半自動煙苗栽植器的結構設計與試驗驗證

肖衛兵，孫松林

（1.湖南電氣職業技術學院，湖南 湘潭　411101；2.湖南農業大學 工學院，湖南 長沙　410128）

半自動煙苗栽植器的結構設計與試驗驗證

肖衛兵1，孫松林2

（1.湖南電氣職業技術學院，湖南 湘潭411101；2.湖南農業大學 工學院，湖南 長沙410128）

煙苗栽植器是煙草移栽機的核心機構，該機栽植器設計應用偏置雙圓盤四連桿旋轉工作原理，適合于栽植缽苗和漂浮苗。分析煙苗移栽時的運動情況知特征系數λ＞1是栽植器設計及保證移栽質量的基本依據和正常工作的必要條件，同時通過在不同栽植速度和深度情況下的正交試驗確定了栽植器各設計參數的具體值，從而建立鴨嘴運動軌跡的數學模型。

栽植器；鴨嘴；運動軌跡；數學模型；試驗

煙苗的移栽是煙葉種植的關鍵工序之一，目前采用人工移栽煙草的勞動效率很低，約0.02hm2/人·天，人工移栽的成本大約為1200～1500元/hm2，且存在勞動強度大，移栽質量差等問題；采用機械化移栽效率約0.8hm2/人·天且價格大約為300～600元/hm2，這樣就提高了勞動效率，降低了勞動成本，故實現煙苗移栽機械化作業能提高經濟效益，特別是對春旱嚴重，或春季少雨，夏旱來得較早的地區煙草移栽具有重要實用意義，因此實現我國煙草移栽機械化已成為農業生產的迫切需要。

1　半自動煙苗移植器的結構和工作原理

（1）結構。栽植器由四組鴨嘴組成，主要零部件有曲軸、偏置雙圓盤、凸輪、壓臂、連桿、左右連接軸、煙苗杯和凸輪壓板組合等，如圖1所示，主要完成開穴、投苗和培土三項工序，四組鴨嘴通過連桿上的軸均勻分布在偏置雙圓盤上，并使鴨嘴方向始終朝下，偏置雙圓盤由主動輪盤和被動輪盤組成。凸輪通過螺栓螺母固接在連桿上，與其配合使用的壓臂固接在鴨嘴上，凸輪和壓臂的共同作用來保證鴨嘴開啟的同步性。鴨嘴通過彈簧和連桿上的左右連接軸連接在秧苗杯的下方，同時煙苗杯通過左右連接軸連接在栽植器的連桿上，兩片鴨嘴的開啟和關閉同步性通過凸輪、壓臂和彈簧的控制作用來完成。

圖1　煙苗栽植器

（2）工作原理。該栽植器通過三點懸掛方式由18～28馬力輪式拖拉機帶動，能實現裸土移栽、膜下水栽和膜上水栽三種功能。地輪通過鏈輪鏈條將動力輸送到栽植器，人手將煙苗放入栽植器上方旋轉的煙苗杯內，煙苗進入鴨嘴待栽，當栽植器鴨嘴旋轉至最低點（接觸壟體）時，鴨嘴入土，在壓臂和凸輪的作用下，鴨嘴迅速打開形成穴坑，這時煙苗在自身重力作用下落入穴坑中，隨后回土流對煙苗進行覆土壓實，煙苗完成栽植，這樣反復地煙苗被栽植下去。

（3）農藝要求。當氣溫穩定在12～13℃，地溫達9℃以上時即可進行移栽，因此湖南地區栽植煙苗一般在3～4月份進行，種植密度因煙草類型、地勢、土壤等情況而異，一般為1.95× 104～2.7×104株/公頃。移栽田的土壤破碎，起壟要直，要平整且高度一致、壟溝深淺一致。移栽時煙苗為培育90天左右的煙苗，煙苗莖高80～110mm，修剪后保留兩片左右心葉，移栽時不能將心葉埋掉。

2　半自動煙苗栽植器的運動學分析

2.1零速投苗原理

為了保證煙苗移栽后處于直立狀態，從栽植器向已開好的苗穴內投苗時，煙苗在水平方向上的分速度應為零，即“零速投苗”原理。如圖2所示，由零速原理知：保證投苗點P在水平方向絕對零速的必要條件是：

其中Vt為拖拉機前進牽引速度；RZ為栽植器旋轉半徑；ω為栽植器旋轉的角速度，它與栽植器轉速n（r/min）之間的關系為ω=πn/30；t為栽植器的煙苗杯從最高點開始逆時針方向旋轉第一次到達P點位置所需的時間；將式（1）中的角速度用轉速n代替，則得出：

