玉米紙筒缽苗移栽機(jī)的研制與試驗(yàn)

周福君，杜佳興，那明君

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

玉米紙筒缽苗移栽機(jī)的研制與試驗(yàn)

周福君，杜佳興，那明君

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

隨著玉米紙筒缽苗移栽技術(shù)在黑龍江省內(nèi)逐漸推廣應(yīng)用，研制一種水沖培土代替機(jī)械覆土鎮(zhèn)壓的缽苗移栽機(jī)械技術(shù)尤為必要。試驗(yàn)研究設(shè)計(jì)一種撓盤式移栽機(jī)，并對其工作原理、關(guān)鍵工作部件缽苗送苗機(jī)構(gòu)和撓性圓盤栽植器進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。根據(jù)農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)水沖式培土器和回土鏟。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)可以實(shí)現(xiàn)玉米紙筒苗移栽、濾水、覆土等作業(yè)，滿足農(nóng)藝要求，可為移栽技術(shù)應(yīng)用提供參考。

玉米移栽；紙筒缽苗；設(shè)計(jì)；試驗(yàn)

玉米育苗移栽技術(shù)是獲得玉米高產(chǎn)的有效途徑之一，對提高單位面積產(chǎn)量，發(fā)展高產(chǎn)高效農(nóng)業(yè)具有重要意義。針對我國北方大部分地區(qū)春旱嚴(yán)重，一次播種玉米出苗率低特點(diǎn)，采用玉米紙筒缽苗移栽技術(shù)具有節(jié)水、省工、生產(chǎn)成本低和培育壯苗等優(yōu)勢[1-3]。玉米移栽是一項(xiàng)勞力密集、勞動(dòng)強(qiáng)度大、費(fèi)工費(fèi)時(shí)工作。解決機(jī)械化配套是當(dāng)前關(guān)鍵問題，與人工移栽相比，機(jī)械化移栽能夠提高栽植質(zhì)量，保證秧苗移植株距、行距、栽植深度一致性。我國玉米育苗移栽農(nóng)藝技術(shù)各地不同，移栽機(jī)與育苗技術(shù)不配套，研制的移栽機(jī)難以適應(yīng)不同地區(qū)農(nóng)藝栽植要求[4-6]。

近幾年，黑龍江省訥河市玉米紙筒苗移栽技術(shù)推廣經(jīng)驗(yàn)豐富，田間移栽作業(yè)時(shí)先用精量點(diǎn)播機(jī)開溝，同時(shí)施肥、濾水，由人工插苗，澆水少量覆土但不土壤進(jìn)行鎮(zhèn)壓。主要考慮春旱嚴(yán)重，一次濾水后將土壤壓實(shí)，墑情不能有效緩解，無法在栽植溝內(nèi)進(jìn)行二次濾水作業(yè)。為此根據(jù)農(nóng)藝要求設(shè)計(jì)半自動(dòng)玉米筒缽苗移栽機(jī)，采用水沖培土方式進(jìn)行移栽，并進(jìn)行田間試驗(yàn)。1 整機(jī)結(jié)構(gòu)、主要技術(shù)參數(shù)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

移栽機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要有缽苗托架、移栽工作單體、開溝器、座椅、回土鏟、水沖式培土器及相關(guān)工作部件等組成，工作部件按機(jī)組縱向?qū)ΨQ線左右布置，一次完成2壟作業(yè)。

圖1 玉米紙筒缽苗移栽機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of corn paper-pot seedling transplanter

