趙崢嶸，毛罕平，韓綠化，胡建平

(江蘇大學 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)省部共建教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

目前，我國蔬菜移栽主要依靠人工作業(yè)，勞動強度大，作業(yè)效率低，移栽質(zhì)量差[1-2]，無法滿足我國的蔬菜生產(chǎn)需求，而機械化移栽具有省工、節(jié)本、提效的強大優(yōu)勢[3-5]。

20世紀早期，歐美日等發(fā)達國家就開始了缽苗機械化移栽的探索研究[6]。截至目前，國外半自動移栽機已經(jīng)發(fā)展得很成熟，可搭配各種農(nóng)機具和不同類型的栽植器，能適應不同環(huán)境和移栽對象，通用性較高[7-9]。我國育苗工藝、栽培方式及田間作業(yè)模式與發(fā)達國家存在差異[1-4]，它們的機型不符合我國國情，且我國農(nóng)戶無法承擔高的外購價格。

我國移栽機技術(shù)的探索開始于20世紀中期，以模仿國外技術(shù)為主，具有與農(nóng)藝脫節(jié)、性能不穩(wěn)定、通用性及實用性差等通病[10-13]。國內(nèi)的大部分機型是針對大田作業(yè)，有著復雜的栽植和接苗機構(gòu)，設計和制造成本較高，操作較為復雜，外觀較為龐大，質(zhì)量較大，且栽植深度、株距和行距不能均可調(diào)。這些移栽機不符合中等規(guī)模農(nóng)戶希望具備基本移栽功能的基礎(chǔ)上，同時做到機器輕簡、操作簡便、價格便宜的要求。此外，汽油機或柴油機工作時，易污染環(huán)境，浪費石油資源，需考慮將農(nóng)業(yè)機械與新能源結(jié)合起來[12]。因此，針對我國中等規(guī)模農(nóng)戶設計了一款簡單輕巧、操作簡便、經(jīng)濟適用、能滿足基本需求的電動輕簡型半自動移栽機。

1 整機設計方案與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

本移栽機為單行移栽，采用電控作業(yè)方式，整機主要由電動底盤、接苗部件、植苗部件及控制系統(tǒng)4部分組成，如圖1所示。

1.植苗部件 2.自頂開接苗部件 3.扶手 4.穴盤苗 5.穴盤架 6.蓄電池 7.車架 8.前置導向機構(gòu) 9.行走輪系

植苗部件后掛在底盤上，接苗部件布置在植苗部件正上方。底盤輪距可變，包括扶手、穴盤架、導向機構(gòu)、行走輪系、車架和蓄電池等。其中，穴盤架和扶手前后配置在底盤縱梁上，導向機構(gòu)位于車架前端，引導底盤沿壟側(cè)向前行駛，行走輪系以直角三角形結(jié)構(gòu)布置于車架下端，形成偏三輪構(gòu)型。

1.2 工作原理

移栽前，根據(jù)壟型和移栽對象，調(diào)整導向機構(gòu)、底盤輪距和栽植器距壟面高度，并在穴盤架上放置苗盤。作業(yè)時，操作員一邊把控扶手，一邊從穴盤架中取苗并投至接苗斗中，栽植器向上運動頂開接苗斗，苗向下自由落體，落入栽植器中并隨其向下運動，實現(xiàn)栽植動作。如此循環(huán)往復，接苗部件按需接苗和投苗，使栽植部件進行栽植作業(yè)，直到完成穴盤苗定植任務。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

整機質(zhì)量/kg:≤75

栽植行距/mm：400～600

栽植株距/mm:250～350

栽植深度/mm:0～200

栽植頻率/株·min-1：30～40

作業(yè)速度/mm·s-1：125～233

蓄電池規(guī)格：40V/20Ah

2 主要部件設計

2.1 自頂開接苗部件

自頂開接苗部件用于存苗和投苗，主要由接苗斗、固定板、光軸、前耳、后耳、合頁、關(guān)節(jié)軸承及雙頭螺栓等組成，如圖2所示。

1.左開合頁 2.前耳 3.固定板 4.接苗斗 5.右開合頁 6.右后耳 7.關(guān)節(jié)軸承 8.雙頭螺栓 9.左后耳

其中，接苗斗嵌入固定板，合頁位于固定板下方，包括左合頁和右合頁。左合頁兩側(cè)與一只前耳和左后耳焊接，右合頁與其相似安裝。兩根光軸均按順序穿過前耳、固定板、后耳，則前、后耳連同合頁可繞光軸轉(zhuǎn)動。兩個關(guān)節(jié)軸承與后耳以轉(zhuǎn)動副形式連接，雙頭螺栓兩端分別以移動副形式與兩個關(guān)節(jié)軸承連接。 工作原理為：當栽植器向上推左合頁時，左后耳繞光軸順時針轉(zhuǎn)動，雙頭螺栓動作，使得右后耳繞光軸逆時針轉(zhuǎn)動，左、右開合頁相對打開，實現(xiàn)投苗動作。

