張飛 馬建民 張傳斌 李建華 韓阿麗

摘要：為克服傳統(tǒng)煙苗移栽機無法滿足井窖式移栽農(nóng)藝要求的問題，設計由拖拉機懸掛牽引的2QBZ-1型煙苗井窖式移栽機。通過建立三維模型對井窖制作裝置、移栽裝置及澆水裝置進行合理的結(jié)構布置；通過計算和反復試驗對移栽機傳動系統(tǒng)的傳動比進行匹配。試驗表明：該機適用莖高5～8cm的小苗移栽，株距在50～60cm內(nèi)可以調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)斷續(xù)穴灌澆水，每穴澆水量在200～1 000mL內(nèi)無級調(diào)節(jié)，漏根率≤2.47%，埋苗率≤2.20%，合格率≥95.33%，可減輕煙農(nóng)的勞動強度，提高煙苗的成活率和生產(chǎn)效率，降低移栽成本。

關鍵詞：煙苗；井窖式移栽機；井窖制作；斷續(xù)澆水

中圖分類號：S223.94

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2023） 12000506

Design and experiment of well-cellar transplanter for tobacco seedling

Zhang Fei1， 2， Ma Jianmin1， 2， Zhang Chuanbin1， 2， Li Jianhua3， Han Ali4

（1. Henan Modern Agricultural Intelligent Equipment Engineering Technology Research Center， Xuchang， 461000，

China； 2. Xuchang College of Vocational Technology， Xuchang， 461000， China; 3. Henan Tobacco Company

Xuchang Company， Xuchang， 461000， China; 4. Xuchang Jianan District Agricultural Machinery Supervision

Station， Xuchang， 461000， China）

Abstract：

In order to solve the problem that the traditional transplanter of tobacco seedling can not meet the agronomic requirements of well-cellar transplanting，a new 2QBZ-1 well-cellar transplanter for tobacco seedling pulled by tractors is designed. By establishing a three-dimensional model to reasonably arrange the structure of the well cellar production device， transplanting device， and watering device， the overall structure is more compact. Through calculation and repeated experiments， the transmission ratio of the transplanting machine transmission system is matched. The experiment shows that this machine is suitable for transplanting small seedlings with a stem height of 5-8cm. The plant spacing can be adjusted within 50-60cm， and intermittent hole watering can be achieved. The watering amount per hole is steplessly adjusted within 200-1 000mL. After transplanting， the root leakage rate is less than 2.47%， the seedling burial rate is less than 2.20%， the qualification rate is more than 95.33%. This function effectively reduces the labor intensity of tobacco farmers， improves the survival rate and production efficiency of tobacco seedlings， and significantly reduces the cost of transplanting.

Keywords：

tobacco; well-cellar transplanting; well-cellar production; intermittent watering

0 引言

煙葉是以移栽為主的作物。我國是世界上最大的煙葉生產(chǎn)國，但是煙葉生產(chǎn)的機械化水平較低，尤其是煙葉移栽、采摘環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有的機具價格昂貴、技術不成熟、機具可靠性差，嚴重制約了煙葉種植全程機械化的進程［1］，煙草機械化移栽已經(jīng)成為制約煙草機械化生產(chǎn)的瓶頸［2］。

煙草井窖式移栽是在地膜覆蓋栽培的基礎上，融合煙草小苗移栽、深栽技術形成的一種新型栽培模式［1］。煙苗井窖式移栽需要先在壟上挖出井窖，再把5～8cm左右的煙草小苗垂直栽入井窖中，然后覆土、澆水、覆膜，覆膜后膜與煙苗頂部有3～5cm距離，煙苗在微型溫室的井窖中生長發(fā)育，待煙苗長到一定高度時再在薄膜上打孔，防止日光灼傷煙苗生長點。井窖移栽的優(yōu)點是井窖較好地營造了適宜煙苗早期生長的土壤溫度、濕度環(huán)境，實現(xiàn)了煙草小苗適期早栽及深栽培土，對促進煙苗根系早生快發(fā)，增強煙草抗旱能力、提高肥料的利用率，增強煙株抗病性，減少感病幾率和病蟲害發(fā)生率效果顯著，有效解決了烤煙最佳移栽時間與壯苗不同步的問題［23］。

