槽輪式黃芪移栽機關鍵部件設計與試驗

沈立新 陳文輝 滕淑霞 顧秀艷 李淼

摘要：黃芪開溝覆膜露頭農(nóng)藝高產(chǎn)優(yōu)勢明顯，但在實際生產(chǎn)中移栽環(huán)節(jié)主要依靠人工來完成，導致種植成本快速攀升，是制約根莖類中藥材產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的“短板”。針對這一問題，設計槽輪式移栽機點苗機構(gòu)和覆土機構(gòu)2個關鍵部件。盛苗槽采用正反兩個方向在沿槽輪圓周方向傾斜排列的方式，通過地輪帶動槽輪轉(zhuǎn)動，可實現(xiàn)盛苗槽內(nèi)的黃芪種苗按照正確的姿態(tài)投置在苗溝之中，且滿足種苗向苗溝內(nèi)側(cè)兩邊交替投置的農(nóng)藝要求；覆土機構(gòu)采用螺旋絞龍結(jié)構(gòu)，這樣有利于實現(xiàn)苗溝覆土厚度均勻一致，為苗溝回填后保持土壤的平整度提供保障。通過田間試驗，樣機出苗整齊、長勢良好、單株茁壯，無漏苗現(xiàn)象。在綜合效益方面，相比對照機具，項目樣機可節(jié)約地膜用量52 kg/hm2，減少用工20人/hm2，移栽環(huán)節(jié)可節(jié)省支出2 000元/hm2，同時為秋季機械化挖掘收獲作業(yè)創(chuàng)造有利條件。

關鍵詞：黃芪種苗；槽輪式移栽機；傾斜槽點苗；絞龍覆土

中圖分類號：S223.9

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2024） 02007108

收稿日期：2022年9月23日 ?修回日期：2023年7月11日

基金項目：甘肅省科技計劃（技術創(chuàng)新引導計劃）項目（21CX6NG294）

第一作者：沈立新，男，1968年生，甘肅張掖人，高級工程師；研究方向為中藥材播種機械裝備技術。Email： 384723473@qq.com

通訊作者：陳文輝，男，1981年生，甘肅天水人，高級工程師；研究方向為農(nóng)業(yè)機械化技術應用與推廣。Email： 342093704@qq.com

Design and experiment of the key components of the grooved astragalus transplanter

Shen Lixin， Chen Wenhui， Teng Shuxia， Gu Xiuyan， Li Miao

（Agricultural Machinery Technology Promotion Station， Zhangye， 734000， China）

Abstract：

The hole planting of astragalus with ditching and mulching method takes obvious advantages of high yield. However， the transplanting process is quite manually intensive in actual production， leading to a rapid rise in planting costs and restricting the sustainable development of root herb Chinese medicinal materials industry. In order to solve this problem， two key parts of the seedling point mechanism and the soil covering mechanism are designed. The seedling holding tank is arranged in both forward and reverse directions in an inclined manner along the circumference of the tank wheel， and the tank wheel is driven to rotate by the ground wheel. This ensures that the astragalus seedlings are placed in the seedling trench in a scheduled position and that are also placed alternately to the inner sides of the trench. The mulching mechanism adopts the spiral winch method， which is conducive to achieving uniform mulching thickness of the seedling trench and provides a guarantee for maintaining the levelness of the soil after the seedling trench is backfilled. Through the field test， the prototype seedling neatly， good growth， strong single plant and no leakage phenomenon， in terms of comprehensive benefits， compared with the control machine， the project prototype can save 52 kg/hm2 of plastic film consumption， reduce the employment of 20 people/hm2， and save 2 000 yuan/hm2 by transplanting， and create favorable conditions for mechanized digging and harvesting in autumn.

