蔡金平，劉木華，林金龍，肖麗萍，蔡 翰，梅 宇，鄧方遷，梁永安

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院/江西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，江西 南昌 330045）

【研究意義】水稻缽苗移栽是一種新型的水稻栽植技術(shù)。按缽體獨立取苗、帶土移栽方式，不傷根，緩苗快，秧苗素質(zhì)好，分蘗早，分蘗數(shù)多，抗倒伏能力強，成穗率高，產(chǎn)量高等優(yōu)點，發(fā)展前景良好，日益受到廣大農(nóng)戶的青睞[1]。缽苗相對于毯狀苗移栽，能夠增產(chǎn)10%～15%[2]，在超級稻推廣階段，缽苗移栽技術(shù)將更能體現(xiàn)出其高產(chǎn)優(yōu)勢[3]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】日本研制的水稻缽苗移栽機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，缽盤為半硬塑性穴盤，成本較高，同時育苗要求較高，并不適合中國的國情[4-6]。我國研制的橢圓齒輪—不完全非圓齒輪行星系旋轉(zhuǎn)式移栽機構(gòu)，取秧成功率較低，為82.9%，且推秧效果也不好[7]。行栽機拔秧機構(gòu)直接作用于秧苗莖稈，靠秧輥與秧苗之間的摩擦力將秧苗從缽盤穴中拔出，摩擦力對秧苗有一定的損傷，使秧苗存在緩苗期[8-9]。【本研究切入點】2003年，宋建農(nóng)等[10]對水稻穴盤秧苗的抗拉力學(xué)特性和穴盤拔秧性能進(jìn)行試驗研究，試驗結(jié)果表明：單株或多株秧苗的抗拉斷力遠(yuǎn)大于拔起缽盤中秧苗所需的拔取力，因此采用夾持拔取秧苗莖稈的方案是可行的?！緮M解決的關(guān)鍵問題】基于其它移栽裝置的特點，本文提出了一種新型水稻缽苗移栽機構(gòu)。取秧機構(gòu)將秧苗放入輸苗筒，秧苗在重力作用下掉入泥土中，完成移栽。該機構(gòu)在拔取過程中能有效減少對秧苗的損傷，且結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)高效有序移栽。

1 水稻缽苗移栽機構(gòu)組成及工作原理

移栽機構(gòu)包括取秧機構(gòu)、縱向送秧機構(gòu)和橫向移箱機構(gòu)，動力由可調(diào)速電機提供，由傳動系統(tǒng)傳遞到各機構(gòu)。移栽機構(gòu)如圖1所示：主要由電機、機架、秧箱、橫向移箱機構(gòu)、縱向送秧機構(gòu)、取秧機構(gòu)、傳動系統(tǒng)、輸苗筒等部分組成，傳動系統(tǒng)由鏈傳動和齒輪傳動構(gòu)成。

取秧機構(gòu)每取一株秧，橫向移箱機構(gòu)水平移動一個缽距，使取秧機構(gòu)能在同一位置取完一行缽苗，之后縱向送秧機構(gòu)將缽盤向下輸送一個缽距，橫向移箱機構(gòu)反向水平移動，取秧機構(gòu)開始夾取新的一行秧苗。取秧機構(gòu)將取后的秧苗放入到輸苗筒，秧苗在重力的作用下經(jīng)輸苗筒落入泥土中，從而完成移栽。

1.1 傳動系統(tǒng)

為了滿足各機構(gòu)作業(yè)參數(shù)的要求，傳動系統(tǒng)應(yīng)符合傳動比要求且傳動平穩(wěn)，綜合考慮機械性能、安裝位置、空間尺寸和試驗要求等，設(shè)計了如圖2所示的傳動系統(tǒng)。動力由電機輸出，經(jīng)a～f各級鏈傳動和齒輪傳動傳遞到各個機構(gòu)。

