向 偉 吳明亮 官春云 賀一鳴 羅海峰 顏 波

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128； 2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長(zhǎng)沙 410128；3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128)

油菜缽體苗移栽栽植孔成型機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

向 偉1,2吳明亮1,2官春云2,3賀一鳴1,2羅海峰1,2顏 波1,2

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128； 2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長(zhǎng)沙 410128；3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128)

為實(shí)現(xiàn)打穴式移栽機(jī)高效成型滿足農(nóng)藝要求栽植孔，基于打孔移栽作業(yè)的工作特點(diǎn)，融合油菜移栽農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了一種純滾動(dòng)式油菜移栽栽植孔成型機(jī)。通過分析純滾動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)機(jī)理，研究成孔機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)方程，建立成型栽植孔的參數(shù)方程。采用Matlab軟件生成栽植孔理論輪廓線，并生成成型栽植孔的外形圖，運(yùn)用CATIA軟件進(jìn)行仿真分析得出成型栽植孔的輪廓曲線圖，并將上述圖形進(jìn)行擬合模擬，驗(yàn)證了成孔機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)的合理性。試制樣機(jī)，進(jìn)行田間試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)具以慢2擋工作狀態(tài)下前進(jìn)速度為1.80～1.96 km/h，作業(yè)效率達(dá)到0.306～0.333 hm2/h，在黏土、壤土和砂土3種土壤中試驗(yàn)，其成孔的平均合格率分別達(dá)到了94.4%、93.3%、90.4%，表明研制的成孔機(jī)能成型滿足設(shè)計(jì)要求的栽植孔。

油菜; 移栽; 栽植孔; 成孔機(jī)構(gòu)

引言

目前，全國(guó)油菜種植主要有直播和移栽2種模式，作為中國(guó)冬油菜主產(chǎn)區(qū)的長(zhǎng)江流域，其種植面積占全國(guó)總面積95%以上，仍采用油菜移栽種植模式，且現(xiàn)有的油菜移栽大多采用純手工勞動(dòng)作業(yè)，勞動(dòng)效率、經(jīng)濟(jì)效益低，因此須加速發(fā)展油菜移栽機(jī)械[1-2]。

針對(duì)油菜等作物移栽技術(shù)，國(guó)內(nèi)外提出了3種不同栽植原理的移栽機(jī)械[3-7]。開苗溝式移栽機(jī)：選用栽植器將幼苗栽植入苗溝開溝器在田間開出的栽植溝中，進(jìn)行覆土鎮(zhèn)壓，完成幼苗的移栽；該類機(jī)型可快速作業(yè)，工作效率較高，但是一般要求在翻耕地上作業(yè)，要求土壤疏松細(xì)碎，田間前茬秸稈、雜草等較少[8-12]。鴨嘴栽插式移栽機(jī)：鴨嘴式栽植器刺入土壤后張開在土壤中形成栽植孔，鴨嘴張開將幼苗栽入栽植孔內(nèi)，提升鴨嘴式栽植器，進(jìn)行覆土完成幼苗的移栽；該類機(jī)型能同時(shí)完成成孔與幼苗栽植工作，栽植過程中對(duì)秧苗沒有夾持力，不易傷苗，栽植過程中對(duì)秧苗起到一定扶持作用，能保證秧苗較好的直立度；但要求土壤疏松細(xì)碎，土壤含水率較低，田間前茬秸稈、雜草等較少，對(duì)幼苗苗齡和外觀形狀要求高[13-18]。打穴式移栽機(jī)：打穴機(jī)構(gòu)在土壤中成型栽植孔，投苗機(jī)構(gòu)同步將幼苗栽入栽植孔中，進(jìn)行覆土與鎮(zhèn)壓，完成幼苗的移栽；該類機(jī)型可在翻耕地及未翻耕地上作業(yè)，對(duì)幼苗苗齡和外觀形狀較寬泛，但是對(duì)土壤土質(zhì)及含水率要求較高[19-22]。

