棉花移栽機的結構設計與運動軌跡分析

余東滿等

摘要：棉苗的移栽能夠帶來苗壯、苗齊、成活率高等優(yōu)點。開發(fā)出移栽機能夠大幅提高作物產量與質量，降低勞動強度大。本研究設計的棉花移栽機主要由主體、支撐架、投苗機構、秧苗架、曲柄搖桿機構、栽苗器、地輪和傳動系統(tǒng)等部件組成。栽苗器的總成包含牽引臂、擋板、圓盤、偏心輪、凸輪、連桿機構、鴨嘴和彈簧等部件。地輪的運動通過水平的錐齒輪傳遞到豎直的錐齒輪軸，帶動投苗圓盤的圓周旋轉運動，完成投苗動作。試驗結果表明，棉花移栽機可以實現(xiàn)棉花移栽。把取苗時機選為λ>1時，秧苗與穴坑土壤接觸時鴨嘴體的張開幅度最大，適宜投放秧苗。

關鍵詞：棉花；移栽機；結構設計；運動軌跡

中圖分類號： S223.9文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）02-0387-02

收稿日期：2014-04-08

基金項目：河南省科技攻關重點支持計劃（編號：112102210207）；河南省青年骨干教師資助計劃（編號：2012GGJS-248）。

作者簡介：余東滿（1977—），男，河南鄧州人，博士，副教授、機械工程師，主要從事農業(yè)機械裝備設計研究。E-mail：yudongman@126.com。棉花是關系到國計民生的重要農業(yè)戰(zhàn)略物資。棉花幼苗的移栽能夠帶來苗壯、苗齊、成活率高等優(yōu)點，大幅提高棉花產量和質量。國內農機部門已經開發(fā)出了多種類型的棉花移栽機，但目前還沒有建立棉花移栽機的統(tǒng)一分類標準，業(yè)內將其劃分為3類：（1）按秧苗的栽培方式，可劃分成裸苗移栽機與缽苗移栽機；（2）按自動化程度，可劃分成手動移栽機、半自動移栽機和全自動移栽機；（3）按栽植器的機械機構，可劃分為鉗夾式移栽機、吊籃式移栽機、撓性圓盤式移栽機、導苗管式移栽機和鴨嘴式移栽機[1-3]。受地理位置、地形特點、土壤類型、氣候特征等各項條件的不同，各類棉花移栽機推廣均有難度。2011年，在河南省農業(yè)廳棉花辦的資金支持下，河南工業(yè)職業(yè)技術學院與南陽市利民農機開發(fā)有限公司聯(lián)合攻關，研發(fā)制造了適用于河南區(qū)域棉花種植要求的新型棉花移栽機。對新型棉花移栽機的關鍵部件，配苗機構進行了深入分析[1-2]，新型棉花移栽機的盤式配苗機構取得國家專利，授權號為201120453652.2。2013年，我們根據(jù)南陽市使用棉花移栽機棉農的反饋意見，進一步對移栽機的結構做出較大改進，同時為實現(xiàn)棉花移栽機“零速”投苗的要求，研究了栽苗器的運動軌跡。。

1棉花移栽機結構要求與投苗方式

棉花移栽機的動力選用了華中地區(qū)農村廣泛使用的小四輪拖拉機。棉花移栽機的設計既要結構簡單、操作方便，又要求工作過程平穩(wěn)可靠，移栽效率高[2]。具體的設計要求如下：（1）整機的操作性好，結構力求簡單，操作人員無需復雜培訓，即能上手操作。（2）移栽后的棉花苗體保持直立，秧苗損傷率低，株距與深度可調。土壤適應性好，小巧靈活，適宜在中小的黃土地作業(yè)，移栽速度快。為了保持投放到穴坑中的棉花幼苗處于直立狀態(tài)，運用了“零速”投苗方式。

2棉花移栽機基本結構

棉花移栽機是一套組合式裝備，一般包含動力機構、苗盤機構、喂苗機構、秧苗傳送機構等[3-5]。本研究設計的棉花移栽機主要由主體、支撐架、投苗機構、秧苗架、曲柄搖桿機構、栽苗器、地輪和傳動系統(tǒng)等部件組成（圖1）。小四輪拖拉機帶動整個機構前進，依靠地輪以及鏈輪傳遞動力，偏心裝置的運動帶動移栽器做圓周式運動。通過人工配苗的方式將秧苗喂入，棉花苗體放入配苗盤后，移栽器在接近運動的最低點位置打開，就能完成秧苗的種植。機架采用方形框架，結構簡單。該機作業(yè)時，拖拉機帶動移栽機前行，地輪與地面接觸滾動產生動力，通過鏈傳動，按一定的傳動比關系，分別將地輪動力傳遞給投苗機構和曲柄搖桿機構，實現(xiàn)定距挖穴、準確投苗、秧苗栽植、澆水等功能。

牽引架總成由懸掛橫梁、懸掛與拖拉機連接機構、地輪總成與懸梁連接機構、移栽器總成和懸梁連接機構組成，其各部分零件均與懸掛橫梁通過U型螺栓固定。地輪總成由地輪、地輪軸和地輪機架組成。地輪軸端有鏈輪進行動力傳動，通過改變地輪上的鏈輪齒數(shù)，即可改變移栽機傳動比，從而改變株距。地輪機架上端為移栽深度調節(jié)裝置，其主要部分為絲杠，通過旋轉絲杠可以改變懸掛橫梁與地面的相對高度，從而改變移栽器與地面的相對高度。

