2ZXM-2型全自動(dòng)蔬菜穴盤苗鋪膜移栽機(jī)的研制

李 華，曹衛(wèi)彬，李樹(shù)峰，劉姣娣，陳棒棒，馬曉曉

2ZXM-2型全自動(dòng)蔬菜穴盤苗鋪膜移栽機(jī)的研制

李 華1,2，曹衛(wèi)彬1※，李樹(shù)峰1，劉姣娣1，陳棒棒1，馬曉曉1

（1. 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子 832003； 2. 重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044）

針對(duì)新疆辣椒、番茄等作物移栽效率低、強(qiáng)度大、移栽質(zhì)量差及作業(yè)工序多等問(wèn)題，該文研制了一種全自動(dòng)蔬菜穴盤苗鋪膜移栽機(jī)，整機(jī)主要由自動(dòng)送苗系統(tǒng)、自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)與栽植機(jī)構(gòu)、機(jī)架、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、鋪膜鋪管裝置及鎮(zhèn)壓覆土裝置等組成，可實(shí)現(xiàn)一次性完成整形開(kāi)溝、鋪設(shè)地膜與滴灌帶、自動(dòng)移栽及覆土鎮(zhèn)壓等多道作業(yè)工序，實(shí)現(xiàn)作物膜上覆土移栽的全自動(dòng)機(jī)械化作業(yè)過(guò)程，并能滿足不同作物移栽種植要求。辣椒穴盤苗田間移栽試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)機(jī)組前進(jìn)速度為2.8 km/h、理論設(shè)計(jì)株距為20 cm時(shí)，移栽機(jī)移栽頻率為62株/(min·行)，立苗合格率為96.3%，漏栽率為2.8%，傷苗率為1.25%，移栽合格率為93.4%，移栽深度合格率為93.5%，株距合格率為94.7%，株距變異系數(shù)為7.9%；滴灌管鋪設(shè)效果較好，無(wú)破損、打折，鋪膜及覆土性能優(yōu)良，地膜采光面展平度為98.2%，采光面寬度合格率為平均為97.8%，平均機(jī)械破損程度平均為3.4 mm/m2，膜孔全覆土率為97.8%，移栽機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)均能夠滿足辣椒穴盤苗鋪膜移栽的農(nóng)藝要求。該研究可為國(guó)內(nèi)開(kāi)展全自動(dòng)旱地移栽機(jī)的研發(fā)提供參考，對(duì)推動(dòng)新疆機(jī)械化育苗移栽技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

農(nóng)業(yè)機(jī)械化；移栽；自動(dòng)化；穴盤苗；試驗(yàn)

李 華，曹衛(wèi)彬，李樹(shù)峰，劉姣娣，陳棒棒，馬曉曉. 2ZXM-2型全自動(dòng)蔬菜穴盤苗鋪膜移栽機(jī)的研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(15)：23－33. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.003 http://www.tcsae.org

Li Hua, Cao Weibin, Li Shufeng, Liu Jiaodi, Chen Bangbang, Ma Xiaoxiao. Development of 2ZXM-2 automatic plastic film mulching plug seedling transplanter for vegetable[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(15): 23－33. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.003 http://www.tcsae.org

0 引 言

育苗移栽作為一種農(nóng)藝栽培技術(shù)，能夠避開(kāi)春季低溫、倒春寒等自然災(zāi)害，提高幼苗成活率，有效提高作物單產(chǎn)和品質(zhì)，已被列為新疆十三五重點(diǎn)推廣技術(shù)之一[1-5]，目前新疆在番茄和辣椒種植方面已經(jīng)開(kāi)始大力推廣育苗移栽技術(shù)，截止2015年，其移栽面積已達(dá)到總種植面積50%以上，且還在不斷增加[6-7]。由于新疆地理與氣候條件特殊，多年來(lái)作物移栽普遍采取先鋪設(shè)地膜和滴灌帶，后進(jìn)行膜上成穴移栽的種植模式[8-9]。但受機(jī)械化移栽水平影響，目前新疆番茄和辣椒移栽作業(yè)主要以人工為主，半自動(dòng)移栽機(jī)作業(yè)為輔，移栽作業(yè)時(shí)均需預(yù)先鋪設(shè)地膜和滴灌帶，不僅作業(yè)工序多，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，而且栽植質(zhì)量差、生產(chǎn)成本較高[10-15]。而全自動(dòng)穴盤苗移栽機(jī)能夠很好解決勞動(dòng)力不足、作業(yè)效率低等問(wèn)題，被國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為是作物育苗移栽機(jī)械化發(fā)展的主要趨勢(shì)和方向[16]，一直是旱地移栽機(jī)械研發(fā)的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

國(guó)外旱地全自動(dòng)移栽機(jī)研究起步較早，主要結(jié)合其本國(guó)作物種植模式和農(nóng)藝要求進(jìn)行研制，且部分機(jī)型已有推廣和應(yīng)用，如意大利Ferrari公司研發(fā)的Futura系列，澳大利亞HDl44型，美國(guó)FMC及英國(guó)Pearson全自動(dòng)移栽機(jī)等[17]，這些移栽機(jī)作業(yè)效率高，自動(dòng)化程度較高，但價(jià)格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整機(jī)體積龐大，主要針對(duì)裸地移栽，難以適應(yīng)新疆膜上移栽的農(nóng)藝要求，無(wú)法在新疆推廣應(yīng)用[8]。日本Yanmar、Izeki農(nóng)機(jī)公司都有比較成熟的自動(dòng)移栽機(jī)應(yīng)用[18-19]，但只適用于小地塊壟上移栽，不適合新疆的大田作業(yè)及膜上移栽農(nóng)藝要求。

中國(guó)目前對(duì)旱地自動(dòng)移栽機(jī)的研發(fā)主要處于理論研究和試驗(yàn)階段，還沒(méi)有成熟機(jī)型推廣應(yīng)用。石鐵[20]研制了一種全自動(dòng)紙筒玉米秧苗移栽機(jī)，田間試驗(yàn)表明該機(jī)能夠滿足玉米開(kāi)溝移栽要求，但不適用于穴盤苗膜上成穴移栽作業(yè)。范云翔等[21]設(shè)計(jì)了一種空氣整根氣吸式秧苗全自動(dòng)移栽機(jī)，可用于將秧苗自動(dòng)移栽到生長(zhǎng)用的塑料大盤或花盆中，但不能進(jìn)行田間移栽作業(yè)。張晨等[22]研發(fā)的2ZB-2型穴盤苗旱地膜上自動(dòng)移栽機(jī)，該機(jī)栽植合格率為90%以上，但作業(yè)效率低，一直未見(jiàn)應(yīng)用推廣。吳福華等[23]設(shè)計(jì)的穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)能夠一次性完成取苗、送苗、栽植與覆土等作業(yè)，栽植成功率為92.5%，滿足自動(dòng)移栽要求，但只適用于壟上移栽作業(yè)。韓長(zhǎng)杰等[24-25]在吊籃式半自動(dòng)移栽機(jī)上安裝自動(dòng)取喂苗系統(tǒng)，研發(fā)了一種辣椒穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)，試驗(yàn)表明該機(jī)栽植成功率達(dá)96.97%，滿足膜上成穴移栽作業(yè)要求，但需提前鋪設(shè)地膜和滴灌帶，作業(yè)工序多。