現(xiàn)有研究成果中，開苗溝式移栽機(jī)和鴨嘴式移栽機(jī)均要求土壤疏松細(xì)碎、含水率較低，田間前茬秸稈、雜草等較少；開苗溝式移栽機(jī)作業(yè)，秧苗的破損率較高無法保證秧苗的直立度；鴨嘴式移栽機(jī)對(duì)幼苗苗齡和外觀形狀要求高，喂苗速度不能過高，移栽速度受限。打穴式移栽機(jī)也存在對(duì)土壤土質(zhì)及含水率要求較高等問題，但是該類機(jī)型作業(yè)受到前茬秸稈和雜草的影響較小，對(duì)栽植幼苗要求較低，可實(shí)現(xiàn)快速移栽作業(yè)，因此發(fā)展打穴式移栽技術(shù)具有較好的科研前景[23-27]。作為打穴式移栽機(jī)械關(guān)鍵工序的成穴技術(shù)仍未取得突破性進(jìn)展。因此，本文基于移栽油菜農(nóng)藝要求，結(jié)合旱地移栽作業(yè)的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種純滾動(dòng)式油菜苗移栽栽植孔成型機(jī)。通過成孔機(jī)構(gòu)在土壤中成型栽植孔，隨后取苗、送苗機(jī)構(gòu)同步配合將幼苗投入到栽植孔內(nèi)，實(shí)施覆土、鎮(zhèn)壓完成油菜苗的栽植。

1 栽植孔成型機(jī)整體設(shè)計(jì)

1.1 農(nóng)藝和技術(shù)要求

移栽油菜缽苗的基質(zhì)為方錐臺(tái)形，其上、下端面邊長(zhǎng)a1、a2分別為35 mm和25 mm，高h(yuǎn)0為40 mm；油菜的栽植密度為12萬～16萬株/hm2，栽植深度一般為30～60 mm；為此，本研究提出成型U型栽植孔，利于幼苗的順利入孔并保證其立苗率[20]。根據(jù)油菜缽苗物理特性，要求成型栽植孔有效孔徑50 mm，有效孔深50 mm。

本機(jī)設(shè)計(jì)的工作廂面為1 700 mm，排水溝寬度200 mm，故每廂栽植油菜的實(shí)際廂面為1 500 mm，按農(nóng)藝要求，行距為250～300 mm，株距沒有設(shè)定要求，但需要保障栽植密度為12萬～16萬株/hm2的前提下，保持成條，利于油菜生長(zhǎng)的通風(fēng)、采光和后期收獲。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1為純滾動(dòng)式油菜移栽栽植孔成型機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，主要由履帶行走系統(tǒng)、旋耕開溝系統(tǒng)、成孔機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、限位機(jī)構(gòu)、機(jī)架等組成。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of whole structure1.履帶行走系統(tǒng) 2.旋耕開溝系統(tǒng) 3.成孔機(jī)構(gòu) 4.限位機(jī)構(gòu) 5.機(jī)架 6.控制系統(tǒng)

工作時(shí)，隨著機(jī)器的前進(jìn)，旋耕開溝系統(tǒng)對(duì)土壤進(jìn)行翻耕并成型排水溝，成孔機(jī)構(gòu)依靠與土壤間摩擦力進(jìn)行純滾動(dòng)，均勻分布在孔刺安裝盤(簡(jiǎn)稱安裝盤)上的柱形孔刺(簡(jiǎn)稱孔刺)承受成孔機(jī)構(gòu)的自身重力而周期性地刺入、拔出土壤，在土壤中形成一系列規(guī)則的栽植孔。當(dāng)孔刺刺入土中，土壤給套筒式壓土板(簡(jiǎn)稱壓土板)向上推力，推動(dòng)復(fù)位彈簧一起沿孔刺軸線方向收縮，隨著孔刺拔出土壤，復(fù)位彈簧的彈力作用使得套筒式壓土板沿孔刺軸線向外舒張，套筒式壓土板在收縮與舒張的過程中，復(fù)位彈簧的彈力始終作用于套筒式壓土板，使其壓實(shí)栽植孔周邊的土壤，保證孔刺出土后栽植孔周邊的土壤不會(huì)回填入已成型的栽植孔，同時(shí)壓土板在孔刺上進(jìn)行回復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)將孔刺上沾附的泥土刮掉，有效防止孔刺沾泥。

2 成孔機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)

