链夹式菠萝移栽机构的设计与试验

崔振德，何冯光，李林林，经福林，张曼其，苏增强

（1.中国热带农业科学院农业机械研究所，广东 湛江 524013 ；2.农业农村部热带作物农业装备重点实验室，广东 湛江 524013 ；3.华中农业大学工学院，湖北 武汉 430070 ；4.广东农垦热带农业研究院有限公司，广东 广州 511365）

0 引言

作物人工移栽由于劳动强度大、规范性差、作业效率低下等，已不能满足我国现代农业生产的需求[1]，机械化移栽是我国农业生产发展的必然要求。机械化移栽相比于人工移栽，作物产量提高，栽植劳动量减少，生产成本还不到人工移栽的50%[2]，采用机械化移栽可以满足我国快速完成农业生产任务的需要，显著提高生产效率、节约成本、降低劳动强度等[3]。

栽植机构是移栽机的核心部件，其性能的优劣决定移栽机作业时种苗栽植质量是否满足作物的种植农艺、适应高速栽植作业等要求[4]。为了实现作物机械化移栽，国内外针对不同作物种植农艺和作物性状开发了多种移栽机械，根据栽植机构原理可分为链夹式移栽、钳夹式移栽、挠性圆盘式移栽、导苗管式移栽、吊篮式移栽等[5]，不同类型的栽植机构工作原理、优缺点、适用农作物、作业环境等都有所不同[6]。为探索我国菠萝主栽品种——巴厘的机械化移栽技术，根据巴厘品种多行密植农艺特点[7]和高大种苗的特性，研制了基于链夹式移栽原理的菠萝移栽机构[8]，并进行了大田栽植性能试验，为下一步开发专用菠萝（巴厘）移栽机打下了良好基础。

1 链夹式菠萝移栽机构工作原理

链夹式菠萝移栽机构由覆土轮、传动链轮组、开沟器、机架、夹持送苗装置、种苗架等部分组成。作业时，由拖拉机牵引移栽机构前进，移栽机构的覆土轮提供传动链轮组的传动动力，夹持送苗装置随着链轮转动到夹紧滑道上方时，人工放置种苗至夹持送苗装置上，夹持送苗装置随着链轮运动至夹紧滑道，苗夹夹紧种苗通过夹紧滑道，出下滑道后，苗夹张开，种苗落入开沟器开好的苗沟中，随后覆土轮进行压土，完成移栽过程。链轮传动部分主要由3 个链轮传动系统组成，每个链轮系统通过不同的齿轮大小改变获得不同的行进速度，使夹持送苗装置满足人工作业要求和菠萝的栽植株距要求。移栽机构总体构成如图1 所示。

链夹式菠萝移栽机构主要动作分解包括覆土轮抓地传动、链轮组传动、夹持送苗装置夹紧种苗、夹持送苗装置通过下滑道精准投苗、覆土轮覆土等，其总体要求为：

①传动机构要传动精准，能够平稳运行，满足菠萝种苗株距一致性的种植农艺要求；

②夹持送苗装置能够稳定夹住菠萝种苗，种苗不滑移脱落且不会对种苗产生挤压损伤，在种苗与下滑道刚接触时，尽量减少与夹紧滑道的摩擦震动，避免影响种植质量；

③夹持送苗装置在通过下滑道时，其分离弹杆能立即将种苗弹开，使种苗可以顺利落入开沟器开好的苗沟中，随后覆土轮覆土压实，保证其直立度较高，移栽完成后种苗不会被机构刮倒。

2 移栽机构的运动分析

2.1 链轮传动系统

链夹式移栽机构采用三级链轮传动来驱动夹持送苗装置作业，在拖拉机三点悬挂牵引下，移栽机构通过覆土轮上的钩齿抓地驱动链轮系统，动力从与地轮连接的第一级链轮传输到夹持送苗装置所在的第三级链轮，传动系统如图2 所示。

2.2 移栽机构前进速度与株距、频率和链轮作业速度的关系

移栽机构前进速度的快慢决定栽植效果。若移栽机构的前进速度慢，就会导致链轮转动速度较慢甚至链条不转动，其栽植效果较差，无法达到机械化移栽高效率的目的；若移栽机构的前进速度过快，操作人员取、放种苗的速度跟不上机器，将会发生漏苗缺株。因此，在栽植作业过程中，不仅要保持种苗的栽植株距，还要不漏苗且高效率移栽作业，移栽机构的移栽频率要设定在与人工取苗、放苗速度相匹配的合适范围内，其值如式（1）所示：

