趙曉偉，郭輝，趙占軍，張靜，楊宛章，韓長杰

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院，新疆 烏魯木齊　830052)

?

辣椒穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)的設(shè)計(jì)及田間試驗(yàn)

趙曉偉，郭輝，趙占軍，張靜，楊宛章，韓長杰

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院，新疆 烏魯木齊830052)

摘要：針對吊籃式半自動(dòng)移栽機(jī)移栽效率低的問題，設(shè)計(jì)了一種辣椒穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)，該機(jī)在原有的吊籃式半自動(dòng)移栽機(jī)的基礎(chǔ)上，安裝自動(dòng)取喂系統(tǒng)，設(shè)計(jì)成自動(dòng)移栽機(jī)，取代人工進(jìn)行取喂穴盤苗.自動(dòng)取喂系統(tǒng)中，機(jī)械手將穴盤苗從穴盤中取出，并輸送到喂苗位置；機(jī)械手打開，穴盤苗落入苗筒中，苗筒將穴盤苗喂入吊籃內(nèi)；地輪驅(qū)動(dòng)栽植器轉(zhuǎn)動(dòng)，穴盤苗被栽入土穴內(nèi)，完成自動(dòng)移栽.采用苗齡61 d的“早紅一號”辣椒穴盤苗進(jìn)行田間移栽試驗(yàn)，‘早紅一號’平均苗高為165.2 mm，拖拉機(jī)行駛機(jī)速度為1.2 km/h.試驗(yàn)結(jié)果顯示:取苗成功率為98.18%，喂苗成功率為96.30%，栽植頻率為77株/min，栽植成功率為96.97%.

關(guān)鍵詞：辣椒穴盤苗；自動(dòng)移栽機(jī)；田間試驗(yàn)

第一作者：趙曉偉(1985-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械裝備性能試驗(yàn)研究.E-mail：zxw2118@163.com

美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家對穴盤苗機(jī)械化移栽的研究起步較早，20世紀(jì)初期，就設(shè)計(jì)出了依靠人工取喂苗的移栽機(jī)具；20世紀(jì)中期設(shè)計(jì)出了結(jié)構(gòu)各異的半自動(dòng)移栽機(jī)及制缽機(jī)；20世紀(jì)后期半自動(dòng)移栽機(jī)已在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用[1-7].然而，我國對移栽機(jī)研究起步比較晚，始于20世紀(jì)70年代，大部分機(jī)型在發(fā)達(dá)國家移栽機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿制和改進(jìn)，技術(shù)并不成熟[8-10]，雖然在一定程度上減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高移栽效率，降低移栽成本，但依靠人工將穴盤苗從穴盤中取出，并喂入到吊籃內(nèi)，在一定程度上限制了移栽機(jī)的移栽效率[11-13].近年來，隨著移栽面積逐漸增大，人工成本逐漸增加，依靠人工取喂苗的半自動(dòng)移栽機(jī)，已不能夠滿足移栽要求.本文在穴盤苗移栽機(jī)自動(dòng)取喂系統(tǒng)[14]研究的基礎(chǔ)上，改進(jìn)其取苗機(jī)械手，并將其安裝在吊籃式半自動(dòng)移栽機(jī)上，設(shè)計(jì)成自動(dòng)移栽機(jī)，該機(jī)能夠取代人工進(jìn)行取喂穴盤苗，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了移栽效率，降低了移栽成本.

1自動(dòng)移栽機(jī)結(jié)構(gòu)及性能

1.1自動(dòng)移栽機(jī)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)移栽機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由水平橫梁、懸掛主梁、空氣壓縮機(jī)、栽植器、地輪、自動(dòng)取喂系統(tǒng)組成，其中，自動(dòng)取喂系統(tǒng)由柔性鏈輸送喂入裝置、儲氣罐、隨動(dòng)喂苗裝置、機(jī)械手、取喂系統(tǒng)機(jī)架、機(jī)械手搖臂、穴盤步進(jìn)移位裝置、推苗板等組成.

自動(dòng)移栽機(jī)通過懸掛架與拖拉機(jī)掛接.懸掛主梁上安裝有地輪、栽植器、空氣壓縮機(jī)等，地輪和栽植器位于懸掛主梁側(cè)后方，空氣壓縮機(jī)位于懸掛主梁上方；自動(dòng)取喂系統(tǒng)安裝在水平橫梁上，并位于栽植器上方；隨動(dòng)喂苗裝置上方傾斜安裝穴盤步進(jìn)移位裝置，下方安裝柔性鏈輸送喂入裝置；推苗板安裝在機(jī)械手上方，并與機(jī)械手?jǐn)[臂鉸接；機(jī)械手?jǐn)[臂位于隨動(dòng)喂苗裝置上方，并與取喂系統(tǒng)機(jī)架鉸接；立式圓筒儲氣罐固定在取喂系統(tǒng)機(jī)架上，用于儲存壓縮空氣，起到穩(wěn)定工作氣壓的作用.

