2ZY-6型油菜毯狀苗移栽機設計與試驗

吳 俊 俞文軼 張 敏 吳崇友 蔣 蘭 湯 慶

(農業農村部南京農業機械化研究所， 南京 210014)

0 引言

目前，我國油菜移栽主要采用人工大苗移栽的方式，其用工多、成本高，制約了油菜生產的發展?，F有的半自動移栽機和穴盤苗全自動移栽機主要存在兩方面問題：開溝或打穴移栽依靠開溝或打穴后細碎松軟土壤的自然回流穩苗、覆土鎮壓固苗，不適合水稻茬田黏重土壤條件下油菜的移栽；移栽作業速度低，不適應油菜大面積、高密度移栽[1-5]。鏈夾式和導苗管式半自動移栽機的人工分揀、投苗的極限速度為45次/min和60株/min，作業效率較低。代表世界先進水平的法拉利公司Futura全自動穴盤苗移栽機最高移栽速率為133次/(min·行)，但其價格昂貴，對苗床整備要求嚴格?，F有的半自動或全自動移栽機在土壤適應性、作業效率和經濟性方面均不適應水稻茬油菜的移栽。

因此，迫切需要探索新的育苗移栽方式、研制高效的移栽機械，以解決在水稻茬黏重土壤上油菜低成本高效移栽這一制約長江流域冬油菜發展的瓶頸問題。本文在水稻插秧機底盤的基礎上，增設動力切縫、成型輪和覆土鎮壓等裝置，通過培育高品質的油菜毯狀苗，實現油菜在水稻茬和旱田地多種土壤上的切縫移栽。

1 整機結構與主要技術指標

1.1 整機結構

2ZY-6型油菜毯狀苗移栽機主要由插秧機底盤、動力切縫圓盤、成型滾輪、栽植裝置、旱地仿形裝置和覆土鎮壓機構等部件組成，其具體結構如圖1所示。

圖1 2ZY-6型油菜毯狀苗移栽機結構圖Fig.1 Structure of 2ZY-6 rapeseed carpet seedling transplanter1.插秧機底盤 2.動力切縫圓盤 3.成型滾輪 4.旱地仿形裝置 5.栽植裝置 6.配重箱 7.覆土鎮壓機構

其中，動力切縫圓盤、成型滾輪、旱地仿形裝置及覆土鎮壓機構均通過栽植裝置的栽植橫梁固定連接，栽植橫梁長度為1 900 mm。為錯開布置空間和防止各部件的干擾，動力切縫圓盤和成型滾輪通過長螺栓夾板固定連接，固定座橫向距離為1 400 mm，覆土鎮壓輪采用U型螺栓固定連接，固定座橫向距離為900 mm，旱地仿形裝置采用固定螺栓與栽植橫梁固定，相對距離為1 700 mm，具體連接和布置方式如圖2所示。

圖2 工作部件安裝方式和安裝位置示意圖Fig.2 Installation method and location of working parts

1.2 油菜秧苗規格

為了適應移栽機切塊取苗的作業要求，育成的油菜毯狀苗應具有高密度、健壯、成毯性能好等特征，在長580 mm、寬280 mm的標準秧盤育苗時，秧苗密度大于等于600株/盤，苗高80～120 mm，葉齡5～8葉，秧苗空穴率小于等于10%。移栽時綠葉數3～5葉，盤根好，雙手托起時不應斷裂。

1.3 主要技術指標

苗-機-田三者互適才能達到理想的移栽效果。針對油菜毯狀苗生物特性和移栽要求，應通過旋耕滅茬埋秸、驅動刀盤開溝作畦的機械化耕整地方案為油菜毯狀苗移栽機創造合適的栽前環境和土壤條件。具體技術指標：壟寬1.9～2.0 m，瀝水溝寬0.15～0.2 m，秧苗行距為0.3 m，株距根據種植密度需求調節。

