井窖式煙草移栽機設計與試驗

王德權，杜傳印，薦世春，徐高偉，何騰飛

（1.261205 山東省 濰坊市 山東濰坊煙草有限公司；2.250100 山東省 濟南市 山東省農(nóng)業(yè)機械科學研究院；3.250357 山東省 濟南市 山東交通學院汽車工程學院）

0 引言

裝井窖式煙草移栽技術是由貴州省銅仁式煙草公司提出的一種煙草移栽新技術[1-4]。它利用井窖可保溫、保濕的功能，在煙草種植的大壟上形成一直徑在6～8 cm、深度在18～20 cm、穴距離為50 cm 的圓形井窖中，將煙草缽苗栽入其中，栽植后澆水、噴藥和施肥同時進行地膜覆蓋，以提高煙草的生產(chǎn)周期和品質(zhì)，增加煙草種植的經(jīng)濟效益[5-6]。

目前,市面上井窖式煙草移栽農(nóng)藝相配套的作業(yè)裝備主要有手持式井窖成穴裝置和間歇成穴式煙草移栽裝備。手持式煙草成穴裝置[7]由人工作業(yè)，動力源為小汽油機，由人工背負，與汽油機連接以柔性軸，柔性軸的末端為圓柱形成穴器，成穴器由汽油機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)動的同時通過人工按入地壟中成穴；間歇成穴式煙草移栽裝備[8-11]由動力底盤搭載成穴裝置在田間進行行走作業(yè)，動力底盤為間歇式移動，當?shù)妆P移動至成穴位置時停止移動，此時成穴裝置的成穴器轉(zhuǎn)動，并豎直向下移動，形成穴口。以上兩種裝備中，手持式作業(yè)裝備的勞動強度最大，效率最低；間歇式作業(yè)裝備由于動力底盤要不斷停止和移動，作業(yè)效率仍很低，同時還會產(chǎn)生停止和移動的速度沖擊，降低機具的可靠性。

針對以上情況，本文結(jié)合井窖式煙草移栽的農(nóng)藝要求，以此為基礎設計一種集井窖成穴、移栽、注水為一體的多功能復式作業(yè)煙草移栽機降低井窖式煙草移栽的勞動強度，提高井窖式煙草作業(yè)效率和質(zhì)量。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

井窖式煙草移栽機結(jié)構(gòu)如圖1 所示。主要由投苗裝置、成穴移栽注水裝置、苗架、地輪、座椅、水箱和自走式底盤組成。機具主要技術參數(shù)如表1 所示。

圖1 井窖式煙草移栽機結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural drawing of cellar tobacco transplanter

表1 機具主要技術參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of the machine

1.2 工作原理

工作時由人工將煙草缽苗置于投苗裝置的苗杯中，投苗裝置的動力由換向器上的鏈輪進入，通過換向器傳遞至苗杯驅(qū)動盤、驅(qū)動盤驅(qū)動苗杯在苗杯移動架上運動，當運動到指定位置時苗杯的下蓋打開，煙草缽苗落入栽植器中。

煙草缽苗落入栽植器后，成穴移栽注水裝置在動力的驅(qū)動下工作，成穴器安裝在平行四桿機構(gòu)前端的換向器上，隨著曲柄的轉(zhuǎn)動，通過鏈傳動將動力傳遞給成穴器，成穴器隨成穴移栽注水裝置的平行四桿機構(gòu)工作位置發(fā)生改變的同時自身也在轉(zhuǎn)動；栽植器和注水裝置一體焊接在平行四桿機構(gòu)連桿的后端，隨著平行四桿機構(gòu)的運動而運動。成穴移栽注水裝置隨著自走式底盤前進而進行連續(xù)作業(yè)，連續(xù)成穴、栽植和注水。

自走式底盤由發(fā)動機提供動力，通過傳動裝置傳遞給后輪，由后輪驅(qū)動底盤前進。水箱與注水裝置連接，通過注水裝置實現(xiàn)間歇注水。

2 關鍵部件設計

2.1 成穴移栽注水機構(gòu)設計

成穴移栽注水裝置由成穴器、栽植器、注水裝置、換向器、曲柄、連桿、鏈輪和鏈條組成。裝置的二曲柄、連桿、機架以及同時驅(qū)動二曲柄的鏈傳動組成了平行四桿機構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 成穴移栽注水裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of water injection device for transplanting into hole

機構(gòu)簡圖如圖3 所示，由平行四桿機構(gòu)OABC、井窖式成穴器EF、栽植與注水一體裝置GH組成。曲柄AB和OC帶動井窖式成穴器EF和鴨嘴栽植器、注水裝置GH完成成穴、移栽和注水工作。

圖3 機構(gòu)簡圖Fig.3 Mechanism diagram

2.1.1 運動學模型

以O點為坐標原點，水平方向為x軸、豎直方向為y軸建立直角坐標系，如圖4 所示。

圖4 運動學模型Fig.4 Kinematic model

A點的位移方程為

B點的位移方程為

C點的位移方程為

對式（4）和式（5）求1 階導數(shù)和2 階導數(shù)，即可得點F和點G的速度和加速度方程。

2.1.2 人機交互可視化輔助分析與參數(shù)優(yōu)化軟件

在上述建立的數(shù)學模型基礎上，運用MATLAB 編寫四桿式煙草移栽機構(gòu)人機交互可視化輔助界面與參數(shù)優(yōu)化軟件，如圖5 所示。

圖5 人機交互可視化輔助界面Fig.5 Visual assistant interface of human computer interaction

2.1.3 機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

（1）優(yōu)化目標

煙草移栽深度為180～200 mm，株距為500 mm，穴口直徑為60～80 mm，為滿足煙草移栽的農(nóng)藝要求，其絕對軌跡應滿足以下條件：①其絕對運動軌跡最低點與壟面線的垂直距離h1，即移栽深度為180～200 mm；②成穴器在移栽過程中與壟面線的夾角β1盡量接近90°；③成穴器所成穴口直徑l在60～80 mm 之間。

