徐濤

摘?要：玉米紙筒秧苗移栽是一項(xiàng)有別于傳統(tǒng)直播的新型栽培技術(shù)，采用人工大棚內(nèi)紙筒育苗、適齡秧苗移栽的方式有效提高玉米生產(chǎn)期，徹底解決春季干旱、病蟲害對玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，增產(chǎn)增收效果明顯。玉米紙筒育苗移栽機(jī)克服人工移栽勞動強(qiáng)度大、移栽效率低和作業(yè)質(zhì)量不標(biāo)準(zhǔn)的顯著缺點(diǎn)，為玉米標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化、自動化提供機(jī)具載體保證。該機(jī)設(shè)計(jì)了具有自動給苗、剔苗、補(bǔ)苗功能的上秧擺苗機(jī)器人系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)紙筒秧苗的自動抓取分離及碼放，秧冊自動進(jìn)給，自動剔除無苗、弱苗紙筒及加速補(bǔ)苗等功能，整機(jī)采用全液壓驅(qū)動系統(tǒng)及以PLC為核心的自動控制系統(tǒng)。該機(jī)將自動取秧、數(shù)字識別無苗紙筒并自動剔除，有苗紙筒帶式水平輸送和垂直接力輸送、壟上破茬開溝、零速投苗栽植、壟型整理、濾水覆土等作業(yè)有機(jī)地整合在單臺移栽機(jī)上一次完成，大大提高了作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)玉米紙筒秧苗移栽作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化和自動化。

關(guān)鍵詞：全自動;紙筒;玉米秧苗;移栽機(jī)械

中圖分類號：S223.94????????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.01.001

Research on Automatic Corn Seedling Transplanter

Xu Tao

（Heilongjiang Institute of Agricultural Mechanical Engineering Science， Harbin 150081 China）

Abstract： Corn seedling transplanting technology is a new type planting way which can effectively increase the accumulated temperature， prevent drought disaster， get high yield， can solve water resource shortage in the condition of spring dry farming， frequent drought disasters， low yield and unreliable caused by frequency？of？droughts. Traditional corn seedling transplanting did by man， which showed the shortcomings such as intensity？labor， low efficiency， poor quality of work， low degree of standardization and not conducive to seize the farming season， and is not conducive to large area production. It restricted the corn seedling transplanting technology popularized to large scale applications. Automatic transplanting machine of corn seedling raised by paper tube has the device which can lift lifting seedlings fast， realize automatic fetching， separating and put row pattern， feed seedling trays automatically， pick out the tube without seedlings and weak seedlings. The whole machine adopts full hydraulic drive system and automatic transplanting control system with PLC as the core. The machine will automatically take seedlings， digit recognition and pick out the tube without seedlings， convey the tube with seedlings by belt horizontally and vertically relay， stubble breaking and furrowing on ridge， feeding and planting at zero speed， ridge sorting， draining， soil covering and the like works to be organically integrated in a single unit and finished at once， which greatly improve the working efficiency， realize the operation standardization， mechanization and automation of corn paper tube seedlings transplanting work.

Keywords： automation;paper tube;corn seedlings;transplanting machine

0?引言

黑龍江省玉米種植面積居全國第一位，占黑龍江省總種植面積的19%，2017年總種植面積560萬hm2，總產(chǎn)量達(dá)2625萬t。黑龍江省玉米種植在不同積溫帶內(nèi)產(chǎn)量、品質(zhì)差距較大，傳統(tǒng)意義上第四、五積溫帶無法種植玉米。根據(jù)農(nóng)業(yè)推廣部門統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，黑龍江省南部的第一、二積溫帶平均玉米畝單產(chǎn)750～900 kg，第三、四積溫帶畝單產(chǎn)僅為450～550 kg，而第三、四積溫帶玉米種植面積達(dá)到了4000萬畝，采用紙筒育苗移栽增產(chǎn)空間十分巨大。

玉米紙筒秧苗移栽技術(shù)能夠提前玉米生產(chǎn)期，增加有效積溫200～250 ℃，抗旱保全苗，解決春季低溫干旱和病蟲害對玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[1～2]。黑龍江省北部第三、四積溫帶地區(qū)之所以玉米產(chǎn)量低，無法種植第一、二積溫帶高產(chǎn)玉米品種的根本原因就在于積溫不足，玉米紙筒秧苗移栽技術(shù)的提出和使用從根本上解決這一突出問題。經(jīng)過黑龍江省農(nóng)藝技術(shù)推廣部門多年生產(chǎn)實(shí)踐證明，玉米育苗移栽技術(shù)平均增產(chǎn)幅度在20%～30%，節(jié)省種子30%，減少化肥和農(nóng)藥的施用量，經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益顯著。傳統(tǒng)的玉米秧苗移栽采用人工插秧的形式，存在著作業(yè)速度慢，用工多，勞動強(qiáng)度大，作業(yè)質(zhì)量差，人工成本高等缺點(diǎn)，無法滿足大面積玉米秧苗移栽作業(yè)需要，玉米秧苗移栽機(jī)械化勢在必行。