目前，由于井窖式移栽模式的實施時間較短，煙草井窖式移栽存在的問題是沒有與之配套的機械化移栽設備，井窖式移栽主要靠人工或半機械化作業(yè)，無法實現(xiàn)煙草的全機械化井窖式移栽，由于人工成本較高，實現(xiàn)減工降本目標任務非常艱巨。2013年，劉愛輝等［4］研制出一種簡易烤煙井窖式移栽打孔器，該打孔器靠人力制作井窖，雖然制作井窖的效率有所提高，但是勞動強度大，株距一致性難以保證；2015年，田興春等［5］研制出井窖移栽打孔機，該機以汽油機作動力，采用人工背負機器手持打孔制作井窖，雖然制作井窖的效率進一步提高，但是仍然存在勞動強度大，株距一致性難以保證的問題；2016年，孫培和等［6］研制的拖拉機牽引的井窖式膜下移栽打孔機，這些煙草井窖式移栽設備制作井窖的效率高，井窖株距均勻一致，但是僅解決了井窖制作的問題，移栽、澆水、覆膜仍需由人工完成，實現(xiàn)減工降本效果不顯著。

基于此，本文研發(fā)一種由拖拉機牽引的煙苗井窖式移栽機，通過三維建模對整機結(jié)構進行結(jié)構優(yōu)化設計，根據(jù)農(nóng)藝要求設計傳動系統(tǒng)，進一步優(yōu)化地輪與移栽曲柄的傳動比，不同株距煙苗移栽傳動比可進行調(diào)整，并對移栽裝置、井窖制作裝置、澆水裝置結(jié)構進行設計和匹配試驗，確定整機最優(yōu)參數(shù)。

1 整機結(jié)構與工作原理

2QBZ-1型煙苗井窖式移栽機結(jié)構如圖1所示，主要由傳動裝置、井窖制作裝置、覆土裝置、移栽裝置，投苗機構、澆水裝置、電動水量控制調(diào)節(jié)裝置等組成。該機由拖拉機懸掛牽引作業(yè)，在拖拉機兩側(cè)的翼子板上分別安裝2個水箱，提供煙苗移栽用水。

牽引式煙苗井窖式移栽機通過3點懸掛方式與拖拉機掛接，利用拖拉機的動力牽引井窖式移栽機前進，井窖移栽機的全部動力均通過移栽機的地輪提供，兩側(cè)地輪的動力通過傳動裝置分別驅(qū)動井窖制作裝置、移栽裝置、澆水裝置、投苗裝置工作。投苗員坐在移栽機的座椅上，負責向投苗裝置的苗杯里投擲煙苗，苗杯里的煙苗由投苗裝置自動投入移栽鴨嘴內(nèi)腔。移栽鴨嘴鉸接在移栽連桿下端，移栽連桿由地輪傳動裝置通過雙曲柄機構驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，確保鴨嘴隨移栽連桿旋轉(zhuǎn)時始終垂直地面，移栽連桿設計成內(nèi)空結(jié)構，內(nèi)部安裝澆水控制閥，控制連桿內(nèi)腔的水斷續(xù)排出，挖土裝置采用挖土鏟式，布置在移栽裝置的前方，采用曲柄搖桿機構驅(qū)動。移栽時先利用挖土鏟在煙壟上挖出井窖，并把井窖里挖出的土壤堆放在兩個井窖之間，形成支撐薄膜的土墻，隨后利用鴨嘴攜帶煙苗插入井窖底部的土壤里，接著凸輪機構控制鴨嘴張開吐出煙苗，井窖底部的土壤靠自重滑落到煙苗根部，完成覆土移栽，隨后澆水凸輪機構打開澆水閥，移栽連桿內(nèi)部貯存的水通過鴨嘴內(nèi)置水道注入煙苗根部。每個井窖的澆水量由電動水量控制閥通過改變閥的開度大小進行調(diào)節(jié)，澆水量大小視土壤墑情而定。移栽連桿每轉(zhuǎn)一圈，前部的井窖制作裝置挖出一個井窖，投苗裝置向鴨嘴內(nèi)腔投苗一次，鴨嘴向井窖內(nèi)移栽、澆水一次。

