崔振德，何馮光，李林林，經(jīng)福林，張曼其，蘇增強

（1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械研究所，廣東 湛江 524013 ；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部熱帶作物農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，廣東 湛江 524013 ；3.華中農(nóng)業(yè)大學工學院，湖北 武漢 430070 ；4.廣東農(nóng)墾熱帶農(nóng)業(yè)研究院有限公司，廣東 廣州 511365）

0 引言

作物人工移栽由于勞動強度大、規(guī)范性差、作業(yè)效率低下等，已不能滿足我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求[1]，機械化移栽是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的必然要求。機械化移栽相比于人工移栽，作物產(chǎn)量提高，栽植勞動量減少，生產(chǎn)成本還不到人工移栽的50%[2]，采用機械化移栽可以滿足我國快速完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)任務(wù)的需要，顯著提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本、降低勞動強度等[3]。

栽植機構(gòu)是移栽機的核心部件，其性能的優(yōu)劣決定移栽機作業(yè)時種苗栽植質(zhì)量是否滿足作物的種植農(nóng)藝、適應(yīng)高速栽植作業(yè)等要求[4]。為了實現(xiàn)作物機械化移栽，國內(nèi)外針對不同作物種植農(nóng)藝和作物性狀開發(fā)了多種移栽機械，根據(jù)栽植機構(gòu)原理可分為鏈夾式移栽、鉗夾式移栽、撓性圓盤式移栽、導苗管式移栽、吊籃式移栽等[5]，不同類型的栽植機構(gòu)工作原理、優(yōu)缺點、適用農(nóng)作物、作業(yè)環(huán)境等都有所不同[6]。為探索我國菠蘿主栽品種——巴厘的機械化移栽技術(shù)，根據(jù)巴厘品種多行密植農(nóng)藝特點[7]和高大種苗的特性，研制了基于鏈夾式移栽原理的菠蘿移栽機構(gòu)[8]，并進行了大田栽植性能試驗，為下一步開發(fā)專用菠蘿（巴厘）移栽機打下了良好基礎(chǔ)。

1 鏈夾式菠蘿移栽機構(gòu)工作原理

鏈夾式菠蘿移栽機構(gòu)由覆土輪、傳動鏈輪組、開溝器、機架、夾持送苗裝置、種苗架等部分組成。作業(yè)時，由拖拉機牽引移栽機構(gòu)前進，移栽機構(gòu)的覆土輪提供傳動鏈輪組的傳動動力，夾持送苗裝置隨著鏈輪轉(zhuǎn)動到夾緊滑道上方時，人工放置種苗至夾持送苗裝置上，夾持送苗裝置隨著鏈輪運動至夾緊滑道，苗夾夾緊種苗通過夾緊滑道，出下滑道后，苗夾張開，種苗落入開溝器開好的苗溝中，隨后覆土輪進行壓土，完成移栽過程。鏈輪傳動部分主要由3 個鏈輪傳動系統(tǒng)組成，每個鏈輪系統(tǒng)通過不同的齒輪大小改變獲得不同的行進速度，使夾持送苗裝置滿足人工作業(yè)要求和菠蘿的栽植株距要求。移栽機構(gòu)總體構(gòu)成如圖1 所示。

鏈夾式菠蘿移栽機構(gòu)主要動作分解包括覆土輪抓地傳動、鏈輪組傳動、夾持送苗裝置夾緊種苗、夾持送苗裝置通過下滑道精準投苗、覆土輪覆土等，其總體要求為：

①傳動機構(gòu)要傳動精準，能夠平穩(wěn)運行，滿足菠蘿種苗株距一致性的種植農(nóng)藝要求；

②夾持送苗裝置能夠穩(wěn)定夾住菠蘿種苗，種苗不滑移脫落且不會對種苗產(chǎn)生擠壓損傷，在種苗與下滑道剛接觸時，盡量減少與夾緊滑道的摩擦震動，避免影響種植質(zhì)量；

③夾持送苗裝置在通過下滑道時，其分離彈桿能立即將種苗彈開，使種苗可以順利落入開溝器開好的苗溝中，隨后覆土輪覆土壓實，保證其直立度較高，移栽完成后種苗不會被機構(gòu)刮倒。

