2ZBX-4型吊杯式蔬菜移栽機的研究與設(shè)計

吳彥強，王文莉，侯加林

(1.山東農(nóng)業(yè)大學 機械與電子工程學院，山東 泰安 271018； 2.山東省農(nóng)機機械安全監(jiān)理站，濟南 250013)

?

2ZBX-4型吊杯式蔬菜移栽機的研究與設(shè)計

吳彥強1，王文莉2，侯加林1

(1.山東農(nóng)業(yè)大學 機械與電子工程學院，山東 泰安 271018； 2.山東省農(nóng)機機械安全監(jiān)理站，濟南 250013)

針對我國當前蔬菜移栽機存在的栽植質(zhì)量差的問題，設(shè)計了2ZBX-4型吊杯式蔬菜移栽機，闡述了該機工作原理并分析了工作過程。使用時由拖拉機牽引，人工投苗，可實現(xiàn)半自動化移栽，通過更換從動鏈輪可對株距進行調(diào)節(jié)。對2ZBX-4型吊杯式蔬菜移栽機進行了田間試驗，結(jié)果表明：栽植株距和移栽深度穩(wěn)定，可以進行多種蔬菜的移栽，損傷率、漏栽率低，直立度好，工作效率高，能滿足不同地區(qū)、不同蔬菜的移栽農(nóng)藝要求。

蔬菜移栽機；吊杯式；穴盤苗；牽引式

0 引言

我國是世界上最大的蔬菜生產(chǎn)國和消費國，蔬菜產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的60%左右[1-2]。蔬菜在我國種植業(yè)結(jié)構(gòu)中的地位也逐年上升，其播種面積(不含瓜類)由1978 年的333.10萬hm2增長到2013 年的2 089.94 萬hm2，占農(nóng)作物播種總面積的12.7%，僅次于水稻、小麥、玉米等大宗糧食作物，產(chǎn)量也于2013 年達到7.35 億t[3-4]。然而，蔬菜產(chǎn)業(yè)是一項勞動密集型產(chǎn)業(yè)，蔬菜栽植與收獲成本占蔬菜生產(chǎn)總成本的2/3以上。因為育苗移栽技術(shù)不但具有對氣候的補償作用和使蔬菜生育期提早的綜合效應(yīng)，還能提高單產(chǎn)[5]，所以當前國內(nèi)蔬菜栽植多采用育苗移栽作業(yè)方式，主要有傳統(tǒng)人工栽植方式與機械化移栽方式。傳統(tǒng)人工栽植方式移栽效率低，勞動強度大，移栽株距不均勻，移栽深淺度不一，造成移栽質(zhì)量差、成活率低。應(yīng)用蔬菜移栽機械化技術(shù)可減輕蔬菜移栽作業(yè)勞動強度，提高移栽作業(yè)質(zhì)量和效率，具有省勞動力、省工時、高效率、低成本的優(yōu)點。為減輕勞動強度、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率和作業(yè)質(zhì)量，實現(xiàn)蔬菜栽植機械化已成為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迫切需要和蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢[6-7]。

歐美等國家對移栽機的研究起步較早，設(shè)計出種類多樣的半自動移栽機與全自動移栽機。按動力來源方式分為電機驅(qū)動、純機械驅(qū)動及機、電、液、氣混合的方式；按栽植器形式不同分為鉗夾式、導(dǎo)苗管式、吊籃式及帶夾圓盤式；也有針對不同面積應(yīng)用的單行及多行寬幅作業(yè)機型，如穴盤苗移栽機、壓縮基質(zhì)苗自動移栽機[5,8]。我國對移栽機的研究起步比較晚，開始于引進國外的各種型式的移栽機，不同型式的移栽機有其各自的特點。總體來說，當前我國現(xiàn)有移栽機的機械化與自動化水平比較低，移栽質(zhì)量差、可靠性不高，亟需一種通用型蔬菜作物移栽機，要求其工作平穩(wěn)、可靠，移栽后的秧苗整齊、株距穩(wěn)定、直立度好、傷苗率低、工作效率高。

本文針對當前我國移栽機械存在的問題研制了2ZBX-4型吊杯式蔬菜移栽機，其栽植株距和移栽深度穩(wěn)定，栽植株距、行距及栽植深度等參數(shù)可調(diào)，適用于辣椒、白菜、西紅柿、西蘭花等多種蔬菜秧苗的移栽。其與人工作業(yè)相比，工作效率高，損傷率和漏栽率低，直立度好，一次完成4行蔬菜移栽，為我國蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了重要的技術(shù)裝備支撐。