成孔機(jī)構(gòu)是純滾動(dòng)式油菜移栽栽植孔成型機(jī)的核心部件。作業(yè)中隨著機(jī)器的前進(jìn)，孔刺合理的刺入、拔出土壤而在土壤中成型栽植孔。其布置方式、結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)決定了成孔效果，而栽植孔的形狀參數(shù)直接影響移栽質(zhì)量，是保證秧苗立苗率、低覆苗率等栽植質(zhì)量的重要工序[28-30,20]。

2.1 總體結(jié)構(gòu)

圖2為成孔機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，主要由孔刺、安裝盤、復(fù)位彈簧、壓土板、彈性套、打孔滾軸、軸承座支架和連桿等組成。

圖2 成孔機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structure diagram of hole-forming mechanism1.孔刺 2.壓土板 3.彈性套 4.安裝盤 5.復(fù)位彈簧 6.軸承座 7.打孔滾軸 8.軸承座支架 9.限位裝置

為利于孔刺順利入土，設(shè)計(jì)孔刺上端為圓柱體，其下端為錐體，以安裝盤的軸線為中心線均勻布置的孔刺通過安裝盤固連在打孔滾軸上，在孔刺的外徑上分別套裝有復(fù)位彈簧、彈性套和壓土板。打孔滾軸兩端插裝在軸承座內(nèi)，軸承座通過螺栓固設(shè)在設(shè)有限位孔的軸承座支架上，軸承座支架通過圓柱銷與限位裝置聯(lián)接。

2.2 孔刺安裝盤數(shù)量

根據(jù)油菜移栽農(nóng)藝要求設(shè)定行距為300 mm，株距為200 mm，則栽植密度約為14.7萬株/hm2，滿足農(nóng)藝要求。根據(jù)行距設(shè)定300 mm，每個(gè)廂面移栽5行油菜，打孔滾軸上均勻安裝5個(gè)孔刺安裝盤，每2個(gè)孔刺安裝盤之間中心距為300 mm，即為行距，每個(gè)廂面的兩側(cè)均有排水溝，故最左端與最右端的2個(gè)孔刺安裝盤與排水溝端面中心距設(shè)為150 mm，如圖3所示。

圖3 工作廂面Fig.3 Operating compartment

2.3 成孔機(jī)理及參數(shù)方程

2.3.1孔刺的運(yùn)動(dòng)軌跡

栽植孔是孔刺在土壤中滾動(dòng)的過程中由于土壤的彈塑性變形而留下的孔刺印痕[19]，如圖4a所示。隨著成孔機(jī)構(gòu)的滾動(dòng)，孔刺上主要存在3個(gè)特殊點(diǎn)(頂點(diǎn)A、端點(diǎn)B和C)的軌跡組合成型栽植孔的外形輪廓，如圖4b所示；頂點(diǎn)A從開始入土到最低位置的運(yùn)動(dòng)過程為入土過程，向前下方運(yùn)動(dòng)并剪切和擠壓土壤，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)后，向后上方運(yùn)動(dòng)并剪切和擠壓土壤；端點(diǎn)B從開始入土到最低位置的運(yùn)動(dòng)過程中，向前下方運(yùn)動(dòng)并剪切和擠壓土壤，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)后即開始出土過程，并不與土壤接觸，隨著機(jī)具的旋轉(zhuǎn)拔出土壤；端點(diǎn)C從開始入土到最低位置的運(yùn)動(dòng)過程中，向前下方運(yùn)動(dòng)并剪切和擠壓土壤，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)后即開始出土過程，向后上方運(yùn)動(dòng)并剪切和擠壓土壤?？状桃来蔚卮倘牒屯顺鐾寥?，使得土壤中留下與孔刺運(yùn)動(dòng)軌跡相似的栽植孔。

圖4 孔刺運(yùn)動(dòng)分析Fig.4 Punch movement analysis

圖5 孔刺上各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.5 Movement tracks of various points on punch

2.3.2栽植孔的參數(shù)方程

栽植孔是孔刺外輪廓與土壤相互作用形成的，因此孔刺在土壤中形成的栽植孔的理論形狀實(shí)際上就是孔刺運(yùn)動(dòng)軌跡的包絡(luò)線軌跡。

如圖5所示，孔刺的位置用孔刺中線(孔刺頂點(diǎn)A與打孔滾軸O點(diǎn)的連線)與垂線的夾角θ表示；孔刺在正常工作狀態(tài)下形成的栽植孔可以用a-b-o-c-d形成的包絡(luò)線來表示，主要分為3部分：入土過程中，孔刺運(yùn)動(dòng)軌跡ab段為端點(diǎn)B的運(yùn)動(dòng)軌跡，又稱栽植孔前緣；出土過程中，孔刺運(yùn)動(dòng)軌跡cd段為端點(diǎn)C的運(yùn)動(dòng)軌跡，稱栽植孔后緣；bc段為孔刺頂點(diǎn)A運(yùn)動(dòng)軌跡的一部分。