1：水平橫梁；2：懸掛主梁；3：空氣壓縮機(jī)；4：栽植器；5：地輪；6：柔性鏈輸送喂入裝置；7：儲氣罐；8：隨動(dòng)喂苗裝置；9：機(jī)械手；10：取喂系統(tǒng)機(jī)架；11：機(jī)械手搖臂；12：穴盤步進(jìn)移位裝置；13：推苗板.圖1　自動(dòng)移栽機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1　The structure of automatic transplanter

1.2自動(dòng)移栽機(jī)工作原理

自動(dòng)移栽機(jī)工作時(shí)，人工將穴盤放置在穴盤步進(jìn)移位裝置上，隨著穴盤步進(jìn)移位裝置移位，穴盤苗被移動(dòng)到取苗位置，待機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到取苗位置，發(fā)出取苗信號，機(jī)械手取苗；然后，機(jī)械手?jǐn)y苗運(yùn)動(dòng)到喂苗位置，待隨動(dòng)喂苗裝置移位到機(jī)械手正下方時(shí)，機(jī)械手打開，同時(shí)推苗板推出，穴盤苗落入隨動(dòng)喂苗裝置的苗筒中；當(dāng)隨動(dòng)喂苗裝置與柔性鏈輸送喂入裝置同步時(shí)，隨動(dòng)喂苗裝置底部的活門打開，穴盤苗落入柔性鏈輸送喂入裝置的苗筒中，隨著柔性鏈輸送喂入裝置的苗筒運(yùn)動(dòng)，穴盤苗被喂入栽植器的吊籃內(nèi)，隨著栽植器轉(zhuǎn)動(dòng)，穴盤苗被栽入土穴內(nèi)，鎮(zhèn)壓輪將土壓實(shí)，完成自動(dòng)移栽過程.柔性鏈輸送喂入裝置運(yùn)動(dòng)由鏈條驅(qū)動(dòng)；穴盤步進(jìn)移位裝置步進(jìn)移位、機(jī)械手開合、機(jī)械手?jǐn)[臂擺動(dòng)、隨動(dòng)喂苗裝置隨動(dòng)控制和回位控制、推苗板移動(dòng)均由氣缸驅(qū)動(dòng)，各驅(qū)動(dòng)氣缸均由PLC程序控制，壓縮空氣是由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生.

移栽過程中，栽植器隨拖拉機(jī)沿水平方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)繞栽植器機(jī)架圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，栽植器圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，僅吊籃鴨嘴著地，且能夠沿車速方向傾斜，鴨嘴成尖狀，著地時(shí)刺破地膜進(jìn)入土壤中，在凸輪作用下，鴨嘴打開，穴盤苗落入土穴內(nèi).在工作速度不變情況下，改變栽植器與六方軸的傳動(dòng)比，能夠改變移栽株距.栽植器懸掛在懸掛主梁上，在土壤支持力及自重作用下，能夠上下浮動(dòng)，改變向下浮動(dòng)量，能夠改變移栽深度.

1.3自動(dòng)移栽機(jī)主要參數(shù)

外形尺寸：2 500 mm×1 340 mm×2 030 mm；配套動(dòng)力：15～20 kW；工作氣壓：0.6～0.8 MPa；機(jī)具質(zhì)量：360 kg；工作行數(shù)：1行；移栽株距：200～320 mm；移栽深度：50～80 mm.

2取苗機(jī)械手

取苗機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖2所示.取苗機(jī)械手含有8組機(jī)械手(BC-1615D)，每組機(jī)械手安裝距離為63.50 mm.工作時(shí)，取苗機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)分為取苗行程和輸苗回程兩個(gè)階段.取苗行程階段，首先，機(jī)械手?jǐn)[臂氣缸(MAL32×100-S)伸出，機(jī)械手?jǐn)[臂運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)，然后，機(jī)械手移位氣缸(MAL25×100-S)伸出，機(jī)械手固定架被推到限位螺釘位置，此時(shí)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到取苗位置，待傳感器獲得取苗信號后，機(jī)械手取苗.輸苗回程階段，首先，機(jī)械手?jǐn)[臂氣缸縮回，機(jī)械手?jǐn)[臂運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)，然后，機(jī)械手移位氣缸縮回，機(jī)械手固定架被拉到限位螺釘位置，此時(shí)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到喂苗位置，待傳感器獲得喂苗信號后，機(jī)械手進(jìn)行喂苗，同時(shí)推苗板氣缸(MAL16×30)伸出，推苗板運(yùn)動(dòng)，穴盤苗準(zhǔn)確地從機(jī)械手中下落，完成一次取苗、輸苗、喂苗過程.

