煙草掏苗覆土機(jī)設(shè)計

摘要：烤煙膜下小苗移栽技術(shù)是一項成熟的煙草移栽技術(shù)。針對膜下小苗移栽農(nóng)藝復(fù)雜和機(jī)械化技術(shù)裝備欠缺等問題開展研究，設(shè)計一種氣動掏苗覆土一體化裝置。該裝置主要由整體支撐、輪式起土、覆土、掏苗、車載空氣壓縮機(jī)、鎮(zhèn)壓和株距控制等部件組成，具有株距可調(diào)、掏苗覆土同步作業(yè)等技術(shù)性能特點(diǎn)。在研究結(jié)構(gòu)及工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合煙草田壟構(gòu)造及掏苗覆土作業(yè)要求分析，確定掏苗裝置、覆土裝置、株距控制裝置等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)。田間試驗結(jié)果表明，該裝置在標(biāo)準(zhǔn)化田壟工作時，掏苗裝置、覆土裝置及整機(jī)完整作業(yè)率在速度為0.5 m/s時表現(xiàn)最佳，覆土量的最佳值為1.5 L，達(dá)到煙草種植農(nóng)藝要求。根據(jù)掏苗裝置與覆土裝置株距保持的積累誤差試驗數(shù)據(jù)，繪制散點(diǎn)圖并進(jìn)行直線擬合。通過擬合直線結(jié)果預(yù)測整機(jī)積累誤差超過5 cm時，工作次數(shù)約為1 900次，穩(wěn)定行進(jìn)距離約為950 m，符合使用要求。

關(guān)鍵詞：烤煙膜下移栽；掏苗裝置；覆土裝置；自動化

中圖分類號：S223.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-5553（2024）12-0093-08收稿日期：2023年5月11日

修回日期：2023年8月25日

*基金項目：黑龍江省煙草公司科技攻關(guān)項目（2020230003640002）；河南省煙草公司科技攻關(guān)項目（2022611027）

第一作者：趙寧，男，1981年生，河南安陽人，博士，講師；研究方向為植物栽培技術(shù)。E-mail：zhaoning521@163.com

通訊作者：任天寶，男，1981年生，河南開封人，博士，副教授，碩導(dǎo)；研究方向為煙草栽培技術(shù)工程化。E-mail：biochar2018@henau.edu.cn

Design of tobacco seedling pulling and soil covering integrated device

Zhao Ning¹， Huang Zequan¹， Shi Shuyang¹， Ding Pan¹， Yuan Ye²， Ren Tianbao¹

（1. Henan Agricultural University， Zhengzhou， 450002， China; 2. Mudanjiang Tobacco Research Institute of Heilongjiang Company of China National Tobacco Corporation， Harbin， 150000， China）

Abstract： The transplanting technology of small seedlings under the flue-cured tobacco film is a mature tobacco transplanting technology， but the multiple agronomic links after the tobacco seedlings transplanting make the popularization of this technology greatly reduced. In view of the bottleneck problem of popularization and lack of equipment of this technology， combined with the requirements of tobacco planting， an integrated scheme of synchronous operation of multiple agronomy and ring is designed. The device is mainly composed of the overall support device， wheeled soil lifting device， soil covering device， seedling cutting device， on-mounted air compressor device， suppression device and plant distance control device. It has the technical advantages such as adjustable plant spacing and synchronous operation of seedling cutting and soil covering. Based on the elaboration of the overall structure and working principle， combined with the analysis of tobacco ridge structure and the requirements of soil covering， the structural parameters and operating parameters of the key components of the plant， such as seedling cutting device， soil covering device and plant spacing control device were determined. The results of the field experiment showed that the performance of the device was the best at the speed of 0.5 m/s， and the best value of the soil covering amount was 1.5 L， which met the agronomic requirements of tobacco planting. According to the accumulation error test data of the plant distance between the seedling cutting device and the soil covering device， the scatter plot was drawn and the straight line was fitted. By fitting the straight line results， when the accumulation error of the whole machine exceeds 5 cm， the working times are about 1 900 times， and the shortest travel distance is about 950 m， which meets the use requirements.

Keywords： floral flue-cured tobacco membrane transplanting；seedling device; soil covering device；automatization

0 引言

我國是世界上煙草種植面積最大的國家，煙草種植成為推進(jìn)農(nóng)民增收的重要手段。東北產(chǎn)煙區(qū)西接大興安嶺，北接小興安嶺，東抵長白山，南達(dá)遼東半島和渤海灣平原，包括黑龍江、吉林、遼寧三省的大部分。在平原與山地的過渡地帶，土壤pH值為5.9～6.3，含鹽量低，土地條件較適宜種植烤煙。煙草種植是用工密集型產(chǎn)業(yè)，勞動強(qiáng)度大，需提高煙草種植機(jī)械化水平以推進(jìn)煙草種植產(chǎn)業(yè)升級^［1］。近年來，煙草機(jī)械化研究已取得了較大進(jìn)展，但其機(jī)械裝備水平與產(chǎn)業(yè)需求仍有較大差距。

