面向山地和丘陵地區(qū)的玉米缽苗移栽器的研制

盧賢斌，謝昌藝，鐘麗輝，王 遠(yuǎn)

(西南林業(yè)大學(xué) a.機(jī)械與交通學(xué)院；b.計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，昆明 650224)

0 引言

我國(guó)中西部相對(duì)落后的山地、丘陵地區(qū)的主要經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物是玉米、紅薯和馬鈴薯等，但由于這些地區(qū)的地理?xiàng)l件的惡劣、土地貧瘠，玉米產(chǎn)量不穩(wěn)定，玉米缽苗移栽技術(shù)的采用在一定程度上保障了玉米產(chǎn)量的穩(wěn)定性。相比于玉米種子直接播種，缽苗移栽的優(yōu)勢(shì)在于方法簡(jiǎn)單易行、節(jié)約種子、減少開(kāi)支、生長(zhǎng)周期短、抗逆性強(qiáng)、產(chǎn)量高等[1]。傳統(tǒng)的缽苗移栽方式是先在種植地里挖出一個(gè)穴坑，再把培育好的缽苗置于其內(nèi)并覆蓋好土壤，后期再進(jìn)行增肥和治理病蟲(chóng)害等一系列田間管理作業(yè)。目前，山地、丘陵地區(qū)缽苗移栽作業(yè)一般由2人協(xié)同完成，一人在前用開(kāi)穴工具在種植地里開(kāi)出一個(gè)土洞，另一人手持裝滿缽苗的籃子將缽苗放入土洞內(nèi)，同時(shí)用手完成覆土。這種作業(yè)方式效率較低，浪費(fèi)勞動(dòng)力，且長(zhǎng)時(shí)間勞作還會(huì)損傷耕作人員手指的表層皮膚。

國(guó)外在20世紀(jì)中期已研制出移栽機(jī)械設(shè)備，主要分為半自動(dòng)和全自動(dòng)兩個(gè)大類(lèi)[2]。日本、德國(guó)、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家的移栽機(jī)械設(shè)備技術(shù)相對(duì)先進(jìn)[3-6]，不僅將缽苗培育和移栽有機(jī)地結(jié)合在一起，而且還實(shí)現(xiàn)了育苗過(guò)程的機(jī)械化、工廠化和設(shè)施化[7-8]。特別是日本的水田移栽設(shè)備及歐洲的旱田移栽設(shè)備，占領(lǐng)了大部分國(guó)際市場(chǎng)[9-10]。其中，主要有日本研制的可識(shí)別蔬菜類(lèi)別的全自動(dòng)移栽機(jī)器人[11]、法國(guó)研制的皮卡多爾移栽機(jī)[12]、意大利MAS公司研制的地膜移栽機(jī)[13]及美國(guó)FMC公司研制的全自動(dòng)移栽機(jī)[14]等。國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)50年代后期開(kāi)始研發(fā)移栽設(shè)備，但由于設(shè)計(jì)規(guī)格不全、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜及成本高等原因，導(dǎo)致推進(jìn)緩慢，經(jīng)過(guò)堅(jiān)持不懈努力，也取得了豐碩成果[15]。同時(shí)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的移栽機(jī)械設(shè)備有2BYZ-2型缽苗移栽機(jī)[16]、缽苗移栽機(jī)偏心移栽器[17]、2ZS-2型半自動(dòng)缽苗移栽機(jī)[18]及全自動(dòng)玉米秧苗移栽機(jī)[19]等。國(guó)內(nèi)的移栽機(jī)械設(shè)備大多是半自動(dòng)化的，全自動(dòng)尚在起步階段，但這些大型移栽都不適于在地形復(fù)雜、溝谷交錯(cuò)的丘陵和山地使用。因此，本研究設(shè)計(jì)主要面向山地、丘陵等特殊地形下的玉米缽苗移栽作業(yè)，研制了一種集挖穴坑與栽植為一體的小型農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備——玉米缽苗移栽器，旨在減輕山地、丘陵地區(qū)缽苗移栽的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率等。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

本研究設(shè)計(jì)的玉米缽苗移栽器主要由箱體、腳控式開(kāi)穴裝置和手控式下苗裝置等部分組成，如圖1所示。其中，腳控式的開(kāi)穴裝置由形頭、鋼絲、腳踏板、送苗管道、回位彈簧及彈性墊圈等組成。送苗管道通過(guò)對(duì)應(yīng)在箱體上下的圓孔定位，上端采用箱體內(nèi)部的回位彈簧連接，且與裝苗盤(pán)上對(duì)應(yīng)的缽苗孔位于同一垂直線上；腳踏板在送苗管道的中部用螺栓固定；鋼絲一端固定在腳踏板上，另一端固定在送苗管道底部且連接著錐形頭，錐形頭通過(guò)螺栓空套在送苗管道上，并用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，以此來(lái)控制錐形頭的閉合和張開(kāi)。