(1)入土過程中，栽植孔前緣ab段的參數(shù)方程為

(1)

其中

式中R——孔刺的理論滾動(dòng)半徑，mm

δ——滑轉(zhuǎn)率

r——孔刺實(shí)際滾動(dòng)半徑，mm

α——孔刺端點(diǎn)B與軸中心O1的連線和孔刺中線的夾角，為負(fù)值

θ1——入土過程孔刺的轉(zhuǎn)動(dòng)弧度，數(shù)值逐漸變小，為負(fù)值

h——孔刺末端錐體高度，mm

d——孔刺半徑，mm

D——孔刺直徑，mm

(2)出土過程中，栽植孔后緣cd段的參數(shù)方程為

(2)

其中

α′=-α

式中θ2——出土過程孔刺的轉(zhuǎn)動(dòng)弧度，數(shù)值逐漸變大，為正值

α′——孔刺端點(diǎn)C與軸中心O2的連線和孔刺中線的夾角，為正值

(3)頂點(diǎn)A軌跡，bc段參數(shù)方程為

(3)

式中θ3——孔刺尖端A點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)弧度

入土過程，θ3逐漸變小，為負(fù)值；出土過程逐漸變大，為正值。

通常情況下，公式(1)～(3)的參數(shù)方程分3段描繪出栽植孔的外形尺寸。當(dāng)孔刺末端錐體高度取較大值時(shí)，栽植孔的外形完全由孔刺尖端A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡形成，此時(shí)栽植孔的參數(shù)方程可直接由式(3)表達(dá)。

當(dāng)孔刺的理論半徑R取值較小，運(yùn)動(dòng)過程中孔刺的柱形端面(圖5中的BE面、CF面)將與土壤接觸，對(duì)栽植孔上部的土壤進(jìn)行剪切和擠壓，從而導(dǎo)致栽植孔上部開口過長(zhǎng)，無法形成滿足要求的栽植孔。

2.3.3栽植孔形狀參數(shù)

聯(lián)立公式(1)～(3)繪制如圖5所示軌跡曲線，得到a-b-o-c-d組成的實(shí)線輪廓即為栽植孔的理論外形。顯然，可由公式直接求出輪廓上各點(diǎn)的坐標(biāo)，通過計(jì)算運(yùn)動(dòng)軌跡上特殊點(diǎn)的坐標(biāo)來描述栽植孔的形狀并將其參數(shù)化。

圖5b中，m點(diǎn)為栽植孔前緣上的任意點(diǎn)，n為栽植孔后緣上的任意點(diǎn)，m、n點(diǎn)位于H高度處的同一水平線上，由于成孔機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)呈中心對(duì)稱，其栽植孔前緣與栽植孔后緣也與y軸中心對(duì)稱，故栽植孔在H處的縱長(zhǎng)l1為

(4)

其中

式中H0——打孔滾軸軸心O1離地高度，mm

同理可得，栽植孔在H′深處的縱長(zhǎng)l2為

l2=2[R(1-δ)sinθ3-Rθ3]

(5)

其中

2.3.4安裝盤和孔刺參數(shù)

孔刺的滾動(dòng)半徑R(由安裝盤半徑R0、孔刺長(zhǎng)度L3構(gòu)成)、孔刺數(shù)量N是成孔機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)；孔刺安裝盤的半徑與機(jī)具前進(jìn)速度沒有直接關(guān)聯(lián)性，但若R0過大，孔刺數(shù)目相應(yīng)的增多，增加了整機(jī)質(zhì)量，成孔機(jī)構(gòu)的制造費(fèi)用相應(yīng)增加。

成孔作業(yè)時(shí)，在孔刺入土過程中滾動(dòng)半徑瞬時(shí)變化，移栽作物的株距L為孔刺安裝盤頂圓的節(jié)距，即

(6)