基于以上分析，為滿足番茄、辣椒等作物機(jī)械化自動(dòng)鋪膜成穴移栽的農(nóng)藝要求，本文對(duì)穴盤苗自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)、自動(dòng)送苗系統(tǒng)、自動(dòng)栽植機(jī)構(gòu)、鋪膜鋪管與膜上覆土機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件進(jìn)行技術(shù)集成創(chuàng)新，研制了一種可同時(shí)完成開(kāi)溝整型、鋪膜鋪管、自動(dòng)取苗移栽及覆土鎮(zhèn)壓多道作業(yè)工序的蔬菜穴盤苗全自動(dòng)鋪膜移栽機(jī)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 膜上移栽種植模式及農(nóng)藝要求

新疆辣椒、番茄移栽種植模式如圖1所示。為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，選擇土層深厚、保水肥，土壤較肥沃且滲水快，通透性好的壤土或砂壤土種植，精細(xì)整地達(dá)到齊、平、松、碎、凈、墑六字標(biāo)準(zhǔn)。移栽時(shí)先鋪設(shè)地膜與滴灌管，進(jìn)行膜邊覆土鎮(zhèn)壓，完成膜上成穴栽植后，進(jìn)行秧苗穴孔覆土及鎮(zhèn)壓工序。

圖1 膜上移栽種植示意圖Fig.1 Schematic diagram of film transplanting cultivation

膜上覆土移栽的主要農(nóng)藝要求為：栽苗的株距保持一致，當(dāng)進(jìn)行一膜兩行移栽時(shí)，選用90 cm地膜，行距為40 cm，番茄移栽株距為不小于30 cm，辣椒移栽時(shí)株距為15～30 cm之間；栽苗深度要求保持一致：栽深一般為5～6 cm，即穴孔覆土厚度為覆蓋秧苗基質(zhì)以上1～2 cm之間；機(jī)械鋪膜平展，膜邊覆土緊實(shí)，采光面大且寬度不小于50 cm，保持一致，栽后立即采用加壓滴灌澆水。

1.2 2ZXM-2型全自動(dòng)蔬菜穴盤苗鋪膜移栽機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

根據(jù)新疆辣椒及番茄移栽種植的農(nóng)藝要求及特點(diǎn)，研制的2ZXM-2型全自動(dòng)蔬菜穴盤苗鋪膜移栽機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，該機(jī)為一膜2行移栽機(jī)，主要工作部件按照機(jī)具縱向中心線對(duì)稱布置，2套移栽組件分別對(duì)稱布置安裝，整機(jī)主要由自動(dòng)送苗系統(tǒng)、取苗機(jī)構(gòu)、栽植機(jī)構(gòu)、機(jī)架、鋪膜鋪管機(jī)構(gòu)、整形開(kāi)溝裝置與覆土鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)7個(gè)部分組成。

1.3 主要工作過(guò)程及原理

2ZXM-2型全自動(dòng)蔬菜穴盤苗鋪膜移栽機(jī)適用苗盤結(jié)構(gòu)參數(shù)為：苗盤外形尺寸為l1×l2=540 mm×280 mm，苗盤穴孔形狀為倒四棱臺(tái)，上邊寬la=32 mm，底部寬為lb=16 mm，相鄰穴孔中心距S=32 mm，穴孔深度為h=40 mm。苗盤縱列兩端各開(kāi)有16個(gè)長(zhǎng)方形卡槽，卡槽對(duì)稱布置，尺寸設(shè)計(jì)為3 mm×10 mm，穴盤結(jié)構(gòu)如圖3所示，穴盤可進(jìn)行一定程度折彎，以便空苗盤順利排出，方便回收。

圖2 2ZXM-2型全自動(dòng)蔬菜穴盤苗鋪膜移栽機(jī)Fig.2 2ZXM-2 automatic plastic film mulch vegetable plug seedling transplanter

圖3 穴盤示意圖Fig.3 Sketch map of plug tray

移栽機(jī)作業(yè)環(huán)節(jié)主要由2個(gè)工作過(guò)程同時(shí)進(jìn)行：

1）鋪設(shè)地膜與滴灌管。移栽機(jī)田間作業(yè)時(shí)，先由人工分別將地膜和滴灌管一端掩埋壓實(shí)，并將穴盤苗放置于自動(dòng)送苗系統(tǒng)15的送苗板上。工作時(shí)，整個(gè)機(jī)組前進(jìn)帶動(dòng)平地滾筒3轉(zhuǎn)動(dòng)壓實(shí)地面形成平整的苗床，放置于滴灌帶輥支撐架18上的滴灌管不斷沿苗床縱向中心線位置被潛埋鋪設(shè)，與此同時(shí)圓片開(kāi)溝器4在苗床兩側(cè)分別開(kāi)出地膜預(yù)埋溝，而放置于膜輥支撐架19上的地膜通過(guò)展膜輥5的作用展平拉緊，移栽機(jī)前進(jìn)過(guò)程中，地膜被平整地鋪設(shè)于苗床上，并由覆土圓盤8刮起土壤覆在膜邊進(jìn)行覆土，壓膜輪6滾動(dòng)過(guò)程中將地膜兩側(cè)土壤壓實(shí)完成膜邊鎮(zhèn)壓。

2）自動(dòng)取苗移栽。機(jī)組前進(jìn)過(guò)程中，拖拉機(jī)輸出動(dòng)力經(jīng)分動(dòng)箱10分配后分別驅(qū)動(dòng)自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)16與栽植機(jī)構(gòu)17配合運(yùn)動(dòng)，由自動(dòng)送苗系統(tǒng)15控制苗盤進(jìn)行精準(zhǔn)步進(jìn)移位，準(zhǔn)確將穴盤苗送至取苗位置由取苗機(jī)構(gòu)完成取苗并投苗，由鴨嘴栽植器完成膜上成穴植苗后，穴孔周圍土壤順勢(shì)回填，在覆土圓盤8和覆土滾筒9共同作用下完成苗孔覆土，鎮(zhèn)壓輪11壓實(shí)土壤進(jìn)行鎮(zhèn)壓，從而同時(shí)完成自動(dòng)移栽及膜上覆土過(guò)程。

