何亞凱,崔 巍,李樹君,高希文,陳 科,韓振浩,郝朝會
(1.中國農業(yè)機械化科學研究院,北京 100083;2.現代農裝科技股份有限公司,北京 100083;3.中國機械工業(yè)集團有限公司,北京 100080)
作物移栽作為一種現代栽培技術,能夠有效地增加作物產量。隨著缽苗育苗技術日益成熟,缽苗移栽正被廣泛應用于煙草和蔬菜等經濟作物種植。目前,國內機械移栽主要是以半自動移栽為主,由于人工喂苗作業(yè)速度的限制,機械作業(yè)效率不高,綜合效益并不明顯,限制了大面積移栽作業(yè)[1]。國外發(fā)達國家移栽機的自動化程度較高,極大地降低了人工的勞動強度,提高了移栽作業(yè)效率,加快了缽苗移栽機械的發(fā)展?,F在歐美、日本等國家已經有比較成熟的自動移栽機械[2-8],但是由于價格昂貴、結構設計與國內移栽農藝脫節(jié)等原因沒有在國內推廣應用[9-16]。
本文通過借鑒國內外先進自動移栽技術并結合國內移栽農藝要求[3-6, 17-20],在通用性較廣的鴨嘴式栽植機構基礎上[21-27],采用齒輪-五桿組合機構作為自動取苗機構[28],設計出了一種牽引式缽苗自動移栽機。該機能夠自動完成取苗、栽苗過程,有效地減輕了工人勞動強度,降低了作業(yè)成本,提高了栽植效率,從而促進了我國作物栽植機械自動化水平的發(fā)展。
該自動移栽機主要技術參數如下:
外形尺寸/mm:1 800×1 300×1 600
匹配動力/kW:18.4及以上
整機質量/kg:180
整機輪距/mm:1 100~1 200可調
移栽行數/行:1
移栽株距/cm:30/40/45/50可調
移栽效率/株·min-1:70~80
穴盤規(guī)格:128(16×8)穴,塑料軟盤
該旱地缽苗自動移栽機主要由取苗部件、供苗部件、栽植部件、行走裝置、壓實輪和機架等部分組成,如圖1所示。
工作時,拖拉機拖掛整機行走,同時帶動地輪轉動,地輪通過鏈傳動將動力傳到栽植部件,進而再將動力向上分別傳至取苗機構和供苗機構;供苗機構通過橫向和縱向間歇進給將缽苗準確送至取苗位置,然后取苗爪在齒輪-五桿機構共同作用下做單臂往復取苗運動,沿特定軌跡完成取苗、送苗、投苗及回程動作。缽苗被取苗爪取出投至鴨嘴栽植器后,隨著行星齒輪變速箱做回轉運動,當鴨嘴運動至入土底部時被凸輪機構打開,鴨嘴內缽苗靠重力作用落入苗穴,然后壓實輪對缽苗周圍土壤進行覆土鎮(zhèn)壓,使得缽苗栽植穩(wěn)定,完成移栽過程。整機的工作流程如圖2所示。
1.機架 2.行走部件 3.供苗部件 4.栽植部件 5.壓實輪 6.取苗部件
圖2 缽苗自動移栽機工作流程圖Fig.2 The working flowchart of automatic transplanter
取苗和供苗部件是實現自動移栽的關鍵部件,因此本文主要針對取苗和供苗部件進行分析與研究,設計出一種移栽性能穩(wěn)定、可靠的自動移栽機。
取苗過程分為取苗、送苗、投苗及回程4個環(huán)節(jié)。其中,取苗和投苗是關鍵環(huán)節(jié),決定了缽苗能否被成功取出和取出的缽苗能否準確投入栽植部件內。因此,優(yōu)化設計取苗機構時應滿足以下要求:取苗時,取苗爪以垂直苗盤姿態(tài)插入基質,到達預定深度后夾緊,再原路退回將苗拔出穴盤;投苗時,缽苗以豎直姿態(tài)投出,并且有豎直方向的初速度。此外,為減少取苗爪插入和拔出苗盤時對基質產生的擾動,保證基質完整性,苗針在取苗位置的軌跡也應垂直于苗盤,其取苗軌跡如圖3所示。
本文設計一種齒輪-五桿式取苗機構,并采用迎苗扎取方式進行取苗,每次取苗為單株取苗,尺寸較小,結構相對簡單。取苗部件主要由齒輪傳動箱、曲柄a、曲柄b、雙連桿、取苗臂及取苗爪等結構組成,如圖3所示。齒輪傳動箱通過兩個齒輪分別帶動曲柄a和b轉動,然后取苗爪在曲柄-連桿及取苗臂的共同作用下進行擺動,并保證其末端形成特定的取苗軌跡,以滿足缽苗自動移栽機取苗和投苗動作要求。
1.取苗軌跡 2.取苗爪 3.取苗臂 4.曲柄a 5.曲柄b 6.齒輪傳動箱 7.取苗針 8.擋苗環(huán)
取苗爪的結構形式直接影響著取出缽苗的質量,本機型取苗爪在現有的4針式結構[29]基礎上進行了改進設計(見圖3);改進后的取苗爪由2根取苗叉構成,且每根取苗叉都包含有2個取苗針,既能夠滿足苗爪環(huán)抱基的取苗效果,又簡化了取苗爪結構。
由于缽苗基質有一定的粘性,投苗作業(yè)時苗針張開并不能將苗有效脫離,仍需借助外力,因此在苗針根部設計擋苗環(huán),通過凸輪-彈簧結構控制苗針,投苗時凸輪處于低位,苗針在彈簧作用下回縮至擋苗環(huán)上方,缽苗被擋苗環(huán)推出,如圖4所示。