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1.3 工作原理

移栽機(jī)與配套18～24馬力拖拉機(jī)后置式三點(diǎn)懸掛連接，移栽機(jī)田間作業(yè)時(shí)由拖拉機(jī)牽引前進(jìn)，傳動(dòng)路線如圖2所示，地輪靠與地面的摩擦力向前滾動(dòng)，地輪軸上的鏈輪Z1驅(qū)動(dòng)鏈輪Z2上的鏈輪軸帶動(dòng)鏈輪Z3向前轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈輪Z3帶動(dòng)栽植圓盤軸上的鏈輪Z4、Z5轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)鏈輪Z6驅(qū)動(dòng)一對錐齒輪Z7、Z8轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)由鏈輪Z9、Z10、Z11和K1型滾子鏈組成的缽苗送苗機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。人工將缽苗依次放在喂苗輸送鏈的缽苗托板上，缽苗將由與水平線成一定角度傾斜向下的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為與垂直向下運(yùn)動(dòng)偏離一定角度的斜向下運(yùn)動(dòng)，在缽苗托板和夾持擋護(hù)裝置共同夾持下進(jìn)入撓性圓盤栽植器中，缽苗被轉(zhuǎn)動(dòng)的撓性圓盤栽植器夾住，同時(shí)脫離缽苗托板，缽苗變?yōu)槔@圓盤栽植中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)缽苗旋轉(zhuǎn)到適當(dāng)角度位置時(shí)，栽植器將缽苗釋放，缽苗在重力作用下落到開溝器開出的栽植溝內(nèi)，在開溝器和回土鏟以及水沖式培土器共同回流的土壤作用下，將缽苗直立。

2 移栽機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 缽苗送苗機(jī)構(gòu)

2.1.1 缽苗送苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，半自動(dòng)撓性圓盤移栽機(jī)送苗機(jī)構(gòu)多采用輸送帶傳動(dòng)，輸送帶上設(shè)有放秧槽，作業(yè)時(shí)，通過地輪傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞到傳動(dòng)輥上，帶動(dòng)輸送帶轉(zhuǎn)動(dòng)，人工將秧苗一株一株放到喂苗水平輸送帶的槽內(nèi)，輸送帶將秧苗喂入栽植器中[7-9]。在設(shè)計(jì)之初采用輸送帶送苗的方式，但在室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于輸送帶和傳動(dòng)輥之間相對安裝精度要求較高，長時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)，輸送帶張緊易發(fā)生問題，導(dǎo)致輸送帶脫離傳動(dòng)輥現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，可靠性不高，人工喂苗時(shí)需要將秧苗放置在輸送帶上固定位置的放秧槽內(nèi)，長時(shí)間作業(yè)容易導(dǎo)致疲勞和影響作業(yè)效率。為此重新設(shè)計(jì)了如圖3所示的缽苗送苗機(jī)構(gòu)，主要由K型滾子鏈、張緊輪、軸承支撐傳動(dòng)、缽苗夾持擋護(hù)裝置、缽苗托板等組成。

表1 整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of the whole machine

圖2 傳動(dòng)路線Fig.2 Transmission route

缽苗送苗機(jī)構(gòu)輸送部分由K型附板安裝在外鏈節(jié)兩側(cè)的08A K型滾子鏈、鏈輪和缽苗托板組成，取代傳統(tǒng)用齒形V帶傳動(dòng)或用帆布帶和橡膠塊構(gòu)成的供苗輸送帶。08A K型滾子鏈結(jié)構(gòu)尺寸如圖4所示，滾子鏈K型附件尺寸主要包括附板平臺(tái)高h(yuǎn)4、板孔直徑d4、孔中心橫向距離F。附板孔中心橫向距離F與缽苗托板上的孔中心橫向距離相同，用螺釘將滾子鏈與缽苗托板固連在一起，構(gòu)成送苗輸送鏈。將一般采用水平輸送改成與水平線成一定角度的斜向下輸送方式，作用在于缽苗送苗機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中人工只需要將缽苗放置在缽苗托板上即可，缽苗在傳送過程中靠自身重力分力運(yùn)動(dòng)到托板擋板的邊緣，這樣就緩解人工喂苗時(shí)需放置在固定放秧槽內(nèi)的勞動(dòng)強(qiáng)度，有利于提高工作效率。

缽苗托板結(jié)構(gòu)見圖5。托板上有2個(gè)燕尾槽，對夾持擋護(hù)裝置起到限位作用，缽苗在夾持擋護(hù)裝置和托板的共同夾持作用下進(jìn)入撓性圓盤栽植器。缽苗托板前端的擋板彎折成小于90°銳角，防止缽苗翻轉(zhuǎn)進(jìn)入到夾持擋護(hù)裝置時(shí)發(fā)生跌落現(xiàn)象，通過臺(tái)架試驗(yàn)確定缽苗托板上的擋板彎折成84°。

