鸭嘴式钵苗移栽机的设计和试验研究

张晓龙，伍德林，吴崇友，刘尧尧，高法允

(安徽农业大学 工学院，合肥 230036)



鸭嘴式钵苗移栽机的设计和试验研究

张晓龙，伍德林，吴崇友，刘尧尧，高法允

(安徽农业大学 工学院，合肥 230036)

设计出一种钵苗移栽机，通过对移栽机的工作过程的阐述及运动学分析，确定了钵苗落苗过程中零速投苗点，使移栽效果最佳。对移栽机进行试验分析，选择机车前进速度﹑滚筒深度﹑可调连杆角度为试验因素，得出各试验因素与试验指标的关系。通过正交试验结果分析各试验因素对试验指标的影响大小，得出最优组合。结果表明：当机车前进速度0.30m/s、滚筒深度60mm、连杆角度40°时，直立度合格指数为85.18%，株距变异指数8.73%，漏栽指数1.68%，为移栽机结构和性能参数进一步优化提供了理论依据。

钵苗移栽；运动学分析；零速投苗；正交试验分析

0 引言

钵苗移栽是农业生产中为获得高产而采用的一种重要的移栽方式。温室中育出的钵苗移栽于田间，具有很多优点，如延长了作物生长的时间，提高了单位面积作物的产量，改善了作物品质[1]。目前，采用人工移栽钵苗的劳动效率很低，且存在劳动强度大、移栽质量差等问题，实现从育苗到移栽的机械化作业，可提高经济效益，因此实现我国钵苗移栽机械化已成为农业生产的迫切需要。国外移栽机械由于发展时间早且技术水平较高，移栽技术的研究趋向成熟；但目前我国移栽机普遍存在漏苗、伤苗等问题，使国内农作物移栽环节机械作业覆盖率低[2]。为此，针对钵苗移栽技术设计一款新型移栽机，通过建立栽植器运动轨迹方程及速度方程，分析主要参数，并通过试验研究寻找影响移栽性能的主要因素，包括直立度合格指数﹑株距变异系数指数﹑漏栽指数，建立试验基本指标的回归方程，确定移栽的最优组合，为进一步开展移栽机的优化设计提供试验基础。

1 总体结构及工作原理

1.1 整机总体结构

该鸭嘴式移栽机主要由苗架﹑栽植机构、施肥机构﹑传动系统及覆土机构等组成，如图1所示。

1.柴油机 2.变速箱 3.覆土滚筒 4.减速器 5.固定架 6.栽植机构 7.覆土轮 8.苗盘 9.施肥机构 10.肥料箱 11.调节手柄 12.苗架图1 移栽机的机构示意图Fig.1 Schematic of transplanter

1.2 工作原理

柴油机通过皮带轮传递动力给变速箱，变速箱一端通过链传动传递到减速器后转化为移栽臂沿着竖直滑轨上下滑动，另一端通过链传动转化为苗盘的转动；当移栽臂沿着滑槽向下滑动时，烟苗从苗盘落入安装在鸭嘴上端的承接筒，鸭嘴插入土内后，转动曲柄上的凸轮顶着弯头使得鸭嘴张开，烟苗落入土窝；同时，施肥箱内肥料流入施肥管，通过连杆机构和水平滑槽上的齿条与双联齿轮的啮合，使得施肥管在施肥槽内向下滑动，肥料落入管洞内；覆土轮的压土面保持倾斜，将土壤挤压到苗根上再压实，起到覆土和镇压的作用。移栽结束后，移栽臂沿着滑轨向上运动，鸭嘴在复位弹簧的作用下闭合，经过齿轮齿条的啮合，施肥管向上运动，挡板堵住了管道内肥料的流动。施肥深度通过改变连杆角度来实现；通过手柄控制覆土器高度，调节栽植深度。

2 关键部件的结构和主要参数

2.1 栽植器的结构

结构简图如图2所示。

1.减速器 2.鸭嘴 3.复位弹簧 4.承接筒 5.滑轨 6.移栽臂 7.凸轮 8.弯头 9.曲柄图2 鸭嘴式栽植器结构图Fig.2 Schematic diagram of duckbill transplant unit

移栽机鸭嘴的张开与闭合通过凸轮和复位弹簧控制。栽植器的运动由行走轮带动，通过变速箱转换到合适的速度，曲轴在转动的过程中带动凸轮转动；凸轮的推程轮廓线与弯头接触的过程中，使弯头向下压右鸭嘴，使鸭嘴张开，凸轮转过推程轮廓线，弯头对右鸭嘴的压力逐渐减小，鸭嘴在复位弹簧的作用下闭合。

2.2 主要参数

2.3 主要参数之间的关系

由于半自动移栽机需要人工喂苗，栽植频率过大容易使工作人员疲劳，投苗速度跟不上移栽速度，产生漏苗现象；栽植频率过小会使移栽机工作效率下降。通过对皖南烟区移栽机工作状况的调查，当栽植频率=45株/min时可以使移栽效果达到最优，ω=2π，v0=fS。

2.4 栽植器整体的运动

建立鸭嘴式栽植器数学模型如图3所示。鸭嘴的运动由绕移栽臂的斜边转动、顺着滑轨的上下运动和移栽机前进运动合成。在不考虑鸭嘴张开的情况，鸭嘴的位移方程为

(1 )

