甘薯秧苗氣動扦插裝置控制系統設計

楊幸運 都興隆 劉 巖

（鄭州科技學院車輛與交通工程學院，河南 鄭州 450000）

甘薯又名紅薯、白薯等，屬旋花科甘薯屬一年生草本植物［1］。甘薯是我國的重要糧食作物之一，在確保糧食安全中占有重要的地位，因此，研究和推廣甘薯生產機械尤為重要［2］。

我國北方耕地以旱地為主，故而扦插秧苗質量對秧苗成活率影響極大。目前市場上常見的扦插機械種植效率和成活率均不理想，因此，亟須研制一款種植效率和扦插質量均較高的秧苗扦插機械來代替人工完成種植作業，以不斷提升農作物生產效率，加快農業現代化進程。

1 甘薯秧苗氣動扦插裝置控制系統設計目標

①以氣動扦插裝置電子控制電路為主要研究主體，根據實際使用環境調整相關參數，并不斷優化結構性能，以達到快速、高效進行扦插作業的目的。

②甘薯插苗移栽機應設計為拖掛式連接機型，所有旋轉地輪均應安裝一個車輪速度傳感器，以提高移栽機在不同耕地環境下的移栽質量和移栽合格率。

③為不影響試驗結果的準確度，應在移栽機尾部安裝覆土輪，避免人工覆土厚度不一致，以保證試驗質量。

④其他附屬裝置由座椅、導苗筒、苗架等組成。

2 甘薯秧苗氣動扦插裝置控制系統結構及工作原理

2.1 系統結構設計

除輔助構件外，甘薯秧苗氣動扦插裝置控制系統主要由薯苗漏斗、導苗筒、工作缸、開穴錐頭、連桿機構、輪速傳感器、儲氣罐、蓄電池、控制電路、兩位五通電磁換向閥、微型氣泵、氣管等組成。大體上，甘薯秧苗氣動扦插裝置控制系統的整體結構圖如圖1所示。

圖1 甘薯秧苗氣動扦插裝置控制系統的整體結構

2.2 工作原理

如圖2 所示，將移栽機掛載到農用拖拉機上，進入已根據要求起壟的田間使其調至工作狀態。在拖拉機的牽引力作用下，移栽機開始工作，固定在地輪上每個光電傳感器檢測到遮光盤轉動帶來的光線變化向控制系統傳送脈沖信號。由于光電傳感器遮光盤上共有18 個大小相等的缺口，即地輪每旋轉一周產生18 個周期的脈沖信號，故移栽機行走距離可由式（1）（2）進行計算：

圖2 甘薯秧苗氣動扦插裝置控制系統工作流程

式（1）中，Sn表示某一地輪移動的距離，單位為m；a表示地輪實際旋轉的角度；r表示車輪半徑。式（2）中，L表示移栽機行走距離，單位為m；-S表示4 個地輪平均測量得到的移動距離；S1、S2、S3、S4表示4個地輪各自測量得到的移動距離；N表示地輪數量。

單片機將計算得到的移栽機移動距離與設定株距相比較，當達到設定株距時，向氣壓傳動換向電磁閥發出動作信號，控制導苗筒上下移動和開穴錐形頭開穴。移栽機繼續向前移動時，位于末尾的覆土輪將兩側的土壤推向秧苗，完成覆土作業。由此不斷循環來高效完成移栽種植作業。

3 甘薯秧苗氣動扦插裝置控制系統使用性能試驗

3.1 試驗條件

該試驗在鄭州科技學院花房內進行，試驗田地平坦，經清理后無雜草殘茬覆蓋、土質疏松，人工起壟頂寬450～500 mm、底寬700～750 mm、高220～250 mm，地塊長度30 m。田塊土質類型為棕壤、黃褐土，經人工處理后土壤疏松肥沃，表層土壤（0～50 mm）含水率為12.1%，下層土壤（50～100 mm）含水率為13.7%，符合中華人民共和國工業和信息化部發布的《旱地栽植機械》（JB/T 10291—2013）標準對試驗土壤的要求。試驗署苗品種為“龍薯九號”，苗高180～220 mm，從育苗大棚批量采購，試驗前篩除高度不合格幼苗［3‐4］，以降低苗齡過小對試驗結果的影響。

3.2 試驗內容

3.2.1 栽植頻率。栽植頻率（f）為單位時間內在一個栽植行內栽植到地里的全部秧苗株數（z）與時間（t，單位為s）之比。該試驗測定移栽30 m（一行）甘薯苗的所用時間，并記錄移栽株數，由式（3）計算移栽頻率［5］：

3.2.2 距變異系數。測量栽植行內相鄰2 株秧苗與地面的交點在栽植行中心線上的投影距離X1，比較實測株距X1與設計株距XR之間的差異，判斷實測株距X1是否合格，根據式（4）計算株距變異系數［5］：

式（4）中，CVx表示株距變異系數；Sx表示株距標準差，單位為cm表示株距平均值，單位為cm。

3.2.3 栽植深度合格率［5］。測量從秧苗與覆土面交點到秧苗根部的垂直距離，稱栽植深度。以栽植深度小于苗高的1/5 或大于苗高的2/5 為不合格。根據式（5）計算栽植深度合格率H1：

式（5）中，Nh表示栽植深度合格的總數，N表示測定段內的栽植株數。

3.2.4 栽植合格率［5］。栽植合格率（Q）為移栽后合格株數占測定段設計株數的百分比，由式（6）計算得出：

式（6）中，NCZ表示重栽株數；NDF表示倒伏株數，NMM表示埋苗株數；NLM表示露苗株數；NSM表示傷苗株數，N′表示測定段內的設計株數。

3.3 試驗結果

為保證試驗數據具有普遍性，試驗分3 次進行，取平均值。結果表明，該移栽機在保證栽植合格的情況下最大允許栽植頻率fmax為100 株/min；由于控制系統的優越性，株距變異系數相對穩定，其平均株距變異系數-CVx為6.9；在栽植頻率為80 株/min 左右的情況下，栽植深度平均合格率-H1為97.9%，平均栽植合格率-Q為93.4%。

4 結論

以氣壓傳動機構為控制基礎，以車輪速度傳感器、氣缸行程開關為感知元件，以單片機控制電路為核心的氣動扦插裝置控制系統經試驗后得出，該移栽機能順利完成扦插作業，系統功能設計符合實際使用需求，較傳統機械控制式扦插機械具有適應性強、株距控制精準、扦插質量受移動速度變化影響較小、栽植效率高等優點，移栽性能良好，能在農業機械現代化發展進程中起到一定的推動作用。