輕簡型半自動(dòng)移栽機(jī)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

趙崢嶸，毛罕平，韓綠化，胡建平

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

目前，我國蔬菜移栽主要依靠人工作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低，移栽質(zhì)量差[1-2]，無法滿足我國的蔬菜生產(chǎn)需求，而機(jī)械化移栽具有省工、節(jié)本、提效的強(qiáng)大優(yōu)勢[3-5]。

20世紀(jì)早期，歐美日等發(fā)達(dá)國家就開始了缽苗機(jī)械化移栽的探索研究[6]。截至目前，國外半自動(dòng)移栽機(jī)已經(jīng)發(fā)展得很成熟，可搭配各種農(nóng)機(jī)具和不同類型的栽植器，能適應(yīng)不同環(huán)境和移栽對(duì)象，通用性較高[7-9]。我國育苗工藝、栽培方式及田間作業(yè)模式與發(fā)達(dá)國家存在差異[1-4]，它們的機(jī)型不符合我國國情，且我國農(nóng)戶無法承擔(dān)高的外購價(jià)格。

我國移栽機(jī)技術(shù)的探索開始于20世紀(jì)中期，以模仿國外技術(shù)為主，具有與農(nóng)藝脫節(jié)、性能不穩(wěn)定、通用性及實(shí)用性差等通病[10-13]。國內(nèi)的大部分機(jī)型是針對(duì)大田作業(yè)，有著復(fù)雜的栽植和接苗機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)和制造成本較高，操作較為復(fù)雜，外觀較為龐大，質(zhì)量較大，且栽植深度、株距和行距不能均可調(diào)。這些移栽機(jī)不符合中等規(guī)模農(nóng)戶希望具備基本移栽功能的基礎(chǔ)上，同時(shí)做到機(jī)器輕簡、操作簡便、價(jià)格便宜的要求。此外，汽油機(jī)或柴油機(jī)工作時(shí)，易污染環(huán)境，浪費(fèi)石油資源，需考慮將農(nóng)業(yè)機(jī)械與新能源結(jié)合起來[12]。因此，針對(duì)我國中等規(guī)模農(nóng)戶設(shè)計(jì)了一款簡單輕巧、操作簡便、經(jīng)濟(jì)適用、能滿足基本需求的電動(dòng)輕簡型半自動(dòng)移栽機(jī)。

1 整機(jī)設(shè)計(jì)方案與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

本移栽機(jī)為單行移栽，采用電控作業(yè)方式，整機(jī)主要由電動(dòng)底盤、接苗部件、植苗部件及控制系統(tǒng)4部分組成，如圖1所示。

1.植苗部件 2.自頂開接苗部件 3.扶手 4.穴盤苗 5.穴盤架 6.蓄電池 7.車架 8.前置導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 9.行走輪系

植苗部件后掛在底盤上，接苗部件布置在植苗部件正上方。底盤輪距可變，包括扶手、穴盤架、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、行走輪系、車架和蓄電池等。其中，穴盤架和扶手前后配置在底盤縱梁上，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)位于車架前端，引導(dǎo)底盤沿壟側(cè)向前行駛，行走輪系以直角三角形結(jié)構(gòu)布置于車架下端，形成偏三輪構(gòu)型。

1.2 工作原理

移栽前，根據(jù)壟型和移栽對(duì)象，調(diào)整導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、底盤輪距和栽植器距壟面高度，并在穴盤架上放置苗盤。作業(yè)時(shí)，操作員一邊把控扶手，一邊從穴盤架中取苗并投至接苗斗中，栽植器向上運(yùn)動(dòng)頂開接苗斗，苗向下自由落體，落入栽植器中并隨其向下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)栽植動(dòng)作。如此循環(huán)往復(fù)，接苗部件按需接苗和投苗，使栽植部件進(jìn)行栽植作業(yè)，直到完成穴盤苗定植任務(wù)。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

