丘陵山區(qū)電動(dòng)井窖式煙草移栽機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

摘 要： 結(jié)合煙草小苗移栽農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了一種適用于丘陵山區(qū)的電動(dòng)井窖式煙草移栽機(jī)，整機(jī)具備機(jī)械化井窖成穴、投苗和澆水等小苗移栽作業(yè)功能。在完成移栽機(jī)挖穴裝置、投苗裝置和澆水裝置等關(guān)鍵零部件模塊化設(shè)計(jì)和組裝后進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，井窖式煙草移栽機(jī)作業(yè)效率0.402 hm2/d，井窖成穴合格率gt;90.8%，移栽作業(yè)合格率gt;87.7%，滿足丘陵山區(qū)煙草井窖式移栽作業(yè)要求，為丘陵山區(qū)煙草小苗井窖式移栽技術(shù)的推廣應(yīng)用提供裝備支撐。

關(guān)鍵詞：煙草；井窖式；移栽機(jī)；成穴裝置；投苗裝置；丘陵山區(qū)

中圖分類號(hào)：S223 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1795（2024）04-0092-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.04.015

0 引言

煙草作為貴州省、云南省和四川省等的特殊經(jīng)濟(jì)作物，常年種植面積較大[1-3]。煙葉生產(chǎn)過程中育苗播種、耕整地、中耕、植保和烘烤等環(huán)節(jié)的機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化程度較高，而煙葉移栽和成熟后采收環(huán)節(jié)主要還是依靠人工作業(yè)完成，尤其是移栽環(huán)節(jié)尚不能與現(xiàn)代化漂浮育苗技術(shù)相銜接，成為影響煙草優(yōu)質(zhì)高效種植的技術(shù)瓶頸[4-6]。此外，農(nóng)村勞動(dòng)力緊缺，傳統(tǒng)煙草移栽模式不能適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，也不能充分發(fā)揮煙草漂浮育苗技術(shù)在增產(chǎn)增值方面的優(yōu)勢(shì)[7-9]。

相較于常規(guī)煙草移栽作業(yè)，煙草小苗移栽技術(shù)能縮短育苗期，具備煙苗早生快發(fā)、病蟲害率較低、煙葉成熟期早等優(yōu)勢(shì)[10-11]。煙草小苗移栽需完成挖穴、投苗和澆水等一系列環(huán)節(jié)，目前市場(chǎng)上常見的小苗移栽機(jī)主要是井窖打孔機(jī)，雖然降低了人工挖穴的勞動(dòng)強(qiáng)度，然而井窖成穴質(zhì)量和效果不佳，井窖間距不均勻，在井窖成穴時(shí)還需人工背負(fù)或者手提式作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度依然較大[12]。因常規(guī)移栽機(jī)的通用性較低，不適用于煙草小苗移栽作業(yè)[13-15]。因此，迫切需要研發(fā)出適用于丘陵山區(qū)的煙草小苗移栽機(jī)，以解決煙草小苗移栽機(jī)械化技術(shù)難題[16-17]。

為解決煙草小苗人工移栽勞動(dòng)強(qiáng)度大，以及現(xiàn)有小苗移栽裝備作業(yè)效率、作業(yè)性能和可靠性不高等問題，以提升丘陵山區(qū)煙苗移栽作業(yè)質(zhì)量和效率，減少煙苗移栽成本和實(shí)現(xiàn)煙苗移栽的全程機(jī)械化，本研究結(jié)合丘陵山區(qū)煙葉生產(chǎn)農(nóng)業(yè)要求和區(qū)域特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種適用于丘陵山區(qū)的電動(dòng)井窖式煙草移栽機(jī)。整機(jī)采用磷酸鐵鋰電池組作為動(dòng)力源，通過使用輕量化框架式結(jié)構(gòu)和PLC 智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化井窖成穴、投苗和澆水等小苗移栽作業(yè)。在整機(jī)結(jié)構(gòu)方案和工作原理確定的基礎(chǔ)上，對(duì)移栽機(jī)的挖穴機(jī)構(gòu)、投苗機(jī)構(gòu)和澆水機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵零部件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，丘陵山區(qū)電動(dòng)井窖式煙草移栽機(jī)的作業(yè)效率和井窖成穴質(zhì)量能滿足丘陵山區(qū)煙草井窖式移栽的農(nóng)業(yè)要求，并且具備維修保養(yǎng)便捷等優(yōu)勢(shì)，從而為丘陵山區(qū)煙草小苗井窖式移栽技術(shù)的推廣應(yīng)用提供裝備支撐。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

