晏飛+胡小東+李俊+李文標(biāo)+陸勇+唐斌+龍偉

摘 要：針對(duì)云南煙區(qū)特有地形地貌、土壤條件和煙苗移栽要求，設(shè)計(jì)開發(fā)一種步進(jìn)式電動(dòng)打塘移栽機(jī)，解決外來移栽機(jī)適應(yīng)性差的問題。該機(jī)主要由車架、控制器、打塘機(jī)構(gòu)、植苗機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件組成，具有電力驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)式、打塘、植苗等功能。該機(jī)通過云南省農(nóng)機(jī)鑒定站的產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)鑒定；該機(jī)田間試驗(yàn)效果情況較好，有效度達(dá)到99.6%，表明該機(jī)是一種適合各種類型田地和土壤條件的、集打塘移栽于一體、減工降本顯著的環(huán)保型移栽機(jī)，具有廣闊的應(yīng)用前景和現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)式；電動(dòng)；移栽機(jī)；云南煙區(qū)

中圖分類號(hào) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）09-0140-04

Abstract：Aiming at the unique topography，soil conditions and transplanting requirements of Yunnan tobacco-growing areas，an electrical stepping and ponding tobacco transplanter was designed and developed to solve the issue of poor adaptability of this foreign transplanter. The machine is mainly composed of frame，controller，ponding，planting，driving and other components，with electric drive，stepping，ponding，planting seedlings and other functions. The machine is validated by the product quality supervision and inspection of Yunnan Agricultural Machinery Identification Station. The efficiency of the field test is 99.6%，which indicates that the machine is a kind of suitable for all kinds of field and soil conditions. The environment-friendly transplant machine，including the functions of ponding and transplanting and labor-saving，has broad application prospects and practical significance.

Key words：Stepping；Electric；Transplanting；Yunnan tobacco area

烤煙是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物，所提供的稅收占國家財(cái)政總收入的7%～10%。云南省為我國烤煙的主產(chǎn)區(qū)，常年種植面積超過25萬hm2，產(chǎn)量高達(dá)90萬t[1]。移栽是烤煙生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一，起壟能防澇防旱，提高地溫，增加土壤透氣性，促進(jìn)烤煙根系生長發(fā)育，同時(shí)便于地膜覆蓋；移栽可將作物生育期提前15d左右，有效地避開早春不利影響，提高幼苗的成活率，延長作物生育期，有效地提高單產(chǎn)和作物的品質(zhì)等，特別是推廣膜下小苗移栽以來，其效果更為明顯[2]。

云南省耕地面積280萬hm2，人均占有耕地0.067hm2，其中山區(qū)、半山區(qū)面積占94%，壩區(qū)占6%。云南植煙土壤類型較多，常見的有紅壤（占比56.55%）、黃壤（8.64%）、紫色土（14.07%）和水稻土（2.6%）等，理化性質(zhì)各不相同，為煙草種植提供了豐富的土壤資源，同時(shí)也為移栽機(jī)提供了嚴(yán)苛的作業(yè)環(huán)境[3]。

