楊幸運 都興隆 劉 巖

（鄭州科技學院車輛與交通工程學院，河南 鄭州 450000）

甘薯又名紅薯、白薯等，屬旋花科甘薯屬一年生草本植物［1］。甘薯是我國的重要糧食作物之一，在確保糧食安全中占有重要的地位，因此，研究和推廣甘薯生產(chǎn)機械尤為重要［2］。

我國北方耕地以旱地為主，故而扦插秧苗質(zhì)量對秧苗成活率影響極大。目前市場上常見的扦插機械種植效率和成活率均不理想，因此，亟須研制一款種植效率和扦插質(zhì)量均較高的秧苗扦插機械來代替人工完成種植作業(yè)，以不斷提升農(nóng)作物生產(chǎn)效率，加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程。

1 甘薯秧苗氣動扦插裝置控制系統(tǒng)設計目標

①以氣動扦插裝置電子控制電路為主要研究主體，根據(jù)實際使用環(huán)境調(diào)整相關參數(shù)，并不斷優(yōu)化結構性能，以達到快速、高效進行扦插作業(yè)的目的。

②甘薯插苗移栽機應設計為拖掛式連接機型，所有旋轉(zhuǎn)地輪均應安裝一個車輪速度傳感器，以提高移栽機在不同耕地環(huán)境下的移栽質(zhì)量和移栽合格率。

③為不影響試驗結果的準確度，應在移栽機尾部安裝覆土輪，避免人工覆土厚度不一致，以保證試驗質(zhì)量。

④其他附屬裝置由座椅、導苗筒、苗架等組成。

2 甘薯秧苗氣動扦插裝置控制系統(tǒng)結構及工作原理

2.1 系統(tǒng)結構設計

除輔助構件外，甘薯秧苗氣動扦插裝置控制系統(tǒng)主要由薯苗漏斗、導苗筒、工作缸、開穴錐頭、連桿機構、輪速傳感器、儲氣罐、蓄電池、控制電路、兩位五通電磁換向閥、微型氣泵、氣管等組成。大體上，甘薯秧苗氣動扦插裝置控制系統(tǒng)的整體結構圖如圖1所示。

圖1 甘薯秧苗氣動扦插裝置控制系統(tǒng)的整體結構

2.2 工作原理

如圖2 所示，將移栽機掛載到農(nóng)用拖拉機上，進入已根據(jù)要求起壟的田間使其調(diào)至工作狀態(tài)。在拖拉機的牽引力作用下，移栽機開始工作，固定在地輪上每個光電傳感器檢測到遮光盤轉(zhuǎn)動帶來的光線變化向控制系統(tǒng)傳送脈沖信號。由于光電傳感器遮光盤上共有18 個大小相等的缺口，即地輪每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生18 個周期的脈沖信號，故移栽機行走距離可由式（1）（2）進行計算：

圖2 甘薯秧苗氣動扦插裝置控制系統(tǒng)工作流程

式（1）中，Sn表示某一地輪移動的距離，單位為m；a表示地輪實際旋轉(zhuǎn)的角度；r表示車輪半徑。式（2）中，L表示移栽機行走距離，單位為m；-S表示4 個地輪平均測量得到的移動距離；S1、S2、S3、S4表示4個地輪各自測量得到的移動距離；N表示地輪數(shù)量。

單片機將計算得到的移栽機移動距離與設定株距相比較，當達到設定株距時，向氣壓傳動換向電磁閥發(fā)出動作信號，控制導苗筒上下移動和開穴錐形頭開穴。移栽機繼續(xù)向前移動時，位于末尾的覆土輪將兩側的土壤推向秧苗，完成覆土作業(yè)。由此不斷循環(huán)來高效完成移栽種植作業(yè)。

3 甘薯秧苗氣動扦插裝置控制系統(tǒng)使用性能試驗

3.1 試驗條件

該試驗在鄭州科技學院花房內(nèi)進行，試驗田地平坦，經(jīng)清理后無雜草殘茬覆蓋、土質(zhì)疏松，人工起壟頂寬450～500 mm、底寬700～750 mm、高220～250 mm，地塊長度30 m。田塊土質(zhì)類型為棕壤、黃褐土，經(jīng)人工處理后土壤疏松肥沃，表層土壤（0～50 mm）含水率為12.1%，下層土壤（50～100 mm）含水率為13.7%，符合中華人民共和國工業(yè)和信息化部發(fā)布的《旱地栽植機械》（JB/T 10291—2013）標準對試驗土壤的要求。試驗署苗品種為“龍薯九號”，苗高180～220 mm，從育苗大棚批量采購，試驗前篩除高度不合格幼苗［3‐4］，以降低苗齡過小對試驗結果的影響。

3.2 試驗內(nèi)容

3.2.1 栽植頻率。栽植頻率（f）為單位時間內(nèi)在一個栽植行內(nèi)栽植到地里的全部秧苗株數(shù)（z）與時間（t，單位為s）之比。該試驗測定移栽30 m（一行）甘薯苗的所用時間，并記錄移栽株數(shù)，由式（3）計算移栽頻率［5］：

3.2.2 距變異系數(shù)。測量栽植行內(nèi)相鄰2 株秧苗與地面的交點在栽植行中心線上的投影距離X1，比較實測株距X1與設計株距XR之間的差異，判斷實測株距X1是否合格，根據(jù)式（4）計算株距變異系數(shù)［5］：

式（4）中，CVx表示株距變異系數(shù)；Sx表示株距標準差，單位為cm表示株距平均值，單位為cm。

3.2.3 栽植深度合格率［5］。測量從秧苗與覆土面交點到秧苗根部的垂直距離，稱栽植深度。以栽植深度小于苗高的1/5 或大于苗高的2/5 為不合格。根據(jù)式（5）計算栽植深度合格率H1：

式（5）中，Nh表示栽植深度合格的總數(shù)，N表示測定段內(nèi)的栽植株數(shù)。

3.2.4 栽植合格率［5］。栽植合格率（Q）為移栽后合格株數(shù)占測定段設計株數(shù)的百分比，由式（6）計算得出：

式（6）中，NCZ表示重栽株數(shù)；NDF表示倒伏株數(shù)，NMM表示埋苗株數(shù)；NLM表示露苗株數(shù)；NSM表示傷苗株數(shù)，N′表示測定段內(nèi)的設計株數(shù)。

3.3 試驗結果

為保證試驗數(shù)據(jù)具有普遍性，試驗分3 次進行，取平均值。結果表明，該移栽機在保證栽植合格的情況下最大允許栽植頻率fmax為100 株/min；由于控制系統(tǒng)的優(yōu)越性，株距變異系數(shù)相對穩(wěn)定，其平均株距變異系數(shù)-CVx為6.9；在栽植頻率為80 株/min 左右的情況下，栽植深度平均合格率-H1為97.9%，平均栽植合格率-Q為93.4%。

4 結論

以氣壓傳動機構為控制基礎，以車輪速度傳感器、氣缸行程開關為感知元件，以單片機控制電路為核心的氣動扦插裝置控制系統(tǒng)經(jīng)試驗后得出，該移栽機能順利完成扦插作業(yè)，系統(tǒng)功能設計符合實際使用需求，較傳統(tǒng)機械控制式扦插機械具有適應性強、株距控制精準、扦插質(zhì)量受移動速度變化影響較小、栽植效率高等優(yōu)點，移栽性能良好，能在農(nóng)業(yè)機械現(xiàn)代化發(fā)展進程中起到一定的推動作用。