半自动压缩基质型西瓜钵苗移栽机设计与试验

韩长杰，徐 阳，张 静，尤 佳，郭 辉



半自动压缩基质型西瓜钵苗移栽机设计与试验

韩长杰，徐 阳，张 静，尤 佳，郭 辉

（新疆农业大学机电工程学院，乌鲁木齐 830052）

针对目前使用压缩基质培育的钵苗无法使用现有移栽机械完成栽植工作的问题，模仿人工先打穴后放苗的移栽方式，设计了一种半自动压缩基质型钵苗移栽机，包含有间歇式打穴装置、持苗栽植装置和钵苗输送装置。通过单因素试验测得2组不同含水率的西瓜钵苗的钵体侧面与滑道的摩擦系数分别为0.755、0.634，并分析了2组钵体抗压载荷与压缩量之间的关系。根据西瓜种植农艺要求及西瓜钵苗外形尺寸，确定了打穴器及钵苗夹持机构的结构尺寸。按照已知运动规律对摆动机构进行优化设计，阐述了持苗栽植装置的工作过程，使用解析法对其进行了运动分析。试验结果表明，拖拉机保持2.1～2.6 km/h的速度前进时，该机作业的平均株距为98.6 cm，株距合格率为90.62%；倒伏率为21.9%，能够基本满足西瓜钵苗移栽的要求。该研究为半自动压缩基质型西瓜钵苗移栽机的设计提供了参考。

机械化；设计；移栽；压缩基质；钵苗；试验

0 引 言

使用压缩基质育苗，具有病害少、秧苗健壮、成活率高等优点[1]，适合非连作且单位面积种植株数少、经济效益高的作物育苗移栽[2]。以西、甜瓜为例，作为中国重要的经济作物之一，种植面积约达200万hm2[3]，目前国内的种植模式，多采用覆膜钵体苗人工移栽的栽培方式，起苗方便，不易伤苗，栽后生长速度快，适合栽种西瓜、甜瓜这类经济作物。为减轻农民劳动强度、降低人工成本、提高栽植质量，实现机械化移栽是必然趋势。

国外旱地栽植机械研究起步较早，向着高效率、全自动的方向发展[4-5]，部分成熟的机型已有推广应用，如意大利Ferrari公司研发的Futura系列，日本洋马PF2R乘坐式全自动蔬菜移栽机，意大利Checchi & Magli及英国Pearson等公司生产的全自动移栽机，这些全自动移栽机大都在原有的半自动移栽机的基础上增加自动取苗装置得以实现，且主要结合其本国作物种植模式和农艺要求进行研制，不能很好地适应中国耕地及农艺特点[4-7]。中国开展移栽机研究时间较晚，王晓东[8]对水轮式打穴移栽机的成穴机理进行了理论分析和模拟计算，得到了打穴铲结构参数与孔穴形状之间的相互关系，完成了国内第一台水轮式打穴移栽机的研制工作。金伟丰[9]提出了2种蔬菜钵苗自动化栽植机构，考虑行星轮系栽植器和锥齿轮行星轮系栽植器的特点及栽植作业稳定性要求，优选出了锥齿轮行星轮系栽植器作为蔬菜钵苗自动化栽植机构。黄前泽[10]提出了钵苗移栽机变形椭圆齿轮行星系植苗机构，研制了变形椭圆齿轮行星系植苗机构试验台，验证了植苗机构理论模型与运动学分析的准确性。

目前常见的盘夹式、链夹式移栽机适用于裸苗栽植；盘式移栽机用于裸苗和纸筒苗栽植；导苗管式、带式喂入移栽机多用于开沟移栽；吊篮式移栽机适用于地膜覆盖后打孔栽植，但在栽植钵体尺寸较大的钵苗时，由于部分土壤回流造成穴底不平整，无法保证压缩基质型钵苗移栽直立[11-13]。本文设计的半自动压缩基质型西瓜钵苗移栽机，采用先打穴后放苗的移栽方式，以期实现压缩基质型钵苗膜上打穴栽植。

