半自動壓縮基質(zhì)型西瓜缽苗移栽機設(shè)計與試驗

韓長杰，徐 陽，張 靜，尤 佳，郭 輝

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半自動壓縮基質(zhì)型西瓜缽苗移栽機設(shè)計與試驗

韓長杰，徐 陽，張 靜，尤 佳，郭 輝

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052）

針對目前使用壓縮基質(zhì)培育的缽苗無法使用現(xiàn)有移栽機械完成栽植工作的問題，模仿人工先打穴后放苗的移栽方式，設(shè)計了一種半自動壓縮基質(zhì)型缽苗移栽機，包含有間歇式打穴裝置、持苗栽植裝置和缽苗輸送裝置。通過單因素試驗測得2組不同含水率的西瓜缽苗的缽體側(cè)面與滑道的摩擦系數(shù)分別為0.755、0.634，并分析了2組缽體抗壓載荷與壓縮量之間的關(guān)系。根據(jù)西瓜種植農(nóng)藝要求及西瓜缽苗外形尺寸，確定了打穴器及缽苗夾持機構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸。按照已知運動規(guī)律對擺動機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，闡述了持苗栽植裝置的工作過程，使用解析法對其進行了運動分析。試驗結(jié)果表明，拖拉機保持2.1～2.6 km/h的速度前進時，該機作業(yè)的平均株距為98.6 cm，株距合格率為90.62%；倒伏率為21.9%，能夠基本滿足西瓜缽苗移栽的要求。該研究為半自動壓縮基質(zhì)型西瓜缽苗移栽機的設(shè)計提供了參考。

機械化；設(shè)計；移栽；壓縮基質(zhì)；缽苗；試驗

0 引 言

使用壓縮基質(zhì)育苗，具有病害少、秧苗健壯、成活率高等優(yōu)點[1]，適合非連作且單位面積種植株數(shù)少、經(jīng)濟效益高的作物育苗移栽[2]。以西、甜瓜為例，作為中國重要的經(jīng)濟作物之一，種植面積約達200萬hm2[3]，目前國內(nèi)的種植模式，多采用覆膜缽體苗人工移栽的栽培方式，起苗方便，不易傷苗，栽后生長速度快，適合栽種西瓜、甜瓜這類經(jīng)濟作物。為減輕農(nóng)民勞動強度、降低人工成本、提高栽植質(zhì)量，實現(xiàn)機械化移栽是必然趨勢。

國外旱地栽植機械研究起步較早，向著高效率、全自動的方向發(fā)展[4-5]，部分成熟的機型已有推廣應(yīng)用，如意大利Ferrari公司研發(fā)的Futura系列，日本洋馬PF2R乘坐式全自動蔬菜移栽機，意大利Checchi & Magli及英國Pearson等公司生產(chǎn)的全自動移栽機，這些全自動移栽機大都在原有的半自動移栽機的基礎(chǔ)上增加自動取苗裝置得以實現(xiàn)，且主要結(jié)合其本國作物種植模式和農(nóng)藝要求進行研制，不能很好地適應(yīng)中國耕地及農(nóng)藝特點[4-7]。中國開展移栽機研究時間較晚，王曉東[8]對水輪式打穴移栽機的成穴機理進行了理論分析和模擬計算，得到了打穴鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)與孔穴形狀之間的相互關(guān)系，完成了國內(nèi)第一臺水輪式打穴移栽機的研制工作。金偉豐[9]提出了2種蔬菜缽苗自動化栽植機構(gòu)，考慮行星輪系栽植器和錐齒輪行星輪系栽植器的特點及栽植作業(yè)穩(wěn)定性要求，優(yōu)選出了錐齒輪行星輪系栽植器作為蔬菜缽苗自動化栽植機構(gòu)。黃前澤[10]提出了缽苗移栽機變形橢圓齒輪行星系植苗機構(gòu)，研制了變形橢圓齒輪行星系植苗機構(gòu)試驗臺，驗證了植苗機構(gòu)理論模型與運動學(xué)分析的準(zhǔn)確性。

