玉米紙筒秧苗移栽機的研究

徐濤

摘?要：玉米紙筒秧苗移栽是一項有別于傳統直播的新型栽培技術，采用人工大棚內紙筒育苗、適齡秧苗移栽的方式有效提高玉米生產期，徹底解決春季干旱、病蟲害對玉米產量和品質的影響，增產增收效果明顯。玉米紙筒育苗移栽機克服人工移栽勞動強度大、移栽效率低和作業質量不標準的顯著缺點，為玉米標準化、機械化、自動化提供機具載體保證。該機設計了具有自動給苗、剔苗、補苗功能的上秧擺苗機器人系統，可實現紙筒秧苗的自動抓取分離及碼放，秧冊自動進給，自動剔除無苗、弱苗紙筒及加速補苗等功能，整機采用全液壓驅動系統及以PLC為核心的自動控制系統。該機將自動取秧、數字識別無苗紙筒并自動剔除，有苗紙筒帶式水平輸送和垂直接力輸送、壟上破茬開溝、零速投苗栽植、壟型整理、濾水覆土等作業有機地整合在單臺移栽機上一次完成，大大提高了作業效率，實現玉米紙筒秧苗移栽作業的標準化、機械化和自動化。

關鍵詞：全自動;紙筒;玉米秧苗;移栽機械

中圖分類號：S223.94????????文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.01.001

Research on Automatic Corn Seedling Transplanter

Xu Tao

（Heilongjiang Institute of Agricultural Mechanical Engineering Science， Harbin 150081 China）

Abstract： Corn seedling transplanting technology is a new type planting way which can effectively increase the accumulated temperature， prevent drought disaster， get high yield， can solve water resource shortage in the condition of spring dry farming， frequent drought disasters， low yield and unreliable caused by frequency？of？droughts. Traditional corn seedling transplanting did by man， which showed the shortcomings such as intensity？labor， low efficiency， poor quality of work， low degree of standardization and not conducive to seize the farming season， and is not conducive to large area production. It restricted the corn seedling transplanting technology popularized to large scale applications. Automatic transplanting machine of corn seedling raised by paper tube has the device which can lift lifting seedlings fast， realize automatic fetching， separating and put row pattern， feed seedling trays automatically， pick out the tube without seedlings and weak seedlings. The whole machine adopts full hydraulic drive system and automatic transplanting control system with PLC as the core. The machine will automatically take seedlings， digit recognition and pick out the tube without seedlings， convey the tube with seedlings by belt horizontally and vertically relay， stubble breaking and furrowing on ridge， feeding and planting at zero speed， ridge sorting， draining， soil covering and the like works to be organically integrated in a single unit and finished at once， which greatly improve the working efficiency， realize the operation standardization， mechanization and automation of corn paper tube seedlings transplanting work.

Keywords： automation;paper tube;corn seedlings;transplanting machine

0?引言

黑龍江省玉米種植面積居全國第一位，占黑龍江省總種植面積的19%，2017年總種植面積560萬hm2，總產量達2625萬t。黑龍江省玉米種植在不同積溫帶內產量、品質差距較大，傳統意義上第四、五積溫帶無法種植玉米。根據農業推廣部門統計數據顯示，黑龍江省南部的第一、二積溫帶平均玉米畝單產750～900 kg，第三、四積溫帶畝單產僅為450～550 kg，而第三、四積溫帶玉米種植面積達到了4000萬畝，采用紙筒育苗移栽增產空間十分巨大。

玉米紙筒秧苗移栽技術能夠提前玉米生產期，增加有效積溫200～250 ℃，抗旱保全苗，解決春季低溫干旱和病蟲害對玉米產量和品質的影響[1～2]。黑龍江省北部第三、四積溫帶地區之所以玉米產量低，無法種植第一、二積溫帶高產玉米品種的根本原因就在于積溫不足，玉米紙筒秧苗移栽技術的提出和使用從根本上解決這一突出問題。經過黑龍江省農藝技術推廣部門多年生產實踐證明，玉米育苗移栽技術平均增產幅度在20%～30%，節省種子30%，減少化肥和農藥的施用量，經濟、生態效益顯著。傳統的玉米秧苗移栽采用人工插秧的形式，存在著作業速度慢，用工多，勞動強度大，作業質量差，人工成本高等缺點，無法滿足大面積玉米秧苗移栽作業需要，玉米秧苗移栽機械化勢在必行。

國內外在玉米秧苗移栽機械方面還屬于空白，相關作物移栽機械結構多采用鏈夾式、吊杯式和導苗管式[3～9]，作業效率低，無法滿足玉米育苗大面積移栽作業的實際需要。黑龍江省農業機械工程科學研究院在玉米水插秧的農藝技術要求下，創新研制成功了能夠滿足玉米紙筒育苗移栽的玉米秧苗移栽機。

