小型步进式电动打塘移栽机的设计

晏飞+胡小东+李俊+李文标+陆勇+唐斌+龙伟

摘 要：针对云南烟区特有地形地貌、土壤条件和烟苗移栽要求，设计开发一种步进式电动打塘移栽机，解决外来移栽机适应性差的问题。该机主要由车架、控制器、打塘机构、植苗机构、驱动机构等部件组成，具有电力驱动、步进式、打塘、植苗等功能。该机通过云南省农机鉴定站的产品质量监督检验鉴定；该机田间试验效果情况较好，有效度达到99.6%，表明该机是一种适合各种类型田地和土壤条件的、集打塘移栽于一体、减工降本显著的环保型移栽机，具有广阔的应用前景和现实意义。

关键词：步进式；电动；移栽机；云南烟区

中图分类号 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）09-0140-04

Abstract：Aiming at the unique topography，soil conditions and transplanting requirements of Yunnan tobacco-growing areas，an electrical stepping and ponding tobacco transplanter was designed and developed to solve the issue of poor adaptability of this foreign transplanter. The machine is mainly composed of frame，controller，ponding，planting，driving and other components，with electric drive，stepping，ponding，planting seedlings and other functions. The machine is validated by the product quality supervision and inspection of Yunnan Agricultural Machinery Identification Station. The efficiency of the field test is 99.6%，which indicates that the machine is a kind of suitable for all kinds of field and soil conditions. The environment-friendly transplant machine，including the functions of ponding and transplanting and labor-saving，has broad application prospects and practical significance.

Key words：Stepping；Electric；Transplanting；Yunnan tobacco area

烤烟是我国重要的经济作物，所提供的税收占国家财政总收入的7%～10%。云南省为我国烤烟的主产区，常年种植面积超过25万hm2，产量高达90万t[1]。移栽是烤烟生产的重要环节之一，起垄能防涝防旱，提高地温，增加土壤透气性，促进烤烟根系生长发育，同时便于地膜覆盖；移栽可将作物生育期提前15d左右，有效地避开早春不利影响，提高幼苗的成活率，延长作物生育期，有效地提高单产和作物的品质等，特别是推广膜下小苗移栽以来，其效果更为明显[2]。

云南省耕地面积280万hm2，人均占有耕地0.067hm2，其中山区、半山区面积占94%，坝区占6%。云南植烟土壤类型较多，常见的有红壤（占比56.55%）、黄壤（8.64%）、紫色土（14.07%）和水稻土（2.6%）等，理化性质各不相同，为烟草种植提供了丰富的土壤资源，同时也为移栽机提供了严苛的作业环境[3]。

国内外已经开发出一些类型的移栽机，按照移栽机械栽植器的机构类型，可分为钳夹式、挠性圆盘式、吊篮式、导苗管式和鸭嘴式5类，各有优缺点[4]。2009年以来，云南烟区对移栽机进行了试验示范，由于国外烤烟生产采用平地移栽的方式，不起垄和打塘，所以引进的移栽机僅用于插苗，不能打塘和施肥，部分有浇灌功能，对田地平整度、土壤一致性等作业条件的要求极高，导致农业适应性太差（机体大，由大型拖拉机驱动）、功能实现少和机具造价偏高等问题。国内产品以仿制为主，与农业生产需求相脱节，移栽质量不稳定、烟苗成活率不高、实用性差、自动化程度不高，在移栽推广过程中存在很多问题[5]。因此，云南烟区基本还是以人工移栽为主，但人工操作成本高、效率低、劳动强度大，并且移栽质量难以保证。为此楚雄州烟草公司立项开发设计了一种适合各种类型田地和土壤条件的、集打塘移栽（施肥）于一体、减工降本显著的小型步进式电动打塘移栽机。王成等人对该机样机结构和田间试验情况做了简要报道[3]，本文在此基础上对该机研制定型和农机鉴定情况做进一步阐述。

1 设计原理和结构特点

1.1 设计原理 云南多数植烟土壤耕作阻力大，易形成大土块，耕整地农机作业难以运行，易发生粘闭和破坏土壤结构（见表1）。云南省烤烟生产主要采用漂浮育苗和砂培育苗两种方式培育烟苗。移栽方式为小苗移栽、常规苗移栽。烟苗的外观及质量存在差异（见表2、表3）。云南省常见烤烟主栽品种有K326、云烟系列、红花大金元，不同烤烟品种的种植密度及行距规格不同，有1.2m、1.1m、1m 3种；株距统一为50cm。垄高规格以20～40cm为主。人工打塘深度12～15cm为主，打塘直径20～30cm为主。按地域条件划分为田烟和地烟。田烟一般采用大拖拉机起垄，垄的截面形状为梯形或三角形；地烟用旋耕机或人工起垄，用旋耕机起垄，垄的截面形状为弧形；人工起垄，垄的截面形状为梯形。