Keywords：

astragalus seedling; grooved wheel transplanter; dip the slot point seedling; the screw conveyor is covered with earth

0 引言

黃芪是常用大宗中藥材，被廣泛應用于臨床各科，民間素有“十藥八芪”之說［1］。2020年以來，基于新冠肺炎疫情的防控，國內(nèi)對黃芪的市場需求極大，在國外植物藥材市場上，黃芪的產(chǎn)地和出口均為中國所獨有［23］。市場的強勁需求，助推了我國黃芪種植產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展［4］。甘肅沿祁連山冷涼地區(qū)，種植黃芪具有得天獨厚的自然條件，當?shù)卣浞掷眠@一優(yōu)勢，把黃芪生產(chǎn)作為鞏固脫貧攻堅成果的重要舉措，成效顯著［5］。但在實際生產(chǎn)中，黃芪移栽作業(yè)由于農(nóng)藝落后，管理粗放，產(chǎn)量不高，特別是由于缺乏先進適用的專用機械，移栽作業(yè)一直處于半人工、半機械化水平，嚴重制約著這一特色產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展［6］。

近年來，黃芪開溝露頭覆膜農(nóng)藝，因產(chǎn)量高且相比傳統(tǒng)半機械化種植模式省去了放苗工序，被種植戶逐漸認可，并在一定范圍得到了積極推廣，但該農(nóng)藝最關鍵的點苗和覆土環(huán)節(jié)，仍需人工完成，而目前尚無能滿足該生產(chǎn)農(nóng)藝的專用機具［7］。隨著農(nóng)村勞動力短缺形勢加劇，種植成本高的問題日益凸顯，至今仍未得到根本解決。因此，迫切需要一種能滿足實際生產(chǎn)需要的專用機具，為黃芪開溝露頭覆膜高產(chǎn)農(nóng)藝技術的推廣應用提供裝備支撐［8］。

針對黃芪種苗機械化移栽環(huán)節(jié)存在的技術瓶頸，結(jié)合種植區(qū)實際生產(chǎn)條件，提出以點苗機構(gòu)傳動裝置、盛苗槽、覆土機構(gòu)為關鍵部件的槽輪式黃芪移栽機設計方案，并進行分析計算，對移栽機點苗機構(gòu)及整機作業(yè)質(zhì)量進行田間試驗，同時與目前在用的種苗縱置式半機械化移栽機進行綜合效益對比，驗證槽輪式移栽機的綜合性能。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 農(nóng)藝要求

如圖1所示，采用開溝露頭覆膜，地塊要深松后再旋耕一次，使田間平整，土壤細碎，這樣有利于機械作業(yè)。機械移栽應一次完成2溝以上，作業(yè)順序為：開溝→點苗→覆土→覆膜。技術要點：第一步：開出苗溝。苗溝橫斷面為近似梯形，溝寬60cm，溝深10cm，相鄰苗溝縱向中心線間距100cm。第二步：溝內(nèi)點苗。點苗時，苗頭應緊靠溝邊橫向水平擺放，相鄰種苗方向相反，且苗頭保持在一條線上，苗深約10cm，間距5cm，溝內(nèi)兩邊苗頭的垂直距離約為60cm。第三步：苗溝覆土。苗溝覆土厚度約10cm，覆土后苗溝土層要連續(xù)、平整。第四步：苗溝覆膜。采用幅寬40cm的地膜，作業(yè)時地膜中心線要與苗溝中心線俯視重合，保證苗頭露出地膜兩邊10cm左右，壓實膜邊時，地膜采光面寬度保持在25cm左右［9］。機械作業(yè)一個行程結(jié)束后，下一趟作業(yè)相鄰溝距保持100cm，每公頃保苗22.5～33萬株。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

針對上述農(nóng)藝技術要求，結(jié)合當?shù)貙嶋H，提出采用鏵式犁開溝、圓柱體槽輪點苗、絞龍覆土、傳統(tǒng)鋪膜機覆膜的設計思路，主要由開溝犁、槽輪式點苗機構(gòu)、覆土機構(gòu)和覆膜裝置4部分組成，如圖2所示。