2 移栽機構(gòu)的運動分析

2.1 鏈輪傳動系統(tǒng)

鏈夾式移栽機構(gòu)采用三級鏈輪傳動來驅(qū)動夾持送苗裝置作業(yè)，在拖拉機三點懸掛牽引下，移栽機構(gòu)通過覆土輪上的鉤齒抓地驅(qū)動鏈輪系統(tǒng)，動力從與地輪連接的第一級鏈輪傳輸?shù)綂A持送苗裝置所在的第三級鏈輪，傳動系統(tǒng)如圖2 所示。

2.2 移栽機構(gòu)前進速度與株距、頻率和鏈輪作業(yè)速度的關(guān)系

移栽機構(gòu)前進速度的快慢決定栽植效果。若移栽機構(gòu)的前進速度慢，就會導致鏈輪轉(zhuǎn)動速度較慢甚至鏈條不轉(zhuǎn)動，其栽植效果較差，無法達到機械化移栽高效率的目的；若移栽機構(gòu)的前進速度過快，操作人員取、放種苗的速度跟不上機器，將會發(fā)生漏苗缺株。因此，在栽植作業(yè)過程中，不僅要保持種苗的栽植株距，還要不漏苗且高效率移栽作業(yè)，移栽機構(gòu)的移栽頻率要設(shè)定在與人工取苗、放苗速度相匹配的合適范圍內(nèi)，其值如式（1）所示：

式中：

f——移栽機構(gòu)的栽植頻率，株/min；

S——菠蘿種苗的栽植株距，m。

按照菠蘿種苗大規(guī)格的形態(tài)尺寸，人工單次一般只能取、放1 株菠蘿種苗，為了避免人工跟不上機器速度而發(fā)生漏取和漏放，適宜的栽植頻率約為60 株/min，而巴厘品種的適宜栽植株距為0.25～0.30 m，因此移栽機構(gòu)的適宜作業(yè)速度應(yīng)控制在15.0～18.0 m/min。

2.3 種苗運動軌跡分析

2.3.1 栽植機構(gòu)零速投苗與種苗栽植要求

“零速”投苗是影響菠蘿種苗種植直立度和移栽機構(gòu)工作性能的重要指標。“零速”投苗的原理即當菠蘿種苗移栽作業(yè)時，移栽機構(gòu)的前進速度與菠蘿種苗栽植瞬間的水平分速度大小相等、方向相反時即視為達到了“零速”投苗狀態(tài)，使得菠蘿種苗獲得相對地面的瞬時絕對速度為零，此時菠蘿種苗相對于地面處于靜止狀態(tài)，栽植后的菠蘿種苗獲得較好的直立度。

為了達到“零速”投苗的效果，引入特征參數(shù)λ，即機構(gòu)運轉(zhuǎn)時栽植機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)切向速度與移栽機構(gòu)前進速度的比值，如式（2）所示：

式中：

R——栽植機構(gòu)到旋轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)半徑，m；

ω——栽植機構(gòu)旋轉(zhuǎn)的圓周角速度，rad/s；

λ——特征參數(shù)。

在移栽過程中，菠蘿種苗的運動軌跡有3 種不同的情況，如圖3 所示。

圖3 菠蘿種苗運動軌跡

不同的運動情況下λ的值不同，具體分析如下：

當特征參數(shù)λ＜1 時：此時夾持送苗裝置的運動軌跡為短擺線，水平方向沒有絕對速度為零的拐點，在這種運動軌跡中無法實現(xiàn)“零速”投苗，即種苗栽植后的直立度很差，不能保證菠蘿苗的栽植效果。

當特征參數(shù)λ=1 時：此時夾持送苗裝置的運動軌跡是擺線，其只有在最低點存在1 個拐點，即只有在最低點投苗才能達到較好的立苗種植效果，由于只有1 個拐點，在隨著鏈輪的轉(zhuǎn)動作業(yè)過程中，很可能造成種苗的前傾，使得栽植效果不好。

