吳彥強(qiáng)，王文莉，侯加林

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018； 2.山東省農(nóng)機(jī)機(jī)械安全監(jiān)理站，濟(jì)南 250013)

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2ZBX-4型吊杯式蔬菜移栽機(jī)的研究與設(shè)計(jì)

吳彥強(qiáng)1，王文莉2，侯加林1

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018； 2.山東省農(nóng)機(jī)機(jī)械安全監(jiān)理站，濟(jì)南 250013)

針對(duì)我國(guó)當(dāng)前蔬菜移栽機(jī)存在的栽植質(zhì)量差的問題，設(shè)計(jì)了2ZBX-4型吊杯式蔬菜移栽機(jī)，闡述了該機(jī)工作原理并分析了工作過程。使用時(shí)由拖拉機(jī)牽引，人工投苗，可實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化移栽，通過更換從動(dòng)鏈輪可對(duì)株距進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)2ZBX-4型吊杯式蔬菜移栽機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，結(jié)果表明：栽植株距和移栽深度穩(wěn)定，可以進(jìn)行多種蔬菜的移栽，損傷率、漏栽率低，直立度好，工作效率高，能滿足不同地區(qū)、不同蔬菜的移栽農(nóng)藝要求。

蔬菜移栽機(jī)；吊杯式；穴盤苗；牽引式

0 引言

我國(guó)是世界上最大的蔬菜生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，蔬菜產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的60%左右[1-2]。蔬菜在我國(guó)種植業(yè)結(jié)構(gòu)中的地位也逐年上升，其播種面積(不含瓜類)由1978 年的333.10萬hm2增長(zhǎng)到2013 年的2 089.94 萬hm2，占農(nóng)作物播種總面積的12.7%，僅次于水稻、小麥、玉米等大宗糧食作物，產(chǎn)量也于2013 年達(dá)到7.35 億t[3-4]。然而，蔬菜產(chǎn)業(yè)是一項(xiàng)勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，蔬菜栽植與收獲成本占蔬菜生產(chǎn)總成本的2/3以上。因?yàn)橛缫圃约夹g(shù)不但具有對(duì)氣候的補(bǔ)償作用和使蔬菜生育期提早的綜合效應(yīng)，還能提高單產(chǎn)[5]，所以當(dāng)前國(guó)內(nèi)蔬菜栽植多采用育苗移栽作業(yè)方式，主要有傳統(tǒng)人工栽植方式與機(jī)械化移栽方式。傳統(tǒng)人工栽植方式移栽效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，移栽株距不均勻，移栽深淺度不一，造成移栽質(zhì)量差、成活率低。應(yīng)用蔬菜移栽機(jī)械化技術(shù)可減輕蔬菜移栽作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高移栽作業(yè)質(zhì)量和效率，具有省勞動(dòng)力、省工時(shí)、高效率、低成本的優(yōu)點(diǎn)。為減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率和作業(yè)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)蔬菜栽植機(jī)械化已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迫切需要和蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[6-7]。

歐美等國(guó)家對(duì)移栽機(jī)的研究起步較早，設(shè)計(jì)出種類多樣的半自動(dòng)移栽機(jī)與全自動(dòng)移栽機(jī)。按動(dòng)力來源方式分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)、純機(jī)械驅(qū)動(dòng)及機(jī)、電、液、氣混合的方式；按栽植器形式不同分為鉗夾式、導(dǎo)苗管式、吊籃式及帶夾圓盤式；也有針對(duì)不同面積應(yīng)用的單行及多行寬幅作業(yè)機(jī)型，如穴盤苗移栽機(jī)、壓縮基質(zhì)苗自動(dòng)移栽機(jī)[5,8]。我國(guó)對(duì)移栽機(jī)的研究起步比較晚，開始于引進(jìn)國(guó)外的各種型式的移栽機(jī)，不同型式的移栽機(jī)有其各自的特點(diǎn)?？傮w來說，當(dāng)前我國(guó)現(xiàn)有移栽機(jī)的機(jī)械化與自動(dòng)化水平比較低，移栽質(zhì)量差、可靠性不高，亟需一種通用型蔬菜作物移栽機(jī)，要求其工作平穩(wěn)、可靠，移栽后的秧苗整齊、株距穩(wěn)定、直立度好、傷苗率低、工作效率高。