2.1.2 缽苗送苗機(jī)構(gòu)工作過程分析

缽苗送苗機(jī)構(gòu)的夾持擋護(hù)裝置7主要由一根較短的φ3鋼筋、一根較長彎折φ3鋼筋分別在一側(cè)頂部焊接M6螺母和與配套M6×50的螺栓組構(gòu)成，鋼筋的位置通過螺母固定在缽苗托板上的燕尾槽內(nèi)。缽苗送苗機(jī)構(gòu)通過地輪傳送的動(dòng)力傳動(dòng)到其上的錐齒輪上，錐齒輪軸上的大鏈輪驅(qū)動(dòng)通過K型滾子鏈及與其固連的缽苗托板和兩個(gè)小鏈輪共同構(gòu)成的三角形送苗輸送鏈一起轉(zhuǎn)動(dòng)，缽苗在到夾持擋護(hù)裝置中不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖6所示。

圖3 缽苗送苗機(jī)構(gòu)Fig.3 Seedling feeding mechanism

圖4 08A單排K型滾子鏈Fig.4 08A K-type simplex roller chain

圖5 缽苗托板Fig.5 Pot seedling plate

圖6 缽苗在夾持擋護(hù)裝置中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.6 Movement of pot seedling state in the holding and protection device

人工投放缽苗時(shí)應(yīng)使缽苗盡量靠近托板邊緣，有助于減少缽苗翻轉(zhuǎn)進(jìn)入到夾持擋護(hù)裝置時(shí)產(chǎn)生的慣性力。當(dāng)開始只有一個(gè)缽苗托翻轉(zhuǎn)進(jìn)入夾持裝置后，由第一根未經(jīng)彎折的鋼筋在自重力分力作用下在擋板的燕尾槽內(nèi)將缽苗夾持擋住，由于斜向下運(yùn)動(dòng)輸送的滾子鏈有一定傾角，托板上的缽苗也將在自身重力作用下產(chǎn)生垂直于托板的壓力，在二者共同作用下，缽苗順利向下輸送：當(dāng)后面的第二個(gè)缽苗進(jìn)入到夾持裝置時(shí)，先進(jìn)入的缽苗仍未進(jìn)入到撓性圓盤栽植器中，還需要向下運(yùn)動(dòng)一段路程，這時(shí)先進(jìn)入夾持擋護(hù)裝置的缽苗脫離第一根鋼筋的作用，在較長的鋼筋?yuàn)A持作用下，進(jìn)入栽植器，后續(xù)的缽苗在缽苗托板和2根在一定范圍內(nèi)靠自重分力可以左右擺動(dòng)鋼筋交替夾持的作用下，依次進(jìn)入到栽植器中。

2.2 撓性圓盤式栽植器

撓性圓盤栽植器見圖7，由圓盤夾持機(jī)構(gòu)、撓性和剛性圓盤、圓盤導(dǎo)向支撐裝置、圓盤軸向位置調(diào)節(jié)裝置等組成。栽植器的兩個(gè)圓盤軸向不形成軸向夾角，在剛性和撓性栽植圓盤外邊緣沿周向方向固結(jié)重體海綿，可避免傷苗現(xiàn)象發(fā)生。撓性圓盤靠圓盤上支撐導(dǎo)向裝置上的滾動(dòng)軸承撐開，通過其上的定位螺母位置調(diào)節(jié)撓性圓盤適宜開口大小，使缽苗進(jìn)入到栽植圓盤中，在圓盤夾持機(jī)構(gòu)和圓盤下支撐導(dǎo)向裝置的共同作用下控制缽苗投苗落點(diǎn)，落入開溝器開出的栽植溝內(nèi)。

撓性圓盤栽植器中兩個(gè)圓盤一般一個(gè)為撓性一個(gè)為剛性，剛性圓盤一般采用薄鋼板制成，也可以均為撓性，撓性圓盤一般采用橡膠材料，但圓盤使用壽命低[2,7]。為解決撓性圓盤橡膠材料使用壽命問題，通過在室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)，對比多種材料，最終采用高密度聚乙烯板材代替橡膠材料，其具有極高耐磨性，自潤滑性能好，摩擦系數(shù)小，韌性好，在室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)100 h，板材物理性質(zhì)幾乎沒有改變，使用壽命明顯長于橡膠材料。

