小型步進式電動打塘移栽機的設(shè)計

晏飛+胡小東+李俊+李文標+陸勇+唐斌+龍偉

摘 要：針對云南煙區(qū)特有地形地貌、土壤條件和煙苗移栽要求，設(shè)計開發(fā)一種步進式電動打塘移栽機，解決外來移栽機適應(yīng)性差的問題。該機主要由車架、控制器、打塘機構(gòu)、植苗機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)等部件組成，具有電力驅(qū)動、步進式、打塘、植苗等功能。該機通過云南省農(nóng)機鑒定站的產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗鑒定；該機田間試驗效果情況較好，有效度達到99.6%，表明該機是一種適合各種類型田地和土壤條件的、集打塘移栽于一體、減工降本顯著的環(huán)保型移栽機，具有廣闊的應(yīng)用前景和現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：步進式；電動；移栽機；云南煙區(qū)

中圖分類號 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）09-0140-04

Abstract：Aiming at the unique topography，soil conditions and transplanting requirements of Yunnan tobacco-growing areas，an electrical stepping and ponding tobacco transplanter was designed and developed to solve the issue of poor adaptability of this foreign transplanter. The machine is mainly composed of frame，controller，ponding，planting，driving and other components，with electric drive，stepping，ponding，planting seedlings and other functions. The machine is validated by the product quality supervision and inspection of Yunnan Agricultural Machinery Identification Station. The efficiency of the field test is 99.6%，which indicates that the machine is a kind of suitable for all kinds of field and soil conditions. The environment-friendly transplant machine，including the functions of ponding and transplanting and labor-saving，has broad application prospects and practical significance.

Key words：Stepping；Electric；Transplanting；Yunnan tobacco area

烤煙是我國重要的經(jīng)濟作物，所提供的稅收占國家財政總收入的7%～10%。云南省為我國烤煙的主產(chǎn)區(qū)，常年種植面積超過25萬hm2，產(chǎn)量高達90萬t[1]。移栽是烤煙生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一，起壟能防澇防旱，提高地溫，增加土壤透氣性，促進烤煙根系生長發(fā)育，同時便于地膜覆蓋；移栽可將作物生育期提前15d左右，有效地避開早春不利影響，提高幼苗的成活率，延長作物生育期，有效地提高單產(chǎn)和作物的品質(zhì)等，特別是推廣膜下小苗移栽以來，其效果更為明顯[2]。

云南省耕地面積280萬hm2，人均占有耕地0.067hm2，其中山區(qū)、半山區(qū)面積占94%，壩區(qū)占6%。云南植煙土壤類型較多，常見的有紅壤（占比56.55%）、黃壤（8.64%）、紫色土（14.07%）和水稻土（2.6%）等，理化性質(zhì)各不相同，為煙草種植提供了豐富的土壤資源，同時也為移栽機提供了嚴苛的作業(yè)環(huán)境[3]。

國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出一些類型的移栽機，按照移栽機械栽植器的機構(gòu)類型，可分為鉗夾式、撓性圓盤式、吊籃式、導(dǎo)苗管式和鴨嘴式5類，各有優(yōu)缺點[4]。2009年以來，云南煙區(qū)對移栽機進行了試驗示范，由于國外烤煙生產(chǎn)采用平地移栽的方式，不起壟和打塘，所以引進的移栽機僅用于插苗，不能打塘和施肥，部分有澆灌功能，對田地平整度、土壤一致性等作業(yè)條件的要求極高，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)適應(yīng)性太差（機體大，由大型拖拉機驅(qū)動）、功能實現(xiàn)少和機具造價偏高等問題。國內(nèi)產(chǎn)品以仿制為主，與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求相脫節(jié)，移栽質(zhì)量不穩(wěn)定、煙苗成活率不高、實用性差、自動化程度不高，在移栽推廣過程中存在很多問題[5]。因此，云南煙區(qū)基本還是以人工移栽為主，但人工操作成本高、效率低、勞動強度大，并且移栽質(zhì)量難以保證。為此楚雄州煙草公司立項開發(fā)設(shè)計了一種適合各種類型田地和土壤條件的、集打塘移栽（施肥）于一體、減工降本顯著的小型步進式電動打塘移栽機。王成等人對該機樣機結(jié)構(gòu)和田間試驗情況做了簡要報道[3]，本文在此基礎(chǔ)上對該機研制定型和農(nóng)機鑒定情況做進一步闡述。

