丘陵山區(qū)辣椒機械化移栽適應(yīng)性分析

喻麗華,徐志波,韓忠祿,潘東彪,張富貴

(1.貴州大學(xué) 機械工程學(xué)院,貴陽 550025;2.貴州省農(nóng)業(yè)機械技術(shù)推廣總站,貴陽 550001)

0 引言

辣椒是我國的傳統(tǒng)經(jīng)濟作物,具有種植面積大、種植地域廣、產(chǎn)值高的特點[1]。移栽是辣椒生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié),機械化移栽難度大、手工栽植勞動強度高的問題制約著我國辣椒種植業(yè)的發(fā)展[2]。當前,在我國平原地區(qū),各種半自動及全自動移栽機正逐步應(yīng)用于辣椒的機械化移栽作業(yè);但是,在我國廣大丘陵山地,因土地破碎、地形起伏及耕整地機械化水平低,在種植工序上仍采用手工或簡易移植器移栽。因此,研發(fā)丘陵山區(qū)辣椒移栽機已經(jīng)成為辣椒產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切需求。當前,旱地移栽機的研究主要集中在栽植機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、鴨嘴開合機構(gòu)的誤差分析及底盤設(shè)計方面。姬江濤、金鑫設(shè)計了一種行星輪系滑道式栽植機構(gòu),并進行了參數(shù)優(yōu)化[3]。胡建平、王金葵設(shè)計了一種移栽機自動升降底盤,并進行了模型建立和理論分析[4-5];韓長杰設(shè)計了一種移栽機轉(zhuǎn)盤式投苗機構(gòu)[6]。汪春、萬霖對一款插秧機的關(guān)鍵部件進行了改進設(shè)計,以適應(yīng)旱地作業(yè)的蔬菜移栽機[7]。這些研究結(jié)果為我國旱地移栽機發(fā)展提供了必要的理論依據(jù)及技術(shù)支撐,但鮮有專門針對丘陵山區(qū)辣椒移栽機適應(yīng)性的相關(guān)研究。

為此,以某型號的吊杯鴨嘴式移栽機為試驗樣機,以穴盤辣椒苗為移栽對象,通過在典型丘陵山地辣椒種植地進行田間試驗、測量及結(jié)果分析,找出移栽機不適應(yīng)山地作業(yè)的根本問題,并提出關(guān)鍵結(jié)構(gòu)改進方案。

1 丘陵山區(qū)辣椒機械化移栽試驗

1.1 試驗辣椒苗物理特性分析

辣椒苗的苗高、苗冠尺寸及基質(zhì)體尺寸是影響可移栽性、移栽質(zhì)量、栽植器結(jié)構(gòu)的主要物理參數(shù):苗高直接關(guān)系移栽中的掛苗和帶苗;基質(zhì)體和苗冠尺寸影響著栽植器鴨嘴的張合尺寸[3]。因此,移栽測試前,有必要對辣椒苗的苗高、苗冠、基質(zhì)體等物理參數(shù)進行測量及統(tǒng)計分析。

1)辣椒苗物理參數(shù)測量。試驗所用辣椒苗的育苗盤為8×16的128孔穴盤,穴上口尺寸32mm×32mm,底部尺寸14mm×14mm,穴深32mm。采用隨機抽樣的方式,在育苗大棚里抽取4盤共計512株辣椒苗,測量苗高h、苗冠l、基質(zhì)上端寬a、下端寬b和基質(zhì)體高h1。辣椒穴盤苗特征參數(shù)如圖1所示。其中,苗高h為基質(zhì)底部至穴盤苗頂部的尺寸;苗冠l為苗在自然張開情況下的最大株幅值。

2)辣椒苗參數(shù)分析。表1為辣椒苗物理特性參數(shù)測量統(tǒng)計表。由表1可知:待栽苗基質(zhì)參數(shù)的變異系數(shù)均較小,一致性性較好;試驗苗高分布于125～191mm范圍內(nèi),滿足移栽機適于移栽苗高100～200mm的要求;苗高變異系數(shù)10.7%,苗冠變異系數(shù)13.8%,一致性一般。

圖1 辣椒穴盤苗主要物理參數(shù)

表1 辣椒穴盤苗物理特性參數(shù)測量統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of physical characteristic parameters measurement of pepper acupoint plate seedlings

1.2 試驗樣機及測量工具

1)試驗樣機。試驗樣機為當前蔬菜行業(yè)應(yīng)用較廣泛的一款自走式一壟雙行小苗移栽機,栽植器為吊杯鴨嘴式,由3人操作,配套動力為4.05kW的單缸風(fēng)冷汽油發(fā)動機,變速箱單邊轉(zhuǎn)向、單邊離合。試驗樣機主要由手動升降式底盤、鴨嘴式五桿栽植機構(gòu)、送苗機構(gòu)及動力傳動系統(tǒng)等組成,如圖2所示。

