張曉龍，伍德林，吳崇友，劉堯堯，高法允

(安徽農(nóng)業(yè)大學 工學院，合肥 230036)

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鴨嘴式缽苗移栽機的設計和試驗研究

張曉龍，伍德林，吳崇友，劉堯堯，高法允

(安徽農(nóng)業(yè)大學 工學院，合肥 230036)

設計出一種缽苗移栽機，通過對移栽機的工作過程的闡述及運動學分析，確定了缽苗落苗過程中零速投苗點，使移栽效果最佳。對移栽機進行試驗分析，選擇機車前進速度﹑滾筒深度﹑可調(diào)連桿角度為試驗因素，得出各試驗因素與試驗指標的關系。通過正交試驗結果分析各試驗因素對試驗指標的影響大小，得出最優(yōu)組合。結果表明：當機車前進速度0.30m/s、滾筒深度60mm、連桿角度40°時，直立度合格指數(shù)為85.18%，株距變異指數(shù)8.73%，漏栽指數(shù)1.68%，為移栽機結構和性能參數(shù)進一步優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

缽苗移栽；運動學分析；零速投苗；正交試驗分析

0 引言

缽苗移栽是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中為獲得高產(chǎn)而采用的一種重要的移栽方式。溫室中育出的缽苗移栽于田間，具有很多優(yōu)點，如延長了作物生長的時間，提高了單位面積作物的產(chǎn)量，改善了作物品質(zhì)[1]。目前，采用人工移栽缽苗的勞動效率很低，且存在勞動強度大、移栽質(zhì)量差等問題，實現(xiàn)從育苗到移栽的機械化作業(yè)，可提高經(jīng)濟效益，因此實現(xiàn)我國缽苗移栽機械化已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迫切需要。國外移栽機械由于發(fā)展時間早且技術水平較高，移栽技術的研究趨向成熟；但目前我國移栽機普遍存在漏苗、傷苗等問題，使國內(nèi)農(nóng)作物移栽環(huán)節(jié)機械作業(yè)覆蓋率低[2]。為此，針對缽苗移栽技術設計一款新型移栽機，通過建立栽植器運動軌跡方程及速度方程，分析主要參數(shù)，并通過試驗研究尋找影響移栽性能的主要因素，包括直立度合格指數(shù)﹑株距變異系數(shù)指數(shù)﹑漏栽指數(shù)，建立試驗基本指標的回歸方程，確定移栽的最優(yōu)組合，為進一步開展移栽機的優(yōu)化設計提供試驗基礎。

1 總體結構及工作原理

1.1 整機總體結構

該鴨嘴式移栽機主要由苗架﹑栽植機構、施肥機構﹑傳動系統(tǒng)及覆土機構等組成，如圖1所示。

1.柴油機 2.變速箱 3.覆土滾筒 4.減速器 5.固定架 6.栽植機構 7.覆土輪 8.苗盤 9.施肥機構 10.肥料箱 11.調(diào)節(jié)手柄 12.苗架圖1 移栽機的機構示意圖Fig.1 Schematic of transplanter

1.2 工作原理

柴油機通過皮帶輪傳遞動力給變速箱，變速箱一端通過鏈傳動傳遞到減速器后轉化為移栽臂沿著豎直滑軌上下滑動，另一端通過鏈傳動轉化為苗盤的轉動；當移栽臂沿著滑槽向下滑動時，煙苗從苗盤落入安裝在鴨嘴上端的承接筒，鴨嘴插入土內(nèi)后，轉動曲柄上的凸輪頂著彎頭使得鴨嘴張開，煙苗落入土窩；同時，施肥箱內(nèi)肥料流入施肥管，通過連桿機構和水平滑槽上的齒條與雙聯(lián)齒輪的嚙合，使得施肥管在施肥槽內(nèi)向下滑動，肥料落入管洞內(nèi)；覆土輪的壓土面保持傾斜，將土壤擠壓到苗根上再壓實，起到覆土和鎮(zhèn)壓的作用。移栽結束后，移栽臂沿著滑軌向上運動，鴨嘴在復位彈簧的作用下閉合，經(jīng)過齒輪齒條的嚙合，施肥管向上運動，擋板堵住了管道內(nèi)肥料的流動。施肥深度通過改變連桿角度來實現(xiàn)；通過手柄控制覆土器高度，調(diào)節(jié)栽植深度。

2 關鍵部件的結構和主要參數(shù)

