半自動(dòng)煙苗栽植器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

肖衛(wèi)兵，孫松林

（1.湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭　411101；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙　410128）

半自動(dòng)煙苗栽植器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

肖衛(wèi)兵1，孫松林2

（1.湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭411101；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410128）

煙苗栽植器是煙草移栽機(jī)的核心機(jī)構(gòu)，該機(jī)栽植器設(shè)計(jì)應(yīng)用偏置雙圓盤四連桿旋轉(zhuǎn)工作原理，適合于栽植缽苗和漂浮苗。分析煙苗移栽時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況知特征系數(shù)λ＞1是栽植器設(shè)計(jì)及保證移栽質(zhì)量的基本依據(jù)和正常工作的必要條件，同時(shí)通過在不同栽植速度和深度情況下的正交試驗(yàn)確定了栽植器各設(shè)計(jì)參數(shù)的具體值，從而建立鴨嘴運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)學(xué)模型。

栽植器；鴨嘴；運(yùn)動(dòng)軌跡；數(shù)學(xué)模型；試驗(yàn)

煙苗的移栽是煙葉種植的關(guān)鍵工序之一，目前采用人工移栽煙草的勞動(dòng)效率很低，約0.02hm2/人·天，人工移栽的成本大約為1200～1500元/hm2，且存在勞動(dòng)強(qiáng)度大，移栽質(zhì)量差等問題；采用機(jī)械化移栽效率約0.8hm2/人·天且價(jià)格大約為300～600元/hm2，這樣就提高了勞動(dòng)效率，降低了勞動(dòng)成本，故實(shí)現(xiàn)煙苗移栽機(jī)械化作業(yè)能提高經(jīng)濟(jì)效益，特別是對(duì)春旱嚴(yán)重，或春季少雨，夏旱來得較早的地區(qū)煙草移栽具有重要實(shí)用意義，因此實(shí)現(xiàn)我國煙草移栽機(jī)械化已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迫切需要。

1　半自動(dòng)煙苗移植器的結(jié)構(gòu)和工作原理

（1）結(jié)構(gòu)。栽植器由四組鴨嘴組成，主要零部件有曲軸、偏置雙圓盤、凸輪、壓臂、連桿、左右連接軸、煙苗杯和凸輪壓板組合等，如圖1所示，主要完成開穴、投苗和培土三項(xiàng)工序，四組鴨嘴通過連桿上的軸均勻分布在偏置雙圓盤上，并使鴨嘴方向始終朝下，偏置雙圓盤由主動(dòng)輪盤和被動(dòng)輪盤組成。凸輪通過螺栓螺母固接在連桿上，與其配合使用的壓臂固接在鴨嘴上，凸輪和壓臂的共同作用來保證鴨嘴開啟的同步性。鴨嘴通過彈簧和連桿上的左右連接軸連接在秧苗杯的下方，同時(shí)煙苗杯通過左右連接軸連接在栽植器的連桿上，兩片鴨嘴的開啟和關(guān)閉同步性通過凸輪、壓臂和彈簧的控制作用來完成。

圖1　煙苗栽植器

（2）工作原理。該栽植器通過三點(diǎn)懸掛方式由18～28馬力輪式拖拉機(jī)帶動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)裸土移栽、膜下水栽和膜上水栽三種功能。地輪通過鏈輪鏈條將動(dòng)力輸送到栽植器，人手將煙苗放入栽植器上方旋轉(zhuǎn)的煙苗杯內(nèi)，煙苗進(jìn)入鴨嘴待栽，當(dāng)栽植器鴨嘴旋轉(zhuǎn)至最低點(diǎn)（接觸壟體）時(shí)，鴨嘴入土，在壓臂和凸輪的作用下，鴨嘴迅速打開形成穴坑，這時(shí)煙苗在自身重力作用下落入穴坑中，隨后回土流對(duì)煙苗進(jìn)行覆土壓實(shí)，煙苗完成栽植，這樣反復(fù)地?zé)熋绫辉灾蚕氯ァ?/p>