手控式的下苗裝置在箱體的上端，由裝苗盤(pán)、傳動(dòng)軸、棘輪機(jī)構(gòu)及搖桿等構(gòu)成。其中，搖桿空套在傳動(dòng)軸上，并與棘爪用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接；而棘輪機(jī)構(gòu)通過(guò)螺栓固定在箱體內(nèi)部，采用鍵連接和傳動(dòng)軸連接在一起，傳動(dòng)軸上端與裝苗盤(pán)也采用鍵連接。此外，腳控式的開(kāi)穴裝置與手控式的下苗裝置是通過(guò)箱體連接在一起，便于設(shè)備運(yùn)行，箱體配有行走輪和手拉桿。同時(shí)，為了保證設(shè)備的正常工作以及使用壽命，其大部分的零部件均是由鋼材制成，整體的外形尺寸(L×W×H)為800mm×520mm×900mm，總質(zhì)量約20kg，裝苗盤(pán)一次裝量可完成40株的移栽作業(yè)。

1.裝苗盤(pán) 2.傳動(dòng)軸 3.箱體 4.棘輪機(jī)構(gòu) 5.量具尺 6.行走輪 7.手拉桿 8.搖桿 9.缽苗模型 10.錐形頭 11.鋼絲 12.腳踏板 13.送苗管道 14.回位彈簧 15.彈性墊圈

1.2 工作原理

圖1中，玉米缽苗移栽器正處于下苗階段，錐形頭已經(jīng)完全插入地里，完成開(kāi)穴。開(kāi)始作業(yè)前，首先從育苗地里取出玉米缽苗，將其放入裝苗盤(pán)中，然后開(kāi)始玉米缽苗的移栽作業(yè)。拉動(dòng)玉米缽苗移栽器沿覆好的地膜行進(jìn)，依靠移栽器下端的量具尺確定每株缽苗的種植位置；位置確認(rèn)之后，踩住腳踏板使整個(gè)開(kāi)穴裝置下移，通過(guò)固定在送苗管道的鋼絲控制下端的錐形頭。隨著腳踏板的向下移動(dòng)，錐形頭進(jìn)行閉合，接著繼續(xù)用力向下踩腳踏板，直至完全閉合的錐形頭插入地摸下的土里，保持腳踏板的位置，防止被回位彈簧拉離地面。此時(shí)，玉米缽苗移栽器就完成了開(kāi)穴作業(yè)。

完成開(kāi)穴之后，隨即推動(dòng)搖桿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而與之相連的棘爪控制棘輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，而裝苗盤(pán)也轉(zhuǎn)過(guò)相同的角度使玉米缽苗精確進(jìn)入送苗管道，玉米缽苗到達(dá)錐形頭之后，保持一定速率松開(kāi)腳踏板，回位彈簧向上牽引送苗管道，鋼絲控制錐形頭張開(kāi)并向上移動(dòng)，玉米缽苗落入穴坑中，周?chē)哪嗤磷孕蟹€(wěn)定玉米缽苗并完成覆土，這就成功完成一次作業(yè)。拉動(dòng)玉米缽苗移栽器至下一株的移栽位置(即1個(gè)量具尺的距離)，再進(jìn)行移栽作業(yè)。

2 主要零部件的設(shè)計(jì)

2.1 手控式下苗裝置

2.1.1 裝苗盤(pán)

在玉米種植的作業(yè)中，玉米缽苗的土坯近似為圓柱形，直徑約φ32±2mm，高度約25mm，如圖2(a)所示。為了保證移栽作業(yè)的效率及可操作性等，在裝苗盤(pán)上設(shè)計(jì)均布的40個(gè)缽苗孔，通過(guò)計(jì)算得到裝苗盤(pán)外徑φ630mm，內(nèi)徑φ530mm，厚度設(shè)計(jì)為30mm，以確保缽苗土坯及部分幼苗位于缽苗放置孔內(nèi)，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖2(b)所示。

2.1.2 棘輪機(jī)構(gòu)

1) 設(shè)計(jì)依據(jù)。單個(gè)缽苗的最大質(zhì)量約0.25kg，裝苗量40株。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得缽苗土坯底部與墊板之間的摩擦因素最大值約為0.8，取重力加速度g=10m/s2，計(jì)算得到缽苗土坯底部與墊板之間的摩擦力F=80N。在實(shí)際作業(yè)中，缽苗土坯會(huì)產(chǎn)生脫落，卡在裝苗盤(pán)與墊板之間，必然導(dǎo)致摩擦阻力增大，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得取其為2F(即160N)。同時(shí)，考慮裝苗盤(pán)與轉(zhuǎn)軸之間、棘輪與轉(zhuǎn)軸之間等的摩擦，經(jīng)試驗(yàn)取值為60N，并把該力的作用點(diǎn)外移至裝苗盤(pán)外緣中徑φ580mm處，以使棘輪始終能正常運(yùn)轉(zhuǎn)工作。綜上，取總摩擦力F總=300N，該力作用給轉(zhuǎn)軸的平均力臂取290mm，計(jì)算得該力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T=87 000N·mm。即棘輪正常工作時(shí)，棘齒上的轉(zhuǎn)矩必須大于等于該轉(zhuǎn)矩。

