丘陵山區(qū)煙草井窖式打孔投苗機(jī)設(shè)計(jì)

戴洪鋒 張力元 衛(wèi) 韋 吳長(zhǎng)兵 張富貴 喻麗華

（1貴州省煙草公司黔南州公司，貴州都勻 558000；2貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，貴州貴陽(yáng) 550001；3貴州大學(xué)工程訓(xùn)練中心，貴州貴陽(yáng) 550025；4中國(guó)煙草總公司貴州省公司，貴州貴陽(yáng) 550004；5貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550025）

我國(guó)烤煙種植面積和總產(chǎn)量居世界首位，具有種植面積大、種植區(qū)域廣、產(chǎn)值高等特點(diǎn)[1]。我國(guó)煙草種植主要分布在丘陵山地，此類地形地塊破碎，土壤濕度與黏度大，地形起伏，作業(yè)環(huán)境和條件嚴(yán)苛[2]。貴州省是典型的山地丘陵地帶，90%以上為山地及丘陵，為我國(guó)煙草第二大種植區(qū)[3-4]。當(dāng)前，平原地區(qū)相繼出現(xiàn)了鏈夾式、鴨嘴式、撓性圓盤式、吊籃式、導(dǎo)苗管式煙草移栽機(jī)等煙苗移栽機(jī)械，這些農(nóng)機(jī)具的投入使用在一定程度上減輕了煙農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了生產(chǎn)效率[5-11]。煙草拖掛式移栽機(jī)[12]和自走式煙草移栽機(jī)[13]都是為北方煙區(qū)煙草移栽設(shè)計(jì)的，但在貴州省丘陵山區(qū)并不適用。煙苗移栽作業(yè)在煙苗移栽前，先采用背負(fù)式打孔機(jī)在待栽土壤壟體上部按株距制作井窖，再進(jìn)行人工投苗。此方法勞動(dòng)強(qiáng)度大，且背負(fù)時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)會(huì)給勞動(dòng)者帶來(lái)不適。為此，研究人員著手研制了一款適合丘陵山區(qū)使用的煙草井窖式打孔投苗機(jī)，打孔、投苗一機(jī)實(shí)現(xiàn)，且由背負(fù)式轉(zhuǎn)為自走式作業(yè)，從而大幅降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了綜合作業(yè)效率。

1 材料與方法

1.1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、原理和參數(shù)

1.1.1 總體結(jié)構(gòu)。該煙草井窖式打孔投苗機(jī)主要由打孔裝置、投苗裝置、機(jī)架及前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。打孔裝置位于機(jī)器正前方，負(fù)責(zé)打孔作業(yè)。投苗裝置位于打孔裝置的后方一定距離處（根據(jù)移栽株距可自行調(diào)整）。機(jī)架起支撐作用，打孔裝置和投苗裝置都安裝于機(jī)架上。機(jī)器前方的2個(gè)輪子設(shè)有前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，可使機(jī)器具有轉(zhuǎn)向功能。

1.1.2 工作原理。在作業(yè)時(shí)，2個(gè)機(jī)手分別行走于壟體兩側(cè)的壟溝中，并推動(dòng)井窖式打孔投苗機(jī)到打孔位置，右側(cè)機(jī)手握緊打孔裝置中打孔壓桿上的操作手柄，自鎖卡銷解開(kāi)自鎖，打孔頭靠自重下行，同時(shí)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)打孔頭旋轉(zhuǎn)，完成打孔后，再按壓打孔壓桿，提起打孔頭。與此同時(shí)，左側(cè)機(jī)手從投苗架上所放的苗盤中迅速取出煙苗放進(jìn)投苗筒完成投苗作業(yè)。打孔投苗完成后，推動(dòng)打孔機(jī)前行，直至投苗筒中心對(duì)準(zhǔn)下一個(gè)孔的中心，繼續(xù)完成下一個(gè)打孔投苗作業(yè)。如此重復(fù)以上動(dòng)作，從而完成整個(gè)煙苗投苗作業(yè)。

1.1.3 技術(shù)參數(shù)。該煙草井窖式打孔投苗機(jī)由2個(gè)機(jī)手共同操作，一個(gè)負(fù)責(zé)打孔作業(yè)，另一個(gè)負(fù)責(zé)投苗作業(yè)。它可以通過(guò)調(diào)整該機(jī)器的左右輪距和投苗筒的前后安裝位置來(lái)適應(yīng)不同的壟底寬和移栽株距。該煙草井窖式打孔投苗機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下：自走式結(jié)構(gòu)外形尺寸為1 420 mm×1 240 mm×1 235 mm，采用直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)（48 V，2 000 r/min，13 A，1.91 N·m）和1∶5減速器，電池規(guī)格為48 V、20 Ah，輪距可調(diào)（900、1 000、1 100 mm），打孔距離（投苗株距）可調(diào)（450、500、550 mm），作業(yè)效率為 680 穴/h。