2)測量工具。測量工具主要包括標桿、細線、水平儀、直尺、鋼卷尺及相機。直尺用于測量栽深,標桿、細線、水平儀和鋼卷尺用于測量行距、株距、壟體長度及壟面平整性。

1.3 試驗地點及流程

1)試驗地點。考慮山地辣椒主要種植區(qū)的地形特點與土壤類型,選取貴州省綏陽縣金承村(N:27°58′32.54″,E:107°07′31.09″)辣椒基地為本次試驗地。試驗時間為2018年5月18日,田間試驗現(xiàn)場如圖3所示。

2)試驗流程。①硬地調(diào)試移栽機是否正常運行。②按當?shù)乩苯芬圃赞r(nóng)藝要求,調(diào)節(jié)行距、株距、栽深等主要參數(shù),行距400mm,株距300mm。根據(jù)試驗苗高,設(shè)定栽深為80mm。③硬地試驗。測量行距、株距是否達到設(shè)定值,若未達到要求,繼續(xù)調(diào)試直至達到要求。④田間試驗。移栽機行走于壟溝,栽植機構(gòu)對稱中心對準壟面中心線,測量并記錄株距、栽深、撕膜口大小及壟體平整度。

1.動力傳動系統(tǒng) 2.送苗機構(gòu) 3.手動升降式底盤 4.前輪 5.鴨嘴式栽植機構(gòu) 6.行走輪

圖3 試驗現(xiàn)場圖片

1.4 測量及結(jié)果分析

表2 株距與栽深統(tǒng)計表

由表2可知:①實測株距在150～450mm范圍之內(nèi),均滿足合格要求;株距的變異系數(shù)為12.2%,其浮動范圍較大,具有不穩(wěn)定性。②實測栽深的合格率為80%,其平均值87mm大于設(shè)定值80mm,且栽深變異系數(shù)為14.6%,一致性有待提高。

2)壟體平整度測量及分析。為了研究壟體平整度對移栽效果的影響,以壟面縱向最高點為基準,測量移栽苗位置至基準的高度,評價壟面縱向平整情況。選取1壟測量移栽苗位置共計40個測點的壟面縱向高度,并繪制成如圖4所示的移栽苗位置壟面縱向平整情況。

圖4 壟面縱向平整性

由圖4可知:行1縱向高度差最大值達80mm,最小值15mm;行2縱向高度差最大值達70mm,最小值為15.4mm;壟面縱向高度存在較大差異,即壟面的縱向平整性較差。

3)縱向撕膜口測量及分析。根據(jù)文獻[9]可知:膜上移栽過程中,當鴨嘴栽植器打穴移栽撕膜口尺寸相對于移栽苗冠較大時,會影響覆膜移栽保墑、保溫及保濕等效果。試驗中發(fā)現(xiàn)撕膜口尺寸較大,因此測量栽植后鴨嘴撕膜口大小,計算平均值、最大值最小值和方差,如表3所示。

表3 縱向撕膜口大小統(tǒng)計表

由表3可知:縱向撕膜口平均尺寸為139.2mm,變異系數(shù)為13.2%,且該撕膜口尺寸是移栽苗平均苗冠99.67mm的1.4倍。這表明,該機具縱向撕膜口尺寸和變化幅度比較大,工作性能不穩(wěn)定。

2 移栽機山地作業(yè)的適應(yīng)性分析

1)壟體的適應(yīng)性分析。丘陵山區(qū)因土地稟賦性差,移栽壟體和壟溝往往是高低不平,起伏不定。該試驗機作業(yè)后,株距和栽深一致性差,特別是栽深一致性更差,說明該試驗機對山地壟體的適應(yīng)性不足。

2)掉頭及過溝適應(yīng)性分析。丘陵山區(qū)辣椒地往往是小地塊、多溝渠,該移栽機整機笨重,難以適應(yīng)丘陵山區(qū)辣椒移栽作業(yè)時需要較為頻繁的掉頭、過溝的狀況。

3)栽植農(nóng)藝適應(yīng)性分析。丘陵山區(qū)辣椒品種多,相應(yīng)種植農(nóng)藝的株行距差別大,特別是為了推廣辣椒種植的全程機械化,熟性集中的辣椒往往需要密植,但該移栽機株行距調(diào)節(jié)便捷性差,難以適應(yīng)熟性集中辣椒的密植需要。

4)膜上移栽適應(yīng)性分析。丘陵山區(qū)辣椒移栽期氣候多變,往往采用覆膜移栽。根據(jù)試驗結(jié)果分析,該機具撕膜口大小相對于辣椒苗冠過大,起不到覆膜移栽的效果。