1 钵苗力学特性测定

压缩基质型钵苗具有的外形尺寸及力学特性是设计取苗栽植方案及结构的关键依据。以西瓜钵苗为研究对象，通过测量钵苗的外形尺寸、测定不同含水率钵体的摩擦系数及钵体抗压强度，为后续压缩基质型钵苗移栽机的设计研究提供依据[14-18]。

1.1 材料与仪器

选用圆饼状压缩基质（以草本泥炭、木质素为主要原料,单个质量（40±3）g）、特大京欣瓜种，播种后生长期14～17d，钵体直径为50～51.5 mm，高度为31.5～33 mm，苗高130～150 mm，宽110～150 mm。试验仪器采用自制牵引式摩擦力试验装置、ALIPO牌ZP-100N电子测力计(测力范围0～100 N，精度：示值的±0.5%,分辨率：0.01 N)、水平仪、瑞格尔RGM-4002智能控制电子万能试验机(测力范围0~2 kN，精度：示值的±0.5%)、DHG-9123A型电热恒温鼓风干燥箱（控温范围10～200 ℃；控温精度0.1 ℃）及半圆形夹具。

1.2 试验方法与结果

分别对适栽的西瓜钵苗移栽出现的高含水率和低含水率2种状态，各选取3株进行摩擦力试验及钵体抗压强度试验。含水率为钵体抗压强度试验结束后烘干计算得出。采用如图1a所示牵引式摩擦力测试装置测量不同含水率钵体侧面与滑道的摩擦系数，同一组试验钵体每旋转120°测量1次，共测量3次。结合公式/得出，取平均值，试验结果如表1所示。由表1的试验结果可知，钵体含水率高的组1摩擦系数大于含水率低的组2，说明含水率高的钵苗摩擦系数大于含水率低的钵苗。

1.牵引式摩擦力测试装置 2,5.钵苗 3.滑道4.电子万能试验机 6.半圆形夹具

表1 摩擦力试验结果

注：钵体抗压强度试验结束后，烘干计算得出组1与组2中每个钵体的含水率。组1中3个钵体的含水率分别为58.50%、64.04%、65.82%；组2中3个钵体的含水率分别为36.72%、36.18%、37.17%。

Note：After Compressive strength test of seedlings pot is completed, Calculate moisture content of each seedling pot in groups 1 and 2 by drying. water content of 3 seedling pots in group 1 was 58.50%, 64.04% and 65.82%, respectively; water content of 3 seedling pots in Group 2 was 36.72%, 36.18% and 37.17%, respectively.

使用电子万能试验机及半圆形夹具，测量2组不同含水率钵体抗压强度，如图1b所示，压缩速度为1 mm/s。图2为组1、组2钵体抗压强度曲线。由图2可知，载荷为0～5 N时，钵体在压缩的初始阶段，由于钵体表面较大的粗糙度与半圆状薄金属是点接触，载荷均匀增大压缩量急剧增大；当载荷为5～20 N之间时，由于钵体表面与半圆状薄金属是面接触，载荷均匀增大对压缩量的影响较小[15]；当载荷大于25 N时，试验中观察到部分钵体外部产生裂纹。对比2组试验可以看出含水率较高的钵体抗压强度低，不容易被破坏。

图2 钵体抗压强度曲线

2 整机结构及工作原理

半自动压缩基质型西瓜钵苗移栽机主要由地轮、摆动机构、棘轮、打穴器、移位机构、钵苗夹持机构、输送装置、传动系统、机架等组成。压缩基质型钵苗移栽机结构如图3所示。

1.驱动链轮 2.六方轴 3.棘轮机构 4.动力链轮 5.栽植装置链轮 6.钵苗夹持机构 7.取苗气缸 8.阻苗气缸 9.接近开关A 10.机架 11.钵苗输送装置 12.地轮 13.接近开关B 14.打穴器