2 關鍵部件設計

2.1 移栽機傳動系統(tǒng)設計

2.1.1 傳動系統(tǒng)動力方案選擇

制作井窖及移栽等農(nóng)藝過程消耗的動力需要由移栽機的傳動系統(tǒng)提供，傳動系統(tǒng)可以從拖拉機動力輸出軸取力，也可以從移栽機的地輪取力。拖拉機動力輸出軸的類型有獨立式和非獨立式兩種，不同企業(yè)生產(chǎn)的拖拉機其動力輸出軸的類型和輸出轉(zhuǎn)速高低并不完全相同，驅(qū)動輪直徑也不完全相同，若選擇不同的拖拉機牽引并驅(qū)動移栽機作業(yè)會出現(xiàn)煙苗移栽株距不同，導致一種移栽機只能由某一種特定型號的拖拉機牽引作業(yè)，因此移栽動力不宜從拖拉機動力輸出軸取出；若選擇從地輪取力的傳動方案，移栽的株距與牽引移栽機的拖拉機類型無關，移栽株距大小僅與移栽機的地輪直徑及傳動系統(tǒng)的傳動比有關，選用地輪作為驅(qū)動移栽機傳動系統(tǒng)的動力，無論采用哪種類型的拖拉機牽引作業(yè)，移栽株距都固定不變，因此選擇地輪取力的方案最為合適。

2.1.2 傳動系統(tǒng)設計

1） 移栽作業(yè)速度的確定。人工投苗可靠性高，可把不合格煙苗進行剔除，投苗裝置結(jié)構簡單，制造成本低，因此本移栽機選用人工投苗方式。移栽效率取決于人工投苗的頻率，投苗頻率因人而異，為了最大限度提高移栽的效率，移栽時拖拉機的行走速度應能根據(jù)投苗頻率確定，在不出現(xiàn)漏投漏栽前提下車速盡可能高。根據(jù)人機工程學的要求，人工投苗頻率以2 000～3 000次/h為宜，煙苗株距一般50～60cm，因此拖拉機牽引移栽機的作業(yè)速度應在1.0～1.8km/h內(nèi)［7］。

2） 傳動系統(tǒng)技術方案確定。根據(jù)煙苗井窖式移栽的農(nóng)藝要求，移栽過程包括井窖制作、移栽、穴灌斷續(xù)澆水3個過程，由于井窖制作和移栽部分均需要地輪提供動力，地輪需要產(chǎn)生很大驅(qū)動力矩才能驅(qū)動移栽機各部分進行工作，因此地輪采用左右兩個對稱布局，地輪選用橡膠輪胎，以增加地輪與地面摩擦力，防止地輪因阻力矩太大產(chǎn)生打滑而影響移栽株距的一致性。傳動系統(tǒng)結(jié)構布置如圖2所示。地輪產(chǎn)生的動力通過兩側(cè)輪邊傳動箱的齒輪驅(qū)動中間軸，中間軸通過中央的齒輪傳動箱驅(qū)動雙曲柄機構，移栽連桿由雙曲柄機構驅(qū)動，確保作業(yè)時移栽連桿始終與地面保持垂直，移栽鴨嘴鉸接在移栽連桿的下端，隨移栽連桿一起運動，同時移栽連桿的前部與驅(qū)動連桿鉸接，通過驅(qū)動連桿帶動曲柄搖桿機構驅(qū)動挖土鏟，通過挖土鏟的上下擺動挖出煙壟上土壤，完成井窖制作，投苗裝置的動力也從齒輪傳動箱一側(cè)的鏈輪上取出，通過鏈條傳動、錐齒輪傳動驅(qū)動投苗裝置工作。

