甜叶菊鸭嘴式移栽装置的研发与设计

河北农业大学机电工程学院 胡瑞萌 王乐天 胡雨裳 张津瑞 邢宇

引言

甜叶菊原产于南美拉圭和巴西交界的高山草地，1977年被我国引入栽培[1]。因其甜度高、热量低，且具有一定的药理作用，现已作为膳食和药物并广泛应用。甜叶菊残渣中丰富的微量元素、有机质，也使其出现在动物饲料、有机肥料中[2]。20世纪60年代，我国旱地移栽机械研究逐渐起步，但是农机的发展忽略了农艺需求，且缺乏科学技术解决移栽机械研究中遇到的难题，使移栽机械设备的发展受到搁浅[3]。尽管甜叶菊在中国的产量巨大，但种植机械的发展速度较低，严重限制了甜叶菊在中国的广泛种植和产业化发展[4]。

目前，我国甜叶菊移栽方式主要有两种:人工移栽和机械移栽。人工移植主要包括整地起垄、除草、覆膜、移栽、覆土等几个步骤，效率偏低且需要大量劳动力[5-6]。现阶段，甜叶菊的移栽主要以半自动化机械装备为主。但是总体来讲，我国研制使用的移栽机械目前仍处于起步阶段，且大多数是由蔬菜移栽器械改装，不仅不适用于甜叶菊的移栽，而且操作复杂。

由此可见，我国甜叶菊移栽机械设备的研究与生产亟待解决。本文介绍一种鸭嘴移栽机械，结构简单且操作简易，此移栽机主要用于甜叶菊垄上覆膜移栽。鸭嘴式移栽机靠鸭嘴刺破地膜，并在膜下成穴，对于薄膜的破坏较小，并且可满足多种不同作业需求，对甜叶菊的种植发展有着长足作用。

1 鸭嘴移栽装置总体设计

本发明提供了一种甜叶菊鸭嘴移栽装置，其包括安装架，安装架上枢转设有滚动件，于滚动件装有从动链轮，所述传动机构包括枢转设于外部构件上的主动轴，对称套装于所述主动轴两端的两个主动链轮，及缠绕于主动链轮和从动链轮上的链条，且滚动件上套装有截面呈正多边形的调节轮，调节轮的横截面呈正三角形，具有圆弧状的顶端,在安装架上设有移栽器总成，可实现开合，移栽器总成包括导苗斗及支撑架，于导苗斗和支撑架之间设有与开合调节轮抵接的导轨支架，在导轨支架上连接有可开合设置且端部相互连接的两个鸭嘴合片，两个鸭嘴合片上设有弹性复位件，因开合调节轮的转动，导轨支架可向下移动而使鸭嘴合片开启，此时弹性复位件具有施加于鸭嘴合片上的力，且随开合调节轮的继续转动，导轨支架因弹力而向上移动，并使得鸭嘴合片闭合。甜叶菊鸭嘴移栽结构结构如图1所示。

图1 鸭嘴移栽装置结构示意图

2 甜叶菊鸭嘴移栽装置主要工作部件及其作用

2.1 安装架

安装架上枢转设有转动件，转动件上套装有横截面呈正多边形的开合调节轮。本实例的安装架为间距设置的两个安装侧板，导苗斗和支撑架固连通过螺接于固定孔的连接件，比如螺栓螺母等与安装侧板固定连接。安装架在安装侧板的两侧分别固连有呈Z形的驱动支架，驱动支架通过固定轴100枢转连接外部构件，比如拖拉机的机架上，且外部构件上枢转设有构成驱动支架转动的传动机构。能够为导苗斗和支撑架以及驱动支架提供连接基础。

2.2 移栽器总成

移栽器总成包括固连于安装架上的导苗斗及支撑架，导苗斗和支撑架之间设有与开合调节轮抵接的导轨支架，导轨支架上连接有可开合设置的鸭嘴开合片总成，鸭嘴开合片总成包括端部相互铰接的两个鸭嘴开合片，且于两个鸭嘴开合片上设有弹性复位件，弹性复位件限位运动于支撑架上，因开合调节轮的转动，导轨支架可向下移动而使得鸭嘴开合片开启；弹性复位件因导轨支架的向下移动而具有施加于鸭嘴开合片上的弹性力，且随开合调节轮的继续转动，导轨支架因弹性力而向上移动，以使得鸭嘴片实现闭合，从而实现移栽作业。其中通过设置的深度调节齿轮，其形状与开合调节轮的形状匹配一致，以便提高运动的同步性，使得鸭嘴开合片总成在插入土壤最深时，鸭嘴开合片能够完全开启，从而利于移栽工作。此甜叶菊鸭嘴移栽装置因其结构简易、原理简单、操作简单和适用性的优点鸭嘴移栽装置拆除其一安装侧板的结构如图2所示。