1 設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)特點

1.1 設(shè)計原理 云南多數(shù)植煙土壤耕作阻力大，易形成大土塊，耕整地農(nóng)機作業(yè)難以運行，易發(fā)生粘閉和破壞土壤結(jié)構(gòu)（見表1）。云南省烤煙生產(chǎn)主要采用漂浮育苗和砂培育苗兩種方式培育煙苗。移栽方式為小苗移栽、常規(guī)苗移栽。煙苗的外觀及質(zhì)量存在差異（見表2、表3）。云南省常見烤煙主栽品種有K326、云煙系列、紅花大金元，不同烤煙品種的種植密度及行距規(guī)格不同，有1.2m、1.1m、1m 3種；株距統(tǒng)一為50cm。壟高規(guī)格以20～40cm為主。人工打塘深度12～15cm為主，打塘直徑20～30cm為主。按地域條件劃分為田煙和地煙。田煙一般采用大拖拉機起壟，壟的截面形狀為梯形或三角形；地煙用旋耕機或人工起壟，用旋耕機起壟，壟的截面形狀為弧形；人工起壟，壟的截面形狀為梯形。

現(xiàn)有移栽機主要用內(nèi)燃機產(chǎn)生動力，并將動力分為兩部分，一部分作為牽引動力，另一部分通過齒輪箱或地輪傳遞給移栽機構(gòu)，依靠吊籃機構(gòu)或平行四連桿機構(gòu)完成移栽動作。牽引機構(gòu)和移栽機構(gòu)共用一個動力源，兩者形成內(nèi)聯(lián)傳動關(guān)系，能保障株距一致，但是不能保障植苗率和解決鴨嘴夾苗的問題。要實現(xiàn)較好的移栽效果，需做到鴨嘴（吊杯）軌跡為垂直于地面的直線，在空間形成線性運動；且當鴨嘴在土中時，移栽機行走牽引速度為零。據(jù)此，應(yīng)將移栽機的行走驅(qū)動動力和移栽動力分開，使之無內(nèi)聯(lián)關(guān)系。因此，本研究采用電力作為動力源。

為適應(yīng)不同土壤類型、育苗情況、品種要求和起壟要求，煙苗的移栽深度須可調(diào)。為大量收集、充分利用自然降雨和人工澆水，提高煙苗的抗旱成活率，打出的煙塘須呈碗狀下凹形態(tài)。為促進根系早生快發(fā)，打塘機構(gòu)的形狀設(shè)計和旋轉(zhuǎn)速率要協(xié)調(diào)配合，移栽鴨嘴的形狀設(shè)計和提升速率要協(xié)調(diào)配合，使塘內(nèi)小顆粒細土盡可能多，實現(xiàn)細土壅根，才能充分保障成活率。

1.2 整機結(jié)構(gòu)構(gòu)造 整機采用步進式作業(yè)方式，具有可變輪距式通用底盤。如圖1所示樣機主要由底盤、移動式工作臺和控制系統(tǒng)三部分組成。底盤主要有前橋、后橋、主車架和行走驅(qū)動電機組成。前橋和后橋的輪距可以調(diào)節(jié)。移動式工作臺主要由移動機構(gòu)、植苗機構(gòu)、打塘機構(gòu)和打塘-移栽驅(qū)動電機組成，其主要功能就是調(diào)節(jié)插深，并進行植苗和打塘作業(yè)。

按下控制開關(guān)后，行走驅(qū)動電機開始工作，驅(qū)動機器向前行走，當行走一個株距的距離后，行走電機停止工作，機器制動，這時打塘-移栽驅(qū)動電機開始工作，驅(qū)動移栽機構(gòu)、打塘機構(gòu)植苗和打塘，然后打塘-移栽驅(qū)動電機停止工作，移動機構(gòu)和打塘機構(gòu)制動，接著行走驅(qū)動電機自動開始工作，驅(qū)動機器又向前行走。機器就是這樣往復(fù)循環(huán)作業(yè)。機器采用每步走一個株距的距離，打塘和插苗都是在機器停止時候進行。作業(yè)過程簡單來說就是：行走-停止-植苗-打塘。