目前常見的盤夾式、鏈夾式移栽機適用于裸苗栽植；盤式移栽機用于裸苗和紙筒苗栽植；導(dǎo)苗管式、帶式喂入移栽機多用于開溝移栽；吊籃式移栽機適用于地膜覆蓋后打孔栽植，但在栽植缽體尺寸較大的缽苗時，由于部分土壤回流造成穴底不平整，無法保證壓縮基質(zhì)型缽苗移栽直立[11-13]。本文設(shè)計的半自動壓縮基質(zhì)型西瓜缽苗移栽機，采用先打穴后放苗的移栽方式，以期實現(xiàn)壓縮基質(zhì)型缽苗膜上打穴栽植。

1 缽苗力學(xué)特性測定

壓縮基質(zhì)型缽苗具有的外形尺寸及力學(xué)特性是設(shè)計取苗栽植方案及結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵依據(jù)。以西瓜缽苗為研究對象，通過測量缽苗的外形尺寸、測定不同含水率缽體的摩擦系數(shù)及缽體抗壓強度，為后續(xù)壓縮基質(zhì)型缽苗移栽機的設(shè)計研究提供依據(jù)[14-18]。

1.1 材料與儀器

選用圓餅狀壓縮基質(zhì)（以草本泥炭、木質(zhì)素為主要原料,單個質(zhì)量（40±3）g）、特大京欣瓜種，播種后生長期14～17d，缽體直徑為50～51.5 mm，高度為31.5～33 mm，苗高130～150 mm，寬110～150 mm。試驗儀器采用自制牽引式摩擦力試驗裝置、ALIPO牌ZP-100N電子測力計(測力范圍0～100 N，精度：示值的±0.5%,分辨率：0.01 N)、水平儀、瑞格爾RGM-4002智能控制電子萬能試驗機(測力范圍0~2 kN，精度：示值的±0.5%)、DHG-9123A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（控溫范圍10～200 ℃；控溫精度0.1 ℃）及半圓形夾具。

1.2 試驗方法與結(jié)果

分別對適栽的西瓜缽苗移栽出現(xiàn)的高含水率和低含水率2種狀態(tài)，各選取3株進行摩擦力試驗及缽體抗壓強度試驗。含水率為缽體抗壓強度試驗結(jié)束后烘干計算得出。采用如圖1a所示牽引式摩擦力測試裝置測量不同含水率缽體側(cè)面與滑道的摩擦系數(shù)，同一組試驗缽體每旋轉(zhuǎn)120°測量1次，共測量3次。結(jié)合公式/得出，取平均值，試驗結(jié)果如表1所示。由表1的試驗結(jié)果可知，缽體含水率高的組1摩擦系數(shù)大于含水率低的組2，說明含水率高的缽苗摩擦系數(shù)大于含水率低的缽苗。

1.牽引式摩擦力測試裝置 2,5.缽苗 3.滑道4.電子萬能試驗機 6.半圓形夾具

表1 摩擦力試驗結(jié)果

注：缽體抗壓強度試驗結(jié)束后，烘干計算得出組1與組2中每個缽體的含水率。組1中3個缽體的含水率分別為58.50%、64.04%、65.82%；組2中3個缽體的含水率分別為36.72%、36.18%、37.17%。

Note：After Compressive strength test of seedlings pot is completed, Calculate moisture content of each seedling pot in groups 1 and 2 by drying. water content of 3 seedling pots in group 1 was 58.50%, 64.04% and 65.82%, respectively; water content of 3 seedling pots in Group 2 was 36.72%, 36.18% and 37.17%, respectively.