烤煙膜下移栽技術(shù)具有保墑、保濕、抑制雜草的優(yōu)勢，能夠提升煙葉品質(zhì)、增加煙農(nóng)收益^［2］，已經(jīng)成為我國煙草主產(chǎn)區(qū)的移栽技術(shù)之一^［3］。膜下移栽后的煙苗，需要進(jìn)行開孔、掏苗、起土、覆土等農(nóng)藝工序。目前，掏苗覆土作業(yè)主要由人工完成^［4］，操作者蹲在烤煙田壟邊，捅破地膜使煙苗裸露，再用鋤頭把壟溝里的土圍到煙苗根部及四周，直至把地膜壓實(shí)。但是，人工掏苗覆土勞動強(qiáng)度大、效率低、成本高，特別是煙草掏苗窗口期短，人工無法短時間內(nèi)完成大面積的煙田的掏苗覆土作業(yè)。工人在作業(yè)時，需長時間保持彎腰、下蹲姿勢，嚴(yán)重影響工人身體健康^［5］。此外，工人直接接觸煙苗，會增加病毒傳染給煙苗的風(fēng)險。因此，為提供一種可以同時進(jìn)行掏苗和覆土作業(yè)且可以調(diào)整作業(yè)株距以適應(yīng)不同品種的裝置和方法，通過對關(guān)鍵裝置進(jìn)行仿真分析和整機(jī)的試驗驗證，以期提高作業(yè)精度和工作效率，促進(jìn)煙草質(zhì)量提升。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 農(nóng)藝要求

東北煙區(qū)作為我國主要煙草種植地區(qū)之一，主要種植方式為井窖式^［6］。煙草種植的農(nóng)藝要求煙苗在地膜下生長7～10天后，煙苗頂部距離地膜表面約2～3 cm時，應(yīng)去除煙苗上方地膜使幼苗破膜生長^［7］，并在苗根周圍覆蓋一定量的土壤壓緊地膜^［8］。膜下移栽后田壟截面示意見圖1，工作完成后理想狀態(tài)見圖2。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

氣動式掏苗覆土一體化裝置主要由輪式起土裝置、株距控制裝置、鎮(zhèn)壓裝置、覆土裝置、掏苗裝置等組成，如圖3所示。采用掏苗覆土同步作業(yè)的方式，極大地提高了作業(yè)效率，同時減輕了勞動強(qiáng)度。其中掏苗裝置是一個邊緣鋸齒狀沖裁圓筒，安裝在一個雙行程氣缸上，通過氣缸的動作控制對地膜沖裁作業(yè)。輪式起土裝置是由起土犁、存土倉、篩網(wǎng)組成，起土犁安裝在兩輪外側(cè)靠近篩網(wǎng)處，可調(diào)節(jié)入土深度，10個存土倉均布焊接在輪內(nèi)部與篩網(wǎng)緊貼，土壤可經(jīng)過篩網(wǎng)進(jìn)入存土倉。篩網(wǎng)是由金屬板材經(jīng)開孔（Φ2 cm×2 cm）制成，可阻止較大土塊進(jìn)入存土倉，輪的外圓表面焊接有兩排防滑抓地釘。

整機(jī)結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)如表1所示。

覆土裝置由覆土倉與倉門組成，倉門安裝在覆土倉的出口，倉門連接雙行程氣缸，可以通過上下移動控制煙苗覆土動作。鎮(zhèn)壓裝置是由鎮(zhèn)壓輪與鎮(zhèn)壓彈簧組成，可以完成覆土后的土壤壓實(shí)工作。車載空氣壓縮機(jī)裝置由空氣壓縮機(jī)以及雙行程氣缸組成，電磁閥可控制雙行程氣缸的動作。

1.3 整機(jī)工作原理

氣動式掏苗覆土一體化裝置開始工作前，連接后置旋轉(zhuǎn)軸使空氣壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)整株距控制裝置以適應(yīng)當(dāng)前工作株距，調(diào)節(jié)起土犁的入土深度。作業(yè)時，輪式起土裝置深入壟間土壤，起土犁在將土壤翻覆至篩網(wǎng)，經(jīng)過篩網(wǎng)篩慮過的土壤源源不斷進(jìn)入存土倉。在行走地輪的帶動下存土倉內(nèi)土壤靠近覆土倉的入口，當(dāng)存土倉到達(dá)覆土倉入口時土壤剛好落下。掏苗裝置沖裁筒到達(dá)煙苗正上方時，株距控制裝置觸發(fā)電信號，控制沖裁氣缸下沖和提升，沖裁氣缸迅速動作以完成煙苗上方地膜沖裁作業(yè)；同時覆土倉門在氣缸的控制下打開，土壤從覆土倉落下，完成覆土工作，緊接著鎮(zhèn)壓輪經(jīng)過覆土上方將土壤壓實(shí)保濕。循環(huán)往復(fù)，連續(xù)進(jìn)行作業(yè)。氣動式掏苗覆土一體化裝置模型，如圖4所示。