圖1 移栽機構(gòu)Fig.1 Transplanting mechanism

圖2 傳動系統(tǒng)Fig.2 Transmission system diagram

1.2 取秧機構(gòu)的設(shè)計

取秧機構(gòu)是水稻缽苗移栽機構(gòu)的關(guān)鍵部件，其工作的可靠性直接影響整機的性能。通過分析國內(nèi)外水稻缽苗移栽機構(gòu)，結(jié)合缽苗移栽本身的特點，設(shè)計了相應(yīng)的曲柄搖桿夾持式取秧機構(gòu)，如圖3（a）所示。在取秧位置時，秧夾夾持秧苗莖部將秧苗從缽盤中拔出；在放秧位置時，秧夾張開，秧苗在重力作用下落入輸苗筒中，經(jīng)輸苗筒掉入泥土中，完成移栽。

圖3 取秧機構(gòu)Fig.3 The seedling picking mechanism

取秧機構(gòu)動力由調(diào)速電機提供，動力經(jīng)傳動系統(tǒng)傳遞到取秧機構(gòu)的下軸和偏心軸。秧夾采用凸輪機構(gòu)實現(xiàn)秧苗夾取的開合，其結(jié)構(gòu)如圖3（b）所示。鏈條帶動上軸轉(zhuǎn)動從而帶動凸輪轉(zhuǎn)動，凸輪不平整的廓面擠壓兩側(cè)滾珠，結(jié)合前端彈簧和后端彈簧的共同作用秧夾實現(xiàn)夾秧的張開和閉合。偏心輪轉(zhuǎn)動將動力傳遞給連桿，連桿帶動擺桿臂往復(fù)擺動，完成取秧和放秧。

1.3 橫向移箱機構(gòu)

橫向移箱機構(gòu)具有保證秧箱實現(xiàn)橫向往復(fù)運動的功能，其機構(gòu)如圖4 所示。機架動力經(jīng)傳動鏈通過聯(lián)軸器傳遞到雙螺旋軸，滑套套在雙螺旋軸上，滑套與秧箱下軸固連，秧箱下軸與秧箱固連。滑套內(nèi)部裝有圓弧形指銷，指銷沿雙螺旋軸滑槽滑動通過兩端實現(xiàn)換向，從而帶動秧箱左右往復(fù)運動，完成橫向送秧。秧箱上的滑塊可沿機架上下滑槽移動，減少秧箱往復(fù)運動的阻力。

圖4 橫向移箱機構(gòu)Fig.4 Transverse box moving mechanism

1.4 縱向送秧機構(gòu)

縱向送秧機構(gòu)主要由送秧裝置和凸輪組成，兩部分配合使用，可準(zhǔn)確有效送秧。

1.4.1 送秧裝置 缽苗采用柔性塑性缽盤育秧，缽盤橫向14 缽，縱向25 缽，缽深為17 mm，縱向缽距為22.4 mm。如圖5所示，傳動鏈每隔7個鏈節(jié)設(shè)置一個側(cè)鏈板，連接板上設(shè)有3 個齒廓，齒廓與缽盤底部的間隙嚙合，從而帶動缽盤縱向送秧。秧盤在向下輸送的過程中，壓秧桿使秧盤緊貼秧箱，避免在取秧過程中秧盤被連帶拔起。輸秧導(dǎo)桿下端呈圓弧形，等距布置的輸秧導(dǎo)桿可保證取秧機構(gòu)在相應(yīng)的位置取秧，秧盤在輸秧導(dǎo)桿的作用下完成回收。

