张永政，曹成茂，秦宽*，朱成亮，李光耀，葛俊，方梁菲，周强
(1.安徽农业大学工学院，安徽合肥，230036;2.安徽省智能农机装备工程实验室，安徽合肥，230036;3.安徽省农业机械试验鉴定站，安徽合肥，230001;4.泗县伟达农机具有限公司，安徽宿州，234300)
甘薯为旋花科一年生或多年生草本植物[1]，因地区不同其称呼也不同，又名山芋、番薯、红薯、地瓜等[2-3]。甘薯作为最重要的粮食作物之一，在世界各地被广泛种植[4]。2018年，我国甘薯种植面积为2 379.3 khm2，占世界甘薯种植面积的29.0%[5]。但受我国机械化移栽水平影响，目前国内的甘薯移栽作业主要以人工为主、半自动移栽机作业为辅。而随着近年来农村劳动力缺乏，其用工成本高、综合收益不高的现状已严重影响了农民种植的积极性，制约了产业的健康快速发展[6]，因此甘薯移栽机械化已经成为未来甘薯产业发展的必然趋势。
国外甘薯栽植机械研究起步较早，已有部分成熟机型得到推广应用，如美国5000WD 型半自动链夹式甘薯裸苗移栽机，此移栽机需大功率拖拉机牵引，可一次性栽插十几行，适应大规模集约化生产。日本A-500 型自走带夹式移栽机可以破膜栽插，以小型化为主[7]，这些移栽机主要结合其本国甘薯种植模式和农艺进行研制，不能很好地适应中国耕地及农艺特点[8]。
我国对于旱地作物移栽机的研究较晚，南通某公司研究出我国第一台2CGF-2链夹式甘薯复式移栽机，作业效率为45株/min[9]，胡良龙等[10]设计并试验了2ZGF-2 型甘薯复式栽植机，可一次完成两垄的旋耕、起垄、破压茬、栽插、修垄等作业，栽插速度为60～160株/min。但由于甘薯裸苗枝叶交织，形态差异等特殊生理特性，上述的半自动机械移栽技术均采用人工供苗，其生产效率整体不高，这是制约甘薯机械移栽发展的瓶颈问题。
针对现有半自动甘薯移栽机械[11]存在需人工供苗，生产效率低的问题，结合斜插农艺要求，研究分析薯苗特性和关键结构参数，设计了线式供苗机构和开沟植苗机构，并对覆土与修垄机构进行组合设计，完成了线式供苗全自动甘薯移栽机的设计。
1.1 整机结构设计
线式供苗全自动甘薯移栽机主要由线式供苗、开沟植苗、覆土修垄、传动部分、机架等部分组成，其整体结构如图1所示。
图1 移栽机整体结构图Figure 1 Overall structure of transplanter
线式供苗机构关键部件包括圆盘式苗盘、导苗器、引出轮、引出皮带;开沟植苗机构关键部件为倾斜移栽开沟器;覆土修垄机构关键部件包括覆土镇压轮与修垄犁。移栽机牵引动力为高低隙拖拉机，圆盘式苗盘安装在拖拉机后方且位于移栽机构导苗器的斜上方，线式甘薯苗(苗长180 mm，以150 mm 间距系在一根线绳上)以打捆的方式储存在圆盘式苗盘上，为线式供苗机构自动供苗提供条件;移栽机机架由地轮支撑，机架用于支撑移栽机其他部分，并通过悬挂支架连接在拖拉机后方，调位液压杆可调节移栽机作业高低，适应不同垄高;地轮为移栽机的行走装置，地轮转动并通过链传动为供苗机构提供动力;供苗机构核心部件引出轮和引出皮带由机架前端上方向后端下方倾斜放置;供苗机构末端机架上依次安装倾斜移栽开沟器、覆土镇压轮、修垄犁。
本研究确定移栽机主要设计参数见表1。
表1 线式供苗全自动甘薯移栽机主要设计参数Table 1 Major design parameters of automatic sweet potato transplanter with linear seedling supplying
1.2 工作原理
如图2所示，移栽机工作时，操作人员将已经加工好的线式甘薯苗以打捆的方式储存在圆盘式苗盘上;地轮在高低隙拖拉机的牵引下沿着垄沟土壤表面滚动前进，地轮转动时，动力通过链传动驱动线式供苗机构主动辊筒(引出轮)转动，两侧引出皮带夹住线式甘薯苗，在摩擦力的作用下将线式甘薯苗从圆盘式苗盘拉出并输送至倾斜移栽开沟器入口;甘薯苗进入移栽开沟器后，在重力及线绳的拉力作用下，通过开沟器内通道下落到开沟形成的沟壑中，同时开沟回流土壤从两侧掩埋甘薯苗，随后覆土镇压轮进一步掩埋压实甘薯苗，修垄犁对移栽过的土垄进行修垄作业，从而完成甘薯苗移栽。