2 核心裝置設(shè)計及參數(shù)確定

2.1 輪式起土裝置設(shè)計

2.1.1 輪式起土裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

在實(shí)際掏苗覆土作業(yè)中，東北煙區(qū)土質(zhì)硬，板結(jié)嚴(yán)重，導(dǎo)致起土質(zhì)量差，易損苗，本裝置采用起土犁及篩土網(wǎng)協(xié)作的方式起土，提高起土量的同時破碎板結(jié)土塊。輪式起土裝置的模型構(gòu)想?yún)⒖剂怂嚺c起壟機(jī)的設(shè)計結(jié)構(gòu)，并將二者的工作原理進(jìn)行了融合。主要由起土犁、篩土網(wǎng)、存土倉等部件組成，起土犁的調(diào)節(jié)座可以根據(jù)作業(yè)環(huán)境調(diào)整起土犁的入土深度，如圖5所示。在結(jié)合具體農(nóng)藝要求，該裝置應(yīng)滿足土量可調(diào)節(jié)、土質(zhì)均勻、株距準(zhǔn)確可調(diào)等技術(shù)條件。

起土輪水平對稱安裝支撐架兩側(cè)，并且起土輪可自由旋轉(zhuǎn)。起土輪的外側(cè)連接起土犁調(diào)節(jié)座，通過調(diào)節(jié)座上的螺栓來控制起土犁的入土深度。行走地輪內(nèi)設(shè)置有十個均勻分布的存土倉，存土倉外側(cè)擋板低于內(nèi)側(cè)擋板且垂直圓心擋板有15°偏向覆土倉的偏角，方便土壤入倉與出倉。兩個行走地輪外側(cè)均焊接有2 cm×2 cm方形孔篩土網(wǎng)，用于篩選或磨碎較大土塊。為保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，行走地輪參照自行車輪子設(shè)計成10根45號鋼制成的輻條^［8］，并焊接在行走地輪的外側(cè)為覆土管預(yù)留空間。在每個行走地輪上設(shè)計有40個對稱分布的抓地釘，防止打滑、丟轉(zhuǎn)，如圖6所示^［9］。

2.1.2 輪式起土裝置主要參數(shù)確定

起土輪的正常運(yùn)行是整個煙草掏苗、覆土一體機(jī)的關(guān)鍵，為了保證行走地輪能夠穩(wěn)定工作，起土輪參數(shù)設(shè)置十分重要。起土輪的直徑、寬度、材料是影響起土效果的重要參數(shù)。起土輪的主要參數(shù)，如表2所示。

根據(jù)起土輪作業(yè)環(huán)境和作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行受力分析，起土輪需要依靠抓地釘扎進(jìn)土中產(chǎn)生抓地力為整機(jī)提供動力，并起到支撐整機(jī)的作用^［10］。在運(yùn)行過程中起土輪受到整機(jī)的重力，方向向下，作用于起土輪與土壤接觸面，大小為3.839 kN；受到輪與土壤的摩擦力，取摩擦因數(shù)為0.6，方向與前進(jìn)方向相反，計算可得SolidWorks摩擦力為2.303 kN。在重力與摩擦力的作用下產(chǎn)生應(yīng)力和形變，因此起土輪需要具有較好的抗變形能力和抗壓能力。通過建立模型對其進(jìn)行仿真分析，在SolidWorks Simulation分析得其所受出應(yīng)力狀態(tài)。

由應(yīng)力圖7可得，最大應(yīng)力為1.19×10⁸ Pa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力2.208×10⁸ Pa，因此起土輪強(qiáng)度滿足應(yīng)用要求。

經(jīng)過變形分析可得起土輪在工作時的變形圖，如圖8所示，最大形變?yōu)?.756 mm，形變程度很小，可忽略不計，所以起土輪在剛度方面滿足要求。

起土犁是主要受力零部件，在裝置運(yùn)作過程中受到土壤的擠壓作用力會產(chǎn)生應(yīng)力和變形，因此起土犁要具有較好的抗變形能力與較好的耐磨性能。為驗證起土犁設(shè)計的合理性，運(yùn)用SolidWorks Simulation對起土犁進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，模擬起土犁在工作時的變形^［11］。

起土犁工作時受土壤摩擦力f、土壤重力G、土壤總壓力N、土壤切削阻力τ、起土犁支撐架的支撐力 N′ 和拖拉機(jī)提供的牽引力 F 作用，理想情況下，總阻力中的τ可忽略，起土犁受力分析，如圖9所示。