2.1 栽植器的結構

結構簡圖如圖2所示。

1.減速器 2.鴨嘴 3.復位彈簧 4.承接筒 5.滑軌 6.移栽臂 7.凸輪 8.彎頭 9.曲柄圖2 鴨嘴式栽植器結構圖Fig.2 Schematic diagram of duckbill transplant unit

移栽機鴨嘴的張開與閉合通過凸輪和復位彈簧控制。栽植器的運動由行走輪帶動，通過變速箱轉換到合適的速度，曲軸在轉動的過程中帶動凸輪轉動；凸輪的推程輪廓線與彎頭接觸的過程中，使彎頭向下壓右鴨嘴，使鴨嘴張開，凸輪轉過推程輪廓線，彎頭對右鴨嘴的壓力逐漸減小，鴨嘴在復位彈簧的作用下閉合。

2.2 主要參數(shù)

2.3 主要參數(shù)之間的關系

由于半自動移栽機需要人工喂苗，栽植頻率過大容易使工作人員疲勞，投苗速度跟不上移栽速度，產(chǎn)生漏苗現(xiàn)象；栽植頻率過小會使移栽機工作效率下降。通過對皖南煙區(qū)移栽機工作狀況的調(diào)查，當栽植頻率=45株/min時可以使移栽效果達到最優(yōu)，ω=2π，v0=fS。

2.4 栽植器整體的運動

建立鴨嘴式栽植器數(shù)學模型如圖3所示。鴨嘴的運動由繞移栽臂的斜邊轉動、順著滑軌的上下運動和移栽機前進運動合成。在不考慮鴨嘴張開的情況，鴨嘴的位移方程為

(1 )

將式(1)對時間t求導，可以得到栽植器速度方程為

(2 )

其中，x為鴨嘴水平方向位移；y為鴨嘴豎直方向位移；vx為鴨嘴水平方向移動速度；vy為鴨嘴豎直方向移動速度；v0為移栽機前進速度；R為鴨嘴繞連接器轉動半徑；L為曲軸長度；ω為曲軸轉動角速度；β為連接器上鴨嘴轉動半徑R與臨邊夾角；t為時間。

圖3 栽植器數(shù)學模型Fig.3 The mathematical model of duckbill transplant unit

圖4 栽植器運動軌跡示意圖

Fig.4 Trajectory schematic diagram of transplanter

當λ≥1時，符合零速投苗原理，運動參數(shù)應該滿足v0≤Rω?？紤]到秧苗從鴨嘴張開到完全脫離鴨嘴需要一段時間，在實際的工作過程中，應盡量縮短、減小鴨嘴的運動對秧苗的直立度及回土效果產(chǎn)生影響。因此，鴨嘴張開瞬間的位置應當選在A、B或者O2的兩側，理想的投苗點應當選在O1BC段[4]。

3 試驗材料和試驗方法

3.1 試驗材料

材料選取土壤含水率14%～18%，栽植作物為K326煙苗，經(jīng)過缽育栽培，苗齡60天，煙苗的平均高度為15.6cm，平均直徑為8.7cm。為防止煙苗損傷或水分流失而影響試驗效果，獲取缽苗試樣后立即進行移栽性能試驗。栽植時，煙苗合理株距為55cm。

3.2 試驗方法

圖5 試驗裝置Fig.5 Experimental device

3.3 單因素試驗

3.3.1 試驗方法

根據(jù)農(nóng)機農(nóng)藝要求，設定移栽株距為55cm,試驗基本工況為：機車前進速度0.45m/s，可調(diào)滾筒深度60mm,可調(diào)連桿角度40°，每次取缽苗100盆。

3.3.2 試驗結果及分析

機車前進速度和試驗指標的關系如圖6所示。

圖6 機車前進速度和試驗指標的關系Fig.6 Relationships between indexes and the speed of transplanter

由圖6可知：隨著機車前進速度的增加，機車速度小于0.45m/s時直立度合格率不斷陡升，株距變異系數(shù)和漏栽率呈上升趨勢；大于0.45m/s時直立度合格率不斷下降，株距變異系數(shù)陡升直到0.5m/s趨于平衡；速度大于0.5m/s時漏栽率呈明顯上升趨勢。

可調(diào)滾筒深度與試驗指標的關系如圖7所示。

圖7 可調(diào)滾筒深度與試驗指標的關系Fig.7 Relationships between indexes and the roller depth

由圖7可知：隨著滾筒深度的增大，直立度合格率先上升達到60mm后呈下降趨勢，株距變異系數(shù)呈上升趨勢，漏栽率呈下降趨勢；在45mm以后趨于平緩。隨著滾筒深度的增加，栽植深度相應增大；而滾筒深度過大，則會導致缽苗入土深度過淺，直立度合格率下降。

