何亞凱，崔 巍，李樹(shù)君，高希文，陳 科，韓振浩，郝朝會(huì)

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083；2.現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司，北京 100083；3.中國(guó)機(jī)械工業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100080)

0 引言

作物移栽作為一種現(xiàn)代栽培技術(shù)，能夠有效地增加作物產(chǎn)量。隨著缽苗育苗技術(shù)日益成熟，缽苗移栽正被廣泛應(yīng)用于煙草和蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物種植。目前，國(guó)內(nèi)機(jī)械移栽主要是以半自動(dòng)移栽為主，由于人工喂苗作業(yè)速度的限制，機(jī)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(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家移栽機(jī)的自動(dòng)化程度較高，極大地降低了人工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了移栽作業(yè)效率，加快了缽苗移栽機(jī)械的發(fā)展。現(xiàn)在歐美、日本等國(guó)家已經(jīng)有比較成熟的自動(dòng)移栽機(jī)械[2-8]，但是由于價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與國(guó)內(nèi)移栽農(nóng)藝脫節(jié)等原因沒(méi)有在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用[9-16]。

本文通過(guò)借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)自動(dòng)移栽技術(shù)并結(jié)合國(guó)內(nèi)移栽農(nóng)藝要求[3-6, 17-20]，在通用性較廣的鴨嘴式栽植機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上[21-27]，采用齒輪-五桿組合機(jī)構(gòu)作為自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)[28]，設(shè)計(jì)出了一種牽引式缽苗自動(dòng)移栽機(jī)。該機(jī)能夠自動(dòng)完成取苗、栽苗過(guò)程，有效地減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了作業(yè)成本，提高了栽植效率，從而促進(jìn)了我國(guó)作物栽植機(jī)械自動(dòng)化水平的發(fā)展。

1 主要技術(shù)參數(shù)

該自動(dòng)移栽機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下：

外形尺寸/mm：1 800×1 300×1 600

匹配動(dòng)力/kW：18.4及以上

整機(jī)質(zhì)量/kg：180

整機(jī)輪距/mm：1 100～1 200可調(diào)

移栽行數(shù)/行：1

移栽株距/cm：30/40/45/50可調(diào)

移栽效率/株·min-1：70～80

穴盤(pán)規(guī)格：128(16×8)穴，塑料軟盤(pán)

2 總體結(jié)構(gòu)方案與工作原理

該旱地缽苗自動(dòng)移栽機(jī)主要由取苗部件、供苗部件、栽植部件、行走裝置、壓實(shí)輪和機(jī)架等部分組成，如圖1所示。

工作時(shí)，拖拉機(jī)拖掛整機(jī)行走，同時(shí)帶動(dòng)地輪轉(zhuǎn)動(dòng)，地輪通過(guò)鏈傳動(dòng)將動(dòng)力傳到栽植部件，進(jìn)而再將動(dòng)力向上分別傳至取苗機(jī)構(gòu)和供苗機(jī)構(gòu)；供苗機(jī)構(gòu)通過(guò)橫向和縱向間歇進(jìn)給將缽苗準(zhǔn)確送至取苗位置，然后取苗爪在齒輪-五桿機(jī)構(gòu)共同作用下做單臂往復(fù)取苗運(yùn)動(dòng)，沿特定軌跡完成取苗、送苗、投苗及回程動(dòng)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)鴨嘴運(yùn)動(dòng)至入土底部時(shí)被凸輪機(jī)構(gòu)打開(kāi)，鴨嘴內(nèi)缽苗靠重力作用落入苗穴，然后壓實(shí)輪對(duì)缽苗周?chē)寥肋M(jìn)行覆土鎮(zhèn)壓，使得缽苗栽植穩(wěn)定，完成移栽過(guò)程。整機(jī)的工作流程如圖2所示。

1.機(jī)架 2.行走部件 3.供苗部件 4.栽植部件 5.壓實(shí)輪 6.取苗部件

圖2 缽苗自動(dòng)移栽機(jī)工作流程圖Fig.2 The working flowchart of automatic transplanter

3 主要工作部件結(jié)構(gòu)及方案

取苗和供苗部件是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移栽的關(guān)鍵部件，因此本文主要針對(duì)取苗和供苗部件進(jìn)行分析與研究，設(shè)計(jì)出一種移栽性能穩(wěn)定、可靠的自動(dòng)移栽機(jī)。