（a） 苗溝橫向剖面圖

（b） 苗溝俯視圖

1.田間地表

2.苗溝溝底

3.黃芪種苗

4.苗溝覆土

5.地膜

6.苗尾

7.地膜縱向中心線

8.苗頭 9.膜邊覆土

10.苗株露頭長度

11.地膜寬度

（a） 主視圖

（b） 俯視圖

1.覆土絞龍

2.覆膜裝置

3.座椅

4.盛苗槽

5.導向槽

6.黃芪種苗

7.送苗毯

8.懸掛架

9.動力輸入軸

10.機架

11.開溝犁

12.地輪

13.回頭輥

14.槽輪

15.地輪鏈輪

16.導流板

17.槽輪鏈輪

18.聯(lián)軸器

19.減速箱 20.地膜

在機具最前端并列設置一對開溝犁，開溝犁對稱分布，犁柱可上下調(diào)整，以滿足不同開溝深度的要求，一般入土深度10cm；在2個開溝犁后側(cè)，設置槽輪式點苗機構(gòu)，它由槽輪、盛苗槽、送苗毯和動力傳遞組件等組成，在正常作業(yè)時，槽輪底部距田間地表約5cm，其動力分別由2只地輪通過傳動鏈輪輸入；2只地輪設置在機架外側(cè)，地輪軸為半軸結(jié)構(gòu)，在靠近槽輪一側(cè)裝有傳動鏈輪，在地輪承載著整機行走的同時，通過傳動鏈條帶動，為點苗機構(gòu)中的槽輪提供旋轉(zhuǎn)動力；在槽輪的后下方，設置有覆土絞龍，絞龍分左右旋兩段，分別與減速箱兩側(cè)的輸出軸連接，減速箱固定于機架縱向中心線上，絞龍外緣與田間地表相切，減速箱輸入軸與拖拉機動力輸出軸連接，覆膜裝置設置在機架尾部；在一對槽輪式點苗機構(gòu)后側(cè)，設置有供輔助投苗操作人員使用的座椅。槽輪式黃芪移栽機的開溝犁、點苗機構(gòu)、地輪、覆土絞龍、覆膜裝置、座椅均以機架縱向幾何中心線對稱分布。

1.3 工作原理

如圖3所示，準備作業(yè)時，移栽機與拖拉機可靠掛接后，接通動力，覆土絞龍空負荷運轉(zhuǎn)，落下整機后，在拖拉機牽引下，移栽機開始帶負荷作業(yè)。由于開溝犁犁刃低于田間地表10cm，因此開溝犁首先入土并翻犁出苗溝，溝內(nèi)土壤被翻置在苗溝兩邊，形成兩條小壟，苗溝深10cm，溝寬60cm，為后續(xù)橫置點苗作業(yè)創(chuàng)造了適宜的苗床條件。正常作業(yè)時槽輪式點苗機構(gòu)在地輪驅(qū)動下做回轉(zhuǎn)運動，盛苗槽轉(zhuǎn)動到槽輪頂部時，種苗通過人工輔助被投放在盛苗槽內(nèi)，隨著槽輪轉(zhuǎn)動，盛苗槽在導輥和送苗毯作用下逐個被暫時封閉。由于盛苗槽相對于槽輪圓柱中心線傾斜安裝在槽輪圓周表面，所以，隨著槽輪的轉(zhuǎn)動，盛苗槽內(nèi)的黃芪種苗在重力作用下將向一端滑移，直到苗頭被槽輪內(nèi)側(cè)邊阻擋后停止滑移，這樣就可實現(xiàn)種苗落地后苗頭在一條直線上；當盛苗槽隨著槽輪繼續(xù)向下轉(zhuǎn)動到達送苗毯回頭輥的位置時，盛苗槽的封閉狀態(tài)被瞬間打開，這時種苗隨之落入苗溝，這樣，在槽輪連續(xù)回轉(zhuǎn)運動過程中，種苗被按照一定的間距，橫向排列在苗溝底，而緊跟其后的覆土機構(gòu)在絞龍的轉(zhuǎn)動下，將苗溝兩邊在開溝時翻拋出的土壤，全部回填至苗溝中并整理平整，為下一步覆膜作業(yè)創(chuàng)造條件；覆膜作業(yè)時，膜邊覆土耙片的切入點遠離膜邊約12cm，防止膜邊覆土圓盤耙傷及苗頭情況的發(fā)生。

2 關鍵機構(gòu)設計

點苗機構(gòu)、苗溝覆土機構(gòu)和行走機構(gòu)是黃芪移栽機的核心工作組件，直接關系到整機的綜合性能和作業(yè)質(zhì)量，因此是設計工作的重點［1011］。

