一种玉米根茬提取采样机的设计

班春华

摘要：针对玉米保护性耕作对根茬覆盖率进行检测的需求，设计一种玉米根茬提取采样机。阐述其整体结构、工作原理以及主要零部件设计，该机具可通过机械动态视觉识别系统快速准确的识别根茬覆盖率，为完成保护性耕作验收提供参考。

关键词：根茬提取采样机;玉米;保护性耕作;根茬覆盖率;设计

中图分类号：S220.2    文献标识码：A    文章编号：1674-1161（2022）03-0037-03

随着保护性耕作技术在东北地区的大力推广，玉米秸秆根茬还田作业模式被越来越多的应用于实际种植作业生产中。该模式需要根茬覆盖率在一定比例以上才能满足保护性耕作要求，对耕地起到保护作用。当前，对田间地表秸秆覆盖率的测算大多采用人工测算方式，但耗费大量人力和物力，且测算精度不够。设计一种玉米根茬提取采样机，通过机械动态视觉识别系统快速识别根茬覆盖率，以期为黑土地保护性耕作的作业质量完成情况给予准确的验证，并提供高效作业装备支撑。

1 整体设计

1.1 整体结构

玉米根茬提取采样机如图1所示，由机架、主变速箱、抖土机构、皮带传动机构、链传动机构、传输链机构、运送带机构、地轮支撑机构、视觉识别采集系统组成。

主变速箱固定在机架上方，输入轴端连接拖拉机，输出轴端连接抖土机构;抖土机构安装在机架下方工作前端，抖土机构的工作前端设置提取铲，工作后端设置传输链机构;地轮支撑机构安装在机架两侧靠近传输链机构末端位置;运送带机构安装在机架后端，视觉识别采集系统安装在运送带机构的活动支架上;皮带传动机构安装在机架一侧，两个皮带轮分别连接变速箱的输出轴和传输链机构;链传动机构设置在机架另一侧，一端的传动链轮连接主变速箱输入轴，末端传动链轮与传送带机构的驱动辊轮连接。

1.2 工作原理

拖拉机悬挂系统连接上下悬挂架，拖拉机悬挂系统向下作用使玉米根茬提取采样机落到地面。拖拉机液压系统控制液压缸伸展，带动运送带活动支架向外展开，玉米根茬提取采样机进入作业状态。拖拉机后输出轴转动，带动玉米根茬提取采样机各工作部件运行。拖拉机前进，带动玉米根茬提取采样机作业。根茬提取铲深入地下约25 cm，将玉米根茬与土壤切削提起，同时抖土机构中的抖土筛在偏心轮轴带动下快速上下摆动，将根茬周围的土壤抖掉。根茬继续向后运動到链传动机构的网状链上方，变速箱通过带传动机构带动主动链轮组转动，同时中部的两组椭圆支撑链轮组及从动链轮随之转动，带动传输链的向上部分做上下起伏的波浪形运动，使根茬向后运行，同时清掉多余的土坡。根茬被抛入运送带上的围栏框中，被运送带送至视觉识别采集系统作业范围内，通过视觉识别采集系统时对照分析玉米根茬的性状持征并保存及上传数据。根茬继续随运送带运行至顶部，继而被抛落地表。玉米根茬提取采样完成后，拖拉机停止前进，后输出轴停止转动，玉米根茬提取采样机各工作部件停止运行，拖拉机液压系统控制液压缸收缩，运送带活动支架带动运送带收起。拖拉机悬挂系统将玉米根茬提取采样机向上提起，根茬提取采样作业过程完成。

2 主要零部件设计

2.1 抖土机构

抖土机构包括两个偏心轮轴、两个偏心轮、两个抖土筛连接杆及两个抖土筛，结构如图2所示。

偏心轮轴与偏心轮焊接成一个零部件，采样机作业时偏心轮以偏心轮轴为轴心转动。偏心轮的中心线绕偏心轮轴形成一个圆形轨迹，带动与之连接的抖土筛连接杆大圆环做同样轨迹的移动，使抖土筛连接杆产生上下位移，从而带动抖土筛以连接座轴心为中心上下摆动。

2.2 传输链机构

传输链机构包括主动链轮组、椭圆支撑链轮组、传输链及从动链轮组，结构如图3所示。

根茬运送链机构在变速箱带动下逆时针运动，传输链上侧向后运行，同时在椭圆支撑链轮组转动的影响下做上下起伏的波浪形运动，以便在运送根茬的同时抖动清理附着在根茬上的土壤。

2.3 传输带机构

传送带机构包括固定架、驱动辊轮、运送带、液压缸、活动支架、下拖轮组、上拖轮组和两个从动支撑辊轮，结构如图4所示，传送带俯视结构如图5所示。

运送带包覆在驱动辊轮与两个从动支撑辊轮上，且在固定架与活动支架围成的框架范围之内。活动支架闭口端通过液压缸与机架后侧上部连接，液压缸通过输油管与拖拉机尾部液压系统相连接，拖拉机液压系统控制液压缸伸展与收缩来实现运送带机构的展开与收起。上拖轮组和下拖轮组用于支撑运送带，避免运送带严重下沉而产生弹性变形。

运送带为橡胶材料，两侧设有侧围栏，两侧围栏间的相同间隔设有分隔栏;侧围栏为波浪线式结构，其顶端能在折弯处自由伸展收缩，确保运送带顺畅运行。

3 结论

玉米根茬提取采样机是由辽宁省农业机械化研究所研制的新装备，于2019年和2020年分别在沈北试验田进行样机试验。结果表明，该机单人操作即可完成根茬提取及动态视觉采样作业过程，大大提高了作业效率。与手工测量相比，平均误差在10%左右，具有较高的可信度。但也发现以下问题：清理根茬土壤对根须具有一定破坏作用，这也是引起误差的一个原因。在下一步设计中应减少根须伤害，确保用于动态视觉采样的玉米根茬样本尽量保持完整，以提高采样作业的准确性。

参考文献

[1] 董向辉，沈卓群，李海龙，等.一种玉米根茬提取采样机[P].辽宁省：CN215833273U，2022-02-15.

[2] 王春雷，卢彩云，李洪文，等.基于支持向量机的玉米根茬行图像分割[J].农业工程学报，2021，37（16）：117-126.

[3] 王雪茹.辽宁省保护性耕作技术应用研究[J].农业科技与装备，2021（5）：119-120.

Design of A Kind of Corn Root Stubble Extraction Sampling Machine

BAN Chunhua

（Liaoning Institute of Agricultural Mechanization， Shenyang 110161， China）

Abstract： In order to meet the requirement of detecting the coverage rate of corn root stubble under protective tillage， a prototype of corn root stubble extraction sampling machine was designed. The overall structure， working principle and the design of main parts of the machine are described.The machine can quickly and accurately identify the stubble coverage rate through the mechanical dynamic vision recognition system， providing a reference for completing the acceptance of conservation tillage.

Key words： root stubble extraction sampling machine; corn; conservation tillage; root stubble coverage rate; design