玉米纸筒秧苗移栽机的研究

徐涛

摘 要：玉米纸筒秧苗移栽是一项有别于传统直播的新型栽培技术，采用人工大棚内纸筒育苗、适龄秧苗移栽的方式有效提高玉米生产期，彻底解决春季干旱、病虫害对玉米产量和品质的影响，增产增收效果明显。玉米纸筒育苗移栽机克服人工移栽劳动强度大、移栽效率低和作业质量不标准的显著缺点，为玉米标准化、机械化、自动化提供机具载体保证。该机设计了具有自动给苗、剔苗、补苗功能的上秧摆苗机器人系统，可实现纸筒秧苗的自动抓取分离及码放，秧册自动进给，自动剔除无苗、弱苗纸筒及加速补苗等功能，整机采用全液压驱动系统及以PLC为核心的自动控制系统。该机将自动取秧、数字识别无苗纸筒并自動剔除，有苗纸筒带式水平输送和垂直接力输送、垄上破茬开沟、零速投苗栽植、垄型整理、滤水覆土等作业有机地整合在单台移栽机上一次完成，大大提高了作业效率，实现玉米纸筒秧苗移栽作业的标准化、机械化和自动化。

关键词：全自动;纸筒;玉米秧苗;移栽机械

中图分类号：S223.94        文献标识码：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

黑龙江省玉米种植面积居全国第一位，占黑龙江省总种植面积的19%，2017年总种植面积560万hm2，总产量达2625万t。黑龙江省玉米种植在不同积温带内产量、品质差距较大，传统意义上第四、五积温带无法种植玉米。根据农业推广部门统计数据显示，黑龙江省南部的第一、二积温带平均玉米亩单产750～900 kg，第三、四积温带亩单产仅为450～550 kg，而第三、四积温带玉米种植面积达到了4000万亩，采用纸筒育苗移栽增产空间十分巨大。

玉米纸筒秧苗移栽技术能够提前玉米生产期，增加有效积温200～250 ℃，抗旱保全苗，解决春季低温干旱和病虫害对玉米产量和品质的影响[1～2]。黑龙江省北部第三、四积温带地区之所以玉米产量低，无法种植第一、二积温带高产玉米品种的根本原因就在于积温不足，玉米纸筒秧苗移栽技术的提出和使用从根本上解决这一突出问题。经过黑龙江省农艺技术推广部门多年生产实践证明，玉米育苗移栽技术平均增产幅度在20%～30%，节省种子30%，减少化肥和农药的施用量，经济、生态效益显著。传统的玉米秧苗移栽采用人工插秧的形式，存在着作业速度慢，用工多，劳动强度大，作业质量差，人工成本高等缺点，无法满足大面积玉米秧苗移栽作业需要，玉米秧苗移栽机械化势在必行。

国内外在玉米秧苗移栽机械方面还属于空白，相關作物移栽机械结构多采用链夹式、吊杯式和导苗管式[3～9]，作业效率低，无法满足玉米育苗大面积移栽作业的实际需要。黑龙江省农业机械工程科学研究院在玉米水插秧的农艺技术要求下，创新研制成功了能够满足玉米纸筒育苗移栽的玉米秧苗移栽机。

1 设计原理及机构

1.1 设计原理

该机将机械移栽与人工水插秧技术有机地结合，在橡胶圆盘夹持带式移栽机的基础上，增加了全自动上苗、剔苗和补苗功能，同时通过伴随水车实现移栽灌水作业，保证了玉米移栽的缓苗速度，提高秧苗存活率。工作原理：由上秧摆苗机器人系统将苗龄在两叶一芯至三叶一芯的整册玉米纸筒秧苗摆放到自动上秧系统的水平传送带上，逐行步进自动控制，由自动取秧臂抓取无缝码放到传动箱平皮带上。传送到选苗剔苗装置上后，若出现无苗纸筒，空筒会自动掉落。在到达自动补苗阶段时，由于无苗纸筒掉落后的空位会影响移栽的株距，导致漏栽现象的发生。因此，在此处设有空苗识别传感器，其发出的信号将接合电磁离合装置进行加速补苗，填补空隙后随即停止。合格的玉米秧苗纸筒会被垂直橡胶针刺带夹持喂入橡胶圆盘夹持机构内，翻转90°后被垂直栽植到苗床沟内，伴走式浇水后覆垄。移栽后玉米秧苗与沟体和灌水之间位置关系如图1所示。