國內(nèi)外在玉米秧苗移栽機(jī)械方面還屬于空白，相關(guān)作物移栽機(jī)械結(jié)構(gòu)多采用鏈夾式、吊杯式和導(dǎo)苗管式[3～9]，作業(yè)效率低，無法滿足玉米育苗大面積移栽作業(yè)的實(shí)際需要。黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院在玉米水插秧的農(nóng)藝技術(shù)要求下，創(chuàng)新研制成功了能夠滿足玉米紙筒育苗移栽的玉米秧苗移栽機(jī)。

1?設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)

1.1?設(shè)計(jì)原理

該機(jī)將機(jī)械移栽與人工水插秧技術(shù)有機(jī)地結(jié)合，在橡膠圓盤夾持帶式移栽機(jī)的基礎(chǔ)上，增加了全自動上苗、剔苗和補(bǔ)苗功能，同時(shí)通過伴隨水車實(shí)現(xiàn)移栽灌水作業(yè)，保證了玉米移栽的緩苗速度，提高秧苗存活率。工作原理：由上秧擺苗機(jī)器人系統(tǒng)將苗齡在兩葉一芯至三葉一芯的整冊玉米紙筒秧苗擺放到自動上秧系統(tǒng)的水平傳送帶上，逐行步進(jìn)自動控制，由自動取秧臂抓取無縫碼放到傳動箱平皮帶上。傳送到選苗剔苗裝置上后，若出現(xiàn)無苗紙筒，空筒會自動掉落。在到達(dá)自動補(bǔ)苗階段時(shí)，由于無苗紙筒掉落后的空位會影響移栽的株距，導(dǎo)致漏栽現(xiàn)象的發(fā)生。因此，在此處設(shè)有空苗識別傳感器，其發(fā)出的信號將接合電磁離合裝置進(jìn)行加速補(bǔ)苗，填補(bǔ)空隙后隨即停止。合格的玉米秧苗紙筒會被垂直橡膠針刺帶夾持喂入橡膠圓盤夾持機(jī)構(gòu)內(nèi)，翻轉(zhuǎn)90°后被垂直栽植到苗床溝內(nèi)，伴走式澆水后覆壟。移栽后玉米秧苗與溝體和灌水之間位置關(guān)系如圖1所示。

該全自動玉米秧苗濾水移栽機(jī)其優(yōu)點(diǎn)是綜合自動化程度高，節(jié)省人力物力，移栽成活率高，增產(chǎn)提質(zhì)效果明顯。特別是在黑龍江省北部地區(qū)使用，可較大幅度提高玉米的單產(chǎn)和總產(chǎn)，為黑龍江省“千億斤糧食產(chǎn)能鞏固工程”的順利實(shí)施，保證國家糧食安全，起到了重要的技術(shù)支撐作用。該機(jī)的研制成功填補(bǔ)了我國在玉米移栽機(jī)械方面的空白，是黑龍江省實(shí)施“種植業(yè)機(jī)構(gòu)調(diào)整”“擴(kuò)玉米”政策的關(guān)鍵配套機(jī)具。

該機(jī)與73.5 kW以上的輪式拖拉機(jī)配套使用，采用機(jī)電液高度結(jié)合的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了玉米移栽作業(yè)智能化、自動化和模塊化，一機(jī)多能，高效高質(zhì)，提高了各部分結(jié)構(gòu)和功能的緊湊性，減少了機(jī)具的進(jìn)地次數(shù)，降低了作業(yè)成本，對玉米育苗移栽搶時(shí)、搶種增收效果十分明顯。

1.2?總體設(shè)計(jì)