2ZXM-2型全自動(dòng)蔬菜穴盤苗鋪膜移栽機(jī)運(yùn)輸時(shí)采用拖拉機(jī)懸掛方式，田間作業(yè)時(shí)由拖拉機(jī)牽引行走，拖拉機(jī)功率要求為30 kW以上。移栽時(shí)通過(guò)控制機(jī)組前進(jìn)速度，調(diào)節(jié)移栽株距范圍，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 2ZXM-2型全自動(dòng)蔬菜穴盤苗鋪膜移栽機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of 2ZXM-2 automatic plastic film mulch vegetable plug seedling transplanter

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)

2.1.1 取苗軌跡特點(diǎn)及工作過(guò)程分析

自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)作為全自動(dòng)移栽機(jī)的核心部件之一，其功能是模擬人工取投苗動(dòng)作，從穴盤中自動(dòng)取出秧苗并運(yùn)送至投苗位置，自動(dòng)投入至栽植器中。根據(jù)人工取苗過(guò)程中穴盤苗空間運(yùn)動(dòng)軌跡及姿態(tài)轉(zhuǎn)換特點(diǎn)，結(jié)合適栽期穴盤苗的形態(tài)參數(shù)進(jìn)行取苗機(jī)構(gòu)參數(shù)分析與設(shè)計(jì)[7]，取苗機(jī)構(gòu)主要由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和取苗臂組成，其結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖與取苗軌跡如下圖4所示。

圖4 取苗機(jī)構(gòu)與取苗過(guò)程示意圖Fig.4 Schematic diagram of seedling pick-up mechanism and seedling pick-up process

該取苗機(jī)構(gòu)與日本洋馬齒輪連桿組合式取苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)類似，均采用圓柱齒輪行星輪系與滑道組合的形式，但本文研究的取苗機(jī)構(gòu)緊密結(jié)合穴盤苗物理形態(tài)特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其關(guān)鍵部件行星輪系機(jī)構(gòu)與曲線滑道進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，使得取苗軌跡更加簡(jiǎn)單且軌跡曲線更為光滑，提高了秧苗空間姿態(tài)轉(zhuǎn)換平穩(wěn)性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

工作特點(diǎn)為：取苗針4尖點(diǎn)初始位置位于a點(diǎn)，方向垂直向下，a-b-c段軌跡為取苗軌跡，由曲線段ab和直線段bc組成；c-b-a為運(yùn)苗段軌跡，當(dāng)取苗針夾持秧苗至b點(diǎn)位置時(shí)，開(kāi)始轉(zhuǎn)變空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，取苗針沿ba段軌跡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，秧苗空間姿態(tài)逐漸由傾斜狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直向下，取苗針運(yùn)動(dòng)返回至a點(diǎn)時(shí)為投苗位置，秧苗轉(zhuǎn)換為豎直狀態(tài)。本機(jī)苗盤傾斜放置角度設(shè)置為：α=60°。取苗過(guò)程中要求直線段軌跡bc完全垂直于苗盤以降低苗缽損傷，取苗角為β=30°。

取苗機(jī)構(gòu)形成預(yù)定取苗軌跡的關(guān)鍵在于行星輪系-擺桿機(jī)構(gòu)與曲線滑道的參數(shù)分析。

2.1.2 基于預(yù)定軌跡的取苗機(jī)構(gòu)行星輪系-擺桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該取苗機(jī)構(gòu)為一種基于特殊曲柄滑塊機(jī)構(gòu)結(jié)合曲線滑道組合的取苗機(jī)構(gòu)[7]，其中，曲柄擺桿機(jī)構(gòu)是由3個(gè)圓齒輪以及齒輪盒構(gòu)成的行星輪系機(jī)構(gòu)-擺桿機(jī)構(gòu)，為便于分析，將行星輪系機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為曲柄，結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖如圖5所示，取苗臂與擺桿一端B點(diǎn)的滑塊鉸接。

圖5 曲柄擺桿機(jī)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of crank-rocker mechanism

設(shè)定曲柄逆時(shí)針勻速旋轉(zhuǎn)，根據(jù)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性，可以獲得滑塊任意時(shí)刻運(yùn)行距離S，本文中S取值范圍為0≤S≤2(r+l)。

按照設(shè)計(jì)要求，滑塊行程為K1K2，當(dāng)滑塊從K1運(yùn)動(dòng)至K2時(shí)，曲柄OA轉(zhuǎn)過(guò)角度為：θ=π，此時(shí)滑塊運(yùn)行距離S=12KKl=2(r+l)，代入式（3）計(jì)算可得：S=2(r+l)=3r+l，得到：r=l。

擺桿任意時(shí)刻旋轉(zhuǎn)角度θ0=θ+λ，0≤θ0≤2π，則有：θ0=2θ=2λ，同時(shí)，曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)方向與擺桿自轉(zhuǎn)方向相反，即θ=?θ0/2。

因此可設(shè)計(jì)一行星輪系擺桿機(jī)構(gòu)完成滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律。行星輪系機(jī)構(gòu)由3個(gè)圓齒輪構(gòu)成與行星架構(gòu)成，其中太陽(yáng)輪與行星輪之間的齒數(shù)比為：

由式（4）可知，太陽(yáng)輪與行星輪旋轉(zhuǎn)方向相反，通過(guò)中間輪進(jìn)行換向，由此得到太陽(yáng)輪、中間輪與行星輪齒數(shù)之比為：2∶1∶1。

設(shè)取苗軌跡直線段長(zhǎng)度為l0，穴盤苗從穴盤中成功取出且不與苗盤輸送架不發(fā)生干涉的條件為：

式中h為穴孔深度值，mm；根據(jù)取苗軌跡形成原理，l0取值由曲柄和擺桿長(zhǎng)度共同決定，設(shè)計(jì)時(shí)須滿足r+l≈l0，根據(jù)（5）式，取l0=80 mm，則r=l=40 mm，即太陽(yáng)輪旋轉(zhuǎn)中心與行星輪旋轉(zhuǎn)中心的距離l0A=40 mm，考慮裝配等因素，調(diào)整為l0A=41 mm，計(jì)算獲得3個(gè)直齒圓柱齒輪的齒數(shù)分別為：太陽(yáng)輪32，中間齒輪與行星輪均為16，模數(shù)m=1。