使用電子萬能試驗機及半圓形夾具，測量2組不同含水率缽體抗壓強度，如圖1b所示，壓縮速度為1 mm/s。圖2為組1、組2缽體抗壓強度曲線。由圖2可知，載荷為0～5 N時，缽體在壓縮的初始階段，由于缽體表面較大的粗糙度與半圓狀薄金屬是點接觸，載荷均勻增大壓縮量急劇增大；當(dāng)載荷為5～20 N之間時，由于缽體表面與半圓狀薄金屬是面接觸，載荷均勻增大對壓縮量的影響較小[15]；當(dāng)載荷大于25 N時，試驗中觀察到部分缽體外部產(chǎn)生裂紋。對比2組試驗可以看出含水率較高的缽體抗壓強度低，不容易被破壞。

圖2 缽體抗壓強度曲線

2 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

半自動壓縮基質(zhì)型西瓜缽苗移栽機主要由地輪、擺動機構(gòu)、棘輪、打穴器、移位機構(gòu)、缽苗夾持機構(gòu)、輸送裝置、傳動系統(tǒng)、機架等組成。壓縮基質(zhì)型缽苗移栽機結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.驅(qū)動鏈輪 2.六方軸 3.棘輪機構(gòu) 4.動力鏈輪 5.栽植裝置鏈輪 6.缽苗夾持機構(gòu) 7.取苗氣缸 8.阻苗氣缸 9.接近開關(guān)A 10.機架 11.缽苗輸送裝置 12.地輪 13.接近開關(guān)B 14.打穴器

半自動壓縮基質(zhì)型西瓜缽苗移栽機由29.8 kW以上拖拉機牽引，地輪動力經(jīng)鏈傳動同時傳遞給擺動機構(gòu)和移位機構(gòu)。擺動機構(gòu)利用從動桿往復(fù)擺動的運動特性帶動棘輪旋轉(zhuǎn)，棘輪推動安裝棘爪的鏈輪間歇轉(zhuǎn)動帶動打穴器旋轉(zhuǎn)完成間歇打穴；移位機構(gòu)帶動缽苗夾持機構(gòu)在取苗位置和放苗位置之間往復(fù)運動，并通過齒輪傳動驅(qū)動輸送帶順時針旋轉(zhuǎn)將缽苗送至托苗板上（取苗位置），當(dāng)接近開關(guān)A檢測到缽苗夾持機構(gòu)移至取苗位置時，缽苗夾持機構(gòu)夾取缽苗，缽苗夾持機構(gòu)隨移位機構(gòu)向放苗位置運動，接近開關(guān)B檢測到夾取缽苗的缽苗夾持機構(gòu)移至放苗位置時，缽苗夾持機構(gòu)釋放缽苗，完成栽植。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 間歇式打穴裝置設(shè)計

3.1.1 運動分析

間歇式打穴裝置主要由擺動機構(gòu)、棘輪機構(gòu)及打穴器組成，擺動機構(gòu)由曲柄、傳動桿、從動桿和機架組成。曲柄轉(zhuǎn)動一整圈，從動桿往復(fù)擺動一次，四等分棘輪隨從動桿擺動推動安裝棘爪的鏈輪轉(zhuǎn)動，帶動打穴軸鏈輪旋轉(zhuǎn)，完成打穴。

3.1.2 擺動機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

圖4所示的擺動機構(gòu)中，0為曲柄的初始角。曲柄由0轉(zhuǎn)到0+90°時要求從動桿輸出角實現(xiàn)給定運動規(guī)律()[19-20]，即

注：1為曲柄的長度，mm；2為連桿的長度，mm；3為從動桿的長度，mm；4為機架的長度，mm；0為曲柄的初始角，(°)；E為曲柄的輸出角，(°)；0為從動桿的初始角，(°)；E為從動桿輸出角，(°)。

Note:1is the length of crank, mm;2is the length of connecting rod, mm;3is the length of driven rod, mm;4is the length of chassis, mm;0is initial Angle of crank, (°);Eis output angle of crank, (°);0is initial Angle of driven rod, (°);Eis output angle of driven rod, (°).

