本文是一篇机械论文，本文通过对烟草钵苗夹取式取苗栽植机构的设计和研究，得出了以下结论：（1）由烟草钵苗物理力学特性试验研究表明，烟苗株高主要分布在[135，185]mm，烟苗近根部茎杆直径主要分布在[3.40，4.60]mm，在钵土基质含水率为 42.16%时，烟苗拔取力达到最大值为 1.49N，远小于茎秆拉断力 7.43N，因此本文移栽机构采用夹取烟苗茎秆的取苗方法。由动力学试验可知，移栽频率在 70r/min 以下且钵土含水率在 40%左右时，移栽机构取出烟草钵苗较为完整。
1 引言
1.1 课题研究目的与意义
1.1.1 烟草种植现状
我国是世界上烟草产销大国，年卷烟、烟叶的产销量分别占世界总量的三分之一左右[1-2]。据报道，中国烟草多年来甚至一直稳定保持了七项“世界第一”，即烟叶种植面积、烟叶收购量、卷烟产量、卷烟消费量、吸烟人数、烟草利税、死于吸烟相关疾病的人数均居世界第一[3]。中国生产的香烟占全世界香烟总产量的 40％，即全球每 10 包香烟中就有 4 包是中国制造，且 90％以上都在国内消费[4]。2019 年烟草产业的工商税利总额达到了 12056 亿元，同比上升4.3%，共缴纳财政总额 11770 亿元，同比上升 17.7%，税利总额与上缴财政总额均为历史最高，为国家和地方财政增收、经济发展作出了积极贡献[5]。
2017 年我国烟草种植面积约 1130.6 千公顷，2018 年我国烟草种植面积缩减到 1057.86千公顷，但是亩产量增加。我国烟草种植区域以西南地区为主，其中，云南烟草产业发展迅速，已成为我国最大烟草产区，2018 年烟草种植面积为 412.32 千公顷，占全国种植面积 39.0%。其次为贵州省，贵州省 2018 年烟草种植面积为 145.73 千公顷，占全国种植面积 13.8%。河南省 2018 年烟草种植面积为 94.88 千公顷，占全国种植面积 9.0%。湖南省 2018 年烟草种植面积为 86.56 千公顷，占全国种植面积 8.2%。四川省 2018 年烟草种植面积为 76.54 千公顷，占全国种植面积 4.6%。其余省份 2018 年烟草种植面积为 193.2 千公顷，占全国种植面积18.3%，如图 1-1 所示[6]。
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1.2 移栽机国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
早在 20 世纪 20 年代初期，国外就已经开始了对移栽机的研究，出现了多种半自动移栽机，这些半自动移栽机的实际作业效果都很理想，现如今全自动移栽机在国外的应用已经较为普遍，种类也是各种各样，日本、美国、加拿大、意大利一直处于领先地位。
移栽机按照栽植器的结构特点可以分为钳夹式移栽机、导苗管式移栽机、吊篮式移栽机、挠性圆盘式移栽机等。钳夹式移栽机代表机型为美国玛驰尼克 1000-2 型指夹式双行移栽机[32]，用于烟草、甜菜等作物的移栽。该移栽机为半自动移栽机，工作时，人工将烟草幼苗放到栽植器的钳夹上，当栽植器运动到穴坑上方时，钳夹自动打开，烟草幼苗落入穴坑中，完成栽植作业。该移栽机结构简单、移栽效率较高，可达 40 亩/天，但是在高速作业状态下漏苗现象较为严重。
吊篮式移栽机代表机型为加拿大 Holland Transplanter 公司研制的一种多功能烟草移栽机[33]，如图 1-3 所示，该移栽机集成穴、移栽、施肥、浇水、覆土于一体，栽植效率可达 3.5公顷/天。该机工作时，人工将烟苗投放如吊篮内，当吊篮运动到投苗位置时，吊篮底部栽植器打开，钵苗在自身重力作用下落入穴坑中。该种类型移栽机可以在地膜上进行打孔移栽，但是移栽效率受限于人工投苗速度，移栽效率较低，机械结构较为复杂。