图2 移栽机工作原理图Figure 2 Working principle of transplanter
该移栽机采用线式供苗移栽方式，线式甘薯苗的结构尺寸及力学特性是设计自动供苗栽植结构的关键依据。通过测量线式甘薯苗的结构尺寸与抗压力特性，为后续移栽机线式供苗机构的设计提供依据，保证机构在不伤苗的情况下完成自动供苗作业。
2.1 线式甘薯苗的结构设计
线式甘薯苗结构如图3所示。甘薯苗是移栽作业过程中主要的受力物，因此线式甘薯苗采用春季繁殖育苗，此种育苗质量、数量最好，而且主茎蔓长、茎粗[12]，适用于线式供苗甘薯苗移栽方式。已有研究表明，甘薯苗入土3节栽插最佳[13]。为使移栽成活率与移栽质量最高，根据入土节数，确定剪苗后长度为180 mm，系绳节在50 mm 处，系绳节距即移栽株距为150 mm，入土长度为130 mm。
图3 线式甘薯苗结构图Figure 3 Structure of linear sweet potato seedlings
2.2 线式甘薯苗抗压力学特性测定
甘薯在入土苗体的节结处生根，故移栽时不可损伤其苗体[14]。甘薯苗抗压力学特性是设计线式供苗机构的关键依据，因此对新鲜甘薯苗进行压缩力学试验，得出在不损坏苗的情况下最大夹紧力[15-16]。取新鲜甘薯苗，在主茎位置取20 mm 苗茎，直径为4～6 mm，采用TA-XT PLUS 质构仪对其抗压力学特性进行测试，测试时令试验装置载荷板匀速下降，设置下降速度为10 mm/min，当甘薯苗变形趋于稳定时停止试验。试验装置与试验样本如图4所示[17-19]。
图4 试验装置与试验样本Figure 4 Test device and test sample
重复试验10次，得到应力应变曲线如图5所示。由应力应变曲线可以看出:甘薯苗受压初期，加载力随变形量的增加而呈现近似线性关系，该过程甘薯苗处于弹性变形阶段，此时的加载力不会对甘薯苗产生损伤。当压力达到F S时，曲线出现第一个峰值点S，称之为生物屈服点，该过程甘薯苗将进入塑性变形阶段，此时甘薯苗将出现微观结构的破坏，产生永久性的变形和损伤。屈服力FS为80 N，因此线式供苗机构的夹紧力应小于80 N。
图5 应力应变曲线Figure 5 Compression stress-strain curve of potato seedlings
3.1 线式供苗机构设计
线式供苗机构是整个移栽系统的核心部分，由两对绕有皮带且竖直于机架的主动辊筒(引出轮)构成，如图6所示，其主要作用是在移栽过程中对线式甘薯苗进行夹持，并在摩擦力的作用下将甘薯苗从圆盘式苗盘输送至开沟植苗机构，此时对甘薯苗进行夹持的线式供苗机构通过链条传动与移栽机地轮保持同步，保持甘薯苗与地面的同步，为后续的栽植、覆土做准备。
如图6所示，甘薯苗径和皮带间距分别由L和b表示，测得甘薯苗径L的均值为5.5 mm，结合2.2节线式甘薯苗抗压力学特性测定，选取皮带间距b为3.5 mm，且可知此时甘薯苗形变量约为2 mm。由图5可知，加载力为50 N 时，甘薯苗会出现约2 mm 的形变量且不伤苗。故可设置夹紧力为50 N。
图6 线式甘薯苗第一阶段引出受力分析图Figure 6 Stress analysis of the first stage of linear sweet potato seedling
以线式供苗机构为研究对象，忽略皮带厚度，分析作业过程，可知其作业过程分为两个阶段:第一阶段线式甘薯苗与引出轮接触，引出轮对甘薯苗的摩擦力使苗顺利进入供苗机构，如图6所示;第二阶段线式甘薯进入皮带间隔，皮带对甘薯苗的摩擦力使苗继续进入供苗机构，如图7所示。
