自動化玉米移栽機送苗裝置的運作試驗研究

張茫茫

(巴音郭楞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 庫爾勒 841000)

0 引言

隨著我國育苗移栽技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，玉米移栽機的自動化移栽水平日益提高。目前，國內(nèi)外的育苗方式主要包括裸苗移栽、人工移栽、半自動及全自動移栽等，其目的在于提高玉米育苗移栽的效率，從而進一步實現(xiàn)玉米增產(chǎn)目標(biāo)。對于由取苗、送苗、栽苗3大部分構(gòu)成的自動化玉米移栽機，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者進行探討，如日本的自動蔬菜移栽機、歐美的全自動移栽機等。這些機型組件復(fù)雜，整體移栽效率不符合我國農(nóng)業(yè)田地與作物栽植要求，機械設(shè)備引入的性價比并不高。為此，筆者根據(jù)我國實際玉米栽植與生長要求，結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)玉米移栽機的構(gòu)成特點和發(fā)展現(xiàn)狀，重點對玉米移栽機的送苗裝置結(jié)構(gòu)與自動化控制方面展開研究。

1 玉米移栽機及送苗裝置

自動化玉米移栽機應(yīng)用于玉米田地的栽植，與人工栽植相比，可大大提升栽植的效率。綜合考慮玉米栽植機作業(yè)效果，栽植深度保持一致性是突出性能之一，漏栽率的高低作為衡量送苗裝置運作效果分析依據(jù)。

送苗裝置的自動裝置由送盤機構(gòu)、頂桿機構(gòu)、接苗機構(gòu)和送苗機構(gòu)等組成，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。圖1給出擬優(yōu)化研究的玉米移栽機橫向裝置模型。由圖1可看出：由主、從傳動裝置及中間連接傳遞驅(qū)動裝置組成的送苗裝置保證了一定的協(xié)調(diào)性與運動準(zhǔn)確性，對輸送玉米秧苗至指定栽植位置有重要作用，而進行送苗作業(yè)過程中位置的識別與傳感、執(zhí)行裝置的反應(yīng)動作輸出及PID控制調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)等作為送苗裝置優(yōu)化改進的考慮因素。

表1 玉米移栽機主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計

為實現(xiàn)玉米移栽機的送苗裝置整體連續(xù)性，根據(jù)相關(guān)作業(yè)知：送苗裝置分為橫向送苗與縱向送苗兩種，將兩種單一輸送秧苗理論有效融合，形成橫縱同步進行的送苗裝置，可在一定程度提高送苗作業(yè)效率，更符合人們栽植作業(yè)的習(xí)慣特點。圖2為核心送苗機構(gòu)原理簡圖。其工作過程可描述為：在驅(qū)動輪的帶動下，經(jīng)傳動軸通過鏈傳動帶動從動機構(gòu)動作；與此同時，螺旋軸在動力驅(qū)動下，凸輪與擺桿機構(gòu)相繼動作；最終推動送苗機構(gòu)到達目標(biāo)栽植位置進行秧苗釋放，然后開始下一栽植環(huán)節(jié)。

1.主動輪軸 2.驅(qū)動輪 3.凸鎖 4.從動輪 5.凹鎖 6.驅(qū)動鏈輪 7.從動輪軸 8.鏈條 9.從動鏈輪 10.底座 11.螺旋軸 12.滑動套 13.滑動塊 14.連接件 15.連接軸

1.螺旋軸 2.凸輪機構(gòu) 3.擺桿機構(gòu) 4.彈簧裝置 5.止動裝置 6.棘輪機構(gòu) 7.軸承 8.搖桿機構(gòu)

2 關(guān)鍵部件分析

2.1 理論模型

根據(jù)送苗裝置螺旋軸的運動特性，建立單螺旋軸上任一點A處的模型，即

(1)

進而推導(dǎo)得出送苗機理螺旋面處的模型為

(2)

結(jié)合如下公式

(3)

(4)

fr=r-ttanα

(5)

得出阿基米德螺旋面的方程為

(6)

式中X—螺旋軸節(jié)距(mm)；

r—螺旋軸外圓半徑(mm)；

r1—螺旋軸分度圓半徑(mm)；

γ—螺旋角度(°)；

α—齒形角度(°)；

s—齒槽寬度(°)；

t—螺旋面間到軸線距離(mm)；

k—k=f(r)。

2.2 送苗控制

根據(jù)玉米移栽機送苗的作業(yè)特點，設(shè)計了如圖3所示的玉米移栽機送苗流程簡圖。首先，給定條件進行橫向送苗判定，判定成功進行縱向送苗判定，從而完成一次送苗作業(yè)。這期間加入PID自調(diào)節(jié)控制程序、相應(yīng)傳感器裝置及自動檢測系統(tǒng)，以保證送苗的穩(wěn)定性與橫縱協(xié)調(diào)一致性。