1.3 主要設(shè)計參數(shù) 步進式電動移栽機規(guī)格長×寬×高：2900mm×1100mm×1500mm；總重量：205kg；功率：1.075kW；電池容量：40A/h；移栽速率：0.4～0.6km/h；移栽頻率：19株/（min.行）；移栽深度調(diào)節(jié)范圍：50～200mm；開孔器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍：30～200r；作業(yè)效率：0.06hm2/h。

該機打出的煙塘呈碗狀下凹形狀，有效聚水保苗；移栽深度可調(diào)，可移栽小苗和常規(guī)煙苗。鋰電池驅(qū)動，充電8～10h可完成，一次充足可持續(xù)工作10～12h。主要農(nóng)藝參數(shù)柔性化可調(diào)，保障煙苗無損傷；適應(yīng)在紫色土、紅壤土、水稻土等土壤類型作業(yè)。提升了機器的機架強度，移栽機經(jīng)久耐用。

2 主要工作部件的結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用

2.1 打塘移栽一體機構(gòu) 打塘移栽一體機構(gòu)由打塘旋轉(zhuǎn)電機、傳動鏈、打塘體、支座、打塘頭、開合碰座機構(gòu)、開合鴨嘴、苗杯等組成。安裝在打塘移栽一體機構(gòu)中的打塘旋轉(zhuǎn)電機通過傳動鏈帶動打塘體及打塘頭作旋轉(zhuǎn)打塘運動，完成打塘工作。同時安裝的苗杯下接有可開合的鴨嘴形成苗移植機構(gòu)，在開合碰座機構(gòu)作用下進行開合動作，完成移栽工作。苗杯作為苗投放移栽的通道（圖2）。

2.2 往復(fù)運動機構(gòu) 往復(fù)運動機構(gòu)由往復(fù)驅(qū)動電機、支撐軸承座、曲柄連桿機構(gòu)、左右支撐滑軸等組成（圖3）。往復(fù)電機作旋轉(zhuǎn)運動，帶動曲柄連桿機構(gòu)中的曲柄及與其鉸接的連桿在左右支撐滑軸限位下作上下往復(fù)運動，并帶動與連桿下部相鉸接的打塘移栽一體機構(gòu)上的滑座作同步上下往復(fù)運動，實現(xiàn)移栽機構(gòu)的移栽工作。往復(fù)旋轉(zhuǎn)運動速度確定了移栽速度，通過電控系統(tǒng)對其進行設(shè)定。本設(shè)備出廠前移栽速度已設(shè)定。根據(jù)實際使用情況，必要時用戶可參照使用說明書電控操作手冊進行移栽速度修改。

2.3 驅(qū)動系統(tǒng)、操控系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)由蓄電池、驅(qū)動電機、驅(qū)動減速器、驅(qū)動傳動鏈輪、傳動鏈等組成（圖4）。驅(qū)動系統(tǒng)為輪系提供行走動力，驅(qū)動電機可進行正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動，并通過傳動鏈、驅(qū)動減速器帶動輪系后輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)輪系前進與后退。并可通過電控操控調(diào)整驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速大小，實現(xiàn)輪系前進與后退速度快慢。

操控系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、行走操控轉(zhuǎn)向機構(gòu)、手控捏把手等組成。操控系統(tǒng)通過按壓手控捏把手上開關(guān)，控制驅(qū)動系統(tǒng)啟停。轉(zhuǎn)動右端手控捏把手控制驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速大小，控制設(shè)備前進與后退速度快慢。

3 影響移栽效果的因素分析及結(jié)果

為驗證該機適用性和實用性，在楚雄姚安縣棟川鎮(zhèn)育苗工場、姚安縣煙田開展本試驗。煙田為泥質(zhì)巖類紅壤、石灰?guī)r地區(qū)紅壤、潴育型紫色土性水稻土。土壤物理特性多樣，有板結(jié)嚴重的、含水較重的、也有含水較低的。

