轻简型半自动移栽机的设计及试验

赵峥嵘，毛罕平，韩绿化，胡建平

(江苏大学 现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室，江苏 镇江 212013)

0 引言

目前，我国蔬菜移栽主要依靠人工作业，劳动强度大，作业效率低，移栽质量差[1-2]，无法满足我国的蔬菜生产需求，而机械化移栽具有省工、节本、提效的强大优势[3-5]。

20世纪早期，欧美日等发达国家就开始了钵苗机械化移栽的探索研究[6]。截至目前，国外半自动移栽机已经发展得很成熟，可搭配各种农机具和不同类型的栽植器，能适应不同环境和移栽对象，通用性较高[7-9]。我国育苗工艺、栽培方式及田间作业模式与发达国家存在差异[1-4]，它们的机型不符合我国国情，且我国农户无法承担高的外购价格。

我国移栽机技术的探索开始于20世纪中期，以模仿国外技术为主，具有与农艺脱节、性能不稳定、通用性及实用性差等通病[10-13]。国内的大部分机型是针对大田作业，有着复杂的栽植和接苗机构，设计和制造成本较高，操作较为复杂，外观较为庞大，质量较大，且栽植深度、株距和行距不能均可调。这些移栽机不符合中等规模农户希望具备基本移栽功能的基础上，同时做到机器轻简、操作简便、价格便宜的要求。此外，汽油机或柴油机工作时，易污染环境，浪费石油资源，需考虑将农业机械与新能源结合起来[12]。因此，针对我国中等规模农户设计了一款简单轻巧、操作简便、经济适用、能满足基本需求的电动轻简型半自动移栽机。

1 整机设计方案与工作原理

1.1 整机结构

本移栽机为单行移栽，采用电控作业方式，整机主要由电动底盘、接苗部件、植苗部件及控制系统4部分组成，如图1所示。

1.植苗部件 2.自顶开接苗部件 3.扶手 4.穴盘苗 5.穴盘架 6.蓄电池 7.车架 8.前置导向机构 9.行走轮系

植苗部件后挂在底盘上，接苗部件布置在植苗部件正上方。底盘轮距可变，包括扶手、穴盘架、导向机构、行走轮系、车架和蓄电池等。其中，穴盘架和扶手前后配置在底盘纵梁上，导向机构位于车架前端，引导底盘沿垄侧向前行驶，行走轮系以直角三角形结构布置于车架下端，形成偏三轮构型。

1.2 工作原理

移栽前，根据垄型和移栽对象，调整导向机构、底盘轮距和栽植器距垄面高度，并在穴盘架上放置苗盘。作业时，操作员一边把控扶手，一边从穴盘架中取苗并投至接苗斗中，栽植器向上运动顶开接苗斗，苗向下自由落体，落入栽植器中并随其向下运动，实现栽植动作。如此循环往复，接苗部件按需接苗和投苗，使栽植部件进行栽植作业，直到完成穴盘苗定植任务。

1.3 主要技术参数

整机质量/kg:≤75

栽植行距/mm：400～600

栽植株距/mm:250～350

栽植深度/mm:0～200

栽植频率/株·min-1：30～40

作业速度/mm·s-1：125～233

蓄电池规格：40V/20Ah

2 主要部件设计

2.1 自顶开接苗部件

自顶开接苗部件用于存苗和投苗，主要由接苗斗、固定板、光轴、前耳、后耳、合页、关节轴承及双头螺栓等组成，如图2所示。

1.左开合页 2.前耳 3.固定板 4.接苗斗 5.右开合页 6.右后耳 7.关节轴承 8.双头螺栓 9.左后耳

其中，接苗斗嵌入固定板，合页位于固定板下方，包括左合页和右合页。左合页两侧与一只前耳和左后耳焊接，右合页与其相似安装。两根光轴均按顺序穿过前耳、固定板、后耳，则前、后耳连同合页可绕光轴转动。两个关节轴承与后耳以转动副形式连接，双头螺栓两端分别以移动副形式与两个关节轴承连接。 工作原理为：当栽植器向上推左合页时，左后耳绕光轴顺时针转动，双头螺栓动作，使得右后耳绕光轴逆时针转动，左、右开合页相对打开，实现投苗动作。

