輕簡型半自動移栽機的設計及試驗

趙崢嶸，毛罕平，韓綠化，胡建平

(江蘇大學 現代農業裝備與技術省部共建教育部重點實驗室，江蘇 鎮江 212013)

0 引言

目前，我國蔬菜移栽主要依靠人工作業，勞動強度大，作業效率低，移栽質量差[1-2]，無法滿足我國的蔬菜生產需求，而機械化移栽具有省工、節本、提效的強大優勢[3-5]。

20世紀早期，歐美日等發達國家就開始了缽苗機械化移栽的探索研究[6]。截至目前，國外半自動移栽機已經發展得很成熟，可搭配各種農機具和不同類型的栽植器，能適應不同環境和移栽對象，通用性較高[7-9]。我國育苗工藝、栽培方式及田間作業模式與發達國家存在差異[1-4]，它們的機型不符合我國國情，且我國農戶無法承擔高的外購價格。

我國移栽機技術的探索開始于20世紀中期，以模仿國外技術為主，具有與農藝脫節、性能不穩定、通用性及實用性差等通病[10-13]。國內的大部分機型是針對大田作業，有著復雜的栽植和接苗機構，設計和制造成本較高，操作較為復雜，外觀較為龐大，質量較大，且栽植深度、株距和行距不能均可調。這些移栽機不符合中等規模農戶希望具備基本移栽功能的基礎上，同時做到機器輕簡、操作簡便、價格便宜的要求。此外，汽油機或柴油機工作時，易污染環境，浪費石油資源，需考慮將農業機械與新能源結合起來[12]。因此，針對我國中等規模農戶設計了一款簡單輕巧、操作簡便、經濟適用、能滿足基本需求的電動輕簡型半自動移栽機。

1 整機設計方案與工作原理

1.1 整機結構

本移栽機為單行移栽，采用電控作業方式，整機主要由電動底盤、接苗部件、植苗部件及控制系統4部分組成，如圖1所示。

1.植苗部件 2.自頂開接苗部件 3.扶手 4.穴盤苗 5.穴盤架 6.蓄電池 7.車架 8.前置導向機構 9.行走輪系

植苗部件后掛在底盤上，接苗部件布置在植苗部件正上方。底盤輪距可變，包括扶手、穴盤架、導向機構、行走輪系、車架和蓄電池等。其中，穴盤架和扶手前后配置在底盤縱梁上，導向機構位于車架前端，引導底盤沿壟側向前行駛，行走輪系以直角三角形結構布置于車架下端，形成偏三輪構型。

1.2 工作原理

移栽前，根據壟型和移栽對象，調整導向機構、底盤輪距和栽植器距壟面高度，并在穴盤架上放置苗盤。作業時，操作員一邊把控扶手，一邊從穴盤架中取苗并投至接苗斗中，栽植器向上運動頂開接苗斗，苗向下自由落體，落入栽植器中并隨其向下運動，實現栽植動作。如此循環往復，接苗部件按需接苗和投苗，使栽植部件進行栽植作業，直到完成穴盤苗定植任務。

1.3 主要技術參數

整機質量/kg:≤75

栽植行距/mm：400～600

栽植株距/mm:250～350

栽植深度/mm:0～200

栽植頻率/株·min-1：30～40

作業速度/mm·s-1：125～233

蓄電池規格：40V/20Ah

2 主要部件設計

2.1 自頂開接苗部件

自頂開接苗部件用于存苗和投苗，主要由接苗斗、固定板、光軸、前耳、后耳、合頁、關節軸承及雙頭螺栓等組成，如圖2所示。

1.左開合頁 2.前耳 3.固定板 4.接苗斗 5.右開合頁 6.右后耳 7.關節軸承 8.雙頭螺栓 9.左后耳

其中，接苗斗嵌入固定板，合頁位于固定板下方，包括左合頁和右合頁。左合頁兩側與一只前耳和左后耳焊接，右合頁與其相似安裝。兩根光軸均按順序穿過前耳、固定板、后耳，則前、后耳連同合頁可繞光軸轉動。兩個關節軸承與后耳以轉動副形式連接，雙頭螺栓兩端分別以移動副形式與兩個關節軸承連接。 工作原理為：當栽植器向上推左合頁時，左后耳繞光軸順時針轉動，雙頭螺栓動作，使得右后耳繞光軸逆時針轉動，左、右開合頁相對打開，實現投苗動作。