挠性圆盘式移栽机代表机型为日本东风井关公司生产的 PVH1-90 烟草移植机[34]，如图1-4 所示。该移栽机为半自动移栽机。工作时，人工将烟苗投入到送苗盘中，送苗盘旋转运动将烟苗送到鸭嘴式栽植器内，然后在自身重力作用下落入穴坑中。该机作业效率可达 3000株/小时，并且可以根据作业环境来调节移栽机自身的平衡。该机只能进行小规模作业，适用于日本这种人均耕地面积较小的国家。
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2 烟草钵苗几何物理特性及力学特性试验
2.1 试验材料与设备
2.1.1 试验材料
试验用烟草钵苗品种为“龙江 911”、苗龄60 天的钵盘苗，取自于黑龙江肇东市五站镇烟站；育苗钵盘为东北烟区常用的标准通用柔性塑料穴盘，如图 2-1 所示。几何尺寸（长×宽）为 280 mm×540mm，每行 6 株，每列 12株 ， 每 盘 穴 孔 72 个 ， 穴 孔 上 部 尺 寸 为40×40mm、底部尺寸 15×15mm、深 40mm，剖面形状呈梯形，穴孔间距 40mm。试验用烟草钵苗直径、株高均值分别为（4.14±0.36）mm、（163.60±17.04）mm，钵苗和营养钵含水 率 依 据 GBGB/T1931-2009[52] 测 定 ， 茎 秆（89.89±1.16）%，营养钵（40.55.±2.34）%。为避免含水率对试验结果的影响，试样采集当天完成试验，试验地点为东北农业大学北方寒地现代农业装备技术重点实验室，室内温度25℃。
2.1.2 试验仪器设备
测定烟草钵苗拔取力、烟苗茎秆拉断力所用设备为 1ST 型万能试验机，此外还有真空干燥箱、电子天平、数显游标卡尺等，如图 2-2 所示，主要仪器设备性能指标见表 2-1。
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2.2 试验方法
利用游标卡尺与卷尺对烟草钵苗几何特性——直径与株高进行测定，利用电热恒温干燥箱、电子天平测得钵苗含水率参数。为保证烟苗移栽过程中不受机械损伤，确保移栽质量。针对移栽期烟草钵苗拔取力、茎秆拉断力特性进行研究分析，为烟草钵苗移栽机关键部件设计提供依据[54]。
2.2.1 烟草钵苗几何物理参数测定
选择烟草钵苗株高、距烟苗钵体表面垂直向上 5mm 处的烟苗茎秆直径和含水率等参数为几何物理特征评价指标。试验时，选取长势良好的钵苗 5 盘，随机采集 70 株正常生长的烟草钵苗，分别对每个样本的直径、茎秆株高和含水率等基本几何物理参数进行测定。
烟草钵苗株高和茎秆直径测量时，将烟草钵苗从钵盘中轻轻拔出置于水平地面，在自然状态下用卷尺测得烟苗株高 H（自土钵上表面到烟苗叶片顶部的距离）与直径 d，如图 2-5所示。使用数显游标卡尺测量烟苗近根部茎杆外径作为烟苗茎杆直径，记录以上数据。应用数理统计方法分析其几何特性，得出烟草钵苗主要几何特性指标值的变化区间及分布规律。
烟草钵苗试样茎秆与钵土（营养基质）含水率测定根据 GB/T1931-2009[48]，采用烘干法测量。试验方法如下：（1）首先将电子天平调零，利用电子天平称量空载器皿的重量，记录相应的数值；（2）将烟草钵苗茎秆试样放入电子天平上的器皿当中，记录其数值；（3）将装有茎秆试样的承载器皿放入电热恒温鼓风干燥箱，加热至 115℃，烘干 12h 进行第一次称重，以后每间隔 12h 进行称重一次，直至质量不再变化为止，将试样取出，放入干燥皿中冷却；
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3 基于计算机辅助设计平台的取苗栽植机构优化设计.......................26
3.1 取苗栽植机构性能要求............................. 26
3.1.1 取苗栽植机构的设计要求............................................26
3.1.2 取苗栽植机构的优化目标.....................................27