3栽苗器運動軌跡分析

秧苗移栽機的核心是栽苗機構，即栽苗器。栽苗器的機構特點與工作方式最能反映移栽機的工作過程。棉花移栽機的栽苗器結構簡圖如圖2所示。

作業(yè)過程中，拖拉機與移栽機的牽引支架相連，在拖車動力的作用下向前方做直線運動。在這個運動過程中，投苗圓盤隨著圓盤主軸的轉動而做周向運轉。投苗圓盤的組成分別是偏心圓盤和主動圓盤，二者以相同的角速度同步轉動。曲柄連接主動圓盤與偏心圓盤，形成一個曲柄連桿動力機構。吊籃與曲柄以鉸接形式相連，因此在運動過程，吊籃能夠處于近似垂直狀態(tài)。當?shù)趸@移動到上部正中位置時，工作人員將秧苗投放到吊籃中間，吊籃移動到接近地面水平位置時，鴨嘴形狀的機構在凸輪外力的作用下打開。吊籃處于最低位置時，鴨嘴機構的張開幅度最大，秧苗在重力作用下掉入穴坑中。吊籃在牽引力的作用下繼續(xù)移動，即將離開土壤時，鴨嘴機構保持開口狀態(tài)，秧苗與鴨嘴機構完全分離。鴨嘴體在凸輪壓力和彈簧繃緊力作用下，緩慢合緊。吊籃運動到牽引支部位時，鴨嘴體完全合緊。當?shù)跛{重新移動到正上方空間時，操作人員將秧苗投入，完成移栽過程的操作。

圖3是吊籃的運動特征和軌跡圖。吊籃的運動狀態(tài)由兩部分組成，分別是吊籃在拖拉機牽引力作用下的直線運動和吊籃圍繞旋轉中心的圓周運動。將圓盤的中心設置為系統(tǒng)原點，水平運動方向為坐標系x軸，垂直運動方向為坐標系y軸，建立吊籃運動過程的方程。

x=v車t+R盤cos（ωt）（1）

y=-R盤sin（ωt）（2）

其中，參數(shù)v車是拖拉機的運動速度，R盤是吊籃的旋轉半徑，ω是吊籃旋轉的角速度。endprint

將上述的（1）式和（2）式分別對時間求一階導數(shù)，能夠獲得吊籃的運動參數(shù)方程。

vx=v車-R盤ωsin（ωt）（3）

vy=-R盤ωcos（ωt）（4）

令λ=R盤ω/V車，則吊籃的運動軌跡受λ取值影響。

如圖3所示，當λ>1時，吊籃的運動沿軌跡Ⅰ；當λ=1時，吊籃的運動沿軌跡Ⅱ；當λ<1時，吊籃的運動沿軌跡Ⅲ。

按照“零速投苗”原理[5]，即秧苗植入穴坑后，應當保持垂直狀態(tài)，此時，苗根要在水平方向上的移動速度降為零。當λ=1時，秧苗根部在與土壤接觸處，應與土壤保持近似靜止，相對速度接近于零，這個時候栽植的幼苗直立度最好。但實際工作中發(fā)現(xiàn)，在λ=1時，C點是運動的最低點，吊籃的鴨嘴體投放秧苗后，鴨嘴體與苗體沒有未完全分離，因此λ=1并不是最優(yōu)選擇的投苗時機。

在實際操作中，應該把取苗時機選為λ>1時。從圖3中看出，A點處吊籃的鴨嘴體處于打開狀態(tài)，秧苗與穴坑土壤接觸時鴨嘴體的張開幅度最大，當運動到最低點時，秧苗沒有從吊籃的鴨嘴體處分離，到達B點處后秧苗與吊籃的鴨嘴體完全分離，然后鴨嘴體在外力作用下緩慢合緊。

4棉花移栽機技術參數(shù)

移栽機研制后，在河南省南陽市紅泥灣鎮(zhèn)進行了移栽試驗，結果表明，棉花移栽機技術參數(shù)為機車動力13～20 kW，株距30～39 cm，行距40～80 cm，深度3～8 cm，單株注水量 0.2～0.8 kg。該裝置可以實現(xiàn)棉花移栽，移栽過程中，能夠完成挖土、移栽、澆水和壓土等多項作業(yè)，種植均勻、深度和株距可調、種植效率高。

5結論

棉花移栽機主要由主體、支撐架、投苗機構、秧苗架、曲柄搖桿機構、栽苗器、地輪和傳動系統(tǒng)等部件組成。移栽器整體安裝在牽引臂上，隨著地輪及主機向前運動。地輪的運動通過水平的錐齒輪傳遞到豎直的錐齒輪軸，帶動投苗圓盤的圓周旋轉運動，完成投苗動作。移栽器的總成包含牽引臂、擋板、圓盤、偏心輪、凸輪、連桿機構、鴨嘴和彈簧等部件。試驗結果表明，把取苗時機選為λ>1時，秧苗與穴坑土壤接觸時鴨嘴體的張開幅度最大，適宜投放秧苗。本試驗研制的棉花移栽機可以實現(xiàn)棉花移栽。

參考文獻：

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[3]張為政，王君玲，張祖立. 懸杯式蔬菜移栽機的設計[J]. 農機化研究，2011，33（8）：104-106.

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