國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出一些類型的移栽機(jī)，按照移栽機(jī)械栽植器的機(jī)構(gòu)類型，可分為鉗夾式、撓性圓盤式、吊籃式、導(dǎo)苗管式和鴨嘴式5類，各有優(yōu)缺點(diǎn)[4]。2009年以來，云南煙區(qū)對(duì)移栽機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)示范，由于國外烤煙生產(chǎn)采用平地移栽的方式，不起壟和打塘，所以引進(jìn)的移栽機(jī)僅用于插苗，不能打塘和施肥，部分有澆灌功能，對(duì)田地平整度、土壤一致性等作業(yè)條件的要求極高，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)適應(yīng)性太差（機(jī)體大，由大型拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)）、功能實(shí)現(xiàn)少和機(jī)具造價(jià)偏高等問題。國內(nèi)產(chǎn)品以仿制為主，與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求相脫節(jié)，移栽質(zhì)量不穩(wěn)定、煙苗成活率不高、實(shí)用性差、自動(dòng)化程度不高，在移栽推廣過程中存在很多問題[5]。因此，云南煙區(qū)基本還是以人工移栽為主，但人工操作成本高、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，并且移栽質(zhì)量難以保證。為此楚雄州煙草公司立項(xiàng)開發(fā)設(shè)計(jì)了一種適合各種類型田地和土壤條件的、集打塘移栽（施肥）于一體、減工降本顯著的小型步進(jìn)式電動(dòng)打塘移栽機(jī)。王成等人對(duì)該機(jī)樣機(jī)結(jié)構(gòu)和田間試驗(yàn)情況做了簡(jiǎn)要報(bào)道[3]，本文在此基礎(chǔ)上對(duì)該機(jī)研制定型和農(nóng)機(jī)鑒定情況做進(jìn)一步闡述。

1 設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 設(shè)計(jì)原理 云南多數(shù)植煙土壤耕作阻力大，易形成大土塊，耕整地農(nóng)機(jī)作業(yè)難以運(yùn)行，易發(fā)生粘閉和破壞土壤結(jié)構(gòu)（見表1）。云南省烤煙生產(chǎn)主要采用漂浮育苗和砂培育苗兩種方式培育煙苗。移栽方式為小苗移栽、常規(guī)苗移栽。煙苗的外觀及質(zhì)量存在差異（見表2、表3）。云南省常見烤煙主栽品種有K326、云煙系列、紅花大金元，不同烤煙品種的種植密度及行距規(guī)格不同，有1.2m、1.1m、1m 3種；株距統(tǒng)一為50cm。壟高規(guī)格以20～40cm為主。人工打塘深度12～15cm為主，打塘直徑20～30cm為主。按地域條件劃分為田煙和地?zé)?。田煙一般采用大拖拉機(jī)起壟，壟的截面形狀為梯形或三角形；地?zé)熡眯麢C(jī)或人工起壟，用旋耕機(jī)起壟，壟的截面形狀為弧形；人工起壟，壟的截面形狀為梯形。

現(xiàn)有移栽機(jī)主要用內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力，并將動(dòng)力分為兩部分，一部分作為牽引動(dòng)力，另一部分通過齒輪箱或地輪傳遞給移栽機(jī)構(gòu)，依靠吊籃機(jī)構(gòu)或平行四連桿機(jī)構(gòu)完成移栽動(dòng)作。牽引機(jī)構(gòu)和移栽機(jī)構(gòu)共用一個(gè)動(dòng)力源，兩者形成內(nèi)聯(lián)傳動(dòng)關(guān)系，能保障株距一致，但是不能保障植苗率和解決鴨嘴夾苗的問題。要實(shí)現(xiàn)較好的移栽效果，需做到鴨嘴（吊杯）軌跡為垂直于地面的直線，在空間形成線性運(yùn)動(dòng)；且當(dāng)鴨嘴在土中時(shí)，移栽機(jī)行走牽引速度為零。據(jù)此，應(yīng)將移栽機(jī)的行走驅(qū)動(dòng)動(dòng)力和移栽動(dòng)力分開，使之無內(nèi)聯(lián)關(guān)系。因此，本研究采用電力作為動(dòng)力源。