調(diào)查數(shù)據(jù)表明，從移栽株行距來看，行距無差異，但采用機械移栽的株距一致（為設(shè)定值，可根據(jù)實際需求調(diào)節(jié)），人工移栽的株距變幅較大（設(shè)定值±10cm）。機械和人工打塘的直徑無顯著差異，均為30cm左右；但機械打塘直徑（30.6cm）、煙塘最大橫截面積（431.47cm2）、打塘深度（14.1cm）與人工操作差別不大。電動移栽機工作效率為1028～1200株/h，煙苗直立度100%，埋土率100%，漏苗率4.9%；移栽成活率與人工一致，與殷壽安等人[5]的報道的農(nóng)機相比具有明顯優(yōu)勢。機械和人工作業(yè)時間和作業(yè)效率存在極顯著差異（p<0.01），機械作業(yè)時間縮短了25.2%，作業(yè)效率提高了35.4%。人工作業(yè)可完成0.12hm2/人·d，機械作業(yè)為0.48hm2/人·d，是人工作業(yè)的4倍。

2016年12月，該機通過云南省農(nóng)業(yè)機械鑒定站的鑒定。鑒定結(jié)果顯示，該機符合農(nóng)業(yè)機械型式要求，可靠性高。其中，立苗率達到97%，沒有埋苗和傷苗，漏苗率為2%，移栽深度合格率為98%，有效度為99.6%，均高于標準要求。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論 田間示范和農(nóng)機鑒定結(jié)果表明，小型步進式電動打塘移栽機工作效率約為1200株/h，立苗率97%，漏苗率2%；移栽成活率與人工一致，達到98%；用工量比人工下降6.75工/hm2；作業(yè)成本比人工下降450元/hm2；作業(yè)電耗1kWh/d；可適應(yīng)不同大小田塊、不同類型土壤等復(fù)雜作業(yè)條件。

該機將打塘和移栽模塊安裝在通用底盤上，按移栽的要求打塘，可達到規(guī)定的直徑及深度；采用“步進式”的行走方式，機器植苗時候停止行走，可保證煙苗垂直入土的質(zhì)量；同時進行打塘和移栽，使移栽鴨嘴和打塘頭的距離為一個標準株距，可保證將煙苗準確地移栽在塘心，從而提高了移栽質(zhì)量。趙玉清等人[7]的研究指出：起壟質(zhì)量和苗的大小對機械移栽的栽植精度和栽植質(zhì)量影響較大。本機前橋與后橋都設(shè)計了輪距調(diào)節(jié)機構(gòu)，可手動調(diào)節(jié)，能適應(yīng)壟高、壟寬變化；另外，可調(diào)節(jié)移栽機構(gòu)高度，靈活調(diào)節(jié)栽插深度，可移栽膜下小苗和常規(guī)煙苗。前橋采用了前輪內(nèi)八字約束結(jié)構(gòu)，能自動沿著壟向前進，可實現(xiàn)隨壟轉(zhuǎn)向，不容易跑偏。后橋設(shè)計有兩個轉(zhuǎn)向離合器，可用于機器的單邊制動轉(zhuǎn)向，調(diào)頭半徑小，田間轉(zhuǎn)向和調(diào)頭容易。采用電力牽引驅(qū)動，可反復(fù)充電，與汽油、柴油能源供應(yīng)方式相比，能源消耗、作業(yè)成本較低，無碳環(huán)保。

4.2 討論 小型步進式電動打塘移栽機，實現(xiàn)了電力牽引、電器控制、自動覆土、智能識別塘位、自動移栽等功能。移栽機在移栽規(guī)格、打塘規(guī)格、移栽質(zhì)量、移栽成活率方面總體表現(xiàn)良好，在提高效率、節(jié)約用工、減少成本、增加效益等優(yōu)勢明顯。

小型步進式電動打塘移栽機可用于棉花、玉米、甜菜等多種作物移栽，具有廣泛的應(yīng)用價值和推廣前景?？梢栽摍C通用底盤為平臺，配套施肥澆水等功能，開發(fā)出多功能、經(jīng)濟適用、專用性強的電動移栽機。同時，本機械為半自動型，需要人工投苗，可進一步升級為全自動型，提高自動化程度和抗干擾能力。

參考文獻

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（責編：張長青）