（3）農(nóng)藝要求。當(dāng)氣溫穩(wěn)定在12～13℃，地溫達(dá)9℃以上時(shí)即可進(jìn)行移栽，因此湖南地區(qū)栽植煙苗一般在3～4月份進(jìn)行，種植密度因煙草類型、地勢(shì)、土壤等情況而異，一般為1.95× 104～2.7×104株/公頃。移栽田的土壤破碎，起壟要直，要平整且高度一致、壟溝深淺一致。移栽時(shí)煙苗為培育90天左右的煙苗，煙苗莖高80～110mm，修剪后保留兩片左右心葉，移栽時(shí)不能將心葉埋掉。

2　半自動(dòng)煙苗栽植器的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1零速投苗原理

為了保證煙苗移栽后處于直立狀態(tài)，從栽植器向已開好的苗穴內(nèi)投苗時(shí)，煙苗在水平方向上的分速度應(yīng)為零，即“零速投苗”原理。如圖2所示，由零速原理知：保證投苗點(diǎn)P在水平方向絕對(duì)零速的必要條件是：

其中Vt為拖拉機(jī)前進(jìn)牽引速度；RZ為栽植器旋轉(zhuǎn)半徑；ω為栽植器旋轉(zhuǎn)的角速度，它與栽植器轉(zhuǎn)速n（r/min）之間的關(guān)系為ω=πn/30；t為栽植器的煙苗杯從最高點(diǎn)開始逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)第一次到達(dá)P點(diǎn)位置所需的時(shí)間；將式（1）中的角速度用轉(zhuǎn)速n代替，則得出：

此式表示零速投苗時(shí)移栽機(jī)前進(jìn)牽引速度Vt、栽植器轉(zhuǎn)速n以及投苗點(diǎn)位置P三者之間的分解關(guān)系，其中90°≤ωt≤180°。

圖2　“零速投苗”原理圖

2.2煙苗移栽時(shí)運(yùn)動(dòng)分析

煙苗移栽時(shí)的運(yùn)動(dòng)是繞偏心圓盤軸心轉(zhuǎn)動(dòng)和隨牽引動(dòng)力沿水平方向運(yùn)動(dòng)的合成，在如圖3所示的坐標(biāo)系中，煙苗的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為：

圖3　煙苗運(yùn)動(dòng)軌跡曲線圖

鴨嘴的運(yùn)動(dòng)速度方程可以通過上述運(yùn)動(dòng)軌跡方程對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)得到：

煙苗栽植過程中栽植器鴨嘴投放煙苗時(shí)在水平方向上的速度必須滿足零速投苗原理，根據(jù)鴨嘴的運(yùn)動(dòng)速度方程，可以得到煙苗投放時(shí)存在三種運(yùn)動(dòng)情況：

煙苗運(yùn)動(dòng)軌跡曲線上各切點(diǎn)的方向就是煙苗運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)速度方向，當(dāng)0＜λ＜1時(shí)，鴨嘴運(yùn)動(dòng)軌跡為短擺線，其上任何一點(diǎn)在水平方向上的分速度與拖拉機(jī)的牽引前進(jìn)速度方向相同，這就是說此種情況下任何煙苗投放點(diǎn)的水平合速度均向前，這樣就容易使煙苗有加重向前傾倒的趨勢(shì)，也就說明實(shí)現(xiàn)零速投苗是完全不可能的。

當(dāng)λ=1時(shí)，鴨嘴運(yùn)動(dòng)軌跡是擺線，擺線最低點(diǎn)處存在一個(gè)拐點(diǎn)，軌跡上除拐點(diǎn)外的其他各點(diǎn)處水平分速度與拖拉機(jī)的牽引前進(jìn)速度方向均相同，理論上說在拐點(diǎn)處投放煙苗能滿足零速投苗原理，但由于拐點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)軌跡最低點(diǎn)，鴨嘴在拐點(diǎn)處將煙苗投放后要立即沿運(yùn)動(dòng)軌跡向前運(yùn)動(dòng)，而煙苗存在一定的高度，煙苗脫離鴨嘴需要一定時(shí)間，即鴨嘴繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)時(shí)煙苗并沒有完全脫離鴨嘴，會(huì)造成煙苗向前傾倒，說明λ=1也不是理想的投苗條件。