丘陵山區(qū)適用的電動(dòng)井窖式煙草移栽機(jī)主要由機(jī)架、磷酸鐵鋰電池組、電氣控制系統(tǒng)、投苗機(jī)構(gòu)、育苗盤放置架、栽植高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、澆水機(jī)構(gòu)和井窖成穴機(jī)構(gòu)等組成，如圖1 所示。其中，磷酸鐵鋰電池組和電氣控制系統(tǒng)安裝于機(jī)架后部，投苗機(jī)構(gòu)、育苗盤放置架和栽植高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定焊接在機(jī)架上，澆水機(jī)構(gòu)和挖穴孔機(jī)構(gòu)安裝于機(jī)架下方。機(jī)架主要包括導(dǎo)向輪、高度調(diào)整導(dǎo)軌、橫梁、苗盤支撐、把手、驅(qū)動(dòng)輪和水桶架子等零部件，以提供各個(gè)零部件的安裝位置。磷酸鐵鋰電池組作為整機(jī)動(dòng)力源，電氣控制系統(tǒng)分別控制自走驅(qū)動(dòng)電機(jī)的啟動(dòng)、停止和正反轉(zhuǎn)，以此控制移栽機(jī)的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向工作。機(jī)具主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

1.2 工作原理

設(shè)備通電啟動(dòng)后，機(jī)架上左右兩個(gè)自走驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)工作，整機(jī)向前行走。同時(shí)，電氣控制系統(tǒng)的PLC 控制器開始計(jì)算行走距離，當(dāng)行走距離達(dá)到設(shè)定株距后，PLC 智能控制系統(tǒng)控制擺臂電機(jī)轉(zhuǎn)速，擺臂電機(jī)通過行星輪箱體和箱體連桿控制成穴機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動(dòng)，在整個(gè)運(yùn)行過程中鉆頭電機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，在壟體上打出適宜深度的井窖孔。在井窖成穴后，苗杯底蓋導(dǎo)桿在落苗位置設(shè)計(jì)相應(yīng)的缺口段，當(dāng)苗杯旋轉(zhuǎn)到落苗位置時(shí)，苗杯底蓋自動(dòng)開啟，使得煙苗自動(dòng)落至投苗筒中，并自由落體進(jìn)入已制作完成的井窖孔內(nèi)。在煙苗投苗完成之后，PLC 智能控制系統(tǒng)再次對(duì)機(jī)器的行走距離進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)機(jī)架上澆水筒位置到達(dá)井窖孔上方時(shí)，PLC 控制器控制電磁鐵通電，以打開澆水筒完成澆水作業(yè)，澆水作業(yè)1s 后電磁鐵自動(dòng)斷電，以關(guān)閉澆水筒出水口。澆水筒出水口關(guān)閉后，電磁閥自動(dòng)開啟，以實(shí)現(xiàn)對(duì)澆水筒的自動(dòng)注水作業(yè)，當(dāng)澆水筒中液面接觸到水位探針時(shí)電磁閥關(guān)閉，通過調(diào)節(jié)水位探針的高度可以控制澆水筒進(jìn)水量的多少，從而調(diào)整移栽澆水量，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)井窖式煙草移栽機(jī)的行走?井窖成穴?投苗?澆水循環(huán)作業(yè)，完成丘陵山區(qū)煙草小苗機(jī)械化移栽。

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1 井窖成穴裝置

井窖成穴裝置是丘陵山區(qū)電動(dòng)井窖式煙草移栽機(jī)的核心部件之一，主要由打孔器、鉆頭電機(jī)、行星輪箱體、折疊伸縮連桿、拉伸彈簧、位置檢測(cè)傳感器、導(dǎo)軌連桿、軸承和擺臂電機(jī)等組成，如圖2 所示。