半自动压缩基质型西瓜钵苗移栽机由29.8 kW以上拖拉机牵引，地轮动力经链传动同时传递给摆动机构和移位机构。摆动机构利用从动杆往复摆动的运动特性带动棘轮旋转，棘轮推动安装棘爪的链轮间歇转动带动打穴器旋转完成间歇打穴；移位机构带动钵苗夹持机构在取苗位置和放苗位置之间往复运动，并通过齿轮传动驱动输送带顺时针旋转将钵苗送至托苗板上（取苗位置），当接近开关A检测到钵苗夹持机构移至取苗位置时，钵苗夹持机构夹取钵苗，钵苗夹持机构随移位机构向放苗位置运动，接近开关B检测到夹取钵苗的钵苗夹持机构移至放苗位置时，钵苗夹持机构释放钵苗，完成栽植。

3 关键部件设计

3.1 间歇式打穴装置设计

3.1.1 运动分析

间歇式打穴装置主要由摆动机构、棘轮机构及打穴器组成，摆动机构由曲柄、传动杆、从动杆和机架组成。曲柄转动一整圈，从动杆往复摆动一次，四等分棘轮随从动杆摆动推动安装棘爪的链轮转动，带动打穴轴链轮旋转，完成打穴。

3.1.2 摆动机构的优化设计

图4所示的摆动机构中，0为曲柄的初始角。曲柄由0转到0+90°时要求从动杆输出角实现给定运动规律()[19-20]，即

注：1为曲柄的长度，mm；2为连杆的长度，mm；3为从动杆的长度，mm；4为机架的长度，mm；0为曲柄的初始角，(°)；E为曲柄的输出角，(°)；0为从动杆的初始角，(°)；E为从动杆输出角，(°)。

Note:1is the length of crank, mm;2is the length of connecting rod, mm;3is the length of driven rod, mm;4is the length of chassis, mm;0is initial Angle of crank, (°);Eis output angle of crank, (°);0is initial Angle of driven rod, (°);Eis output angle of driven rod, (°).

图4 摆动机构简图

Fig.4 Schematic diagram of swing mechanism

摆动机构各零件尺寸为1、2、3、4。考虑到空间布局应尽可能紧凑，初设定1=57 mm，4=170 mm。取曲柄的初始位置角0为极位角，则

设计变量为=[23]T=[23]T，根据间歇式打穴装置的工作原理，为使打穴作业过程更加精确，以摆动机构运动规律与实际运动规律之间的偏差最小为指标建立数学模型，即

式中Ei为期望输出角，(°)；为输出角的等分数；Ф为从动杆的实际输出角，(°)。图5为摆动机构运动学关系，由图5可知

注：0≤φi﹤π时（实线），φi为曲柄AB的实际输入角，(°)；Φi为从动杆CD的实际输出角，(°)；γ为传动角，(°)；ρ为B点与D点连线的长度，mm；αi为ρ与从动杆CD的夹角，(°)；βi为ρ与机架AD的夹角，(°)。π≤φi'﹤2π时（双点划线），φi'为曲柄AB'的实际输入角，(°)；Φi'为从动杆C'D的实际输出角，(°)；ρ'为B'点与D点连线的长度，mm；αi'为ρ'与从动杆C'D的夹角，(°)；βi'为ρ'与机架AD的夹角，(°)。

根据摆动机构中曲柄存在的条件，可得

传动角一般不小于40°，取40°≤≤140°，可得

采用MATLAB软件对该问题进行优化[19-21]，摆动机构零件尺寸为1=57 mm、2=161 mm、3=79 mm、4=170 mm。从动杆摆动角度为92.3°，满足四等分棘轮机构工作要求。

3.1.3 打穴器设计

打穴器作为间歇式打穴装置入土成穴的重要组成部分，穴形的好坏直接影响移栽机的栽植质量。根据西瓜钵苗的外形特征，打穴器设计为上端大、下端小的圆锥形，如图6所示。打穴时破膜取土，保证穴形底面平整。刃口端面宽度′是影响破膜取土的主要参数之一，刃口端面宽度越小，破膜取土阻力就越小，但也容易发生变形甚至崩裂，选取刃口端面宽度′为1.5 mm[22]。