為適應(yīng)不同土壤類型、育苗情況、品種要求和起壟要求，煙苗的移栽深度須可調(diào)。為大量收集、充分利用自然降雨和人工澆水，提高煙苗的抗旱成活率，打出的煙塘須呈碗狀下凹形態(tài)。為促進(jìn)根系早生快發(fā)，打塘機(jī)構(gòu)的形狀設(shè)計(jì)和旋轉(zhuǎn)速率要協(xié)調(diào)配合，移栽鴨嘴的形狀設(shè)計(jì)和提升速率要協(xié)調(diào)配合，使塘內(nèi)小顆粒細(xì)土盡可能多，實(shí)現(xiàn)細(xì)土壅根，才能充分保障成活率。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)造 整機(jī)采用步進(jìn)式作業(yè)方式，具有可變輪距式通用底盤。如圖1所示樣機(jī)主要由底盤、移動(dòng)式工作臺(tái)和控制系統(tǒng)三部分組成。底盤主要有前橋、后橋、主車架和行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。前橋和后橋的輪距可以調(diào)節(jié)。移動(dòng)式工作臺(tái)主要由移動(dòng)機(jī)構(gòu)、植苗機(jī)構(gòu)、打塘機(jī)構(gòu)和打塘-移栽驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，其主要功能就是調(diào)節(jié)插深，并進(jìn)行植苗和打塘作業(yè)。

按下控制開關(guān)后，行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)開始工作，驅(qū)動(dòng)機(jī)器向前行走，當(dāng)行走一個(gè)株距的距離后，行走電機(jī)停止工作，機(jī)器制動(dòng)，這時(shí)打塘-移栽驅(qū)動(dòng)電機(jī)開始工作，驅(qū)動(dòng)移栽機(jī)構(gòu)、打塘機(jī)構(gòu)植苗和打塘，然后打塘-移栽驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止工作，移動(dòng)機(jī)構(gòu)和打塘機(jī)構(gòu)制動(dòng)，接著行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)自動(dòng)開始工作，驅(qū)動(dòng)機(jī)器又向前行走。機(jī)器就是這樣往復(fù)循環(huán)作業(yè)。機(jī)器采用每步走一個(gè)株距的距離，打塘和插苗都是在機(jī)器停止時(shí)候進(jìn)行。作業(yè)過程簡(jiǎn)單來說就是：行走-停止-植苗-打塘。

1.3 主要設(shè)計(jì)參數(shù) 步進(jìn)式電動(dòng)移栽機(jī)規(guī)格長×寬×高：2900mm×1100mm×1500mm；總重量：205kg；功率：1.075kW；電池容量：40A/h；移栽速率：0.4～0.6km/h；移栽頻率：19株/（min.行）；移栽深度調(diào)節(jié)范圍：50～200mm；開孔器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍：30～200r；作業(yè)效率：0.06hm2/h。

該機(jī)打出的煙塘呈碗狀下凹形狀，有效聚水保苗；移栽深度可調(diào)，可移栽小苗和常規(guī)煙苗。鋰電池驅(qū)動(dòng)，充電8～10h可完成，一次充足可持續(xù)工作10～12h。主要農(nóng)藝參數(shù)柔性化可調(diào)，保障煙苗無損傷；適應(yīng)在紫色土、紅壤土、水稻土等土壤類型作業(yè)。提升了機(jī)器的機(jī)架強(qiáng)度，移栽機(jī)經(jīng)久耐用。

2 主要工作部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用

2.1 打塘移栽一體機(jī)構(gòu) 打塘移栽一體機(jī)構(gòu)由打塘旋轉(zhuǎn)電機(jī)、傳動(dòng)鏈、打塘體、支座、打塘頭、開合碰座機(jī)構(gòu)、開合鴨嘴、苗杯等組成。安裝在打塘移栽一體機(jī)構(gòu)中的打塘旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過傳動(dòng)鏈帶動(dòng)打塘體及打塘頭作旋轉(zhuǎn)打塘運(yùn)動(dòng)，完成打塘工作。同時(shí)安裝的苗杯下接有可開合的鴨嘴形成苗移植機(jī)構(gòu)，在開合碰座機(jī)構(gòu)作用下進(jìn)行開合動(dòng)作，完成移栽工作。苗杯作為苗投放移栽的通道（圖2）。