1 整體方案設(shè)計及主要技術(shù)指標

1.1 整體設(shè)計

2ZBX-4型吊杯式蔬菜移栽機主要由機架、三點懸掛裝置、地輪、傳動系統(tǒng)、座椅、穴盤苗架、移栽單體及覆土鎮(zhèn)壓輪等組成，如圖1所示。使用時，采用29.4kW以上拖拉機牽引，4個移栽單體同時工作，一次完成4行移栽作業(yè)，每個移栽單體由投苗杯安裝架、投苗杯、箱體及栽植裝置等組成。4個移栽單體交錯排列，以使移栽后相鄰兩行秧苗間隔排列，獲得充足的生長空間。

1.機架 2.穴盤架 3.座椅 4.三點懸掛機構(gòu) 5.投苗杯安裝架 6.投苗杯 7.箱體 8.覆土鎮(zhèn)壓輪 9.栽植裝置安裝架 10.地輪 11.栽植裝置 12.傳動鏈條 13.主軸 14.栽植深度調(diào)節(jié)絲杠

1.2 工作過程

移栽機通過三點懸掛機構(gòu)與拖拉機掛接，在拖拉機的帶動下，地輪轉(zhuǎn)動并通過鏈條傳動將動力傳動至主軸，主軸通過鏈輪鏈條分別驅(qū)動4個移栽單體上的栽植裝置轉(zhuǎn)動；栽植器主軸通過鏈輪鏈條驅(qū)動移栽單體上方的一對錐齒輪轉(zhuǎn)動，進而帶動投苗杯的旋轉(zhuǎn)，投苗杯的開合由安裝在箱體上方的導(dǎo)軌控制。

在移栽作業(yè)開始前，需要先對要進行移栽的土壤起壟作畦。作畦后，地表土壤松軟、平整且排水良好，增加了種植層的厚度，便于移栽及覆蓋地膜。移栽時，首先將育好的帶有秧苗的穴盤放在左右穴盤架上，由人工從苗架取苗并投入旋轉(zhuǎn)的投苗杯中；穴盤苗被投入到投苗杯后，投苗杯旋轉(zhuǎn)至正前方時，投苗杯底座打開；此時栽植器承接杯運行至投苗杯正下方，穴盤苗恰好落入承接杯中，待承接杯運行至最下方時鴨嘴打開，穴盤苗在重力作用下落到穴坑內(nèi)；隨后覆土鎮(zhèn)壓輪進行覆土和填壓，完成栽植過程。

1.3 主要技術(shù)指標

按照旱田蔬菜的種植模式與農(nóng)藝要求，確定本機的主要技術(shù)參數(shù)指標如表1所示。

表1 2ZBX-4型吊杯式蔬菜移栽機技術(shù)參數(shù)

Table 1 Main performance parametersanter of the 2ZBX-4 cup vegetable transplanting machine

參數(shù)單位數(shù)值整機尺寸(長×寬×高)mm1500×2500×1400配套動力kW≥29．5作業(yè)方式牽引式

續(xù)表1

2 傳動系統(tǒng)及主要工作部件設(shè)計

2.1 傳動系統(tǒng)設(shè)計

2ZBX-4型吊杯式蔬菜移栽機主要采用鏈輪鏈條傳動，通過鏈輪輪齒與鏈條鏈節(jié)的嚙合來傳遞運動和動力。鏈條傳動傳動效率高、傳動比準確、結(jié)構(gòu)緊湊、適應(yīng)農(nóng)田復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境且制造與安裝精度要求低，更換方便，成本也低。傳動系統(tǒng)簡圖如圖2所示。地輪軸由拖拉機牽引隨地輪旋轉(zhuǎn)，經(jīng)鏈輪Z1、Z2傳動至主軸，隨著主軸旋轉(zhuǎn)，動力經(jīng)鏈輪Z3、Z4傳動至栽植裝置軸，帶動栽植裝置旋轉(zhuǎn)；同時，一部分動力經(jīng)Z5、Z6傳動至一對錐齒輪Z7、Z8，進而帶動投苗裝置不斷旋轉(zhuǎn)投苗。

1.地輪軸 2.主軸 3.栽植裝置軸

2.2 栽植裝置設(shè)計

栽植裝置是移栽機的核心工作部件，作用是完成承接穴盤苗、打穴及栽苗工作，主要由滾輪軸承安裝盤、控制盤、滾輪軸承、安裝盤支撐、安裝盤、栽植裝置主軸、栽植器支撐板、滾子、復(fù)位彈簧、鴨嘴、承接杯、套筒及安裝盤等組成，如圖3所示。

1.軸承座 2.滾輪軸承安裝盤 3.控制盤 4.滾輪軸承 5.安裝盤支撐 6.安裝盤1 7.栽植裝置主軸 8.栽植器支撐板 9.滾子 10.復(fù)位彈簧 11.復(fù)位彈簧固定螺栓 12.鴨嘴 13.滾子固定螺栓 14.承接杯 15.套筒 16.安裝盤2