主要工作原理：移栽機(jī)通電啟動(dòng)后，電氣控制系統(tǒng)控制左右兩個(gè)自走驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，PLC 智能控制系統(tǒng)以PID 閉環(huán)控制方式控制擺臂電機(jī)的轉(zhuǎn)速與后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速成一定比例，擺臂電機(jī)和左后輪自走驅(qū)動(dòng)電機(jī)均安裝有編碼器，以此來保證移栽株距的穩(wěn)定性。移栽機(jī)自行向前移動(dòng)時(shí)，鉆頭電機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)向輪護(hù)住壟邊。同時(shí)，擺臂電機(jī)通過行星輪箱體和箱體連桿控制井窖成穴裝置向下運(yùn)動(dòng)，在壟體上打出滿足丘陵山區(qū)煙草移栽農(nóng)藝要求的井窖孔。

2.2 投苗裝置

投苗裝置也是丘陵山區(qū)電動(dòng)井窖式煙草移栽機(jī)的核心部件之一，主要由苗盤支撐、旋轉(zhuǎn)苗盤、苗杯、底蓋彈簧、苗杯底蓋、導(dǎo)苗筒、苗筒支撐、苗導(dǎo)向筒、苗盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、苗盤底板和苗杯底蓋導(dǎo)桿等組成，如圖3 所示。

主要工作原理：苗杯安裝在旋轉(zhuǎn)苗盤上，旋轉(zhuǎn)苗盤下部裝有減速器，苗盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過減速器傳遞動(dòng)力帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)苗盤旋轉(zhuǎn)，苗杯底端裝有苗杯底蓋，苗杯底蓋使用底蓋彈簧連接，苗杯底蓋配合苗杯底蓋導(dǎo)桿運(yùn)動(dòng)。苗杯底蓋導(dǎo)桿在落苗位置設(shè)計(jì)有相應(yīng)的缺口段，使苗杯旋轉(zhuǎn)到落苗位置時(shí)，苗杯底蓋自動(dòng)打開，煙苗自動(dòng)落至打孔機(jī)構(gòu)中，當(dāng)苗杯不在落苗位置時(shí)，苗杯底蓋導(dǎo)桿擋住苗杯底蓋，使苗杯底蓋合攏，人工投入準(zhǔn)備移栽的煙苗。移栽過程中，苗導(dǎo)向筒通過苗筒支撐固定在苗盤支撐上，以確保煙苗直立落下。

丘陵山區(qū)電動(dòng)井窖式煙草移栽機(jī)投苗裝置動(dòng)力由苗盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供，整個(gè)系統(tǒng)的總傳動(dòng)比為

式中 i——總傳動(dòng)比

n1——驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速

n2——苗盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速

u——移栽機(jī)前進(jìn)速度

D——驅(qū)動(dòng)輪直徑

δ——移栽機(jī)作業(yè)時(shí)滑轉(zhuǎn)率，取0.05～0.10

2.3 澆水裝置

澆水裝置也是丘陵山區(qū)電動(dòng)井窖式煙草移栽機(jī)的核心部件之一，主要由水桶支架、水桶、電磁閥、水位探針、澆水筒、澆水筒蓋、鎖緊圈和導(dǎo)水管等組成，如圖4 所示。

主要工作原理：投苗裝置完成投苗后，PLC 智能控制系統(tǒng)立即對(duì)移栽機(jī)的行走距離進(jìn)行計(jì)算和測(cè)量，當(dāng)澆水筒運(yùn)轉(zhuǎn)到達(dá)井窖孔上方時(shí)，PLC 控制器控制電磁鐵通電打開澆水筒完成澆水，澆水1 s 后電磁鐵斷電，澆水筒關(guān)閉，電磁閥自動(dòng)開啟對(duì)澆水筒進(jìn)行注水，當(dāng)液面接觸水位探針時(shí)，電磁閥關(guān)閉，通過調(diào)節(jié)水位探針的高度可以控制澆水筒進(jìn)水量的多少，調(diào)整移栽所需的澆水量，從而實(shí)現(xiàn)在井窖內(nèi)定點(diǎn)和定量澆水。