2) 棘輪齒數(shù)、棘爪數(shù)和齒傾角的確定。因轉(zhuǎn)矩較小，選取單向外嚙合齒式棘輪機(jī)構(gòu)。按照使用條件以及運(yùn)動(dòng)要求，棘輪齒數(shù)應(yīng)當(dāng)與相對(duì)應(yīng)的裝苗盤(pán)的裝苗數(shù)一致，才能夠保證準(zhǔn)確下苗。因此，棘輪齒數(shù)取40，一次作業(yè)下苗轉(zhuǎn)過(guò)9°。棘輪工作中，單向轉(zhuǎn)動(dòng)，所受載荷不大，采用1個(gè)棘爪拔動(dòng)棘輪。棘輪設(shè)計(jì)中，為保證棘爪在負(fù)荷作用下能夠滑向棘輪齒槽底部，常取齒傾斜角α=20°。

圖2 缽苗與裝苗盤(pán)結(jié)構(gòu)尺寸

3) 棘輪模數(shù)的確定。棘輪材料采用45鋼，正火后表面淬火+低溫回火，以抵抗工作過(guò)程中的沖擊載荷與摩擦磨損。查表[20]得：[σF]=340MPa，[σH]=1 120MPa。棘輪按8級(jí)精度制造，取載荷系數(shù)k=2，齒寬系數(shù)φd=0.2，載荷系數(shù)YFa=2.46，引力集中系數(shù)YSa=1.67，棘齒上的作用轉(zhuǎn)矩T=87 000N·mm，則棘輪模數(shù)m為

圓整，取標(biāo)準(zhǔn)值：m=3mm。

4) 棘輪、棘爪幾何尺寸的確定。依據(jù)棘輪、棘爪主要幾何尺寸與模數(shù)m之間的公式，計(jì)算得到的棘輪與棘爪的幾何尺寸，如圖3所示。

2.2 腳控式的開(kāi)穴裝置

腳控式的開(kāi)穴裝置的作用是開(kāi)好穴坑，為下苗作業(yè)做準(zhǔn)備。它由彈性墊圈、回位彈簧、腳踏板、鋼絲、送苗管道與錐形頭等構(gòu)成，如圖4所示。在開(kāi)穴作業(yè)中，踩住腳踏板，通過(guò)鋼絲控制錐形頭向下運(yùn)動(dòng)，在離地約80mm處錐形頭已完成閉合；閉合的錐形頭繼續(xù)向下插入地里開(kāi)出直徑約為50mm的穴坑，完成下苗作業(yè)之后，松開(kāi)腳踏板，回位彈簧控制整個(gè)裝置上移；同時(shí)，鋼絲控制錐形頭上移并張開(kāi)至100°，周?chē)嗤裂杆贁D壓蓋住缽苗。此裝置不僅完成開(kāi)穴作業(yè)，還可以自動(dòng)完成覆土，一定程度上減少了作業(yè)流程，提高了作業(yè)效率。

圖3 棘輪設(shè)計(jì)參數(shù)

1.彈性墊圈 2.回位彈簧 3.腳踏板 4.鋼絲 5.送苗管道 6.錐形頭圖4 腳控式的開(kāi)穴裝置

3 試驗(yàn)

樣機(jī)試制完成后，在云南曲靖、玉溪等地進(jìn)行了玉米缽苗的春季移栽試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，選擇在土地坡度為20°～30°，長(zhǎng)、寬均不小于1 500cm的旋耕翻松斜坡地塊內(nèi)進(jìn)行。滿盤(pán)裝苗40株，移栽行距55cm，株距32cm。缽苗移栽器行進(jìn)方式分為從斜坡地塊的低端到高端、從高端到低端和橫著斜坡3種。每種方式按移栽行距重復(fù)進(jìn)行3次，同時(shí)統(tǒng)計(jì)的一次移栽成功率和耗時(shí)平均值如表1所示。由表1可知：當(dāng)缽苗移栽器橫著斜坡行進(jìn)時(shí)，移栽40株缽苗所需時(shí)間僅為15min，一次移栽成功率高達(dá)99.8%，耗時(shí)比從頂端到低端和從低端到高端行進(jìn)時(shí)分別減少了6.67%和20%，一次成功率卻分別高出0.03和0.01。

從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：缽苗移栽器按照3種行進(jìn)方式移栽玉米缽苗時(shí)，一次移栽成功率都高達(dá)99.5%及以上，而耗時(shí)最長(zhǎng)也僅為18min。這不僅比兩人協(xié)同純手工移栽減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，還提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。

表1 玉米缽苗移栽試驗(yàn)的1次成功率與耗時(shí)

4 結(jié)論

本文所研制玉米缽苗移栽器把山地、丘陵地區(qū)傳統(tǒng)玉米缽苗移栽中的破開(kāi)地膜、開(kāi)穴、下苗及覆土等工序集為一體。進(jìn)行玉米缽苗移栽時(shí)，能依次迅速完成幾部分勞作工序，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。經(jīng)過(guò)實(shí)地移栽試驗(yàn)證明：一次移栽成功率高達(dá)99.5%，確保了移栽器運(yùn)行的穩(wěn)定性。此外，該移栽器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、符合人體工程學(xué)，操作流程簡(jiǎn)單。