蔗苗半自動移栽機的設計及試驗

張凱旋,馬國鑫,高 峰,楊 鋮

(江蘇大學 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)省部共建教育部重點實驗室,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

甘蔗是甘蔗屬的總稱,富含糖分和水分,還含有促進人體新陳代謝的各種維生素、鐵、鈣等物質(zhì)。甘蔗作為制糖工業(yè)的重要原料,是我國南方地區(qū)的代表性經(jīng)濟作物[1]。甘蔗種植的機械化可以大幅提升甘蔗種植的收益,但當前的甘蔗產(chǎn)業(yè)機械化水平比較低,綜合水平約41.5%,而機械化種植水平僅為2.83%[2]。甘蔗種植機械化程度低的原因除了受國家經(jīng)濟政策影響和甘蔗種植條件現(xiàn)狀的影響外,甘蔗種性狀與農(nóng)機具相適應性也是主要的因素之一。

目前,甘蔗種的形式主要有整稈式蔗種、多節(jié)段蔗種和缽體直生苗。在種植過程中,整稈式蔗種和多節(jié)段蔗種種植時,由于用種量大、發(fā)芽率低、勞動強度大、效率低,機具適應性及可靠性低,不適用于機械化種植。直生蔗苗為一帶土缽苗,相比于蔗種,其分蘗性強、用種量少,蔗苗栽植過程中先需開溝,將蔗苗放入溝中,最后進行覆土鎮(zhèn)壓。而現(xiàn)有甘蔗種植機無法滿足蔗苗的種植農(nóng)藝要求。

移栽機是一種使用機械代替人工完成栽植作業(yè)的機具,具有高效、省時、節(jié)本的作用。但是,現(xiàn)有移栽機的設計都是針對某一類作物而設計的,具有局限性,無法滿足蔗苗的種植要求,因此設計一款結(jié)構(gòu)簡單、傷苗率低、實用性強和滿足蔗苗種植農(nóng)藝的蔗苗半自動移栽機[3]具有重要意義。

1 整機設計方案與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

移栽機為雙行移栽,主要由栽植機構(gòu)、分苗機構(gòu)、機架、地輪裝置和傳動系統(tǒng)等組成,如圖1所示。

1.鏈輪Ⅱ 2.從動軸Ⅰ 3.第一傳動鏈條 4.地輪驅(qū)動裝置 5.鏈輪Ⅰ 6.地輪Ⅰ 7.第二傳動鏈條 8.鏈輪Ⅳ 9.鏈輪Ⅴ 10.第三傳動鏈條 11.右栽植機構(gòu) 12.右覆土輪 13.右分苗器 14.開溝器Ⅰ 15.左栽植機構(gòu) 16.覆土輪 17.栽植深度調(diào)節(jié)器 18.左分苗器 19.地輪Ⅱ 20.苗盤 21.座椅 22.機架 23.鏈輪Ⅲ圖1 蔗苗半自動移栽機整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Sugarcane seedling semi-automatic transplanting machine overall structure

移栽機為雙行牽引式移栽機,三點懸掛裝置焊接于機架上方,兩開溝器通過螺栓連接安裝在機架前部下方;栽植機構(gòu)通過螺栓連接安裝在機架后方,并位于開溝器的正后方;分苗器通過螺栓連接安裝在機架上方,且開溝器的落苗口位于栽植機構(gòu)的接苗口的正上方;地輪裝置通過螺栓連接安裝在機架的側(cè)邊,兩地輪裝置的動力輸出端與從動軸Ⅰ相連,保證了左右分苗器及栽植機構(gòu)的同步動作;在機架的上方安裝有座椅,座椅面向分苗器安裝,便于投苗人員進行投苗作業(yè),同時觀察栽植器是否出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象,能及時提醒駕駛?cè)藛T;苗架通過矩形管焊接在機架上方,與水平面成25°角,以便投苗人員的取投苗。