注：l′为刃口端面宽度，mm；de为打穴器大端内径，mm；di为打穴器小端内径，mm；b1为打穴器锥形部分高度，mm；θ为切入角，(°)。

为保证穴形底面直径大于钵体直径51.5 mm，小端内径d取64 mm；根据栽植深度要求，打穴器锥形部分高度1取65 mm；切入角过大取土阻力大且造成穴壁土壤紧实度增加，切入角过小不利于将土从穴中取出且不易倒土，结合初期的取土试验将切入角取21°，则大端内径d约为114 mm。

3.1.4 打穴器运动轨迹分析

使用Solidworks三维绘图软件绘制虚拟样机，在Motion运动分析环境中定义各部件的运动参数，设定整机向前运动速度为600 mm/s，选择打穴器顶端中心点进行轨迹跟踪，运动轨迹如图7所示，其轨迹为摆线，株距为90 cm，栽植深度为7 cm，满足西瓜移栽种植模式的要求。

注：R为株距，mm；T为打穴器运动轨迹；S为地膜表面；H为栽植深度，mm。

3.2 持苗栽植装置设计

持苗栽植装置是半自动压缩基质型西瓜钵苗移栽机的核心部件，主要由移位机构、钵苗夹持机构组成，电控装置和气动元件为持苗栽植装置的辅助元件。

3.2.1 持苗栽植位置分析

持苗栽植装置在整个运动过程中有2个工作位置，一个是取苗位置（图8双点画线所示），另一个是放苗位置（图8实线所示）。

在取苗位置时，动力杆′与传动杆′′共线，此时安装在双连杆′′上的钵苗夹持机构′′向上运动到最高点，接近开关A检测到钵苗夹持机构′′到达取苗位置，控制电磁阀换向，取苗气缸活塞杆收缩，钵苗夹持机构′′夹取钵苗；钵苗夹持机构按照既定运动轨迹运动至放苗位置。到达放苗位置时，动力杆与传动杆共线，此时安装在双连杆上的钵苗夹持机构向下运动到最低点，接近开关B检测到钵苗夹持机构到达放苗位置，控制电磁阀换向，取苗气缸活塞杆伸长，钵苗夹持机构释放钵苗，完成一次栽植。

注：双点画线表示取苗位置，实线表示放苗位。φ1'、φ2'、φ3'、φ4'、φ5'、φ6'、θ1、θ2分别为动力杆EF、传动杆FG、从动杆GH、动力双摆杆HI、双连杆IJ、从动双摆杆KJ、机架EH、机架HK与x轴逆时针方向夹角，(°)；θ3为从动杆GH与动力双摆杆HI的夹角，(°)；θ4为钵苗夹持机构LM与双连杆IJ的夹角，(°)。

3.2.2 持苗栽植装置运动分析

已知1'、1'、1、2、3、4及各杆长度，利用解析法对处于放苗位置的移位机构进行运动分析[23-25]。根据图8建立水平方向为轴，垂直方向为轴，点的轴坐标为0，钵体的轴坐标为。

式中l为动力杆的长度；l为传动杆的长度；l为从动杆的长度；l为机架的长度。

2'、3'由式（11）实部虚部分别相等解出，对式（11）求导，进行速度分析

式中1为动力杆的角速度，rad/s；2为传动杆的角速度，rad/s；3为从动杆的角速度，rad/s。

令式（12）实部虚部分别相等整理得

对式（12）求导，进行加速度分析

令式（13）实部虚部分别相等得

式中2为传动杆的加速度；3为从动杆的加速度。

式中l为动力双摆杆的长度；l为双连杆的长度；l为从动双摆杆的长度；l为机架的长度。

式（15）意义为V+V=V。令式（15）实部虚部分别相等，与固接，3=4，求得式中5、6

将5、6带入式（15）中求解出V、V。

式中4为动力双摆杆的角速度，rad/s；5为双连杆的角速度，rad/s；6为从动双摆杆的角速度，rad/s。

运用速度影像原理，并根据速度多边形的特点求解出西瓜钵苗在点的绝对速度V[26-30]，m/s。设其水平分速度为V，m/s，移栽机前进速度0，m/s，则有

当移栽机前进速度一定时，西瓜钵苗释放时的水平速度V直接影响移栽质量，Δ值过大，会出现钵苗倒伏直立度不好；理论上Δ值越小，移栽机的栽植质量越好，同时也可通过减小投苗高度，保证钵苗直立。

