旱地缽苗自動移栽機設計與試驗

何亞凱，崔 巍，李樹君，高希文，陳 科，韓振浩，郝朝會

(1.中國農業機械化科學研究院，北京 100083；2.現代農裝科技股份有限公司，北京 100083；3.中國機械工業集團有限公司，北京 100080)

0 引言

作物移栽作為一種現代栽培技術，能夠有效地增加作物產量。隨著缽苗育苗技術日益成熟，缽苗移栽正被廣泛應用于煙草和蔬菜等經濟作物種植。目前，國內機械移栽主要是以半自動移栽為主，由于人工喂苗作業速度的限制，機械作業效率不高，綜合效益并不明顯，限制了大面積移栽作業[1]。國外發達國家移栽機的自動化程度較高，極大地降低了人工的勞動強度，提高了移栽作業效率，加快了缽苗移栽機械的發展。現在歐美、日本等國家已經有比較成熟的自動移栽機械[2-8]，但是由于價格昂貴、結構設計與國內移栽農藝脫節等原因沒有在國內推廣應用[9-16]。

本文通過借鑒國內外先進自動移栽技術并結合國內移栽農藝要求[3-6, 17-20]，在通用性較廣的鴨嘴式栽植機構基礎上[21-27]，采用齒輪-五桿組合機構作為自動取苗機構[28]，設計出了一種牽引式缽苗自動移栽機。該機能夠自動完成取苗、栽苗過程，有效地減輕了工人勞動強度，降低了作業成本，提高了栽植效率，從而促進了我國作物栽植機械自動化水平的發展。

1 主要技術參數

該自動移栽機主要技術參數如下：

外形尺寸/mm：1 800×1 300×1 600

匹配動力/kW：18.4及以上

整機質量/kg：180

整機輪距/mm：1 100～1 200可調

移栽行數/行：1

移栽株距/cm：30/40/45/50可調

移栽效率/株·min-1：70～80

穴盤規格：128(16×8)穴，塑料軟盤

2 總體結構方案與工作原理

該旱地缽苗自動移栽機主要由取苗部件、供苗部件、栽植部件、行走裝置、壓實輪和機架等部分組成，如圖1所示。

工作時，拖拉機拖掛整機行走，同時帶動地輪轉動，地輪通過鏈傳動將動力傳到栽植部件，進而再將動力向上分別傳至取苗機構和供苗機構；供苗機構通過橫向和縱向間歇進給將缽苗準確送至取苗位置，然后取苗爪在齒輪-五桿機構共同作用下做單臂往復取苗運動，沿特定軌跡完成取苗、送苗、投苗及回程動作。缽苗被取苗爪取出投至鴨嘴栽植器后，隨著行星齒輪變速箱做回轉運動，當鴨嘴運動至入土底部時被凸輪機構打開，鴨嘴內缽苗靠重力作用落入苗穴，然后壓實輪對缽苗周圍土壤進行覆土鎮壓，使得缽苗栽植穩定，完成移栽過程。整機的工作流程如圖2所示。

1.機架 2.行走部件 3.供苗部件 4.栽植部件 5.壓實輪 6.取苗部件

圖2 缽苗自動移栽機工作流程圖Fig.2 The working flowchart of automatic transplanter

3 主要工作部件結構及方案

取苗和供苗部件是實現自動移栽的關鍵部件，因此本文主要針對取苗和供苗部件進行分析與研究，設計出一種移栽性能穩定、可靠的自動移栽機。

3.1 取苗部件

取苗過程分為取苗、送苗、投苗及回程4個環節。其中，取苗和投苗是關鍵環節，決定了缽苗能否被成功取出和取出的缽苗能否準確投入栽植部件內。因此，優化設計取苗機構時應滿足以下要求：取苗時，取苗爪以垂直苗盤姿態插入基質，到達預定深度后夾緊，再原路退回將苗拔出穴盤；投苗時，缽苗以豎直姿態投出，并且有豎直方向的初速度。此外，為減少取苗爪插入和拔出苗盤時對基質產生的擾動，保證基質完整性，苗針在取苗位置的軌跡也應垂直于苗盤，其取苗軌跡如圖3所示。

本文設計一種齒輪-五桿式取苗機構，并采用迎苗扎取方式進行取苗，每次取苗為單株取苗，尺寸較小，結構相對簡單。取苗部件主要由齒輪傳動箱、曲柄a、曲柄b、雙連桿、取苗臂及取苗爪等結構組成，如圖3所示。齒輪傳動箱通過兩個齒輪分別帶動曲柄a和b轉動，然后取苗爪在曲柄-連桿及取苗臂的共同作用下進行擺動，并保證其末端形成特定的取苗軌跡，以滿足缽苗自動移栽機取苗和投苗動作要求。

1.取苗軌跡 2.取苗爪 3.取苗臂 4.曲柄a 5.曲柄b 6.齒輪傳動箱 7.取苗針 8.擋苗環

取苗爪的結構形式直接影響著取出缽苗的質量，本機型取苗爪在現有的4針式結構[29]基礎上進行了改進設計(見圖3)；改進后的取苗爪由2根取苗叉構成，且每根取苗叉都包含有2個取苗針，既能夠滿足苗爪環抱基的取苗效果，又簡化了取苗爪結構。

由于缽苗基質有一定的粘性，投苗作業時苗針張開并不能將苗有效脫離，仍需借助外力，因此在苗針根部設計擋苗環，通過凸輪-彈簧結構控制苗針，投苗時凸輪處于低位，苗針在彈簧作用下回縮至擋苗環上方，缽苗被擋苗環推出，如圖4所示。