2.2 往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由往復(fù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、支撐軸承座、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、左右支撐滑軸等組成（圖3）。往復(fù)電機(jī)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的曲柄及與其鉸接的連桿在左右支撐滑軸限位下作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)與連桿下部相鉸接的打塘移栽一體機(jī)構(gòu)上的滑座作同步上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)移栽機(jī)構(gòu)的移栽工作。往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度確定了移栽速度，通過電控系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行設(shè)定。本設(shè)備出廠前移栽速度已設(shè)定。根據(jù)實(shí)際使用情況，必要時(shí)用戶可參照使用說明書電控操作手冊(cè)進(jìn)行移栽速度修改。

2.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、操控系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由蓄電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)減速器、驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)鏈輪、傳動(dòng)鏈等組成（圖4）。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為輪系提供行走動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可進(jìn)行正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過傳動(dòng)鏈、驅(qū)動(dòng)減速器帶動(dòng)輪系后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)輪系前進(jìn)與后退。并可通過電控操控調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大小，實(shí)現(xiàn)輪系前進(jìn)與后退速度快慢。

操控系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、行走操控轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、手控捏把手等組成。操控系統(tǒng)通過按壓手控捏把手上開關(guān)，控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)啟停。轉(zhuǎn)動(dòng)右端手控捏把手控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速大小，控制設(shè)備前進(jìn)與后退速度快慢。

3 影響移栽效果的因素分析及結(jié)果

為驗(yàn)證該機(jī)適用性和實(shí)用性，在楚雄姚安縣棟川鎮(zhèn)育苗工場(chǎng)、姚安縣煙田開展本試驗(yàn)。煙田為泥質(zhì)巖類紅壤、石灰?guī)r地區(qū)紅壤、潴育型紫色土性水稻土。土壤物理特性多樣，有板結(jié)嚴(yán)重的、含水較重的、也有含水較低的。

調(diào)查數(shù)據(jù)表明，從移栽株行距來看，行距無差異，但采用機(jī)械移栽的株距一致（為設(shè)定值，可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)節(jié)），人工移栽的株距變幅較大（設(shè)定值±10cm）。機(jī)械和人工打塘的直徑無顯著差異，均為30cm左右；但機(jī)械打塘直徑（30.6cm）、煙塘最大橫截面積（431.47cm2）、打塘深度（14.1cm）與人工操作差別不大。電動(dòng)移栽機(jī)工作效率為1028～1200株/h，煙苗直立度100%，埋土率100%，漏苗率4.9%；移栽成活率與人工一致，與殷壽安等人[5]的報(bào)道的農(nóng)機(jī)相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。機(jī)械和人工作業(yè)時(shí)間和作業(yè)效率存在極顯著差異（p<0.01），機(jī)械作業(yè)時(shí)間縮短了25.2%，作業(yè)效率提高了35.4%。人工作業(yè)可完成0.12hm2/人·d，機(jī)械作業(yè)為0.48hm2/人·d，是人工作業(yè)的4倍。

2016年12月，該機(jī)通過云南省農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定站的鑒定。鑒定結(jié)果顯示，該機(jī)符合農(nóng)業(yè)機(jī)械型式要求，可靠性高。其中，立苗率達(dá)到97%，沒有埋苗和傷苗，漏苗率為2%，移栽深度合格率為98%，有效度為99.6%，均高于標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論 田間示范和農(nóng)機(jī)鑒定結(jié)果表明，小型步進(jìn)式電動(dòng)打塘移栽機(jī)工作效率約為1200株/h，立苗率97%，漏苗率2%；移栽成活率與人工一致，達(dá)到98%；用工量比人工下降6.75工/hm2；作業(yè)成本比人工下降450元/hm2；作業(yè)電耗1kWh/d；可適應(yīng)不同大小田塊、不同類型土壤等復(fù)雜作業(yè)條件。