3.1 取苗部件

取苗過(guò)程分為取苗、送苗、投苗及回程4個(gè)環(huán)節(jié)。其中，取苗和投苗是關(guān)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(zhǔn)確投入栽植部件內(nèi)。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)取苗機(jī)構(gòu)時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：取苗時(shí)，取苗爪以垂直苗盤(pán)姿態(tài)插入基質(zhì)，到達(dá)預(yù)定深度后夾緊，再原路退回將苗拔出穴盤(pán)；投苗時(shí)，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(pán)時(shí)對(duì)基質(zhì)產(chǎn)生的擾動(dòng)，保證基質(zhì)完整性，苗針在取苗位置的軌跡也應(yīng)垂直于苗盤(pán)，其取苗軌跡如圖3所示。

本文設(shè)計(jì)一種齒輪-五桿式取苗機(jī)構(gòu)，并采用迎苗扎取方式進(jìn)行取苗，每次取苗為單株取苗，尺寸較小，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。取苗部件主要由齒輪傳動(dòng)箱、曲柄a、曲柄b、雙連桿、取苗臂及取苗爪等結(jié)構(gòu)組成，如圖3所示。齒輪傳動(dòng)箱通過(guò)兩個(gè)齒輪分別帶動(dòng)曲柄a和b轉(zhuǎn)動(dòng)，然后取苗爪在曲柄-連桿及取苗臂的共同作用下進(jìn)行擺動(dòng)，并保證其末端形成特定的取苗軌跡，以滿(mǎn)足缽苗自動(dòng)移栽機(jī)取苗和投苗動(dòng)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(dòng)箱 7.取苗針 8.擋苗環(huán)

取苗爪的結(jié)構(gòu)形式直接影響著取出缽苗的質(zhì)量，本機(jī)型取苗爪在現(xiàn)有的4針式結(jié)構(gòu)[29]基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖3)；改進(jìn)后的取苗爪由2根取苗叉構(gòu)成，且每根取苗叉都包含有2個(gè)取苗針，既能夠滿(mǎn)足苗爪環(huán)抱基的取苗效果，又簡(jiǎn)化了取苗爪結(jié)構(gòu)。

由于缽苗基質(zhì)有一定的粘性，投苗作業(yè)時(shí)苗針張開(kāi)并不能將苗有效脫離，仍需借助外力，因此在苗針根部設(shè)計(jì)擋苗環(huán)，通過(guò)凸輪-彈簧結(jié)構(gòu)控制苗針，投苗時(shí)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

3.2 供苗部件

取苗爪在同一位置重復(fù)取苗，因此供苗部件應(yīng)根據(jù)穴盤(pán)橫向穴距(36mm)和縱向穴距(36.5mm)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證將缽苗準(zhǔn)確和穩(wěn)定地送到取苗位置。

供苗部件機(jī)構(gòu)主要由橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)和縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)兩部分組成，如圖5所示。橫向進(jìn)給供苗機(jī)構(gòu)采用插秧機(jī)螺旋軸結(jié)構(gòu)連續(xù)供苗[30-32]，為保證取苗爪取苗穩(wěn)定，在螺旋軸動(dòng)力輸入端設(shè)計(jì)一組不完全齒輪，進(jìn)行動(dòng)力的間歇傳遞，并在兩個(gè)齒輪上設(shè)計(jì)限位弧，確保兩齒輪不嚙合時(shí)，從動(dòng)齒輪不轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證取苗爪苗針在插入和拔出苗缽的過(guò)程中苗盤(pán)靜止，增加取苗成功率和苗缽取出的完整性。毯狀苗插秧機(jī)栽插作業(yè)時(shí)對(duì)縱向進(jìn)給的精度要求并不嚴(yán)格，為保證準(zhǔn)確縱向供苗，應(yīng)對(duì)插秧機(jī)縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)[33-35]。本機(jī)型縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用棘輪結(jié)構(gòu)，保證了每次進(jìn)給量的一致性，且能夠有效地消除周期誤差，較好地實(shí)現(xiàn)縱向精準(zhǔn)進(jìn)給。

1.橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu) 2.棘輪機(jī)構(gòu) 3.縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu) 4.不完全齒輪 5.盤(pán)形凸輪 6.螺旋凸輪軸 7.橫移軸

工作過(guò)程：動(dòng)力通過(guò)鏈傳動(dòng)傳遞給不完全齒輪，由不完全齒輪實(shí)現(xiàn)螺旋凸輪軸1/4周期間歇運(yùn)動(dòng)，螺旋凸輪軸再通過(guò)滑塊驅(qū)動(dòng)橫移軸(苗盤(pán)架)橫向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)橫向間歇供苗以及取苗爪靜止取苗；當(dāng)橫移軸(苗盤(pán)架)分別橫移至兩端處時(shí)，則此排缽苗已被全部取出；隨之盤(pán)形凸輪帶動(dòng)橫移軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并由棘輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)縱向進(jìn)給定位，保證下一排缽苗運(yùn)動(dòng)到取苗位置；最后橫移軸反向移動(dòng)，帶動(dòng)取苗爪完成新一排的取苗動(dòng)作。