F=G/z+GS+A/z（sinβ+μ′cosβ） （1）

z=cosα－μsinα/sinα+μcosα+cosβ－μ′sinβ/sinβ+μ′cosβ （2）

A=ρbHν²sinα/sin（α+β） （3）

式中： G ——作用于起土犁上的土壤重力；

A ——土壤的加速力；

C ——土壤內(nèi)聚力；

S ——前剪切失效面的面積；

Z ——耕深系數(shù)；

α ——x方向土壤進(jìn)入犁面時的夾角；

β ——y方向土壤進(jìn)入犁面時的夾角；

μ′ ——土壤內(nèi)摩擦因數(shù)；

μ ——土壤與金屬的摩擦因數(shù)；

ρ ——土壤密度；

b——犁面寬度；

ν——行進(jìn)速度；

H——入土深度。

由式（1）～式（3）可求牽引力F，根據(jù)F可計算出土壤總壓力N和土壤摩擦力f，如式（4）和式（5）所示。

N=F/sinα+μcosβ （4）

f=μN(yùn) （5）

其中，C=7.5 kPa，μ=0.5，ρ=1 350 kg/m³，由此可得f為140.7 N，N為281.5 N。將以上數(shù)據(jù)代入SolidWorkes Simulation中，結(jié)果如圖10～圖12所示，最大應(yīng)力數(shù)據(jù)為5.310×10⁷ Pa， 遠(yuǎn)小于查表得出的合金鋼的屈服強(qiáng)度6.204×10⁸ Pa，滿足實(shí)際作業(yè)時的使用要求。

2.2 掏苗裝置的設(shè)計

2.2.1 掏苗裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

在實(shí)際應(yīng)用中，煙苗生長至地膜下2～3 cm，掏苗裝置在作業(yè)過程中不能損傷煙苗，應(yīng)具有準(zhǔn)確率高，響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，根據(jù)植株生長情況設(shè)計破膜孔形狀。掏苗裝置是氣動式掏苗覆土一體化裝置的核心部件，主要由沖裁筒、雙行程氣缸、手動可調(diào)式支撐架等組成，沖裁筒下端設(shè)置為鋸齒狀更易沖破地膜，如圖13所示。

2.2.2 掏苗裝置工作原理

行走地輪與地面是滾動接觸，所以行走地輪外圓直徑即為旋轉(zhuǎn)一周所前進(jìn)距離，且距離固定。多級變速器通過改變行走地輪與圓盤轉(zhuǎn)速比控制圓盤轉(zhuǎn)速，圓盤每轉(zhuǎn)一周其上的擋桿就會觸碰電磁閥一次，電磁閥會進(jìn)行一次開關(guān)并控制雙行程氣缸完成上下兩個行程，同時帶動鋸齒沖頭完成沖擊、提起動作，至此完成一次掏苗作業(yè)，整機(jī)不斷前進(jìn)，此過程不斷重復(fù)。掏苗裝置結(jié)構(gòu)，如圖14所示。

1.沖裁筒 2.雙行程氣缸

2.2.3 主要工作參數(shù)

根據(jù)農(nóng)藝要求，覆土?xí)r以煙苗根部為圓心半徑10 cm的區(qū)域都應(yīng)被土壤覆蓋，所以取沖裁筒直徑D=300 mm，高H=400 mm。材料選取45號鋼。為了防止沖裁筒未工作時鋸齒狀切削刃刮傷地膜，在未沖裁時沖裁筒應(yīng)提升到一定高度L₁，沖裁筒沖裁至膜下時為L₂，則雙行程氣缸有效沖程應(yīng)大于L₁+L₂，且可以調(diào)節(jié)。

2.3 覆土裝置

由于煙苗移栽后一周左右需要在其根部覆土^［12］，覆土量將直接影響煙苗生長后期根系的發(fā)育進(jìn)而影響煙葉產(chǎn)量和質(zhì)量^［13］，故要求該機(jī)構(gòu)能夠持續(xù)提供足夠土壤用于覆土作業(yè)且能夠準(zhǔn)確將土覆蓋在煙苗根部。農(nóng)藝學(xué)要求，在機(jī)器覆土作業(yè)時應(yīng)保證煙苗仍能夠保持直立狀態(tài)；土塊覆蓋到根部時飛濺幅度要小，不能砸傷煙苗影響其生長發(fā)育。覆土作業(yè)完成后，覆蓋的土塊應(yīng)有較好的壓實(shí)度。

覆土裝置的設(shè)計參考了輸水管和閘門的工作原理，覆土倉接收并儲存土倉傾卸的土塊，雙行程氣缸控制覆土閘門上升和下降，土壤在閘門上升時下落，如圖15所示。

裝置工作時，起土輪向前轉(zhuǎn)動，安裝在起土輪上的起土犁將壟間的溝壑里的土翻出，土壤被擠壓通過篩土網(wǎng)后進(jìn)入存土倉里，存土倉隨著起土輪轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)動至2點(diǎn)鐘方向時，存土倉中的土壤開始向覆土管中傾倒。覆土管的作用為送土及存土，其結(jié)構(gòu)呈上端較大，下口小，以利于土壤下滑和存儲。當(dāng)掏苗裝置完成破膜后，株距控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)覆土管倉門打開，將覆土管中儲存的土覆蓋到幼苗根部，完成覆土作業(yè)。

