔬菜栽植機(jī)栽植機(jī)理分析及試驗(yàn)研究[D]. 沈陽(yáng)：沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.劉錦濤，黃萬(wàn)勇，楊士紅，等. 加氣灌溉模式下稻田土壤水溶解氧的變化規(guī)律[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（2）：389-392.endprint