此式表示零速投苗時移栽機前進牽引速度Vt、栽植器轉速n以及投苗點位置P三者之間的分解關系，其中90°≤ωt≤180°。

圖2　“零速投苗”原理圖

2.2煙苗移栽時運動分析

煙苗移栽時的運動是繞偏心圓盤軸心轉動和隨牽引動力沿水平方向運動的合成，在如圖3所示的坐標系中，煙苗的運動軌跡方程為：

圖3　煙苗運動軌跡曲線圖

鴨嘴的運動速度方程可以通過上述運動軌跡方程對時間t求導得到：

煙苗栽植過程中栽植器鴨嘴投放煙苗時在水平方向上的速度必須滿足零速投苗原理，根據鴨嘴的運動速度方程，可以得到煙苗投放時存在三種運動情況：

煙苗運動軌跡曲線上各切點的方向就是煙苗運動的絕對速度方向，當0＜λ＜1時，鴨嘴運動軌跡為短擺線，其上任何一點在水平方向上的分速度與拖拉機的牽引前進速度方向相同，這就是說此種情況下任何煙苗投放點的水平合速度均向前，這樣就容易使煙苗有加重向前傾倒的趨勢，也就說明實現零速投苗是完全不可能的。

當λ=1時，鴨嘴運動軌跡是擺線，擺線最低點處存在一個拐點，軌跡上除拐點外的其他各點處水平分速度與拖拉機的牽引前進速度方向均相同，理論上說在拐點處投放煙苗能滿足零速投苗原理，但由于拐點為運動軌跡最低點，鴨嘴在拐點處將煙苗投放后要立即沿運動軌跡向前運動，而煙苗存在一定的高度，煙苗脫離鴨嘴需要一定時間，即鴨嘴繼續向前運動時煙苗并沒有完全脫離鴨嘴，會造成煙苗向前傾倒，說明λ=1也不是理想的投苗條件。

當特征參數λ＞1時，鴨嘴運動軌跡是余擺線，即鴨嘴運動軌跡上存在環扣，環扣上存在有與拖拉機牽引前進速度相反的水平速度分量，其中環扣最低點處的水平分速度最大，如圖3所示，這種情況下才有可能實現零速投苗，保證煙苗栽植的直立度，且鴨嘴的運動對煙苗有扶正作用，故特征參數λ＞1是栽植器正常工作的必要條件。

3　建立鴨嘴運動軌跡的數學模型

3.1栽植器主要參數介紹

（1）栽植頻率f：單位時間內栽植器移栽煙苗的株數，一般以株/min為單位。

（2）煙苗株距L：相鄰兩棵煙苗之間的距離，單位：mm。

（3）栽植器旋轉半徑RZ：栽植器曲軸軸心與左右連接軸軸心之間的距離，單位：mm。

（4）栽植器旋轉角速度ω：栽植器在單位時間內轉過的角度，單位：rad/s。

（5）鏈輪傳動比i：地輪將動力通過鏈輪鏈條傳遞給栽植器的比率，，即栽植器上鏈輪齒數與地輪軸上鏈輪齒數之比，也就是栽植器和地輪旋轉角速度之比。

3.2多因素試驗

通過在不同栽植速度和深度情況下試驗來觀測煙苗栽植質量，從而建立鴨嘴運動軌跡的數學模型。

（1）試驗條件。試驗在湖南農業大學試驗田進行，苗壟高度為30cm，煙苗移栽時土壤破碎情況和相對濕度如表1和表2所示，其中土壤破碎情況用0～500mm鋼尺測量一定范圍內土壤的最大直徑，然后取平均值；土壤濕度利用土壤水分測量儀通過測量苗壟上一系列位置點處的土壤相對濕度然后取平均值來確定。

表1　土壤破碎情況

表2　土壤相對濕度

其中SN表示序號，RH表示相對濕度，AVG表示平均值。

（2）試驗結果。通過每次在苗壟上移栽60株煙苗進行多因素試驗，煙苗移栽作業速度分別取三個階段：1.5～3.5km/h、3.5～5.5km/h和5.5～7.5km/h，然后通過調節煙苗栽植深度，分別取50～80mm、80～110mm和110～140mm三個范圍，進行多因素正交試驗；在不同栽植速度和深度情況下煙苗栽植的株距合格率、漏栽率、立苗率和培土狀況如表3所示。