2.1.3 曲線滑道參數(shù)分析

曲線滑道是取苗機(jī)構(gòu)形成預(yù)定軌跡姿態(tài)的關(guān)鍵，由圖4可知，取苗軌跡直線段主要由滑道直線段控制，而曲線段軌跡則由弧形滑道控制，由上節(jié)內(nèi)容分析可知，滑道直線段長(zhǎng)度即為滑塊行程極限位置K1K2之間的距離4r=160 mm, r為曲柄長(zhǎng)度。利用Adams仿真軟件對(duì)取苗機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，獲得滑桿與弧形滑道在不同參數(shù)組合下取苗軌跡姿態(tài)變化情況如圖6所示。

根據(jù)取苗機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，滑桿長(zhǎng)度分別選取l=62、82、102 mm進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)應(yīng)的滑道圓弧中心分別為O1、O2、O3，半徑分別為R1=36 mm，R2=47 mm，R3=59 mm。仿真分析結(jié)果表明，滑桿越長(zhǎng)，滑道圓弧半徑越大，取苗軌跡越高，取苗過(guò)程中秧苗易與取苗機(jī)構(gòu)發(fā)生干涉，使取苗機(jī)構(gòu)整體尺寸變大；滑桿越短，圓弧滑道半徑越小，取苗軌跡整體高度下降，不利于秧苗軌跡姿態(tài)轉(zhuǎn)化且秧苗也容易同送苗架發(fā)生干涉，因此，滑桿尺寸選取l=82 mm，對(duì)應(yīng)的滑道圓弧半徑為R=47 mm，相對(duì)于曲柄旋轉(zhuǎn)中心O點(diǎn)的圓弧中心O2坐標(biāo)值：xO2=47 mm，yO2=82 mm。

圖6 不同滑桿長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的取苗軌跡Fig.6 Seedlings pick-up trajectory of different slide bar lengths

取苗針10設(shè)計(jì)為長(zhǎng)度l=180 mm，直徑為3.8 mm，針體下端加工成長(zhǎng)35 mm斜楔狀以便于夾取秧苗缽體，降低對(duì)缽體及根系損傷。取苗試驗(yàn)表明，兩取苗針尖點(diǎn)在夾持秧苗時(shí)保持寬度約為6 mm，苗針插入缽體距穴孔底部5～6 mm時(shí)，夾持秧苗穩(wěn)定，取苗效果較好。

2.2 自動(dòng)送苗系統(tǒng)

自動(dòng)送苗系統(tǒng)主要與自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)配合工作，由PLC系統(tǒng)控制送苗裝置運(yùn)動(dòng)，將穴盤苗準(zhǔn)確輸送至取苗位置。該系統(tǒng)主要由穴盤縱向移位機(jī)構(gòu)、橫向移位機(jī)構(gòu)以及PLC控制系統(tǒng)組成，如下圖7所示。

圖7 自動(dòng)送苗系統(tǒng)示意圖Fig.7 Schematic diagram of automatic seedling feeding system

其工作過(guò)程為：

1）移栽作業(yè)前將穴盤苗放至苗盤輸送架7，向下推送使苗盤兩側(cè)夾入壓盤板3，并使苗盤兩側(cè)的第一對(duì)卡槽卡入輸送鏈條8的卡扣中，調(diào)整苗盤位置使取苗針正對(duì)于苗盤右下第一格穴孔，此時(shí)送苗裝置處于初始工作位置，系統(tǒng)上電復(fù)位，送苗系統(tǒng)控制方案如圖8所示。

2）移栽作業(yè)時(shí)，取苗機(jī)構(gòu)1取出第一格秧苗并投苗，待其返程準(zhǔn)備下次取苗時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)位置傳感器4采集到取苗機(jī)構(gòu)位置信息，將信號(hào)實(shí)時(shí)反饋至PLC控制系統(tǒng)9，激活PLC控制器并形成一個(gè)苗盤移位閉環(huán)步進(jìn)定位控制系統(tǒng)（如圖9所示）。

系統(tǒng)發(fā)出指令控制橫向移位步進(jìn)電機(jī)11工作，驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)苗盤輸送架整體面對(duì)取苗針橫向向左（正向）移動(dòng)一格完成一次橫向送苗，穴盤移動(dòng)距離S=32 mm，苗盤如此間歇移動(dòng)7格完成第一排8株秧苗送苗后，PLC控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)縱向移位步進(jìn)電機(jī)10轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)縱向送苗機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)苗盤縱向整體向下移動(dòng)一格，進(jìn)行第二排秧苗橫向反向間歇送苗。系統(tǒng)如此往復(fù)工作以實(shí)現(xiàn)穴盤苗的自動(dòng)送苗作業(yè)。

圖8 自動(dòng)送苗系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)框圖Fig.8 Design diagram of automatic seedling feeding system control scheme

圖9 控制系統(tǒng)框圖Fig.9 Control system diagram

3）在輸送鏈條6及導(dǎo)盤架11的作用下，苗盤縱向向下間歇移動(dòng)沿導(dǎo)盤架逐步退出壓盤板，至完全退出后由人工取出放置于載苗架回收空盤。

試驗(yàn)證明該自動(dòng)送苗系統(tǒng)工作可靠、穩(wěn)定，送苗準(zhǔn)確，可滿足自動(dòng)送苗工作要求。

2.3 栽植機(jī)構(gòu)主要參數(shù)分析

栽植機(jī)構(gòu)是全自動(dòng)移栽機(jī)的入土栽植部件，也是影響整機(jī)移栽作業(yè)質(zhì)量與效率的核心部件，其主要作用是接取取苗機(jī)構(gòu)投落的穴盤苗，進(jìn)行膜上打穴植苗，要求保證一致的移栽株距、栽植深度以及較好的直立度，不能出現(xiàn)掛膜、撕膜[20,26]，本機(jī)配置的栽植機(jī)構(gòu)為一種基于行星輪系-五桿機(jī)構(gòu)的植苗機(jī)構(gòu)[27]，其簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示。行星輪系-五桿式栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)靜軌跡為“梭形”植苗軌跡，可滿足穴盤苗膜上成穴栽植的運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)要求。

圖10 行星輪系-五桿栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Schematic diagram of mechanism with planetary spur gears and five-bar

2.3.1 栽植機(jī)構(gòu)工作過(guò)程分析

圖10所示為行星輪系五桿式栽植機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其中曲柄 OO1、連桿O1E、EF和連桿FG及機(jī)架構(gòu)成一個(gè)行星輪系式五桿機(jī)構(gòu)，行星輪系機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為曲柄OO1，作為原動(dòng)件繞O點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，工作時(shí)驅(qū)動(dòng)其他桿件運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)栽植鴨嘴按照預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)。

