水稻钵苗有序移栽机的研究包春江李宝筏包文育王瑞丽吕长义(沈阳农业大学农业工程学院沈阳，110161)【摘要】对气吸式水稻钵苗有序移栽机的总体方案设计、横纵向移箱机构、投苗机构进行了全面论述·试验表明，由步进电机驱动齿轮齿条机构控制横、纵向送秧箱、驱动曲柄摆杆机构控制吸气活门、由电磁铁控制导苗管投苗活门的单片机控制系统能够按时按序完成移箱、活门开启和关闭，实现投苗和送抉．本项研究提供的科研样机，属于国内首例，填补水稻种植机械的空白，可提供用于产品开发．叙词；水稻钵苗有序移栽引言水稻钵苗移栽是我国90年代开始推广应用的一项新的水稻种植技术，到2000年全国抛秧面积已达667万llⅢ2。

占全国水稻面积的1／5，水稻穴盘育秧移栽种植技术将成为2l世纪我国水稻主要种植模式之⋯。

目前水稻的抛秧作业主要由人工手抛完成，人工或机械无序抛秧给田问管理和机械化收获等带来困难而向有序移栽发展。

黑龙江省农垦总局引进日本办农(株)Fx一6型、Fx一4型钵苗插秧机，大面积试验证明增产效果明显。

一般年份产量对比，人工插秧6500kg／hm2，机插秧7500 kg／hm2，钵茁摆栽10000 kg／hm。

，钵茁摆栽比人工插秧增产53．8％，比机插秧增产33．3％．增产效果明显⋯。

国内厂家试图消化吸收开发，因机构复杂、制造精度高难于达到雨停止；由于价格昂贵(28万元／台)农民不能购买。

因此研究开发出一种适合当前水稻钵茁有序移栽生产的实用机型十分需要。

本项研究继承插秧有序和抛秧高产的优点．借鉴美国烟草生产空气整根育苗技术。

’“和日本钵苗机械化移裁方式“1，开拓性地进行了适于我国国情的水稻钵苗空气整根气吸式有序移栽机的研究。

1有序移栽机总体及工艺流程有序移栽机整机为双轮驱动2行机，分为动力行走部分、负压源供给部分和移栽工作部分。

动力行走部分和移栽工作部分通过牵引架连接，负压源为负压风机，由动力行走部分的发动机驱动。

投苗装置、步进电机、单片机控制箱和蓄电池等安装在机架上，1有序移栽机整机总体配1．发动机2．煎压风机3．软警4．横向移糟滑套5，投苗装置6撖向移辖滑套7．扶手8．横向移耩步进电机9纵向罄糖步进电机10簟片机控制辖u．电磁铁12．分开式秩船13驱动曲辆攫杆机构步进电机14．牵引囊置15警电池16．靶动叶轮(双轮)图1有序整体移栽示意图2移箱和投苗装置2．1步进电机驱动式移箱装置将秧苗按时、按序、准确地送到投苗口是有序移栽的关键工序，其移箱装置是有序移栽机的关键部分之一。

移箱装置应能够精确实现穴盘的往复间歇运动，实现有序移栽作业。

该机采用单片机控制2个步进电机，来分别驱动横向和纵向秧箱作往复间歇运动，实现横向与纵向移箱。

该移箱装置噪音低，传动平稳，精度高，株距调整容易。

2 2气吸式投苗装置投苗装置是有序移栽机的关键部件之一，它直接决定投苗的可靠性和投苗频次。

气吸式投苗装置由吸苗管、空气室、导苗管、投苗活门、吸气管、吸气活门等组成，如图2所示。

工作原理：钵苗在吸气口上方，投苗活门和吸气活门关闭，形成封闭空间：打开吸气活门吸气，钵苗在负压作用下脱盘后进入加速段；打开落苗活门，关闭吸气活门，钵苗经过空气室及自由下落段落入水田，完成移栽；移盘，下一个钵茁又被移到吸气口上方，下一个循环开始。

图2投菌装置示意图1吸苗管2空气室3．吸气话f1回位弹簧4，吸气管5吸气活门摆杆6导苗警7投苗话2 2 1吸气活门的机械控制安装吸气活门能够解决钵苗被吸入风机以及由三通阀带来的管路局部损失严重等问题。

