油菜基质块苗移栽机取苗装置设计与试验

胡乔磊，张青松，李心志，万星宇，王 磊，廖庆喜

油菜基质块苗移栽机取苗装置设计与试验

胡乔磊，张青松，李心志，万星宇，王 磊，廖庆喜※

（1. 华中农业大学工学院，武汉 430070；2. 农业农村部长江中下游农业装备重点实验室，武汉 430070）

针对油菜基质块苗机械化移栽过程中，缺乏取苗装置完成栽植作业的生产现状，该研究设计了一种油菜基质块苗移栽机取苗装置。取苗装置的工作过程包括：气动分苗及对辊取苗2个阶段，确定了取苗装置稳定运行的工作参数，构建了移栽过程中气动分苗阶段和对辊取苗阶段的运动学模型。开展了同步带线速度、载苗台安装角度、辊轮线速度对取苗成功率、取苗同步率影响的二次旋转正交组合试验。结果表明：同步带线速度为120.9 mm/s、辊轮线速度为238.2 mm/s、载苗台角度为31.9°时取苗效果较优。较优参数组合条件下，台架试验的取苗成功率为93.42%，取苗同步率为94.42%，田间试验的取苗同步率为92.71%，满足油菜基质块苗移栽机取苗技术要求。研究结果可为油菜基质块苗移栽机取苗装置的结构改进提供参考。

机械化；设计；油菜；移栽机；取苗装置；油菜基质块苗；对辊轮；参数优化

0 引 言

中国的油菜种植面积和油菜籽产量均居世界前列，长江流域是国内主要的冬油菜种植区域，茬口矛盾突出[[1]-2]，人工移栽劳动强度大，易损伤油菜幼苗根系，作业质量难以保证，油菜机械化育苗移栽是缓解茬口矛盾的重要生产手段[3-4]。育苗移栽具有缩短作物生育期、提高土地复种指数和作物单产等优点[5-7]。现有油菜机械移栽育苗方式多以钵苗、穴盘苗、毯状苗及基质块苗为主，其中基质块育苗具有可以提供更多营养成分、移栽时对幼苗根系损伤小成活率高等优点[8-9]。现有移栽机对油菜基质块苗适应性较差，国内鲜见针对适用于油菜基质块苗移栽机及其配套装置的相关研究。

国外旱地移栽机研究起步早，现以高效自动化方向发展为主，全自动移栽机应用广泛[10-12]，日本井关农机株式社及洋马公司研制了全自动蔬菜移栽机；意大利Ferrari、Hortech及英国Pearson等公司生产了全自动移栽机[13]，这些全自动移栽机多在原有半自动移栽机基础上增加了自动分苗、取苗装置得以实现，配套本国作物种植农艺特点，与国内实际种植要求适配性较差[14]。国内移栽机研究起步较晚，现有移栽机多以半自动为主，缺乏配套的分、取苗装置[15]。为解决移栽机分、取苗技术难题，国内学者针对移栽机种植模式及栽植方式进行了研究。廖庆喜等[16-17]设计了一种油菜钵苗插入式取苗装置，基于取苗轨迹和运动学仿真分析，确定了取苗机构的优化参数，提高了油菜钵苗移栽机取苗效果，在此基础上，该团队针对油菜基质块苗，设计了一种气缸往复夹取式取苗装置，建立了苗块的动力学模型，确定了末端执行器相关参数，但作业效率有待提高；吴俊等[18-19]借鉴水稻插秧机的切块取苗原理，设计了一种油菜毯状苗插入式取苗装置，构建了栽植过程中运移苗阶段油菜毯状苗动力学模型，提高了油菜毯状苗栽植效率和质量。崔巍等[20]以齿轮-五杆机构为基础设计了鸭嘴移栽机自动取苗装置，通过仿真优化机构参数，获得较优取苗轨迹，优化了机构的动力学特性；俞高红等[21]提出一种新型的基于偏心圆-不完全非圆齿轮间歇传动行星轮系机构，并将该行星轮系机构应用于穴盘苗取苗机构；韩绿化等[22]利用成熟的直线模组和无杆气缸组合设计出自动移栽机械臂，驱动取苗末端执行器进行取苗、移苗、栽苗操作；胡先朋[23]计了一种油菜移栽机输送带式钵苗分苗装置，构建了分苗过程中送苗与分苗阶段的运动学模型，得出了输送平稳、钵体完整的条件，但分苗过程流畅性有待提高。综上，国内移栽机在一定程度上实现了分、取苗作业，但多以穴盘苗、钵苗、毯状苗作为研究对象，鲜见与油菜基质块苗相匹配的移栽机分、取苗装置研究，制约了油菜载苗基质块移栽机的研究进展。

本文以自主培育油菜基质块苗为作业对象，为更好地与现有移栽机送苗机构相配合，提高取苗工作效率，采用气缸有序分苗结合对辊轮稳定取苗的方式，设计了一种油菜基质块苗移栽机取苗装置，开展了气动分苗、对辊取苗过程分析，探究了分取苗过程中载苗基质块稳定条件，以期为油菜基质块苗移栽机取苗装置结构改进提供参考。