整機(jī)質(zhì)量/kg:≤75

栽植行距/mm：400～600

栽植株距/mm:250～350

栽植深度/mm:0～200

栽植頻率/株·min-1：30～40

作業(yè)速度/mm·s-1：125～233

蓄電池規(guī)格：40V/20Ah

2 主要部件設(shè)計(jì)

2.1 自頂開接苗部件

自頂開接苗部件用于存苗和投苗，主要由接苗斗、固定板、光軸、前耳、后耳、合頁、關(guān)節(jié)軸承及雙頭螺栓等組成，如圖2所示。

1.左開合頁 2.前耳 3.固定板 4.接苗斗 5.右開合頁 6.右后耳 7.關(guān)節(jié)軸承 8.雙頭螺栓 9.左后耳

其中，接苗斗嵌入固定板，合頁位于固定板下方，包括左合頁和右合頁。左合頁兩側(cè)與一只前耳和左后耳焊接，右合頁與其相似安裝。兩根光軸均按順序穿過前耳、固定板、后耳，則前、后耳連同合頁可繞光軸轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)關(guān)節(jié)軸承與后耳以轉(zhuǎn)動(dòng)副形式連接，雙頭螺栓兩端分別以移動(dòng)副形式與兩個(gè)關(guān)節(jié)軸承連接。 工作原理為：當(dāng)栽植器向上推左合頁時(shí)，左后耳繞光軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，雙頭螺栓動(dòng)作，使得右后耳繞光軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，左、右開合頁相對(duì)打開，實(shí)現(xiàn)投苗動(dòng)作。

2.2 植苗部件

植苗部件除實(shí)現(xiàn)移栽動(dòng)作外，還能實(shí)現(xiàn)栽植深度調(diào)節(jié)和行距變換，主要由滑槽板、掛架、直線模組、安裝板、栽植器、頂桿和減速電機(jī)等組成，如圖3所示。兩個(gè)掛架將直線模組后掛于底盤的滑槽板上，滑槽板固定在車架上且開有水平行程槽，改變直線模組在行程槽內(nèi)的安裝位置，可更改栽植器與壟側(cè)距離，行距即改變。安裝板與直線模組上的滑塊緊固連接，其上從左至右分別固定著栽植器和減速電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)直線模組的手輪，移動(dòng)滑塊，可改變安裝板位置，則栽植器相對(duì)壟面高度相應(yīng)變化，實(shí)現(xiàn)升降栽植。頂桿焊接在栽植器外側(cè)，栽植器向上運(yùn)動(dòng)，頂桿會(huì)接觸接苗部件上的左合頁，推動(dòng)左合頁轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.行星齒輪滑槽式栽植器 2.頂桿機(jī)構(gòu) 3.掛架 4.車架

2.3 控制系統(tǒng)

本控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)移栽機(jī)的啟動(dòng)、停止、底盤的調(diào)速行走、前進(jìn)速度實(shí)時(shí)顯示、株距調(diào)整、栽植頻率的自動(dòng)匹配等功能，主要由電源、控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、減速步進(jìn)電機(jī)、測速傳感器(霍爾傳感器)、輪轂電機(jī)、速度調(diào)節(jié)器及擋位株距開關(guān)等組成，如圖4所示。控制器采集擋位株距開關(guān)的開關(guān)量，選擇控制程序。調(diào)節(jié)速度調(diào)節(jié)器，輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速改變，霍爾傳感器測輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速并將信號(hào)反饋給控制器；控制器捕獲脈沖信號(hào)，經(jīng)過內(nèi)部處理，向減速步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出栽植脈沖信號(hào)，栽植器在減速步進(jìn)電機(jī)作用下，以與前進(jìn)速度相匹配的栽植頻率進(jìn)行栽植。

圖4 控制系統(tǒng)硬件組成

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)條件與方法

1)續(xù)航性能試驗(yàn)。利用功率計(jì)得到樣機(jī)在不同動(dòng)力驅(qū)動(dòng)分配下移栽作業(yè)的消耗功率，計(jì)算蓄電池支撐樣機(jī)移栽作業(yè)的時(shí)間，檢驗(yàn)樣機(jī)的續(xù)航能力是否滿足設(shè)計(jì)要求。