1?設計原理及機構

1.1?設計原理

該機將機械移栽與人工水插秧技術有機地結合，在橡膠圓盤夾持帶式移栽機的基礎上，增加了全自動上苗、剔苗和補苗功能，同時通過伴隨水車實現移栽灌水作業，保證了玉米移栽的緩苗速度，提高秧苗存活率。工作原理：由上秧擺苗機器人系統將苗齡在兩葉一芯至三葉一芯的整冊玉米紙筒秧苗擺放到自動上秧系統的水平傳送帶上，逐行步進自動控制，由自動取秧臂抓取無縫碼放到傳動箱平皮帶上。傳送到選苗剔苗裝置上后，若出現無苗紙筒，空筒會自動掉落。在到達自動補苗階段時，由于無苗紙筒掉落后的空位會影響移栽的株距，導致漏栽現象的發生。因此，在此處設有空苗識別傳感器，其發出的信號將接合電磁離合裝置進行加速補苗，填補空隙后隨即停止。合格的玉米秧苗紙筒會被垂直橡膠針刺帶夾持喂入橡膠圓盤夾持機構內，翻轉90°后被垂直栽植到苗床溝內，伴走式澆水后覆壟。移栽后玉米秧苗與溝體和灌水之間位置關系如圖1所示。

該全自動玉米秧苗濾水移栽機其優點是綜合自動化程度高，節省人力物力，移栽成活率高，增產提質效果明顯。特別是在黑龍江省北部地區使用，可較大幅度提高玉米的單產和總產，為黑龍江省“千億斤糧食產能鞏固工程”的順利實施，保證國家糧食安全，起到了重要的技術支撐作用。該機的研制成功填補了我國在玉米移栽機械方面的空白，是黑龍江省實施“種植業機構調整”“擴玉米”政策的關鍵配套機具。

該機與73.5 kW以上的輪式拖拉機配套使用，采用機電液高度結合的整體結構設計，實現了玉米移栽作業智能化、自動化和模塊化，一機多能，高效高質，提高了各部分結構和功能的緊湊性，減少了機具的進地次數，降低了作業成本，對玉米育苗移栽搶時、搶種增收效果十分明顯。

1.2?總體設計

玉米秧苗移栽機結構示意，如圖2所示。整機與輪式拖拉機采用三點后懸掛的方式聯接。整體由6部分組成，分別是自動擺苗機器人、栽植單體、傳動箱機構、機架架體、支承輪和澆水覆壟鏵構成。自動擺苗機器人的功能是整冊秧苗喂入，取苗無縫擺放給傳動箱體，由PLC模塊控制，液壓電控元器件作為傳感執行部件。栽植單體是本機的主要功能部件，實現玉米紙筒秧苗的栽植、鎮壓作業。傳動箱機構是完成玉米紙筒秧苗的輸送、剔苗、加速補苗功能，調整傳動比來實現移栽株距的不同。機架架體是整機的結構主體，關聯各部件功能有機組合在一起。支承輪起限深和傳遞扭矩的作用。施澆水覆壟鏵的功能是對栽后秧苗澆水和覆土成壟。主要技術參數如下：

結構尺寸/mm：2850×4200×1890;

移栽行數/行：4;

移栽株距/cm：13～35;

移栽深度/cm：0～8;

移栽行距/cm：60～70;

擺苗速度/株·行-1min-1：≥90;

作業速度/km·h-1：1.2～3.8;

工作效率/km2·h-1：0.15～0.45;

無苗紙筒剔除率/%：≥98;

漏栽率/%：≤4;

配套動力/kW：73.5～117.6輪式拖拉機。

2?關鍵部件設計

2.1?傳動箱機構

該部件以傳動扭矩，調整株距，輸送秧苗以及剔苗補苗為主要功能，結構示意圖見圖3。

2.2?上秧擺苗機器人系統

本機設計的上秧擺苗機器人系統可取代人工給苗、擺苗的工作，提高了給苗的速度和準確程度。具體結構如圖4所示。工作時，由操作人員取來新的一冊秧苗，放在秧苗進給驅動輥1上，當驅動輥旋轉時，苗箱中的秧苗向前進給，再經過秧苗進給驅動皮帶2的傳送，一直到自動取苗機械手7為止。為了使連續不斷的秧苗在前進中無間隙，驅動輥的線速度比驅動皮帶的線速度快10%，保證后面的秧苗始終對前面的秧苗有擠壓力。直插針機構6由油缸驅動做上下運動，當第一排秧苗到達自動取苗機械手7的位置時，直插針機構6從上往下插入第二排紙筒秧苗中，深度約15～20 mm，此時取苗機械手7動作，抓取第一排紙筒秧苗，由于紙筒之間有黏力，直插針機構6的作用是固定住第二排紙筒秧苗不動，保證抓取第一排紙筒秧苗時不把后面的秧苗帶走。最后是旋轉機械臂8動作，將取苗機械手7和秧苗從取苗位置旋轉到放苗位置，等待程序命令后松開機械手，把秧苗放到橫向傳送皮帶上，然后旋轉機械臂8再次動作，將取苗機械手7從放苗位置旋轉到取苗位置，進行下一次循環取苗程序。