2.1 點苗機構(gòu)傳動設計

為保證種苗能夠按農(nóng)藝要求的間距均勻排列在苗溝中，槽輪式黃芪移栽機采用槽輪式點苗結(jié)構(gòu)，主要有槽輪、盛苗槽、傳動裝置組成，當槽輪在地輪驅(qū)動下，盛苗槽中的黃芪種苗被逐個投置在苗溝內(nèi)。當槽輪正常工作時，與其聯(lián)動的還有地輪鏈輪和槽輪鏈輪，其技術參數(shù)在滿足農(nóng)藝要求的前提下，設計時應同時予以考慮［1214］。需要先分析計算出傳動比與組件、苗間距之間的數(shù)學關系。

i=ω地ω槽=dTDt

（1）

式中：

i——地輪與送苗槽輪間的傳動比；

ω地——地輪的轉(zhuǎn)速，r/min；

ω槽——槽輪的轉(zhuǎn)速，r/min；

d——地輪的外徑，cm；

t ——苗間距，cm；

D——槽輪外徑，cm；

T——

槽輪外徑上相鄰盛苗槽之間的垂直距離，cm。

為使種苗間距符合農(nóng)藝要求，在確定地輪與槽輪之間的傳動比時，必須滿足一個條件，即：當?shù)剌喸诘孛媲斑M5cm的弧長時，槽輪剛好轉(zhuǎn)過相鄰盛苗槽之間的一個夾角，也就是說，移栽機每前進5cm，就有一株黃芪種苗被投置在苗溝之中。實際中，地輪選配標準橡膠輪，外徑d=62cm；相鄰苗間距t=5cm，槽輪外徑D=96cm，盛苗槽間距T=20cm，將以上數(shù)據(jù)代入式（1）可得i=24/31。

綜合考慮，地輪與槽輪之間只設置一級減速，地輪鏈輪齒數(shù)取24；槽輪鏈輪齒數(shù)取31。

由于移栽機由拖拉機牽引作業(yè)，正常行走速度一般在0.15～0.25m/s，地輪轉(zhuǎn)速慢、負荷輕。出現(xiàn)整機發(fā)生滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象的唯一因素來自地輪軸承和槽輪軸承出現(xiàn)了機械阻卡，由于地輪軸承和槽輪軸承均選用了單列向心滾動軸承，安裝位置距離地表分別在28cm和40cm以上，工作條件相對較好，當軸承獲得正確和及時保養(yǎng)后，移栽機作業(yè)時，軸承滾珠在滾道內(nèi)被阻卡的情況幾乎不會發(fā)生，因此，傳動比計算不再考慮滑轉(zhuǎn)率。

2.2 盛苗槽傾斜角設計

盛苗槽傾斜角設計包括兩部分：盛苗槽傾斜角度的選擇依據(jù)和種苗在盛苗槽所受離心力對正常作業(yè)影響的分析。

1） 盛苗槽傾斜角選擇依據(jù)。如圖3所示，盛苗槽共18組，全部在槽輪圓柱面上呈傾斜方向交替排列，這樣設計的目的，是因為當種苗在盛苗槽中隨著槽輪轉(zhuǎn)動時，傾斜角不斷變大，種苗受重力作用，可以滑向槽輪側(cè)板的一端，從而滿足苗頭在即將離開盛苗槽落入苗溝時，苗頭基本保持在一條直線上的農(nóng)藝要求。為降低種苗在盛苗槽內(nèi)滑動阻力，盛苗槽選用鍍鋅薄鐵皮壓制，并打磨內(nèi)壁，保證槽內(nèi)平直光滑。

（a） 盛苗槽軸測圖

（b） 盛苗槽所在圓周面展開圖

1.槽輪鏈輪

2.盛苗槽

3.槽輪側(cè)板

4.槽輪內(nèi)壁寬

5.傾斜角

6.槽輪外圓周長

如圖4所示，當盛苗槽隨著槽輪的轉(zhuǎn)動，與水平面形成的傾斜角α將逐漸增大，當α達到某一臨界值時，種苗開始在盛苗槽內(nèi)向水平位置較低的一端滑動。圖4中，α表示盛苗槽相對水平面的傾斜角，（°）；

G表示種苗所受重力，N；

F表示重力沿斜面的分力，N；

f表示種苗下滑摩擦力，N；

N1表示盛苗槽對種苗的支撐力，N；

N2表示種苗對盛苗槽的正壓力，N。

1.槽輪內(nèi)側(cè)