式中：

f——移栽机构的栽植频率，株/min；

S——菠萝种苗的栽植株距，m。

按照菠萝种苗大规格的形态尺寸，人工单次一般只能取、放1 株菠萝种苗，为了避免人工跟不上机器速度而发生漏取和漏放，适宜的栽植频率约为60 株/min，而巴厘品种的适宜栽植株距为0.25～0.30 m，因此移栽机构的适宜作业速度应控制在15.0～18.0 m/min。

2.3 种苗运动轨迹分析

2.3.1 栽植机构零速投苗与种苗栽植要求

“零速”投苗是影响菠萝种苗种植直立度和移栽机构工作性能的重要指标。“零速”投苗的原理即当菠萝种苗移栽作业时，移栽机构的前进速度与菠萝种苗栽植瞬间的水平分速度大小相等、方向相反时即视为达到了“零速”投苗状态，使得菠萝种苗获得相对地面的瞬时绝对速度为零，此时菠萝种苗相对于地面处于静止状态，栽植后的菠萝种苗获得较好的直立度。

为了达到“零速”投苗的效果，引入特征参数λ，即机构运转时栽植机构的旋转切向速度与移栽机构前进速度的比值，如式（2）所示：

式中：

R——栽植机构到旋转中心的旋转半径，m；

ω——栽植机构旋转的圆周角速度，rad/s；

λ——特征参数。

在移栽过程中，菠萝种苗的运动轨迹有3 种不同的情况，如图3 所示。

图3 菠萝种苗运动轨迹

不同的运动情况下λ的值不同，具体分析如下：

当特征参数λ＜1 时：此时夹持送苗装置的运动轨迹为短摆线，水平方向没有绝对速度为零的拐点，在这种运动轨迹中无法实现“零速”投苗，即种苗栽植后的直立度很差，不能保证菠萝苗的栽植效果。

当特征参数λ=1 时：此时夹持送苗装置的运动轨迹是摆线，其只有在最低点存在1 个拐点，即只有在最低点投苗才能达到较好的立苗种植效果，由于只有1 个拐点，在随着链轮的转动作业过程中，很可能造成种苗的前倾，使得栽植效果不好。

当特征参数λ＞1 时：此时夹持送苗装置的运动轨迹为余摆线，即运动摆线上有环扣出现，则该余摆线在栽植作业的过程中可以达到“零速”投苗的标准，在这种运动轨迹下，种苗将获得较好的直立度和种植质量。

由上述可知，当特征参数λ=1 和λ＞1 时，在理论上均可达到“零速”投苗的状态，在实际作业过程中，当运动轨迹为λ=1 时，很可能导致种苗前倾、种苗直立度不高的现象，要想种苗达到较好的种植效果和较高的直立度，移栽机构的特征参数应为λ＞1，即运动轨迹要为余摆线。

2.3.2 种苗的运动分析

1）种苗在移栽机构上的运动分析。菠萝种苗在移栽机构上的运动过程分为3 个阶段。第1 阶段，从种苗架中人工取苗放于夹持送苗装置上；第2 阶段，夹持送苗装置随着链轮的转动，分离弹杆和夹紧滑道接触，从而受力夹紧种苗，在夹紧滑道中随着链条的转动做平移运动；第3 阶段，种苗通过夹紧滑道后，分离弹杆弹开，种苗落入开沟器开好的苗沟中，随后覆土轮覆土，完成栽植作业。决定菠萝种苗是否可以达到“零速”投苗运动状态的阶段是种苗随着夹持送苗装置在夹紧滑道中运动即将出夹紧滑道至种苗落入苗坑的这一运动阶段，其运动过程如图4 所示。