3） 傳動系統(tǒng)傳動比設計。井窖制作裝置選用挖土鏟挖土形成井窖，移栽裝置選用鴨嘴將煙苗栽入井窖底部的土壤里，通過凸輪控制鴨嘴張開吐出煙苗，鴨嘴鉸接安裝在雙曲柄機構的移栽連桿上，由齒輪傳動箱通過雙曲柄機構驅(qū)動鴨嘴隨移栽連桿運動，雙曲柄機構的上下兩個曲柄長度相等，轉(zhuǎn)向相同，曲柄轉(zhuǎn)動1周，鴨嘴隨移栽連桿機構旋轉(zhuǎn)1周，完成1株煙苗的移栽。井窖制作裝置、移栽裝置的動力均來源于地輪，由于煙苗株距需要大小一致，因此地輪轉(zhuǎn)速與移栽曲柄的轉(zhuǎn)速應有嚴格的速比關系［89］。地輪與移栽曲柄的傳動比為i，可按式（1）計算。

式中：

nd——地輪轉(zhuǎn)速；

nq——移栽曲柄轉(zhuǎn)速；

dd——地輪半徑，m；

l——煙苗株距，m。

在驅(qū)動輪直徑和系統(tǒng)各級齒輪齒數(shù)不變的條件下，為了能調(diào)節(jié)煙苗的移栽株距，地輪與移栽曲柄間的總傳動比應能調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)可通過更換不同齒數(shù)的株距調(diào)節(jié)齒輪副變更系統(tǒng)的傳動比i，滿足不同地區(qū)煙苗株距不同的農(nóng)藝要求。

2.2 移栽裝置設計

目前移栽裝置有鏈夾式、鴨嘴式多種結(jié)構形式，本移栽機的移栽裝置決定采用鴨嘴式結(jié)構，鴨嘴在移栽過程中起接苗、栽植、扶苗、覆土的作用。為了保證煙苗移栽的直立度，以獲得較理想的移栽效果，鴨嘴運動軌跡最理想的狀態(tài)是從入土到出土在前進方向靜止不動，本文研究技術方案采用單鴨嘴結(jié)構，鴨嘴裝置原理如圖3（a）所示。鴨嘴采用雙曲柄機構驅(qū)動，由地輪驅(qū)動齒輪傳動箱，在傳動箱的上下輸出軸一端分別安裝上下曲柄，移栽連桿通過上下曲柄銷與上下曲柄鉸接，上下曲柄長度相等，組成雙曲柄機構，前鴨嘴和后鴨嘴鉸接在移栽連桿下端，作業(yè)時靠凸輪機構驅(qū)動前后鴨嘴同步張開，鴨嘴閉合靠復位彈簧，利用平行四邊形連桿機構的運動特性，確保鴨嘴隨移栽連桿運動時始終垂直地面。鴨嘴采用前后張開方式，為了確保前后兩鴨嘴能同步張開，前后鴨嘴上裝有同步張開機構，前鴨嘴張開臂上的銷軸嵌套在后移栽張開臂的長槽里，同步張開機構相當于一對外嚙合的扇形齒輪。為了減小鴨嘴入土后的前后位移量，設計時應保證移栽連桿的轉(zhuǎn)向應與地輪一致，這樣可以利用鴨嘴入土時隨移栽連桿向后轉(zhuǎn)動的分速度與移栽機前進的分速度進行抵消，鴨嘴的運動軌跡方程如式（2）所示。

式中：

x、y——鴨嘴移栽器沿x軸、y軸的位移，m；

θ——移栽曲柄與水平面的夾角；

φ——曲柄的初始位置相位角；

R——栽植曲柄的半徑，m；

ω——移栽曲柄的角速度，rad/s；

t——工作時間，s；

vm——拖拉機的前進速度，m/s。

1.鴨嘴 2.下曲柄 3.移載連桿 4.上曲柄

鴨嘴運動軌跡決定其移栽的質(zhì)量，影響軌跡的因素主要有曲柄轉(zhuǎn)動的角速度、曲柄半徑。曲柄的角速度與傳動系統(tǒng)傳動比有關，傳動比決定了移栽的株距，在株距不變的條件下，曲柄半徑的大小決定了移栽軌跡的形狀，是影響移栽質(zhì)量的關鍵參數(shù)。當拖拉機前進速度不變的情況下，改變曲柄轉(zhuǎn)動的角速度ω可以改變移栽株距，鴨嘴的運動軌跡如圖3（b）所示。曲線R1為曲柄半徑R過短時鴨嘴的運動軌跡，鴨嘴后移速度低于拖拉機前進速度，鴨嘴入土后出現(xiàn)明顯前移，導致移栽后的煙苗產(chǎn)生前傾，曲線R3為曲柄半徑R過長時鴨嘴的運動軌跡，鴨嘴后移速度高于拖拉機前進速度，鴨嘴入土后出現(xiàn)明顯后移，導致移栽后的煙苗產(chǎn)生后傾，曲線R2為曲柄半徑R長短合適時的鴨嘴運動軌跡，這種余擺線軌跡實現(xiàn)鴨嘴從入土到出土的這段時間，鴨嘴前后方向基本無位移，可以獲得比較理想的移栽效果［10］。