2.4 株距控制裝置的設(shè)計

2.4.1 株距裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

在前進(jìn)過程中，土壤中的碎石塊、麥秸稈將會導(dǎo)致地輪發(fā)生偏移，致使沖裁孔位置與煙苗錯位，故株距控制裝置的設(shè)計要方便調(diào)整因外力造成的株距變化。株距控制裝置是設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的必要裝置，其控制掏苗裝置、覆土裝置的工作頻率及工作狀態(tài)。株距控制裝置主要包括多級變速器、帶銷圓盤、電磁閥、鏈輪鏈條等部件，如圖16所示。

2.4.2 株距控制裝置工作原理

作業(yè)時，可操縱多級變速器擋桿調(diào)節(jié)地輪與帶銷圓盤之間的轉(zhuǎn)動比，從而調(diào)節(jié)帶銷圓盤的轉(zhuǎn)速，圓盤的轉(zhuǎn)速決定沖裁筒和覆土閥門的工作頻率。圓盤每轉(zhuǎn)一周，擋銷將會觸碰電磁閥一次，電磁閥控制雙行程氣缸完成上下兩個行程，即完成一次掏苗和覆土作業(yè)，整機(jī)不斷前進(jìn)此過程重復(fù)進(jìn)行。地輪動力經(jīng)鏈輪到變速箱，變速箱經(jīng)過調(diào)整傳動比后輸出動力，經(jīng)鏈輪到帶銷圓盤。動力傳輸如圖17所示。

2.4.3 株距控制裝置參數(shù)設(shè)計

沖裁筒及覆土閘門的工作需要根據(jù)株距不同進(jìn)行調(diào)整，則帶銷圓盤的轉(zhuǎn)速因株距不同而產(chǎn)生變化，即總傳動比因株距的不同而變化。

i=D₁/D₂ （6）

式中：i——傳動比；

D₁——圓盤直徑；

D₂——地輪直徑。

其中，D₂=1 200 mm，D₁=240 mm，由此可得株距50 cm時，傳動比為0.13；株距55 cm時，傳動比為0.14；株距60 cm時，傳動比為0.16；株距65時，傳動比為0.17。選取起土輪與變速箱輸入軸的傳動比為1，起土輪鏈輪齒數(shù)分別為53，變速箱輸入軸的齒數(shù)為53；變速箱輸出軸與帶銷圓盤的傳動比為1，齒數(shù)為21。

采用直動式電磁閥，由車載電瓶為其提供電力輸入。工作時，上下兩個行程在收到信號后都能夠快速完成，復(fù)位時間控制在1 s以內(nèi)，單位時間內(nèi)換向次數(shù)控制在60次/min。在規(guī)定的工作條件下，電磁閥通電后能可靠的換向，斷電后能可靠地復(fù)位。電磁閥的氣密性要求較為嚴(yán)格，壓力損失較大的接口處要進(jìn)行密閉處理，防護(hù)等級為普通型IP54。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗方法

試驗選取掏苗成功率、相鄰掏苗中心點(diǎn)距離標(biāo)準(zhǔn)差、損苗率、每作業(yè)單位覆土量均值、相鄰覆土中心點(diǎn)距離標(biāo)準(zhǔn)差、完整作業(yè)率等作為能夠體現(xiàn)煙苗掏苗覆土一體化設(shè)備工作性能的測試指標(biāo)。試驗結(jié)果統(tǒng)計與計算中規(guī)定，試驗小區(qū)在試驗地中隨機(jī)選取6條壟寬1.2 m，壟高0.3 m的標(biāo)準(zhǔn)試驗田壟為基準(zhǔn)，6條田壟分別標(biāo)記為a、b、c、d、e、f，測定區(qū)長度為300 m，每100 m在起始處設(shè)置長度為5 m的試驗準(zhǔn)備區(qū)。以a壟為例，田壟前100 m標(biāo)記為a₁，移栽株距為0.5 m，100～200 m標(biāo)記為a₂，移栽株距為0.55 m，200～300 m標(biāo)記為a₃，移栽株距為0.60 m，其余壟同上。作業(yè)過程中要求株距保持穩(wěn)定且完整覆蓋地膜。

3.2 掏苗裝置試驗

試驗預(yù)準(zhǔn)備：選取a、b兩條田壟作為試驗區(qū)，首先關(guān)閉煙苗掏苗覆土一體化設(shè)備的覆土裝置，并對株距控制裝置進(jìn)行復(fù)位。然后啟動前置牽引機(jī)打開后置輸出軸帶動氣缸增壓至標(biāo)定氣壓，移動牽引機(jī)使沖裁筒中心對準(zhǔn)第一株煙苗且沖裁筒處于提升狀態(tài)。試驗方法：設(shè)定a、b兩壟牽引機(jī)移動速度分別為0.5 m/s和0.8 m/s且始終保持勻速。分別在牽引機(jī)到達(dá)a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃試驗區(qū)間的起始區(qū)時，停機(jī)調(diào)整株距控制裝置至對應(yīng)株距，試驗完成后，關(guān)閉牽引機(jī)與設(shè)備。