鴨嘴栽植器與連桿O1E一端固結(jié)，當(dāng)鴨嘴栽植器運(yùn)動(dòng)至軌跡最高點(diǎn)時(shí)，接取取苗機(jī)構(gòu)投下的穴盤苗，向下運(yùn)苗至接近軌跡最低點(diǎn)時(shí)，鴨嘴張開(kāi)將穴盤苗植入穴孔內(nèi)，隨后保持張開(kāi)狀態(tài)進(jìn)行返程運(yùn)行至越過(guò)已栽秧苗后閉合。行星輪系五桿機(jī)構(gòu)是鴨嘴栽植器的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程也是鴨嘴栽植器形成預(yù)定栽苗軌跡的關(guān)鍵。

設(shè)連桿O1E與曲柄OO1任意時(shí)刻轉(zhuǎn)角相等，方向相反，且連桿O1E相對(duì)于曲柄OO1的轉(zhuǎn)角α1始終滿足以下條件：

式中ψ為連桿O1E初始安裝角，(°)；設(shè)太陽(yáng)輪O與行星輪O1齒數(shù)分別為Z0、Z01，則有

橋型圖非常適用于類比推理的教學(xué)環(huán)節(jié)，教師可在橋形圖的上下面寫下相關(guān)的化學(xué)知識(shí)，然后與學(xué)生分析其中屬性，按照這種屬性，聯(lián)想出更多類似的例子，這也是化學(xué)教學(xué)中的一種常用方法。

與取苗機(jī)構(gòu)行星輪系機(jī)構(gòu)特點(diǎn)類似，栽植機(jī)構(gòu)行星輪系機(jī)構(gòu)中間齒輪也主要起到換向作用，其參數(shù)與行星輪相同，因此可知行星輪系機(jī)構(gòu)中太陽(yáng)輪、中間輪與行星輪齒數(shù)之比為2∶1∶1，且L1=L2。

2.3.2 五桿機(jī)構(gòu)死點(diǎn)位置分析與機(jī)構(gòu)參數(shù)

該栽植機(jī)構(gòu)為平面鉸鏈五桿機(jī)構(gòu)，根據(jù)五桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性，當(dāng)兩從動(dòng)構(gòu)件EF和FG共線時(shí)，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)“頂死”現(xiàn)象，反之則不會(huì)出現(xiàn)死點(diǎn)位置，因此行星輪系五桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中必須滿足以下條件：

行星輪系五桿栽植機(jī)構(gòu)行星輪系與平面鉸鏈五桿機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)須滿足上述式（7）、式（8）條件。栽植機(jī)構(gòu)樣機(jī)前期研究過(guò)程中，通過(guò)建立栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論模型，基于VB6.0編寫人機(jī)交互平臺(tái)優(yōu)化參數(shù)與栽植軌跡，獲得了一組較優(yōu)機(jī)構(gòu)參數(shù)組合，得到了一組最佳參數(shù)組合:L1=68 mm，L2=77 mm，L3=166 mm，L4=65 mm，xD=155.5 mm，yD=10 mm，齒輪箱初始安裝角為90°，植軌跡高度為290 mm[27]，栽植機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型如圖11所示。辣椒苗田間栽植試驗(yàn)表明，該栽植機(jī)構(gòu)可使秧苗在靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行覆土鎮(zhèn)壓，穴口直徑僅為65 mm，有利于秧苗保持較好的直立狀態(tài)，降低倒伏率，且無(wú)掛膜、撕膜情況，工作性能良好。

圖11 栽植機(jī)構(gòu)三維造型Fig.11 3D model of planting mechanism

齒輪箱安裝時(shí)離地高度須大于140 mm，才能保證栽植機(jī)構(gòu)工作時(shí)不與栽植后的秧苗發(fā)生干涉。

2.4 覆土裝置設(shè)計(jì)

全自動(dòng)鋪膜移栽機(jī)覆土裝置主要由覆土圓盤、覆土滾筒、覆土圓盤安裝支架、導(dǎo)土板、擋土板等組成，如圖12所示，當(dāng)機(jī)組前進(jìn)時(shí)，覆土圓盤7將切起的碎土翻起覆蓋于地膜膜邊，可完成膜邊覆土作業(yè)，同時(shí)可將部分碎土翻入覆土滾筒3，覆土滾筒滾動(dòng)過(guò)程中通過(guò)安裝于其內(nèi)壁的導(dǎo)土板6將細(xì)碎土壤進(jìn)行軸向輸送，土壤在覆土滾筒與擋土板4之間的間隙中撒落，并均勻覆蓋于膜面上形成兩條土帶，完成秧苗覆土作業(yè)，由鎮(zhèn)壓輪壓實(shí)。

圖12 覆土裝置示意圖Fig.12 Schematic diagram of soil covering device

2.4.1 覆土圓盤設(shè)計(jì)

覆土圓盤的主要作用是進(jìn)行膜邊覆土，并為覆土滾筒提供給碎土，其調(diào)節(jié)效果對(duì)覆土質(zhì)量的影響較大。覆土圓盤輪廓形狀設(shè)計(jì)為球面狀，圓盤直徑D=300 mm，覆土圓盤安裝支架2上設(shè)有調(diào)節(jié)裝置，可調(diào)節(jié)覆土圓盤安裝角度與入土深度，以調(diào)節(jié)膜邊及膜上覆土量。試驗(yàn)表明：當(dāng)兩覆土圓盤刃口間距設(shè)計(jì)為80 cm，覆土圓盤與機(jī)組前進(jìn)方向夾角為20°，安裝傾斜角為18°，置于覆土滾筒端面的1/3處，且切土深度為5～7 mm時(shí)，覆土圓盤切土效果較好，并具有較合適的供土量，覆土滾筒覆土均勻，且覆土寬度與厚度較為理想，可滿足全自動(dòng)移栽機(jī)膜上覆土的作業(yè)要求。

2.4.2 覆土滾筒的設(shè)計(jì)

覆土滾筒是膜上移栽覆土裝置最為重要的部件，在覆土作業(yè)中起到關(guān)鍵性的作用，其主要是將覆土圓盤推入的土壤通過(guò)導(dǎo)土板的自身螺旋狀結(jié)構(gòu)，將土壤輸送至漏土縫隙處，使土壤撒落并均勻覆蓋于苗行膜面上。覆土滾筒的覆土質(zhì)量直接影響秧苗栽植質(zhì)量[28]。設(shè)計(jì)參數(shù)主要有：覆土滾筒導(dǎo)土板螺旋角、滾筒尺寸及導(dǎo)土板個(gè)數(shù)等?，F(xiàn)對(duì)導(dǎo)土板進(jìn)行軸向輸送土壤的基本條件進(jìn)行分析：當(dāng)覆土滾筒在膜面上滾動(dòng)時(shí)，被翻入滾筒的土壤在滾筒內(nèi)壁及導(dǎo)土板的共同作用下沿滾筒軸向向漏土縫隙處運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)土板上的土壤在螺旋面某點(diǎn)處于臨界滑動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其受作用力情況如圖13所示。

