半自动烟苗栽植器的结构设计与试验验证

肖卫兵，孙松林

（1.湖南电气职业技术学院，湖南 湘潭　411101；2.湖南农业大学 工学院，湖南 长沙　410128）

半自动烟苗栽植器的结构设计与试验验证

肖卫兵1，孙松林2

（1.湖南电气职业技术学院，湖南 湘潭411101；2.湖南农业大学 工学院，湖南 长沙410128）

烟苗栽植器是烟草移栽机的核心机构，该机栽植器设计应用偏置双圆盘四连杆旋转工作原理，适合于栽植钵苗和漂浮苗。分析烟苗移栽时的运动情况知特征系数λ＞1是栽植器设计及保证移栽质量的基本依据和正常工作的必要条件，同时通过在不同栽植速度和深度情况下的正交试验确定了栽植器各设计参数的具体值，从而建立鸭嘴运动轨迹的数学模型。

栽植器；鸭嘴；运动轨迹；数学模型；试验

烟苗的移栽是烟叶种植的关键工序之一，目前采用人工移栽烟草的劳动效率很低，约0.02hm2/人·天，人工移栽的成本大约为1200～1500元/hm2，且存在劳动强度大，移栽质量差等问题；采用机械化移栽效率约0.8hm2/人·天且价格大约为300～600元/hm2，这样就提高了劳动效率，降低了劳动成本，故实现烟苗移栽机械化作业能提高经济效益，特别是对春旱严重，或春季少雨，夏旱来得较早的地区烟草移栽具有重要实用意义，因此实现我国烟草移栽机械化已成为农业生产的迫切需要。

1　半自动烟苗移植器的结构和工作原理

（1）结构。栽植器由四组鸭嘴组成，主要零部件有曲轴、偏置双圆盘、凸轮、压臂、连杆、左右连接轴、烟苗杯和凸轮压板组合等，如图1所示，主要完成开穴、投苗和培土三项工序，四组鸭嘴通过连杆上的轴均匀分布在偏置双圆盘上，并使鸭嘴方向始终朝下，偏置双圆盘由主动轮盘和被动轮盘组成。凸轮通过螺栓螺母固接在连杆上，与其配合使用的压臂固接在鸭嘴上，凸轮和压臂的共同作用来保证鸭嘴开启的同步性。鸭嘴通过弹簧和连杆上的左右连接轴连接在秧苗杯的下方，同时烟苗杯通过左右连接轴连接在栽植器的连杆上，两片鸭嘴的开启和关闭同步性通过凸轮、压臂和弹簧的控制作用来完成。

图1　烟苗栽植器

（2）工作原理。该栽植器通过三点悬挂方式由18～28马力轮式拖拉机带动，能实现裸土移栽、膜下水栽和膜上水栽三种功能。地轮通过链轮链条将动力输送到栽植器，人手将烟苗放入栽植器上方旋转的烟苗杯内，烟苗进入鸭嘴待栽，当栽植器鸭嘴旋转至最低点（接触垄体）时，鸭嘴入土，在压臂和凸轮的作用下，鸭嘴迅速打开形成穴坑，这时烟苗在自身重力作用下落入穴坑中，随后回土流对烟苗进行覆土压实，烟苗完成栽植，这样反复地烟苗被栽植下去。

（3）农艺要求。当气温稳定在12～13℃，地温达9℃以上时即可进行移栽，因此湖南地区栽植烟苗一般在3～4月份进行，种植密度因烟草类型、地势、土壤等情况而异，一般为1.95× 104～2.7×104株/公顷。移栽田的土壤破碎，起垄要直，要平整且高度一致、垄沟深浅一致。移栽时烟苗为培育90天左右的烟苗，烟苗茎高80～110mm，修剪后保留两片左右心叶，移栽时不能将心叶埋掉。

2　半自动烟苗栽植器的运动学分析

2.1零速投苗原理

为了保证烟苗移栽后处于直立状态，从栽植器向已开好的苗穴内投苗时，烟苗在水平方向上的分速度应为零，即“零速投苗”原理。如图2所示，由零速原理知：保证投苗点P在水平方向绝对零速的必要条件是：

其中Vt为拖拉机前进牵引速度；RZ为栽植器旋转半径；ω为栽植器旋转的角速度，它与栽植器转速n（r/min）之间的关系为ω=πn/30；t为栽植器的烟苗杯从最高点开始逆时针方向旋转第一次到达P点位置所需的时间；将式（1）中的角速度用转速n代替，则得出：