2.2 植苗部件

植苗部件除實現移栽動作外，還能實現栽植深度調節和行距變換，主要由滑槽板、掛架、直線模組、安裝板、栽植器、頂桿和減速電機等組成，如圖3所示。兩個掛架將直線模組后掛于底盤的滑槽板上，滑槽板固定在車架上且開有水平行程槽，改變直線模組在行程槽內的安裝位置，可更改栽植器與壟側距離，行距即改變。安裝板與直線模組上的滑塊緊固連接，其上從左至右分別固定著栽植器和減速電機，轉動直線模組的手輪，移動滑塊，可改變安裝板位置，則栽植器相對壟面高度相應變化，實現升降栽植。頂桿焊接在栽植器外側，栽植器向上運動，頂桿會接觸接苗部件上的左合頁，推動左合頁轉動。

1.行星齒輪滑槽式栽植器 2.頂桿機構 3.掛架 4.車架

2.3 控制系統

本控制系統實現移栽機的啟動、停止、底盤的調速行走、前進速度實時顯示、株距調整、栽植頻率的自動匹配等功能，主要由電源、控制器、電機驅動器、減速步進電機、測速傳感器(霍爾傳感器)、輪轂電機、速度調節器及擋位株距開關等組成，如圖4所示。控制器采集擋位株距開關的開關量，選擇控制程序。調節速度調節器，輪轂電機轉速改變，霍爾傳感器測輪轂電機轉速并將信號反饋給控制器；控制器捕獲脈沖信號，經過內部處理，向減速步進電機驅動器發出栽植脈沖信號，栽植器在減速步進電機作用下，以與前進速度相匹配的栽植頻率進行栽植。

圖4 控制系統硬件組成

3 試驗與結果分析

3.1 試驗條件與方法

1)續航性能試驗。利用功率計得到樣機在不同動力驅動分配下移栽作業的消耗功率，計算蓄電池支撐樣機移栽作業的時間，檢驗樣機的續航能力是否滿足設計要求。

2)移栽性能試驗。樣機完成不同動力驅動分配下的移栽作業試驗后，通過評價指標檢驗樣機的移栽性能，驗證樣機結構設計和動力分配的合理性，并確定作業時的栽植頻率選擇。

3.1.1 試驗條件

試驗選在無錫市悅田農機試驗基地進行。試驗地事先松耕，松耕深度大于200mm；隨后開溝起壟，清除壟面的雜草、大土塊和碎石[13]；壟面寬600mm，壟高200mm，壟溝寬300mm；試驗苗為苗齡25天左右，苗高為115mm左右，根系盤根效果好的黃瓜苗，采用72孔標準穴盤培育。

3.1.2 試驗方法

根據設計的栽植株距和栽植頻率適用范圍，本移栽機可在多種動力驅動下進行移栽。因此，試驗選擇栽植株距(A)和栽植頻率(B)作為試驗因素，且每個因素有3個水平。每組水平試驗移栽120株黃瓜苗，試驗安排如表1所示。

1)續航性能試驗方法。試驗前，將功率計接入控制柜，設置采集方式為連續采集。試驗后，通過功率計自帶的USB線將功率計與電腦相連，利用功率計軟件導出采集數據并分析。

2)移栽性能試驗方法。每組水平試驗后，用卷尺測量實際栽植株距，計算實測平均栽植株距及株距變異系數；用量角器測量缽苗主莖與地面的夾角，計算倒伏率；確定實測缽苗中的漏栽數，計算漏栽率。

表1 不同栽植株距和栽植頻率的組合試驗安排

Table 1 Experiment arrangement of different plant spacing and planting frequency

試驗編號因素A/mm因素B/株·min-1試驗編號因素A/mm因素B/株·min-1125030225035325040430030530035630040735030835035935040