2.3?移栽單體

移栽單體是該機入土栽植部件總成，作用是將經過選苗、剔苗、補苗后間隔均勻的玉米紙筒秧苗栽插入土壤中，并保證一致的移栽株距、深度和擠壓強度，確保移栽的秧苗直立并且深度一致。該部分結構見圖5。

2.4?施水覆土部件

施水覆土裝置聯接在移栽單體后端，作業時同移栽單體繞橫向傳動軸做單鉸仿形運動，以最大限度地保證覆土施水作業隨地性。該部件的功能是對移栽后的苗溝覆土，并預留出澆水的水溝，以供隨后的施水作業的水能夠被完全的澆灌到紙筒和溝內，滿足移栽后玉米苗生長所需。在一般土壤條件下，移栽后的澆水量應在3～5 t每畝地，澆足澆透水對于移栽后的玉米緩苗和增產效果起著至關重要的作用。

3?田間試驗與結果

3.1?試驗基本條件

田間性能試驗在位于哈爾濱市南崗區哈平路156號試驗地進行。試驗地地勢平坦，無雜草殘茬覆蓋，整地條件較好;年平均降水量400～600 mm。土質為黑壤土，堅實度為247.5×104 Pa;土壤含水率為10.2%（0～5 cm），12.7%（5～10 cm）。試驗時間在4—6月間，壟距65 cm，地塊長度150 m，配套動力為迪爾904輪式拖拉機，機組作業速度控制在1.5～2.5 km/h之間。

試驗用玉米品種為冀承單3號，玉米紙筒選擇正六邊形，外接圓直徑?25，紙筒高度80 mm，紙冊規格16株×18株。育苗后生長期在15～20天，移栽苗齡在兩葉一芯至三葉一芯之間，移栽株距24 cm，栽深8 cm。

試驗方法依據JB/T10291-2001旱地栽植機械行業標準和國家有關標準的試驗要求，對該機作業工藝的可行性及各項技術性能指標進行性能試驗。

3.2?試驗結果與分析

根據多次田間性能試驗記錄數據分析，以下主要指標結果如表1所示。

3.2.1?移栽深度

在整地條件較好無殘茬覆蓋和玉米紙筒育苗情況良好的情況下，移栽質量完全滿足玉米紙筒育苗移栽作業的農藝要求。在表1中平均移栽深度為7.8 cm，合格率為92.5%，標準差為0.31，變異系數為3.97。本機在移栽過程中開溝移栽深度及覆土量穩定，因此，移栽深度變異系數合理。

3.2.2?株距及坰保苗株數

按照所育苗玉米品種的要求，坰保苗株數的理論值是6.4萬株，由于地輪打滑、傳動過程損耗等因素的影響，導致了移栽株距較實際要求的24 cm有所加大，直接影響到坰保苗株數，導致后者減少。因此，要提高株距的一致性，就應該改進輸苗機構，降低紙筒苗與傳動機構的相對滑動[10]。

3.2.3?漏栽率

影響漏栽合格率的因素主要有兩個，一個是無苗紙筒沒有有效剔除，使得空筒被栽入土壤中;另外一個就是剔除無苗紙筒后的空隙，是加速補苗裝置不可靠造成的，實際是加大了移栽的株距，導致了漏栽。從試驗數據看，該機漏栽合格率是符合國家標準要求的。

4?結論

（1） 整機能夠在平作、壟作的條件下滿足玉米育苗紙筒的全自動移栽作業需要。該機一次進地即可完成自動取苗、給苗、剔苗、補苗和滅茬、開溝、栽苗、施水、覆壟等項作業，移栽株距15～32 cm，漏栽率≤3%，移栽質量完全滿足《JB/T 10291-2001 旱地栽植機械》和玉米紙筒秧苗移栽的農藝要求。

（2） 本全自動移栽機將機械結構、電子控制和液壓機構緊密地結合起來，運用相對獨立而又高度集成的機械結構和電控邏輯設計原理，實現了一機多能，優質高效的新型玉米移栽作業需求。機具的作業速度在1.5～5.4 km/h之間，作業效率更是達到了0.2～0.7 km2/h，為玉米作物大面積移栽提供了優良的機械保證。

（3） 玉米育苗機械濾水移栽，能夠增加玉米生長有效積溫200～300 ℃，移栽后苗齊苗壯，保苗率高。育苗要求標準化程度很高，節省種子，減少化肥和農藥的噴灑，徹底解決了地膜污染，有效降低病蟲害的發生，玉米增產提質效果明顯。但試驗過程中發現該全自動機還存在一定的不足需要與紙筒制造商聯合攻關，進一步提高玉米紙筒的結構強度和理化性能，保證玉米扎根期紙筒的有效降解，滿足移栽的農藝要求。

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