圖3中，承接杯、滾子、復(fù)位彈簧固定螺栓、鴨嘴、復(fù)位彈簧及滾子固定螺栓組成了栽植器。栽植器通過兩側(cè)栽植器支撐板安裝在兩側(cè)安裝盤上，安裝盤通過套筒安裝在栽植裝置主軸上，整個栽植裝置通過帶座軸承安裝在移栽單體機架上。工作過程中，栽植器承接杯杯口需要始終向上承接秧苗，且鴨嘴需要保持朝下狀態(tài)打穴栽植；為避免栽植器的翻轉(zhuǎn)，在栽植器一端設(shè)有控制盤，通過連桿與栽植器連接，控制盤與滾輪軸承安裝盤通過滾輪軸承連接。安裝盤、控制盤和連桿組成了四連桿機構(gòu)，其工作時帶動栽植器旋轉(zhuǎn)，使承接杯杯口始終朝上且鴨嘴始終朝下，確保了鴨嘴的垂直入土和出土，保證了移栽后秧苗的直立度。栽植器安裝板上面設(shè)計有凸起，構(gòu)成凸輪機構(gòu)，栽植器上方滾子與栽植器安裝板組成滾子凸輪機構(gòu)控制鴨嘴的打開，復(fù)位彈簧控制鴨嘴的關(guān)閉。

3 栽植株距調(diào)節(jié)原理與計算

3.1 零速投苗原理

鴨嘴的運動過程是移栽機隨拖拉機牽引的勻速直線運動和栽植器繞栽植裝置主軸做勻速圓周運動的合成，鴨嘴的運動軌跡如圖4所示。選取鴨嘴最低點為參考點，在圖4坐標系下建立參考點運動軌跡方程，即

x=Vtt+Rcosωt

(1)

y=-Rsinωt

(2)

(3)

式中x—鴨嘴水平方向位移；

y—鴨嘴垂直方向位移；

Vt—拖拉機前進速度；

ω—栽植裝置轉(zhuǎn)動角速度；

t—時間；

R—鴨嘴參考點回轉(zhuǎn)半徑；

λ—特征系數(shù)。

特征系數(shù)λ是參考點旋轉(zhuǎn)的線速度與移栽機的水平前進速度的比值。保證栽植秧苗的直立性是蔬菜種植的基本要求，而要保證栽植缽苗具有理想直立度，需要栽植裝置的定植點在水平方向上的瞬時速度矢量和相對地面為零，即“零速投苗”原理[9-12]。按照“零速栽苗”原理，要求投苗時秧苗在水平方向的速度為0，只有當λ>1時，才有可能實現(xiàn)零速投苗。因此，λ>1是移栽機正常工作的必要條件。

圖4 鴨嘴最低點運動軌跡

3.2 拖拉機前進速度與株距的關(guān)系

拖拉機前進速度與栽植頻率f和株距s的關(guān)系為

Vt=fs

(4)

3.3 栽植器個數(shù)與栽植裝置轉(zhuǎn)速的關(guān)系

栽植器的數(shù)量N與栽植裝置轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為

f=Nn

(5)

3.4 栽植株距的調(diào)節(jié)

由式(3)和式(5)得

(6)

由式(3)～式(5)得

(7)

綜合所述，栽植株距的調(diào)整方式有以下3種：

1)根據(jù)式(4)，采用調(diào)整拖拉機行駛速度的方式改變株距，但考慮到目前國內(nèi)具有爬行擋的拖拉機很少，栽植株距小于30cm的作物時存在一定的困難,必須提高栽植頻率才能達到株距要求,而栽植頻率是由人工操作的勞動強度決定的,因此可能出現(xiàn)勞動強度大、漏苗等問題[10]。

2)根據(jù)式(6)，采用調(diào)整栽植器數(shù)量來調(diào)節(jié)株距。但是，更改栽植器的同時需要改變機器的傳動比，而且栽植器受到結(jié)構(gòu)的限制數(shù)量不能太多。

3)根據(jù)式(7)，采用改變栽植裝置轉(zhuǎn)速來改變株距最為簡單，只需更換相應(yīng)鏈輪改變傳動比即可實現(xiàn)。因此，本機采用更換地輪軸上鏈輪Z1與主軸上鏈輪Z2來調(diào)節(jié)株距。

4 田間試驗

為了更全面考察2ZBX-4型吊杯式蔬菜移栽機的工作性能，在山東農(nóng)業(yè)大學蔬菜試驗基地進行了樣機試驗，圖5為樣機進行現(xiàn)場試驗圖。試驗地土壤為砂壤土，土壤含水率為15%，試驗前先由作畦機作畦使土壤平整、松軟。試驗選用軟穴盤72(12列×6行)穴，采用苗齡55天、株高16～17cm、基質(zhì)含水率約18%的辣椒苗移栽，要求移栽株距為38～40cm，移栽深度5～7cm。在試驗地每行連續(xù)移栽130株苗，用秒表記錄試驗時間，重復(fù)試驗3次，試驗結(jié)果如表2所示，秧苗栽植效果如圖6所示。