本文針對(duì)當(dāng)前我國(guó)移栽機(jī)械存在的問題研制了2ZBX-4型吊杯式蔬菜移栽機(jī)，其栽植株距和移栽深度穩(wěn)定，栽植株距、行距及栽植深度等參數(shù)可調(diào)，適用于辣椒、白菜、西紅柿、西蘭花等多種蔬菜秧苗的移栽。其與人工作業(yè)相比，工作效率高，損傷率和漏栽率低，直立度好，一次完成4行蔬菜移栽，為我國(guó)蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了重要的技術(shù)裝備支撐。

1 整體方案設(shè)計(jì)及主要技術(shù)指標(biāo)

1.1 整體設(shè)計(jì)

2ZBX-4型吊杯式蔬菜移栽機(jī)主要由機(jī)架、三點(diǎn)懸掛裝置、地輪、傳動(dòng)系統(tǒng)、座椅、穴盤苗架、移栽單體及覆土鎮(zhèn)壓輪等組成，如圖1所示。使用時(shí)，采用29.4kW以上拖拉機(jī)牽引，4個(gè)移栽單體同時(shí)工作，一次完成4行移栽作業(yè)，每個(gè)移栽單體由投苗杯安裝架、投苗杯、箱體及栽植裝置等組成。4個(gè)移栽單體交錯(cuò)排列，以使移栽后相鄰兩行秧苗間隔排列，獲得充足的生長(zhǎng)空間。

1.機(jī)架 2.穴盤架 3.座椅 4.三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu) 5.投苗杯安裝架 6.投苗杯 7.箱體 8.覆土鎮(zhèn)壓輪 9.栽植裝置安裝架 10.地輪 11.栽植裝置 12.傳動(dòng)鏈條 13.主軸 14.栽植深度調(diào)節(jié)絲杠

1.2 工作過程

移栽機(jī)通過三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)與拖拉機(jī)掛接，在拖拉機(jī)的帶動(dòng)下，地輪轉(zhuǎn)動(dòng)并通過鏈條傳動(dòng)將動(dòng)力傳動(dòng)至主軸，主軸通過鏈輪鏈條分別驅(qū)動(dòng)4個(gè)移栽單體上的栽植裝置轉(zhuǎn)動(dòng)；栽植器主軸通過鏈輪鏈條驅(qū)動(dòng)移栽單體上方的一對(duì)錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)投苗杯的旋轉(zhuǎn)，投苗杯的開合由安裝在箱體上方的導(dǎo)軌控制。

在移栽作業(yè)開始前，需要先對(duì)要進(jìn)行移栽的土壤起壟作畦。作畦后，地表土壤松軟、平整且排水良好，增加了種植層的厚度，便于移栽及覆蓋地膜。移栽時(shí)，首先將育好的帶有秧苗的穴盤放在左右穴盤架上，由人工從苗架取苗并投入旋轉(zhuǎn)的投苗杯中；穴盤苗被投入到投苗杯后，投苗杯旋轉(zhuǎn)至正前方時(shí)，投苗杯底座打開；此時(shí)栽植器承接杯運(yùn)行至投苗杯正下方，穴盤苗恰好落入承接杯中，待承接杯運(yùn)行至最下方時(shí)鴨嘴打開，穴盤苗在重力作用下落到穴坑內(nèi)；隨后覆土鎮(zhèn)壓輪進(jìn)行覆土和填壓，完成栽植過程。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

按照旱田蔬菜的種植模式與農(nóng)藝要求，確定本機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 2ZBX-4型吊杯式蔬菜移栽機(jī)技術(shù)參數(shù)

Table 1 Main performance parametersanter of the 2ZBX-4 cup vegetable transplanting machine

參數(shù)單位數(shù)值整機(jī)尺寸(長(zhǎng)×寬×高)mm1500×2500×1400配套動(dòng)力kW≥29．5作業(yè)方式牽引式

續(xù)表1

2 傳動(dòng)系統(tǒng)及主要工作部件設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2ZBX-4型吊杯式蔬菜移栽機(jī)主要采用鏈輪鏈條傳動(dòng)，通過鏈輪輪齒與鏈條鏈節(jié)的嚙合來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。鏈條傳動(dòng)傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)比準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)緊湊、適應(yīng)農(nóng)田復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境且制造與安裝精度要求低，更換方便，成本也低。傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。地輪軸由拖拉機(jī)牽引隨地輪旋轉(zhuǎn)，經(jīng)鏈輪Z1、Z2傳動(dòng)至主軸，隨著主軸旋轉(zhuǎn)，動(dòng)力經(jīng)鏈輪Z3、Z4傳動(dòng)至栽植裝置軸，帶動(dòng)栽植裝置旋轉(zhuǎn)；同時(shí)，一部分動(dòng)力經(jīng)Z5、Z6傳動(dòng)至一對(duì)錐齒輪Z7、Z8，進(jìn)而帶動(dòng)投苗裝置不斷旋轉(zhuǎn)投苗。