2.2 植苗部件

植苗部件除實現(xiàn)移栽動作外，還能實現(xiàn)栽植深度調(diào)節(jié)和行距變換，主要由滑槽板、掛架、直線模組、安裝板、栽植器、頂桿和減速電機等組成，如圖3所示。兩個掛架將直線模組后掛于底盤的滑槽板上，滑槽板固定在車架上且開有水平行程槽，改變直線模組在行程槽內(nèi)的安裝位置，可更改栽植器與壟側(cè)距離，行距即改變。安裝板與直線模組上的滑塊緊固連接，其上從左至右分別固定著栽植器和減速電機，轉(zhuǎn)動直線模組的手輪，移動滑塊，可改變安裝板位置，則栽植器相對壟面高度相應變化，實現(xiàn)升降栽植。頂桿焊接在栽植器外側(cè)，栽植器向上運動，頂桿會接觸接苗部件上的左合頁，推動左合頁轉(zhuǎn)動。

1.行星齒輪滑槽式栽植器 2.頂桿機構(gòu) 3.掛架 4.車架

2.3 控制系統(tǒng)

本控制系統(tǒng)實現(xiàn)移栽機的啟動、停止、底盤的調(diào)速行走、前進速度實時顯示、株距調(diào)整、栽植頻率的自動匹配等功能，主要由電源、控制器、電機驅(qū)動器、減速步進電機、測速傳感器(霍爾傳感器)、輪轂電機、速度調(diào)節(jié)器及擋位株距開關(guān)等組成，如圖4所示?？刂破鞑杉瘬跷恢昃嚅_關(guān)的開關(guān)量，選擇控制程序。調(diào)節(jié)速度調(diào)節(jié)器，輪轂電機轉(zhuǎn)速改變，霍爾傳感器測輪轂電機轉(zhuǎn)速并將信號反饋給控制器；控制器捕獲脈沖信號，經(jīng)過內(nèi)部處理，向減速步進電機驅(qū)動器發(fā)出栽植脈沖信號，栽植器在減速步進電機作用下，以與前進速度相匹配的栽植頻率進行栽植。

圖4 控制系統(tǒng)硬件組成

3 試驗與結(jié)果分析

3.1 試驗條件與方法

1)續(xù)航性能試驗。利用功率計得到樣機在不同動力驅(qū)動分配下移栽作業(yè)的消耗功率，計算蓄電池支撐樣機移栽作業(yè)的時間，檢驗樣機的續(xù)航能力是否滿足設計要求。

2)移栽性能試驗。樣機完成不同動力驅(qū)動分配下的移栽作業(yè)試驗后，通過評價指標檢驗樣機的移栽性能，驗證樣機結(jié)構(gòu)設計和動力分配的合理性，并確定作業(yè)時的栽植頻率選擇。

3.1.1 試驗條件

試驗選在無錫市悅田農(nóng)機試驗基地進行。試驗地事先松耕，松耕深度大于200mm；隨后開溝起壟，清除壟面的雜草、大土塊和碎石[13]；壟面寬600mm，壟高200mm，壟溝寬300mm；試驗苗為苗齡25天左右，苗高為115mm左右，根系盤根效果好的黃瓜苗，采用72孔標準穴盤培育。

3.1.2 試驗方法

根據(jù)設計的栽植株距和栽植頻率適用范圍，本移栽機可在多種動力驅(qū)動下進行移栽。因此，試驗選擇栽植株距(A)和栽植頻率(B)作為試驗因素，且每個因素有3個水平。每組水平試驗移栽120株黃瓜苗，試驗安排如表1所示。

1)續(xù)航性能試驗方法。試驗前，將功率計接入控制柜，設置采集方式為連續(xù)采集。試驗后，通過功率計自帶的USB線將功率計與電腦相連，利用功率計軟件導出采集數(shù)據(jù)并分析。

2)移栽性能試驗方法。每組水平試驗后，用卷尺測量實際栽植株距，計算實測平均栽植株距及株距變異系數(shù)；用量角器測量缽苗主莖與地面的夾角，計算倒伏率；確定實測缽苗中的漏栽數(shù)，計算漏栽率。

表1 不同栽植株距和栽植頻率的組合試驗安排

Table 1 Experiment arrangement of different plant spacing and planting frequency

試驗編號因素A/mm因素B/株·min-1試驗編號因素A/mm因素B/株·min-1125030225035325040430030530035630040735030835035935040