图7 线式甘薯苗第二阶段引出受力分析图Figure 7 Stress analysis of the second stage of linear sweet potato seedling
对第一阶段甘薯苗在线式供苗机构的受力情况进行分析，如图6所示。为保证线式甘薯苗顺利进入供苗机构，应满足
式中:Ff1——引出轮与甘薯苗间摩擦力，N;
α——引出轮对甘薯苗正压力与竖直方向夹角，(°);
FN1——引出轮对甘薯苗正压力，N;
FT——将甘薯苗由圆盘式苗盘中引出受到的阻力，N;
μ——引出轮处皮带橡皮材料与甘薯苗的静摩擦系数。
测得μ为0.56，通过式(1)与式(2)进一步整理可得式(3)。
引出轮直径与引出轮皮带间距关系如图6所示。直径与皮带间距的关系如式(4)所示。
式中:D——引出轮直径，mm。
将式(4)代入式(3)可得式(5)。
由2.2节线式甘薯苗抗压力学特性测定，可知引出轮对甘薯苗正压力应小于80 N，当正压力越小，甘薯苗受到压缩损坏的可能性越小，故取所设计的供苗机构第一阶段对甘薯苗的正压力FN1为50 N。
对第二阶段线式甘薯苗进入皮带间隔进行受力分析，如图7所示。为保证皮带对甘薯苗的摩擦力使苗继续进入供苗机构，使皮带对甘薯苗合外力指向供苗运动方向，应满足
式中:Ff2——皮带与甘薯苗间摩擦力，N;
FN2——线式供苗机构对甘薯苗的夹紧力，由图6的分析可知为50 N。
由式(6)与式(7)可得FT＜56 N。此时算出的拉力为供苗机构可提供使线式甘薯苗从圆盘式苗盘拉出的最大拉力，线式甘薯苗的绳带所承受的拉力不宜过大，因此在圆盘式苗盘上安装摩擦离合器，使线式甘薯苗从苗盘引出所需的拉力FT固定为20 N。
将正压力FN1为50 N 与拉力FT为20 N 代入式(5)可得
在实际使用中，轮径越大，单位面积上施加于甘薯苗上的力越小，对甘薯苗的损伤就越小，因此在尺寸允许的情况下可适当增大引出轮直径。结合生产实际，选取引出轮的直径为150 mm，此时直径D满足式(8)，符合设计要求。
3.2 开沟植苗机构的设计
为实现开沟植苗机构进行“斜插法”栽植，提出一种倾斜移栽开沟器。倾斜移栽开沟器包括芯铧、线式甘薯苗入苗口、支撑柱、开沟器翼板、土壤回流口，如图8所示，其中土壤回流口也为线式甘薯苗出苗口。
图8 倾斜移栽开沟器结构示意图Figure 8 Structure of inclined transplanting ditcher
倾斜移栽开沟器工作时，开沟器沿移栽机前进方向前进，首先由芯铧切开土壤形成U 型断面沟壑，开沟器尾部土壤在重力的作用下通过土壤回流口处流入U 型沟壑内，形成与地面具有一定倾斜角度θ的倾斜V 型沟槽。线式甘薯苗通过开沟器入苗口进入开沟器内部通道，在重力与绳带拉力的作用下运动至V 型沟槽，继续前进的开沟器使土壤颗粒从甘薯苗两侧流入沟内，从而完成甘薯苗的自动栽植。
根据倾斜移栽开沟器的工作原理，设计开沟器应具有以下特点。
(1)开沟器尾部土壤回流口高度H大于开沟器作业深度。
(2)土壤回流口底部长度L1的设计满足沟壑两侧土壤能够均匀回流到V 型沟槽。
(3)两开沟器翼板间距L2大于线式甘薯苗直径。
基于以上特点，本研究设计的倾斜移栽开沟器的结构参数如表2所示。
表2 倾斜移栽开沟器主要参数Table 2 Main parameters of inclined transplanting ditcher
生产上甘薯移栽方式主要有水平栽插法、斜插法、直插法[20]，其中斜插法是目前应用最为广泛的一种栽植方法，根据薯苗栽植斜度要求[21]和当地农艺要求，确定栽植斜度为40°～45°。本设计的倾斜移栽开沟器栽植斜度与倾斜V 型沟槽的倾斜角度θ相关，根据王徐建[22]对于移栽开沟器作业过程中土壤回流模型的研究结果表明，倾斜V 型沟槽的倾斜角度θ等于开沟器土壤回流口角度θ，因此确定所设计的开沟器土壤回流口角度θ为45°。