當(dāng)特征參數(shù)λ＞1時(shí)，鴨嘴運(yùn)動(dòng)軌跡是余擺線，即鴨嘴運(yùn)動(dòng)軌跡上存在環(huán)扣，環(huán)扣上存在有與拖拉機(jī)牽引前進(jìn)速度相反的水平速度分量，其中環(huán)扣最低點(diǎn)處的水平分速度最大，如圖3所示，這種情況下才有可能實(shí)現(xiàn)零速投苗，保證煙苗栽植的直立度，且鴨嘴的運(yùn)動(dòng)對(duì)煙苗有扶正作用，故特征參數(shù)λ＞1是栽植器正常工作的必要條件。

3　建立鴨嘴運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)學(xué)模型

3.1栽植器主要參數(shù)介紹

（1）栽植頻率f：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)栽植器移栽煙苗的株數(shù)，一般以株/min為單位。

（2）煙苗株距L：相鄰兩棵煙苗之間的距離，單位：mm。

（3）栽植器旋轉(zhuǎn)半徑RZ：栽植器曲軸軸心與左右連接軸軸心之間的距離，單位：mm。

（4）栽植器旋轉(zhuǎn)角速度ω：栽植器在單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度，單位：rad/s。

（5）鏈輪傳動(dòng)比i：地輪將動(dòng)力通過鏈輪鏈條傳遞給栽植器的比率，，即栽植器上鏈輪齒數(shù)與地輪軸上鏈輪齒數(shù)之比，也就是栽植器和地輪旋轉(zhuǎn)角速度之比。

3.2多因素試驗(yàn)

通過在不同栽植速度和深度情況下試驗(yàn)來觀測(cè)煙苗栽植質(zhì)量，從而建立鴨嘴運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)學(xué)模型。

（1）試驗(yàn)條件。試驗(yàn)在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田進(jìn)行，苗壟高度為30cm，煙苗移栽時(shí)土壤破碎情況和相對(duì)濕度如表1和表2所示，其中土壤破碎情況用0～500mm鋼尺測(cè)量一定范圍內(nèi)土壤的最大直徑，然后取平均值；土壤濕度利用土壤水分測(cè)量?jī)x通過測(cè)量苗壟上一系列位置點(diǎn)處的土壤相對(duì)濕度然后取平均值來確定。

表1　土壤破碎情況

表2　土壤相對(duì)濕度

其中SN表示序號(hào)，RH表示相對(duì)濕度，AVG表示平均值。

（2）試驗(yàn)結(jié)果。通過每次在苗壟上移栽60株煙苗進(jìn)行多因素試驗(yàn)，煙苗移栽作業(yè)速度分別取三個(gè)階段：1.5～3.5km/h、3.5～5.5km/h和5.5～7.5km/h，然后通過調(diào)節(jié)煙苗栽植深度，分別取50～80mm、80～110mm和110～140mm三個(gè)范圍，進(jìn)行多因素正交試驗(yàn)；在不同栽植速度和深度情況下煙苗栽植的株距合格率、漏栽率、立苗率和培土狀況如表3所示。

表3　煙苗栽植質(zhì)量

其中株距合格率是以苗壟上50cm≤L≤60cm為合格的株數(shù)占總移栽株數(shù)的比重；漏栽率是指煙苗栽植過程中苗壟上煙苗缺失株數(shù)占總移栽株數(shù)的比重；立苗率是指煙苗莖與苗壟平面之間的角度（銳角）θ≥45為合格的株數(shù)占總移栽株數(shù)的比重；培土狀況以土壤覆蓋煙苗培養(yǎng)基質(zhì)，且土壤不能掩埋煙苗心葉，充分地保證煙苗的直立和正常生長(zhǎng)。

從表3可以看出，栽植器在移栽煙苗時(shí)漏栽率較低，且株距比較均勻，基本不受移栽速度和栽植深度的影響，但立苗率和培土狀況則受移栽速度和栽植深度的影響較大，煙苗在移栽速度為3.5～5.5km/h和栽植深度為80～110mm情況下，煙苗的栽植質(zhì)量最好，當(dāng)移栽速度為1.5～3.5km/h時(shí)，煙草移栽機(jī)作業(yè)效率相對(duì)較低；而當(dāng)移栽速度為5.5～7.5km/h時(shí)，由于速度有點(diǎn)較快，導(dǎo)致栽植器存在一定的帶苗現(xiàn)象，導(dǎo)致煙苗的立苗、株距和培土比較混亂；當(dāng)煙苗栽植深度為50～80mm時(shí)，由于煙苗栽植深度不夠，以致煙苗移栽的直立度難以得到保證，故培土相對(duì)較弱；而當(dāng)煙苗栽植深度為110～140mm時(shí)，由于煙苗栽植深度太深，直接導(dǎo)致煙苗心葉被埋，影響煙苗的正常生長(zhǎng)，故培土狀況較差。