為提高移栽機作業(yè)效率，對其補苗環(huán)節(jié)進行優(yōu)化：通過電磁離合器設(shè)計如圖4所示的加速補苗邏輯控制圖，編制控制程序通過內(nèi)部邏輯運算判定是否處于缺苗狀態(tài)，并實現(xiàn)準(zhǔn)確及時的補苗目標(biāo)。圖5為送苗控制軟件執(zhí)行框圖，可設(shè)計參數(shù)對話框?qū)?zhí)行機構(gòu)進行參數(shù)化試驗，并輸出對應(yīng)的功能衡量參數(shù)，以確定最優(yōu)化的設(shè)計方案與玉米移栽機整機結(jié)構(gòu)布局；同時，實現(xiàn)移栽機作業(yè)人員的實時監(jiān)控與觀察功能，便于提高意外狀況的可控性。

圖3 玉米移栽機送苗流程簡圖

圖4 自動玉米移栽機加速補苗邏輯控制圖

1.執(zhí)行裝置顯示 2.設(shè)計參數(shù) 3.輸出參數(shù) 4.軟件控制功能 5.圖像調(diào)整

3 試驗

3.1 試驗條件

進行玉米移栽機送苗裝置運作試驗，設(shè)定關(guān)鍵前置條件，要求田間土壤分布均勻，適宜玉米秧苗移栽成活。相關(guān)試驗參數(shù)如下：

1)土壤堅實程度符合一定取值范圍，選擇245～250×104Pa；

2)土壤含水率整體保證在10%～13%之間；

3)進行移栽，選取面積為200m×150m；

4)移栽前整地適宜，且壟距為60～70cm。

選取傷苗率與秧苗成功率作為衡量此次送苗裝置改進的運作試驗評定指標(biāo)，即

C=G+S1

(7)

(8)

(9)

(10)

式中C—傷苗率(%)；

G—基質(zhì)破損率(%)；

S1—秧苗損失率(%)；

S2—秧苗成功率(%)；

W1—殘留破損基質(zhì)質(zhì)量(g)；

W2—取出秧苗質(zhì)量(g)；

N1—損傷玉米秧苗數(shù)量；

N2—成功取出玉米秧苗數(shù)量；

N3—玉米秧苗總數(shù)量。

3.2 試驗分析

通過表2設(shè)定玉米移栽機試驗作業(yè)時的關(guān)鍵因素作為分析標(biāo)準(zhǔn)，選取取苗頻率、送苗速度及整機作業(yè)速度三者不同變化下的因素水平，進行運作。經(jīng)多次試驗及調(diào)整，給出表3所示的自動化玉米移栽機緩沖裝置優(yōu)化效果。由表3可知：X軸送苗方向上的參數(shù)優(yōu)化效果最大可提升7%左右；Y軸送苗方向上的參數(shù)優(yōu)化效果最大可提升15%左右，說明針對送苗裝置加裝緩沖裝置及控制的合理性與可行性，效果良好。

表2 自動化玉米移栽機送苗裝置試驗因素水平

表3 自動化玉米移栽機緩沖裝置優(yōu)化數(shù)據(jù)

同時，對移栽深度、移栽株距及立苗合格率等關(guān)鍵參數(shù)進行統(tǒng)計。由表4可看出：在給定600株總株數(shù)的同等條件下，擬設(shè)計的自動化玉米移栽機的平均移栽深度試驗數(shù)據(jù)在理論設(shè)計值范圍內(nèi)，平均移栽株距誤差范圍不超過5%；立苗合格率達89%以上，漏栽率控制在5%之內(nèi)，符合送苗裝置及關(guān)鍵機構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化初衷；且優(yōu)化送苗裝置作用下，整體移栽傷苗率小于8%，成功取苗率達93%以上，試驗可靠有效。

表4 自動化玉米移栽機作業(yè)衡量指標(biāo)試驗數(shù)據(jù)記錄

4 結(jié)論

1)在玉米移栽機結(jié)構(gòu)組成與工作原理基礎(chǔ)上，對其送苗裝置進行深入分析，通過設(shè)計各部件的尺寸與連接傳遞性能，得出橫向、縱向送苗裝置物理模型，并結(jié)合機構(gòu)的運動機理建立了數(shù)學(xué)模型。

2)在關(guān)鍵部位加裝緩沖裝置與檢測系統(tǒng)，實時掌握移栽機的作業(yè)狀況與效果，有利于提高整機的作業(yè)效率，大大降低了人工作業(yè)強度。

3)利用自動移栽的關(guān)鍵衡量指標(biāo)進行試驗，結(jié)果表明：自動化玉米移栽機的整體移栽傷苗率小于8%，成功取苗率達93%以上，具有一定的參考價值，值得推廣。