2.2 植苗部件

植苗部件除实现移栽动作外，还能实现栽植深度调节和行距变换，主要由滑槽板、挂架、直线模组、安装板、栽植器、顶杆和减速电机等组成，如图3所示。两个挂架将直线模组后挂于底盘的滑槽板上，滑槽板固定在车架上且开有水平行程槽，改变直线模组在行程槽内的安装位置，可更改栽植器与垄侧距离，行距即改变。安装板与直线模组上的滑块紧固连接，其上从左至右分别固定着栽植器和减速电机，转动直线模组的手轮，移动滑块，可改变安装板位置，则栽植器相对垄面高度相应变化，实现升降栽植。顶杆焊接在栽植器外侧，栽植器向上运动，顶杆会接触接苗部件上的左合页，推动左合页转动。

1.行星齿轮滑槽式栽植器 2.顶杆机构 3.挂架 4.车架

2.3 控制系统

本控制系统实现移栽机的启动、停止、底盘的调速行走、前进速度实时显示、株距调整、栽植频率的自动匹配等功能，主要由电源、控制器、电机驱动器、减速步进电机、测速传感器(霍尔传感器)、轮毂电机、速度调节器及挡位株距开关等组成，如图4所示。控制器采集挡位株距开关的开关量，选择控制程序。调节速度调节器，轮毂电机转速改变，霍尔传感器测轮毂电机转速并将信号反馈给控制器；控制器捕获脉冲信号，经过内部处理，向减速步进电机驱动器发出栽植脉冲信号，栽植器在减速步进电机作用下，以与前进速度相匹配的栽植频率进行栽植。

图4 控制系统硬件组成

3 试验与结果分析

3.1 试验条件与方法

1)续航性能试验。利用功率计得到样机在不同动力驱动分配下移栽作业的消耗功率，计算蓄电池支撑样机移栽作业的时间，检验样机的续航能力是否满足设计要求。

2)移栽性能试验。样机完成不同动力驱动分配下的移栽作业试验后，通过评价指标检验样机的移栽性能，验证样机结构设计和动力分配的合理性，并确定作业时的栽植频率选择。

3.1.1 试验条件

试验选在无锡市悦田农机试验基地进行。试验地事先松耕，松耕深度大于200mm；随后开沟起垄，清除垄面的杂草、大土块和碎石[13]；垄面宽600mm，垄高200mm，垄沟宽300mm；试验苗为苗龄25天左右，苗高为115mm左右，根系盘根效果好的黄瓜苗，采用72孔标准穴盘培育。

3.1.2 试验方法

根据设计的栽植株距和栽植频率适用范围，本移栽机可在多种动力驱动下进行移栽。因此，试验选择栽植株距(A)和栽植频率(B)作为试验因素，且每个因素有3个水平。每组水平试验移栽120株黄瓜苗，试验安排如表1所示。

1)续航性能试验方法。试验前，将功率计接入控制柜，设置采集方式为连续采集。试验后，通过功率计自带的USB线将功率计与电脑相连，利用功率计软件导出采集数据并分析。

2)移栽性能试验方法。每组水平试验后，用卷尺测量实际栽植株距，计算实测平均栽植株距及株距变异系数；用量角器测量钵苗主茎与地面的夹角，计算倒伏率；确定实测钵苗中的漏栽数，计算漏栽率。

表1 不同栽植株距和栽植频率的组合试验安排

Table 1 Experiment arrangement of different plant spacing and planting frequency

试验编号因素A/mm因素B/株·min-1试验编号因素A/mm因素B/株·min-1125030225035325040430030530035630040735030835035935040