圖4 擺動機構(gòu)簡圖

Fig.4 Schematic diagram of swing mechanism

擺動機構(gòu)各零件尺寸為1、2、3、4?？紤]到空間布局應(yīng)盡可能緊湊，初設(shè)定1=57 mm，4=170 mm。取曲柄的初始位置角0為極位角，則

設(shè)計變量為=[23]T=[23]T，根據(jù)間歇式打穴裝置的工作原理，為使打穴作業(yè)過程更加精確，以擺動機構(gòu)運動規(guī)律與實際運動規(guī)律之間的偏差最小為指標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型，即

式中Ei為期望輸出角，(°)；為輸出角的等分數(shù)；Ф為從動桿的實際輸出角，(°)。圖5為擺動機構(gòu)運動學(xué)關(guān)系，由圖5可知

注：0≤φi﹤π時（實線），φi為曲柄AB的實際輸入角，(°)；Φi為從動桿CD的實際輸出角，(°)；γ為傳動角，(°)；ρ為B點與D點連線的長度，mm；αi為ρ與從動桿CD的夾角，(°)；βi為ρ與機架AD的夾角，(°)。π≤φi'﹤2π時（雙點劃線），φi'為曲柄AB'的實際輸入角，(°)；Φi'為從動桿C'D的實際輸出角，(°)；ρ'為B'點與D點連線的長度，mm；αi'為ρ'與從動桿C'D的夾角，(°)；βi'為ρ'與機架AD的夾角，(°)。

根據(jù)擺動機構(gòu)中曲柄存在的條件，可得

傳動角一般不小于40°，取40°≤≤140°，可得

采用MATLAB軟件對該問題進行優(yōu)化[19-21]，擺動機構(gòu)零件尺寸為1=57 mm、2=161 mm、3=79 mm、4=170 mm。從動桿擺動角度為92.3°，滿足四等分棘輪機構(gòu)工作要求。

3.1.3 打穴器設(shè)計

打穴器作為間歇式打穴裝置入土成穴的重要組成部分，穴形的好壞直接影響移栽機的栽植質(zhì)量。根據(jù)西瓜缽苗的外形特征，打穴器設(shè)計為上端大、下端小的圓錐形，如圖6所示。打穴時破膜取土，保證穴形底面平整。刃口端面寬度′是影響破膜取土的主要參數(shù)之一，刃口端面寬度越小，破膜取土阻力就越小，但也容易發(fā)生變形甚至崩裂，選取刃口端面寬度′為1.5 mm[22]。

注：l′為刃口端面寬度，mm；de為打穴器大端內(nèi)徑，mm；di為打穴器小端內(nèi)徑，mm；b1為打穴器錐形部分高度，mm；θ為切入角，(°)。

為保證穴形底面直徑大于缽體直徑51.5 mm，小端內(nèi)徑d取64 mm；根據(jù)栽植深度要求，打穴器錐形部分高度1取65 mm；切入角過大取土阻力大且造成穴壁土壤緊實度增加，切入角過小不利于將土從穴中取出且不易倒土，結(jié)合初期的取土試驗將切入角取21°，則大端內(nèi)徑d約為114 mm。

3.1.4 打穴器運動軌跡分析

使用Solidworks三維繪圖軟件繪制虛擬樣機，在Motion運動分析環(huán)境中定義各部件的運動參數(shù)，設(shè)定整機向前運動速度為600 mm/s，選擇打穴器頂端中心點進行軌跡跟蹤，運動軌跡如圖7所示，其軌跡為擺線，株距為90 cm，栽植深度為7 cm，滿足西瓜移栽種植模式的要求。

注：R為株距，mm；T為打穴器運動軌跡；S為地膜表面；H為栽植深度，mm。

3.2 持苗栽植裝置設(shè)計

持苗栽植裝置是半自動壓縮基質(zhì)型西瓜缽苗移栽機的核心部件，主要由移位機構(gòu)、缽苗夾持機構(gòu)組成，電控裝置和氣動元件為持苗栽植裝置的輔助元件。