将式(1)对时间t求导，可以得到栽植器速度方程为

(2 )

其中，x为鸭嘴水平方向位移；y为鸭嘴竖直方向位移；vx为鸭嘴水平方向移动速度；vy为鸭嘴竖直方向移动速度；v0为移栽机前进速度；R为鸭嘴绕连接器转动半径；L为曲轴长度；ω为曲轴转动角速度；β为连接器上鸭嘴转动半径R与临边夹角；t为时间。

图3 栽植器数学模型Fig.3 The mathematical model of duckbill transplant unit

图4 栽植器运动轨迹示意图

Fig.4 Trajectory schematic diagram of transplanter

当λ≥1时，符合零速投苗原理，运动参数应该满足v0≤Rω。考虑到秧苗从鸭嘴张开到完全脱离鸭嘴需要一段时间，在实际的工作过程中，应尽量缩短、减小鸭嘴的运动对秧苗的直立度及回土效果产生影响。因此，鸭嘴张开瞬间的位置应当选在A、B或者O2的两侧，理想的投苗点应当选在O1BC段[4]。

3 试验材料和试验方法

3.1 试验材料

材料选取土壤含水率14%～18%，栽植作物为K326烟苗，经过钵育栽培，苗龄60天，烟苗的平均高度为15.6cm，平均直径为8.7cm。为防止烟苗损伤或水分流失而影响试验效果，获取钵苗试样后立即进行移栽性能试验。栽植时，烟苗合理株距为55cm。

3.2 试验方法

图5 试验装置Fig.5 Experimental device

3.3 单因素试验

3.3.1 试验方法

根据农机农艺要求，设定移栽株距为55cm,试验基本工况为：机车前进速度0.45m/s，可调滚筒深度60mm,可调连杆角度40°，每次取钵苗100盆。

3.3.2 试验结果及分析

机车前进速度和试验指标的关系如图6所示。

图6 机车前进速度和试验指标的关系Fig.6 Relationships between indexes and the speed of transplanter

由图6可知：随着机车前进速度的增加，机车速度小于0.45m/s时直立度合格率不断陡升，株距变异系数和漏栽率呈上升趋势；大于0.45m/s时直立度合格率不断下降，株距变异系数陡升直到0.5m/s趋于平衡；速度大于0.5m/s时漏栽率呈明显上升趋势。

可调滚筒深度与试验指标的关系如图7所示。

图7 可调滚筒深度与试验指标的关系Fig.7 Relationships between indexes and the roller depth

由图7可知：随着滚筒深度的增大，直立度合格率先上升达到60mm后呈下降趋势，株距变异系数呈上升趋势，漏栽率呈下降趋势；在45mm以后趋于平缓。随着滚筒深度的增加，栽植深度相应增大；而滚筒深度过大，则会导致钵苗入土深度过浅，直立度合格率下降。

可调连杆角度与试验指标的关系如图8所示。

图8 可调连杆角度与试验指标的关系

Fig.8 Relationships between indexes and the linkage

由图8可知：随着连杆角度的增大，0°～40°之间

直立度合格率呈上升趋势，漏栽率呈下降趋势，株距变异系数起伏波动；大于40°之后直立度合格率呈下降趋势，漏栽率呈上升趋势，株距变异系数急剧上升。

3.4 正交试验

根据单因素试验结果处理分析可知：当机车前进速度在0.30～0.60m/s，可调滚筒深度在30～90mm，连杆角度在30°～50°范围内基本情况用来分析较好，分别选其中的3种工况，如表1所示。选用正交表L9(33)进行试验正交。每个试验重复3次，试验结果取平均值，如表2所示。

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

表2 正交试验结果Table 2 Orthogonal experience results

用Mat Lab对试验结果进行分析处理：A、C因素对直立度合格率的影响较为显著，A的影响最为显著；A、B因素对株距变异系数影响较为显著，B的影响最为显著，C对株距变异系数不明显；A、B因素对漏栽指数的影响较为显著，B的影响最为显著，C对漏栽指数的影响不明显。通过正交试验分析结果和MatLab分析结果可知：如表3和表4所示，因素水平较优组合为A1B2C2，即机车前进速度0.3m/s,滚筒深度60mm,连杆角度40°时达到最佳水平。

因素水平最优组合A1B2C2的直立度合格率为85.18%，株距变异系数8.73，漏栽率1.68%，符合预期，效果较好。

表3 试验指标分析Table 3 Text index analysis

表4 回归方程Table 4 The regression equation

相关系数R2代表因素之间的关系；R2越接近于1，x1﹑x2﹑x3关系越密切，拟合的效果越好。

4 结论

1)阐述钵苗移栽机整机作业过程，建立三维模型和数学模型，分析栽植器运动轨迹方程和速度方程，确定零速投苗点使移栽效果最佳。

2)由正交试验和极差方差分析结果可知：机车前进速度和连杆角度对直立度合格指数影响较为显著，机车前进速度和滚筒深度对株距变异指数影响较为显著，机车前进速度和滚筒深度对漏栽指数影响较为显著。移栽的最优组合为机车前进速度0.30m/s，滚筒深度60mm,连杆角度40°。该参数可达到的直立度合格率85.18%，株距变异系数8.73，漏栽率1.68%，符合预期，效果较好。

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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

农业科技成果转化基金项目(23260545)

张晓龙(1989-)，男，安徽马鞍山人，硕士研究生, (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