3 田間試驗(yàn)

丘陵山區(qū)電動(dòng)井窖式煙草移栽機(jī)代替人工進(jìn)行煙草小苗機(jī)械化移栽作業(yè)，以保證煙苗按時(shí)節(jié)實(shí)時(shí)移栽，提升煙苗作業(yè)效率和質(zhì)量，減少煙苗移栽成本和實(shí)現(xiàn)煙苗移栽的全程機(jī)械化，實(shí)現(xiàn)丘陵山區(qū)煙苗移栽向減工降本和提質(zhì)增效方向發(fā)展。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電動(dòng)井窖式煙草移栽機(jī)的技術(shù)指標(biāo)是否符合設(shè)計(jì)要求，在貴州省貴陽市開陽縣高寨鄉(xiāng)和修文縣馬家橋開展樣機(jī)試驗(yàn)應(yīng)用，移栽作業(yè)過程和煙苗移栽效果如圖5 所示。

試驗(yàn)用煙田土壤含水率分別為12%（開陽縣）和20%（修文縣），起壟和覆膜作業(yè)滿足機(jī)械化移栽要求。煙苗種植壟距110 cm、壟高30 cm、壟頂寬33 cm 和苗間距55 cm。試驗(yàn)用秧苗為采用漂浮育苗技術(shù)培育的煙草缽苗，按照丘陵山區(qū)煙苗移栽作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行移栽作業(yè)，移栽作業(yè)速率設(shè)置19 株/min。電動(dòng)井窖式煙草移栽機(jī)井窖成穴質(zhì)量參數(shù)和移栽作業(yè)性能參數(shù)分別如表2 和表3 所示。

在開陽縣井窖成穴質(zhì)量參數(shù)較差的主要原因可能是因?yàn)橐圃缘貕K土壤含水率較低導(dǎo)致，井窖容易發(fā)生坍陷。在修文縣移栽作業(yè)性能參數(shù)較差的主要原因可能是因?yàn)橐圃缘貕K土壤含水率較高導(dǎo)致，驅(qū)動(dòng)輪易打滑影響移栽機(jī)株距計(jì)算誤差。因此移栽作業(yè)之前需對(duì)地塊進(jìn)行起壟和覆膜作業(yè)，并且土壤墑情需滿足移栽作業(yè)條件。同時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析表明，丘陵山區(qū)電動(dòng)井窖式煙草移栽機(jī)的作業(yè)效率0.402 hm2/d，人工移栽作業(yè)效率0.080 hm2/d，機(jī)械化移栽的作業(yè)效率是人工移栽作業(yè)的5 倍。上述數(shù)據(jù)表明，丘陵山區(qū)電動(dòng)井窖式煙草移栽機(jī)井窖成穴質(zhì)量和移栽作業(yè)性能滿足煙草小苗移栽農(nóng)藝要求。

4 結(jié)束語

（1）根據(jù)丘陵山區(qū)煙草小苗移栽的農(nóng)藝要求設(shè)計(jì)出丘陵山區(qū)電動(dòng)井窖式煙草移栽機(jī)，首先對(duì)其整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行闡述，隨后對(duì)移栽機(jī)的井窖成穴裝置、投苗裝置和澆水裝置等關(guān)鍵零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。整機(jī)模塊化設(shè)計(jì)，后期維修保養(yǎng)便捷，操作適用性較好。

（2）丘陵山區(qū)電動(dòng)井窖式煙草移栽機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果表明，移栽機(jī)井窖成穴合格率gt;90.8%，移栽作業(yè)合格率gt;87.7%，作業(yè)效率為0.402 hm2/d。電動(dòng)井窖式移栽機(jī)在實(shí)際使用過程中能夠達(dá)到相應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)，能顯著地提高煙苗栽植效率，井窖成穴質(zhì)量和移栽作業(yè)質(zhì)量符合農(nóng)藝要求，滿足丘陵山區(qū)煙草機(jī)械化種植需求，可為丘陵山區(qū)煙草小苗井窖式移栽技術(shù)的推廣應(yīng)用提供裝備支撐。

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