未吸苗时要求活门呈关闭状态，没有严重漏气现象。

吸气活门的开启依靠曲柄摆杆机构，闭合依靠弹簧的弹力。

吸苗时曲柄推动摆杆转过60。

角将吸气活门全部打开，持续到钵苗从秧盘脱离并到达投苗管加速段末端时关闭活门，以免将钵苗吸入吸气管道甚至风机内部。

曲柄轴的转动靠步进电机驱动，由单片机控制，以保证移箱和吸苗间的相位关系。

投苗装置I》臼投苗频次按60次向in设计，曲柄轴上对应每个活门安装3个曲辆，共4绢。

2 2 2投苗活门的电磁控制当吸气活门关闭后，需要投苗活门迅速打开，钵苗经过自由下落段后定植于田间。

若投苗活门打开不及时，钵苗将撞击到活门上形成碎钵，影响移栽效果。

另外活门要打开一定时间，若关闭太早会出现夹苗、碎钵现象。

该机采用电磁铁驱动投苗活门，由单片机控制。

通过调整曲柄和摆杆的长度、曲柄在轴上的位置以及改变电磁铁通断电的时间，可以调整吸气活门关闭与落苗活门打开的时间，因而可以做到不夹苗、不碎钵、投苗工作可靠。

3移箱和投苗的自动控制3 1移箱和投苗的工作过程移箱和投苗的工作配合相位如图3所示。

R，表示第』组曲柄内的第J个曲柄，产1～4，‘产l～3。

同组内的3个曲柄相隔120。

分布，组与组之间的曲柄沿着曲柄轴相隔27。

分布。

0位置为各个吸气活门开启位置，和铅垂线夹角13．5。

图3移箱和投苗工作配合相位图(1)o一1：驱动曲柄用电机(下称电机1)转15步．曲柄R：，转27。

，打开吸气活门l进行吸苗；(2)1—2：吸合电磁铁J-，投苗活门1打开，实现投苗。

同时电机l转15步，曲柄112z转27。

，打开吸气活门2进行吸苗；(3)2—3：断开电磁铁J，，吸合电磁铁Jz，投茁活门2打开，实现投苗。

同时宅机1转j5步．曲柄R31转27。

，打开吸气活门3进行吸苗；(4)3—4：断开电磁铁J2，吸合电磁铁J3，投苗活门3打开，实现投苗。

同时电机1转15步，曲柄R。

，转27。

，打开吸气活门4进行吸苗；(5)4—5：断开电磁铁J。

，吸合电磁铁^，投苗活门4打开，实现投苗。

同时电机l转8步，曲柄R。

转14．4。

(注：曲柄R，-转8步，曲柄R。

z转6步，曲柄R。

转6步)，R。

：到达0位置(6)断开电磁铁JI，电机l停。

同时移箱用电机(横向移箱用电机下称电机2，纵向移箱电机下称电机3)转46步，实现移距18．37∞。

完成上述小循环后．4个吸苗口的钵苗依次落入田间，步进电机共转68步，曲柄R：：到达0位置，开始进入下一个小循环。

依次类推，曲柄Rm曲柄Rta各转66步后，步进电机共转200步，曲柄R1，转过360。

又回到初始0位置，完成一个大循环。

3 2移箱及落苗的主程序设计主程序是一个有限循环顺序执行程序，上电复位后程序开始运行，将整盘苗全部落苗、移盘结京后，秧盘返回到初始状态，等待下一个循环的开始图4主程序框图4整机受力分析4．1重心位I的测定在设计有序移栽机时，尽量考虑整机重心而配置各个部分。

机器制成后，应该准确地测定其重心位置，并对总体配置合理性进行评价。

为方便以后改进样机，我们分别对动力驱动部分(含负压源部分)、移栽机部分和整机的重心进行测定。

重心测定采用称重法，测定结果如表l所示。

移栽机部分G。

=877 中心线偏右46 测试结果表明，攘机重心纵向靠近地轮，有利于增大地轮的粘着力，减少地轮打滑，提高牵引性能；横向稍有偏侧，对整机的横向稳定性和走直性不会造成影响。