2.盛苗槽內(nèi)壁

3.種苗質(zhì)點

4.槽輪軸中心線所在水平面

當F≥f時，種苗在盛苗槽內(nèi)開始下滑［15］。根據(jù)這一條件，可以計算確定盛苗槽的傾斜角

α≥cos-1fμG

（2）

式中：

μ——靜態(tài)摩擦系數(shù)。

取μ=0.45，代入式（2）可得α≥20.8°，實際傾斜角α取21°。

2） 種苗在盛苗槽所受離心力分析。如圖5所示，由于盛苗槽安裝在槽輪圓周面上，正常作業(yè)時，槽輪的回轉(zhuǎn)運動會造成盛苗槽內(nèi)的種苗產(chǎn)生離心力

FL=mv2/r

（3）

式中：

FL——種苗所受離心力，N；

m——種苗質(zhì)量，kg，這里取0.032kg；

v——種苗線速度，m/s，這里取0.25m/s；

r——槽輪半徑，m，這里取0.48m。

代入式（3）得：FL=4.2×10-3N。

當盛苗槽在A點時，克服FL而使種苗不發(fā)生徑向運動時應滿足式（4）。

Fa=G

（4）

式中：

Fa——種苗在A點所受離心力，N。

當盛苗槽在B點時，克服FL而使種苗不發(fā)生徑向運動時應滿足式（5）。

Fb=f2=μG

（5）

式中：

Fb——種苗在B點所受離心力，N；

f2——種苗在B點所受摩擦阻力，N。

當盛苗槽在A點和B點之間的任意位置C點時，克服FL而使種苗不發(fā)生徑向運動時應滿足式（6）。

Fc=f1+Gcos（90-θ）=G（μcosθ+sinθ）

（6）

式中：

Fc——種苗在C點所受離心力，N；

f1——種苗在C點所受摩擦阻力，N；

θ——種苗質(zhì)點在C點與水平面的夾角，（°）。

比較式（4）、式（5）和式（6）的大小，可以得出

Fb

1.槽輪 2.種苗質(zhì)點

因此，要分析FL是否小于其反作用力Fa、Fb、Fc，只需比較FL與Fb的大小即可，將相關參數(shù)代入式（5）可得

Fb=1.4×10-1N。

可以看出：FLFb，因此，移栽機正常作業(yè)時不會造成種苗飛離盛苗槽的情況，同時需要說明的是，盛苗槽逆時針旋轉(zhuǎn)至B點以后，種苗在盛苗槽內(nèi)緊靠槽輪一側(cè)的姿態(tài)已經(jīng)形成，槽輪在送苗毯的包裹之下，種苗一直停留在送苗毯與盛苗槽之間的封閉空間內(nèi)，隨著槽輪的回轉(zhuǎn)，種苗在送苗毯回頭輥處被投置到苗溝的那一刻前，種苗在盛苗槽內(nèi)的位置始終未發(fā)生改變，因此，不再討論種苗發(fā)生徑向運動的情況。

2.3 覆土機構(gòu)設計

覆土機構(gòu)主要由絞龍、聯(lián)軸器和減速箱組成，如圖6所示。減速箱固定在機架中央，動力由輪式拖拉機動力輸出軸經(jīng)聯(lián)軸器輸送給減速箱，再由減速箱輸出軸經(jīng)甲殼聯(lián)軸器與絞龍聯(lián)結(jié)，左右兩段絞龍螺旋方向相反，可將土壤均勻運送至苗溝中，并均勻覆蓋，為覆膜作業(yè)做好準備［16］。移栽機作業(yè)幅寬為2000mm，因此絞龍總長L確定為2000mm，螺旋體葉片厚3mm。為滿足農(nóng)藝技術對覆土層厚度的要求，絞龍外徑φ確定為265mm。絞龍旋轉(zhuǎn)主軸直徑ψ取0.18倍的絞龍外徑。