现有移栽机主要用内燃机产生动力，并将动力分为两部分，一部分作为牵引动力，另一部分通过齿轮箱或地轮传递给移栽机构，依靠吊篮机构或平行四连杆机构完成移栽动作。牵引机构和移栽机构共用一个动力源，两者形成内联传动关系，能保障株距一致，但是不能保障植苗率和解决鸭嘴夹苗的问题。要实现较好的移栽效果，需做到鸭嘴（吊杯）轨迹为垂直于地面的直线，在空间形成线性运动；且当鸭嘴在土中时，移栽机行走牵引速度为零。据此，应将移栽机的行走驱动动力和移栽动力分开，使之无内联关系。因此，本研究采用电力作为动力源。

为适应不同土壤类型、育苗情况、品种要求和起垄要求，烟苗的移栽深度须可调。为大量收集、充分利用自然降雨和人工浇水，提高烟苗的抗旱成活率，打出的烟塘须呈碗状下凹形态。为促进根系早生快发，打塘机构的形状设计和旋转速率要协调配合，移栽鸭嘴的形状设计和提升速率要协调配合，使塘内小颗粒细土尽可能多，实现细土壅根，才能充分保障成活率。

1.2 整机结构构造 整机采用步进式作业方式，具有可变轮距式通用底盘。如图1所示样机主要由底盘、移动式工作台和控制系统三部分组成。底盘主要有前桥、后桥、主车架和行走驱动电机组成。前桥和后桥的轮距可以调节。移动式工作台主要由移动机构、植苗机构、打塘机构和打塘-移栽驱动电机组成，其主要功能就是调节插深，并进行植苗和打塘作业。

按下控制开关后，行走驱动电机开始工作，驱动机器向前行走，当行走一个株距的距离后，行走电机停止工作，机器制动，这时打塘-移栽驱动电机开始工作，驱动移栽机构、打塘机构植苗和打塘，然后打塘-移栽驱动电机停止工作，移动机构和打塘机构制动，接着行走驱动电机自动开始工作，驱动机器又向前行走。机器就是这样往复循环作业。机器采用每步走一个株距的距离，打塘和插苗都是在机器停止时候进行。作业过程简单来说就是：行走-停止-植苗-打塘。

1.3 主要设计参数 步进式电动移栽机规格长×宽×高：2900mm×1100mm×1500mm；总重量：205kg；功率：1.075kW；电池容量：40A/h；移栽速率：0.4～0.6km/h；移栽频率：19株/（min.行）；移栽深度调节范围：50～200mm；开孔器转速调节范围：30～200r；作业效率：0.06hm2/h。

该机打出的烟塘呈碗状下凹形状，有效聚水保苗；移栽深度可调，可移栽小苗和常规烟苗。锂电池驱动，充电8～10h可完成，一次充足可持续工作10～12h。主要农艺参数柔性化可调，保障烟苗无损伤；适应在紫色土、红壤土、水稻土等土壤类型作业。提升了机器的机架强度，移栽机经久耐用。

2 主要工作部件的结构特点及应用

2.1 打塘移栽一体机构 打塘移栽一体机构由打塘旋转电机、传动链、打塘体、支座、打塘头、开合碰座机构、开合鸭嘴、苗杯等组成。安装在打塘移栽一体机构中的打塘旋转电机通过传动链带动打塘体及打塘头作旋转打塘运动，完成打塘工作。同时安装的苗杯下接有可开合的鸭嘴形成苗移植机构，在开合碰座机构作用下进行开合动作，完成移栽工作。苗杯作为苗投放移栽的通道（图2）。

2.2 往复运动机构 往复运动机构由往复驱动电机、支撑轴承座、曲柄连杆机构、左右支撑滑轴等组成（图3）。往复电机作旋转运动，带动曲柄连杆机构中的曲柄及与其铰接的连杆在左右支撑滑轴限位下作上下往复运动，并带动与连杆下部相铰接的打塘移栽一体机构上的滑座作同步上下往复运动，实现移栽机构的移栽工作。往复旋转运动速度确定了移栽速度，通过电控系统对其进行设定。本设备出厂前移栽速度已设定。根据实际使用情况，必要时用户可参照使用说明书电控操作手册进行移栽速度修改。

2.3 驱动系统、操控系统 驱动系统由蓄电池、驱动电机、驱动减速器、驱动传动链轮、传动链等组成（图4）。驱动系统为轮系提供行走动力，驱动电机可进行正反转转动，并通过传动链、驱动减速器带动轮系后轮转动，实现轮系前进与后退。并可通过电控操控调整驱动电机转速大小，实现轮系前进与后退速度快慢。

操控系统由控制系统、行走操控转向机构、手控捏把手等组成。操控系统通过按压手控捏把手上开关，控制驱动系统启停。转动右端手控捏把手控制驱动系统转速大小，控制设备前进与后退速度快慢。