按農(nóng)藝要求移栽作物的栽植深度h′=50 mm，結(jié)合孔刺前端錐形尺寸，孔刺的入土深度需達(dá)到70 mm，孔刺外圍需套設(shè)復(fù)位彈簧與彈性套，且復(fù)位彈簧需要一定的緩沖距離，孔刺長(zhǎng)度L3至少取值到120 mm。設(shè)計(jì)安裝盤半徑R0約為70 mm即可滿足需求，將數(shù)據(jù)代入式(6)得：N≈6。

確定每個(gè)安裝盤上孔刺數(shù)量N取值為6，且株距為200 mm，可求得孔刺的長(zhǎng)度

(7)

式中C——安裝盤的滾動(dòng)周長(zhǎng)

安裝盤的半徑R0取值70 mm，孔刺長(zhǎng)度L3取值為121 mm，故孔刺的旋轉(zhuǎn)半徑為191 mm。考慮在孔刺外部套有復(fù)位彈簧與彈性套，故安裝盤的寬度B1需設(shè)定為100 mm，每個(gè)安裝盤上均勻分布安裝6個(gè)孔刺，孔刺外徑取D=50 mm，孔刺末端錐體高度取20 mm。

3 成孔機(jī)構(gòu)驗(yàn)證與仿真分析

3.1 數(shù)值驗(yàn)證試驗(yàn)材料與方法

為驗(yàn)證成孔理論分析的準(zhǔn)確性與成型栽植孔參數(shù)模型的可靠性，根據(jù)栽植孔的參數(shù)方程(公式(1)～(3))，結(jié)合成孔機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)：孔刺滾動(dòng)半徑R=191 mm、孔刺長(zhǎng)度L3=121 mm、孔刺外徑D=50 mm、孔刺末端錐體高度h=20 mm、孔刺最大入土深度L4=70 mm，假定機(jī)具的滑轉(zhuǎn)率為零等，設(shè)定直角坐標(biāo)系，求取極值點(diǎn)的坐標(biāo)值，采用Matlab 7.0軟件編寫程序，自動(dòng)生成孔刺的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，即成型栽植孔的外形圖，并對(duì)圖形進(jìn)行網(wǎng)格化顯示[30]。

根據(jù)成孔機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用Pro/E 5.0軟件建立機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體模型，添加約束并形成虛擬裝配模型導(dǎo)入到CATIA軟件中，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，結(jié)合成孔機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)(前進(jìn)速度v和角速度ω)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得出孔刺的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，即成型栽植孔的輪廓曲線圖。

根據(jù)成型栽植孔形狀參數(shù)方程(公式(4)、(5))，結(jié)合設(shè)計(jì)的成孔機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)R、L3、D、h等，利用Matlab軟件進(jìn)行編程，可求解出成型栽植孔的開口縱長(zhǎng)L0、栽植孔在H深處的縱長(zhǎng)l1、孔上部橫上寬度L1等物理參數(shù)。成孔機(jī)構(gòu)工作時(shí)，套筒式壓土板對(duì)栽植孔周邊的土壤具有一定的壓實(shí)，栽植孔周邊土壤存在一定程度下陷，故利用Matlab 7.0軟件求解栽植孔在H深處的縱長(zhǎng)l1、l2時(shí)，H分別取值為5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60 mm。綜合考慮滑轉(zhuǎn)率的影響，滑轉(zhuǎn)率分別取為0、0.10、0.20、0.25。

3.2 結(jié)果與討論

圖6所示為Matlab 7.0軟件自動(dòng)生成孔刺的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，即成型栽植孔的外形圖。以栽植孔的最低點(diǎn)為橫坐標(biāo)零點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，并對(duì)圖形進(jìn)行網(wǎng)格化顯示，可在圖形顯示中直接測(cè)量成型栽植孔的相關(guān)尺寸參數(shù)。

圖6 理論輪廓曲線Fig.6 Theoretical contour curve

圖7所示為CATIA軟件仿真分析得出孔刺的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，圖中的光滑曲線即成型栽植孔的輪廓曲線圖，在軟件中對(duì)圖形進(jìn)行網(wǎng)格化顯示，可有效讀取成型栽植孔的相關(guān)尺寸參數(shù)。