1.2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1.2.1 打孔裝置。井窖式打孔裝置是本機(jī)的主要作業(yè)機(jī)構(gòu)之一，因?yàn)椴捎秒姍C(jī)作為打孔動(dòng)力源，所以要配備蓄電池來(lái)供電。該裝置主要由打孔頭、電機(jī)、導(dǎo)向軸、軟軸等組成，如圖2所示。根據(jù)貴州省地方標(biāo)準(zhǔn)《烤煙井窖式移栽技術(shù)規(guī)程》（DB 52/T 891—2014）規(guī)定的井窖規(guī)格[14]，打孔裝置的打孔頭設(shè)計(jì)如下：上部為圓柱體，直徑為100 mm，高120 mm；下部呈圓錐體，圓錐體直徑100 mm，高80 mm。打孔頭位于整機(jī)正前方，可使打孔位置精準(zhǔn)地位于壟面正中央。該裝置工作時(shí)由機(jī)器右側(cè)機(jī)手握緊打孔壓桿上的操作手柄，使自鎖卡銷解開(kāi)自鎖，打孔頭靠自重下行，同時(shí)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)打孔頭旋轉(zhuǎn)，完成打孔后，再按壓打孔壓桿，提起打孔頭，在煙壟上打出深度為200 mm的深孔（井窖式苗穴）。此打孔裝置的創(chuàng)新之處是使用軟軸將固定在機(jī)架上的電機(jī)傳來(lái)的動(dòng)力作用于鉆頭進(jìn)行打孔作業(yè)，使右側(cè)機(jī)手操作打孔壓桿提起打孔頭的勞動(dòng)強(qiáng)度大幅減輕。

1.2.2 投苗裝置。該煙草井窖式打孔投苗機(jī)的另一個(gè)主要作業(yè)機(jī)構(gòu)是投苗裝置，其主要由投苗筒組成。投苗筒由投苗口、支撐板及導(dǎo)苗筒組成，如圖3所示。該支撐板上面四周有4個(gè)通孔，目的是通過(guò)螺栓安裝于機(jī)架上，使該投苗筒可以安裝于機(jī)架上的前后3個(gè)不同位置，依次間隔50 mm，以便根據(jù)投苗株距安裝投苗筒。該機(jī)器移栽株距設(shè)置了3個(gè)檔，分別為450、500、550 mm，這3種株距是貴州省烤煙種植常用株距。作業(yè)時(shí)，左側(cè)機(jī)手從苗盤架上所放的苗盤中迅速取出煙苗放進(jìn)投苗筒投苗處，使煙苗沿導(dǎo)苗筒向下落入井窖式苗穴中，從而完成投苗作業(yè)。

1.2.3 機(jī)架。該煙草井窖式打孔投苗機(jī)的機(jī)架是用來(lái)支撐打孔裝置和投苗裝置的，也是該機(jī)器不可或缺的組成部分。機(jī)架由前支撐桿、后支撐桿、左扶手桿、右扶手桿、中間支撐桿等組成，如圖4所示。苗盤架、株距以及打孔裝置的尺寸決定了機(jī)架長(zhǎng)度，最大壟底寬決定了機(jī)架寬度，高度設(shè)計(jì)符合人體工程學(xué)且操作方便、舒適。最大壟底寬決定了該打孔投苗機(jī)機(jī)架尺寸。前后支撐桿上的左右兩邊均有通孔，目的是為了調(diào)節(jié)左右兩邊的輪距來(lái)適應(yīng)不同壟底寬。該機(jī)器設(shè)置了900、1 000、1 100 mm 3個(gè)不同輪距。機(jī)手握住扶手桿推動(dòng)機(jī)器行走。

1.2.4 前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。該煙草井窖式打孔投苗機(jī)的前輪設(shè)有前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，由安裝在前支撐桿上的轉(zhuǎn)動(dòng)軸承、定位銷以及轉(zhuǎn)向桿組成，如圖5所示。當(dāng)投苗機(jī)在煙地進(jìn)行作業(yè)時(shí)只需要走直線運(yùn)動(dòng)，此時(shí)定位銷插進(jìn)前支撐桿孔內(nèi)進(jìn)行固定，使2個(gè)前輪位置始終處于位置2的狀態(tài)即可；當(dāng)投苗機(jī)不進(jìn)行作業(yè)主要轉(zhuǎn)方向行走時(shí)，就將固定銷拔出前支撐桿，這樣右側(cè)機(jī)手通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向桿便可以使前輪前后相對(duì)位置2轉(zhuǎn)動(dòng)30°到位置1或位置3，從而實(shí)現(xiàn)投苗機(jī)的轉(zhuǎn)向功能。