3 影响移栽效果的因素分析及结果

为验证该机适用性和实用性，在楚雄姚安县栋川镇育苗工场、姚安县烟田开展本试验。烟田为泥质岩类红壤、石灰岩地区红壤、潴育型紫色土性水稻土。土壤物理特性多样，有板结严重的、含水较重的、也有含水较低的。

调查数据表明，从移栽株行距来看，行距无差异，但采用机械移栽的株距一致（为设定值，可根据实际需求调节），人工移栽的株距变幅较大（设定值±10cm）。机械和人工打塘的直径无显著差异，均为30cm左右；但机械打塘直径（30.6cm）、烟塘最大横截面积（431.47cm2）、打塘深度（14.1cm）与人工操作差别不大。电动移栽机工作效率为1028～1200株/h，烟苗直立度100%，埋土率100%，漏苗率4.9%；移栽成活率与人工一致，与殷寿安等人[5]的报道的农机相比具有明显优势。机械和人工作业时间和作业效率存在极显著差异（p<0.01），机械作业时间缩短了25.2%，作业效率提高了35.4%。人工作业可完成0.12hm2/人·d，机械作业为0.48hm2/人·d，是人工作业的4倍。

2016年12月，该机通过云南省农业机械鉴定站的鉴定。鉴定结果显示，该机符合农业机械型式要求，可靠性高。其中，立苗率达到97%，没有埋苗和伤苗，漏苗率为2%，移栽深度合格率为98%，有效度为99.6%，均高于标准要求。

4 结论与讨论

4.1 结论 田间示范和农机鉴定结果表明，小型步进式电动打塘移栽机工作效率约为1200株/h，立苗率97%，漏苗率2%；移栽成活率与人工一致，达到98%；用工量比人工下降6.75工/hm2；作业成本比人工下降450元/hm2；作业电耗1kWh/d；可适应不同大小田塊、不同类型土壤等复杂作业条件。

该机将打塘和移栽模块安装在通用底盘上，按移栽的要求打塘，可达到规定的直径及深度；采用“步进式”的行走方式，机器植苗时候停止行走，可保证烟苗垂直入土的质量；同时进行打塘和移栽，使移栽鸭嘴和打塘头的距离为一个标准株距，可保证将烟苗准确地移栽在塘心，从而提高了移栽质量。赵玉清等人[7]的研究指出：起垄质量和苗的大小对机械移栽的栽植精度和栽植质量影响较大。本机前桥与后桥都设计了轮距调节机构，可手动调节，能适应垄高、垄宽变化；另外，可调节移栽机构高度，灵活调节栽插深度，可移栽膜下小苗和常规烟苗。前桥采用了前轮内八字约束结构，能自动沿着垄向前进，可实现随垄转向，不容易跑偏。后桥设计有两个转向离合器，可用于机器的单边制动转向，调头半径小，田间转向和调头容易。采用电力牵引驱动，可反复充电，与汽油、柴油能源供应方式相比，能源消耗、作业成本较低，无碳环保。

4.2 讨论 小型步进式电动打塘移栽机，实现了电力牵引、电器控制、自动覆土、智能识别塘位、自动移栽等功能。移栽机在移栽规格、打塘规格、移栽质量、移栽成活率方面总体表现良好，在提高效率、节约用工、减少成本、增加效益等优势明显。

小型步进式电动打塘移栽机可用于棉花、玉米、甜菜等多种作物移栽，具有广泛的应用价值和推广前景。可以该机通用底盘为平台，配套施肥浇水等功能，开发出多功能、经济适用、专用性强的电动移栽机。同时，本机械为半自动型，需要人工投苗，可进一步升级为全自动型，提高自动化程度和抗干扰能力。

参考文献

[1]曾建敏，张晓海，张谊寒，等.津巴布韦与云南省新烟区烤烟种植效益比较分析[J].世界农业，2012（11）：78-82.

[2]王跃金，布云虹，耿少武，等.楚雄州推广烤烟小苗膜下移栽技术的实践与思考[J].安徽农业科学，2013，41（26）：10592-10595.

[3]李娅娟，何晓滨.云南省主要土壤类型养分状况及变化特征[J].中国农技推广，2014，30（8）：35-37.

[4]卢勇涛，李亚雄，刘洋，等.国内外移栽机及移栽技术现状分析[J].新疆农机化，2011，（03）：29-32.

[5]殷寿安，林选知，张瑞勤，等.烤烟秧苗移栽机作业效果比较[J].农业科技与装备，2012，（10）：27-29+32.

[6]王成，伞红军，梅文强，等.小型电动烤烟移栽机的应用研究[J].农业开发与装备，2017，（01）：70-71.

[7]赵玉清，蔡宗寿，张汝坤，等.新型电动自走式秧苗移栽机样机田间试验与性能评价[J]. 机械研究与应用，2014，27（05）：74-76.

（责编：张长青）