棉花移栽机的结构设计与运动轨迹分析

余东满等

摘要：棉苗的移栽能够带来苗壮、苗齐、成活率高等优点。开发出移栽机能够大幅提高作物产量与质量，降低劳动强度大。本研究设计的棉花移栽机主要由主体、支撑架、投苗机构、秧苗架、曲柄摇杆机构、栽苗器、地轮和传动系统等部件组成。栽苗器的总成包含牵引臂、挡板、圆盘、偏心轮、凸轮、连杆机构、鸭嘴和弹簧等部件。地轮的运动通过水平的锥齿轮传递到竖直的锥齿轮轴，带动投苗圆盘的圆周旋转运动，完成投苗动作。试验结果表明，棉花移栽机可以实现棉花移栽。把取苗时机选为λ>1时，秧苗与穴坑土壤接触时鸭嘴体的张开幅度最大，适宜投放秧苗。

关键词：棉花；移栽机；结构设计；运动轨迹

中图分类号： S223.9文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）02-0387-02

收稿日期：2014-04-08

基金项目：河南省科技攻关重点支持计划（编号：112102210207）；河南省青年骨干教师资助计划（编号：2012GGJS-248）。

作者简介：余东满（1977—），男，河南邓州人，博士，副教授、机械工程师，主要从事农业机械装备设计研究。E-mail：yudongman@126.com。棉花是关系到国计民生的重要农业战略物资。棉花幼苗的移栽能够带来苗壮、苗齐、成活率高等优点，大幅提高棉花产量和质量。国内农机部门已经开发出了多种类型的棉花移栽机，但目前还没有建立棉花移栽机的统一分类标准，业内将其划分为3类：（1）按秧苗的栽培方式，可划分成裸苗移栽机与钵苗移栽机；（2）按自动化程度，可划分成手动移栽机、半自动移栽机和全自动移栽机；（3）按栽植器的机械机构，可划分为钳夹式移栽机、吊篮式移栽机、挠性圆盘式移栽机、导苗管式移栽机和鸭嘴式移栽机[1-3]。受地理位置、地形特点、土壤类型、气候特征等各项条件的不同，各类棉花移栽机推广均有难度。2011年，在河南省农业厅棉花办的资金支持下，河南工业职业技术学院与南阳市利民农机开发有限公司联合攻关，研发制造了适用于河南区域棉花种植要求的新型棉花移栽机。对新型棉花移栽机的关键部件，配苗机构进行了深入分析[1-2]，新型棉花移栽机的盘式配苗机构取得国家专利，授权号为201120453652.2。2013年，我们根据南阳市使用棉花移栽机棉农的反馈意见，进一步对移栽机的结构做出较大改进，同时为实现棉花移栽机“零速”投苗的要求，研究了栽苗器的运动轨迹。。

1棉花移栽机结构要求与投苗方式

棉花移栽机的动力选用了华中地区农村广泛使用的小四轮拖拉机。棉花移栽机的设计既要结构简单、操作方便，又要求工作过程平稳可靠，移栽效率高[2]。具体的设计要求如下：（1）整机的操作性好，结构力求简单，操作人员无需复杂培训，即能上手操作。（2）移栽后的棉花苗体保持直立，秧苗损伤率低，株距与深度可调。土壤适应性好，小巧灵活，适宜在中小的黄土地作业，移栽速度快。为了保持投放到穴坑中的棉花幼苗处于直立状态，运用了“零速”投苗方式。

2棉花移栽机基本结构

棉花移栽机是一套组合式装备，一般包含动力机构、苗盘机构、喂苗机构、秧苗传送机构等[3-5]。本研究设计的棉花移栽机主要由主体、支撑架、投苗机构、秧苗架、曲柄摇杆机构、栽苗器、地轮和传动系统等部件组成（图1）。小四轮拖拉机带动整个机构前进，依靠地轮以及链轮传递动力，偏心装置的运动带动移栽器做圆周式运动。通过人工配苗的方式将秧苗喂入，棉花苗体放入配苗盘后，移栽器在接近运动的最低点位置打开，就能完成秧苗的种植。机架采用方形框架，结构简单。该机作业时，拖拉机带动移栽机前行，地轮与地面接触滚动产生动力，通过链传动，按一定的传动比关系，分别将地轮动力传递给投苗机构和曲柄摇杆机构，实现定距挖穴、准确投苗、秧苗栽植、浇水等功能。

牵引架总成由悬挂横梁、悬挂与拖拉机连接机构、地轮总成与悬梁连接机构、移栽器总成和悬梁连接机构组成，其各部分零件均与悬挂横梁通过U型螺栓固定。地轮总成由地轮、地轮轴和地轮机架组成。地轮轴端有链轮进行动力传动，通过改变地轮上的链轮齿数，即可改变移栽机传动比，从而改变株距。地轮机架上端为移栽深度调节装置，其主要部分为丝杠，通过旋转丝杠可以改变悬挂横梁与地面的相对高度，从而改变移栽器与地面的相对高度。