此式表示零速投苗时移栽机前进牵引速度Vt、栽植器转速n以及投苗点位置P三者之间的分解关系，其中90°≤ωt≤180°。

图2　“零速投苗”原理图

2.2烟苗移栽时运动分析

烟苗移栽时的运动是绕偏心圆盘轴心转动和随牵引动力沿水平方向运动的合成，在如图3所示的坐标系中，烟苗的运动轨迹方程为：

图3　烟苗运动轨迹曲线图

鸭嘴的运动速度方程可以通过上述运动轨迹方程对时间t求导得到：

烟苗栽植过程中栽植器鸭嘴投放烟苗时在水平方向上的速度必须满足零速投苗原理，根据鸭嘴的运动速度方程，可以得到烟苗投放时存在三种运动情况：

烟苗运动轨迹曲线上各切点的方向就是烟苗运动的绝对速度方向，当0＜λ＜1时，鸭嘴运动轨迹为短摆线，其上任何一点在水平方向上的分速度与拖拉机的牵引前进速度方向相同，这就是说此种情况下任何烟苗投放点的水平合速度均向前，这样就容易使烟苗有加重向前倾倒的趋势，也就说明实现零速投苗是完全不可能的。

当λ=1时，鸭嘴运动轨迹是摆线，摆线最低点处存在一个拐点，轨迹上除拐点外的其他各点处水平分速度与拖拉机的牵引前进速度方向均相同，理论上说在拐点处投放烟苗能满足零速投苗原理，但由于拐点为运动轨迹最低点，鸭嘴在拐点处将烟苗投放后要立即沿运动轨迹向前运动，而烟苗存在一定的高度，烟苗脱离鸭嘴需要一定时间，即鸭嘴继续向前运动时烟苗并没有完全脱离鸭嘴，会造成烟苗向前倾倒，说明λ=1也不是理想的投苗条件。

当特征参数λ＞1时，鸭嘴运动轨迹是余摆线，即鸭嘴运动轨迹上存在环扣，环扣上存在有与拖拉机牵引前进速度相反的水平速度分量，其中环扣最低点处的水平分速度最大，如图3所示，这种情况下才有可能实现零速投苗，保证烟苗栽植的直立度，且鸭嘴的运动对烟苗有扶正作用，故特征参数λ＞1是栽植器正常工作的必要条件。

3　建立鸭嘴运动轨迹的数学模型

3.1栽植器主要参数介绍

（1）栽植频率f：单位时间内栽植器移栽烟苗的株数，一般以株/min为单位。

（2）烟苗株距L：相邻两棵烟苗之间的距离，单位：mm。

（3）栽植器旋转半径RZ：栽植器曲轴轴心与左右连接轴轴心之间的距离，单位：mm。

（4）栽植器旋转角速度ω：栽植器在单位时间内转过的角度，单位：rad/s。

（5）链轮传动比i：地轮将动力通过链轮链条传递给栽植器的比率，，即栽植器上链轮齿数与地轮轴上链轮齿数之比，也就是栽植器和地轮旋转角速度之比。

3.2多因素试验

通过在不同栽植速度和深度情况下试验来观测烟苗栽植质量，从而建立鸭嘴运动轨迹的数学模型。

（1）试验条件。试验在湖南农业大学试验田进行，苗垄高度为30cm，烟苗移栽时土壤破碎情况和相对湿度如表1和表2所示，其中土壤破碎情况用0～500mm钢尺测量一定范围内土壤的最大直径，然后取平均值；土壤湿度利用土壤水分测量仪通过测量苗垄上一系列位置点处的土壤相对湿度然后取平均值来确定。

表1　土壤破碎情况

表2　土壤相对湿度

其中SN表示序号，RH表示相对湿度，AVG表示平均值。

（2）试验结果。通过每次在苗垄上移栽60株烟苗进行多因素试验，烟苗移栽作业速度分别取三个阶段：1.5～3.5km/h、3.5～5.5km/h和5.5～7.5km/h，然后通过调节烟苗栽植深度，分别取50～80mm、80～110mm和110～140mm三个范围，进行多因素正交试验；在不同栽植速度和深度情况下烟苗栽植的株距合格率、漏栽率、立苗率和培土状况如表3所示。