1：支撐架；2：機(jī)械手搖臂；3：推苗板；4：機(jī)械手固定架；5：機(jī)械手；6：推苗板氣缸；7：機(jī)械手移位氣缸；8：限位螺釘；9：機(jī)械手?jǐn)[臂氣缸.圖2　取苗機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Structure diagram of taking seedlings manipulator

3自動(dòng)移栽機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)

3.1自動(dòng)移栽機(jī)機(jī)架

該自動(dòng)移栽機(jī)采用三點(diǎn)懸掛式，兩地輪安裝在懸掛主梁的兩端，吊籃式栽植器安裝在懸掛主梁上，自動(dòng)取喂系統(tǒng)安裝在水平橫梁上，水平橫梁用U型卡固定在水平支撐梁上，可沿水平支撐梁移動(dòng)，六方軸平行位于懸掛主梁一側(cè)，空氣壓縮機(jī)固定在懸掛主梁上.自動(dòng)移栽機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖3所示.

1：水平橫梁；2：六方軸；3：懸掛主梁；4：地輪固定板；5：空氣壓縮機(jī)；6：花鍵軸;7：栽植器固定板；8：牽引架；9：支架；10：水平支撐梁；11：U型卡；12：橫拉桿.圖3　自動(dòng)移栽機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)圖Fig.3　Frame structure diagram of automatic transplanter

3.2空氣壓縮機(jī)選擇

深入推進(jìn)不動(dòng)產(chǎn)登記“最多跑一次”改革的幾點(diǎn)思考（周張琪） ...................................................................6-38

根據(jù)選用的所有氣缸參數(shù)，計(jì)算總耗氣量，并依據(jù)總耗氣量選擇較合適的空氣壓縮機(jī).各氣缸往返一次平均耗氣量按式(1)計(jì)算[15].計(jì)算總耗氣量時(shí)，按自動(dòng)移栽機(jī)栽植頻率為100株/min.各氣缸耗氣量計(jì)算見表1.

(1)

式中：Q為平均耗氣量，L/min；D為氣缸缸徑，mm；L為氣缸行程，mm；N為氣缸每分鐘平均往返次數(shù)，次/min；p為氣缸工作壓力，MPa.

由表1可知，氣缸總耗氣量為39.477 L/min.為保證雙行自動(dòng)移栽機(jī)使用，及各氣缸工作壓力穩(wěn)定，選擇排氣量為100 L/min的空氣壓縮機(jī).

4自動(dòng)移栽機(jī)田間移栽試驗(yàn)

4.1材料及試驗(yàn)條件

4.2試驗(yàn)方法

依據(jù)我國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[17]所規(guī)定的性能指標(biāo)及試驗(yàn)方法進(jìn)行移栽試驗(yàn).試驗(yàn)前，調(diào)節(jié)自動(dòng)移栽機(jī)機(jī)架至水平狀態(tài)，當(dāng)儲氣罐內(nèi)的壓力保持在0.6～0.8 MPa時(shí)，進(jìn)行移栽試驗(yàn).試驗(yàn)中，移栽機(jī)作業(yè)速度為1.2 km/h.

表1　氣缸耗氣量計(jì)算

該自動(dòng)移栽機(jī)含有8組機(jī)械手開合氣缸.

圖4　辣椒穴盤苗Fig.4　The plug seedlings of pepper

任選三盤辣椒穴盤苗進(jìn)行連續(xù)移栽試驗(yàn).試驗(yàn)前，記錄每盤穴盤苗株數(shù)；試驗(yàn)中，分別統(tǒng)計(jì)取苗成功的株數(shù)，喂苗成功的株數(shù)，栽植成功的株數(shù)、空穴數(shù)、倒伏數(shù)等，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析.

4.3試驗(yàn)結(jié)果

自動(dòng)移栽機(jī)田間作業(yè)如圖5所示，田間作業(yè)效果如圖6所示.由表2、表3可知，該機(jī)運(yùn)動(dòng)部件配合良好，取苗成功率為98.18%，喂苗成功率為96.30%，栽植頻率為77株/min，空穴率為5.5%，倒伏率為3.03%，栽植成功率為96.97%.

5結(jié)論

1)在穴盤苗自動(dòng)取喂系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，對取苗機(jī)械手進(jìn)行改進(jìn)，并將其安裝在吊籃式半自動(dòng)移栽機(jī)上，設(shè)計(jì)成自動(dòng)移栽機(jī)，該機(jī)能夠取代人工進(jìn)行取喂穴盤苗，也能夠膜上成穴移栽.