2.3 井窖制作裝置設計

井窖制作裝置采用挖土鏟結(jié)構，位置布置在移栽裝置前方，與鴨嘴同步動作，挖土鏟與鴨嘴前后距離等于移栽株距，挖土鏟利用曲柄搖桿機構驅(qū)動，結(jié)構如圖4所示。井窖制作裝置由上下擺桿、挖土鏟、連桿等組成，上下擺桿長度相等，后端鉸接在機架上，前端鉸接在挖土鏟上，挖土鏟、上下擺桿與機架之間形成一個平行四邊形機構，利用行四邊形機構的運動特性確保挖土鏟運動時始終垂直地面，為了簡化挖土鏟動力方案，挖土鏟通過驅(qū)動連桿鉸接在移栽連桿上，驅(qū)動連桿上端鉸接點隨移栽連桿做圓周運動，下端鉸接點隨挖土擺桿往復擺動，挖土鏟的運動軌跡方程為

式中：

x′、y′——挖土鏟沿x軸、y軸的位移，m；

l1——挖土擺桿長度，m；

l2——挖土擺桿擺動中心與驅(qū)動連桿下交接點的中心距，m。

2.4 澆水裝置設計

為了確保煙苗移栽的成活率，把5葉1芯煙草小苗移栽到井窖里后，必須及時進行澆水，移栽時移栽傳動裝置通過雙曲柄平行四桿機構驅(qū)動鴨嘴機構及澆水機構。為了簡化澆水裝置的結(jié)構，把澆水裝置設計成內(nèi)置式同步澆水裝置［1115］，如圖5所示，其特點是把移栽連桿設計成內(nèi)空結(jié)構用來儲存水，內(nèi)腔安裝澆水控制閥，通過凸輪機構控制澆水控制閥準時啟閉，控制連桿內(nèi)腔儲存的水定時斷續(xù)排出，由澆水控制閥排出的水通過前鴨嘴設計的內(nèi)置水道，從煙苗的前方及兩側(cè)注入井窖，確保澆水與移栽的同步，前鴨嘴內(nèi)由分水板分隔成水道煙苗通道兩部分，水道由分水板與前鴨嘴壁圍成，煙苗通道由分水板與后鴨嘴壁圍成。移栽時煙苗由煙苗通道進入井窖內(nèi)的土壤內(nèi)，水由內(nèi)置水道進入井窖內(nèi)，確保煙苗葉片不沾水，促進井窖底部的土壤與煙苗的貼合，保證移栽的成活率。為了減少井窖斷續(xù)澆水停止后仍有滴水現(xiàn)象，內(nèi)置水道長度應竟可能短，盡可能上下直通。為了能根據(jù)土壤墑情調(diào)節(jié)澆水量，在移栽連桿的進水口處安裝有電動水量控制閥，澆水控制系統(tǒng)通過改變閥的開度大小進行水量調(diào)節(jié)。

移栽時移栽傳動裝置通過雙曲柄平行四桿機構驅(qū)動鴨嘴機構及澆水機構，幼苗從投苗通道進入鴨嘴機構內(nèi)部，并隨鴨嘴機構入土、張開進入土壤內(nèi)，幼苗周圍的土壤在重力作用下滑落到幼苗根部，完成覆土，與此同時，澆水凸輪在上曲柄銷的帶動下轉(zhuǎn)動，澆水凸輪通過澆水擺臂、澆水連桿、澆水推桿，使?jié)菜刂崎y開啟，從澆水控制閥排出的水通過接水聚口、前鴨嘴上的專用水道，直接進入幼苗根部，并且確保澆水與移栽的同步。

