井窖式烟草移栽机设计与试验

王德权，杜传印，荐世春，徐高伟，何腾飞

（1.261205 山东省 潍坊市 山东潍坊烟草有限公司；2.250100 山东省 济南市 山东省农业机械科学研究院；3.250357 山东省 济南市 山东交通学院汽车工程学院）

0 引言

装井窖式烟草移栽技术是由贵州省铜仁式烟草公司提出的一种烟草移栽新技术[1-4]。它利用井窖可保温、保湿的功能，在烟草种植的大垄上形成一直径在6～8 cm、深度在18～20 cm、穴距离为50 cm 的圆形井窖中，将烟草钵苗栽入其中，栽植后浇水、喷药和施肥同时进行地膜覆盖，以提高烟草的生产周期和品质，增加烟草种植的经济效益[5-6]。

目前,市面上井窖式烟草移栽农艺相配套的作业装备主要有手持式井窖成穴装置和间歇成穴式烟草移栽装备。手持式烟草成穴装置[7]由人工作业，动力源为小汽油机，由人工背负，与汽油机连接以柔性轴，柔性轴的末端为圆柱形成穴器，成穴器由汽油机驱动旋转，在转动的同时通过人工按入地垄中成穴；间歇成穴式烟草移栽装备[8-11]由动力底盘搭载成穴装置在田间进行行走作业，动力底盘为间歇式移动，当底盘移动至成穴位置时停止移动，此时成穴装置的成穴器转动，并竖直向下移动，形成穴口。以上两种装备中，手持式作业装备的劳动强度最大，效率最低；间歇式作业装备由于动力底盘要不断停止和移动，作业效率仍很低，同时还会产生停止和移动的速度冲击，降低机具的可靠性。

针对以上情况，本文结合井窖式烟草移栽的农艺要求，以此为基础设计一种集井窖成穴、移栽、注水为一体的多功能复式作业烟草移栽机降低井窖式烟草移栽的劳动强度，提高井窖式烟草作业效率和质量。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

井窖式烟草移栽机结构如图1 所示。主要由投苗装置、成穴移栽注水装置、苗架、地轮、座椅、水箱和自走式底盘组成。机具主要技术参数如表1 所示。

图1 井窖式烟草移栽机结构图Fig.1 Structural drawing of cellar tobacco transplanter

表1 机具主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of the machine

1.2 工作原理

工作时由人工将烟草钵苗置于投苗装置的苗杯中，投苗装置的动力由换向器上的链轮进入，通过换向器传递至苗杯驱动盘、驱动盘驱动苗杯在苗杯移动架上运动，当运动到指定位置时苗杯的下盖打开，烟草钵苗落入栽植器中。

烟草钵苗落入栽植器后，成穴移栽注水装置在动力的驱动下工作，成穴器安装在平行四杆机构前端的换向器上，随着曲柄的转动，通过链传动将动力传递给成穴器，成穴器随成穴移栽注水装置的平行四杆机构工作位置发生改变的同时自身也在转动；栽植器和注水装置一体焊接在平行四杆机构连杆的后端，随着平行四杆机构的运动而运动。成穴移栽注水装置随着自走式底盘前进而进行连续作业，连续成穴、栽植和注水。

自走式底盘由发动机提供动力，通过传动装置传递给后轮，由后轮驱动底盘前进。水箱与注水装置连接，通过注水装置实现间歇注水。

2 关键部件设计

2.1 成穴移栽注水机构设计

成穴移栽注水装置由成穴器、栽植器、注水装置、换向器、曲柄、连杆、链轮和链条组成。装置的二曲柄、连杆、机架以及同时驱动二曲柄的链传动组成了平行四杆机构，如图2 所示。

图2 成穴移栽注水装置结构图Fig.2 Structure diagram of water injection device for transplanting into hole

机构简图如图3 所示，由平行四杆机构OABC、井窖式成穴器EF、栽植与注水一体装置GH组成。曲柄AB和OC带动井窖式成穴器EF和鸭嘴栽植器、注水装置GH完成成穴、移栽和注水工作。