當特征參數(shù)λ＞1 時：此時夾持送苗裝置的運動軌跡為余擺線，即運動擺線上有環(huán)扣出現(xiàn)，則該余擺線在栽植作業(yè)的過程中可以達到“零速”投苗的標準，在這種運動軌跡下，種苗將獲得較好的直立度和種植質(zhì)量。

由上述可知，當特征參數(shù)λ=1 和λ＞1 時，在理論上均可達到“零速”投苗的狀態(tài)，在實際作業(yè)過程中，當運動軌跡為λ=1 時，很可能導致種苗前傾、種苗直立度不高的現(xiàn)象，要想種苗達到較好的種植效果和較高的直立度，移栽機構(gòu)的特征參數(shù)應(yīng)為λ＞1，即運動軌跡要為余擺線。

2.3.2 種苗的運動分析

1）種苗在移栽機構(gòu)上的運動分析。菠蘿種苗在移栽機構(gòu)上的運動過程分為3 個階段。第1 階段，從種苗架中人工取苗放于夾持送苗裝置上；第2 階段，夾持送苗裝置隨著鏈輪的轉(zhuǎn)動，分離彈桿和夾緊滑道接觸，從而受力夾緊種苗，在夾緊滑道中隨著鏈條的轉(zhuǎn)動做平移運動；第3 階段，種苗通過夾緊滑道后，分離彈桿彈開，種苗落入開溝器開好的苗溝中，隨后覆土輪覆土，完成栽植作業(yè)。決定菠蘿種苗是否可以達到“零速”投苗運動狀態(tài)的階段是種苗隨著夾持送苗裝置在夾緊滑道中運動即將出夾緊滑道至種苗落入苗坑的這一運動階段，其運動過程如圖4 所示。

圖4 種苗與夾苗裝置—接觸夾持點相對運動軌跡

種苗在這個運動階段與夾苗裝置接觸的夾持點A 在移動坐標系中的運動為繞第三鏈輪下端齒輪圓心O2的轉(zhuǎn)動，其線速度可由公式（3）和（4）表示：

式中：

Y 軸——移栽機構(gòu)栽植鏈輪的對稱軸，豎直向上為正方向；

X 軸——移栽機構(gòu)的最低水平位置，即開溝器底點，移栽機構(gòu)前進方向為正方向；

——移栽機構(gòu)前進作業(yè)時，x 軸上的速度，m/s；

——移栽機構(gòu)前進作業(yè)時，y 軸上的速度，m/s；

r1—上鏈輪圓的半徑，m；

r2——下鏈輪圓的半徑，m；

h1——上鏈輪圓心到下鏈輪圓心的垂直距離，m；

h2——夾持點與開溝器的最小距離，m；

ω——下鏈輪的轉(zhuǎn)動角速度，rad/s；

l——夾持送苗裝置安裝位置與夾持點的距離，m；

θ——AO2與水平方向的夾角；

O1——上鏈輪圓心；

O2——下鏈輪圓心；

c1，c2——積分常數(shù)。

2）種苗離開移栽機構(gòu)后的運動分析。夾持送苗裝置通過下滑道后，分離彈桿張開，種苗落入苗溝中，這一階段種苗的運動狀態(tài)可以分為2 部分：第一部分，在重力的作用下，種苗質(zhì)心做有初速度的水平方向運動和豎直方向上的合成運動，其速度方程與投苗角度有關(guān)；第二部分，種苗在下落過程中，以角速度ω繞自身質(zhì)點轉(zhuǎn)動，開溝器開出的種植溝深度決定種苗落地時的速度。

2.4 夾持送苗裝置設(shè)計

夾持送苗裝置是鏈夾式移栽機構(gòu)的核心部件，隨著鏈輪的轉(zhuǎn)動做循環(huán)往復的栽植運動，而且夾持送苗裝置在作業(yè)過程中，經(jīng)常與夾緊滑道進行碰撞和裝載種苗。采用模塊化設(shè)計，安裝簡單，維修方便，運行平穩(wěn)，可夾持35～50 cm 高度的菠蘿種苗進行機械化移栽作業(yè)，且不會產(chǎn)生明顯變形和擠壓損壞，影響栽植質(zhì)量。夾持送苗裝置與夾緊滑道接觸時，減少接觸點的摩擦和震動，保證移栽機構(gòu)的穩(wěn)定運行和種苗的栽植質(zhì)量。