3.3 覆土修垄机构的设计
覆土修垄机构是移栽机开沟植苗作业后覆土、压实的关键部件，该机采用圆盘式覆土镇压轮[23-24]和修垄犁[25]相结合的设计，见图9。两覆土镇压轮通过螺栓固定安装在折弯固定板上，固定板与空心圆钢焊接在一起，通过调节螺栓在空心圆钢上定位孔的固定位置从而调节圆钢在机架上的安装位置，可以改变两覆土镇压轮的入土深度。修垄犁同样与空心圆钢焊接固定，通过调节圆钢在机架上下位置，可以改变修垄犁修垄的深度。
图9 覆土器安装示意图Figure 9 Installation diagram of soil cover
覆土镇压轮直径对覆土镇压效果、滑移及土壤黏附程度等均有影响[26]。直径过小，易出现打滑甚至拖土和壅土等现象。直径过大，增大滚动阻力。圆盘式覆土镇压轮属于圆盘耙类，为了保证覆土镇压轮正常转动和不滑移，相关的设计参数按照圆盘耙设计经验公式计算[27]。圆盘式覆土镇压轮的直径
式中:D1——圆盘式覆土镇压轮直径，mm;
K——径深比系数;
φ——最大设计覆土深度，mm。
圆盘式覆土镇压轮主要对甘薯苗进行覆土，由2.1节可知甘薯苗入土长度为130 mm，并以45°斜度进行栽植，因此甘薯移栽机栽植深度约为92 mm，故φ取92 mm;镇压轮径深比系数K值一般取5，即圆盘式覆土镇压轮直径D1=460 mm。
3.3.2 刮板式修垄犁设计
甘薯以高垄种植为主，设计的线式甘薯苗移栽方式区别于传统带式、吊杯式、链夹式甘薯移栽方式，栽植过程中会在垄上进行开沟覆土作业，对原垄形造成破坏，因此需要在开沟覆土作业后完成修垄作业。如图10所示，为保证垄床横截面呈现等腰梯形，修垄犁设计成双侧对称结构，通过U 型螺栓扣与机架连接。修垄犁的主要参数包括修垄刮板倾角γ和修垄刮板高度h。
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图10 修垄犁示意图Figure 10 Schematic diagram of ridge scraper
倾角γ:按农艺要求，垄行坡度γ′以45°为宜，有利于保肥、保墒，有利于红薯块茎生长。已有试验表明[28]:当土壤为沙壤土时，修垄犁修垄作业完成后的土壤在形成垄床后会出现自然滑落，造成垄行坡度γ′减小。为保证修垄作业后垄床在土壤自然滑落后的坡度为45°，实际修垄刮板倾角γ＞γ′。根据实际田间试验测定，当刮板倾角γ设计为55°时可保证修垄后的坡度在土壤自然滑落后的角度接近45°。
修垄刮板高度h:根据开沟筑梗犁设计方法，修垄刮板高度h主要由土垄高度M决定，结合原垄垄形参数，修垄犁刮板高度[29]
式中:h——修垄刮板高度，mm;
M——垄高，mm。
根据安徽省宿州市泗县(试验地)的甘薯种植起垄要求，M=350 mm，代入式(10)求得h=420～455 mm。
4.1 试验条件与测试标准
田间试验于2021年9月5日在安徽省宿州市试验地进行(如图11所示)。地块长100 m，宽30 m，土质为沙壤土，试验用地在移栽作业前进行旋耕起垄，保证垄形标准、垄面平整。由于该移栽机采用线式供苗移栽方式，需将甘薯苗加工成符合2.1节结构设计的线式甘薯苗，甘薯苗采用当地主要种植品种徐薯18。
图11 样机与田间试验Figure 11 Prototype and field experiment
参考NY/T 1924—2010《油菜移栽机质量评价技术规范》，以株距与栽植角为性能评价指标。本设计的移栽机栽植株距与线式甘薯苗的间距相关，设定的绳节距即移栽株距为150 mm，则合格株距150 mm×0.8＜X i≤150 mm×1.2，(i=1，2，…，n)。株距变异系数CV反映甘薯苗移栽后株距均匀性[27]。
式中:σ——株距标准差，mm;
——株距平均值，mm。