表3　烟苗栽植质量

其中株距合格率是以苗垄上50cm≤L≤60cm为合格的株数占总移栽株数的比重；漏栽率是指烟苗栽植过程中苗垄上烟苗缺失株数占总移栽株数的比重；立苗率是指烟苗茎与苗垄平面之间的角度（锐角）θ≥45为合格的株数占总移栽株数的比重；培土状况以土壤覆盖烟苗培养基质，且土壤不能掩埋烟苗心叶，充分地保证烟苗的直立和正常生长。

从表3可以看出，栽植器在移栽烟苗时漏栽率较低，且株距比较均匀，基本不受移栽速度和栽植深度的影响，但立苗率和培土状况则受移栽速度和栽植深度的影响较大，烟苗在移栽速度为3.5～5.5km/h和栽植深度为80～110mm情况下，烟苗的栽植质量最好，当移栽速度为1.5～3.5km/h时，烟草移栽机作业效率相对较低；而当移栽速度为5.5～7.5km/h时，由于速度有点较快，导致栽植器存在一定的带苗现象，导致烟苗的立苗、株距和培土比较混乱；当烟苗栽植深度为50～80mm时，由于烟苗栽植深度不够，以致烟苗移栽的直立度难以得到保证，故培土相对较弱；而当烟苗栽植深度为110～140mm时，由于烟苗栽植深度太深，直接导致烟苗心叶被埋，影响烟苗的正常生长，故培土状况较差。

通过试验也发现由于苗垄上各处的土壤破碎率和含水率均存在一定差异，导致烟苗或多或少有一定倾斜，且如果土壤的相对湿度太高会导致鸭嘴会有一点粘土，故作业前要尽量降低土壤含水率，以降低烟苗漏栽率和保证烟苗培土状况。

通过试验，发现栽植速度为3.5～5.5km/h和栽植深度为80～110mm时的烟苗移栽质量最好，同时也验证了栽植器相关参数设计的合理性和正确性，各参数情况如下：

①栽植频率f=100～200株/min；②烟苗株距L=55mm；③栽植器旋转半径RZ=300mm；④栽植器旋转角速度；⑤链轮传动比i=N栽/N地=14/19=0.74；主动链轮齿数为19，被动链轮齿数为14；⑥栽植器鸭嘴数量N=4。

将上述数据代入式（2）中可得鸭嘴运动轨迹的数学模型（其中栽植速度和栽植深度取中间值）：

4　结论及讨论

通过对烟苗栽植器的结构设计和理论研究分析表明：

（1）栽植器设计应用偏置双圆盘四连杆旋转工作原理，适合钵苗和漂浮苗的栽植，其中烟苗杯和鸭嘴采用一体结构形式，鸭嘴开闭通过联动控制，支撑地轮兼作主传动力，偏置双圆盘旋转开穴系统为链式传动方式以确保标准一致。

（2）特征参数λ＞1是偏置双圆盘偏置双圆盘四连杆旋转式栽植器正常工作的条件。

（3）通过试验确定了栽植器各参数的具体值，从而建立起鸭嘴运动轨迹的数学模型；而且发现栽植器能满足烟苗移栽的农艺要求，验证了栽植器结构设计的可靠性和可行性，但在试验中也发现烟苗移栽倾角均小于90°，有略微向前的趋势，可能与烟苗特性、土壤本身以及回土流等影响有关，有待在后续工作中进行具体考证。

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Structure Design and Test of Sem i-automatic Tobacco Seed ling Planting M achine

XIAO Wei-bin1，SUN Song-lin2

（1.Hunan Electrical Vocational and Technical College，Xiangtan，Hunan 411101，China；
2.Engineering School，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China）

Tobacco seedling planting machine is the core of tobacco transplanting machine，whose design is offset double working principle of the four connecting rod rotating disc，and suitable for pot seedling planting and floating seedling.It is found that factor lambda＞1 is the basic foundation of planting apparatus design and ensure the quality of transplanting and the necessary condition of normal work by analyzing the characteristic of the known movement of tobacco seedling transplanting.At the same time，different planting speed and depth of the orthogonal experiment determines the specific value of the planting apparatus design parameters，thus duckbill trajectory mathematical model is set up.

plant；duck mouth；trajectory；mathematical model；test

S223.9

A

2095-980X（2016）09-0028-03

2016-08-12

湖南省烟草局项目（湘烟科（2009）19号09-10Aa08）

肖卫兵（1983-），男，主要研究方向：机械设计。