3栽苗器运动轨迹分析

秧苗移栽机的核心是栽苗机构，即栽苗器。栽苗器的机构特点与工作方式最能反映移栽机的工作过程。棉花移栽机的栽苗器结构简图如图2所示。

作业过程中，拖拉机与移栽机的牵引支架相连，在拖车动力的作用下向前方做直线运动。在这个运动过程中，投苗圆盘随着圆盘主轴的转动而做周向运转。投苗圆盘的组成分别是偏心圆盘和主动圆盘，二者以相同的角速度同步转动。曲柄连接主动圆盘与偏心圆盘，形成一个曲柄连杆动力机构。吊篮与曲柄以铰接形式相连，因此在运动过程，吊篮能够处于近似垂直状态。当吊篮移动到上部正中位置时，工作人员将秧苗投放到吊篮中间，吊篮移动到接近地面水平位置时，鸭嘴形状的机构在凸轮外力的作用下打开。吊篮处于最低位置时，鸭嘴机构的张开幅度最大，秧苗在重力作用下掉入穴坑中。吊篮在牵引力的作用下继续移动，即将离开土壤时，鸭嘴机构保持开口状态，秧苗与鸭嘴机构完全分离。鸭嘴体在凸轮压力和弹簧绷紧力作用下，缓慢合紧。吊篮运动到牵引支部位时，鸭嘴体完全合紧。当吊蓝重新移动到正上方空间时，操作人员将秧苗投入，完成移栽过程的操作。

图3是吊篮的运动特征和轨迹图。吊篮的运动状态由两部分组成，分别是吊篮在拖拉机牵引力作用下的直线运动和吊篮围绕旋转中心的圆周运动。将圆盘的中心设置为系统原点，水平运动方向为坐标系x轴，垂直运动方向为坐标系y轴，建立吊篮运动过程的方程。

x=v车t+R盘cos（ωt）（1）

y=-R盘sin（ωt）（2）

其中，参数v车是拖拉机的运动速度，R盘是吊篮的旋转半径，ω是吊篮旋转的角速度。endprint

将上述的（1）式和（2）式分别对时间求一阶导数，能够获得吊篮的运动参数方程。

vx=v车-R盘ωsin（ωt）（3）

vy=-R盘ωcos（ωt）（4）

令λ=R盘ω/V车，则吊篮的运动轨迹受λ取值影响。

如图3所示，当λ>1时，吊篮的运动沿轨迹Ⅰ；当λ=1时，吊篮的运动沿轨迹Ⅱ；当λ<1时，吊篮的运动沿轨迹Ⅲ。

按照“零速投苗”原理[5]，即秧苗植入穴坑后，应当保持垂直状态，此时，苗根要在水平方向上的移动速度降为零。当λ=1时，秧苗根部在与土壤接触处，应与土壤保持近似静止，相对速度接近于零，这个时候栽植的幼苗直立度最好。但实际工作中发现，在λ=1时，C点是运动的最低点，吊篮的鸭嘴体投放秧苗后，鸭嘴体与苗体没有未完全分离，因此λ=1并不是最优选择的投苗时机。

在实际操作中，应该把取苗时机选为λ>1时。从图3中看出，A点处吊篮的鸭嘴体处于打开状态，秧苗与穴坑土壤接触时鸭嘴体的张开幅度最大，当运动到最低点时，秧苗没有从吊篮的鸭嘴体处分离，到达B点处后秧苗与吊篮的鸭嘴体完全分离，然后鸭嘴体在外力作用下缓慢合紧。

4棉花移栽机技术参数

移栽机研制后，在河南省南阳市红泥湾镇进行了移栽试验，结果表明，棉花移栽机技术参数为机车动力13～20 kW，株距30～39 cm，行距40～80 cm，深度3～8 cm，单株注水量 0.2～0.8 kg。该装置可以实现棉花移栽，移栽过程中，能够完成挖土、移栽、浇水和压土等多项作业，种植均匀、深度和株距可调、种植效率高。

5结论

棉花移栽机主要由主体、支撑架、投苗机构、秧苗架、曲柄摇杆机构、栽苗器、地轮和传动系统等部件组成。移栽器整体安装在牵引臂上，随着地轮及主机向前运动。地轮的运动通过水平的锥齿轮传递到竖直的锥齿轮轴，带动投苗圆盘的圆周旋转运动，完成投苗动作。移栽器的总成包含牵引臂、挡板、圆盘、偏心轮、凸轮、连杆机构、鸭嘴和弹簧等部件。试验结果表明，把取苗时机选为λ>1时，秧苗与穴坑土壤接触时鸭嘴体的张开幅度最大，适宜投放秧苗。本试验研制的棉花移栽机可以实现棉花移栽。

参考文献：

[1]杨民，王笛，郭成献. 新型棉花移栽机的配苗机构设计[J]. 安徽农业科学，2011，39（33）：20923-20924.

[2]刘家平，王笛. 曲柄摇杆式移栽机的研制[J]. 安徽农业科学，2012，39（30）：15041-15042.

[3]张为政，王君玲，张祖立. 悬杯式蔬菜移栽机的设计[J]. 农机化研究，2011，33（8）：104-106.

[4]李志鑫. 棉花移栽机栽植机构的分析，设计[D]. 石河子：石河子大学，2004.

[5]王君玲. 蔬菜栽植机栽植机理分析及试验研究[D]. 沈阳：沈阳农业大学，2006.刘锦涛，黄万勇，杨士红，等. 加气灌溉模式下稻田土壤水溶解氧的变化规律[J]. 江苏农业科学，2015，43（2）：389-392.endprint