2)移栽性能試驗(yàn)。樣機(jī)完成不同動(dòng)力驅(qū)動(dòng)分配下的移栽作業(yè)試驗(yàn)后，通過評(píng)價(jià)指標(biāo)檢驗(yàn)樣機(jī)的移栽性能，驗(yàn)證樣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力分配的合理性，并確定作業(yè)時(shí)的栽植頻率選擇。

3.1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)選在無錫市悅田農(nóng)機(jī)試驗(yàn)基地進(jìn)行。試驗(yàn)地事先松耕，松耕深度大于200mm；隨后開溝起壟，清除壟面的雜草、大土塊和碎石[13]；壟面寬600mm，壟高200mm，壟溝寬300mm；試驗(yàn)苗為苗齡25天左右，苗高為115mm左右，根系盤根效果好的黃瓜苗，采用72孔標(biāo)準(zhǔn)穴盤培育。

3.1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)設(shè)計(jì)的栽植株距和栽植頻率適用范圍，本移栽機(jī)可在多種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行移栽。因此，試驗(yàn)選擇栽植株距(A)和栽植頻率(B)作為試驗(yàn)因素，且每個(gè)因素有3個(gè)水平。每組水平試驗(yàn)移栽120株黃瓜苗，試驗(yàn)安排如表1所示。

1)續(xù)航性能試驗(yàn)方法。試驗(yàn)前，將功率計(jì)接入控制柜，設(shè)置采集方式為連續(xù)采集。試驗(yàn)后，通過功率計(jì)自帶的USB線將功率計(jì)與電腦相連，利用功率計(jì)軟件導(dǎo)出采集數(shù)據(jù)并分析。

2)移栽性能試驗(yàn)方法。每組水平試驗(yàn)后，用卷尺測量實(shí)際栽植株距，計(jì)算實(shí)測平均栽植株距及株距變異系數(shù)；用量角器測量缽苗主莖與地面的夾角，計(jì)算倒伏率；確定實(shí)測缽苗中的漏栽數(shù)，計(jì)算漏栽率。

表1 不同栽植株距和栽植頻率的組合試驗(yàn)安排

Table 1 Experiment arrangement of different plant spacing and planting frequency

試驗(yàn)編號(hào)因素A/mm因素B/株·min-1試驗(yàn)編號(hào)因素A/mm因素B/株·min-1125030225035325040430030530035630040735030835035935040

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1)續(xù)航性能試驗(yàn)結(jié)果分析。對(duì)每組水平試驗(yàn)得到的功率數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到不同動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下的功率消耗統(tǒng)計(jì)表，如表2所示。

表2 多種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下的功率消耗統(tǒng)計(jì)表

由表2可知：根據(jù)蓄電池型號(hào)和樣機(jī)在最小、最大動(dòng)力驅(qū)動(dòng)作業(yè)下的平均消耗功率分別為410.8W和482.4W，可知電池容量能支撐樣機(jī)在最小、最大動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下分別作業(yè)2.34h和2h，續(xù)航里程分別為1.05km和1.67km。因此，樣機(jī)的續(xù)航里程至少為1.05km，續(xù)航時(shí)間至少為2h。這表明，該機(jī)器的續(xù)航能力滿足設(shè)計(jì)要求。

2)移栽性能試驗(yàn)結(jié)果分析。將每組水平試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表3所示。選取每組水平試驗(yàn)中間20組缽苗的株距實(shí)測值，繪制3種理論株距下的缽苗實(shí)測株距分布圖。圖5為理論株距250mm時(shí)缽苗實(shí)測株距分布。利用株距變異系數(shù)和倒伏率制作不同栽植株距和栽植頻率下株距變異系數(shù)和倒伏率變化曲線圖，如圖6、圖7所示。

表3 移栽效果統(tǒng)計(jì)表

圖5 理論株距250mm時(shí)缽苗實(shí)測株距分布

圖6 不同動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下的株距變異系數(shù) 圖7 不同動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下的倒伏率