1.2 工作原理

移栽機為兩行移栽機,共有左右兩個移栽單體,移栽機通過三點懸掛,懸掛在拖拉機上,由左右地輪為移栽機提供動力。工作時,地輪帶動同軸的鏈輪Ⅰ,然后通過鏈條傳動帶動鏈輪Ⅱ,從而將動力傳遞到從動軸Ⅰ上,帶動從動軸Ⅰ上的鏈輪Ⅲ轉(zhuǎn)動,將動力傳遞到栽植器軸,栽植器軸上的鏈輪通過鏈條帶動分苗機構(gòu)及推苗機構(gòu)。在拖拉機牽引的同時,蔗苗由人工投入分苗器中,當分苗杯轉(zhuǎn)至開合軌道缺口時,缽苗由分苗器落入導苗管中;對于左栽植單體而言,此時缽苗由分苗器落入導苗管中,并沿著導苗管落到開溝器底部,最終由推苗機構(gòu)將缽苗推出,落入土里,而后經(jīng)過覆土輪,完成覆土,移栽作業(yè)結(jié)束。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

本移栽機的主要技術(shù)參數(shù)如下：栽植行距為1050～1100/mm;栽植株距為250～300/mm;栽植深度調(diào)節(jié)范圍為20～40/mm;栽植頻率為45～55株/min;作業(yè)速度為505～529mm/s;外形尺寸為3300mm×1635mm×14 110mm。

2 主要部件設計

2.1 地輪裝置

地輪裝置主要由地輪、絲杠、絲杠支撐架1、絲杠支撐架2、張緊裝置、地輪安裝板及安裝架等組成,張緊裝置由兩個鏈輪及鏈輪安裝板構(gòu)成,如圖2所示。其中,地輪通過螺栓連接安裝在地輪安裝架上,絲杠支撐架1和絲杠支撐架2通過螺栓連接安裝在地輪安裝架上,絲杠與兩個絲杠支撐架固定連接,張緊裝置通過螺栓固定于地輪安裝架上,安裝架通過兩個U型螺栓固定安裝在機架的橫梁上。在機架和開溝器所確定的基礎高度上,地輪要與地面之間產(chǎn)生摩擦。為了保證地輪裝置能穩(wěn)定為分苗器與栽植機構(gòu)提供動力源,地輪選用外徑為500mm的人字形標準輪胎,增加輪胎與地面的摩擦力,防止輪胎出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

1.地輪 2.鏈輪 3.地輪安裝架 4.張緊裝置 5.安裝架 6.絲杠支撐架1 7.絲杠 8.絲杠支撐架2圖2 地輪裝置Fig.2 Ground wheel device

2.2 開溝器

開溝器主要由切土部件和溝體成型部件組成,具體由開溝器尖角、開溝器連接柱、翼板及開溝寬度調(diào)節(jié)處等組成,如圖3所示。開溝器連接塊為邊長170mm×170mm的矩形塊,焊接在連接柱上,矩形塊上開有4個孔,通過螺栓安裝在機架上。根據(jù)蔗苗栽植所需溝深將開溝器連接柱選為一長540mm的鐵塊;其下端焊接了開溝器尖角,由于蔗苗種植時寬度為50mm,因此將尖角的寬設計為55mm,入土角度為30°,便于入土。為了降低土壤的擾動量將開溝器翼板設計為曲面板,能夠較好地管理回土流的走向,減小回土流對蔗苗直立度的影響。兩翼板通過螺栓安裝在連接柱上,可通過開溝寬度調(diào)節(jié)處調(diào)節(jié)開溝寬度,以此增加開溝器對多種土壤環(huán)境的適應性。

2.3 栽植機構(gòu)

栽植機構(gòu)是移栽的執(zhí)行機構(gòu),作用是將缽苗移栽至指定位置,整個過程中,導苗管需完成接苗、運苗、推苗與回程等動作,以保證缽苗直立度高、不傷苗。栽植機構(gòu)主要由導苗管、推苗塊、連桿、擋苗擺桿、凸輪、導苗管連接件、輥子、曲柄及擋苗板等組成,如圖4所示。曲柄是栽植器的主動件,當缽苗掉入底部時,推苗塊對缽苗有扶正作用,以保證缽苗的直立度。工作時,曲柄轉(zhuǎn)動,帶動連桿擺動,從而驅(qū)動推苗塊做往復擺動。輥子與曲柄固定連接,當曲柄運動到一定位置時,輥子會壓迫導苗管連接件向下運動,從而導苗管進行擺動作業(yè);同時,通過凸輪將此動力傳遞給擋苗板,從而驅(qū)動擋苗板的擺動,保證缽苗落至開溝器后有穩(wěn)定的姿態(tài),并保證栽植株距。

1.擋苗板 2.曲柄 3.輥子 4.導苗管連接件 5.凸輪 6.擋苗擺桿 7.連桿 8.推苗塊 9.導苗管圖4 栽植機構(gòu)Fig.4 Guide seed tube planter