图2 鸭嘴移栽装置拆除其一安装侧板的结构示意图

2.3 鸭嘴开合片总成

本实例的鸭嘴开合片总成包括端部相互铰接的两个鸭嘴开合片，即图3中示出的第一鸭嘴开合片和第二鸭嘴开合片。其中，第一鸭嘴开合片和第二鸭嘴开合片呈对称的半圆锥状，即在两者扣合状态下呈圆锥状，于第一鸭嘴开合片和第二鸭嘴开合片的顶端分别形成有第一枢转座和第二枢转座，第一枢转座和第二枢转座通过安装的枢转轴，比如螺栓或销轴等实现第一鸭嘴开合片和第二鸭嘴开合片的铰接。通过在导轨支架上设置的固定连杆及与固定连杆铰接的调节杆，以在导轨支架移动时，有利于鸭嘴开合片随导轨支架的移动进行开合动作。

图3 鸭嘴开合片总成的结构示意图

另外，第一鸭嘴开合片和第二鸭嘴开合片上分别设有第一调节杆安装柱和第二调节杆安装柱，以便调节杆与第一鸭嘴开合片和第二鸭嘴开合片分别铰接连接。此外，两个鸭嘴开合片上也是第一鸭嘴开合片和第二鸭嘴开合片分别形成有第一定位柱和第二定位柱，第一定位柱和第二定位柱插设于形成在支撑架上的开合滑动槽内，并可因两个鸭嘴开合片的开闭而沿开合滑动槽同步反向滑动。本实例中，弹性复位件的两端分别固连于第一定位柱和第二定位柱上，从而使鸭嘴开合片在弹性复位件的弹力作用下能够快速闭合。通过设置第一定位柱和第二定位柱，一方面便于对鸭嘴开合片总成的定位，另一方面便于弹性复位件的安装。

2.4 传动链轮

本实装置的主动链轮和从动链轮传动比优选为1：1，从而可保证深度调节轮和开合调节轮的滚动一致，同时设置的深度调节轮的形状与开合调节轮的形状匹配一致，以便于提高运动的同步性，使得鸭嘴开合片总成在插入土壤最深时，鸭嘴开合片完全开启，从而利于移栽工作。除此之外，本实例的鸭嘴移栽装置还可根据外部构件的行驶速度及主动轴的转速来调节移栽的株距。

图4 图1的A-A剖视图

3 甜叶菊鸭嘴移栽装置的使用过程

移栽作业初始时，开合调节轮的直线端所在的平面与导轨支架的上表面抵接，鸭嘴呈闭合装置，移栽作业进行时，开合调节轮转动至圆弧状的顶推端与导轨支架的上表面抵接时，导轨支架上的导轨沿滑槽向下移动，由于鸭嘴开合片通过第一定位柱和第二定位柱限位于支撑架上，在导轨支架向下运动过程中，调节杆张开带动第一定位柱和第二定位柱沿开合滑动槽同步反向远离，使得鸭嘴开启。当开合调节轮继续转动，使得直线端所在的平面再次于导轨支架的上表面抵接时，在弹簧的弹力作用下，第一定位柱和第二定位柱沿开合滑动槽同步反向靠近，导轨支架向上运动，使得鸭嘴闭合。

另外，开合调节轮转动一周，鸭嘴开合片完成三次闭合运动。还需说明的是，本装置的深度调节轮，其形状与开合调节轮的形状匹配一致，深度调节轮通过外部构件上的驱动装置比如发动机等驱动转动，在转动过程中，当圆弧状的顶推端抵接驱动支架上表面时，能够带动安装侧板绕固定轴转动，并将鸭嘴开合片插入土壤，此时，开合调节轮上的圆弧状的顶推端抵接导轨支架上表面，鸭嘴开合片呈完全打开状态以完成移栽。当然，外部构件上还需增设弹性复位件或其他复位机构比如凸轮等，以便实现驱动支架的复位。