可調(diào)連桿角度與試驗指標的關系如圖8所示。

圖8 可調(diào)連桿角度與試驗指標的關系

Fig.8 Relationships between indexes and the linkage

由圖8可知：隨著連桿角度的增大，0°～40°之間

直立度合格率呈上升趨勢，漏栽率呈下降趨勢，株距變異系數(shù)起伏波動；大于40°之后直立度合格率呈下降趨勢，漏栽率呈上升趨勢，株距變異系數(shù)急劇上升。

3.4 正交試驗

根據(jù)單因素試驗結果處理分析可知：當機車前進速度在0.30～0.60m/s，可調(diào)滾筒深度在30～90mm，連桿角度在30°～50°范圍內(nèi)基本情況用來分析較好，分別選其中的3種工況，如表1所示。選用正交表L9(33)進行試驗正交。每個試驗重復3次，試驗結果取平均值，如表2所示。

表1 因素水平表Table 1 Coding of factor level

表2 正交試驗結果Table 2 Orthogonal experience results

用Mat Lab對試驗結果進行分析處理：A、C因素對直立度合格率的影響較為顯著，A的影響最為顯著；A、B因素對株距變異系數(shù)影響較為顯著，B的影響最為顯著，C對株距變異系數(shù)不明顯；A、B因素對漏栽指數(shù)的影響較為顯著，B的影響最為顯著，C對漏栽指數(shù)的影響不明顯。通過正交試驗分析結果和MatLab分析結果可知：如表3和表4所示，因素水平較優(yōu)組合為A1B2C2，即機車前進速度0.3m/s,滾筒深度60mm,連桿角度40°時達到最佳水平。

因素水平最優(yōu)組合A1B2C2的直立度合格率為85.18%，株距變異系數(shù)8.73，漏栽率1.68%，符合預期，效果較好。

表3 試驗指標分析Table 3 Text index analysis

表4 回歸方程Table 4 The regression equation

相關系數(shù)R2代表因素之間的關系；R2越接近于1，x1﹑x2﹑x3關系越密切，擬合的效果越好。

4 結論

1)闡述缽苗移栽機整機作業(yè)過程，建立三維模型和數(shù)學模型，分析栽植器運動軌跡方程和速度方程，確定零速投苗點使移栽效果最佳。

2)由正交試驗和極差方差分析結果可知：機車前進速度和連桿角度對直立度合格指數(shù)影響較為顯著，機車前進速度和滾筒深度對株距變異指數(shù)影響較為顯著，機車前進速度和滾筒深度對漏栽指數(shù)影響較為顯著。移栽的最優(yōu)組合為機車前進速度0.30m/s，滾筒深度60mm,連桿角度40°。該參數(shù)可達到的直立度合格率85.18%，株距變異系數(shù)8.73，漏栽率1.68%，符合預期，效果較好。

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Design and Experimental Study of Duckbill Type Transplanting Machine

Zhang Xiaolong, Wu Delin, Wu Chongyou, Liu Yaoyao, Gao Fayun

(School of Engineering,Anhui Agricultural University,Hefei 230036，China)

A new type of transplanting machine on seedling was designed.Through elaboration and kinematics analysis of the working process of transplanting machine,making seedling drop with zero speed so that its performance could better meet requirement. Chose the speed of locomotive,roller depth,link angle as experimental factors,the corresponding experiments on the transplanter are carried out to illustrate the relationships between the text factors and text index.By orthogonal experiment and analysis,the influence extent of various factors that affect text index and the optimal mix were given.The text results indicate that when the speed of locomotive is 0.3m/s,the roller depth is 60mm and the link angle is 40°,the qualified index is 85.18%,spacing variability index is 8.73 and the leakage planting index is 1.68%,the research has provided a experimental and theoretical basis for further improving quality of transplanting machine.

seedling transplanting; kinematics analysis; delivery seedling zero speed; orthogonal experimental analysis

2016-03-01

農(nóng)業(yè)科技成果轉化基金項目(23260545)

張曉龍(1989-)，男，安徽馬鞍山人，碩士研究生, (E-mail)1192166962@qq.com。

伍德林(1970-)，男，安徽桐城人，副教授，博士，(E-mail)wudelin@126.com。

S223.92

A

1003-188X(2017)03-0134-05