Fig.6 Variation coefficient of plant spacing under different driving force distribution Fig.7 Lodging rate under different driving force distribution

由表3可知：①漏栽率低于4%，倒伏率低于6%，株距變異系數(shù)小于4%，栽植深度合格率大于82%，栽植合格率大于90%，表明樣機(jī)移栽效果符合旱地移栽機(jī)的主要性能指標(biāo)規(guī)定，設(shè)計(jì)合理; ②每個(gè)水平試驗(yàn)下的平均栽植深度與理論栽植深度80mm差異較小，誤差在1mm內(nèi)，實(shí)測株距與理論株距相比有些許差異，但差異不大。分析表明：栽植深度和栽植株距較為穩(wěn)定，樣機(jī)性能可靠。

由圖5可知：1號(hào)試驗(yàn)實(shí)測株距在247mm上下波動(dòng)，與理論株距相差3mm；2號(hào)試驗(yàn)實(shí)測株距在248mm上下波動(dòng)，與理論株距相差2mm；3號(hào)試驗(yàn)實(shí)測株距在249mm上下波動(dòng)，與理論株距相差1mm。4～6號(hào)試驗(yàn)相差分別為4、2、1mm，7～9號(hào)試驗(yàn)相差分別為7、4、1mm。分析結(jié)果表明：同一理論株距下，樣機(jī)前進(jìn)速度增加，實(shí)測株距與理論株距差距變小。原因是：栽植頻率增加則前進(jìn)速度增加，泥土對(duì)底盤阻力變小，行走更加穩(wěn)定，測速更加準(zhǔn)確，輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速與栽植器驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速匹配更加精確。

由圖6和圖7可知：栽植頻率為30株/min時(shí)的株距變異系數(shù)和倒伏率均較小，移栽效果較好，但是作業(yè)效率較低；當(dāng)栽植頻率為35株/min和40株/min時(shí)，株距變異系數(shù)和倒伏率均有小幅度增加，但依舊符合旱地移栽機(jī)的主要性能指標(biāo)規(guī)定，相較栽植頻率30株/min時(shí)的作業(yè)效率有此提高。因此，實(shí)際使用過程之中，需依據(jù)作業(yè)效率和移栽效果綜合考慮，選擇合適的栽植頻率。

4 結(jié)論

1)針對(duì)中等規(guī)模農(nóng)戶使用需求，設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)的輕簡型半自動(dòng)移栽機(jī)，主要由電動(dòng)底盤、接苗部件、植苗部件及控制系統(tǒng)組成。本移栽機(jī)可實(shí)現(xiàn)電力驅(qū)動(dòng)、升降栽植、行距變換及栽植頻率自動(dòng)匹配等功能。

2)針對(duì)輕簡型半自動(dòng)移栽機(jī)樣機(jī)進(jìn)行田間作業(yè)的續(xù)航性能試驗(yàn)和移栽性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：①樣機(jī)的續(xù)航里程至少為1.05km，續(xù)航時(shí)間至少為2h，證明該機(jī)器的續(xù)航能力滿足設(shè)計(jì)要求。②移栽漏栽率均低于4%，倒伏率均低于6%，株距變異系數(shù)均小于4%，栽植深度合格率均大于82%，栽植合格率均大于90%，符合旱地移栽機(jī)的主要性能指標(biāo)規(guī)定。③同一理論株距下，隨著樣機(jī)前進(jìn)速度的增加，實(shí)測株距值與理論株距值越來越小，輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速與栽植器驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速匹配更加精確。④栽植頻率為30株/min時(shí)，移栽效果較好，但作業(yè)效率低；栽植頻率為40株/min時(shí)，作業(yè)效率高，移栽性能參數(shù)依舊符合旱地移栽機(jī)的指標(biāo)規(guī)定。因此，實(shí)際使用過程之中，需依據(jù)作業(yè)效率和移栽效果綜合考慮，選擇合適的栽植頻率。