1.3 性能試驗(yàn)方法

2021年3—4月，在貴州省甕安縣天文鎮(zhèn)、長(zhǎng)順縣廣順鎮(zhèn)、福泉市藜山鄉(xiāng)3個(gè)地方先后進(jìn)行了3次打孔投苗機(jī)性能試驗(yàn)。一是準(zhǔn)備階段。試驗(yàn)田已經(jīng)完成起壟覆膜[15]。二是種煙農(nóng)藝。壟上打孔移栽，移栽前起弧形壟并覆膜，壟底寬為1 100 mm，壟面寬為400 mm，壟高250 mm，株距500 mm。

參考煙葉生產(chǎn)機(jī)械化各環(huán)節(jié)作業(yè)質(zhì)量要求評(píng)價(jià)指標(biāo)中對(duì)移栽機(jī)械的部分作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，其中評(píng)價(jià)項(xiàng)目包括栽植深度h[（評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)h?H（1±5%）cm 或 h′?H′（1±5%）cm，H 為標(biāo)準(zhǔn)栽植深度）、漏栽率（評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)≤5%）、不合格率（評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)≤10%）、安全要求（有安全保護(hù)措施、安全標(biāo)志），其余評(píng)價(jià)項(xiàng)目未做統(tǒng)一要求。對(duì)打孔投苗機(jī)的投苗性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。在試驗(yàn)過(guò)程中，由2個(gè)機(jī)手分別站在壟的兩側(cè)握住打孔移栽機(jī)左右扶手同時(shí)操作該機(jī)器。右側(cè)機(jī)手主要負(fù)責(zé)打孔作業(yè)，左側(cè)機(jī)手主要負(fù)責(zé)投苗。在試驗(yàn)過(guò)程中由試驗(yàn)人員從打第1個(gè)孔開(kāi)始計(jì)時(shí)，對(duì)總打孔數(shù)量和所用總時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行記錄，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

第一次試驗(yàn)，樣機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)打孔投苗基本功能，且都能達(dá)到評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試106 s打孔20個(gè)，平均作業(yè)效率為5.3 s/個(gè)，即680孔/h。但是，通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)樣機(jī)打孔裝置的打孔頭轉(zhuǎn)速過(guò)快使其入土力量不夠?qū)е麓蚩咨疃炔粔颉＝?jīng)過(guò)改進(jìn)后又進(jìn)行第2次、第3次性能試驗(yàn)，平均作業(yè)效率不變。最大的改進(jìn)之處是在電機(jī)上加裝減速器，使其轉(zhuǎn)速由軟軸將固定在機(jī)架上的電機(jī)傳來(lái)的動(dòng)力作用于鉆頭進(jìn)行打孔作業(yè)，電機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度較第1次試驗(yàn)大大減輕。打孔投苗機(jī)樣機(jī)、試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)以及打孔投苗后效果分別如圖6、7、8 所示。

3 結(jié)論與討論

本文設(shè)計(jì)的井窖式打孔投苗機(jī)使用軟軸將固定在機(jī)架上的電機(jī)傳來(lái)的動(dòng)力作用于鉆頭進(jìn)行打孔作業(yè)，使右側(cè)機(jī)手操作打孔壓桿提起打孔頭的勞動(dòng)強(qiáng)度大幅減輕。電機(jī)配有合適速比的減速器，使移栽機(jī)打孔參數(shù)及質(zhì)量符合當(dāng)?shù)責(zé)煵菀圃赞r(nóng)藝要求。該機(jī)械設(shè)有簡(jiǎn)單、易操作的前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，使投苗機(jī)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向功能，解決了以往投苗機(jī)靠手抬挪動(dòng)機(jī)器來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能的弊端。不足之處是作業(yè)效率較人工低。

綜上所述，井窖式打孔投苗機(jī)一次性完成了井窖式打孔和人工輔助投苗作業(yè)，打孔參數(shù)及質(zhì)量符合當(dāng)?shù)責(zé)煵菀圃赞r(nóng)藝要求，平均作業(yè)效率為680穴/h。研究成果對(duì)丘陵山區(qū)煙草移栽環(huán)節(jié)的機(jī)械化作業(yè)具有一定的參考作用。