圖7 CATIA仿真的軌跡曲線Fig.7 Track curve obtained via CATIA simulation

將圖6、7中表示的成型栽植孔外形圖和輪廓曲線圖按照1∶1的比例放入Word軟件中，進(jìn)行透明化處理，得出2個(gè)圖中的曲線完全擬合，結(jié)果表明成孔機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)計(jì)滿足要求。

表1所示為Matlab理論求解成型栽植孔的物理參數(shù)。

從表1、圖8中理論計(jì)算的數(shù)據(jù)可得出：

(1)相同滑轉(zhuǎn)率的情況下，隨著栽植孔深度的加大，栽植孔的縱長(zhǎng)逐漸變小。

表1 成型栽植孔物理參數(shù)(開口縱長(zhǎng)、橫上寬度、縱長(zhǎng))Tab.1 Physical parameters of planting hole mm

圖8 滑轉(zhuǎn)率對(duì)栽植孔縱長(zhǎng)的影響Fig.8 Influence relation between slip rate and longitudinal length of planting hole

(2)不同的滑轉(zhuǎn)率對(duì)栽植孔的物理參數(shù)(縱長(zhǎng))影響較大，隨著滑轉(zhuǎn)率的增大，栽植孔上部的縱長(zhǎng)逐漸變小，而下部的縱長(zhǎng)逐漸變大。

(3)栽植孔的深度達(dá)到60 mm時(shí)，當(dāng)滑轉(zhuǎn)率小于0.2時(shí)，其縱長(zhǎng)全部小于50 mm；而栽植孔深度為55 mm時(shí)，在不同滑轉(zhuǎn)率的情況下其縱長(zhǎng)全部大于50 mm。

理論分析得出，成孔機(jī)構(gòu)成型的栽植孔滿足設(shè)計(jì)要求。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性和栽植孔成型機(jī)工作的可靠性，試制樣機(jī)(圖9)進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)場(chǎng)地分別為湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)、湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)種植基地、益陽(yáng)赫山區(qū)龍嶺工業(yè)園，試驗(yàn)場(chǎng)地及土壤相關(guān)參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)田要求表面土壤比較平整，土壤中含有較少的秸稈、稻草等雜物；試驗(yàn)過程中機(jī)器以慢2擋(1.85～1.96 km/h)行駛。

圖9 試驗(yàn)樣機(jī)Fig.9 Test prototype

表2 試驗(yàn)場(chǎng)地及土壤相關(guān)參數(shù)Tab.2 Test field and soil parameters

4.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在3種不同類型土壤中進(jìn)行，每種土壤中進(jìn)行4次重復(fù)試驗(yàn)，每次需測(cè)定工作時(shí)間、孔距、孔周邊土壤下陷深度h1、孔開口縱長(zhǎng)L0、孔上部橫上寬度L1、有效深度L2等參數(shù)[20]。

工作時(shí)間：機(jī)具的起步與停止過程中工作速度不穩(wěn)定，每次試驗(yàn)在機(jī)器運(yùn)行的35 m中選擇中間段20 m進(jìn)行標(biāo)定，用秒表記錄標(biāo)定的20 m內(nèi)機(jī)器運(yùn)行的時(shí)間記為工作時(shí)間。

孔距：規(guī)定同一行上相鄰2個(gè)栽植孔中心距為孔距；連續(xù)測(cè)定單次20 m距離內(nèi)所有相鄰栽植孔的孔距，取平均值作為1次試驗(yàn)的孔距。

孔周邊土壤下陷深度h1：測(cè)定單次20 m距離內(nèi)所有栽植孔的周邊土壤整體下陷深度，取平均值作為1次試驗(yàn)的孔周邊土壤下陷深度。

開口縱長(zhǎng)L0：將栽植孔上部端面沿著機(jī)器前進(jìn)方向均分4處，用游標(biāo)卡尺測(cè)量其長(zhǎng)度取平均值為其開口縱長(zhǎng)；試驗(yàn)時(shí)測(cè)定單次20 m距離內(nèi)所有栽植孔的開口縱長(zhǎng)，取平均值作為1次試驗(yàn)的開口縱長(zhǎng)。