通過試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)由于苗壟上各處的土壤破碎率和含水率均存在一定差異，導(dǎo)致煙苗或多或少有一定傾斜，且如果土壤的相對(duì)濕度太高會(huì)導(dǎo)致鴨嘴會(huì)有一點(diǎn)粘土，故作業(yè)前要盡量降低土壤含水率，以降低煙苗漏栽率和保證煙苗培土狀況。

通過試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)栽植速度為3.5～5.5km/h和栽植深度為80～110mm時(shí)的煙苗移栽質(zhì)量最好，同時(shí)也驗(yàn)證了栽植器相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性和正確性，各參數(shù)情況如下：

①栽植頻率f=100～200株/min；②煙苗株距L=55mm；③栽植器旋轉(zhuǎn)半徑RZ=300mm；④栽植器旋轉(zhuǎn)角速度；⑤鏈輪傳動(dòng)比i=N栽/N地=14/19=0.74；主動(dòng)鏈輪齒數(shù)為19，被動(dòng)鏈輪齒數(shù)為14；⑥栽植器鴨嘴數(shù)量N=4。

將上述數(shù)據(jù)代入式（2）中可得鴨嘴運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)學(xué)模型（其中栽植速度和栽植深度取中間值）：

4　結(jié)論及討論

通過對(duì)煙苗栽植器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論研究分析表明：

（1）栽植器設(shè)計(jì)應(yīng)用偏置雙圓盤四連桿旋轉(zhuǎn)工作原理，適合缽苗和漂浮苗的栽植，其中煙苗杯和鴨嘴采用一體結(jié)構(gòu)形式，鴨嘴開閉通過聯(lián)動(dòng)控制，支撐地輪兼作主傳動(dòng)力，偏置雙圓盤旋轉(zhuǎn)開穴系統(tǒng)為鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)方式以確保標(biāo)準(zhǔn)一致。

（2）特征參數(shù)λ＞1是偏置雙圓盤偏置雙圓盤四連桿旋轉(zhuǎn)式栽植器正常工作的條件。

（3）通過試驗(yàn)確定了栽植器各參數(shù)的具體值，從而建立起鴨嘴運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)學(xué)模型；而且發(fā)現(xiàn)栽植器能滿足煙苗移栽的農(nóng)藝要求，驗(yàn)證了栽植器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性和可行性，但在試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)煙苗移栽傾角均小于90°，有略微向前的趨勢(shì)，可能與煙苗特性、土壤本身以及回土流等影響有關(guān)，有待在后續(xù)工作中進(jìn)行具體考證。

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Structure Design and Test of Sem i-automatic Tobacco Seed ling Planting M achine

XIAO Wei-bin1，SUN Song-lin2

（1.Hunan Electrical Vocational and Technical College，Xiangtan，Hunan 411101，China；
2.Engineering School，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China）

Tobacco seedling planting machine is the core of tobacco transplanting machine，whose design is offset double working principle of the four connecting rod rotating disc，and suitable for pot seedling planting and floating seedling.It is found that factor lambda＞1 is the basic foundation of planting apparatus design and ensure the quality of transplanting and the necessary condition of normal work by analyzing the characteristic of the known movement of tobacco seedling transplanting.At the same time，different planting speed and depth of the orthogonal experiment determines the specific value of the planting apparatus design parameters，thus duckbill trajectory mathematical model is set up.

plant；duck mouth；trajectory；mathematical model；test

S223.9

A

2095-980X（2016）09-0028-03

2016-08-12

湖南省煙草局項(xiàng)目（湘煙科（2009）19號(hào)09-10Aa08）

肖衛(wèi)兵（1983-），男，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。