3.2.1 持苗栽植位置分析

持苗栽植裝置在整個運動過程中有2個工作位置，一個是取苗位置（圖8雙點畫線所示），另一個是放苗位置（圖8實線所示）。

在取苗位置時，動力桿′與傳動桿′′共線，此時安裝在雙連桿′′上的缽苗夾持機構(gòu)′′向上運動到最高點，接近開關(guān)A檢測到缽苗夾持機構(gòu)′′到達取苗位置，控制電磁閥換向，取苗氣缸活塞桿收縮，缽苗夾持機構(gòu)′′夾取缽苗；缽苗夾持機構(gòu)按照既定運動軌跡運動至放苗位置。到達放苗位置時，動力桿與傳動桿共線，此時安裝在雙連桿上的缽苗夾持機構(gòu)向下運動到最低點，接近開關(guān)B檢測到缽苗夾持機構(gòu)到達放苗位置，控制電磁閥換向，取苗氣缸活塞桿伸長，缽苗夾持機構(gòu)釋放缽苗，完成一次栽植。

注：雙點畫線表示取苗位置，實線表示放苗位。φ1'、φ2'、φ3'、φ4'、φ5'、φ6'、θ1、θ2分別為動力桿EF、傳動桿FG、從動桿GH、動力雙擺桿HI、雙連桿IJ、從動雙擺桿KJ、機架EH、機架HK與x軸逆時針方向夾角，(°)；θ3為從動桿GH與動力雙擺桿HI的夾角，(°)；θ4為缽苗夾持機構(gòu)LM與雙連桿IJ的夾角，(°)。

3.2.2 持苗栽植裝置運動分析

已知1'、1'、1、2、3、4及各桿長度，利用解析法對處于放苗位置的移位機構(gòu)進行運動分析[23-25]。根據(jù)圖8建立水平方向為軸，垂直方向為軸，點的軸坐標(biāo)為0，缽體的軸坐標(biāo)為。

式中l為動力桿的長度；l為傳動桿的長度；l為從動桿的長度；l為機架的長度。

2'、3'由式（11）實部虛部分別相等解出，對式（11）求導(dǎo)，進行速度分析

式中1為動力桿的角速度，rad/s；2為傳動桿的角速度，rad/s；3為從動桿的角速度，rad/s。

令式（12）實部虛部分別相等整理得

對式（12）求導(dǎo)，進行加速度分析

令式（13）實部虛部分別相等得

式中2為傳動桿的加速度；3為從動桿的加速度。

式中l為動力雙擺桿的長度；l為雙連桿的長度；l為從動雙擺桿的長度；l為機架的長度。

式（15）意義為V+V=V。令式（15）實部虛部分別相等，與固接，3=4，求得式中5、6

將5、6帶入式（15）中求解出V、V。

式中4為動力雙擺桿的角速度，rad/s；5為雙連桿的角速度，rad/s；6為從動雙擺桿的角速度，rad/s。

運用速度影像原理，并根據(jù)速度多邊形的特點求解出西瓜缽苗在點的絕對速度V[26-30]，m/s。設(shè)其水平分速度為V，m/s，移栽機前進速度0，m/s，則有

當(dāng)移栽機前進速度一定時，西瓜缽苗釋放時的水平速度V直接影響移栽質(zhì)量，Δ值過大，會出現(xiàn)缽苗倒伏直立度不好；理論上Δ值越小，移栽機的栽植質(zhì)量越好，同時也可通過減小投苗高度，保證缽苗直立。

3.3 缽苗夾持機構(gòu)設(shè)計

根據(jù)西瓜缽苗力學(xué)性能測定結(jié)果，在一定范圍內(nèi)缽體含水率高的摩擦系數(shù)大、抗壓強度低。相同含水率的缽體，因組成缽體原料分布不均勻及西瓜苗根系個體差異，其承受的最大載荷也不相同[15]。由缽體抗壓試驗可知，當(dāng)外部載荷大于25 N時，部分缽體外部產(chǎn)生裂紋。考慮個體差異，安全系數(shù)取2.5，夾取力′=25/，則′為10 N。為保證缽苗夾持機構(gòu)在滿足缽苗抗壓強度條件下牢固的夾持缽苗，設(shè)缽苗重力為，夾持機構(gòu)兩側(cè)的夾持臂對缽體的夾持力分別為j1和j2。滿足如下關(guān)系