圖4 取苗及投苗示意圖Fig.4 The diagram of fetching and disengaging seedlings

3.2 供苗部件

取苗爪在同一位置重復取苗，因此供苗部件應根據穴盤橫向穴距(36mm)和縱向穴距(36.5mm)尺寸進行設計，以保證將缽苗準確和穩定地送到取苗位置。

供苗部件機構主要由橫向進給機構和縱向進給機構兩部分組成，如圖5所示。橫向進給供苗機構采用插秧機螺旋軸結構連續供苗[30-32]，為保證取苗爪取苗穩定，在螺旋軸動力輸入端設計一組不完全齒輪，進行動力的間歇傳遞，并在兩個齒輪上設計限位弧，確保兩齒輪不嚙合時，從動齒輪不轉動，以保證取苗爪苗針在插入和拔出苗缽的過程中苗盤靜止，增加取苗成功率和苗缽取出的完整性。毯狀苗插秧機栽插作業時對縱向進給的精度要求并不嚴格，為保證準確縱向供苗，應對插秧機縱向進給機構進行改進[33-35]。本機型縱向進給機構采用棘輪結構，保證了每次進給量的一致性，且能夠有效地消除周期誤差，較好地實現縱向精準進給。

1.橫向進給機構 2.棘輪機構 3.縱向進給機構 4.不完全齒輪 5.盤形凸輪 6.螺旋凸輪軸 7.橫移軸

工作過程：動力通過鏈傳動傳遞給不完全齒輪，由不完全齒輪實現螺旋凸輪軸1/4周期間歇運動，螺旋凸輪軸再通過滑塊驅動橫移軸(苗盤架)橫向移動，從而實現橫向間歇供苗以及取苗爪靜止取苗；當橫移軸(苗盤架)分別橫移至兩端處時，則此排缽苗已被全部取出；隨之盤形凸輪帶動橫移軸轉動，并由棘輪機構實現縱向進給定位，保證下一排缽苗運動到取苗位置；最后橫移軸反向移動，帶動取苗爪完成新一排的取苗動作。

3.3 栽植部件

該栽植部件主要由行星齒輪箱和栽植器組成，如圖6所示。其中，栽植器為鴨嘴結構，上端為圓筒形狀且與行星輪軸固結，下端為錐筒形狀且在凸輪作用下可左右分合以實現接苗和栽苗動作。行星齒輪變速箱主要由太陽輪、中間過渡輪、行星輪和箱體組成，動力通過箱體帶動整個輪系轉動，實現行星輪軸(栽植器)做回轉運動，且在運動過程中能夠保持行星輪軸(栽植器)豎直栽苗狀態，滿足栽植要求。該行星齒輪箱通過均勻布置3組栽植器，能夠有效降低高效作業下振動不平衡問題，進一步提高栽植效率。

1.行星齒輪箱 2.行星輪軸 3.鴨嘴栽植器

3.4 壓實輪

缽苗栽植過程中，土壤回流能夠實現缽苗的定植效果，但在硬質土壤和粘性土壤環境下栽植作業時，僅靠土壤回流并不能實現缽苗良好的定植效果，故在栽植部件后設置了一個壓實輪結構，以改善其定植效果。壓實輪為對稱結構，下端內傾，呈倒“八”字形，如圖7所示。在移栽過程中，壓實輪能夠對缽苗周圍土壤進行擠壓，以實現已栽缽苗苗缽的覆土和壓實。

圖7 壓實輪結構示意圖Fig.7 Diagram of soil compaction device

4 樣機性能試驗

為檢驗該缽苗自動移栽機的工作性能，選取取苗成功率、漏栽率和移栽效率為檢測指標，對該自動移栽機進行田間試驗考核，如圖8所示。試驗場地為河北省唐縣白塔村翻耕且平整過的沙壤土地，土壤含水率約為15%；試驗動力為東方紅300拖拉機；試驗對象為苗期45天的西紅柿穴盤苗，平均缽苗總高為18cm，缽苗基質含水率約為18%。試驗按照缽苗栽植株距33～35cm、栽植深度5～7cm的要求進行，每次試驗移栽一整盤缽苗(128株)，記錄每次試驗所用時間t、取苗后苗盤中未取出缽苗數n及地面移栽后漏栽苗數m，并進行3次重復試驗。試驗統計數據按式(1)～式 (3)進行計算，分析結果如表1所示。

(1)

(2)

(3)

圖8 試驗樣機及田間試驗Fig.8 Prototype and field experiment

表1 試驗結果Table 1 Experimental results

由表1數據可知：該自動移栽機移栽效率達到71.7株/(min·行)時，取苗成功率為97.1%，缽苗漏栽率為4.4%，自動移栽機整體運轉良好，能夠較好地滿足設計要求。

5 結論

1)以齒輪-五桿組合機構為研究基礎，設計了一種齒輪-五桿式取苗機構，并研制出了一種旱地自動缽苗移栽機。該移栽機依靠機械自身能夠完成自動取苗、供苗及栽苗環節，解放了勞動力，實現了穴盤缽苗從苗盤到大田的機械化自動移栽。

2)試驗結果表明：該旱地缽苗自動移栽機運轉良好，作業性能可靠，移栽作業效率達到71.7株/(min·行)時，取苗成功率為97.1%，漏栽率為4.4%，能夠滿足預期設計要求，較好地提高了移栽效率，降低了勞動強度，為后期自動移栽機設計與研究提供了參考。