2 關鍵部件設計與參數分析

2.1 栽植裝置設計

本文針對油菜毯狀苗形態、密度和秧苗素質不同于水稻毯狀苗的情況，對插秧機取苗環節工作參數進行適應性修改，以適合油菜毯狀苗切塊栽插[6-9]。為了提高栽植效率，在保證取苗空穴率和苗塊素質的情況下，取苗回數越高越好。但是油菜葉片面積大，生長空間受限，通過多年多次育苗試驗發現280 mm×580 mm標準苗盤育苗時，油菜的密度最大只能達到600株/盤，遠低于水稻育苗密度，因此只能通過增大縱向送秧量、減少取苗回數來保證取苗空穴率低于標準值(10%)[10-13]。同時進行了取苗回數和取苗空穴率的單因素試驗，當取苗回數為10、12、14、16、18時，取苗空穴率依次為6.8%、8.4%、12.2%、15.7%、18.3%。

根據試驗結果分析可知，取苗回數取值為12時，移箱橫向移動280/12=23.3 mm，考慮移箱橫向移動間隙和彈性變形等因素，秧門寬度應大于移箱橫向移動距離，取值為26 mm，秧針寬度為20 mm。

2.1.1螺旋軸外徑

移箱螺旋軸上有正反旋2道螺旋槽交叉存在，螺旋槽根據不同需要具有一定深度、寬度和螺旋升角，當圓柱外徑增大時，螺旋槽的升角減小，沿螺旋槽作用的壓力角減小，所以移箱的推力就會變小，功耗降低。為了避免移箱時機構的自鎖或者受力過大，通常取許用壓力角αt≤38°。同時考慮螺旋軸剛性和重量因素，結合市場上大多數插秧機螺旋軸直徑的設計值，取移栽機螺旋軸直徑φ=22 mm。

2.1.2螺旋槽螺距

螺旋槽螺距決定移箱的速度，而橫向移箱速度必須和秧爪取秧的回數相對應。秧爪每取秧一次，移箱的距離為一個移距。在前文中已經確定移栽機的移距為23.3 mm，取秧回數為12[14-15]。

由S=bZi/ZI計算出螺旋槽螺距S=20.5 mm。式中b為移距，mm；ZI為主動傳動齒輪齒數；Zi為從動傳動齒輪齒數。

2.1.3移箱總行程

采用分置式秧箱，行距為30 mm，隔條寬度為16 mm，實際秧箱底板寬度為281 mm，規格化苗塊寬度為280 mm。

由L=bn+2c計算出移箱總行程L=255 mm。式中n為取秧回數；c為交叉距離(為保證取苗順暢，交叉距離應小于S/2,本文取c=7.5 mm)。

螺旋軸的具體設計參數如圖3所示。

圖3 螺旋軸設計參數示意圖Fig.3 Design parameters of screw shaft

2.2 動力切縫圓盤設計

2.2.1切縫圓盤結構

在有作物殘茬和秸稈覆蓋的稻茬田上進行油菜毯狀苗移栽時，由于秸稈根須茂盛，結塊大，不易破除，傳統開溝器入土困難，很難開出理想栽植縫。因此采用動力驅動波紋圓盤的切縫方案，由于波紋盤幅面具有一定寬度，能滿足后續栽植臂對縫插栽的要求，同時高速轉動的刃口直接切斷秸稈根茬，有效防止秸稈纏繞，并且土壤擾動小，工作過程可靠，能形成疏松并適合移栽的帶狀苗床。為保證油菜切塊推出后保持直立狀態，要求開溝寬度略大于秧針寬度，開溝部件應能在未耕地上開出20～25 mm的窄溝，因此設計的波紋圓盤幅寬t為23 mm。一般直播機用波紋圓盤直徑D為400～500 mm，D越大，刀軸離地越高，有利于機具通過，不易堵塞，過大會導致刀軸纏草、壅土。油菜毯狀苗移栽要求秧苗栽植深度為30～50 mm，比一般油菜直播深度小，綜合插秧機空間位置考慮確定波紋圓盤回轉半徑D=330 mm[16-18]。開溝器安裝位置如圖4所示，具體結構如圖5所示。