摩擦系數(shù)=0.634，max=0.1 kg時，滿足式（17）和式（18），說明當(dāng)缽苗摩擦系數(shù)較小，西瓜缽苗重力為最大時，缽苗基質(zhì)不被夾碎散落的前提下能夠克服缽苗的自身重力，保證移栽時缽苗夾持機構(gòu)能夠牢固夾取西瓜缽苗。

缽苗夾持機構(gòu)用于夾取和轉(zhuǎn)移西瓜缽苗，為實現(xiàn)準(zhǔn)確夾取及釋放缽苗自動化控制，使用氣缸控制夾持機構(gòu)的開合[31]。缽苗夾持機構(gòu)示意圖如圖9所示。

1.氣缸 2.固定支點 3.鉸接點 4.夾持臂 5.缽苗

1.Cylinder 2.Fixed point 3.Hinge point 4.Holdingarm 5.Seedlings

注：a為夾持臂總長，mm；b為鉸接點到夾持臂底端長度，mm；c為夾持臂寬度，mm；d為缽體直徑，mm；e為氣缸工作行程，mm；f為缽體高度，mm；j1和j2為兩側(cè)夾持臂對缽體的夾持力，N；1為氣缸拉力，N；為鉸接點受氣缸拉力方向與水平面夾角，(°)。

Note:ais length of clamping arm, mm;bis length from hinge point to bottom end of clamp arm, mm;cis the clamping arm width, mm;dis seedlings pot diameter, mm;eis cylinder working stroke, mm;fis height of seedlings pot, mm;j1andj2are clamping forces of clamping arms on two sides, N;1is the cylinder pull force, N;is the angle between direction of cylinder pulling force and horizontal plane at hinge point, (°).

圖9 缽苗夾持機構(gòu)簡圖

Fig.9 Schematic diagram of seedlings clamping mechanism

缽苗夾持機構(gòu)處于閉合位置時，滿足如下關(guān)系

按西瓜幼苗最大苗高150 mm（含基質(zhì)塊），最寬處120 mm，考慮空間限制及結(jié)構(gòu)要求取a、b、c、d、e、f分別為280、170、150、50、30、35 mm。將已知數(shù)值帶入式（19）和（20），解得1約為26 N。

3.4 缽苗輸送裝置的設(shè)計

缽苗輸送裝置如圖10所示，缽苗輸送裝置與持苗栽植裝置采用同一個動力源驅(qū)動，保證了缽苗的進給速度與持苗栽植裝置的取苗動作同步。采用輸送帶輸送的方式可以減少缽苗因滑落帶來的摩擦和碰撞損傷，輸送帶設(shè)計送苗速度為40株/min。為避免缽苗在下一次取苗之前掉落，設(shè)計了擋苗板及阻苗裝置。工作時，投苗人員使用條型鏟將缽苗從成排排列的苗盤中取出放在輸送帶上，輸送帶將缽苗輸送至托苗板上（取苗位置），當(dāng)接近開關(guān)A檢測到缽苗夾持機構(gòu)移至取苗位置時，阻苗氣缸驅(qū)動阻苗板打開，缽苗下移至托苗板，缽苗夾持機構(gòu)夾取缽苗，安裝在從動鏈輪上的撥桿將擋苗板推開；缽苗夾持機構(gòu)隨移位機構(gòu)向放苗位置運動，接近開關(guān)B檢測到夾取缽苗的缽苗夾持機構(gòu)移至放苗位置時，阻苗氣缸推動阻苗板閉合，缽苗夾持機構(gòu)釋放缽苗。

1.阻苗氣缸 2.阻苗板 3.輸送帶 4.撥桿 5.從動鏈輪 6.主動齒輪 7.半軸 8.從動齒輪 9.從動齒輪軸 10.擋苗板 11.托苗板

4 田間試驗

4.1 試驗條件

田間試驗于2017年5月在山東省寧津縣金利達公司試驗地進行（如圖11所示），地塊長度180 m，土壤含水率為12.4%，試驗用地經(jīng)過旋耕作業(yè)，保證土壤疏松平整。由于西瓜缽苗在適宜移栽時,瓜苗的質(zhì)量僅占缽苗總質(zhì)量的1.5%～3.2%，瓜苗相對基質(zhì)質(zhì)量很小且柔軟，瓜苗落地所產(chǎn)生的力矩對基質(zhì)傾斜無影響。隨機抽取不同含水率的壓縮基質(zhì)進行栽植功能驗證試驗。