3.2 试验结果与分析

1)续航性能试验结果分析。对每组水平试验得到的功率数据进行统计分析，得到不同动力驱动下的功率消耗统计表，如表2所示。

表2 多种动力驱动下的功率消耗统计表

由表2可知：根据蓄电池型号和样机在最小、最大动力驱动作业下的平均消耗功率分别为410.8W和482.4W，可知电池容量能支撑样机在最小、最大动力驱动下分别作业2.34h和2h，续航里程分别为1.05km和1.67km。因此，样机的续航里程至少为1.05km，续航时间至少为2h。这表明，该机器的续航能力满足设计要求。

2)移栽性能试验结果分析。将每组水平试验结果进行统计分析，结果如表3所示。选取每组水平试验中间20组钵苗的株距实测值，绘制3种理论株距下的钵苗实测株距分布图。图5为理论株距250mm时钵苗实测株距分布。利用株距变异系数和倒伏率制作不同栽植株距和栽植频率下株距变异系数和倒伏率变化曲线图，如图6、图7所示。

表3 移栽效果统计表

图5 理论株距250mm时钵苗实测株距分布

图6 不同动力驱动下的株距变异系数 图7 不同动力驱动下的倒伏率

Fig.6 Variation coefficient of plant spacing under different driving force distribution Fig.7 Lodging rate under different driving force distribution

由表3可知：①漏栽率低于4%，倒伏率低于6%，株距变异系数小于4%，栽植深度合格率大于82%，栽植合格率大于90%，表明样机移栽效果符合旱地移栽机的主要性能指标规定，设计合理; ②每个水平试验下的平均栽植深度与理论栽植深度80mm差异较小，误差在1mm内，实测株距与理论株距相比有些许差异，但差异不大。分析表明：栽植深度和栽植株距较为稳定，样机性能可靠。

由图5可知：1号试验实测株距在247mm上下波动，与理论株距相差3mm；2号试验实测株距在248mm上下波动，与理论株距相差2mm；3号试验实测株距在249mm上下波动，与理论株距相差1mm。4～6号试验相差分别为4、2、1mm，7～9号试验相差分别为7、4、1mm。分析结果表明：同一理论株距下，样机前进速度增加，实测株距与理论株距差距变小。原因是：栽植频率增加则前进速度增加，泥土对底盘阻力变小，行走更加稳定，测速更加准确，轮毂电机转速与栽植器驱动转速匹配更加精确。

由图6和图7可知：栽植频率为30株/min时的株距变异系数和倒伏率均较小，移栽效果较好，但是作业效率较低；当栽植频率为35株/min和40株/min时，株距变异系数和倒伏率均有小幅度增加，但依旧符合旱地移栽机的主要性能指标规定，相较栽植频率30株/min时的作业效率有此提高。因此，实际使用过程之中，需依据作业效率和移栽效果综合考虑，选择合适的栽植频率。

4 结论

1)针对中等规模农户使用需求，设计了一种电动的轻简型半自动移栽机，主要由电动底盘、接苗部件、植苗部件及控制系统组成。本移栽机可实现电力驱动、升降栽植、行距变换及栽植频率自动匹配等功能。

2)针对轻简型半自动移栽机样机进行田间作业的续航性能试验和移栽性能试验，结果表明：①样机的续航里程至少为1.05km，续航时间至少为2h，证明该机器的续航能力满足设计要求。②移栽漏栽率均低于4%，倒伏率均低于6%，株距变异系数均小于4%，栽植深度合格率均大于82%，栽植合格率均大于90%，符合旱地移栽机的主要性能指标规定。③同一理论株距下，随着样机前进速度的增加，实测株距值与理论株距值越来越小，轮毂电机转速与栽植器驱动转速匹配更加精确。④栽植频率为30株/min时，移栽效果较好，但作业效率低；栽植频率为40株/min时，作业效率高，移栽性能参数依旧符合旱地移栽机的指标规定。因此，实际使用过程之中，需依据作业效率和移栽效果综合考虑，选择合适的栽植频率。