圖4 開溝器安裝示意圖Fig.4 Construction drawing of furrow opener1.栽植橫梁 2.馬達安裝座 3.萬向節 4.固定座 5.波紋圓盤 6.成型滾輪

圖5 開溝單元結構示意圖Fig.5 Construction drawing of furrow opener1.標準件 2.固定座 3.馬達安裝座 4.軸套 5.軸承 6.波紋圓盤 7.螺栓

2.2.2液壓系統

切縫圓盤的動力由插秧機發動機通過帶傳動獲取，輸出帶輪安裝在原插秧機風扇帶輪上，形成一套分離式雙聯帶輪，通過傳動帶傳輸動力至液壓泵驅動液壓馬達工作。液壓泵通過泵安裝座緊縮在原插秧機機架上。液壓回路如圖6所示，液壓系統包括油箱，吸油過濾器，定量液壓泵，由電磁換向閥、溢流閥、節流閥組成的疊加閥組，以及液壓馬達和回油過濾器。發動機通過帶傳動驅動液壓泵，而液壓馬達直接驅動開溝圓盤軸。

圖6 液壓系統回路圖Fig.6 Diagram of hydraulic system circuit1.定量泵 2.吸油過濾器 3.液壓油箱 4.節流閥 5.溢流閥 6.電磁換向閥 7.液壓馬達 8.回油過濾器

2.3 旱地仿形裝置設計

采用機械液壓式結構作為移栽機的仿形裝置設計，即在移栽機工作過程中根據觸地感應輪的狀態變化作為傳感源，從而引導控制閥進而控制液壓缸的動作執行，實現栽植深度的控制。圖7是地面信號獲取裝置結構圖，其中由觸地感應輪、叉臂、支撐架、拉桿、調節手柄和鉸接點B、D、E組成初始高度調節機構，根據移栽田塊土壤干濕度和顆粒狀態扳動調節手柄，以改變觸地感應輪的初始高度。由觸地感應輪、叉臂、支撐架、張緊彈簧和鉸接點A、B、C組成工作狀態地面浮動信號獲取機構，其中鉸接點C通過拉線與傳感元件(機械閥)相連，鉸接點A與叉臂聯動，當觸地感應輪接觸地面并感受到地面高度變化時，拉緊或松開拉線，機械閥閥口隨之變化，從而實時控制栽植系統的升降[19-21]。

圖7 地面信號獲取裝置結構圖Fig.7 Structure of ground signal acquisition device1.觸地感應輪 2.刮土器 3.叉臂 4.支撐架 5.拉桿 6.張緊彈簧 7.調節手柄 8.安裝座

2.4 覆土鎮壓機構設計

在完成開溝、切塊、取苗、栽插等工序后，需要將開出窄溝兩邊翻出的土壤覆蓋到小苗的根部，壓緊土壤，提高成活率。傳統的覆土鎮壓輪采用覆土器和鎮壓輪組合使用，這種結構較為復雜，制造成本較高。本文設計的覆土鎮壓輪由支架、壓縮彈簧和帶傾角的輪盤組成，工作時由插秧機自重提供正壓力，輪盤切面和內側面形成切應力，起到鎮壓覆土功能。

圖8 鎮壓部件結構示意圖Fig.8 Construction drawing of compacting part1.支架 2.彈簧銷 3.預緊彈簧 4.輪盤 5.角度調節器 6.刮土裝置 7.安裝架

覆土鎮壓部件由6個鎮壓輪獨立單元組成，間距300 mm，與開溝間距對應。鎮壓輪獨立單元通過夾緊螺栓固定在固定架上，通過改變立柱上安裝孔位置調節鎮壓輪位置。每個獨立單元由支架、彈簧銷、預緊彈簧、輪盤、角度調節器和刮土裝置組成。鎮壓部件結構示意圖如圖8所示。

