丘陵山区烟草井窖式打孔投苗机设计

戴洪锋 张力元 卫 韦 吴长兵 张富贵 喻丽华

（1贵州省烟草公司黔南州公司，贵州都匀 558000；2贵州中烟工业有限责任公司，贵州贵阳 550001；3贵州大学工程训练中心，贵州贵阳 550025；4中国烟草总公司贵州省公司，贵州贵阳 550004；5贵州大学机械工程学院，贵州贵阳 550025）

我国烤烟种植面积和总产量居世界首位，具有种植面积大、种植区域广、产值高等特点[1]。我国烟草种植主要分布在丘陵山地，此类地形地块破碎，土壤湿度与黏度大，地形起伏，作业环境和条件严苛[2]。贵州省是典型的山地丘陵地带，90%以上为山地及丘陵，为我国烟草第二大种植区[3-4]。当前，平原地区相继出现了链夹式、鸭嘴式、挠性圆盘式、吊篮式、导苗管式烟草移栽机等烟苗移栽机械，这些农机具的投入使用在一定程度上减轻了烟农劳动强度、提高了生产效率[5-11]。烟草拖挂式移栽机[12]和自走式烟草移栽机[13]都是为北方烟区烟草移栽设计的，但在贵州省丘陵山区并不适用。烟苗移栽作业在烟苗移栽前，先采用背负式打孔机在待栽土壤垄体上部按株距制作井窖，再进行人工投苗。此方法劳动强度大，且背负时产生的机械振动会给劳动者带来不适。为此，研究人员着手研制了一款适合丘陵山区使用的烟草井窖式打孔投苗机，打孔、投苗一机实现，且由背负式转为自走式作业，从而大幅降低了劳动强度，提高了综合作业效率。

1 材料与方法

1.1 设计结构、原理和参数

1.1.1 总体结构。该烟草井窖式打孔投苗机主要由打孔装置、投苗装置、机架及前轮转向机构等组成，如图1所示。打孔装置位于机器正前方，负责打孔作业。投苗装置位于打孔装置的后方一定距离处（根据移栽株距可自行调整）。机架起支撑作用，打孔装置和投苗装置都安装于机架上。机器前方的2个轮子设有前轮转向机构，可使机器具有转向功能。

1.1.2 工作原理。在作业时，2个机手分别行走于垄体两侧的垄沟中，并推动井窖式打孔投苗机到打孔位置，右侧机手握紧打孔装置中打孔压杆上的操作手柄，自锁卡销解开自锁，打孔头靠自重下行，同时电动机驱动打孔头旋转，完成打孔后，再按压打孔压杆，提起打孔头。与此同时，左侧机手从投苗架上所放的苗盘中迅速取出烟苗放进投苗筒完成投苗作业。打孔投苗完成后，推动打孔机前行，直至投苗筒中心对准下一个孔的中心，继续完成下一个打孔投苗作业。如此重复以上动作，从而完成整个烟苗投苗作业。

1.1.3 技术参数。该烟草井窖式打孔投苗机由2个机手共同操作，一个负责打孔作业，另一个负责投苗作业。它可以通过调整该机器的左右轮距和投苗筒的前后安装位置来适应不同的垄底宽和移栽株距。该烟草井窖式打孔投苗机的主要技术参数如下：自走式结构外形尺寸为1 420 mm×1 240 mm×1 235 mm，采用直流无刷电动机（48 V，2 000 r/min，13 A，1.91 N·m）和1∶5减速器，电池规格为48 V、20 Ah，轮距可调（900、1 000、1 100 mm），打孔距离（投苗株距）可调（450、500、550 mm），作业效率为 680 穴/h。

1.2 关键部件设计

1.2.1 打孔装置。井窖式打孔装置是本机的主要作业机构之一，因为采用电机作为打孔动力源，所以要配备蓄电池来供电。该装置主要由打孔头、电机、导向轴、软轴等组成，如图2所示。根据贵州省地方标准《烤烟井窖式移栽技术规程》（DB 52/T 891—2014）规定的井窖规格[14]，打孔装置的打孔头设计如下：上部为圆柱体，直径为100 mm，高120 mm；下部呈圆锥体，圆锥体直径100 mm，高80 mm。打孔头位于整机正前方，可使打孔位置精准地位于垄面正中央。该装置工作时由机器右侧机手握紧打孔压杆上的操作手柄，使自锁卡销解开自锁，打孔头靠自重下行，同时电动机驱动打孔头旋转，完成打孔后，再按压打孔压杆，提起打孔头，在烟垄上打出深度为200 mm的深孔（井窖式苗穴）。此打孔装置的创新之处是使用软轴将固定在机架上的电机传来的动力作用于钻头进行打孔作业，使右侧机手操作打孔压杆提起打孔头的劳动强度大幅减轻。