1.地輪軸 2.主軸 3.栽植裝置軸

2.2 栽植裝置設(shè)計(jì)

栽植裝置是移栽機(jī)的核心工作部件，作用是完成承接穴盤苗、打穴及栽苗工作，主要由滾輪軸承安裝盤、控制盤、滾輪軸承、安裝盤支撐、安裝盤、栽植裝置主軸、栽植器支撐板、滾子、復(fù)位彈簧、鴨嘴、承接杯、套筒及安裝盤等組成，如圖3所示。

1.軸承座 2.滾輪軸承安裝盤 3.控制盤 4.滾輪軸承 5.安裝盤支撐 6.安裝盤1 7.栽植裝置主軸 8.栽植器支撐板 9.滾子 10.復(fù)位彈簧 11.復(fù)位彈簧固定螺栓 12.鴨嘴 13.滾子固定螺栓 14.承接杯 15.套筒 16.安裝盤2

圖3中，承接杯、滾子、復(fù)位彈簧固定螺栓、鴨嘴、復(fù)位彈簧及滾子固定螺栓組成了栽植器。栽植器通過兩側(cè)栽植器支撐板安裝在兩側(cè)安裝盤上，安裝盤通過套筒安裝在栽植裝置主軸上，整個(gè)栽植裝置通過帶座軸承安裝在移栽單體機(jī)架上。工作過程中，栽植器承接杯杯口需要始終向上承接秧苗，且鴨嘴需要保持朝下狀態(tài)打穴栽植；為避免栽植器的翻轉(zhuǎn)，在栽植器一端設(shè)有控制盤，通過連桿與栽植器連接，控制盤與滾輪軸承安裝盤通過滾輪軸承連接。安裝盤、控制盤和連桿組成了四連桿機(jī)構(gòu)，其工作時(shí)帶動(dòng)栽植器旋轉(zhuǎn)，使承接杯杯口始終朝上且鴨嘴始終朝下，確保了鴨嘴的垂直入土和出土，保證了移栽后秧苗的直立度。栽植器安裝板上面設(shè)計(jì)有凸起，構(gòu)成凸輪機(jī)構(gòu)，栽植器上方滾子與栽植器安裝板組成滾子凸輪機(jī)構(gòu)控制鴨嘴的打開，復(fù)位彈簧控制鴨嘴的關(guān)閉。

3 栽植株距調(diào)節(jié)原理與計(jì)算

3.1 零速投苗原理

鴨嘴的運(yùn)動(dòng)過程是移栽機(jī)隨拖拉機(jī)牽引的勻速直線運(yùn)動(dòng)和栽植器繞栽植裝置主軸做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的合成，鴨嘴的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示。選取鴨嘴最低點(diǎn)為參考點(diǎn)，在圖4坐標(biāo)系下建立參考點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡方程，即

x=Vtt+Rcosωt

(1)

y=-Rsinωt

(2)

(3)

式中x—鴨嘴水平方向位移；

y—鴨嘴垂直方向位移；

Vt—拖拉機(jī)前進(jìn)速度；

ω—栽植裝置轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；

t—時(shí)間；

R—鴨嘴參考點(diǎn)回轉(zhuǎn)半徑；

λ—特征系數(shù)。

特征系數(shù)λ是參考點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的線速度與移栽機(jī)的水平前進(jìn)速度的比值。保證栽植秧苗的直立性是蔬菜種植的基本要求，而要保證栽植缽苗具有理想直立度，需要栽植裝置的定植點(diǎn)在水平方向上的瞬時(shí)速度矢量和相對(duì)地面為零，即“零速投苗”原理[9-12]。按照“零速栽苗”原理，要求投苗時(shí)秧苗在水平方向的速度為0，只有當(dāng)λ>1時(shí)，才有可能實(shí)現(xiàn)零速投苗。因此，λ>1是移栽機(jī)正常工作的必要條件。

圖4 鴨嘴最低點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡

3.2 拖拉機(jī)前進(jìn)速度與株距的關(guān)系

拖拉機(jī)前進(jìn)速度與栽植頻率f和株距s的關(guān)系為

Vt=fs

(4)

3.3 栽植器個(gè)數(shù)與栽植裝置轉(zhuǎn)速的關(guān)系

栽植器的數(shù)量N與栽植裝置轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為

f=Nn

(5)

3.4 栽植株距的調(diào)節(jié)

由式(3)和式(5)得

(6)

由式(3)～式(5)得

(7)