圖13 導(dǎo)土板上土壤受力分析Fig.13 Force analysis of soil on soil guide plate

由于移栽機(jī)工作時(shí)，覆土滾筒轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，離心力F1較小，因此在本次分析中忽略F1的影響。建立土壤受力平衡方程如下[29]

式中θ0為土壤與導(dǎo)土板的摩擦角，(°)。分析導(dǎo)土板上土壤受力情況可知，土壤沿導(dǎo)土板螺旋面滑動(dòng)的條件為：

求解公式（11），可得

因此，為保證導(dǎo)土板沿滾筒軸向輸送土壤，其安裝角度φ與摩擦角θ0應(yīng)滿足式（12）條件。

覆土滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，土壤沿導(dǎo)土板滑動(dòng)速度越高，其輸送土壤量越大。假設(shè)土壤沿滾筒軸向運(yùn)動(dòng)的加速度為z″，建立土壤運(yùn)動(dòng)的微分方程為

求解式（13）可得

式中m為土壤的質(zhì)量，kg。

分析上式可知，當(dāng)覆土滾筒的直徑和滾動(dòng)速度一定時(shí)，其軸向輸送土壤量和導(dǎo)土板螺旋角存在函數(shù)關(guān)系。因此選擇合適的螺旋角，才能滿足滾筒軸向輸送土壤量的要求，從而保證秧苗有較好的覆土效果。試驗(yàn)表明，當(dāng)覆土滾筒直徑為300 mm，圓周均布導(dǎo)土板數(shù)量為3，導(dǎo)土板螺旋角25～30°，擋土板與滾筒安裝距離（即漏土間隙）為30 mm時(shí)，能較好滿足穴盤苗移栽膜上覆土的生產(chǎn)要求。

3 田間移栽試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

田間性能試驗(yàn)于2016年6月1日在新疆石河子市石河子大學(xué)兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)地進(jìn)行。試驗(yàn)地長(zhǎng)100 m，寬5 m，試驗(yàn)前，試驗(yàn)地經(jīng)過(guò)翻整碎土，無(wú)雜草、秸稈及殘茬覆蓋，地表平整，整地條件較好。測(cè)得土壤含水率均值為12.5%。室外溫度為23 ℃，空氣濕度27%，風(fēng)速3.5 m/s。地膜選用厚度為0.005 mm，寬度為900 mm的聚乙烯透明農(nóng)用地膜，無(wú)粘連和破損。

試驗(yàn)用苗為新疆石河子市142團(tuán)育苗大棚培育的“紅龍13”辣椒苗。試驗(yàn)時(shí)測(cè)得穴盤苗缽體含水率為36.4%～45.6%，辣椒苗長(zhǎng)勢(shì)較好，根系發(fā)達(dá)，且充分包裹纏繞缽體，試驗(yàn)用苗如下圖14所示。

圖14 辣椒穴盤苗Fig.14 Plug seedling of pepper

隨機(jī)選取80株辣椒苗進(jìn)行形態(tài)參數(shù)測(cè)定， 測(cè)定結(jié)果如下表2所示。

表2 秧苗狀態(tài)及缽體情況Table 2 Seedling status and bowl condition

3.2 試驗(yàn)方法

2ZXM-2型全自動(dòng)蔬菜穴盤苗鋪膜移栽機(jī)配套動(dòng)力為John Deere 904輪式拖拉機(jī)，采用三點(diǎn)后懸掛的掛接方式牽引移栽機(jī)，機(jī)組作業(yè)速度控制在2.5～3.0 km/h 之間。設(shè)計(jì)理論移栽株距20 cm、栽深7 cm，地膜理論采光面為50 cm。田間試驗(yàn)測(cè)區(qū)長(zhǎng)50 m，寬5 m，移栽機(jī)往返2個(gè)單程作業(yè)，理論移栽株數(shù)為512株，去除前后各24株，即4行測(cè)段內(nèi)各選取中間連續(xù)的80株辣椒苗作為采集樣本，每行測(cè)定一組，取其平均值。

由于中國(guó)還沒(méi)有制定辣椒或番茄穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)性能試驗(yàn)方法即相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，因此本次試驗(yàn)方法參照J(rèn)B/T10291-2013《旱地栽植機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行，以立苗合格率、株距變異系數(shù)和栽植深度合格率、漏栽率、傷苗率為試驗(yàn)測(cè)試指標(biāo)進(jìn)行移栽性能試驗(yàn)[30]。同時(shí)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NY/T1559-2007《滴灌鋪膜鋪管精密播種機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》測(cè)試移栽機(jī)鋪膜覆土性能。本次試驗(yàn)控制機(jī)組作業(yè)速度為2.8 km/h，測(cè)得移栽機(jī)栽植頻率為62株/min·行，樣機(jī)田間測(cè)試試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖15所示。

圖15 田間鋪膜移栽試驗(yàn)Fig.15 Field film mulching and transplanting text

3.2.1 移栽深度合格率測(cè)定

移栽深度合格率定義為：在一定的栽植區(qū)間內(nèi)所測(cè)栽植深度合格的秧苗數(shù)與總株數(shù)的百分比[31]，參照J(rèn)B/T10291-2013《旱地栽植機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》，試驗(yàn)測(cè)量栽植深度為秧苗與覆土表面交點(diǎn)到秧苗根部的垂直距離，栽植深度合格率H為栽植深度合格株數(shù)Nh占理論移栽株數(shù)N′的百分比，栽植深度在理論深度的±2 cm范圍內(nèi)視為栽植深度合格。本設(shè)計(jì)理論栽植深度為7 cm,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定H≥75%即為合格。

3.2.2 立苗合格率測(cè)定

立苗合格率指秧苗栽植后的直立狀態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定立苗率L為秧苗主莖與地面夾角不小于30°的秧苗占實(shí)際移栽秧苗株數(shù)（不含漏栽、埋苗、倒伏、傷苗株數(shù)）的百分比[32]，設(shè)定辣椒秧苗主莖與地面夾角為γ，根據(jù)辣椒穴盤苗移栽農(nóng)藝要求及特點(diǎn)，當(dāng)γ[80°,∈ 90°]為直立度較好，γ∈[65°, 80°]為良好，γ∈[50°, 65°]為合格，γ＜50°則為不合格[33-34]。試驗(yàn)通過(guò)測(cè)定計(jì)算出直立合格的秧苗株數(shù)與測(cè)試總株數(shù)的比值確定立苗合格率，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定Lh≥85%為合格。