孔上部橫上寬度L1：將栽植孔上部端面垂直于機(jī)器前進(jìn)方向均分4處，用游標(biāo)卡尺測(cè)量其長(zhǎng)度取平均值為其橫上寬度；試驗(yàn)時(shí)測(cè)定單次20 m距離內(nèi)所有栽植孔的橫上寬度，取平均值作為1次試驗(yàn)的孔上部橫上寬度。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的指標(biāo)計(jì)算出機(jī)具的性能參數(shù)：合格成孔率w0、成孔頻率f0、作業(yè)效率η。

合格成孔率w0為

(8)

式中N1——測(cè)定距離內(nèi)的理論成孔數(shù)量

每次試驗(yàn)測(cè)定距離為20 m，而栽植孔的行距為300 mm，每次成孔5行，株距為200 mm，故單次試驗(yàn)測(cè)定的理論成孔數(shù)為500個(gè)。

成孔頻率f0(機(jī)具每分鐘形成栽植孔的個(gè)數(shù))為

(9)

式中N3——測(cè)定距離內(nèi)形成栽植孔數(shù)量，個(gè)

T——成孔工作時(shí)間，s

作業(yè)效率η為

(10)

式中s——試驗(yàn)設(shè)計(jì)測(cè)定距離，每次測(cè)定20 m

B0——廂面總寬，取1 700 mm

4.3 結(jié)果與討論

圖10所示為試驗(yàn)成孔效果圖。栽植孔成型機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，因試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集工作長(zhǎng)度為20 m，結(jié)合表中工作時(shí)間可得到機(jī)具實(shí)際前進(jìn)速度為1.80～1.96 km/h，機(jī)具的作業(yè)效率達(dá)到0.306～0.333 hm2/h，滿足配套移栽機(jī)工作效率設(shè)計(jì)要求。

黏土、壤土和砂土3種類型(后續(xù)描述3種類型土壤均按此順序)土壤中，孔距在199.6～200.4 mm之間，均值分別為199.9、200.0、200.1 mm，其變化范圍很小，表明在含水率較低的情況下，機(jī)具在上述3種類型的土壤中作業(yè)其滑轉(zhuǎn)率均接近零，機(jī)具穩(wěn)定性好。

試驗(yàn)測(cè)定3種類型土壤中，栽植孔周邊表層土壤下陷深度依次增加，其均值分別達(dá)到13.5、14.8、15.2 mm，且其變化幅度較大，分別為12.4～15.7 mm、12.8～16.9 mm、12.7～17.8 mm，表明壓土板作用于不同類型的土壤其效果差別較大。

圖10 試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.10 Photos of test

表3 試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Field test result

試驗(yàn)測(cè)定3種類型土壤中作業(yè)數(shù)據(jù)，孔上部橫上寬度均值分別為49.9、49.6、49.0 mm，主要原因是，在柱形孔刺拔出土壤過程中，栽植孔周邊土壤不平整，致使孔上部橫上寬度均沒有達(dá)到50 mm的理論數(shù)值，但實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)仍然滿足生產(chǎn)需要。

測(cè)定結(jié)果顯示在3種類型土壤中作業(yè)時(shí)，其孔開口縱長(zhǎng)分別在90.5～93.2 mm、87.5～90.6 mm、82.6～87.3 mm之間，其均值分別為91.8、88.8、85.2 mm，主要原因是，機(jī)具作業(yè)時(shí)，壓土板下壓土壤使得栽植孔周邊的土壤下陷一定高度，故孔上部開口縱長(zhǎng)是從下陷深度處測(cè)得，同時(shí)隨著柱形孔刺拔出土壤過程中，栽植孔周邊土壤不平整，試驗(yàn)測(cè)定中的數(shù)據(jù)均小于理論數(shù)值(96.5 mm)。

試驗(yàn)中測(cè)定3種類型土壤中，栽植孔有效深度分別在60.7～63.8 mm、57.9～60.2 mm、52.9～55.3 mm之間，主要原因是，當(dāng)孔刺拔出土壤過程中，栽植孔周邊仍然有少部分土壤回填至栽植孔中，致使所形成栽植孔有效深度有所不同，3種類型土壤中栽植孔平均有效深度分別為62.1、58.9、54.2 mm，不同類型土壤中成型栽植孔有效深度差異性較大，表明不同類型土壤的破碎率不同，土壤回填情況不一，但有效深度均超過50 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