图4 种苗与夹苗装置—接触夹持点相对运动轨迹

种苗在这个运动阶段与夹苗装置接触的夹持点A 在移动坐标系中的运动为绕第三链轮下端齿轮圆心O2的转动，其线速度可由公式（3）和（4）表示：

式中：

Y 轴——移栽机构栽植链轮的对称轴，竖直向上为正方向；

X 轴——移栽机构的最低水平位置，即开沟器底点，移栽机构前进方向为正方向；

——移栽机构前进作业时，x 轴上的速度，m/s；

——移栽机构前进作业时，y 轴上的速度，m/s；

r1—上链轮圆的半径，m；

r2——下链轮圆的半径，m；

h1——上链轮圆心到下链轮圆心的垂直距离，m；

h2——夹持点与开沟器的最小距离，m；

ω——下链轮的转动角速度，rad/s；

l——夹持送苗装置安装位置与夹持点的距离，m；

θ——AO2与水平方向的夹角；

O1——上链轮圆心；

O2——下链轮圆心；

c1，c2——积分常数。

2）种苗离开移栽机构后的运动分析。夹持送苗装置通过下滑道后，分离弹杆张开，种苗落入苗沟中，这一阶段种苗的运动状态可以分为2 部分：第一部分，在重力的作用下，种苗质心做有初速度的水平方向运动和竖直方向上的合成运动，其速度方程与投苗角度有关；第二部分，种苗在下落过程中，以角速度ω绕自身质点转动，开沟器开出的种植沟深度决定种苗落地时的速度。

2.4 夹持送苗装置设计

夹持送苗装置是链夹式移栽机构的核心部件，随着链轮的转动做循环往复的栽植运动，而且夹持送苗装置在作业过程中，经常与夹紧滑道进行碰撞和装载种苗。采用模块化设计，安装简单，维修方便，运行平稳，可夹持35～50 cm 高度的菠萝种苗进行机械化移栽作业，且不会产生明显变形和挤压损坏，影响栽植质量。夹持送苗装置与夹紧滑道接触时，减少接触点的摩擦和震动，保证移栽机构的稳定运行和种苗的栽植质量。

夹持送苗装置主要由夹持臂、挡板、分离弹杆、夹持胶片组成，如图5 所示。夹持臂由安装板和种苗放置区组成，安装板上有4 个直径为6 mm 的圆孔，夹持送苗装置通过安装板上的圆孔与链轮连接，菠萝种苗的主茎秆放置在夹持臂主机架上，主机架长27.5 cm，可满足35～50 cm 高度的菠萝种苗有效夹持。

图5 夹持送苗装置零件结构

挡板用于加固夹持送苗装置提高稳定性，防止夹持送苗装置在作业中主体结构发生形变；分离弹杆安装在夹持臂的钩齿中，其各圆柱支撑体直径约5.5 mm，与夹紧滑道接触处加装了轴承，可有效减少夹持送苗装置作业时产生的震动和噪音，使夹持送苗装置在运行中更加平稳；夹持胶片材料为天然橡胶，其作用是实现柔性夹持以保证种苗不被挤压损伤。

将夹持送苗装置各个零件进行装配，三维效果如图6 所示。其在作业过程中主要有展开和夹紧这2种作业状态，夹紧状态为人工放置种苗至夹持送苗装置后，其进入下滑道后会固定种苗，随着链轮做平移运动至出夹紧滑道这一运动阶段，夹持送苗装置在链轮上其余运动时刻都处于展开状态。

图6 夹持送苗装置及其开合状态

2.5 链夹式移栽机构整体三维建模

根据菠萝种苗的种植农艺要求和链夹式移栽机构的工作原理，对其主要零部件进行设计，在SolidWorks 软件中对链夹式移栽机构各个部件进行三维建模和整机装配，并利用SolidWorks 软件中自带的装配体零部件干涉检测功能，检测出三维装配体模型中并没有干涉现象发生，符合设计要求，装配后得到的移栽机构整体三维效果如图7 所示。

图7 链夹式菠萝移栽机构整体三维效果

3 试验与分析

3.1 试验对象

未经处理的原生菠萝种苗外观形状差异大，高度、茎粗、弯度大不相同，难以适应夹持送苗装置的有效夹持和准确栽植，移栽效果一致性差。为保证栽植对象的外形尺寸相对统一，试验时将菠萝种苗进行高度裁剪、修去散开下垂的侧叶并剔除径粗过大、弯度过大的异形株，同时考虑到夹持臂的长度承受范围，将其修剪处理为35、40、45 cm 3 种高度，每种高度分别进行8 组试验，每组样本株数为30 株，通过试验比较哪种高度更适合链夹式移栽机构，种苗修剪处理效果如图8 所示。