圖5 送秧裝置Fig.5 Seedling delivery device

1.4.2 凸輪設(shè)計 圖6 為凸輪裝配圖。送秧裝置傳動鏈輪上軸兩端極限位置處裝有棘輪，棘輪上安裝有擺桿。機架傳動鏈輪上軸兩端裝有凸輪，動力由鏈條傳遞到機架上軸使兩端凸輪轉(zhuǎn)動，撥動與其接觸的擺桿順時針擺動，使送秧裝置傳動鏈向下輸送一個缽距s為22.4 mm，完成一次縱向送秧。同時棘輪在扭簧的作用下完成復(fù)位。當(dāng)秧箱橫向移動至另一端時，另一端凸輪撥動棘輪上的擺桿完成再一次縱向送秧。

縱向送秧的鏈輪齒數(shù)z為14，鏈節(jié)距p為12.7 mm，縱向送秧一個缽距，鏈輪需要轉(zhuǎn)過的角度ω為：

采用解析法設(shè)計凸輪的輪廓曲線[11]，取上鏈輪軸的軸心A0與凸輪所在軸的軸心O 連線作為y 軸；在反轉(zhuǎn)運動中，當(dāng)擺桿相對于凸輪轉(zhuǎn)過φ角時，擺桿角位移為ψ，凸輪廓線設(shè)計如圖7所示，則擺桿端點B的坐標(biāo)方程為：

圖6 凸輪裝配Fig. 6The cam assembly

圖7 凸輪廓線設(shè)計Fig.7 Cam profile design profile

根據(jù)凸輪軸和上鏈輪軸的安裝位置，可確定轉(zhuǎn)動中心距a為60 mm，擺桿長度l為35 mm，凸輪基圓半徑r0為30 mm，推程角為120°，遠(yuǎn)休止角為30°，回程角為110°?？傻玫酵馆啿煌D(zhuǎn)角對應(yīng)的擺桿擺角。采用Pro/E參數(shù)化建模設(shè)計盤形凸輪機構(gòu)，創(chuàng)建的凸輪的輪廓線如圖8 所示，利用拉伸方法創(chuàng)建實體特征，從而完成凸輪的三維建模。

圖8 凸輪輪廓曲線Fig.8 Profile curve of cam

2 取秧機構(gòu)虛擬仿真

取秧機構(gòu)秧夾夾持點運動軌跡及夾持點位移，將直接影響缽苗的取秧效果。為檢驗取秧機構(gòu)的運動特性，在SolidWorks 中建立了樣機模型，并導(dǎo)入到ADAMS 中進(jìn)行虛擬仿真分析。將長度單位設(shè)置為毫米，將Y 軸負(fù)方向設(shè)為重力加速度方向。然后在相應(yīng)的位置添加約束和驅(qū)動，驅(qū)動轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 r/s，在秧夾夾持位置建立標(biāo)記點，將仿真時間設(shè)置為3 s，仿真步數(shù)設(shè)置為360；最后對機構(gòu)進(jìn)行運動仿真分析。取秧機構(gòu)模型如圖9 所示。

圖9 取秧機構(gòu)模型Fig.9 Model of seedling picking mechanism

通過仿真和后處理分析，得到取秧機構(gòu)標(biāo)記點的運動特征曲線如圖10和圖11所示。

由圖10 知，取秧機構(gòu)在軌跡曲線右端點處取秧，左端點（輸苗筒上端）處放秧，滿足取放秧要求。圖11 為秧夾夾持點Z 向（秧夾開合方向）位移時間曲線，秧夾能在相應(yīng)的位置取、放秧。秧夾閉合時，兩秧夾夾持點之間的距離為0.5 mm；秧夾張開時，兩秧夾夾持點之間的距離為11.7 mm，滿足秧夾設(shè)計要求。劉欣等[12]探究柔性材料對秧苗傷秧率及漏拔率的影響時，對比海綿、紅膠和普通橡膠3 種材料，海綿的取秧效果較好。為減少對秧苗的傷害，可在秧夾內(nèi)側(cè)貼上一層海綿。

