懸杯式蔬菜移栽機的工作原理及設計

孫少寧

(中國農業大學 煙臺研究院，山東 煙臺 264670)

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懸杯式蔬菜移栽機的工作原理及設計

孫少寧

(中國農業大學 煙臺研究院，山東 煙臺 264670)

在蔬菜種植、生產過程中，蔬菜移栽是其中一項重要的環節，特別是在當前蔬菜反季節種植生產技術日益成熟的條件下，移栽對于蔬菜生產的功用愈發明顯。通過移栽，可以使蔬菜生產起到一定的氣候補償，促使蔬菜作物生育提早等綜合效益的實現。但是，當前在我國絕大部分農業生產地區，在蔬菜移栽過程中技術比較落后，機械化程度不高，多是以人工移栽為主，作業效率也比較低，很難形成大面積的栽植生產，嚴重影響和制約著蔬菜產業生產效益。為此，以河南地區蔬菜機械化移栽種植及相關技術推廣現狀為例，結合著當地實際移栽機械應用具體情況，在參考國內外在該領域的大量研究基礎之上，介紹了一種懸杯式蔬菜移栽機，包括移栽機的工作原理設計及試驗。

蔬菜移栽機； 懸杯式； 數字化設計； 計算機輔助設計

0 引言

我國是世界上蔬菜生產和消費大國，在新時期，隨著農村產業結構的進一步調整，農業機械化程度進一步提高，不僅是在糧食作物生產領域，在蔬菜產業發展領域也取得了良好的成果。特別是在“十二五”發展時期，我國對蔬菜生產領域越來越重視，對中西部地區專門出臺了一系列相關惠民政策及蔬菜產業發展扶持政策等。在這種市場環境背景下，無論是蔬菜生產規模，還是蔬菜產業消費市場，都空前廣闊。當下嚴重限制我國蔬菜產業進一步發展和突破的阻礙性因素，主要體現在技術層面，即蔬菜生產機械化程度相對偏低，尤其是在我國中西部農業地區。為此，以中部地區河南省蔬菜產業發展作為探究對象，通過國內外相關的技術研究，提出了一種基于計算機控制的懸杯式蔬菜移栽機。

1 國內外研究現狀

1.1 國外

在蔬菜移栽機發展領域，歐美、日澳等發達地區起步比較早，如澳大利亞、日本、意大利、美國等。這些地區在蔬菜在移栽技術和育苗技術研究層面，已經相當成熟，特別是我國的鄰國日本、韓國，目前已經形成了系統的發展模式。

日本洋馬農機有限公司在早期生產的PM2乘坐式雙行全自動蔬菜移栽機的基礎上，綜合運用了計算機數字化等信息技術，基本上實現自動化控制，不僅整機小巧、便于操作，而且可最大限度地確保蔬菜栽植質量高，具有較好的均勻性。除此之外，日本久保田農業機械有限公司研發、設計、生產的KP200型半自動雙行蔬菜移栽機，可利用128～200孔的育苗盤，實現兩行不對稱栽植。美國肯等高農機公司在蔬菜移栽技術研發領域比較先進，該公司研發設計生產的水輪式移栽機，雖然其結構設計比較簡單，但是卻具有超強的通用性，無論是覆膜還是不覆膜的田地，均可實現暢通無阻礙移栽。其主要優點可歸納為：座椅可擴展；機器結構內部自帶一種自動化操作的苗盤；正常情況下，蔬菜幼苗成活率至少保證在 98% ；在移栽作業的過程中，操作人員可調節水箱中流出的水流。總體上來看，國外一些農業技術較發達的國家在移栽機設備與技術研制方面，普遍形式主要包括有鉗夾式移栽機、鏈夾式移栽機、導苗管式缽苗移栽機及撓性圓盤式移栽機。

1.2 國內

我國在移栽機研究領域的研究最早開始于20世紀60年代初期，當時主要以旱地栽植機械技術的研發為主，主要是應用于糧食作物生產;到了70年代，我國開始研制裸根苗移栽機械，而真正研究蔬菜移栽技術是在80年代，也就是改革開放后。當時，我國通過引進和借鑒日本等國家的先進技術，結合著國內實際發展需要，自主研制成功了一種半機械化蔬菜栽植機。但受限于技術上的缺陷，這些機具在育苗作業種植領域，并不能真正滿足生產的需求，在當時也沒有得到推廣和應用，目前這些機械設備早就已經被市場所淘汰。到了20世紀90年代末和21世紀初期，隨著科學技術的進步和科研體系的成熟化發展，我國先后研制出了擁有自主產權的鏈夾式、鉗夾式和導苗管式及吊杯式等各種不同形式的蔬菜移栽機。