2.4 分苗器

分苗器主要包括分苗機架、帶動盤、投苗杯、投苗杯開合軌道和減速器等,如圖5所示。

1.帶動盤 2.投苗筒 3.開合軌道 4.縱軸 5.減速器 6.分苗杯 7.投苗機架圖5 分苗器Fig.5 Seedling device

減速器通過螺栓安裝在分苗機架上,開合軌道焊接于分苗機架上;投苗杯由杯身、杯座和扭簧組成,杯底鉸接在杯身底部,杯底和杯身之間設有扭簧,12個投苗杯安裝成一圈,形成環(huán)形,并固定安裝在分苗機架上,杯座側(cè)面與帶動盤接觸;縱軸通過軸承安裝在分苗機架上;投苗杯開合軌道設置在分苗機架上,投苗杯杯座與投苗杯開合軌道接觸。

2.5 傳動系統(tǒng)

移栽機的傳動方案如圖6所示。移栽機由地輪提供動力,對于移栽機左栽植單體,左地輪帶動軸1的鏈輪1,然后通過鏈條1將動力傳遞至從動軸2;通過鏈傳動將動力由鏈輪3傳遞至軸3,從而帶動鏈輪5轉(zhuǎn)動,再通過鏈傳動將動力由鏈輪5傳遞至鏈輪7,從而帶動軸5轉(zhuǎn)動,驅(qū)動左分苗器運行;軸3上的鏈輪6通過鏈條4將動力傳遞到鏈輪8,從而帶動軸4,驅(qū)動栽植機構(gòu)。右栽植單體的傳動方式與左栽植單體一致。

圖6 傳動系統(tǒng)Fig.6 Drive system

3 試驗與結(jié)果分析

3.1 試驗條件與方法

樣機在不同的拖拉機牽引速度下進行田間移栽試驗,并統(tǒng)計試驗缽苗的移栽參數(shù),計算樣機的移栽性能參數(shù),通過評價指標,檢驗樣機的移栽性能,驗證樣機整體結(jié)構(gòu)設計和傳動方案的合理性。

3.1.1 試驗條件

由于受交通約束,樣機的田間試驗在鎮(zhèn)江市稻麥綜合展示基地創(chuàng)新中心實驗基地進行。田間試驗前,需先用旋耕機對試驗地進行深耕,旋耕機的旋耕深度不低于300mm,試驗地的土壤破碎率最低為80%。由于蔗苗需在特定環(huán)境下進行,目前江蘇大學還未具備培育蔗苗的條件,所采用的試驗缽苗為玉米苗。玉米苗與蔗苗具有相似之處,在樣機試驗前1個月,采用50孔標準穴盤培育玉米苗,當缽體含水率約為60%,根系的盤根效果好,進行移栽試驗,此時玉米苗的外部特征與適栽期蔗苗的外部特征基本一致。

3.1.2 試驗方法

根據(jù)移栽機的作業(yè)模式,將拖拉機的牽引速度和連桿桿長作為兩個試驗因素,拖拉機牽引速度記為試驗因素A,連桿桿長記為試驗因素B,每個因素下有3個水平,共9個水平。在每組試驗組中進行30株玉米缽苗的栽植試驗。不同連桿參數(shù)和拖拉機牽引速度的組合試驗詳細安排,如表1所示。

表1 不同連桿參數(shù)和移栽機作業(yè)速度的組合試驗安排Table 1 Combination test arrangement of different connecting rod parameters and transplanter

通過半圓量角器測量缽苗徑稈與移栽機前進方向的夾角,統(tǒng)計直立度合格的缽苗株數(shù),并計算各試驗組的缽苗直立率;通過卷尺測量各試驗組中兩缽苗的栽植株距,計算實測平均栽植株距及株距變異系數(shù);用卷尺測量缽苗的栽植深度,計算栽植深度的合格率;統(tǒng)計各試驗組中實測缽苗中的埋苗數(shù),計算漏苗率。樣機的田間試驗如圖7所示。

圖7 蔗苗半自動移栽機田間作業(yè)圖Fig.7 Field operation of sugarcane seedling semi-automatic transplanting machine