4．2整机在田间作业时的受力分析移栽机在田问作业时，由叶轮驱动、秧船在田面滑行。

因工作速度不大，惯性力可不考虑。

其受力如图5所示。

图5有序移栽机受力图图中卜整机重力；Md_—地轮轴的驱动力矩：Qd-一土壤对地轮的支承力：P。

一地轮轮缘的粘着力(附着力)；P。

一土壤对轮叶的作用力的切向分力；Fr地轮的滚动阻力；瓴一土壤对秧船的支承力；F。

一秧船的滑行阻力；Rr驱动轮半径。

4．2 1工作阻力的计算F．=Q。

f F产Qdf。

按力学平衡原理：ΣX=O：Pa+P。

一Fd—F。

=OΣY=O：G-Q。

一Q。

=O￡M=O：Md一(Pd+P“)Rf0根据在x方向力的平衡条件，当Pd_P自>F。

十F。

移栽机可以正常工作。

地轮驱动力有两种情况：一是根据驱动力矩计算，二是根据粘着力计算。

当按驱动力矩计算得到的驱动力大于粘着力时，地轮可能工作的条件应按粘着力计算，如按驱动力矩计算得到的驱动力小于最大粘着力，则地轮可能工作的条件应按驱动力矩计算。

一般来说，移栽机在水田中作业时，其粘着力是较小的，往往产生地轮滑转现象，发动机的马力实际上未能充分发挥。

因此，正常工作的条件应按粘着力计算。

式中f一秧船在水田的滑行阻力系数，f=O．15～o．40：fl 一地轮滚动阻力系数，f。

=o．16。

由于滑行阻力系数f在0．15～o．40之间，取值范围较大，为确切了解秧船的滑行阻力，我们在土槽对移栽机进行了牵引试验，拉力计读数均值为Fz-235N，牵引角300。

计算得f-O．27，F。

+Fd=396 N4．2．2驱动力的计算按驱动力矩计算驱动力P一：式中N一发动机功率，3．6kw；打一发动机至地轮传动比(3档)，177：n一传动效率，0．7；n一发动机转速，3000r／min；Rd-驱动叶轮半径，0．325=。

计算得发动机三档工作时P=,。

：2184N，说明发动机的驱动力足够，应按最大粘着力计算驱动力Pa。

因此，我们在土槽对动力部分进行了牵引试验，发动机三档中油门工作，打滑率1096条件下，牵引力为588N，大于秧船的滑行阻力，地轮能够正常工作，工作储备为384N。

5结论(1)对有序移栽机整机进行了总体配置和受力分析，测定了重心位置，并在水田土槽进行了秧船滑行阻力和动力头牵引力的测定，试验表明，牵引力大于秧船的滑行阻力，地轮能够正常工作。

(2)分析了移箱及落苗过程，确定了电磁铁、驱动曲柄的电机、驱动移箱的电机相互协调配合的问题。

试验证明，由步进电机驱动齿轮齿条机构控制横、纵向送秧箱、驱动曲柄摆杆机构控制吸气活门、由电磁铁控制导苗管投苗活门的单片机控制系统能够按时按序完成移箱和活门开启和关闭，实现投苗和送秧。

(3)揭示了水稻钵苗空气整根气吸式有序移栽机的工作机理，为该机的设计和使用调节提供依据。

本项研究提供的科研样机，属于国内首例，填补水稻种植机械的空白，可提供用于产品开发。

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技衍晨篥械械学会菇．1997，59(4)：123．1265包春江．水稻钵苗空气整根气吸式有序移栽机的研究：【博士学位论文】．沈阳；沈阳农业大学，2002Study 0n Sequential Air-Sucking Rice Transplanter for Pot nIy Grown SeedlingsBao chunjiang Li baofa Bao wenyu Wang ruili n changyi(College ofAgr／eultWal Engineemg，Shenyang Agr／anltural Universi戗Shenyang 110161) Abstract：The overall scheme design．1ateral and longitodinal bed shiedng mechanism and the∞地dropping mochanism ofthe。