表3　煙苗栽植質量

其中株距合格率是以苗壟上50cm≤L≤60cm為合格的株數占總移栽株數的比重；漏栽率是指煙苗栽植過程中苗壟上煙苗缺失株數占總移栽株數的比重；立苗率是指煙苗莖與苗壟平面之間的角度（銳角）θ≥45為合格的株數占總移栽株數的比重；培土狀況以土壤覆蓋煙苗培養基質，且土壤不能掩埋煙苗心葉，充分地保證煙苗的直立和正常生長。

從表3可以看出，栽植器在移栽煙苗時漏栽率較低，且株距比較均勻，基本不受移栽速度和栽植深度的影響，但立苗率和培土狀況則受移栽速度和栽植深度的影響較大，煙苗在移栽速度為3.5～5.5km/h和栽植深度為80～110mm情況下，煙苗的栽植質量最好，當移栽速度為1.5～3.5km/h時，煙草移栽機作業效率相對較低；而當移栽速度為5.5～7.5km/h時，由于速度有點較快，導致栽植器存在一定的帶苗現象，導致煙苗的立苗、株距和培土比較混亂；當煙苗栽植深度為50～80mm時，由于煙苗栽植深度不夠，以致煙苗移栽的直立度難以得到保證，故培土相對較弱；而當煙苗栽植深度為110～140mm時，由于煙苗栽植深度太深，直接導致煙苗心葉被埋，影響煙苗的正常生長，故培土狀況較差。

通過試驗也發現由于苗壟上各處的土壤破碎率和含水率均存在一定差異，導致煙苗或多或少有一定傾斜，且如果土壤的相對濕度太高會導致鴨嘴會有一點粘土，故作業前要盡量降低土壤含水率，以降低煙苗漏栽率和保證煙苗培土狀況。

通過試驗，發現栽植速度為3.5～5.5km/h和栽植深度為80～110mm時的煙苗移栽質量最好，同時也驗證了栽植器相關參數設計的合理性和正確性，各參數情況如下：

①栽植頻率f=100～200株/min；②煙苗株距L=55mm；③栽植器旋轉半徑RZ=300mm；④栽植器旋轉角速度；⑤鏈輪傳動比i=N栽/N地=14/19=0.74；主動鏈輪齒數為19，被動鏈輪齒數為14；⑥栽植器鴨嘴數量N=4。

將上述數據代入式（2）中可得鴨嘴運動軌跡的數學模型（其中栽植速度和栽植深度取中間值）：

4　結論及討論

通過對煙苗栽植器的結構設計和理論研究分析表明：

（1）栽植器設計應用偏置雙圓盤四連桿旋轉工作原理，適合缽苗和漂浮苗的栽植，其中煙苗杯和鴨嘴采用一體結構形式，鴨嘴開閉通過聯動控制，支撐地輪兼作主傳動力，偏置雙圓盤旋轉開穴系統為鏈式傳動方式以確保標準一致。

（2）特征參數λ＞1是偏置雙圓盤偏置雙圓盤四連桿旋轉式栽植器正常工作的條件。

（3）通過試驗確定了栽植器各參數的具體值，從而建立起鴨嘴運動軌跡的數學模型；而且發現栽植器能滿足煙苗移栽的農藝要求，驗證了栽植器結構設計的可靠性和可行性，但在試驗中也發現煙苗移栽傾角均小于90°，有略微向前的趨勢，可能與煙苗特性、土壤本身以及回土流等影響有關，有待在后續工作中進行具體考證。

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Structure Design and Test of Sem i-automatic Tobacco Seed ling Planting M achine

XIAO Wei-bin1，SUN Song-lin2

（1.Hunan Electrical Vocational and Technical College，Xiangtan，Hunan 411101，China；
2.Engineering School，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China）

Tobacco seedling planting machine is the core of tobacco transplanting machine，whose design is offset double working principle of the four connecting rod rotating disc，and suitable for pot seedling planting and floating seedling.It is found that factor lambda＞1 is the basic foundation of planting apparatus design and ensure the quality of transplanting and the necessary condition of normal work by analyzing the characteristic of the known movement of tobacco seedling transplanting.At the same time，different planting speed and depth of the orthogonal experiment determines the specific value of the planting apparatus design parameters，thus duckbill trajectory mathematical model is set up.

plant；duck mouth；trajectory；mathematical model；test

S223.9

A

2095-980X（2016）09-0028-03

2016-08-12

湖南省煙草局項目（湘煙科（2009）19號09-10Aa08）

肖衛兵（1983-），男，主要研究方向：機械設計。