根据甘薯斜插的要求，以栽植角40°≤β≤50°为移栽后立苗角度合格率，参考直立度合格率计算公式，立苗角度合格率ξ反映甘薯苗移栽后斜插状态。
式中:n1——甘薯苗栽植角合格的株数;
n——移栽总株数。
试验配套动力为3WPZ-1000A 型高低隙拖拉机，功率为36.8 k W，在5种不同前进速度下分别试验1次，参考旱地移栽机械的相关试验方法，每次取连续的8株为数据采集样本点，测量6 组共48 株取平均值，用直尺和量角板分别测量株距和栽植角。
4.2 试验结果与分析
根据4.1节中的试验要求进行了田间试验，试验结果见表3。
表3 不同前进速度下移栽性能结果比较Table 3 Comparison of transplanting performance under different forward speeds
由表3可知，移栽机作业速度对移栽株距和栽植角均产生影响。移栽机不同作业速度下的性能参数变化曲线如图12所示。
图12 移栽机不同作业速度下的性能参数变化曲线Figure 12 Variation curves of performance parameters of transplanter under different operating speeds
由图12(a)可知，随着机具作业速度的增加，实测株距平均值同理论移栽株距150 mm 相差较小，株距合格率100%，株距变异系数呈上升趋势。结果表明，该移栽机由于采用线式供苗移栽方式，株距主要取决于系绳节距，作业速度对其产生影响主要为株距变异系数，且符合标准要求(株距变异系数≤15%)，因此株距对于机具作业速度无限制要求。由图12(b)可知，栽植角平均值随着机具作业速度的增加呈下降趋势，当作业速度为0.9 m/s时，此时立苗角度合格率最低，达到58%。以80%的立苗角度合格率作为甘薯移栽农艺标准，机具作业速度应限制在0.8 m/s以内。
当移栽机以0.7 m/s速度前进时，对移栽后的薯苗栽植情况进行测定，移栽机作业质量数据如表4所示，甘薯苗栽植频率为每行63株/min，移栽平均深度为89 mm，栽植深度合格率为79%，栽植伤苗率为0%，漏苗率2.6%，成活率为97%，各项指标均满足薯苗移栽农艺要求。对比传统的链夹式或导苗管式等半自动机械甘薯移栽机，其工作效率受限于人工喂苗频率仅为1 000 m2/h[30]，本设计的线式供苗移栽机解决了人工供苗效率低的问题，移栽作业效率可达1 500 m2/h。
表4 移栽机作业质量Table 4 Operating quality of transplanter
(1)研制了一种线式供苗全自动甘薯移栽机，可一次完成两垄甘薯的自动供苗、开沟、栽植、覆土、修垄等作业，节约人力生产成本，提高工作效率。该机采用线式供苗移栽方式，对线式甘薯苗进行力学实验，根据实验结果设计了线式供苗机构，确定引出轮皮带间距3.5 mm，直径150 mm，可在不伤苗的前提下实现自动供苗功能;为适用于应用广泛的“斜插法”栽植方式，提出了利用开沟器控制土壤颗粒回流以实现甘薯苗45°倾斜移栽的方法;根据甘薯移栽农艺要求，设计了圆盘式覆土镇压轮+修垄犁的覆土修垄机构，确定覆土镇压轮直径为460 mm，确定修垄刮板倾角为55°，修垄刮板高度为420～455 mm。满足开沟植苗作业后覆土与修垄的要求。
(2)以株距与栽植角为性能评价指标，对整机进行单因素田间试验，结果表明:机具作业速度对株距几乎无影响，作业速度在0.8 m/s以内时栽植效果较好，立苗角度合格率均达到80%以上。对机具以0.7 m/s的速度进行田间移栽质量验证，甘薯苗栽植频率为每行63株/min，移栽平均深度为89 mm，栽植深度合格率为79%，栽植伤苗率为0，漏苗率2.6%，成活率为97%，移栽质量完全满足旱地栽植机械和甘薯移栽的农艺要求。
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