1.絞龍 2.蝸桿蝸輪減速箱 3.甲殼聯(lián)軸器

綜上已經(jīng)確定了覆土機構(gòu)的工作幅寬，絞龍直徑的具體尺寸也可確定，因此只需確定絞龍的螺距即可［1718］，其最大螺距應滿足以下兩個要求。

1） 土壤在絞龍葉片面軸向作用力F1>0。

F1=Fcos（β+γ）>0

（7）

式中：

F1——

土壤沿絞龍軸向所受到的力， N ；

F——土壤受到的合力，?N ；

β——絞龍的螺旋升角，（°）；

γ——土壤摩擦角，（°），本文取28°。

為了使F1>0，需滿足條件：β=π2-γ。

在絞龍螺旋葉片根部與軸相交處，絞龍螺旋升角α最大，軸向作用力最?。?9］，依據(jù)此條件，絞龍螺距最大值公式如式（8）所示。

S<πψtanπ2-γ

（8）

式中：

S——絞龍螺距，mm；

ψ——絞龍旋轉(zhuǎn)主軸直徑，mm。

絞龍旋轉(zhuǎn)主軸直徑取0.18倍的絞龍外徑為47.7mm，代入式（8）可得螺距最大值應小于282mm。

2） 回填苗溝的土壤拋出速度。在理想狀態(tài)下，因開溝而分流到苗溝兩邊的土壤，應全部回填到苗溝內(nèi)，因此，苗溝兩邊的土壤應具有較快的軸向推送速度，且這個速度應大于圓周旋轉(zhuǎn)速度，以防止應回填土壤發(fā)生徑向流失的情況［2022］。

S<πφtanπ4-γ

（9）

式中：

φ——絞龍外徑，mm。

因此螺距最大值應小于250 mm。絞龍螺距增大時，軸向推送速度增加，但圓周旋轉(zhuǎn)隨之增加，使得土壤出現(xiàn)飛濺的可能，從而降低了勻覆土裝置的覆士能力，造成回填表層土壤不平整，出現(xiàn)土壤局部堆積的情況，進而嚴重影響接下來覆膜作業(yè)的順利進行，因此設計絞龍螺距S取值為160 mm。

3 田間試驗

2022年4月中旬，項目組在甘肅省民樂縣組織開展了樣機田間試驗。民樂縣自古就有種植黃芪的傳統(tǒng)，這里地處祁連山北麓冷涼地區(qū)，土質(zhì)優(yōu)良，氣候適宜，黃芪移栽面積每年保持在7000hm2以上，是鞏固脫貧攻堅成果的重要特色產(chǎn)業(yè)，在這里開展樣機試驗，具有重要的現(xiàn)實意義。

田間試驗包括兩項內(nèi)容，一是考察槽輪式黃芪移栽機性能；二是與當下在用的種苗縱置式半機械化移栽機進行效益對比。機具主要參數(shù)如表1所示，試驗場地條件如表2所示。

3.1 主要質(zhì)量指標及測定方法

考察槽輪式黃芪移栽機的作業(yè)質(zhì)量，主要以是否滿足黃芪開溝露頭覆膜農(nóng)藝要求為評價標準。結(jié)合移栽機結(jié)構(gòu)特點，確定以開溝合格率、苗深合格率、傷苗率、覆膜合格率、苗間距合格率、苗株露頭合格率、苗頭直線度、覆土平整度這8項技術指標來衡量移栽機綜合性能與作業(yè)質(zhì)量。其中，前4項計算方法參照中國農(nóng)業(yè)機械學會《根莖類中藥材移栽機》試驗方法和NY/986—2006《鋪膜機作業(yè)質(zhì)量》等規(guī)范進行［2324］，后4項指標的說明和計算如下。

1） 苗間距合格率：按照設計行進速度完成一個作業(yè)行程后，在作業(yè)幅寬上隨機選定5個小區(qū)，在各小區(qū)內(nèi)測定所有苗間距，85～115mm以內(nèi)的為合格，至少測定3個行程，按照式（10）計算苗間距合格率。

Q=UV×100%

（10）

式中：

Q——苗間距合格率，%；

U——間距合格測點數(shù)之和，個；

V——全部測點數(shù)之和，個。

2） 苗株露頭合格率：按照設計行進速度完成一個作業(yè)行程后，在作業(yè)幅寬上隨機選定5個小區(qū)，苗頭超出地膜外邊在20～100mm以內(nèi)的為合格，至少測定3個行程，按照式（11）計算苗株露頭率合格率。