3種類型土壤中試驗(yàn)結(jié)果顯示，栽植孔的合格率分別在92.8%～95.8%、91.2%～95.0%、89.0%～92.0%的范圍內(nèi)變化，變化幅度較小，表明機(jī)具工作穩(wěn)定性較好，多次試驗(yàn)成孔的總平均合格率分別為94.4%、93.3%、90.4%，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

(1)基于成孔移栽作業(yè)的工作特點(diǎn)，融合油菜移栽農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了一種純滾動(dòng)式油菜移栽栽植孔成型機(jī)。該機(jī)器通過成孔機(jī)構(gòu)的孔刺周期性地刺入、拔出土壤，而在土壤中形成一系列規(guī)則的栽植孔，隨后取苗、送苗機(jī)構(gòu)同步配合將幼苗投入到栽植孔內(nèi)，實(shí)施覆土、鎮(zhèn)壓完成油菜苗的栽植。

(2)通過分析純滾動(dòng)式成孔機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)機(jī)理，研究成孔機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)方程，建立成型栽植孔的參數(shù)方程，為關(guān)鍵部件成孔機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。根據(jù)機(jī)具設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)及參數(shù)方程，使用Matlab軟件圖形繪制程序生成成型栽植孔的外形圖，運(yùn)用CATIA軟件進(jìn)行仿真分析得出成型栽植孔的輪廓曲線圖，并將上述圖形進(jìn)行擬合模擬，得出2個(gè)圖中的曲線完全擬合，驗(yàn)證成孔機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)計(jì)滿足要求。

(3)根據(jù)設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)，試制試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)具以1.80～1.96 km/h速度作業(yè)，其作業(yè)效率達(dá)到0.306～0.333 hm2/h，3種類型的土壤中，成孔合格率最低的砂土試驗(yàn)中栽植孔合格率達(dá)到90.4%，而黏土試驗(yàn)中栽植孔合格率達(dá)到94.4%，成型的栽植孔滿足設(shè)計(jì)要求，成孔機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

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DesignandTestofTransplantingHole-formingMachineforRapeseedPottedSeedlings

XIANG Wei1,2WU Mingliang1,2GUAN Chunyun2,3HE Yiming1,2LUO Haifeng1,2YAN Bo1,2

(1.CollegeofEngineering,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China2.SouthernRegionalCollaborativeInnovationCenterforGrainandOilCropsinChina,Changsha410128,China3.CollegeofAgronomy,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China)

In order to design a new rapeseed transplanting machine, a pure rolling-type transplanting hole-forming machine for rapeseed was developed in accordance with agricultural requirements for rapeseed transplanting and the features of transplanting hole formation.The motion mechanism of the pure rolling-type mechanism was analyzed to derive motion parametric equations for the hole-forming mechanism.Matlab was used to generate theoretical contour lines and outline drawings of the transplanting hole.CATIA was then used for simulation analysis to obtain the contour curve of the transplanting hole, and fitting as well as simulation were carried out to verify its structure and motion parameters.Based on different slip rates, Matlab was used to solve formed planting hole physical parameters, such as the longitudinally opening length, longitudinal length of planting hole at the depth ofHand the upper lateral width.Subsequently, prototype trial-production was carried out, followed by field testing.The experimental results obtained indicated that when the machine was in low gear, its forward speed was in the range of 1.80～1.96 km/h and field operation efficiency was in the range of 0.306～0.333 hm2/h.When tested in three types of soil, i.e., clay, loamy and sandy soil, the average qualification rate of hole formation reached 94.4%, 93.3% and 90.4%, respectively.These results confirmed that the developed transplanting hole-forming machine satisfied design requirements, which was significant for the provision of technical support for the design of new transplanters.

rape; transplanting; planting hole; hole forming mechanism

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.005

S223.92

A

1000-1298(2017)10-0040-09

2017-07-07

2017-08-15

湖南省政府重大專項(xiàng)(湘府閱 [2014]35號(hào))、湖南省科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目(2016NK2105)、湖南省科技廳平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目(湘財(cái)教指[2014]10號(hào))和湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2016B286)

向偉(1986—)，男，博士生，主要從事作物生產(chǎn)工程及裝備研究，E-mail：xiaobaibaiweiwei@163.com

吳明亮(1972—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械研究，E-mail：mlwu@hunau.edu.cn