3.3 钵苗夹持机构设计

根据西瓜钵苗力学性能测定结果，在一定范围内钵体含水率高的摩擦系数大、抗压强度低。相同含水率的钵体，因组成钵体原料分布不均匀及西瓜苗根系个体差异，其承受的最大载荷也不相同[15]。由钵体抗压试验可知，当外部载荷大于25 N时，部分钵体外部产生裂纹。考虑个体差异，安全系数取2.5，夹取力′=25/，则′为10 N。为保证钵苗夹持机构在满足钵苗抗压强度条件下牢固的夹持钵苗，设钵苗重力为，夹持机构两侧的夹持臂对钵体的夹持力分别为j1和j2。满足如下关系

摩擦系数=0.634，max=0.1 kg时，满足式（17）和式（18），说明当钵苗摩擦系数较小，西瓜钵苗重力为最大时，钵苗基质不被夹碎散落的前提下能够克服钵苗的自身重力，保证移栽时钵苗夹持机构能够牢固夹取西瓜钵苗。

钵苗夹持机构用于夹取和转移西瓜钵苗，为实现准确夹取及释放钵苗自动化控制，使用气缸控制夹持机构的开合[31]。钵苗夹持机构示意图如图9所示。

1.气缸 2.固定支点 3.铰接点 4.夹持臂 5.钵苗

1.Cylinder 2.Fixed point 3.Hinge point 4.Holdingarm 5.Seedlings

注：a为夹持臂总长，mm；b为铰接点到夹持臂底端长度，mm；c为夹持臂宽度，mm；d为钵体直径，mm；e为气缸工作行程，mm；f为钵体高度，mm；j1和j2为两侧夹持臂对钵体的夹持力，N；1为气缸拉力，N；为铰接点受气缸拉力方向与水平面夹角，(°)。

Note:ais length of clamping arm, mm;bis length from hinge point to bottom end of clamp arm, mm;cis the clamping arm width, mm;dis seedlings pot diameter, mm;eis cylinder working stroke, mm;fis height of seedlings pot, mm;j1andj2are clamping forces of clamping arms on two sides, N;1is the cylinder pull force, N;is the angle between direction of cylinder pulling force and horizontal plane at hinge point, (°).

图9 钵苗夹持机构简图

Fig.9 Schematic diagram of seedlings clamping mechanism

钵苗夹持机构处于闭合位置时，满足如下关系

按西瓜幼苗最大苗高150 mm（含基质块），最宽处120 mm，考虑空间限制及结构要求取a、b、c、d、e、f分别为280、170、150、50、30、35 mm。将已知数值带入式（19）和（20），解得1约为26 N。

3.4 钵苗输送装置的设计

钵苗输送装置如图10所示，钵苗输送装置与持苗栽植装置采用同一个动力源驱动，保证了钵苗的进给速度与持苗栽植装置的取苗动作同步。采用输送带输送的方式可以减少钵苗因滑落带来的摩擦和碰撞损伤，输送带设计送苗速度为40株/min。为避免钵苗在下一次取苗之前掉落，设计了挡苗板及阻苗装置。工作时，投苗人员使用条型铲将钵苗从成排排列的苗盘中取出放在输送带上，输送带将钵苗输送至托苗板上（取苗位置），当接近开关A检测到钵苗夹持机构移至取苗位置时，阻苗气缸驱动阻苗板打开，钵苗下移至托苗板，钵苗夹持机构夹取钵苗，安装在从动链轮上的拨杆将挡苗板推开；钵苗夹持机构随移位机构向放苗位置运动，接近开关B检测到夹取钵苗的钵苗夹持机构移至放苗位置时，阻苗气缸推动阻苗板闭合，钵苗夹持机构释放钵苗。