圖11 樣機和田間試驗

4.2 試驗方法

移栽機與拖拉機掛接方式為三點懸掛，拖拉機動力為29.8 kW，試驗時移栽機保持2.1～2.6 km/h的速度前進，參照《中華人民共和國機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10291-2013》中旱地栽植機械的相關(guān)試驗方法，每次取連續(xù)的16株為數(shù)據(jù)采集樣本點，測量4組共64株取平均值。以株距合格率、倒伏率為性能評價指標(biāo)。設(shè)計株距為X，當(dāng)相鄰2株的實測株距X在（0，0.8X]范圍內(nèi)，為重栽；當(dāng)相鄰2株的實測株距在（0.8X，1.2X]范圍內(nèi)，為合格；當(dāng)相鄰2株的實測株距在（1.2X，2.2X]范圍內(nèi)，為漏栽；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定栽植后秧苗主莖與地面夾角小于30°為倒伏，根據(jù)壓縮基質(zhì)的圓餅狀外形，即當(dāng)?shù)孛媾c壓縮基質(zhì)表面夾角大于60°為倒伏。

4.3 試驗結(jié)果與分析

4.3.1 試驗結(jié)果

栽植倒伏和株距測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如表2和表3所示。由表2及表3中測量結(jié)果可知，倒伏率為21.9%，栽植平均株距98.6 cm，株距合格率為90.62%。

表2 倒伏率測量結(jié)果

表3 株距測量結(jié)果

4.3.2 試驗結(jié)果分析

表2中倒伏率較高的主要原因：打穴器內(nèi)壁較為光滑，試驗土壤含水率較低、土壤松散，打穴器取土后部分松軟土壤回填穴底導(dǎo)致穴底不平，部分缽體產(chǎn)生歪斜；因樣機未設(shè)計仿形裝置，當(dāng)?shù)剌唭蓚?cè)地勢高低相差過大時，造成機架擺動，使缽體放入穴時與穴壁接觸，導(dǎo)致少量缽體歪斜。表3中平均株距與設(shè)計株距存在偏差，造成偏差的原因為機器采用單側(cè)地輪傳動，且試驗地旋耕作業(yè)后土壤松軟，地輪發(fā)生滑移。

5 結(jié)論與展望

1）本文設(shè)計了一種能夠?qū)崿F(xiàn)移栽壓縮基質(zhì)型缽苗移栽的機械。根據(jù)測定的西瓜缽苗力學(xué)特性及外形尺寸參數(shù)，設(shè)計了缽苗夾持機構(gòu)和缽苗輸送裝置，利用MATLAB軟件對擺動機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。據(jù)測定的西瓜缽苗外形尺寸及栽植深度要求，確定了打穴器結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)。

2）通過單因素試驗測得2組不同含水率的西瓜缽苗缽體側(cè)面與滑道的摩擦系數(shù)分別為0.755、0.634。采用壓縮基質(zhì)進行田間栽植驗證試驗，拖拉機保持2.1～2.6 km/h的速度前進時，平均株距98.6 cm，株距合格率為90.62%；倒伏率為21.9%。倒伏率略高。

在后續(xù)研究中采用雙地輪驅(qū)動提高傳動的可靠性，獲得均勻株距；進一步優(yōu)化改進打穴器的形狀結(jié)構(gòu)，使取土后穴底平整，提高打穴質(zhì)量；增加仿形機構(gòu)保證機器水平，控制入土深度，降低倒伏率。

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Design and experiment of semi-automatic transplanter for watermelon seedlings raised on compression substrate

Han Changjie, Xu Yang, Zhang Jing, You Jia, Guo Hui

(,,830052,)