图8 菠萝种苗修剪处理效果

3.2 试验指标

判断菠萝种苗田间移栽效果好坏的相关指标包括栽植覆土后的种苗直立度、栽植株距、种苗入土深度。种苗直立度关系到植后菠萝种苗能否正常生长和成活率，是最重要的指标，但目前在菠萝种植领域尚未有统一的定义和测定方法。结合菠萝田间生产实际，本研究以菠萝种苗栽植的直立度用栽植后种苗轴心线与地面的最小夹角a 表示直立度，根据直立度情况划分如下4 个等级：

①优良：90°≥a ＞85°，种苗倾斜角度较小，垂直或接近垂直；②合格：85 ≥a ≥70°，种苗有一定角度的倾斜，但不影响后期生长；③不合格：a ＜70°，种苗倾斜角度较大，对后期生长可能有影响；④倒伏：a ＜45°，种苗倾斜角度过大，甚至种苗根部不入土，对后期生长有严重影响。

种苗直立度合格与不合格的区分，如图9 所示。

图9 菠萝种苗直立度评定

3.3 试验结果

试验前，需先用耕整地机械进行深松、旋耕处理，满足菠萝种苗移栽的要求。考虑到机械移栽需要通过开沟器在作业中产生的泥土回流现象来对种苗根部覆土，将开沟器开沟深度调整至12～14 cm，以增加植后种苗的稳定性，入土深度要明显高于人工种植深度。利用1 台东方红MF404 拖拉机作为牵引动力，链夹式移栽机构现场作业如图10 所示。

修剪高度为45 cm 的菠萝种苗，试验结果如表1所示。

表1 修剪高度45 cm菠萝种苗移栽试验结果

修剪高度为40 cm 的菠萝种苗，试验结果如表2 所示。

表2 修剪高度40 cm菠萝种苗移栽试验结果

修剪高度为35 cm 的菠萝种苗，试验结果如表3 所示。

表3 修剪高度35 cm菠萝种苗移栽试验结果

3.4 结果分析

由试验结果可知，当移栽对象为修剪高度45 cm菠萝种苗时，其移栽优良率仅为15.8%、合格率为58.3%，两者相加占74.1%，而倒伏率为25.8%，达不到生产要求。当移栽对象为修剪高度40 cm 菠萝种苗时，其移栽优良率为26.3%、合格率为55.4%，两者相加占81.7%，而倒伏率约为18.3%，还是达不到生产要求。当移栽对象为修剪高度35 cm 菠萝种苗时，其移栽优良率则上升为56.3%、合格率为37.9%，两者相加占94.2%，而倒伏率仅为5.8%，总体上达到生产要求。在实际生产中，可以采用人工跟随移栽机械二次补苗的方式，将不合格部分的种苗人工理直或补缺，以进一步提高种植效果。

根据试验实践，使用链夹式移栽机构对菠萝种苗进行移栽作业时，种苗高度越高，种苗外形尺寸与链夹式移栽机构特性参数越不相匹配，栽植质量达不到生产要求。当菠萝种苗修剪高度控制在35 cm及以下时（巴厘品种属皇后类，皇后类一级种苗高度不小于30 cm[9]），并不影响种苗植后的正常生长，而此时菠萝种苗外形尺寸与链夹式移栽机构特性参数匹配较好，栽植质量和栽植合格率可满足生产要求。

4 结语

采用链夹式移栽机构实施菠萝种苗（巴厘）高密度机械化移栽技术上是可行，在菠萝种苗外形尺寸与机构参数匹配适当的情况下可获得高直立度、株距均匀、入土深度一致的合格移栽质量。以多个链夹式移栽机构进行并列式组合，针对宜机化的“四行带状种植模式”[10]，开发专用的四行链夹式菠萝（巴厘）移栽机，是下一步研究探索方向。推进菠萝生产机械化，是一个系统的渐进过程，很多关键技术设备需要实现从“0”到“1”的突破，进而形成农艺、农机、农田、农服四位一体的协同推进机制，菠萝生产机械化技术才能真正落地应用形成新的“生产力”。