玉米秧苗移栽機(jī)結(jié)構(gòu)示意，如圖2所示。整機(jī)與輪式拖拉機(jī)采用三點(diǎn)后懸掛的方式聯(lián)接。整體由6部分組成，分別是自動擺苗機(jī)器人、栽植單體、傳動箱機(jī)構(gòu)、機(jī)架架體、支承輪和澆水覆壟鏵構(gòu)成。自動擺苗機(jī)器人的功能是整冊秧苗喂入，取苗無縫擺放給傳動箱體，由PLC模塊控制，液壓電控元器件作為傳感執(zhí)行部件。栽植單體是本機(jī)的主要功能部件，實(shí)現(xiàn)玉米紙筒秧苗的栽植、鎮(zhèn)壓作業(yè)。傳動箱機(jī)構(gòu)是完成玉米紙筒秧苗的輸送、剔苗、加速補(bǔ)苗功能，調(diào)整傳動比來實(shí)現(xiàn)移栽株距的不同。機(jī)架架體是整機(jī)的結(jié)構(gòu)主體，關(guān)聯(lián)各部件功能有機(jī)組合在一起。支承輪起限深和傳遞扭矩的作用。施澆水覆壟鏵的功能是對栽后秧苗澆水和覆土成壟。主要技術(shù)參數(shù)如下：

結(jié)構(gòu)尺寸/mm：2850×4200×1890;

移栽行數(shù)/行：4;

移栽株距/cm：13～35;

移栽深度/cm：0～8;

移栽行距/cm：60～70;

擺苗速度/株·行-1min-1：≥90;

作業(yè)速度/km·h-1：1.2～3.8;

工作效率/km2·h-1：0.15～0.45;

無苗紙筒剔除率/%：≥98;

漏栽率/%：≤4;

配套動力/kW：73.5～117.6輪式拖拉機(jī)。

2?關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1?傳動箱機(jī)構(gòu)

該部件以傳動扭矩，調(diào)整株距，輸送秧苗以及剔苗補(bǔ)苗為主要功能，結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

2.2?上秧擺苗機(jī)器人系統(tǒng)

本機(jī)設(shè)計(jì)的上秧擺苗機(jī)器人系統(tǒng)可取代人工給苗、擺苗的工作，提高了給苗的速度和準(zhǔn)確程度。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。工作時(shí)，由操作人員取來新的一冊秧苗，放在秧苗進(jìn)給驅(qū)動輥1上，當(dāng)驅(qū)動輥旋轉(zhuǎn)時(shí)，苗箱中的秧苗向前進(jìn)給，再經(jīng)過秧苗進(jìn)給驅(qū)動皮帶2的傳送，一直到自動取苗機(jī)械手7為止。為了使連續(xù)不斷的秧苗在前進(jìn)中無間隙，驅(qū)動輥的線速度比驅(qū)動皮帶的線速度快10%，保證后面的秧苗始終對前面的秧苗有擠壓力。直插針機(jī)構(gòu)6由油缸驅(qū)動做上下運(yùn)動，當(dāng)?shù)谝慌叛砻绲竭_(dá)自動取苗機(jī)械手7的位置時(shí)，直插針機(jī)構(gòu)6從上往下插入第二排紙筒秧苗中，深度約15～20 mm，此時(shí)取苗機(jī)械手7動作，抓取第一排紙筒秧苗，由于紙筒之間有黏力，直插針機(jī)構(gòu)6的作用是固定住第二排紙筒秧苗不動，保證抓取第一排紙筒秧苗時(shí)不把后面的秧苗帶走。最后是旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂8動作，將取苗機(jī)械手7和秧苗從取苗位置旋轉(zhuǎn)到放苗位置，等待程序命令后松開機(jī)械手，把秧苗放到橫向傳送皮帶上，然后旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂8再次動作，將取苗機(jī)械手7從放苗位置旋轉(zhuǎn)到取苗位置，進(jìn)行下一次循環(huán)取苗程序。

2.3?移栽單體

移栽單體是該機(jī)入土栽植部件總成，作用是將經(jīng)過選苗、剔苗、補(bǔ)苗后間隔均勻的玉米紙筒秧苗栽插入土壤中，并保證一致的移栽株距、深度和擠壓強(qiáng)度，確保移栽的秧苗直立并且深度一致。該部分結(jié)構(gòu)見圖5。

2.4?施水覆土部件

施水覆土裝置聯(lián)接在移栽單體后端，作業(yè)時(shí)同移栽單體繞橫向傳動軸做單鉸仿形運(yùn)動，以最大限度地保證覆土施水作業(yè)隨地性。該部件的功能是對移栽后的苗溝覆土，并預(yù)留出澆水的水溝，以供隨后的施水作業(yè)的水能夠被完全的澆灌到紙筒和溝內(nèi)，滿足移栽后玉米苗生長所需。在一般土壤條件下，移栽后的澆水量應(yīng)在3～5 t每畝地，澆足澆透水對于移栽后的玉米緩苗和增產(chǎn)效果起著至關(guān)重要的作用。