In order to solve the problem that seedlings cultivated by pie-shaped compression matrix can not be planted by the existing transplanter, a semi-automatic compression matrix seedling transplanter was designed in this paper by mimicking the artificially transplanting method of putting seedlings after punching a hole. The compression matrix type seedling transplanter mainly consists of a ground wheel, a swing mechanism, a ratchet wheel, a hole puncher, a displacement mechanism, a seedling clamping mechanism, a conveying device, a transmission system, a rack, and so on. The physical dimensions and mechanical properties of the compression matrix type seedling are the key basis for the design of the seedling planting schemes and structures. Taking watermelon seedlings as the research object, the dimensions of the seedlings were measured, and the friction coefficient of the compression matrix with different water contents and the compressive strength of the compression matrix were determined. The coefficients of friction between the slideways and the flanks of watermelon seedlings with 2 groups of different water contents were determined to be 0.755 and 0.634 respectively by single-factor tests. The relationship between the compression load and the compression amount of the 2 groups was also analyzed. When the load is 0-5 N, as the surface of the seedling is in point contact with the semi-circular thin metal at the initial stage of compression, the compression load increases evenly and the amount increases rapidly. When the load is between 5 and 20 N, as the surface of the seedling is in surface contact with the semi-circular thin metal, the compression load increases evenly with less impact on compression. When the load is greater than 25 N, some external cracks are observed on the surface of the seeding during the test. Comparing the 2 tests, it can be seen that the seedling with high water content is not easily destroyed. The swing mechanism is optimized according to the known movement law of the initial angle of the crank and the output angle of the driven rod. The dimensions of optimized parts are 57, 161, 79 and 170 mm, respectively. When the crank rotates one revolution of 360°, the reciprocating swing angle of the driven rod is 92.3°, which satisfies the working requirements of the four-equal-part ratchet wheel mechanism. The structure and specific size parameters of the hole puncher are determined according to the measurement size and planting depth requirements of the watermelon seedling. The width of the edge surface is 1.5 mm. The inner diameter of the small end is 64 mm, and the height of the tapered part of the hole puncher is 65 mm, and when the incision angle is 21°, the inner diameter of the big end is about 114 mm. The structure parameters of the seedling clamping mechanism are determined according to the mechanical properties and the dimension of watermelon seedling. And it is also concluded that the seedling’s matrix can overcome the self-gravity of the seedling, which ensures that the seedling clamping mechanism can securely grip the seedlings when transplanting with a clamping force of 26 N. The seedling conveying device and the planting holding device are driven by the same power source, ensuring that the feeding speed of the seedlings is synchronized with taking seedling action of the planting holding device. The conveyor belt is used to transport the seedlings, and the conveyor belt was designed to send seedlings at a speed of 40 plants per minute. Using a compression matrix for field planting functional verification tests, the average plant spacing is 98.6 cm when the transplanter moves at a stable speed of 2.1-2.6 km/h. The pass rate of the plant spacing is 90.62% and the lodging rate is 21.9% which is slightly higher. In the follow-up study, dual-ground-wheel driving would be used to improve the reliability of the transmission and obtain uniform spacing; a hole shape with the same level and the same depth should be acquired, and the lodging rate after the landing of pie-shaped matrix would be reduced by increasing the copying mechanism and optimizing the shape and structural parameters of the hole puncher.

mechanization; design; transplants; compressed substrate; seedlings; test

韓長杰，徐 陽，張 靜，尤 佳，郭 輝. 半自動壓縮基質(zhì)型西瓜缽苗移栽機設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(13)：54－61. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.007 http://www.tcsae.org

Han Changjie, Xu Yang, Zhang Jing, You Jia, Guo Hui. Design and experiment of semi-automatic transplanter for watermelon seedlings raised on compression substrate[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 54－61. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.007 http://www.tcsae.org

2017-11-04

2018-04-04

國家自然科學(xué)基金項目（50905153，51565059）；“十三五”國家重點研發(fā)計劃（2017YFD0700803-2）；2017年自治區(qū)農(nóng)業(yè)科技推廣與服務(wù)項目

韓長杰，副教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)機械設(shè)計與智能農(nóng)業(yè)裝備的研究。Email：hcj_627@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.007

S223.92

A

1002-6819(2018)-13-0054-08