3.2 試驗結(jié)果與分析

3.2.1 試驗結(jié)果

對每組水平試驗得到的栽植質(zhì)量參數(shù)進行統(tǒng)計分析,得到栽植質(zhì)量參數(shù)和栽植精度統(tǒng)計表,如表2、表3所示。選取當連桿長度為355mm時的試驗組,測量缽苗的實際株距,繪制不同作業(yè)速度下的缽苗實測株距分布圖,圖8為連桿長度為355mm時缽苗的實測株距分布。利用株距變異系數(shù)作不同作業(yè)速度和連桿長度下的株距變異系數(shù)曲線,如圖9所示。

表2 移栽性能統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of planting performance

表3 栽植精度統(tǒng)計表Table 3 Statistical table of planting accuracy

(a) 4號試驗

圖9 不同作業(yè)速度和連桿桿長株距變異系數(shù)變化曲線Fig.9 Variation curves of different working speeds and rod length variation coefficient

由表2、表3可知：各試驗組的缽苗直立率均高于80%,樣機的漏栽率均低于5%,實測缽苗的株距變異系數(shù)均小于25%,栽植合格率均大于80%。田間試驗結(jié)果表明：設計的移栽樣機的移栽效果符合本課題的設計要求。

3.2.2 試驗結(jié)果分析

1)由圖8可知：1號試驗,實測株距的平均值為274mm,與理論株距相差大約為26mm;2號試驗,實測株距的平均值為283mm,與理論株距相差大約為17mm;3號試驗,實測株距的平均值為294mm,與理論株距相差大約為6mm。同理可得：4～9號試驗實測株距的平均值與理論株距相差分別為24、16、5、24、16、3mm,總體的平均誤差為15.22mm。造成此現(xiàn)象的主要原因為：一是在缽苗的移栽過程中,蔗苗從分苗器掉入開溝器底部的時間是固定的,雖然移栽機作業(yè)速度的增加會加快分苗器和推苗機構(gòu)的動作,蔗苗在相同的時間內(nèi),運行的水平距離會加大,因此株距會增加;二是在移栽機的前進過程中,栽植機構(gòu)會出現(xiàn)振動,影響了缽苗的下滑運動;三是由于土壤比較疏松,地輪裝置出現(xiàn)打滑現(xiàn)象,未能穩(wěn)定地將動力傳遞給栽植機構(gòu)及分苗器,從而導致了實測株距與理論株距存在一定的誤差。

2)由表2、表3可知：樣機在試驗中存在以下問題。①在樣機的田間試驗中存在漏苗現(xiàn)象,發(fā)生此現(xiàn)象的原因主要為：一是投苗人員不能將缽苗及時地輸送至分苗器中;二是缽苗下降過程中,由于導苗管的擺動,蔗苗未能進入導苗管中,而直接掉入土里,造成漏苗現(xiàn)象。②從現(xiàn)場試驗來看,栽植深度不符合蔗苗的種植農(nóng)藝,主要受到了該區(qū)域的土壤硬度的限制,無法達到蔗苗的種植深度。③每組試驗的株距變異系數(shù)都較大,主要原因為缽苗從分苗器掉入開溝器底部的過程中,缽苗受到了導苗管及莖葉接觸摩擦等阻礙,將會耗損部分不確定的時間,因此移栽時株距變異系數(shù)較大。

由圖9可知：隨著樣機作業(yè)速度的增加,缽苗的株距變異系數(shù)逐漸增加。造成此現(xiàn)象的主要原因為：當樣機的作業(yè)速度增加時,由此帶來的栽植振動明顯,使缽苗在下落過程中發(fā)生不確定運動,從而導致了株距的不均勻性。

4 結(jié)論

1)根據(jù)蔗苗的種植農(nóng)藝要求,研制了一款蔗苗半自動移栽機,主要由栽植機構(gòu)、分苗機構(gòu)、機架、地輪裝置和傳動系統(tǒng)等組成。樣機滿足了蔗苗的種植農(nóng)藝,并能保證缽苗的直立度,降低了缽苗的破損率,開溝深度可調(diào)。

2)試驗結(jié)果表明：①各試驗組的缽苗直立率均高于80%,樣機的漏栽率均低于5%,實測缽苗的株距變異系數(shù)均小于25%,栽植合格率均大于80%。②樣機的田間試驗結(jié)果表明：設計的移栽樣機的移栽效果符合本課題的設計要求。③當連桿長度相同時,隨著樣機的作業(yè)速度的增加,缽苗的株距變異系數(shù)也逐漸增加。