3.3 栽植部件

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(jié)構(gòu)，上端為圓筒形狀且與行星輪軸固結(jié)，下端為錐筒形狀且在凸輪作用下可左右分合以實(shí)現(xiàn)接苗和栽苗動(dòng)作。行星齒輪變速箱主要由太陽(yáng)輪、中間過(guò)渡輪、行星輪和箱體組成，動(dòng)力通過(guò)箱體帶動(dòng)整個(gè)輪系轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)行星輪軸(栽植器)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能夠保持行星輪軸(栽植器)豎直栽苗狀態(tài)，滿(mǎn)足栽植要求。該行星齒輪箱通過(guò)均勻布置3組栽植器，能夠有效降低高效作業(yè)下振動(dòng)不平衡問(wèn)題，進(jìn)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

3.4 壓實(shí)輪

缽苗栽植過(guò)程中，土壤回流能夠?qū)崿F(xiàn)缽苗的定植效果，但在硬質(zhì)土壤和粘性土壤環(huán)境下栽植作業(yè)時(shí)，僅靠土壤回流并不能實(shí)現(xiàn)缽苗良好的定植效果，故在栽植部件后設(shè)置了一個(gè)壓實(shí)輪結(jié)構(gòu)，以改善其定植效果。壓實(shí)輪為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，下端內(nèi)傾，呈倒“八”字形，如圖7所示。在移栽過(guò)程中，壓實(shí)輪能夠?qū)徝缰車(chē)寥肋M(jìn)行擠壓，以實(shí)現(xiàn)已栽缽苗苗缽的覆土和壓實(shí)。

圖7 壓實(shí)輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Diagram of soil compaction device

4 樣機(jī)性能試驗(yàn)

為檢驗(yàn)該缽苗自動(dòng)移栽機(jī)的工作性能，選取取苗成功率、漏栽率和移栽效率為檢測(cè)指標(biāo)，對(duì)該自動(dòng)移栽機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)考核，如圖8所示。試驗(yàn)場(chǎng)地為河北省唐縣白塔村翻耕且平整過(guò)的沙壤土地，土壤含水率約為15%；試驗(yàn)動(dòng)力為東方紅300拖拉機(jī)；試驗(yàn)對(duì)象為苗期45天的西紅柿穴盤(pán)苗，平均缽苗總高為18cm，缽苗基質(zhì)含水率約為18%。試驗(yàn)按照缽苗栽植株距33～35cm、栽植深度5～7cm的要求進(jìn)行，每次試驗(yàn)移栽一整盤(pán)缽苗(128株)，記錄每次試驗(yàn)所用時(shí)間t、取苗后苗盤(pán)中未取出缽苗數(shù)n及地面移栽后漏栽苗數(shù)m，并進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)。試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)按式(1)～式 (3)進(jìn)行計(jì)算，分析結(jié)果如表1所示。

(1)

(2)

(3)

圖8 試驗(yàn)樣機(jī)及田間試驗(yàn)Fig.8 Prototype and field experiment

表1 試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results

由表1數(shù)據(jù)可知：該自動(dòng)移栽機(jī)移栽效率達(dá)到71.7株/(min·行)時(shí)，取苗成功率為97.1%，缽苗漏栽率為4.4%，自動(dòng)移栽機(jī)整體運(yùn)轉(zhuǎn)良好，能夠較好地滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

1)以齒輪-五桿組合機(jī)構(gòu)為研究基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種齒輪-五桿式取苗機(jī)構(gòu)，并研制出了一種旱地自動(dòng)缽苗移栽機(jī)。該移栽機(jī)依靠機(jī)械自身能夠完成自動(dòng)取苗、供苗及栽苗環(huán)節(jié)，解放了勞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了穴盤(pán)缽苗從苗盤(pán)到大田的機(jī)械化自動(dòng)移栽。

2)試驗(yàn)結(jié)果表明：該旱地缽苗自動(dòng)移栽機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)良好，作業(yè)性能可靠，移栽作業(yè)效率達(dá)到71.7株/(min·行)時(shí)，取苗成功率為97.1%，漏栽率為4.4%，能夠滿(mǎn)足預(yù)期設(shè)計(jì)要求，較好地提高了移栽效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，為后期自動(dòng)移栽機(jī)設(shè)計(jì)與研究提供了參考。