覆土鎮壓輪主要參數包括輪盤直徑、輪盤寬度、輪盤夾角、單輪傾角以及開距(鎮壓輪兩輪盤最小距離)。鎮壓輪直徑要滿足其正常轉動的條件以及機具的通過性能，同時保證鎮壓輪在作業過程中不產生滑移現象[22-25]，結合意大利法拉利公司生產的缽體苗移栽機鎮壓輪尺寸參數，最終確定輪盤直徑為350 mm。鎮壓輪寬度應視開溝寬度而定，若小于開溝寬度容易造成帶苗下沉，形成溝狀。若大于一定的寬度，在同樣鎮壓力情況下，壓強減小，難以達到理想效果，在此基礎上結合實踐經驗確定輪盤寬度為50 mm。理論分析得知鎮壓輪輪盤夾角越大，滑移作用越強，對土壤壓緊力就越大；但夾角過大時，鎮壓輪與土壤接觸面變小，在正壓力不變的情況下，摩擦力降低，鎮壓輪的轉動會受到明顯影響。在稻板茬土壤環境下，土壤板結、流動性差，單靠鎮壓輪夾角很難實現溝兩側土壤向內擠壓，本文通過增加鎮壓輪傾角形成側向力擠壓土壤以使土壤坍塌，達到覆土目的。為避免秧苗損傷，鎮壓輪開距應稍大于秧苗葉片幅面直徑，通過對秧苗葉片幅面直徑統計后確定中心距水平。

3 田間試驗

3.1 試驗地點和試驗儀器

2018年10月分別在安徽省無為市和江蘇省南京市對前茬水稻和玉米進行了移栽機作業質量檢測試驗。試驗儀器包括土壤含水率測試儀、土壤堅實度測試儀、卷尺、鋼尺、角度尺和秒表等。根據移栽機工作參數和移栽土壤條件選擇合適株距進行移栽，本試驗中稻茬田移栽株距為12 cm，旱田移栽株距為16 cm，圖9是移栽機分別在稻茬田和旱田環境下進行作業試驗。

圖9 田間試驗圖Fig.9 Picture of field testing

3.2 試驗方法

由于油菜毯狀苗移栽機屬于一種全新的旱地移栽技術和方法，相應的試驗標準尚未制定。因此參照JB/T 10291 《旱地栽植機械》、NY/T 1924—2010 《油菜移栽機質量評價技術規范》和企業標準Q/320292ABGF16—2018規定的方法進行。試驗分別在水稻茬田和旱田兩種土壤條件下分期進行，分析在不同土壤條件下的含水率和機具作業速度對露苗率、漏栽率、埋苗率、傷苗率和栽植合格率的影響。相應的指標檢測方法如下：

(1)露苗率

秧苗栽植穴內，秧苗基質塊完全裸露在土壤外，視為露苗。在一個栽植行測定區間內通過移栽總穴數N中的露苗穴數NLM占比來確定，露苗率計算公式為

(1)

(2)

式中Xr——理論穴距，cm

L——一個栽植行測定段的長度，cm

(2)漏栽率

在試驗中，根據相鄰兩穴的穴距(Xi)和理論穴距(Xr)之間的關系確定漏栽穴數，當：在0.5Xr

漏栽率計算式為

(3)

式中NLZ——漏栽穴數，穴

K——秧苗空穴率，%

(3)埋苗率

在一個栽植行測定區間內埋苗穴數占總穴數比率即為埋苗率，計算公式為

(4)

式中NMM——埋苗穴數，穴

(4)傷苗率

在一個栽植行測定區間內傷苗穴數占總穴數比率即為傷苗率，計算公式為

(5)

式中NSM——傷苗穴數，穴

(5)栽植合格率

在一個栽植行測定區間內，秧苗栽植穴內有一株以上符合要求即為栽植合格?？傃〝抵性灾埠细裱〝邓急嚷始礊樵灾埠细衤剩嬎愎綖?/p>

(6)

其中

NHG=N-(NLM+NLZ+NMM+NSM)