1）掏苗成功率K指在各試驗區(qū)間內(nèi)完整掏苗個數(shù)與全部掏苗點(diǎn)個數(shù)的比值。根據(jù)農(nóng)藝要求，K≥90%為優(yōu)秀，90%＞K≥80%為良好，80%＞K為差。人工統(tǒng)計各試驗區(qū)間內(nèi)完整掏苗個數(shù)并記錄。掏苗成功率計算如式（7）所示。

K=R/D （7）

式中：R——完整掏苗個數(shù)；

D——全部掏苗點(diǎn)個數(shù)。

2）株距保持的積累誤差θ。沖裁作業(yè)完成后，在試驗區(qū)間內(nèi)每隔5點(diǎn)選取1點(diǎn)為采樣點(diǎn)，分別測量采樣點(diǎn)沖裁中心與第一個沖裁點(diǎn)中心的距離并記錄數(shù)據(jù)。株距保持的積累誤差如式（8）所示。

θ=M_n/n-1－U （8）

式中：U——各試驗區(qū)域內(nèi)煙苗移栽株距；

M_n——第n個掏苗點(diǎn)與第一個掏苗點(diǎn)的距離；

n——第n個采樣點(diǎn)。

3）損苗率H是各試驗區(qū)間內(nèi)沖裁后植株未受損個數(shù)與全區(qū)掏苗次數(shù)的比值。根據(jù)農(nóng)藝要求，5%≥H為優(yōu)秀，10%≥H＞5%為良好，H＞10%為差。掏苗裝置工作完成后，人工統(tǒng)計各試驗區(qū)間內(nèi)未受損煙苗個數(shù)并記錄數(shù)據(jù)。損苗率計算如式（9）所示。

H=1－T/Q （9）

式中：T——未受損掏苗點(diǎn)個數(shù)；

Q——掏苗次數(shù)。

3.3 覆土裝置試驗

預(yù)試驗：取100 mL的量杯，分次傾瀉至已掏苗完成的煙苗根部。根據(jù)種植經(jīng)驗，當(dāng)覆土量符合農(nóng)藝要求時，停止覆土并記錄覆土量。經(jīng)過反復(fù)試驗，得出覆土量在1.2～2.0 L區(qū)間內(nèi)符合種植農(nóng)藝要求。

試驗預(yù)準(zhǔn)備：選取c、d兩條田壟作為試驗區(qū)，首先關(guān)閉煙苗掏苗覆土一體化設(shè)備的掏苗裝置，并對株距控制裝置進(jìn)行復(fù)位。然后啟動前置牽引機(jī)打開后置輸出軸帶動氣缸增壓至標(biāo)定氣壓，移動牽引機(jī)至試驗準(zhǔn)備區(qū)內(nèi)進(jìn)行預(yù)先起土，使存土倉內(nèi)存有一定量土壤。

試驗方法：設(shè)定c、d兩壟牽引機(jī)移動速度分別為0.5 m/s和0.8 m/s且始終保持勻速。分別在牽引機(jī)到達(dá)c₁、c₂、c₃、d₁、d₂、d₃試驗區(qū)間的起始區(qū)時，停機(jī)調(diào)整株距控制裝置至對應(yīng)株距，試驗完成后，關(guān)閉牽引機(jī)與設(shè)備。

1）單個煙苗覆土量均值J是覆土裝置作業(yè)后單個煙苗覆土量平均值。根據(jù)農(nóng)藝要求，J≥1.3 L為優(yōu)秀，1.3 L＞J≥1.0 L為良好，J＜1.0 L為差。覆土作業(yè)完成后，每隔5個覆土點(diǎn)選取第1個覆土點(diǎn)作為采樣點(diǎn)，收集采樣點(diǎn)地膜上方土壤，并測量土壤體積。單個煙苗覆土量均值計算如式（14）所示。

J=∑n/i=1V_i/E （10）

式中：V_i——第i個采樣點(diǎn)覆土量；

E——采樣點(diǎn)個數(shù)。

2）株距保持的積累誤差δ。土作業(yè)完成后，在試驗區(qū)間內(nèi)每隔5點(diǎn)選取第1點(diǎn)為采樣點(diǎn)，分別測量采樣點(diǎn)覆土中心與第一個覆土點(diǎn)中心的距離并記錄數(shù)據(jù)。株距保持的積累誤差如式（11）所示。

δ=G_u/u-1－F （11）

式中：G_u——第u個覆土點(diǎn)與第一個覆土點(diǎn)的距離；

F——各試驗區(qū)域內(nèi)煙苗株距；

u——第u個采樣點(diǎn)。

3.4 完整作業(yè)率

試驗預(yù)準(zhǔn)備：選取e、f兩條田壟作為試驗區(qū)，首先對株距控制裝置進(jìn)行復(fù)位。然后啟動前置牽引機(jī)打開后置輸出軸帶動氣缸增壓至標(biāo)定氣壓，移動牽引機(jī)至試驗準(zhǔn)備區(qū)內(nèi)進(jìn)行預(yù)先起土，并使沖裁筒中心對準(zhǔn)第一株煙苗且沖裁筒處于提升狀態(tài)。