1 取苗装置结构与工作过程

1.1 基本结构

油菜基质块苗移栽机（图1）主要由旋耕机、空气压缩机、送苗装置、取苗装置，苗床整理装置、控制系统等组成。整机主要作业性能参数见表1。

表1 整机作业性能参数

取苗装置（图2）主要参数为196 mm×150 mm× 296 mm（长×宽×高），栽植速率50株/min，主要包括气动分苗机构和对辊取苗机构2部分。气动分苗机构由开合气缸（工作行程14 mm、最大夹持力104 N）、联动杆、分苗夹板组成；对辊取苗机构由步进电机（扭矩8.5 N·m）、齿轮换向箱、柔性联轴器、转轴、对辊轮、拨杆、载苗台等组成。

1.2 工作过程

分取苗过程分为分苗夹板逐一分苗、对辊轮主动约束取苗2个阶段，工作过程如图3所示。

工作时，PLC控制开合气缸打开，分苗夹板和对辊轮在联动杆和拨杆带动下同时打开且对辊轮停止转动，载苗基质块随同步带向前输送，当一株载苗基质块通过分苗夹板运动至对辊轮之间时，由状态Ⅰ变为状态Ⅱ，此时PLC控制开合气缸闭合，分苗夹板及对辊轮同时夹紧且对辊轮开始转动，分苗板夹持约束后续载苗基质块使其停止向前运动，完成一次气动分苗动作；对辊轮夹持之间的载苗基质块并通过反向转动主动约束载苗基质块苗向下运动至苗沟内，载苗基质块由状态Ⅱ运动至状态Ⅲ，完成一次对辊取苗动作。分、取苗动作按程序设定依次循环。

2 关键部件设计

2.1 气动分苗机构

气动分苗机构通过分苗夹板有规律开合实现对载苗基质块运动姿态和轨迹的稳定约束（图4），完成对载苗基质块的逐一分离。分苗夹板与拨杆连接位置及开合气缸工作行程是影响分苗夹板末端开合范围的关键因素；分苗夹板长度及闭合时与水平位置夹角是决定分苗夹板闭合时末端距离的关键因素。

1.分苗夹板转动轴 2.分苗夹板

1.Rotation shaft of seedlings separation splint 2.Seedlings separation splint

注：为坐标原点；、为坐标轴；O为分苗夹板与分苗夹板转动轴连接点；1为拨杆与分苗夹板连接点；1为分苗夹板张开时拨杆与分苗夹板连接点；为分苗夹板长度，mm；1为分苗夹板起始端间距，mm；2为分苗夹板闭合时末端间距，mm；3为分苗夹板打开时末端间距，mm；为开合气缸工作行程，mm；LO1为分苗夹板转动轴位置至拨杆连接点距离，mm；为分苗夹板闭合时与水平位置夹角，（°）。

Note:is the coordinate origin;andare the coordinate axis;Ois the connection point between the seedling dividing splint and the rotation axis of the seedling dividing splint;1is the connection point between the paddle and the splint;1is the connection point between the rod and the splint when the splint is open;Lis the length of splint, mm;1is the distance between the beginning of the splint, mm;2is the distance between the ends when the splint is closed, mm;3is the distance between the ends when the splint is opened, mm;is the working stroke of opening and closing cylinder, mm;LO1is the distance between rotation shaft of seedlings separation splint and the connecting point of the paddle, mm;is the angle between the closed splint and the horizontal position, (°).

图4 分苗夹板开闭位置俯视图

Fig.4 Top view of opening and closing position of seedlings separationsplint

气动分苗机构位于船式开沟犁内，为保证气动分苗机构工作流畅且与其他机构无干涉，分苗夹板闭合时与水平位置夹角及分苗夹板与拨杆连接位置应满足如下关系：

式中L为船式开沟犁两侧间距，mm。

由式（1）得分苗夹板闭合时起始端与拨杆连接点距离为

分苗夹板对载苗基质块的夹持力是影响分苗过程稳定的关键，为保证分苗夹板对载苗基质块约束稳定，分苗过程中应保证分苗夹板有效夹持一株载苗基质块时输送带上后续载苗基质块停止运动；各行同步带长度决定送苗最大容量，根据整机尺寸设计同步带长度为490 mm，送苗过程中，为避免挤压力过大时载苗基质块发生形变及损伤，各行同步带上其他载苗基质块对首株的挤压力应小于其最大屈服力。图5为载苗基质块分苗过程受力分析图。

分苗夹板对载苗基质块夹持力及同步带最大送苗数量应满足

式中为油菜载苗基质块边长，mm；0为载苗基质块与同步带间的静摩擦系数，同步带由PVC材料制作，试验测定为0.754；3为载苗基质块与分苗夹板间的静摩擦系数，分苗夹板由不锈钢板制作，试验测定为0.304；为各行同步带最大送苗数量；F为分苗夹板对载苗基质块的夹持力，N。