3 田間試驗

3.1 試驗條件和方法

本機試驗主要參照JB/T 10291—2013《旱地栽植機》的規(guī)定進行，試驗用煙草苗采用漂浮育苗，苗高8～10cm（5葉1芯），煙苗均勻一致，試驗樣機2臺。

田間性能試驗于2021年4月在位于河南省中部的許昌縣桂村鄉(xiāng)呂莊村進行，試驗田為起過壟的煙田，土壤為壤土，壟高20～25cm，壟距1.2m，壟長200m，移栽株距55cm，煙苗徑高5～8cm，移栽機技術狀態(tài)良好。選取300m的壟長2段進行移栽機作業(yè)測試，第1段只測試移栽裝置，調(diào)整挖土鏟的位置參數(shù)；第2段進行移栽澆水測試，調(diào)節(jié)澆水凸輪位置，確定澆水開始時間。

3.2 試驗結(jié)果分析

煙苗井窖式移栽機試驗分兩階段進行，第1階段的移栽試驗只移栽不澆水，選擇不同高度位置挖土鏟進行井窖移栽對比，找出挖土鏟理想工作位置。第2階段進行澆水移栽試驗，把挖土鏟置于理想工作位置，利用改變澆水凸輪的安裝起始角進行試驗，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，在挖土鏟鏟尖最下位置比鴨嘴尖最下位置高出5cm狀態(tài)下移栽，煙苗在鴨嘴張開后土壤靠自重下滑實現(xiàn)覆土的效果最理想；若此位置太低，鴨嘴入土深度較淺，覆土效果很差，煙苗出現(xiàn)露根現(xiàn)象普遍；若此位置太高，鴨嘴入土深度太深，煙苗因覆土過多出現(xiàn)埋苗現(xiàn)象。此外在下止點后10°開始澆水，可以確保鴨嘴張開并完成覆土后才澆水，且在鴨嘴移出井窖前結(jié)束澆水，移栽效果較好，若澆水開始過早，易出現(xiàn)土壤尚未覆蓋到煙苗根部，水流就開始沖擊煙苗根部，煙苗因產(chǎn)生漂浮而出現(xiàn)栽后露根；若澆水開始時刻過晚，導致大量水在鴨嘴即將移出井窖時才從鴨嘴內(nèi)噴出，造成水流自高處沖擊井窖壁面形成泥流而掩埋煙苗，栽后易出現(xiàn)葉片粘泥或埋苗現(xiàn)象。

由表2可知，該機井窖制作直徑在152～156mm之間，偏差值為4mm，平均直徑154.1mm；井窖平均深度165.8mm，符合設計要求且尺寸穩(wěn)定，符合農(nóng)藝要求；株距在500～600mm內(nèi)可調(diào)整且一致性好，澆水量可控（200～1 000mL）均勻，移栽頻率穩(wěn)定在42株/min，移栽頻率穩(wěn)定且高。

4 結(jié)論

1） 通過合理匹配移栽機傳動系統(tǒng)的傳動比，對井窖制作裝置、移栽裝置及澆水裝置進行科學設計，通過樣機試制和田間試驗，2QBZ-1型煙苗井窖式移栽機移栽株距一致性好，井窖制作直徑、深度符合設計要求，尺寸穩(wěn)定、成型效果好，澆水量足，移栽效率高。

2） 通過兩個階段的試驗，該機通過挖土鏟制作井窖，利用鴨嘴式移栽裝置實現(xiàn)把煙草小苗栽入井窖里，利用電控水量閥控制水箱流入儲水室的水量，調(diào)節(jié)控制澆入每個井窖中水量，實現(xiàn)了移栽與澆水同步，有效避免了鴨嘴移栽時沾泥的問題，較好滿足了煙苗井窖式移栽的農(nóng)藝要求，株距在50～60mm內(nèi)可以調(diào)節(jié)，并實現(xiàn)了斷續(xù)穴灌澆水，每穴澆水量在200～1 000mL內(nèi)無級調(diào)節(jié)，覆土質(zhì)量好，漏根率≤2.47%，埋苗率≤2.20%，合格率≥95.33%，符合農(nóng)藝要求。

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