試驗方法：設(shè)定e、f兩壟牽引機(jī)移動速度分別為0.5 m/s和0.8 m/s且始終保持勻速。分別在牽引機(jī)到達(dá)e₁、e₂、e₃、f₁、f₂、f₃試驗區(qū)間的起始區(qū)時，停機(jī)調(diào)整株距控制裝置至對應(yīng)株距，試驗完成后，關(guān)閉牽引機(jī)與設(shè)備。

試驗數(shù)據(jù)測量：完整作業(yè)率P指各試驗區(qū)間內(nèi)掏苗覆土完整作業(yè)點(diǎn)個數(shù)與全區(qū)掏苗覆土作業(yè)點(diǎn)總數(shù)的比值。根據(jù)農(nóng)藝要求，P≥95%為優(yōu)秀，95%＞P≥90%為良好，90%＞為差。選取試驗區(qū)域內(nèi)所有掏苗覆土點(diǎn)，統(tǒng)計掏苗覆土完整作業(yè)個數(shù)并記錄數(shù)據(jù)。完整作業(yè)率計算如式（12）所示。

P=Y/Z （12）

式中：Y——完整作業(yè)個數(shù)；

Z——掏苗覆土點(diǎn)個數(shù)。

3.5 試驗結(jié)果

在掏苗覆土試驗中，測試不同行進(jìn)速度和株距組合下的機(jī)器性能。當(dāng)行進(jìn)速度為0.5 m/s時，當(dāng)株距從0.5 m增加到0.6 m，掏苗成功率略有下降，從95.4%降至93.2%，損苗率則相應(yīng)地從3.1%上升到5.1%。同時，覆土均量也呈現(xiàn)遞減趨勢，從1.51 L減少到1.23 L。盡管如此，完整作業(yè)率仍然保持在較高水平，從95.4%略微下降至93.5%。當(dāng)行進(jìn)速度提升至0.8 m/s時，隨著株距的增加，趨勢與0.5 m/s時類似，掏苗成功率從93.8%下降到91.6%，損苗率則從4.1%上升到5.2%。覆土均量也略有減少，從1.3 L降至1.2 L。然而，完整作業(yè)率依然穩(wěn)定，從95.1%略微下降至92.5%。盡管行進(jìn)速度和株距的變化對掏苗成功率、損苗率、覆土均量以及完整作業(yè)率產(chǎn)生了一定影響，但掏苗覆土機(jī)在所有測試條件下的表現(xiàn)均相當(dāng)出色，掏苗成功率普遍較高，損苗率得到有效控制，覆土量充足，且完整作業(yè)率穩(wěn)定可靠。

如圖18所示，掏苗裝置株距保持的積累誤差擬合直線為

y₁=0.002 57x₁+0.010 15 （13）

式中：y₁——掏苗裝置株距保持的積累誤差值，cm；

x₁——持續(xù)作業(yè)次數(shù)。

如圖19所示，覆土裝置株距保持的積累誤差擬合直線為

y₂=0.002 63x₂+0.003 45 （14）

式中：y₂——覆土裝置株距保持的積累誤差值，cm；

x₂——持續(xù)作業(yè)次數(shù)。

3.6 試驗結(jié)果分析

通過對上述試驗結(jié)果進(jìn)行分析，掏苗成功率、苗損率、覆土均量、完整作業(yè)率均符合設(shè)計要求，達(dá)到煙草農(nóng)藝要求。其中掏苗成功率在相同行進(jìn)速度時，株距增加的同時會導(dǎo)致掏苗成功率減小，相同株距時，速度的增加會導(dǎo)致掏苗成功率降低；苗損率在相同行進(jìn)速度時，株距增加會提高苗損率，相同株距時，提高行進(jìn)速度會增加苗損率；覆土均量在相同行進(jìn)速度時，隨株距的增加覆土量逐漸減小，相同株距時，隨速度的增加覆土量會逐漸減小；完整作業(yè)率在相同行進(jìn)速度時，株距增加會導(dǎo)致完整作業(yè)率降低，相同株距時，速度提升將會降低完成作業(yè)率。該裝置的綜合性能評定如表4所示。

4 結(jié)論

1）設(shè)計一種氣動式掏苗覆土一體機(jī)，創(chuàng)新設(shè)計掏苗裝置、起土裝置、覆土裝置，并將掏苗裝置與覆土裝置配合使用，實(shí)現(xiàn)掏苗作業(yè)與覆土作業(yè)同步進(jìn)行，達(dá)到煙草種植的農(nóng)藝要求。