3.2 試驗結果與分析

1)續航性能試驗結果分析。對每組水平試驗得到的功率數據進行統計分析，得到不同動力驅動下的功率消耗統計表，如表2所示。

表2 多種動力驅動下的功率消耗統計表

由表2可知：根據蓄電池型號和樣機在最小、最大動力驅動作業下的平均消耗功率分別為410.8W和482.4W，可知電池容量能支撐樣機在最小、最大動力驅動下分別作業2.34h和2h，續航里程分別為1.05km和1.67km。因此，樣機的續航里程至少為1.05km，續航時間至少為2h。這表明，該機器的續航能力滿足設計要求。

2)移栽性能試驗結果分析。將每組水平試驗結果進行統計分析，結果如表3所示。選取每組水平試驗中間20組缽苗的株距實測值，繪制3種理論株距下的缽苗實測株距分布圖。圖5為理論株距250mm時缽苗實測株距分布。利用株距變異系數和倒伏率制作不同栽植株距和栽植頻率下株距變異系數和倒伏率變化曲線圖，如圖6、圖7所示。

表3 移栽效果統計表

圖5 理論株距250mm時缽苗實測株距分布

圖6 不同動力驅動下的株距變異系數 圖7 不同動力驅動下的倒伏率

Fig.6 Variation coefficient of plant spacing under different driving force distribution Fig.7 Lodging rate under different driving force distribution

由表3可知：①漏栽率低于4%，倒伏率低于6%，株距變異系數小于4%，栽植深度合格率大于82%，栽植合格率大于90%，表明樣機移栽效果符合旱地移栽機的主要性能指標規定，設計合理; ②每個水平試驗下的平均栽植深度與理論栽植深度80mm差異較小，誤差在1mm內，實測株距與理論株距相比有些許差異，但差異不大。分析表明：栽植深度和栽植株距較為穩定，樣機性能可靠。

由圖5可知：1號試驗實測株距在247mm上下波動，與理論株距相差3mm；2號試驗實測株距在248mm上下波動，與理論株距相差2mm；3號試驗實測株距在249mm上下波動，與理論株距相差1mm。4～6號試驗相差分別為4、2、1mm，7～9號試驗相差分別為7、4、1mm。分析結果表明：同一理論株距下，樣機前進速度增加，實測株距與理論株距差距變小。原因是：栽植頻率增加則前進速度增加，泥土對底盤阻力變小，行走更加穩定，測速更加準確，輪轂電機轉速與栽植器驅動轉速匹配更加精確。

由圖6和圖7可知：栽植頻率為30株/min時的株距變異系數和倒伏率均較小，移栽效果較好，但是作業效率較低；當栽植頻率為35株/min和40株/min時，株距變異系數和倒伏率均有小幅度增加，但依舊符合旱地移栽機的主要性能指標規定，相較栽植頻率30株/min時的作業效率有此提高。因此，實際使用過程之中，需依據作業效率和移栽效果綜合考慮，選擇合適的栽植頻率。

4 結論

1)針對中等規模農戶使用需求，設計了一種電動的輕簡型半自動移栽機，主要由電動底盤、接苗部件、植苗部件及控制系統組成。本移栽機可實現電力驅動、升降栽植、行距變換及栽植頻率自動匹配等功能。

2)針對輕簡型半自動移栽機樣機進行田間作業的續航性能試驗和移栽性能試驗，結果表明：①樣機的續航里程至少為1.05km，續航時間至少為2h，證明該機器的續航能力滿足設計要求。②移栽漏栽率均低于4%，倒伏率均低于6%，株距變異系數均小于4%，栽植深度合格率均大于82%，栽植合格率均大于90%，符合旱地移栽機的主要性能指標規定。③同一理論株距下，隨著樣機前進速度的增加，實測株距值與理論株距值越來越小，輪轂電機轉速與栽植器驅動轉速匹配更加精確。④栽植頻率為30株/min時，移栽效果較好，但作業效率低；栽植頻率為40株/min時，作業效率高，移栽性能參數依舊符合旱地移栽機的指標規定。因此，實際使用過程之中，需依據作業效率和移栽效果綜合考慮，選擇合適的栽植頻率。