撓性圓盤栽植器的圓盤夾持機(jī)構(gòu)見圖8，雙弧同心控制板3上的2個(gè)弧形槽與栽植圓盤同心，可以通過調(diào)節(jié)M12螺栓組部裝3在弧形開口槽中的位置，改變夾持機(jī)構(gòu)兩側(cè)滾動(dòng)軸承相對于圓盤中心的周向位置，控制缽苗進(jìn)入栽植器時(shí)的夾苗位置進(jìn)入點(diǎn)。深溝球軸承部裝6的弧形焊接板上長條形的開口槽與栽植圓盤同心，通過調(diào)節(jié)M6螺栓部裝在長條形開口槽中的前后位置改變深溝球軸承部裝6位置，控制缽苗的投苗位置落點(diǎn)。根據(jù)尺寸設(shè)計(jì)缽苗進(jìn)入點(diǎn)位置可調(diào)節(jié)范圍為相對于栽植圓盤中心175～185°之間，缽苗投苗落點(diǎn)位置調(diào)節(jié)范圍為255～285°之間。根據(jù)零速投苗的原理，關(guān)于撓性圓盤栽植器理想的投苗位置選擇在很多文獻(xiàn)當(dāng)中有過討論，認(rèn)為應(yīng)該在缽苗到達(dá)最低點(diǎn)之前投苗，即相對于栽植圓盤中心270°之前投苗[10-11]。由于不同地區(qū)土壤性質(zhì)不盡相同，移栽機(jī)缽苗投苗落點(diǎn)將根據(jù)田間試驗(yàn)情況最終確定。

圖7 撓性圓盤栽植器Fig.7 Planting disk apparatus

圖8 圓盤夾持機(jī)構(gòu)Fig.8 Disc clamping device

2.3 回土鏟

根據(jù)農(nóng)藝要求，取消覆土鎮(zhèn)壓裝置，而緊靠開口器兩側(cè)的回流土壤很難將缽苗立柱，而且培土量也不夠，在栽植單體支撐架兩側(cè)設(shè)計(jì)安裝一對小型回土鏟，使回流土壤增多，有助于缽苗直立?；赝羚P結(jié)構(gòu)見圖9，主要有單體架連接板1、定位套筒2、回土鏟3組成。單體架接板上開有φ 12.5的圓孔，用M12的螺栓將回土鏟固定在單體支撐架上，定位套筒2上留有兩個(gè)頂絲孔，用來調(diào)整回土鏟上下位置和與機(jī)器前進(jìn)方向所成角度。

圖9 回土鏟Fig.9 Covering blade

2.4 水沖式培土器

針對我國北方絕大部分地區(qū)春旱現(xiàn)象嚴(yán)重，玉米缽苗需要坐水移栽的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)水沖式培土器，即用水流沖擊開溝器兩側(cè)的土壤代替?zhèn)鹘y(tǒng)移栽機(jī)上的覆土鎮(zhèn)壓裝置，結(jié)構(gòu)見圖10。作用主要有：一是采用水沖培土的作業(yè)方式可避免回土部件與土壤接觸，減少田間擁堵現(xiàn)象發(fā)生同時(shí)使土壤回流沉降固定缽苗，同時(shí)起到濾水作用。

移栽機(jī)配套水車同時(shí)作業(yè)，移栽機(jī)上的注水控制裝置與水車上的水管相連，通過移栽機(jī)上調(diào)節(jié)注水控制裝置流量閥開口大小改變沖擊土壤水流大小。角度和位置調(diào)節(jié)板2上開有長條矩形槽和弧形槽，通過螺栓固定調(diào)節(jié)出水鐵管1噴射水流的前后位置和角度。