圖5　田間作業(yè)Fig.5　The field work

圖6　田間作業(yè)效果Fig.6　The field work effect

2)采用苗齡61 d的“早紅一號”辣椒穴盤苗進(jìn)行田間移栽試驗(yàn)，平均苗高為165.20 mm，基質(zhì)由等比例的草炭、蛭石和珍珠巖混合制成，含水率為24%～32%；拖拉機(jī)行駛機(jī)速度為1.2 km/h，工作氣壓0.6～0.8 MPa；自動(dòng)移栽機(jī)能夠按照設(shè)計(jì)要求完成指定動(dòng)作，測得取苗成功率為98.18%，喂苗成功率為96.30%，栽植頻率為77株/min，空穴率為5.47%，倒伏率為3.03%，栽植成功率為96.97%.

表2　自動(dòng)取喂系統(tǒng)性能試驗(yàn)結(jié)果

表3　自動(dòng)移栽機(jī)栽植性能試驗(yàn)結(jié)果

參考文獻(xiàn)

[1]王萬斌.棉花移栽機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析[J].科技信息,2012(4):24-26

[2]劉磊，陳永成，畢新勝，等.吊籃式移栽機(jī)栽植器運(yùn)動(dòng)參數(shù)的研究[J].石河子大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2008(4):504-506

[3]趙志國.稻板田油菜移栽機(jī)技術(shù)研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,39(11):6364-6365

[4]湯修映，候書林，朱玉龍，等.油菜移栽機(jī)械化技術(shù)研究進(jìn)展[J].農(nóng)機(jī)化研究,2010(4):224-227

[5]陳科，楊學(xué)軍，顏華，等.基于Matlab的全自動(dòng)移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013(44 S1):24-26

[6]李其昀，魯善文，楊憲武.棉花移栽機(jī)的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2006(1):26-27

[7]耿端陽，董越波.鴨嘴-偏心輪式缽苗栽植器的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2009(12):100-103

[8]劉存祥，李曉虎，岳修滿，等.我國旱地移栽機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012(11):249-252

[9]趙曉偉，郭輝，張靜，等.新疆旱地移栽機(jī)的現(xiàn)狀與趨勢[J].新疆農(nóng)機(jī)化,2014(4):25-29

[10]夏俊芳，王樹才，許綺川.我國棉花營養(yǎng)缽移栽機(jī)械現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].中國農(nóng)機(jī)化,2002(1):35-37

[11]薛黨勤，侯書林，張佳喜.我國旱地移栽機(jī)械的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2013(5):8-11

[12]吳福華，毛罕平，胡建平，等.穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013(4):156-159

[13]袁文勝，吳崇友.我國油菜移栽機(jī)械的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢分析[J].中國農(nóng)機(jī)化,2007(6):61-63

[14]韓長杰，楊宛章，張學(xué)軍，等.穴盤苗移栽機(jī)自動(dòng)取喂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(8):51-61

[15]袁廣，張勤，王霞，等.液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2008

[16]李婧，郁繼華，頡建明，等.育苗基質(zhì)中腐熟牛糞用量對辣椒穴盤苗質(zhì)量的影響[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,47(4):38-42

[17]高希文，吳亦鵬，顏華，等.機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-旱地栽植機(jī)械[S].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013

(責(zé)任編輯胡文忠)

Design and field experiments of automatic

transplanter for pepper plug seedlings

ZHAO Xiao-wei,GUO Hui,ZHAO Zhan-jun,ZHANG Jing,YANG Wan-zhang,HAN Chang-jie

(Mechanical Transportation College,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China)

Abstract：Directing low efficiency of nacelle-type semi-automatic transplanter,the automatic transplanter was designed for pepper plug seedlings based on the semi-automatic one,automatic feeding system was installed and replaced artificial work to feed seedlings.The manipulator of automatic feeding system would take out the seedlings from the plug,and carry the seedlings to feed seedling location,the manipulator was open and plug seedlings fell into the seedling cylinder and were fed into nacelle.The transplanting apparatus rotated by wheel drive and planted the plug seedlings in the hole and automatic transplanting was completed.The plug seedlings of ‘Zaohong 1’ pepper aged 61 years were used to field experiments,the average height of the seedlings was 165.20 mm and the speed of tractor was 1.2 km/h.The results showed that success rate for picking seedling was 98.18%,success rate for feeding seedling was 96.30%,planting frequency was 77 plants per row per minute and planting success rate was 96.97%.

Key words：pepper plug seedlings;automatic transplanter;field experiments

收稿日期：2015-01-06；修回日期：2015-03-10

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50905153)；新疆農(nóng)機(jī)開發(fā)項(xiàng)目(2011-NJKY-07)；自治區(qū)高技術(shù)發(fā)展研究計(jì)劃(201211117)；2014年留學(xué)人員擇優(yōu)資助項(xiàng)目.

通信作者：韓長杰，男，副教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)與智能農(nóng)業(yè)裝備的研究.E-mail：hcj_627@163.com

中圖分類號：S 223.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1003-4315(2015)06-0165-05