圖10 秧夾夾持點運動軌跡Fig.10 The movement track of clamping point of seedling

圖11 秧夾夾持點Z向位移Fig.11 Z-direction displacement of clamping point of seedling

3 取秧質(zhì)量試驗

3.1 試驗材料

以水稻缽苗為試驗對象，供試品種為常規(guī)稻中佳3號，秧苗秧齡為19 d，株高為155～190 mm，缽?fù)梁蕿?1.6%～26.5%。

3.2 試驗設(shè)備

水稻缽苗移栽裝置，0.87 m×4 m 土槽，調(diào)速電機1 臺，智能轉(zhuǎn)速表1 部，土壤溫濕度速測儀1 部（測量精度為±3%，含水率測量范圍為0%～100%），直尺1把。

3.3 試驗方法

為驗證取秧機構(gòu)設(shè)計的合理性和工作的可行性，試制了移栽裝置，并在不同取秧頻率下進(jìn)行試驗，觀察秧苗的漏拔數(shù)及傷秧數(shù)。

參照水稻缽苗栽植機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范，水稻缽苗移栽機傷秧率≤2%，漏栽率（漏拔率）≤3%，取秧效果較好[13]。

缽苗傷秧率：

式（5）中：RS—傷秧率，單位百分率；ZS—傷秧株數(shù)總和，單位株；Z—試驗缽苗總株數(shù)，單位株。

缽苗漏拔率：

式（6）中：RL—漏栽率，單位百分率；XL—水稻缽苗漏拔數(shù)，單位株；X—試驗缽苗總株數(shù)，單位株。

試驗在土槽上進(jìn)行，將育好的秧苗隨機取出3盤，挑除明顯不合格的秧苗，擱置30 min 后進(jìn)行試驗。在取秧頻率分別為50 次/min，60 次/min 和70 次/min 3 個水平下進(jìn)行試驗，每組試驗對象為缽盤中的140株秧。取秧試驗如圖12所示。

圖12 取秧試驗Fig.12 The test of seedling picking quality

3.4 試驗結(jié)果

記錄各取秧頻率下的取秧質(zhì)量（漏拔株數(shù)和傷秧株數(shù)），試驗結(jié)果如表1 所示，秧苗漏拔率（漏栽率）和傷秧率隨著取秧頻率的增加略有增加，取秧頻率為50 次/min 時取秧效果較好，漏拔率和傷秧率分別為3.57%和2.14%。在多種影響因素下，移栽質(zhì)量略低于機械行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，后期將進(jìn)一步改進(jìn)和完善，以獲得更好的移栽效果。

表1 取秧結(jié)果Tab 1 Result of seedling picking

4 結(jié)論

（1）設(shè)計了水稻缽苗移栽裝置，包括取秧機構(gòu)、縱向送秧機構(gòu)和橫向移箱機構(gòu)，同時設(shè)計了可靠的傳動系統(tǒng)，使動力能有效傳遞到各機構(gòu)。

（2）通過SoildWorks 建立取秧機構(gòu)虛擬樣機模型，并將模型導(dǎo)入到ADAMS 中進(jìn)行運動學(xué)仿真，得出秧夾夾持點運動軌跡和位移曲線。結(jié)果表明：取秧機構(gòu)能在相應(yīng)的位置取放秧，秧夾張開和閉合時，左右秧夾夾持點之間距離分別為11.7 mm 和0.5 mm，滿足取秧要求。為減少對秧苗的傷害，可在秧夾內(nèi)側(cè)貼上海綿。

（3）試制了移栽裝置樣機并進(jìn)行了試驗，以漏拔率和傷秧率為指標(biāo)進(jìn)行了取秧性能試驗。隨著取秧頻率增加，漏拔率和傷秧率均略有增加，是由于頻率高取秧機構(gòu)存在一定的振動，運動精度較低，最佳漏拔率和傷秧率分別為3.57%和2.14%，略低于機械行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。后期將依照試驗對機構(gòu)進(jìn)一步改進(jìn)和完善，進(jìn)而獲得較好的移栽效果。