1.2.2 投苗装置。该烟草井窖式打孔投苗机的另一个主要作业机构是投苗装置，其主要由投苗筒组成。投苗筒由投苗口、支撑板及导苗筒组成，如图3所示。该支撑板上面四周有4个通孔，目的是通过螺栓安装于机架上，使该投苗筒可以安装于机架上的前后3个不同位置，依次间隔50 mm，以便根据投苗株距安装投苗筒。该机器移栽株距设置了3个档，分别为450、500、550 mm，这3种株距是贵州省烤烟种植常用株距。作业时，左侧机手从苗盘架上所放的苗盘中迅速取出烟苗放进投苗筒投苗处，使烟苗沿导苗筒向下落入井窖式苗穴中，从而完成投苗作业。

1.2.3 机架。该烟草井窖式打孔投苗机的机架是用来支撑打孔装置和投苗装置的，也是该机器不可或缺的组成部分。机架由前支撑杆、后支撑杆、左扶手杆、右扶手杆、中间支撑杆等组成，如图4所示。苗盘架、株距以及打孔装置的尺寸决定了机架长度，最大垄底宽决定了机架宽度，高度设计符合人体工程学且操作方便、舒适。最大垄底宽决定了该打孔投苗机机架尺寸。前后支撑杆上的左右两边均有通孔，目的是为了调节左右两边的轮距来适应不同垄底宽。该机器设置了900、1 000、1 100 mm 3个不同轮距。机手握住扶手杆推动机器行走。

1.2.4 前轮转向机构。该烟草井窖式打孔投苗机的前轮设有前轮转向机构，由安装在前支撑杆上的转动轴承、定位销以及转向杆组成，如图5所示。当投苗机在烟地进行作业时只需要走直线运动，此时定位销插进前支撑杆孔内进行固定，使2个前轮位置始终处于位置2的状态即可；当投苗机不进行作业主要转方向行走时，就将固定销拔出前支撑杆，这样右侧机手通过转动转向杆便可以使前轮前后相对位置2转动30°到位置1或位置3，从而实现投苗机的转向功能。

1.3 性能试验方法

2021年3—4月，在贵州省瓮安县天文镇、长顺县广顺镇、福泉市藜山乡3个地方先后进行了3次打孔投苗机性能试验。一是准备阶段。试验田已经完成起垄覆膜[15]。二是种烟农艺。垄上打孔移栽，移栽前起弧形垄并覆膜，垄底宽为1 100 mm，垄面宽为400 mm，垄高250 mm，株距500 mm。

参考烟叶生产机械化各环节作业质量要求评价指标中对移栽机械的部分作业质量标准的规定，其中评价项目包括栽植深度h[（评价标准hϵH（1±5%）cm 或 h′ϵH′（1±5%）cm，H 为标准栽植深度）、漏栽率（评价标准≤5%）、不合格率（评价标准≤10%）、安全要求（有安全保护措施、安全标志），其余评价项目未做统一要求。对打孔投苗机的投苗性能进行试验验证。在试验过程中，由2个机手分别站在垄的两侧握住打孔移栽机左右扶手同时操作该机器。右侧机手主要负责打孔作业，左侧机手主要负责投苗。在试验过程中由试验人员从打第1个孔开始计时，对总打孔数量和所用总时长进行记录，并对试验结果进行分析。

2 结果与分析

第一次试验，样机已经实现打孔投苗基本功能，且都能达到评价标准。测试106 s打孔20个，平均作业效率为5.3 s/个，即680孔/h。但是，通过样机试验，发现样机打孔装置的打孔头转速过快使其入土力量不够导致打孔深度不够。经过改进后又进行第2次、第3次性能试验，平均作业效率不变。最大的改进之处是在电机上加装减速器，使其转速由软轴将固定在机架上的电机传来的动力作用于钻头进行打孔作业，电机的劳动强度较第1次试验大大减轻。打孔投苗机样机、试验现场以及打孔投苗后效果分别如图6、7、8 所示。

3 结论与讨论

本文设计的井窖式打孔投苗机使用软轴将固定在机架上的电机传来的动力作用于钻头进行打孔作业，使右侧机手操作打孔压杆提起打孔头的劳动强度大幅减轻。电机配有合适速比的减速器，使移栽机打孔参数及质量符合当地烟草移栽农艺要求。该机械设有简单、易操作的前轮转向机构，使投苗机实现了转向功能，解决了以往投苗机靠手抬挪动机器来实现转向功能的弊端。不足之处是作业效率较人工低。

综上所述，井窖式打孔投苗机一次性完成了井窖式打孔和人工辅助投苗作业，打孔参数及质量符合当地烟草移栽农艺要求，平均作业效率为680穴/h。研究成果对丘陵山区烟草移栽环节的机械化作业具有一定的参考作用。