2）氣動式煙草掏苗覆土一體機(jī)的掏苗裝置采用雙行程氣缸傳動，包括雙行程氣缸、沖裁筒、沖裁支架等裝置。雙行程氣缸閥門觸發(fā)后，迅速下沖和提升，完成一次掏苗作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)邊行走邊掏苗作業(yè)。結(jié)合水車的作業(yè)原理，研發(fā)出新型起土輪。通過相關(guān)計算與仿真分析得到起土犁與行走起土輪的應(yīng)力分析圖，設(shè)計的起土裝置符合設(shè)計要求。

3）株距控制裝置利用固定的起土輪周長作為依據(jù)，調(diào)節(jié)不同擋位以控制沖裁筒下沖與覆土閘門提升的位置，實(shí)現(xiàn)株距可調(diào)、穩(wěn)定可靠的技術(shù)特點(diǎn)。

4）該機(jī)的完整作業(yè)率超過92.5%，作業(yè)質(zhì)量和效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械化代替人工作業(yè)，提高煙草機(jī)械化水平。該設(shè)計解決人工掏苗覆土，勞動投入成本大的難題。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 林碩， 李世金， 朱啟法， 等. 逆向轉(zhuǎn)運(yùn)排肥式煙草施肥起壟機(jī)的設(shè)計與應(yīng)用［J］. 中國煙草科學(xué)， 2022， 43（2）： 101-106.

［2］ 李俊強(qiáng). 烤煙膜下小苗移栽配套技術(shù)［J］. 鄉(xiāng)村科技， 2021， 12（22）： 76-79.

Li Junqiang. Supporting techniques for transplanting flue-cured tobacco seedlings under plastic film ［J］. Rural Science and Technology， 2021， 12 （22）： 76-79.

［3］ 馮長春， 王昕， 張久權(quán)， 等. 膜下小苗移栽最適地膜透光率優(yōu)選研究［J］. 中國煙草科學(xué)， 2020， 41（1）： 16-21.

Feng Changchun， Wang Xin， Zhang Jiuquan， et al. Study on the optimal film transmittance for transplanting short tobacco seedlings under plastic film ［J］. China Tobacco Science， 2020， 41 （1）： 16-21.

［4］ 孫康， 李應(yīng)斗， 張靜， 等. 膜下小苗移栽揭膜培土?xí)r間對早植烤煙品質(zhì)的影響［J］. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2018， 46（31）： 23-25， 33.

Sun Kang， Li Yingdou， Zhang Jing，et al. Effects of transplant seedling under plastic mulching and different removing film and hilling time on the quality of early-planted flue-cured tobacco ［J］. Anhui Agricultural Science， 2018， 46 （31）： 23-25， 33.

［5］ 劉天琪， 李浙昆， 李俊， 等. 煙草破膜自動定位方法及比較［J］. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程， 2019， 57（4）： 27-29.

Liu Tianqi， Li Zhekun， Li Jun， et al. Comparison of methods for automatic positioning of tobacco broken film ［J］. Agricultural Equipment and Vehicle Engineering， 2019， 57 （4）： 27-29.

［6］ 裴文茜， 姚道承. 發(fā)展煙草種植對區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的積極影響闡述［J］. 南方農(nóng)業(yè)， 2018， 12（5）： 75-79.

［7］ 鄧佳， 劉小譚， 李斌， 等. 丘陵區(qū)煙草鋪膜機(jī)研制與開發(fā)［J］. 四川農(nóng)業(yè)與農(nóng)機(jī)， 2016， 207（1）： 18-19.

［8］ 汪洋. 輕簡式煙田苗期揭膜機(jī)的設(shè)計與研究［D］. 重慶：西南大學(xué)， 2018.

Wang Yang. Design and study on simplified film stripper for tabacco seedling ［D］. Chongqing：Southwest University， 2018.

［9］ 王粲， 劉佳文， 易煦東， 等. 機(jī)器人自動分揀試驗系統(tǒng)的手抓方案研究［J］. 價值工程， 2018， 37（30）： 149-150.

Wang Can， Liu Jiawen， Yi Xudong，et al. Research on the grasping device of robot automatic sorting test system ［J］. Value Engineering， 2018， 37（30）： 149-150.

［10］ 董景昊. 低速重載工程機(jī)械輪軌接觸分析［D］. 沈陽：沈陽建筑大學(xué)， 2019.

Dong Jinghao. Wheel-rail contact analysis of low-speed heavy-duty engineering machinery ［D］. Shenyang：Shenyang Architecture University， 2019.

［11］ 郭宜君， 劉九慶， 黎清敏， 等. 小型犁地機(jī)犁體優(yōu)化設(shè)計及動態(tài)特性分析研究［J］. 農(nóng)業(yè)與技術(shù)， 2023， 43（5）： 26-30.

［12］ 朱艷玲， 聶登壁. 煙草種植技術(shù)的研究與探討［J］. 種子科技， 2022， 40（22）： 65-67.

［13］ 陳晨， 牛莉莉， 孫善興， 等. 煙草種植技術(shù)與田間管理分析［J］. 種子科技， 2021， 39（20）： 35-36.