3?田間試驗(yàn)與結(jié)果

3.1?試驗(yàn)基本條件

田間性能試驗(yàn)在位于哈爾濱市南崗區(qū)哈平路156號試驗(yàn)地進(jìn)行。試驗(yàn)地地勢平坦，無雜草殘茬覆蓋，整地條件較好;年平均降水量400～600 mm。土質(zhì)為黑壤土，堅(jiān)實(shí)度為247.5×104 Pa;土壤含水率為10.2%（0～5 cm），12.7%（5～10 cm）。試驗(yàn)時(shí)間在4—6月間，壟距65 cm，地塊長度150 m，配套動力為迪爾904輪式拖拉機(jī)，機(jī)組作業(yè)速度控制在1.5～2.5 km/h之間。

試驗(yàn)用玉米品種為冀承單3號，玉米紙筒選擇正六邊形，外接圓直徑?25，紙筒高度80 mm，紙冊規(guī)格16株×18株。育苗后生長期在15～20天，移栽苗齡在兩葉一芯至三葉一芯之間，移栽株距24 cm，栽深8 cm。

試驗(yàn)方法依據(jù)JB/T10291-2001旱地栽植機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)要求，對該機(jī)作業(yè)工藝的可行性及各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)進(jìn)行性能試驗(yàn)。

3.2?試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)多次田間性能試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)分析，以下主要指標(biāo)結(jié)果如表1所示。

3.2.1?移栽深度

在整地條件較好無殘茬覆蓋和玉米紙筒育苗情況良好的情況下，移栽質(zhì)量完全滿足玉米紙筒育苗移栽作業(yè)的農(nóng)藝要求。在表1中平均移栽深度為7.8 cm，合格率為92.5%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.31，變異系數(shù)為3.97。本機(jī)在移栽過程中開溝移栽深度及覆土量穩(wěn)定，因此，移栽深度變異系數(shù)合理。

3.2.2?株距及坰保苗株數(shù)

按照所育苗玉米品種的要求，坰保苗株數(shù)的理論值是6.4萬株，由于地輪打滑、傳動過程損耗等因素的影響，導(dǎo)致了移栽株距較實(shí)際要求的24 cm有所加大，直接影響到坰保苗株數(shù)，導(dǎo)致后者減少。因此，要提高株距的一致性，就應(yīng)該改進(jìn)輸苗機(jī)構(gòu)，降低紙筒苗與傳動機(jī)構(gòu)的相對滑動[10]。

3.2.3?漏栽率

影響漏栽合格率的因素主要有兩個(gè)，一個(gè)是無苗紙筒沒有有效剔除，使得空筒被栽入土壤中;另外一個(gè)就是剔除無苗紙筒后的空隙，是加速補(bǔ)苗裝置不可靠造成的，實(shí)際是加大了移栽的株距，導(dǎo)致了漏栽。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，該機(jī)漏栽合格率是符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求的。

4?結(jié)論

（1） 整機(jī)能夠在平作、壟作的條件下滿足玉米育苗紙筒的全自動移栽作業(yè)需要。該機(jī)一次進(jìn)地即可完成自動取苗、給苗、剔苗、補(bǔ)苗和滅茬、開溝、栽苗、施水、覆壟等項(xiàng)作業(yè)，移栽株距15～32 cm，漏栽率≤3%，移栽質(zhì)量完全滿足《JB/T 10291-2001 旱地栽植機(jī)械》和玉米紙筒秧苗移栽的農(nóng)藝要求。

（2） 本全自動移栽機(jī)將機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子控制和液壓機(jī)構(gòu)緊密地結(jié)合起來，運(yùn)用相對獨(dú)立而又高度集成的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電控邏輯設(shè)計(jì)原理，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多能，優(yōu)質(zhì)高效的新型玉米移栽作業(yè)需求。機(jī)具的作業(yè)速度在1.5～5.4 km/h之間，作業(yè)效率更是達(dá)到了0.2～0.7 km2/h，為玉米作物大面積移栽提供了優(yōu)良的機(jī)械保證。

（3） 玉米育苗機(jī)械濾水移栽，能夠增加玉米生長有效積溫200～300 ℃，移栽后苗齊苗壯，保苗率高。育苗要求標(biāo)準(zhǔn)化程度很高，節(jié)省種子，減少化肥和農(nóng)藥的噴灑，徹底解決了地膜污染，有效降低病蟲害的發(fā)生，玉米增產(chǎn)提質(zhì)效果明顯。但試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)該全自動機(jī)還存在一定的不足需要與紙筒制造商聯(lián)合攻關(guān)，進(jìn)一步提高玉米紙筒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和理化性能，保證玉米扎根期紙筒的有效降解，滿足移栽的農(nóng)藝要求。

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