3.2 試驗結(jié)果與分析

1)續(xù)航性能試驗結(jié)果分析。對每組水平試驗得到的功率數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到不同動力驅(qū)動下的功率消耗統(tǒng)計表，如表2所示。

表2 多種動力驅(qū)動下的功率消耗統(tǒng)計表

由表2可知：根據(jù)蓄電池型號和樣機在最小、最大動力驅(qū)動作業(yè)下的平均消耗功率分別為410.8W和482.4W，可知電池容量能支撐樣機在最小、最大動力驅(qū)動下分別作業(yè)2.34h和2h，續(xù)航里程分別為1.05km和1.67km。因此，樣機的續(xù)航里程至少為1.05km，續(xù)航時間至少為2h。這表明，該機器的續(xù)航能力滿足設計要求。

2)移栽性能試驗結(jié)果分析。將每組水平試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表3所示。選取每組水平試驗中間20組缽苗的株距實測值，繪制3種理論株距下的缽苗實測株距分布圖。圖5為理論株距250mm時缽苗實測株距分布。利用株距變異系數(shù)和倒伏率制作不同栽植株距和栽植頻率下株距變異系數(shù)和倒伏率變化曲線圖，如圖6、圖7所示。

表3 移栽效果統(tǒng)計表

圖5 理論株距250mm時缽苗實測株距分布

圖6 不同動力驅(qū)動下的株距變異系數(shù) 圖7 不同動力驅(qū)動下的倒伏率

Fig.6 Variation coefficient of plant spacing under different driving force distribution Fig.7 Lodging rate under different driving force distribution

由表3可知：①漏栽率低于4%，倒伏率低于6%，株距變異系數(shù)小于4%，栽植深度合格率大于82%，栽植合格率大于90%，表明樣機移栽效果符合旱地移栽機的主要性能指標規(guī)定，設計合理; ②每個水平試驗下的平均栽植深度與理論栽植深度80mm差異較小，誤差在1mm內(nèi)，實測株距與理論株距相比有些許差異，但差異不大。分析表明：栽植深度和栽植株距較為穩(wěn)定，樣機性能可靠。

由圖5可知：1號試驗實測株距在247mm上下波動，與理論株距相差3mm；2號試驗實測株距在248mm上下波動，與理論株距相差2mm；3號試驗實測株距在249mm上下波動，與理論株距相差1mm。4～6號試驗相差分別為4、2、1mm，7～9號試驗相差分別為7、4、1mm。分析結(jié)果表明：同一理論株距下，樣機前進速度增加，實測株距與理論株距差距變小。原因是：栽植頻率增加則前進速度增加，泥土對底盤阻力變小，行走更加穩(wěn)定，測速更加準確，輪轂電機轉(zhuǎn)速與栽植器驅(qū)動轉(zhuǎn)速匹配更加精確。

由圖6和圖7可知：栽植頻率為30株/min時的株距變異系數(shù)和倒伏率均較小，移栽效果較好，但是作業(yè)效率較低；當栽植頻率為35株/min和40株/min時，株距變異系數(shù)和倒伏率均有小幅度增加，但依舊符合旱地移栽機的主要性能指標規(guī)定，相較栽植頻率30株/min時的作業(yè)效率有此提高。因此，實際使用過程之中，需依據(jù)作業(yè)效率和移栽效果綜合考慮，選擇合適的栽植頻率。

4 結(jié)論

1)針對中等規(guī)模農(nóng)戶使用需求，設計了一種電動的輕簡型半自動移栽機，主要由電動底盤、接苗部件、植苗部件及控制系統(tǒng)組成。本移栽機可實現(xiàn)電力驅(qū)動、升降栽植、行距變換及栽植頻率自動匹配等功能。

2)針對輕簡型半自動移栽機樣機進行田間作業(yè)的續(xù)航性能試驗和移栽性能試驗，結(jié)果表明：①樣機的續(xù)航里程至少為1.05km，續(xù)航時間至少為2h，證明該機器的續(xù)航能力滿足設計要求。②移栽漏栽率均低于4%，倒伏率均低于6%，株距變異系數(shù)均小于4%，栽植深度合格率均大于82%，栽植合格率均大于90%，符合旱地移栽機的主要性能指標規(guī)定。③同一理論株距下，隨著樣機前進速度的增加，實測株距值與理論株距值越來越小，輪轂電機轉(zhuǎn)速與栽植器驅(qū)動轉(zhuǎn)速匹配更加精確。④栽植頻率為30株/min時，移栽效果較好，但作業(yè)效率低；栽植頻率為40株/min時，作業(yè)效率高，移栽性能參數(shù)依舊符合旱地移栽機的指標規(guī)定。因此，實際使用過程之中，需依據(jù)作業(yè)效率和移栽效果綜合考慮，選擇合適的栽植頻率。