圖5 移栽機試驗現(xiàn)場圖

試驗指標單位試驗數(shù)值栽植頻率株株/min·行45

續(xù)表2

圖6 秧苗栽植效果

試驗結(jié)果表明：該機的栽植株距穩(wěn)定性好，傷苗率低，栽植成功率高，而且鏈輪更換方便，株距調(diào)節(jié)準確，能滿足實際生產(chǎn)的需要。

5 結(jié)論

1)設(shè)計了2ZBX-4型吊杯式蔬菜移栽機，該機由拖拉機牽引，人工投苗，可實現(xiàn)半自動化移栽。

2)λ>1是移栽機正常工作的必要條件。

3)分析了株距調(diào)節(jié)的原理，得到通過更換鏈輪進而改變栽植裝置轉(zhuǎn)速的方式是最簡單易行的株距調(diào)節(jié)方式的結(jié)論。

4)對辣椒苗進行了田間移栽試驗，結(jié)果表明：該機栽植株距和移栽深度穩(wěn)定，傷苗率和漏栽率低，直立度好，工作效率高，能滿足不同地區(qū)不同蔬菜的移栽農(nóng)藝要求。

[1] 陳永生,胡檜,肖體瓊,等.我國蔬菜生產(chǎn)機械化現(xiàn)狀及發(fā)展對策[J].中國蔬菜,2014(10):1-5.

[2] 糜南宏,趙映,秦廣明,等.蔬菜全程機械化研究現(xiàn)狀與對策[J].中國農(nóng)機化,2014(3):66-69.

[3] 國家統(tǒng)計局農(nóng)村社會經(jīng)濟調(diào)查司．中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒2014[M].北京：中國統(tǒng)計出版社,2014.

[4] 崔思遠,肖體瓊,陳永生,等.日本蔬菜生產(chǎn)機械化發(fā)展模式與啟示[J].中國蔬菜,2016(2):1-5.

[5] 韓長杰,楊宛章,張學軍,等.穴盤苗移栽機自動取喂系統(tǒng)的設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2013(8):51-61.

[6] 陳建能,黃前澤,王英,等.缽苗移栽機非圓齒輪行星輪系栽植機構(gòu)參數(shù)分析與反求[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2013(8):18-26.

[7] 王君玲,高玉芝,李成華.旱地缽苗移栽機械化生產(chǎn)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國農(nóng)機化,2003(6):12-14.

[8] 張鵬,曹衛(wèi)彬,王鵬,等.番茄穴盤苗輸送帶式移栽機栽植機構(gòu)的設(shè)計研究[J].農(nóng)機化研究,2013,35(3):70-73.

[9] 崔巍,趙亮,宋建農(nóng),等.吊杯式移栽機栽植器運動學分析與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2012(S1):35-38，34.

[10] 封俊,秦貴,宋衛(wèi)堂,等.移栽機的吊杯運動分析與設(shè)計準則[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2002(5):48-50.

[11] 金誠謙,吳崇友,袁文勝.鏈夾式移栽機栽植作業(yè)質(zhì)量影響因素分析[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2008(9):196-198.

[12] 武科,畢新勝,陳永成.吊籃式移栽機栽植器的研究[J].農(nóng)機化研究,2010，32(6):73-75，79.

Design and Research of the 2ZBX-4 Cup Vegetable Transplanting Machine

Wu Yanqiang1, Wang Wenli2, Hou Jialin1

(1.Mechanical and Electronic Engineering College, Shandong Agricultural University, Tai'an 271018, China; 2.Agricultural Machinery Safety Supervision Station in Shandong Province, Jinan 250013, China)

According to the current vegetable transplanting machine poor-quality problems，2ZBX-4 cup vegetable transplanting machine was designed，and this paper described how the machine works and analyzed the working process. Towed by a tractor，artificial feeding seedlings，it achieved semi-automatic transplanting. Plant space can be adjusted by changing the driven sprocket. A field test had been carried out using 2ZBX-4 cup vegetable transplanting machine，test results shows that planting spacing and planting depth is very stable，the device has the advantages of the low planted damage and leakage rate，the good upright degree，the high efficiency，which can meet the requirements of different regions in different agronomic transplanting vegetables.

vegetable transplantation; hanging cuptype； plug seedlings; traction-type

2016-03-24

山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系蔬菜產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團隊項目(SDAIT-05-11)

吳彥強(1992-)，男，山東平原人，碩士研究生，(E-mail)18853818300@163.com。

侯加林(1963-)，男，山東高密人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)jlhou@sdau.edu.cn。

S223．94

A

1003-188X(2017)08-0107-05