夾持送苗裝置主要由夾持臂、擋板、分離彈桿、夾持膠片組成，如圖5 所示。夾持臂由安裝板和種苗放置區(qū)組成，安裝板上有4 個直徑為6 mm 的圓孔，夾持送苗裝置通過安裝板上的圓孔與鏈輪連接，菠蘿種苗的主莖稈放置在夾持臂主機架上，主機架長27.5 cm，可滿足35～50 cm 高度的菠蘿種苗有效夾持。

圖5 夾持送苗裝置零件結(jié)構(gòu)

擋板用于加固夾持送苗裝置提高穩(wěn)定性，防止夾持送苗裝置在作業(yè)中主體結(jié)構(gòu)發(fā)生形變；分離彈桿安裝在夾持臂的鉤齒中，其各圓柱支撐體直徑約5.5 mm，與夾緊滑道接觸處加裝了軸承，可有效減少夾持送苗裝置作業(yè)時產(chǎn)生的震動和噪音，使夾持送苗裝置在運行中更加平穩(wěn)；夾持膠片材料為天然橡膠，其作用是實現(xiàn)柔性夾持以保證種苗不被擠壓損傷。

將夾持送苗裝置各個零件進行裝配，三維效果如圖6 所示。其在作業(yè)過程中主要有展開和夾緊這2種作業(yè)狀態(tài)，夾緊狀態(tài)為人工放置種苗至夾持送苗裝置后，其進入下滑道后會固定種苗，隨著鏈輪做平移運動至出夾緊滑道這一運動階段，夾持送苗裝置在鏈輪上其余運動時刻都處于展開狀態(tài)。

圖6 夾持送苗裝置及其開合狀態(tài)

2.5 鏈夾式移栽機構(gòu)整體三維建模

根據(jù)菠蘿種苗的種植農(nóng)藝要求和鏈夾式移栽機構(gòu)的工作原理，對其主要零部件進行設(shè)計，在SolidWorks 軟件中對鏈夾式移栽機構(gòu)各個部件進行三維建模和整機裝配，并利用SolidWorks 軟件中自帶的裝配體零部件干涉檢測功能，檢測出三維裝配體模型中并沒有干涉現(xiàn)象發(fā)生，符合設(shè)計要求，裝配后得到的移栽機構(gòu)整體三維效果如圖7 所示。

圖7 鏈夾式菠蘿移栽機構(gòu)整體三維效果

3 試驗與分析

3.1 試驗對象

未經(jīng)處理的原生菠蘿種苗外觀形狀差異大，高度、莖粗、彎度大不相同，難以適應(yīng)夾持送苗裝置的有效夾持和準確栽植，移栽效果一致性差。為保證栽植對象的外形尺寸相對統(tǒng)一，試驗時將菠蘿種苗進行高度裁剪、修去散開下垂的側(cè)葉并剔除徑粗過大、彎度過大的異形株，同時考慮到夾持臂的長度承受范圍，將其修剪處理為35、40、45 cm 3 種高度，每種高度分別進行8 組試驗，每組樣本株數(shù)為30 株，通過試驗比較哪種高度更適合鏈夾式移栽機構(gòu)，種苗修剪處理效果如圖8 所示。

圖8 菠蘿種苗修剪處理效果

3.2 試驗指標

判斷菠蘿種苗田間移栽效果好壞的相關(guān)指標包括栽植覆土后的種苗直立度、栽植株距、種苗入土深度。種苗直立度關(guān)系到植后菠蘿種苗能否正常生長和成活率，是最重要的指標，但目前在菠蘿種植領(lǐng)域尚未有統(tǒng)一的定義和測定方法。結(jié)合菠蘿田間生產(chǎn)實際，本研究以菠蘿種苗栽植的直立度用栽植后種苗軸心線與地面的最小夾角a 表示直立度，根據(jù)直立度情況劃分如下4 個等級：

