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        旱地缽苗自動(dòng)移栽機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

        2019-12-21 02:49:00何亞凱李樹君高希文韓振浩郝朝會(huì)
        農(nóng)機(jī)化研究 2019年4期
        關(guān)鍵詞:投苗缽苗部件

        何亞凱,崔 巍,李樹君,高希文,陳 科,韓振浩,郝朝會(huì)

        (1.中國農(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]。國外發(fā)達(dá)國家移栽機(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?,F(xiàn)在歐美、日本等國家已經(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)與國內(nèi)移栽農(nóng)藝脫節(jié)等原因沒有在國內(nèi)推廣應(yīng)用[9-16]。

        本文通過借鑒國內(nèi)外先進(jìn)自動(dòng)移栽技術(shù)并結(jié)合國內(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

        穴盤規(guī)格:128(16×8)穴,塑料軟盤

        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,鴨嘴內(nèi)缽苗靠重力作用落入苗穴,然后壓實(shí)輪對缽苗周圍土壤進(jìn)行覆土鎮(zhèn)壓,使得缽苗栽植穩(wěn)定,完成移栽過程。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)滿足以下要求:取苗時(shí),取苗爪以垂直苗盤姿態(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;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時(shí)對基質(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,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)相對簡單。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,既能夠滿足苗爪環(huán)抱基的取苗效果,又簡化了取苗爪結(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(jī)栽插作業(yè)時(shí)對縱向進(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.盤形凸輪 6.螺旋凸輪軸 7.橫移軸

        工作過程:動(dòng)力通過鏈傳動(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),螺旋凸輪軸再通過滑塊驅(qū)動(dòng)橫移軸(苗盤架)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輪、中間過渡輪、行星輪和箱體組成,動(dòng)力通過箱體帶動(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(dòng)不平衡問題,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)輪為對稱結(jié)構(gòu),下端內(nèi)傾,呈倒“八”字形,如圖7所示。在移栽過程中,壓實(shí)輪能夠?qū)徝缰車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指標(biāo),對該自動(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(yàn)動(dòng)力為東方紅300拖拉機(jī);試驗(yàn)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(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)移栽一整盤缽苗(128株),記錄每次試驗(yàn)所用時(shí)間t、取苗后苗盤中未取出缽苗數(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)了穴盤缽苗從苗盤到大田的機(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。

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