3.3 試驗結果與分析

試驗前，測定未耕地土壤含水率和50 mm深度土壤堅實度，結果如表1所示。

表1 試驗土壤狀態測定結果Tab.1 Determination of soil state

在不同含水率條件下，分別以機具作業速度0.8、1.0、1.2 m/s測定露苗率、漏栽率、埋苗率、傷苗率等栽植質量數據，最后計算栽植合格率，具體試驗結果如表2、3所示。

圖10 水稻茬田環境下機具作業速度的栽植質量性能參數變化曲線Fig.10 Effect of working speed on transplanting quality in paddy soil

表2 水稻茬田土壤條件下移栽作業質量

表3 旱田土壤條件下移栽作業質量Tab.3 Performance of transplanting under dry stubble soil %

開展了固定因子的單因素均值分析，圖10a～10d的分析結果顯示，在水稻茬田環境土壤含水率24.7%～34.2%作業時，隨著機具作業速度的增加，露苗率呈上升趨勢，傷苗率呈下降趨勢。作業速度在1.0 m/s時漏栽率和埋苗率最低，分別為3.41%和5.36%，此時平均栽植合格率最高，達到83.61%。以82%的栽植合格率作為考察水稻茬田油菜移栽農藝標準，圖10e的分析結果顯示，機具作業速度應限制在1.15 m/s以內。

圖11 旱田環境下機具作業速度的栽植質量性能參數變化曲線Fig.11 Effect of working speed on transplanting quality in dry stubble soil

圖11a～11d的分析結果顯示，在旱田環境土壤含水率在17.6%～26.8%下作業時，機具作業速度對露苗率和傷苗率的影響較小，對埋苗率的影響呈正相關。機具作業速度在1.0 m/s時，漏栽率最低，為2.97%，此時平均栽植合格率87.68%，為最優水平。以86%的栽植合格率作為考察旱田油菜移栽農藝標準，圖11e的分析結果顯示，機具作業速度在0.8～1.2 m/s時均能滿足要求。

圖12和圖13分別分析了在水稻茬田和旱田兩種土壤環境下，土壤含水率對栽植合格率的影響。結果顯示，在水稻茬田環境下隨著含水率的降低，栽植質量呈上升趨勢，在含水率為24.7%時，平均栽植合格率達到85.66%。當土壤含水率低于30%時，均能滿足水稻茬田油菜移栽農藝標準。在旱田環境下油菜移栽，栽植合格率隨著土壤含水率的降低，呈先升后降的趨勢，在含水率為23.7%時，平均栽植合格率最高，達到87.01%，當含水率降低至17.6%以下時，栽植合格率降至84%以下。

圖12 水稻茬田環境下土壤含水率變化時栽植合格率變化曲線Fig.12 Effect of water content change on qualified rate of transplanting in paddy soil

圖13 旱田環境下土壤含水率變化時栽植合格率變化曲線Fig.13 Effect of water content change on qualified rate of transplanting in dry stubble soil

4 結論

(1)根據油菜移栽農藝要求，對水稻插秧機的移箱栽植系統和取苗機構進行了參數優化，基于稻茬田土壤黏重、板結、秸稈還田的田間條件，設計了動力切縫圓盤+成型滾輪的栽植縫壓切裝置。針對土壤流動性差、投苗后不能回土立苗的問題，設計了V型覆土鎮壓裝置，通過具有夾角調節功能的V型對稱布置的鎮壓輪銳角輪緣切土、側向推土，擠壓栽植縫壅土立苗。采用機械液壓式結構作為移栽機的仿形裝置，實現土壤不平整條件下栽深的控制。

(2)對整機進行了稻茬田和旱田兩種土壤條件下的性能試驗，結果表明，稻茬田土壤含水率為24.7%～30%、機具前進速度在1.15 m/s以內時移栽效果較好，栽植合格率最大可達85.66%。旱田土壤含水率為17.6%～26.8%時移栽質量較佳，栽植合格率最大可達87.01%，機具前進速度為0.8～1.2 m/s時均能滿足油菜移栽農藝要求。