J=XV×100%

（11）

式中：

J——苗株露頭距合格率，%；

X——苗株露頭測點合格數(shù)之和，個。

3） 苗頭直線度：解除移栽機覆土和覆膜裝置后，按照設計行進速度完成一個作業(yè)行程后，緊挨著苗溝兩邊緣分別釘2個樁，在溝底沿苗溝縱向方向系上1根細繩，兩繩間距60cm，隨機選取20m，觀測苗頭整齊程度，苗頭距離細繩5cm以內(nèi)的為合格，至少測定3個行程，按照式（12）計算苗頭直線度。

W=ZV×100%

（12）

式中：

W——苗頭直線度，%；

Z——苗頭直線度測點合格數(shù)之和，個。

4） 覆土平整度：指覆土作業(yè)后，苗溝表面土壤的平整程度，采用作業(yè)幅寬內(nèi)田間地表高度差值來評價。數(shù)值小于或等于3cm為合格，大于3cm為不合格。測量時，取一個作業(yè)幅寬，在垂直于作業(yè)方向切挖一斷面，兩端垂直于地面分別釘一個樁，在樁上系一細繩，固定在距地表面60cm處，以細繩水平面為基準面，在細繩上分別相隔10cm取一個測量點，量取測點與覆土后地面的豎直距離，按式（13）計算出地表平整度。

R=h－Δh

（13）

式中：

R——地表平整度，cm；

h——

各測點覆土后地表面與相對基準面的距離，cm；

Δh——

相對基準面與地表面的距離，實際計算時取50cm。

至少測定3個行程，每個行程測定5個點，然后按照式（14）計算覆土平整度。

K=MV×100%

（14）

式中：

K——覆土平整度，%；

M——各測量點合格數(shù)之和，個。

3.2 試驗條件與試驗結(jié)果

試驗條件要求：黃芪種苗長度相對一致，粗細均勻，長度一般在30～50cm，移栽前應對種苗進行分揀，去除過長過短以及有創(chuàng)傷的種苗；試驗地塊應旋耕1次，耕深應大于18cm，地表平整，不應有大土塊和石塊，土塊最大顆粒尺寸不大于40cm，無秸稈、殘膜及雜草等障礙物，土壤含水率不大于25%；移栽機作業(yè)速度15m/s，拖拉機動力輸出軸轉(zhuǎn)速550r/min。

槽輪式點苗機構(gòu)設計是否合理、可靠，決定著整機性能，有必要進行單體田間試驗，同時，為了能夠直觀察驗樣機田間作業(yè)情況，及時發(fā)現(xiàn)存在的問題，方便測定工作，項目組決定田間試驗分段進行，即移栽機核心部件——槽輪式點苗機構(gòu)作業(yè)質(zhì)量測定單獨進行，然后再進行整機性能試驗。

1） 點苗機構(gòu)田間試驗。將移栽機覆土機構(gòu)和覆膜裝置解除后，即可進行點苗工序作業(yè)試驗，主要測定的作業(yè)質(zhì)量指標有苗間距合格率、苗頭直線度等，實際作業(yè)效果如圖7所示，苗間距相對均勻，苗頭靠邊相對整齊，苗株橫向角度為10°～25°，這是由于盛苗槽是以螺旋方向安裝在槽輪圓柱面上的原因造成的，但這并不影響點苗質(zhì)量。具體測定的試驗數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計整理后如表3所示。

1.膜邊覆土

2.地膜

3.苗溝

4.黃芪種苗

2） 整機性能試驗。移栽機點苗機構(gòu)作業(yè)質(zhì)量通過后，進行了整機性能試驗，主要測定開溝合格率等6項作業(yè)質(zhì)量指標，試驗數(shù)據(jù)取平均值后作為田間試驗結(jié)果，如表4所示。

由于目前國內(nèi)尚無有關槽輪式黃芪移栽機作業(yè)質(zhì)量標準，所以項目組邀請市級中藥材專班有關專家和當?shù)攸S芪種植合作社技術人員，對樣機試驗數(shù)據(jù)進行了評價，認為試驗確定需要測定的各項作業(yè)質(zhì)量指標，能較全面地反映移栽機的整體性能，試驗數(shù)據(jù)水平基本滿足實際生產(chǎn)需要，可以保證保苗率和移栽質(zhì)量。