图3 机构简图Fig.3 Mechanism diagram

2.1.1 运动学模型

以O点为坐标原点，水平方向为x轴、竖直方向为y轴建立直角坐标系，如图4 所示。

图4 运动学模型Fig.4 Kinematic model

A点的位移方程为

B点的位移方程为

C点的位移方程为

对式（4）和式（5）求1 阶导数和2 阶导数，即可得点F和点G的速度和加速度方程。

2.1.2 人机交互可视化辅助分析与参数优化软件

在上述建立的数学模型基础上，运用MATLAB 编写四杆式烟草移栽机构人机交互可视化辅助界面与参数优化软件，如图5 所示。

图5 人机交互可视化辅助界面Fig.5 Visual assistant interface of human computer interaction

2.1.3 机构参数优化

（1）优化目标

烟草移栽深度为180～200 mm，株距为500 mm，穴口直径为60～80 mm，为满足烟草移栽的农艺要求，其绝对轨迹应满足以下条件：①其绝对运动轨迹最低点与垄面线的垂直距离h1，即移栽深度为180～200 mm；②成穴器在移栽过程中与垄面线的夹角β1尽量接近90°；③成穴器所成穴口直径l在60～80 mm 之间。

（2）参数优化过程与结果

①机构数学模型为基础，初定参数各初始值，获得参数初始工作轨迹和目标值。

②根据移栽深度和绝对轨迹行程的优化目标，调整机构各参数，不断调整上述各参数值，使各个目标值逐步符合优化目标要求。

③根据其余的优化目标，微调机构各参数，使各个目标值逐步符合其余优化目标要求。

根据以上步骤，通过人机交互方式确定1 组较优的参数：l1=420 mm，l2=160 mm，l3=160 mm，l4=420 mm，θ1=θ2=40°，θ3=θ4=90°。

2.2 栽植器设计

鸭嘴栽植器主要由上部机座装配、栽植器右装配、栽植器左装配、销轴、六方轴、弹簧和连接销组成，如图6 所示。

图6 鸭嘴栽植器结构组成Fig.6 Structural composition of duck-billed planter

根据烟草钵苗植株形态确定烟草栽植器鸭嘴总长度为160 mm、鸭嘴打开宽度为55 mm，拉筋拉动的距离决定了鸭嘴打开的宽度。鸭嘴栽植器开闭的理论简图如图7 所示。

图7 鸭嘴开闭理论简图Fig.7 Theoretical sketch of duckbill opening and closing

根据上述理论简图建立栽植器的理论模型，在图7（b）中根据几何关系，△PCL ∽△EAG，可得：

式中：ld——EG长度，mm；lm——AG长度，mm；le——CD长度，mm；lf——PC长度，mm。

结合上述已知条件，求得lm=5.2 mm，lm取5 mm。

烟草栽植器在打开过程中的要求是左、右栽植器同步打开。为实现上述要求，在右侧栽植器上加工一延长孔，在左栽植器固联一销轴与延长孔配合，如图8 所示。当拉动左侧栽植器时，销轴转动，相对于延长孔的位置发生变化，继而驱动右侧栽植器转动，满足了左、右鸭嘴同时打开的要求。因此，延长孔的长度和位置决定了左侧和右侧栽植器同时打开的最大宽度。

图8 栽植器关闭和打开时销轴在延长孔中的位置变化Fig.8 Position of pin shaft in extension hole when duckbill opens and closes

当鸭嘴闭合时，销轴应与延长孔的右半圆完全重合；当鸭嘴打开时，销轴应与延长孔的左侧半圆完全重合。根据图8（b）中的几何关系可得，左、右鸭嘴同时开闭的条件为：在鸭嘴开闭的过程中，线段GO始终与线段OB相等。根据式10可求出GO与OB的长度为54 mm，延长孔总长度为7 mm，左、右半圆半径为3 mm。

3 样机试验

根据设计结果试制样机并进行田间试验，如图9(a)所示。试验采用漂浮育苗法培育的烟草钵苗作为试验秧苗，移栽机作业速度为0.25 m/s，按照我国旱地移栽机械作业标准（JB/T10291-2013）进行，每次重复试验移栽200 株烟草钵苗，重复3 次。试验效果如图9（b）所示。

图9 田间试验Fig.9 Field experiment

田间试验结果如表2 所示。

表2 主要移栽性能测量数据Tab.2 Measurement data of main transplanting performance

表2 为主要移栽性能测量数据，移栽性能满足旱地移栽机械作业标准中规定的性能指标，株距变异系数平均值为7.1%，是由于机器作业速度发生波动而引起；栽植深度合格率平均值为94.6%，究其原因是移栽试验田地形起伏以及起垄高度误差造成。试验结果满足井窖式烟草移栽的农艺要求。

4 结论

（1）根据井窖式烟草移栽的农艺要求设计井窖式烟草移栽机整机，对其结构和工作原理进行阐述；对关键部件成穴移栽注水机构和栽植器进行了设计，建立其数学模型，在此基础上获取其最佳参数组合。

（2）研制井窖式烟草移栽机样机并进行了田间试验，田间试验结果表明：株距变异系数为7.1%，栽植深度合格率为94.6%，满足井窖式烟草移栽的农艺要求和作业质量要求。