3.2.3 漏栽率測(cè)定

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定漏栽指理論應(yīng)栽植秧苗的地方而沒(méi)有秧苗，通過(guò)測(cè)得相鄰兩株秧苗的株距Xi（mm）與理論株距Xr（mm）之間的關(guān)系來(lái)判斷漏栽株數(shù)，當(dāng)1.5Xr＜Xi≤2.5 Xr，漏栽1株，當(dāng)2.5Xr＜Xi≤3.5 Xr，漏栽2株，以此類推。在本試驗(yàn)中利用移栽時(shí)漏栽株數(shù)占理論移栽株數(shù)的百分比M表示漏栽率，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定M≤5%為合格。

3.2.4 傷苗率測(cè)定

旱地栽植機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定當(dāng)栽植的秧苗受到損傷而影響其正常生長(zhǎng)時(shí)成為傷苗，傷苗率W為傷苗株數(shù)占測(cè)定總株數(shù)的百分比，由于中國(guó)目前還沒(méi)有有關(guān)于辣椒秧苗移栽作業(yè)時(shí)進(jìn)行損傷判別的標(biāo)準(zhǔn)，本次試驗(yàn)中規(guī)定栽植后的辣椒苗莖桿出現(xiàn)明顯損傷，苗葉出現(xiàn)破損與脫落及基質(zhì)出現(xiàn)明顯破損情況，均記為傷苗，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定W≤3%為合格。

3.2.5 株距合格率測(cè)定

測(cè)取相鄰2株苗之間的距離，設(shè)定為Xi（mm），理論移栽株距為Xr（mm），當(dāng)相鄰2株辣椒苗實(shí)測(cè)株距Xi在0.5＜Xi≤1.5 Xr范圍內(nèi)，則為合格株距。以株距合格的苗株數(shù)量與樣本總數(shù)的比值計(jì)算出株距合格率。株距合格率、株距變異系數(shù)是移栽機(jī)栽植精度的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)[30]，體現(xiàn)全自動(dòng)穴盤苗移栽機(jī)栽植的均勻程度。

株距變異系數(shù)定義為：在一定的栽植區(qū)間內(nèi)所測(cè)得的實(shí)際株距的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的百分比。參照J(rèn)B/T10291-2013《旱地栽植機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》，測(cè)量各試驗(yàn)組株距，計(jì)算株距變異系數(shù)。

式中Cx為株距變異系數(shù)，%；X為株距平均值，cm；Sx為株距標(biāo)準(zhǔn)差，cm；nc為實(shí)測(cè)株距數(shù)，株；Xi為實(shí)測(cè)株距，cm。

3.2.6 鋪膜覆土質(zhì)量測(cè)定

全自動(dòng)鋪膜移栽機(jī)鋪膜與覆土性能試驗(yàn)測(cè)定主要通過(guò)：地膜采光面寬度合格率、地膜采光面展平度、地膜采光面機(jī)械破損程度、膜邊覆土厚度合格率、膜邊覆土寬度合格率及膜孔全覆土率6項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定并計(jì)算。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NY/T1559-2007《滴灌鋪膜鋪管精密播種機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》，在移栽測(cè)區(qū)內(nèi)往返2個(gè)單程上交錯(cuò)選定4個(gè)長(zhǎng)度為5 m的測(cè)區(qū)，并選取測(cè)區(qū)內(nèi)均布的11個(gè)點(diǎn)為測(cè)點(diǎn)，分別測(cè)試上述6項(xiàng)指標(biāo)，取平均值。地膜采光面機(jī)械破損程度Sp可通過(guò)式（16）計(jì)算。

式中Sp為采光面機(jī)械破損程度，mm/m2；li為小區(qū)內(nèi)第i處機(jī)械破損部位的邊長(zhǎng)或縫長(zhǎng)，mm；L為小區(qū)長(zhǎng)度，m；B為小區(qū)內(nèi)采光面寬度平均值，mm；np為測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)，個(gè)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

全自動(dòng)鋪膜移栽機(jī)鋪膜、覆土質(zhì)量測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，該機(jī)鋪膜及覆土效果較好，測(cè)試計(jì)算結(jié)果均符合合格指標(biāo)。由于覆土滾筒參數(shù)設(shè)計(jì)合理，移栽機(jī)作業(yè)時(shí)對(duì)膜面機(jī)械損傷較小，地膜采光面機(jī)械破損程度Sp平均值僅為3.4 mm/m2，膜孔全覆土率達(dá)到97.8%，覆土均勻，滿足辣椒苗膜上移栽覆土作業(yè)要求。

表3 鋪膜與覆土質(zhì)量測(cè)試結(jié)果Table 3 Testing results of film mulching and soil covering quality

移栽機(jī)膜上移栽作業(yè)質(zhì)量測(cè)試結(jié)果如表4、表5所示，分析移栽質(zhì)量和移栽精度測(cè)試結(jié)果可知，2ZXM-2型全自動(dòng)蔬菜鋪膜移栽機(jī)在整地效果良好且土質(zhì)比較松軟，辣椒穴盤苗育苗質(zhì)量較好情況下移栽質(zhì)量完全滿足辣椒穴盤苗膜上移栽農(nóng)藝要求。試驗(yàn)中采集辣椒苗樣本320株，其中株距合格株數(shù)303株，實(shí)測(cè)平均移栽株距為21 cm，理論設(shè)計(jì)株距為20 cm，相差較小，株距合格率達(dá)94.7%，株距變異系數(shù)為7.9%，栽植較為均勻，栽植機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)合理且性能穩(wěn)定，使得辣椒苗栽植深度變化較小，變異系數(shù)僅為3.2%，移栽深度合格率達(dá)到93.5%。同時(shí)，根據(jù)表4中移栽機(jī)移栽質(zhì)量試驗(yàn)結(jié)果可知，辣椒苗栽植后具有較好的直立度，主要是因?yàn)樵灾矙C(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)零速栽植，即秧苗在植入穴孔瞬間時(shí)其水平速度接近為零速，其方向?yàn)樨Q直向下，秧苗能夠在靜止?fàn)顟B(tài)快速進(jìn)行覆土鎮(zhèn)壓，保持較好的直立狀態(tài)，立苗合格率平均值達(dá)到96.3%，其中直立度較好的穴盤苗（即γ∈[80°,90°]）占78.4%。移栽機(jī)作業(yè)過(guò)程中漏栽率為2.8%，傷苗率也較低，僅為1.25%，損傷的秧苗主要是缽體出現(xiàn)破損，苗葉和莖稈并沒(méi)有出現(xiàn)損傷情況，而自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)投苗時(shí)由于推苗桿沒(méi)有及時(shí)將苗推下會(huì)造成漏栽情況，通過(guò)調(diào)整推苗桿裝配間隙可使其順利下落實(shí)現(xiàn)可靠投苗。