3.3 效益對比

效益對比所選的對照機具，是具有代表性的沿祁連山冷涼地區(qū)黃芪移栽生產(chǎn)中廣泛使用的種苗縱置式半機械化移栽機，當試驗機具和對照機具均完全滿足各自農(nóng)藝技術要求時，對照機具輔助投苗需9人，試驗機具輔助投苗需4人，在兩種機型均完成1hm2作業(yè)面積的情況下，進行了綜合效益對比，通過對比作業(yè)試驗，試驗機具作業(yè)效率為0.15hm2/h，對照機具作業(yè)效率為0.26hm2/h，人工支出按照120元/人計算；雖然對照機具作業(yè)效率是移載樣機的1.7倍，但在用工、地膜使用量以及后期田間管理環(huán)節(jié)方面，試驗機具的生產(chǎn)效益具有明顯優(yōu)勢，經(jīng)折算，完成單位面積移栽作業(yè)后，試驗機具和對照機具費用支出情況如表5所示。

從表5可以看出，使用槽輪式移載機每公頃可節(jié)省地膜使用量52.5kg、人工1個，在后期田間管理中，省去放苗環(huán)節(jié)，每公頃節(jié)省人工20個，僅此一項，節(jié)約支出2000多元，效益優(yōu)勢明顯。2022年6月，查苗情況如圖8所示，可以明顯看出，槽輪式移載機作業(yè)的出苗整齊、長勢良好、單株茁壯，無漏苗現(xiàn)象，出苗率達到92%，說明樣機能較好地滿足黃芪露頭覆膜農(nóng)藝技術要求，具有推廣價值。

（a） 樣機移栽

（b） 對照機具移栽

4 結(jié)論

1） 針對黃芪露頭覆膜高產(chǎn)農(nóng)藝無機可用的“短板”問題，設計了能夠一次移栽2溝的槽輪式種苗移栽機，樣機可一次完成開溝、點苗、覆土、覆膜4道工序，整機在田間試驗過程中運行平穩(wěn)，各項作業(yè)質(zhì)量考核指標均達到或接近農(nóng)藝技術要求，為下一步推廣應用多溝移栽作業(yè)模式，大幅提高移栽效率積累了實踐經(jīng)驗，獲取了基礎數(shù)據(jù)。

2） 田間試驗中，對移載機的作業(yè)質(zhì)量和對照機具綜合效益進行了對比，結(jié)果表明：移載機開溝合格率為96%、苗深合格率為94%、苗間距合格率為96%、覆土平整度為91%、苗株露頭合格率為92%、傷苗率為2%、覆膜合格率90%，相比對照機具，出苗整齊、長勢良好、單株茁壯，出苗率高，無漏苗現(xiàn)象。

3） 槽輪式點苗機構(gòu)是關鍵部件之一，由于盛苗槽采用了傾斜式設計，較好地適應了田間作業(yè)環(huán)境，在風力小于4級的作業(yè)條件下，苗株投置準確率達到90%以上。但在河西走廊沿祁連山冷涼地區(qū)，黃芪移栽一般在4月中旬開始5月上旬結(jié)束，恰恰在這個時間段里，大風天氣出現(xiàn)較頻繁，事實上，當風力在5及以上時，種苗在落地時受風力的吹動作用會發(fā)生位置漂移，這樣直接影響了準確率，因此，試驗機具在防風功能方面還存在一定缺陷，針對這一問題，槽輪式點苗機構(gòu)在結(jié)構(gòu)上還需進一步完善優(yōu)化。

4） 設計了螺旋均勻覆土機構(gòu)，確定了絞龍總長、葉片厚、主軸直徑、螺距等主要參數(shù)，可有效防止回填土壤表層出現(xiàn)凹凸不平甚至壅土情況的發(fā)生。但當拖拉機輸出軸轉(zhuǎn)速低于550r/min時，將出現(xiàn)覆土不到位的情況，高于700r/min時，苗溝中央將會出現(xiàn)土壤堆積現(xiàn)象，這給機手操作帶來了一定挑戰(zhàn)。因此，覆土效率難以繼續(xù)提高。

5） 送苗毯是槽輪式點苗機構(gòu)的輔助部件，在正常使用初期運轉(zhuǎn)正常，但由于送苗毯采用的是聚氨酯材料，張緊后易變形，導致送苗毯跑偏，影響移栽作業(yè)的正常進行，考慮回頭輥使用橡膠輥面，輥面采用弧線結(jié)構(gòu)，以克服送苗毯跑偏情況的發(fā)生。

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