该全自动玉米秧苗滤水移栽机其优点是综合自动化程度高，节省人力物力，移栽成活率高，增产提质效果明显。特别是在黑龙江省北部地区使用，可较大幅度提高玉米的单产和总产，为黑龙江省“千亿斤粮食产能巩固工程”的顺利实施，保证国家粮食安全，起到了重要的技术支撑作用。该机的研制成功填补了我国在玉米移栽机械方面的空白，是黑龙江省实施“种植业机构调整”“扩玉米”政策的关键配套机具。

该机与73.5 kW以上的轮式拖拉机配套使用，采用机电液高度结合的整体结构设计，实现了玉米移栽作业智能化、自动化和模块化，一机多能，高效高质，提高了各部分结构和功能的紧凑性，减少了机具的进地次数，降低了作业成本，对玉米育苗移栽抢时、抢种增收效果十分明显。

1.2 总体设计

玉米秧苗移栽机结构示意，如图2所示。整机与轮式拖拉机采用三点后悬挂的方式联接。整体由6部分组成，分别是自动摆苗机器人、栽植单体、传动箱机构、机架架体、支承轮和浇水覆垄铧构成。自动摆苗机器人的功能是整册秧苗喂入，取苗无缝摆放给传动箱体，由PLC模块控制，液压电控元器件作为传感执行部件。栽植单体是本机的主要功能部件，实现玉米纸筒秧苗的栽植、镇压作业。传动箱机构是完成玉米纸筒秧苗的输送、剔苗、加速补苗功能，调整传动比来实现移栽株距的不同。机架架体是整机的结构主体，关联各部件功能有机组合在一起。支承轮起限深和传递扭矩的作用。施浇水覆垄铧的功能是对栽后秧苗浇水和覆土成垄。主要技术参数如下：

结构尺寸/mm：2850×4200×1890;

移栽行数/行：4;

移栽株距/cm：13～35;

移栽深度/cm：0～8;

移栽行距/cm：60～70;

摆苗速度/株·行-1min-1：≥90;

作业速度/km·h-1：1.2～3.8;

工作效率/km2·h-1：0.15～0.45;

无苗纸筒剔除率/%：≥98;

漏栽率/%：≤4;

配套动力/kW：73.5～117.6轮式拖拉机。

2 关键部件设计

2.1 传动箱机构

该部件以传动扭矩，调整株距，输送秧苗以及剔苗补苗为主要功能，结构示意图见图3。

2.2 上秧摆苗机器人系统

本机设计的上秧摆苗机器人系统可取代人工给苗、摆苗的工作，提高了给苗的速度和准确程度。具体结构如图4所示。工作时，由操作人员取来新的一册秧苗，放在秧苗进给驱动辊1上，当驱动辊旋转时，苗箱中的秧苗向前进给，再经过秧苗进给驱动皮带2的传送，一直到自动取苗机械手7为止。为了使连续不断的秧苗在前进中无间隙，驱动辊的线速度比驱动皮带的线速度快10%，保证后面的秧苗始终对前面的秧苗有挤压力。直插针机构6由油缸驱动做上下运动，当第一排秧苗到达自动取苗机械手7的位置时，直插针机构6从上往下插入第二排纸筒秧苗中，深度约15～20 mm，此时取苗机械手7动作，抓取第一排纸筒秧苗，由于纸筒之间有黏力，直插针机构6的作用是固定住第二排纸筒秧苗不动，保证抓取第一排纸筒秧苗时不把后面的秧苗带走。最后是旋转机械臂8动作，将取苗机械手7和秧苗从取苗位置旋转到放苗位置，等待程序命令后松开机械手，把秧苗放到横向传送皮带上，然后旋转机械臂8再次动作，将取苗机械手7从放苗位置旋转到取苗位置，进行下一次循环取苗程序。

2.3 移栽单体

移栽单体是该机入土栽植部件总成，作用是将经过选苗、剔苗、补苗后间隔均匀的玉米纸筒秧苗栽插入土壤中，并保证一致的移栽株距、深度和挤压强度，确保移栽的秧苗直立并且深度一致。该部分结构见图5。