4 烟草钵苗夹取式取苗栽植机构设计与仿真..........................37
4.1 取苗栽植机构总体设计........................... 37
4.1.1 结构组成................................ 37
4.1.2 工作原理..................................... 37
5 取苗栽植机构性能试验..............................51
5.1 试验装置....................................51
5.1.1 试验装置结构......................................51
5.1.2 试验装置工作原理............................... 51
5 取苗栽植机构性能试验
5.1 试验装置
5.1.1 试验装置结构
取苗栽植机构是烟草钵苗移栽机的关键工作部件之一，其性能对移栽机栽植质量及移栽效率起到重要的作用。为优化取苗栽植机构，通过模拟取苗栽植机构田间作业状态的运动，开展对取苗栽植机构的性能试验研究，分析栽植机构移栽频率、移栽钵苗几何参数及移栽机构末端执行器结构参数对钵苗移栽成功率、伤苗率的影响，获得最优参数组合，提高烟苗移栽质量与取苗栽植机构的作业性能。
取苗栽植机构台架性能试验在东北农业大学研制的多功能钵苗试验台上改进进行[30-31,77-78]。试验台主要由取苗栽植机构试验装置与控制系统两部分构成，如图 5-1 所示。其中取苗栽植机构试验装置主要由电动机、传动系统、取苗栽植机构、支撑台架构成；控制系统主要由变频器、控制柜等组成。
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6 结论与展望
6.1 结论
本文通过对烟草钵苗夹取式取苗栽植机构的设计和研究，得出了以下结论：
（1）由烟草钵苗物理力学特性试验研究表明，烟苗株高主要分布在[135，185]mm，烟苗近根部茎杆直径主要分布在[3.40，4.60]mm，在钵土基质含水率为 42.16%时，烟苗拔取力达到最大值为 1.49N，远小于茎秆拉断力 7.43N，因此本文移栽机构采用夹取烟苗茎秆的取苗方法。由动力学试验可知，移栽频率在 70r/min 以下且钵土含水率在 40%左右时，移栽机构取出烟草钵苗较为完整。
（2）根据北方烟草钵苗大株距的农艺要求，确定了移栽机构的移栽轨迹以及以工作原理，基于东北农业大学课题组研制的计算机辅助优化设计软件平台，利用 Visual Basic6.0 设计“烟草钵苗夹取式取苗栽植机构计算机辅助优化设计软件”得出了移栽机构结构参数。
（3）基于 solid works2018 完成移栽机构三维模型的设计，利用 Auto CAD2017 完成移栽机构结构设计；利用 ADAMS2017 对虚拟样机进行动力学仿真，通过仿真得到的移栽轨迹与计算机辅助优化设计软件得到的移栽轨迹保持一致，验证了移栽机构设计的准确性。
（4）利用高速摄影试验得到移栽机构在实际工作中的移栽轨迹，对比高速摄像机下的移栽轨迹与计算机辅助优化设计软件中的移栽轨迹基本保持一致，验证了移栽机构加工与装配的准确性。与此同时，利用软件 PCC 2.8 得知，当移栽机构工作效率为 40 株/min 时，移栽机构在取苗点的速度为 0.11m/s，拐点速度为 0.01m/s，投苗点速度为 0.94m/s，当拖拉机前进速度为 0.94m/s 时，可以实现零速投苗的作业要求，此时移栽效果最好。
（5）由多因素试验参数优化结果可知，当钵苗高度为 170mm，移栽频率为 40~45r/min，夹苗片长度为 94~103mm 时，移栽机构的取苗成功率大于 90%，伤苗率小于 5%，满足移栽机构的设计要求。进行验证试验，试验结果移栽机构的取苗成功率为 91.67%，伤苗率为 3.71%，验证了参数优化结果的准确性，为研制烟草钵苗全自动移栽机提供依据。
参考文献(略)