圖10 水沖式培土器Fig.10 Water carriage type of hiller

3 樣機(jī)的田間試驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)機(jī)型的各項(xiàng)性能指標(biāo)，加工出移栽機(jī)樣機(jī)并進(jìn)行田間初步試驗(yàn)，試驗(yàn)方法主要參照《栽植機(jī)的性能評價(jià)指標(biāo)與檢測方法》[12]，缽苗移栽機(jī)的性能評價(jià)指標(biāo)包括栽植均勻度、秧苗栽植狀態(tài)、生產(chǎn)率、適應(yīng)性和自動(dòng)化程度等5個(gè)方面，樣機(jī)田間試驗(yàn)首先確定秧苗直立度合格率、株距變異系數(shù)、傷苗率作為重要評價(jià)指標(biāo)。由于不同地區(qū)土壤性質(zhì)差異較大，土壤流動(dòng)性對缽苗直立度合格率有較大影響，其流動(dòng)性又與濕度、粒度、堅(jiān)實(shí)度等有關(guān)，試驗(yàn)樣機(jī)分別于2012年5月20日在青岡縣、5月23日在訥河市興旺鄉(xiāng)河鄉(xiāng)村三屯進(jìn)行田間樣機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)缽苗均采用當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶培育的缽苗。試驗(yàn)現(xiàn)場見圖11，樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖11 田間試驗(yàn)Fig.11 Experiments in field

表2 性能測試結(jié)果Table 2 Performance test results of transplaner

試驗(yàn)結(jié)果表明，移栽機(jī)主要性能評價(jià)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果能夠滿足農(nóng)藝生產(chǎn)要求。在耕整地條件良好的青岡縣試驗(yàn)田，直立度合格率達(dá)到96%以上，株距變異系數(shù)在5%以下，傷苗率不足3%，由于訥河試驗(yàn)田土壤耕整地質(zhì)量較差，殘茬作物較多，易出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象影響移栽作業(yè)質(zhì)量，樣機(jī)試驗(yàn)指標(biāo)測試結(jié)果明顯低于青岡縣，因此移栽機(jī)較適合在耕整地良好條件下作業(yè)。

4 結(jié)論

a.設(shè)計(jì)玉米紙筒缽苗移栽機(jī)能夠在滿足農(nóng)藝生產(chǎn)要求條件下，同步進(jìn)行開溝、移栽、濾水作業(yè)。

b.設(shè)計(jì)傳統(tǒng)撓式圓盤移栽機(jī)的缽苗送苗機(jī)構(gòu)和撓性圓盤栽植器，結(jié)構(gòu)簡單，用高密度聚乙烯板代替?zhèn)鹘y(tǒng)橡膠材料作為撓性圓盤，能夠使圓盤壽命進(jìn)一步延長。

c.由于不同地區(qū)土壤差異較大，為提高栽植質(zhì)量，對于移栽機(jī)適應(yīng)性提出較高要求，保證耕整地良好，松軟適中條件下進(jìn)行移栽作業(yè)。

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Design and field experiment of corn paper-pot seedling transplanter

ZHOU Fujun,DU Jiaxing,NA Mingjun(School of Engineering,Northeast Agricultural University, Harbin 150030,China)

The agronomic technology of corn pot seedling transplanting is in pilot extension phase in Heilongjiang Province in recent years,according to the agronomic requirements,one kind of semi-automatic corn paper-pot seedling transplanting machine which works in a water-washed hilling way instead of the soil-covering press way to transplant seedling uprightly has been developed. Learning from the working principle of flexible disc transplanter,the key components of seedling feeding mechanism and planting disk apparatus on transplanting machine was new designed.In order to ensure qualification rate of upright degree,water carriage type of hiller and covering blade was designed,and the prototype was manufactured and field trails were conducted,which would provide reference for the follow-up study to further improvement of the design.

corn transplanting;paper-pot seedling;design;experiment

S223.9

A

1005-9369（2014）03-0110-07

時(shí)間2014-3-20 17:47:00 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140320.1747.002.html

周福君,杜佳興,那明君.玉米紙筒缽苗移栽機(jī)的研制與試驗(yàn)[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,45(3):110-116.

Zhou Fujun,Du Jiaxing,Na Mingjun.Design and field experiment of corn paper-pot seedling transplanter[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(3):110-116.(in Chinese with English abstract)

2013-03-05

黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)項(xiàng)目（GC1313604）

周福君（1969-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備。E-mail:fjzhou@163.com