綜合所述，栽植株距的調(diào)整方式有以下3種：

1)根據(jù)式(4)，采用調(diào)整拖拉機(jī)行駛速度的方式改變株距，但考慮到目前國(guó)內(nèi)具有爬行擋的拖拉機(jī)很少，栽植株距小于30cm的作物時(shí)存在一定的困難,必須提高栽植頻率才能達(dá)到株距要求,而栽植頻率是由人工操作的勞動(dòng)強(qiáng)度決定的,因此可能出現(xiàn)勞動(dòng)強(qiáng)度大、漏苗等問題[10]。

2)根據(jù)式(6)，采用調(diào)整栽植器數(shù)量來調(diào)節(jié)株距。但是，更改栽植器的同時(shí)需要改變機(jī)器的傳動(dòng)比，而且栽植器受到結(jié)構(gòu)的限制數(shù)量不能太多。

3)根據(jù)式(7)，采用改變?cè)灾惭b置轉(zhuǎn)速來改變株距最為簡(jiǎn)單，只需更換相應(yīng)鏈輪改變傳動(dòng)比即可實(shí)現(xiàn)。因此，本機(jī)采用更換地輪軸上鏈輪Z1與主軸上鏈輪Z2來調(diào)節(jié)株距。

4 田間試驗(yàn)

為了更全面考察2ZBX-4型吊杯式蔬菜移栽機(jī)的工作性能，在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)蔬菜試驗(yàn)基地進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)，圖5為樣機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖。試驗(yàn)地土壤為砂壤土，土壤含水率為15%，試驗(yàn)前先由作畦機(jī)作畦使土壤平整、松軟。試驗(yàn)選用軟穴盤72(12列×6行)穴，采用苗齡55天、株高16～17cm、基質(zhì)含水率約18%的辣椒苗移栽，要求移栽株距為38～40cm，移栽深度5～7cm。在試驗(yàn)地每行連續(xù)移栽130株苗，用秒表記錄試驗(yàn)時(shí)間，重復(fù)試驗(yàn)3次，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，秧苗栽植效果如圖6所示。

圖5 移栽機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

試驗(yàn)指標(biāo)單位試驗(yàn)數(shù)值栽植頻率株株/min·行45

續(xù)表2

圖6 秧苗栽植效果

試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)的栽植株距穩(wěn)定性好，傷苗率低，栽植成功率高，而且鏈輪更換方便，株距調(diào)節(jié)準(zhǔn)確，能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了2ZBX-4型吊杯式蔬菜移栽機(jī)，該機(jī)由拖拉機(jī)牽引，人工投苗，可實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化移栽。

2)λ>1是移栽機(jī)正常工作的必要條件。

3)分析了株距調(diào)節(jié)的原理，得到通過更換鏈輪進(jìn)而改變?cè)灾惭b置轉(zhuǎn)速的方式是最簡(jiǎn)單易行的株距調(diào)節(jié)方式的結(jié)論。

4)對(duì)辣椒苗進(jìn)行了田間移栽試驗(yàn)，結(jié)果表明：該機(jī)栽植株距和移栽深度穩(wěn)定，傷苗率和漏栽率低，直立度好，工作效率高，能滿足不同地區(qū)不同蔬菜的移栽農(nóng)藝要求。

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Design and Research of the 2ZBX-4 Cup Vegetable Transplanting Machine

Wu Yanqiang1, Wang Wenli2, Hou Jialin1

(1.Mechanical and Electronic Engineering College, Shandong Agricultural University, Tai'an 271018, China; 2.Agricultural Machinery Safety Supervision Station in Shandong Province, Jinan 250013, China)

According to the current vegetable transplanting machine poor-quality problems，2ZBX-4 cup vegetable transplanting machine was designed，and this paper described how the machine works and analyzed the working process. Towed by a tractor，artificial feeding seedlings，it achieved semi-automatic transplanting. Plant space can be adjusted by changing the driven sprocket. A field test had been carried out using 2ZBX-4 cup vegetable transplanting machine，test results shows that planting spacing and planting depth is very stable，the device has the advantages of the low planted damage and leakage rate，the good upright degree，the high efficiency，which can meet the requirements of different regions in different agronomic transplanting vegetables.

vegetable transplantation; hanging cuptype； plug seedlings; traction-type

2016-03-24

山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系蔬菜產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(SDAIT-05-11)

吳彥強(qiáng)(1992-)，男，山東平原人，碩士研究生，(E-mail)18853818300@163.com。

侯加林(1963-)，男，山東高密人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)jlhou@sdau.edu.cn。

S223．94

A

1003-188X(2017)08-0107-05