1.阻苗气缸 2.阻苗板 3.输送带 4.拨杆 5.从动链轮 6.主动齿轮 7.半轴 8.从动齿轮 9.从动齿轮轴 10.挡苗板 11.托苗板

4 田间试验

4.1 试验条件

田间试验于2017年5月在山东省宁津县金利达公司试验地进行（如图11所示），地块长度180 m，土壤含水率为12.4%，试验用地经过旋耕作业，保证土壤疏松平整。由于西瓜钵苗在适宜移栽时,瓜苗的质量仅占钵苗总质量的1.5%～3.2%，瓜苗相对基质质量很小且柔软，瓜苗落地所产生的力矩对基质倾斜无影响。随机抽取不同含水率的压缩基质进行栽植功能验证试验。

图11 样机和田间试验

4.2 试验方法

移栽机与拖拉机挂接方式为三点悬挂，拖拉机动力为29.8 kW，试验时移栽机保持2.1～2.6 km/h的速度前进，参照《中华人民共和国机械行业标准JB/T 10291-2013》中旱地栽植机械的相关试验方法，每次取连续的16株为数据采集样本点，测量4组共64株取平均值。以株距合格率、倒伏率为性能评价指标。设计株距为X，当相邻2株的实测株距X在（0，0.8X]范围内，为重栽；当相邻2株的实测株距在（0.8X，1.2X]范围内，为合格；当相邻2株的实测株距在（1.2X，2.2X]范围内，为漏栽；行业标准中规定栽植后秧苗主茎与地面夹角小于30°为倒伏，根据压缩基质的圆饼状外形，即当地面与压缩基质表面夹角大于60°为倒伏。

4.3 试验结果与分析

4.3.1 试验结果

栽植倒伏和株距测试数据统计结果如表2和表3所示。由表2及表3中测量结果可知，倒伏率为21.9%，栽植平均株距98.6 cm，株距合格率为90.62%。

表2 倒伏率测量结果

表3 株距测量结果

4.3.2 试验结果分析

表2中倒伏率较高的主要原因：打穴器内壁较为光滑，试验土壤含水率较低、土壤松散，打穴器取土后部分松软土壤回填穴底导致穴底不平，部分钵体产生歪斜；因样机未设计仿形装置，当地轮两侧地势高低相差过大时，造成机架摆动，使钵体放入穴时与穴壁接触，导致少量钵体歪斜。表3中平均株距与设计株距存在偏差，造成偏差的原因为机器采用单侧地轮传动，且试验地旋耕作业后土壤松软，地轮发生滑移。

5 结论与展望

1）本文设计了一种能够实现移栽压缩基质型钵苗移栽的机械。根据测定的西瓜钵苗力学特性及外形尺寸参数，设计了钵苗夹持机构和钵苗输送装置，利用MATLAB软件对摆动机构进行优化设计。据测定的西瓜钵苗外形尺寸及栽植深度要求，确定了打穴器结构及尺寸参数。

2）通过单因素试验测得2组不同含水率的西瓜钵苗钵体侧面与滑道的摩擦系数分别为0.755、0.634。采用压缩基质进行田间栽植验证试验，拖拉机保持2.1～2.6 km/h的速度前进时，平均株距98.6 cm，株距合格率为90.62%；倒伏率为21.9%。倒伏率略高。

在后续研究中采用双地轮驱动提高传动的可靠性，获得均匀株距；进一步优化改进打穴器的形状结构，使取土后穴底平整，提高打穴质量；增加仿形机构保证机器水平，控制入土深度，降低倒伏率。

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Design and experiment of semi-automatic transplanter for watermelon seedlings raised on compression substrate

Han Changjie, Xu Yang, Zhang Jing, You Jia, Guo Hui

(,,830052,)