表4 移栽質(zhì)量試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Experiment result of transplanting quality

表5 移栽精度試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Experiment result of transplanting precision

4 結(jié) 論

1）研制了一種全自動(dòng)蔬菜穴盤苗鋪膜移栽機(jī)，可一次性完成開(kāi)溝整型、鋪設(shè)地膜與滴灌帶，自動(dòng)送苗、取苗及投苗作業(yè)、成穴移栽及鎮(zhèn)壓覆土等多道作業(yè)環(huán)節(jié)，節(jié)約人力和生產(chǎn)成本，提高工作效率。整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，工作性能可靠，能較好滿足新疆地區(qū)辣椒和番茄等作物膜上成穴移栽農(nóng)藝要求。

2）田間試驗(yàn)表明，機(jī)具作業(yè)速度為2.8 km/h時(shí)，栽植頻率為62株/min·行，立苗合格率為96.3%，漏栽率為2.8%，傷苗率為1.25%，移栽合格率為93.4%，株距合格率為94.7%，移栽株距為21 cm，株距變異系數(shù)7.9%，移栽深度變異系數(shù)3.2%；平均移栽深度為7.9 cm，移栽深度合格率為93.5%，移栽過(guò)程中傷苗率低，對(duì)膜面機(jī)械損傷較小，地膜采光面機(jī)械破損程度平均值僅為3.4 mm/m2，膜孔全覆土率達(dá)到97.8%，膜上移栽質(zhì)量完全滿足《JB/T 10291-2001旱地栽植機(jī)械》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與NY/T1559-2007《滴灌鋪膜鋪管精密播種機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》要求，符合辣椒穴盤苗鋪膜移栽的農(nóng)藝規(guī)程。

本文所研制的全自動(dòng)移栽機(jī)將機(jī)械結(jié)構(gòu)與自動(dòng)控制原理緊密結(jié)合，利用PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送苗裝置與取苗機(jī)構(gòu)之間的精準(zhǔn)配合，整機(jī)各部件工作過(guò)程中運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)關(guān)系較好，實(shí)現(xiàn)了穴盤苗全自動(dòng)機(jī)械化移栽作業(yè)的技術(shù)要求，可為開(kāi)展穴盤苗全自動(dòng)移栽機(jī)的研究提供參考。

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Development of 2ZXM-2 automatic plastic film mulching plug seedling transplanter for vegetable

Li Hua1,2, Cao Weibin1※, Li Shufeng1, Liu Jiaodi1, Chen Bangbang1, Ma Xiaoxiao1
(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi 832003, China; 2. The State Key Laboratory of Mechanical Transmissions, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Xinjiang has the adequate light and large temperature difference between day and night, and its unique light and heat resources are very suitable for crop growing, such as tomato and pepper; the planting area and productivity of Xinjiang have been ranked the first in China for many years. But due to special climatic conditions in Xinjiang area, crops are generally transplanted on the plastic film, and also need to lay a drip belt. In recent years, Xinjiang has begun to vigorously promote the crop transplanting technology, and the transplanting area of tomato and pepper has continued to increase. However, at present, there are no automatic vegetable transplanting machines available in Xinjiang, and the seedlings transplanting work basically relies on manual operation; some transplanters used are mainly semi-automatic machines, which still need manual work to pick up seedlings and drop seedlings, and also need laying the film and drip irrigation before transplanting, as well as the additional press and soil covering operations after the transplanting. Therefore, it is very important and urgent to study the multi-functional automatic transplanter for plug seedling in Xinjiang. In this paper, the 2ZXM-2 automatic plastic film mulch plug seedling transplanter for tomato and pepper was developed to replace the manual operation and semi-automatic machines transplanting. The mechanism mainly consisted of the frame, the laying film device, the soil covering and pressing mechanism, the automatic seedling pick-up mechanism, the planting mechanism and the automatic seedling feeding system which can feeding seedlings accurately for the pick-up mechanism. The transplanter designed not only can complete automatic seedling transplanting and soil covering and pressing at one time, it can also lay drip irrigation belt and plastic film at the same time. With the 2ZXM-2 automatic plastic film mulch plug seedling transplanter, it is very convenient to complete the multi-channel working procedure of transplanting, and it can also be applied to the transplanting of different crops. In order to verify the performance of automatic transplanter, the test prototype was made and the pepper field transplant experiment was carried out in the Key Laboratory for Xinjiang Production and Construction Corps Agricultural Machinery. The test results showed that when the speed of the machine was 2.8 km/h, the theoretical plant spacing was 20 cm, and the transplanting frequency reached 62 plants/(min·row), the qualified rate of seedlings was 96.3%, the leakage rate of seedlings was 2.8%, the seedling injury rate was 1.25%, the qualified rate of transplanting depth was 93.5%, the qualified rate of the plant spacing was 94.7%, the spacing variation coefficient was 7.9%, and the qualified rate of transplanting achieved 93.4%. Meanwhile, in the process of transplanting test, the drip irrigation pipe was laid and had not been damaged and bent at all again, and the performance of mulch film laying and soil covering was also excellent; by statistics and calculation, the flattening degree of plastic film lighting surface reached 98.2%, the qualified rate of plastic film lighting surface width achieved 97.8%, and the average mechanical damage degree of film surface was only 3.4 mm/m2. Therefore, the performance indices of 2ZXM-2 automatic plastic film mulch plug seedling transplanter can perfectly meet the agronomic requirements of pepper seedling transplanting. In conclusion, the research for this transplanter not only provides some theoretical basis and reference for the study of automatic dry land transplanter in China, and it also has important significance for the development of mechanized seedling transplanting technology in Xinjiang.

agricultural machinery; transplants; automation; plug seedling; test

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.003

S223.9

A

1002-6819(2017)-15-0023-11

2017-02-08

2017-06-27

國(guó)家自然科學(xué)基金（51765059）；新疆兵團(tuán)科技援疆項(xiàng)目（2013AB024）；新疆兵團(tuán)青年基金（2014CB012）；機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(SKLMT-KFKT-201612)

李 華，男（漢族），副教授，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化技術(shù)研究。石河子 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，832003。

Email：shzdxlh@126.com

※通信作者：曹衛(wèi)彬，男（漢族），教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)信息化與機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)研究。石河子 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，832003。Email：Wbc828@163.com