該機(jī)將打塘和移栽模塊安裝在通用底盤上，按移栽的要求打塘，可達(dá)到規(guī)定的直徑及深度；采用“步進(jìn)式”的行走方式，機(jī)器植苗時(shí)候停止行走，可保證煙苗垂直入土的質(zhì)量；同時(shí)進(jìn)行打塘和移栽，使移栽鴨嘴和打塘頭的距離為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)株距，可保證將煙苗準(zhǔn)確地移栽在塘心，從而提高了移栽質(zhì)量。趙玉清等人[7]的研究指出：起壟質(zhì)量和苗的大小對(duì)機(jī)械移栽的栽植精度和栽植質(zhì)量影響較大。本機(jī)前橋與后橋都設(shè)計(jì)了輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可手動(dòng)調(diào)節(jié)，能適應(yīng)壟高、壟寬變化；另外，可調(diào)節(jié)移栽機(jī)構(gòu)高度，靈活調(diào)節(jié)栽插深度，可移栽膜下小苗和常規(guī)煙苗。前橋采用了前輪內(nèi)八字約束結(jié)構(gòu)，能自動(dòng)沿著壟向前進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)隨壟轉(zhuǎn)向，不容易跑偏。后橋設(shè)計(jì)有兩個(gè)轉(zhuǎn)向離合器，可用于機(jī)器的單邊制動(dòng)轉(zhuǎn)向，調(diào)頭半徑小，田間轉(zhuǎn)向和調(diào)頭容易。采用電力牽引驅(qū)動(dòng)，可反復(fù)充電，與汽油、柴油能源供應(yīng)方式相比，能源消耗、作業(yè)成本較低，無碳環(huán)保。

4.2 討論 小型步進(jìn)式電動(dòng)打塘移栽機(jī)，實(shí)現(xiàn)了電力牽引、電器控制、自動(dòng)覆土、智能識(shí)別塘位、自動(dòng)移栽等功能。移栽機(jī)在移栽規(guī)格、打塘規(guī)格、移栽質(zhì)量、移栽成活率方面總體表現(xiàn)良好，在提高效率、節(jié)約用工、減少成本、增加效益等優(yōu)勢(shì)明顯。

小型步進(jìn)式電動(dòng)打塘移栽機(jī)可用于棉花、玉米、甜菜等多種作物移栽，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和推廣前景。可以該機(jī)通用底盤為平臺(tái)，配套施肥澆水等功能，開發(fā)出多功能、經(jīng)濟(jì)適用、專用性強(qiáng)的電動(dòng)移栽機(jī)。同時(shí)，本機(jī)械為半自動(dòng)型，需要人工投苗，可進(jìn)一步升級(jí)為全自動(dòng)型，提高自動(dòng)化程度和抗干擾能力。

參考文獻(xiàn)

[1]曾建敏，張曉海，張誼寒，等.津巴布韋與云南省新煙區(qū)烤煙種植效益比較分析[J].世界農(nóng)業(yè)，2012（11）：78-82.

[2]王躍金，布云虹，耿少武，等.楚雄州推廣烤煙小苗膜下移栽技術(shù)的實(shí)踐與思考[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（26）：10592-10595.

[3]李婭娟，何曉濱.云南省主要土壤類型養(yǎng)分狀況及變化特征[J].中國農(nóng)技推廣，2014，30（8）：35-37.

[4]盧勇濤，李亞雄，劉洋，等.國內(nèi)外移栽機(jī)及移栽技術(shù)現(xiàn)狀分析[J].新疆農(nóng)機(jī)化，2011，（03）：29-32.

[5]殷壽安，林選知，張瑞勤，等.烤煙秧苗移栽機(jī)作業(yè)效果比較[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2012，（10）：27-29+32.

[6]王成，傘紅軍，梅文強(qiáng)，等.小型電動(dòng)烤煙移栽機(jī)的應(yīng)用研究[J].農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備，2017，（01）：70-71.

[7]趙玉清，蔡宗壽，張汝坤，等.新型電動(dòng)自走式秧苗移栽機(jī)樣機(jī)田間試驗(yàn)與性能評(píng)價(jià)[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用，2014，27（05）：74-76.

（責(zé)編：張長青）