In order to solve the problem that seedlings cultivated by pie-shaped compression matrix can not be planted by the existing transplanter, a semi-automatic compression matrix seedling transplanter was designed in this paper by mimicking the artificially transplanting method of putting seedlings after punching a hole. The compression matrix type seedling transplanter mainly consists of a ground wheel, a swing mechanism, a ratchet wheel, a hole puncher, a displacement mechanism, a seedling clamping mechanism, a conveying device, a transmission system, a rack, and so on. The physical dimensions and mechanical properties of the compression matrix type seedling are the key basis for the design of the seedling planting schemes and structures. Taking watermelon seedlings as the research object, the dimensions of the seedlings were measured, and the friction coefficient of the compression matrix with different water contents and the compressive strength of the compression matrix were determined. The coefficients of friction between the slideways and the flanks of watermelon seedlings with 2 groups of different water contents were determined to be 0.755 and 0.634 respectively by single-factor tests. The relationship between the compression load and the compression amount of the 2 groups was also analyzed. When the load is 0-5 N, as the surface of the seedling is in point contact with the semi-circular thin metal at the initial stage of compression, the compression load increases evenly and the amount increases rapidly. When the load is between 5 and 20 N, as the surface of the seedling is in surface contact with the semi-circular thin metal, the compression load increases evenly with less impact on compression. When the load is greater than 25 N, some external cracks are observed on the surface of the seeding during the test. Comparing the 2 tests, it can be seen that the seedling with high water content is not easily destroyed. The swing mechanism is optimized according to the known movement law of the initial angle of the crank and the output angle of the driven rod. The dimensions of optimized parts are 57, 161, 79 and 170 mm, respectively. When the crank rotates one revolution of 360°, the reciprocating swing angle of the driven rod is 92.3°, which satisfies the working requirements of the four-equal-part ratchet wheel mechanism. The structure and specific size parameters of the hole puncher are determined according to the measurement size and planting depth requirements of the watermelon seedling. The width of the edge surface is 1.5 mm. The inner diameter of the small end is 64 mm, and the height of the tapered part of the hole puncher is 65 mm, and when the incision angle is 21°, the inner diameter of the big end is about 114 mm. The structure parameters of the seedling clamping mechanism are determined according to the mechanical properties and the dimension of watermelon seedling. And it is also concluded that the seedling’s matrix can overcome the self-gravity of the seedling, which ensures that the seedling clamping mechanism can securely grip the seedlings when transplanting with a clamping force of 26 N. The seedling conveying device and the planting holding device are driven by the same power source, ensuring that the feeding speed of the seedlings is synchronized with taking seedling action of the planting holding device. The conveyor belt is used to transport the seedlings, and the conveyor belt was designed to send seedlings at a speed of 40 plants per minute. Using a compression matrix for field planting functional verification tests, the average plant spacing is 98.6 cm when the transplanter moves at a stable speed of 2.1-2.6 km/h. The pass rate of the plant spacing is 90.62% and the lodging rate is 21.9% which is slightly higher. In the follow-up study, dual-ground-wheel driving would be used to improve the reliability of the transmission and obtain uniform spacing; a hole shape with the same level and the same depth should be acquired, and the lodging rate after the landing of pie-shaped matrix would be reduced by increasing the copying mechanism and optimizing the shape and structural parameters of the hole puncher.

mechanization; design; transplants; compressed substrate; seedlings; test

韩长杰，徐 阳，张 静，尤 佳，郭 辉. 半自动压缩基质型西瓜钵苗移栽机设计与试验[J]. 农业工程学报，2018，34(13)：54－61. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.007 http://www.tcsae.org

Han Changjie, Xu Yang, Zhang Jing, You Jia, Guo Hui. Design and experiment of semi-automatic transplanter for watermelon seedlings raised on compression substrate[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 54－61. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.007 http://www.tcsae.org

2017-11-04

2018-04-04

国家自然科学基金项目（50905153，51565059）；“十三五”国家重点研发计划（2017YFD0700803-2）；2017年自治区农业科技推广与服务项目

韩长杰，副教授，博士，主要从事农业机械设计与智能农业装备的研究。Email：hcj_627@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.007

S223.92

A

1002-6819(2018)-13-0054-08