2 懸杯式蔬菜移栽機

2.1 河南蔬菜機械化發展

目前，河南作為我國重要的一個農業大省，除了玉米、小麥等農作物之外，各類蔬菜比較盛產，并且多以經濟作物為主，如茄子、黃瓜、辣椒等。整體上來看，主要是以傳統蔬菜種植為主，土壤、季節氣候等條件具有較嚴格的要求，因而省域內許多農村地區紛紛引進大棚反季節種植技術。在這種情況下，原本以大規模、大面積機械化種植的作業與移栽方式就不再適用；此外，由于季節氣候等條件的限制，加上河南多半地區屬于平原，特別是在春季低溫、風沙天氣的時候，或多或少會遭遇一些自然災害的侵襲，從而導致多個縣市常常出現缺苗的現象，不僅保證不了產量，也無法保證質量。在“十一五”和“十二五”發展期間，國家政府專門針對中西部農業地區提供了一系列扶持性發展政策，特別是在農業作業機械技術等層面，通過采用移栽技術，可減少育苗的浪費，還可減輕當地勞動力大量輸出后出現的勞力短缺問題。如果推廣應用，可確保苗全苗壯，提高復種指數，增加農村收入。截止到2014年，雖然河南蔬菜種植發展領域機械化程度得到了一定的提升，但是整體性不高，目前還有不少地區繼續采用人工育苗移栽的方式，工量大，效率低。

2.2 懸杯式蔬菜移栽機工作原理

圖1和圖2分別為鏈夾式移栽機、撓性圓盤式移栽機基本設計框圖。

鏈夾式蔬菜移栽機是在原有裸苗栽植機的基礎上改進得到的，其傳動鏈為環形鏈條，主要是控制圓盤，這樣可以更好地控制喂苗時間。

與圖1鏈夾式移栽機對比，雖然樣式上存在較大不同，但是基本工作原理大致相同。工作時，該移栽機主要由人工或者機械的方式，將蔬菜秧苗放置到兩片可以變形的撓性圓盤之內，使蔬菜秧苗在圓盤的帶動下隨其轉動；當圓盤處在一種垂直狀態的時候，其他裝置機構發揮作用，開始運行，進行栽植。

1.開溝器裝置 2.機架裝置 3.滑道裝置 4.秧夾 5.環形鏈 6.鉗夾 7.地輪 8.傳動鏈 9.鎮壓輪裝置

1.撓性圓盤 2.苗箱 3.供秧輸送帶裝置 4.開溝器裝置 5.鎮壓輪

這些機械的出現雖然在一定程度上促進了我國蔬菜產業規模化的發展，但整體效益仍然較低。究其根本，主要是因為科技含量較低，很多移栽機大多還沿用了拖拉機懸掛式的作業方式；此外，這些機械目前只適用于大片田地里作業，對于當前國內各地區各類反季節大棚種植蔬菜產區，無法滿足作業要求。基于此，近幾年我國加大了對計算機嵌入技術的研究(如計算機輔助等)，通過互聯網信息技術的滲入，使之朝著自動化、數字化等方向發展。

現階段，我國在蔬菜移栽機研究和設計層面，最為普遍也是最簡單的一種設計結構主要包含兩大部分，即移栽鎮壓裝置和底盤行走裝置。在具體相關零部件組合、構造上，分別包括投苗器、操控板、移栽齒輪箱裝置、移栽器組件、后驅動輪裝置、液壓裝置系統及發動機等。當然，這實際是一種相對比較常規式的蔬菜移栽機具。但是，國內各種移栽機的工作原理基本相同，大體上保持一致，最顯著也是最為普遍的特點就是自走式，而自走得以實現的源動力則來自于發動機。

懸杯式蔬菜移栽機一般是由傳動機構、主架、座椅、苗盤、地輪機構及覆土鎮壓裝置等相關零部件構成，在整個機械構架體系內部，核心部件是栽植器。目前，移栽機結構架式主要包含兩種：一種是偏心式移栽機構，另一種是單鉸接式移栽機構。本文重點介紹偏心式移栽結構，如圖3所示。