①優(yōu)良：90°≥a ＞85°，種苗傾斜角度較小，垂直或接近垂直；②合格：85 ≥a ≥70°，種苗有一定角度的傾斜，但不影響后期生長；③不合格：a ＜70°，種苗傾斜角度較大，對后期生長可能有影響；④倒伏：a ＜45°，種苗傾斜角度過大，甚至種苗根部不入土，對后期生長有嚴重影響。

種苗直立度合格與不合格的區(qū)分，如圖9 所示。

圖9 菠蘿種苗直立度評定

3.3 試驗結(jié)果

試驗前，需先用耕整地機械進行深松、旋耕處理，滿足菠蘿種苗移栽的要求?？紤]到機械移栽需要通過開溝器在作業(yè)中產(chǎn)生的泥土回流現(xiàn)象來對種苗根部覆土，將開溝器開溝深度調(diào)整至12～14 cm，以增加植后種苗的穩(wěn)定性，入土深度要明顯高于人工種植深度。利用1 臺東方紅MF404 拖拉機作為牽引動力，鏈夾式移栽機構(gòu)現(xiàn)場作業(yè)如圖10 所示。

修剪高度為45 cm 的菠蘿種苗，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 修剪高度45 cm菠蘿種苗移栽試驗結(jié)果

修剪高度為40 cm 的菠蘿種苗，試驗結(jié)果如表2 所示。

表2 修剪高度40 cm菠蘿種苗移栽試驗結(jié)果

修剪高度為35 cm 的菠蘿種苗，試驗結(jié)果如表3 所示。

表3 修剪高度35 cm菠蘿種苗移栽試驗結(jié)果

3.4 結(jié)果分析

由試驗結(jié)果可知，當移栽對象為修剪高度45 cm菠蘿種苗時，其移栽優(yōu)良率僅為15.8%、合格率為58.3%，兩者相加占74.1%，而倒伏率為25.8%，達不到生產(chǎn)要求。當移栽對象為修剪高度40 cm 菠蘿種苗時，其移栽優(yōu)良率為26.3%、合格率為55.4%，兩者相加占81.7%，而倒伏率約為18.3%，還是達不到生產(chǎn)要求。當移栽對象為修剪高度35 cm 菠蘿種苗時，其移栽優(yōu)良率則上升為56.3%、合格率為37.9%，兩者相加占94.2%，而倒伏率僅為5.8%，總體上達到生產(chǎn)要求。在實際生產(chǎn)中，可以采用人工跟隨移栽機械二次補苗的方式，將不合格部分的種苗人工理直或補缺，以進一步提高種植效果。

根據(jù)試驗實踐，使用鏈夾式移栽機構(gòu)對菠蘿種苗進行移栽作業(yè)時，種苗高度越高，種苗外形尺寸與鏈夾式移栽機構(gòu)特性參數(shù)越不相匹配，栽植質(zhì)量達不到生產(chǎn)要求。當菠蘿種苗修剪高度控制在35 cm及以下時（巴厘品種屬皇后類，皇后類一級種苗高度不小于30 cm[9]），并不影響種苗植后的正常生長，而此時菠蘿種苗外形尺寸與鏈夾式移栽機構(gòu)特性參數(shù)匹配較好，栽植質(zhì)量和栽植合格率可滿足生產(chǎn)要求。

4 結(jié)語

采用鏈夾式移栽機構(gòu)實施菠蘿種苗（巴厘）高密度機械化移栽技術(shù)上是可行，在菠蘿種苗外形尺寸與機構(gòu)參數(shù)匹配適當?shù)那闆r下可獲得高直立度、株距均勻、入土深度一致的合格移栽質(zhì)量。以多個鏈夾式移栽機構(gòu)進行并列式組合，針對宜機化的“四行帶狀種植模式”[10]，開發(fā)專用的四行鏈夾式菠蘿（巴厘）移栽機，是下一步研究探索方向。推進菠蘿生產(chǎn)機械化，是一個系統(tǒng)的漸進過程，很多關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備需要實現(xiàn)從“0”到“1”的突破，進而形成農(nóng)藝、農(nóng)機、農(nóng)田、農(nóng)服四位一體的協(xié)同推進機制，菠蘿生產(chǎn)機械化技術(shù)才能真正落地應(yīng)用形成新的“生產(chǎn)力”。