圖4 取苗及投苗示意圖Fig.4 The diagram of fetching and disengaging seedlings
取苗爪在同一位置重復取苗,因此供苗部件應根據穴盤橫向穴距(36mm)和縱向穴距(36.5mm)尺寸進行設計,以保證將缽苗準確和穩(wěn)定地送到取苗位置。
供苗部件機構主要由橫向進給機構和縱向進給機構兩部分組成,如圖5所示。橫向進給供苗機構采用插秧機螺旋軸結構連續(xù)供苗[30-32],為保證取苗爪取苗穩(wěn)定,在螺旋軸動力輸入端設計一組不完全齒輪,進行動力的間歇傳遞,并在兩個齒輪上設計限位弧,確保兩齒輪不嚙合時,從動齒輪不轉動,以保證取苗爪苗針在插入和拔出苗缽的過程中苗盤靜止,增加取苗成功率和苗缽取出的完整性。毯狀苗插秧機栽插作業(yè)時對縱向進給的精度要求并不嚴格,為保證準確縱向供苗,應對插秧機縱向進給機構進行改進[33-35]。本機型縱向進給機構采用棘輪結構,保證了每次進給量的一致性,且能夠有效地消除周期誤差,較好地實現縱向精準進給。
1.橫向進給機構 2.棘輪機構 3.縱向進給機構 4.不完全齒輪 5.盤形凸輪 6.螺旋凸輪軸 7.橫移軸
工作過程:動力通過鏈傳動傳遞給不完全齒輪,由不完全齒輪實現螺旋凸輪軸1/4周期間歇運動,螺旋凸輪軸再通過滑塊驅動橫移軸(苗盤架)橫向移動,從而實現橫向間歇供苗以及取苗爪靜止取苗;當橫移軸(苗盤架)分別橫移至兩端處時,則此排缽苗已被全部取出;隨之盤形凸輪帶動橫移軸轉動,并由棘輪機構實現縱向進給定位,保證下一排缽苗運動到取苗位置;最后橫移軸反向移動,帶動取苗爪完成新一排的取苗動作。
該栽植部件主要由行星齒輪箱和栽植器組成,如圖6所示。其中,栽植器為鴨嘴結構,上端為圓筒形狀且與行星輪軸固結,下端為錐筒形狀且在凸輪作用下可左右分合以實現接苗和栽苗動作。行星齒輪變速箱主要由太陽輪、中間過渡輪、行星輪和箱體組成,動力通過箱體帶動整個輪系轉動,實現行星輪軸(栽植器)做回轉運動,且在運動過程中能夠保持行星輪軸(栽植器)豎直栽苗狀態(tài),滿足栽植要求。該行星齒輪箱通過均勻布置3組栽植器,能夠有效降低高效作業(yè)下振動不平衡問題,進一步提高栽植效率。
1.行星齒輪箱 2.行星輪軸 3.鴨嘴栽植器
缽苗栽植過程中,土壤回流能夠實現缽苗的定植效果,但在硬質土壤和粘性土壤環(huán)境下栽植作業(yè)時,僅靠土壤回流并不能實現缽苗良好的定植效果,故在栽植部件后設置了一個壓實輪結構,以改善其定植效果。壓實輪為對稱結構,下端內傾,呈倒“八”字形,如圖7所示。在移栽過程中,壓實輪能夠對缽苗周圍土壤進行擠壓,以實現已栽缽苗苗缽的覆土和壓實。
圖7 壓實輪結構示意圖Fig.7 Diagram of soil compaction device
為檢驗該缽苗自動移栽機的工作性能,選取取苗成功率、漏栽率和移栽效率為檢測指標,對該自動移栽機進行田間試驗考核,如圖8所示。試驗場地為河北省唐縣白塔村翻耕且平整過的沙壤土地,土壤含水率約為15%;試驗動力為東方紅300拖拉機;試驗對象為苗期45天的西紅柿穴盤苗,平均缽苗總高為18cm,缽苗基質含水率約為18%。試驗按照缽苗栽植株距33~35cm、栽植深度5~7cm的要求進行,每次試驗移栽一整盤缽苗(128株),記錄每次試驗所用時間t、取苗后苗盤中未取出缽苗數n及地面移栽后漏栽苗數m,并進行3次重復試驗。試驗統(tǒng)計數據按式(1)~式 (3)進行計算,分析結果如表1所示。
(1)
(2)
(3)
圖8 試驗樣機及田間試驗Fig.8 Prototype and field experiment
表1 試驗結果Table 1 Experimental results
由表1數據可知:該自動移栽機移栽效率達到71.7株/(min·行)時,取苗成功率為97.1%,缽苗漏栽率為4.4%,自動移栽機整體運轉良好,能夠較好地滿足設計要求。
1)以齒輪-五桿組合機構為研究基礎,設計了一種齒輪-五桿式取苗機構,并研制出了一種旱地自動缽苗移栽機。該移栽機依靠機械自身能夠完成自動取苗、供苗及栽苗環(huán)節(jié),解放了勞動力,實現了穴盤缽苗從苗盤到大田的機械化自動移栽。
2)試驗結果表明:該旱地缽苗自動移栽機運轉良好,作業(yè)性能可靠,移栽作業(yè)效率達到71.7株/(min·行)時,取苗成功率為97.1%,漏栽率為4.4%,能夠滿足預期設計要求,較好地提高了移栽效率,降低了勞動強度,為后期自動移栽機設計與研究提供了參考。