1.傳動機構 2.機具設備的結構主架 3.移栽裝置(栽植器) 4.座椅(作業人員) 5.苗盤支架 6.仿形機構 7.地輪裝置 8.(覆土)鎮壓裝置系統

2.3 懸杯式蔬菜移栽機設計

本設計的提出主要是針對河南地區蔬菜種植移栽過程中經常遇到的一些問題，以近兩年當地基本發展情況來看，河南北部幾個縣市地區蔬菜移栽機比較普及，但在實際作業中存在一些普遍性的問題，總結歸納為：① 移栽機與蔬菜秧苗不配套。蔬菜育苗主要的方式以營養土育苗為主，也可以是育苗床，傳統的蔬菜育秧苗就很難去適應機械化移栽的方式，進而造成了移栽機具與蔬菜育苗技術處在脫節的狀態。② 蔬菜移栽機具成本過高，且功能比較單一，操作不便，不適合大棚種植類型的蔬菜移栽。③ 蔬菜移栽機器設備本身的操作與維護性能，是農民農戶很難掌控的，再加上大多數農民經濟條件有限，在短期內很難接受移栽機，導致移栽機在河南大部分地區難以推廣、普及。

基于實際發展應用需求，充分借助于計算機輔助技術來改進移栽機相關技術，特別是在栽植器等裝置的控制層面上，設計出一種數字化、自動化的移栽機缽苗控制操作系統。

栽植器的相關設計要求：①栽植對象是蔬菜或者瓜類等缽苗，同時要求苗高范圍在 10～25mm之間；②該移栽機在作業中，栽植軌跡要符合零速投苗原理，且需要滿足λ≥1 ；③在操作運行過程中，蔬菜栽植器等相關植苗部件栽植狀態要確保盡可能維持在水平平動；④蔬菜移栽機栽植器的栽植頻率需要滿足30 ～60株/min 。

獲取分析和處理懸杯式移栽機結構相關參數，并搭建相對應的參數體系，如表1所示。

表1 通用穴盤尺寸表 mm

懸杯的結構設計圖4所示。

1.懸杯結構的形成主架 2.滾輪 3.潤滑定位套裝置 4.偏心連扳 5.圓柱銷 6.懸杯架構的右臂 7.懸杯尖嘴 8.懸杯的左臂結構 9.懸杯的平嘴結構 10.軸套裝置系統 11.緊定螺釘 12.滑塊裝置 13.錐形壓縮彈簧裝置

2.4 性能檢驗

為了進一步檢驗該懸杯式蔬菜移栽機的性能，按照上述設計的模型圖及相關參數，設計了一種懸杯式蔬菜移栽機的小型模擬樣機，在試驗大棚內展開試驗。該試驗主要檢驗株距合格率、重栽率、漏栽率，還有蔬菜行間均勻性等指標，予以綜合評價。表2和表3為此次性能模擬試驗的檢測結果。

表2 懸杯式蔬菜移栽機行間均勻性檢測 %

表3 蔬菜育苗栽植狀態檢測 %

由表2和表3可以看出：該機具傷苗率低，合格率高，完全適應實際生產，各項性能達到了指標的要求。

3 結論

懸杯式蔬菜移栽機經過數字化設計試驗，有效地解決了蔬菜種植過程中的一些問題，提高了整機的移栽質量，降低了機械成本，提高了蔬菜行間均勻性和株距合格率，其計算機自動化設計便于農戶操作和大面積推廣普及。

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Design of Transplanting Machine in the Form of Suspended Cup of Vegetables

Sun Shaoning

(Shandong Yantai Research Institute of China Agricultural University,Yantai 264670， China)

In vegetable planting, production process, vegetable transplanting is one of the important links, especially in the current season of vegetable production technology in the growing season under the conditions of growing, transplanting for vegetable production function is more obvious.For example, by transplanting can make vegetable production plays a certain climate compensation, and urge the vegetable crop growth and earlier comprehensive benefits realization.however, the current in the vast majority of China's agricultural production areas, in the vegetable transplanting process technology is relatively backward, the degree of mechanization is not high is dominated by manual transplanting, in this case, vegetable transplanting required labor strength is greater,and work efficiency is relatively low,it is difficult to form a large area of planting production, seriously affecting and restraining the production efficiency of vegetable industry.This paper to Henan Province vegetable mechanization transplanting and technology status of the promotion, for example, combined with local actual mechanical transplanting application specific circumstances, in the reference in this field at home and abroad based on extensive research, a hanging cup vegetable transplanter, including transplanting machine working principle, and digital design test is introduced.

vegetable transplanting machine; suspension cup;digital design; computer aided design

2016-06-20

山東省科技發展計劃項目(2014GNC110026 )

孫少寧(1975-)，女，山東煙臺人，講師，碩士，(E-mail)sunshaoning0615=3@163.com。

S223.92

A

1003-188X(2017)08-0117-04