2.4 施水覆土部件

施水覆土装置联接在移栽单体后端，作业时同移栽单体绕横向传动轴做单铰仿形运动，以最大限度地保证覆土施水作业随地性。该部件的功能是对移栽后的苗沟覆土，并预留出浇水的水沟，以供随后的施水作业的水能够被完全的浇灌到纸筒和沟内，满足移栽后玉米苗生长所需。在一般土壤条件下，移栽后的浇水量应在3～5 t每亩地，浇足浇透水对于移栽后的玉米缓苗和增产效果起着至关重要的作用。

3 田间试验与结果

3.1 试验基本条件

田间性能试验在位于哈尔滨市南岗区哈平路156号试验地进行。试验地地势平坦，无杂草残茬覆盖，整地条件较好;年平均降水量400～600 mm。土质为黑壤土，坚实度为247.5×104 Pa;土壤含水率為10.2%（0～5 cm），12.7%（5～10 cm）。试验时间在4—6月间，垄距65 cm，地块长度150 m，配套动力为迪尔904轮式拖拉机，机组作业速度控制在1.5～2.5 km/h之间。

试验用玉米品种为冀承单3号，玉米纸筒选择正六边形，外接圆直径 25，纸筒高度80 mm，纸册规格16株×18株。育苗后生长期在15～20天，移栽苗龄在两叶一芯至三叶一芯之间，移栽株距24 cm，栽深8 cm。

试验方法依据JB/T10291-2001旱地栽植机械行业标准和国家有关标准的试验要求，对该机作业工艺的可行性及各项技术性能指标进行性能试验。

3.2 试验结果与分析

根据多次田间性能试验记录数据分析，以下主要指标结果如表1所示。

3.2.1 移栽深度

在整地条件较好无残茬覆盖和玉米纸筒育苗情况良好的情况下，移栽质量完全满足玉米纸筒育苗移栽作业的农艺要求。在表1中平均移栽深度为7.8 cm，合格率为92.5%，标准差为0.31，变异系数为3.97。本机在移栽过程中开沟移栽深度及覆土量稳定，因此，移栽深度变异系数合理。

3.2.2 株距及垧保苗株数

按照所育苗玉米品种的要求，垧保苗株数的理论值是6.4万株，由于地轮打滑、传动过程损耗等因素的影响，导致了移栽株距较实际要求的24 cm有所加大，直接影响到垧保苗株数，导致后者减少。因此，要提高株距的一致性，就应该改进输苗机构，降低纸筒苗与传动机构的相对滑动[10]。

3.2.3 漏栽率

影响漏栽合格率的因素主要有两个，一个是无苗纸筒没有有效剔除，使得空筒被栽入土壤中;另外一个就是剔除无苗纸筒后的空隙，是加速补苗装置不可靠造成的，实际是加大了移栽的株距，导致了漏栽。从试验数据看，该机漏栽合格率是符合国家标准要求的。

4 结论

（1） 整机能够在平作、垄作的条件下满足玉米育苗纸筒的全自动移栽作业需要。该机一次进地即可完成自动取苗、给苗、剔苗、补苗和灭茬、开沟、栽苗、施水、覆垄等项作业，移栽株距15～32 cm，漏栽率≤3%，移栽质量完全满足《JB/T 10291-2001 旱地栽植机械》和玉米纸筒秧苗移栽的农艺要求。

（2） 本全自动移栽机将机械结构、电子控制和液压机构紧密地结合起来，运用相对独立而又高度集成的机械结构和电控逻辑设计原理，实现了一机多能，优质高效的新型玉米移栽作业需求。机具的作业速度在1.5～5.4 km/h之间，作业效率更是达到了0.2～0.7 km2/h，为玉米作物大面积移栽提供了优良的机械保证。

（3） 玉米育苗机械滤水移栽，能够增加玉米生长有效积温200～300 ℃，移栽后苗齐苗壮，保苗率高。育苗要求标准化程度很高，节省种子，减少化肥和农药的喷洒，彻底解决了地膜污染，有效降低病虫害的发生，玉米增产提质效果明显。但试验过程中发现该全自动机还存在一定的不足需要与纸筒制造商联合攻关，进一步提高玉米纸筒的结构强度和理化性能，保证玉米扎根期纸筒的有效降解，满足移栽的农艺要求。

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