（2）參數(shù)優(yōu)化過程與結(jié)果

①機構(gòu)數(shù)學模型為基礎，初定參數(shù)各初始值，獲得參數(shù)初始工作軌跡和目標值。

②根據(jù)移栽深度和絕對軌跡行程的優(yōu)化目標，調(diào)整機構(gòu)各參數(shù)，不斷調(diào)整上述各參數(shù)值，使各個目標值逐步符合優(yōu)化目標要求。

③根據(jù)其余的優(yōu)化目標，微調(diào)機構(gòu)各參數(shù)，使各個目標值逐步符合其余優(yōu)化目標要求。

根據(jù)以上步驟，通過人機交互方式確定1 組較優(yōu)的參數(shù)：l1=420 mm，l2=160 mm，l3=160 mm，l4=420 mm，θ1=θ2=40°，θ3=θ4=90°。

2.2 栽植器設計

鴨嘴栽植器主要由上部機座裝配、栽植器右裝配、栽植器左裝配、銷軸、六方軸、彈簧和連接銷組成，如圖6 所示。

圖6 鴨嘴栽植器結(jié)構(gòu)組成Fig.6 Structural composition of duck-billed planter

根據(jù)煙草缽苗植株形態(tài)確定煙草栽植器鴨嘴總長度為160 mm、鴨嘴打開寬度為55 mm，拉筋拉動的距離決定了鴨嘴打開的寬度。鴨嘴栽植器開閉的理論簡圖如圖7 所示。

圖7 鴨嘴開閉理論簡圖Fig.7 Theoretical sketch of duckbill opening and closing

根據(jù)上述理論簡圖建立栽植器的理論模型，在圖7（b）中根據(jù)幾何關系，△PCL ∽△EAG，可得：

式中：ld——EG長度，mm；lm——AG長度，mm；le——CD長度，mm；lf——PC長度，mm。

結(jié)合上述已知條件，求得lm=5.2 mm，lm取5 mm。

煙草栽植器在打開過程中的要求是左、右栽植器同步打開。為實現(xiàn)上述要求，在右側(cè)栽植器上加工一延長孔，在左栽植器固聯(lián)一銷軸與延長孔配合，如圖8 所示。當拉動左側(cè)栽植器時，銷軸轉(zhuǎn)動，相對于延長孔的位置發(fā)生變化，繼而驅(qū)動右側(cè)栽植器轉(zhuǎn)動，滿足了左、右鴨嘴同時打開的要求。因此，延長孔的長度和位置決定了左側(cè)和右側(cè)栽植器同時打開的最大寬度。

圖8 栽植器關閉和打開時銷軸在延長孔中的位置變化Fig.8 Position of pin shaft in extension hole when duckbill opens and closes

當鴨嘴閉合時，銷軸應與延長孔的右半圓完全重合；當鴨嘴打開時，銷軸應與延長孔的左側(cè)半圓完全重合。根據(jù)圖8（b）中的幾何關系可得，左、右鴨嘴同時開閉的條件為：在鴨嘴開閉的過程中，線段GO始終與線段OB相等。根據(jù)式10可求出GO與OB的長度為54 mm，延長孔總長度為7 mm，左、右半圓半徑為3 mm。

3 樣機試驗

根據(jù)設計結(jié)果試制樣機并進行田間試驗，如圖9(a)所示。試驗采用漂浮育苗法培育的煙草缽苗作為試驗秧苗，移栽機作業(yè)速度為0.25 m/s，按照我國旱地移栽機械作業(yè)標準（JB/T10291-2013）進行，每次重復試驗移栽200 株煙草缽苗，重復3 次。試驗效果如圖9（b）所示。

圖9 田間試驗Fig.9 Field experiment

田間試驗結(jié)果如表2 所示。

表2 主要移栽性能測量數(shù)據(jù)Tab.2 Measurement data of main transplanting performance

表2 為主要移栽性能測量數(shù)據(jù)，移栽性能滿足旱地移栽機械作業(yè)標準中規(guī)定的性能指標，株距變異系數(shù)平均值為7.1%，是由于機器作業(yè)速度發(fā)生波動而引起；栽植深度合格率平均值為94.6%，究其原因是移栽試驗田地形起伏以及起壟高度誤差造成。試驗結(jié)果滿足井窖式煙草移栽的農(nóng)藝要求。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)井窖式煙草移栽的農(nóng)藝要求設計井窖式煙草移栽機整機，對其結(jié)構(gòu)和工作原理進行闡述；對關鍵部件成穴移栽注水機構(gòu)和栽植器進行了設計，建立其數(shù)學模型，在此基礎上獲取其最佳參數(shù)組合。

（2）研制井窖式煙草移栽機樣機并進行了田間試驗，田間試驗結(jié)果表明：株距變異系數(shù)為7.1%，栽植深度合格率為94.6%，滿足井窖式煙草移栽的農(nóng)藝要求和作業(yè)質(zhì)量要求。