5)辣椒苗適應(yīng)性分析。一般辣椒苗的子葉數(shù)為8～10片時,即可移栽。試驗機的適應(yīng)苗高范圍為100～200mm,結(jié)合上述穴盤辣椒苗高測量結(jié)果,可知該機具適于穴盤所育辣椒苗要求。

3 關(guān)鍵部件改進

3.1 升降底盤結(jié)構(gòu)

考慮丘陵山區(qū)辣椒移栽作業(yè)時需要較為頻繁的掉頭、過溝,因此將底盤升降手動調(diào)節(jié)機構(gòu)改為液壓驅(qū)動底盤自動升降。

改進后的升降底盤主要由前輪、后輪、地面仿形機構(gòu)、升降機構(gòu)、機架、測距系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)等組成,如圖5所示。升降機構(gòu)對稱安裝于機架兩側(cè),活性連接升降機構(gòu)通過液壓缸和液壓桿推動其張開或收縮,進而使前輪和后輪的支撐件圍繞輪中心同步旋轉(zhuǎn),來實現(xiàn)底盤升降。其中,升降機構(gòu)、地面仿形機構(gòu)、測距系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)為裝置于底盤的整個栽深自動控制系統(tǒng)組成部分,精準控制底盤升降。

1.后輪 2.地面仿形機構(gòu) 3.前輪 4.液壓系統(tǒng) 5.信號處理器 6、9.升降機構(gòu) 7.激光發(fā)射/接收器 8.液壓缸 10.機架

3.2 栽深自動控制系統(tǒng)

針對試驗機對山地壟體的適應(yīng)性不足的問題,增加栽深自動控制系統(tǒng),主要由地面仿形機構(gòu)、激光測距系統(tǒng)及液壓調(diào)節(jié)單元3部分組成。

1)栽深自動控制原理。安裝于底盤的地面仿形機構(gòu)根據(jù)壟面高低起伏產(chǎn)生相對于壟面垂直方向的高度差(即基準面與待測面之間相對高度差y),激光測距系統(tǒng)發(fā)射并接收激光信號,信號處理器和控制器對接收的信號進行實時處理和控制,最后輸出至工作端的液壓系統(tǒng)精準控制移栽機底盤升降,進而實現(xiàn)栽深控制。

2)激光測距系統(tǒng)原理。激光測距系統(tǒng)原理如圖6所示。

圖6 激光測距系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)主要包括激光發(fā)射/接收器、微控制器、信號處理、A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換、外端設(shè)備、信號放大器及工作端(電液伺服閥)。

系統(tǒng)采用激光直射式測距系統(tǒng)。根據(jù)文獻[10],地面仿形機構(gòu)在工作過程產(chǎn)生的高度差的計算公式為

y—仿形機構(gòu)在壟面作業(yè)高度差(mm);

l1—基準面到透鏡2的距離(mm);

l2—透鏡2 到接收器的距離(mm);

β—激光發(fā)射線與反射線在基準面夾角(°);

f—成像透鏡的焦距(mm)。

圖7為信號采集及栽深自動控制程序流程圖。

圖7 信號采集及栽深自動控制程序流程圖

栽深自動控制借助于單片機并采用C語言編程進行數(shù)據(jù)處理,通過檢測x值的變化,實時調(diào)節(jié)電液伺服閥的關(guān)閉,實現(xiàn)驅(qū)動液壓系統(tǒng)工作與停止。

3.3 栽植器

針對機具撕膜口過大的問題,通過栽植器結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化,減小撕膜口大小,栽植器鴨嘴結(jié)構(gòu)如圖8所示。撕膜口大小主要由鴨嘴尖寬L1和張開尺寸L2決定,根據(jù)文獻[11],為保證鴨嘴移栽過程中不傷苗、不掛苗且對基質(zhì)無破壞,需滿足尖寬L1≥14mm,考慮到鴨嘴葉壁對基質(zhì)的壓縮情況,取L1=30mm。

鴨嘴張開尺寸L2主要根據(jù)苗的基質(zhì)和苗冠的大小確定。根據(jù)文獻[11],要保證適應(yīng)苗冠大小,需滿足條件L2≥32mm;另一方面,張開尺寸L2過大,將使撕膜口過大,同時穴口變大,回土量減少,嚴重影響移栽苗的直立度。綜合考慮待栽辣椒苗苗冠、撕膜及回土問題,最終取L2=90mm。

圖8 鴨嘴左視圖與開合圖

4 結(jié)論

1)根據(jù)樣機試驗結(jié)果分析可知:移栽株距滿足150～450mm的標準要求,但與設(shè)定株距300mm偏差較大,穩(wěn)定性不足;栽深合格率80%,合格率偏低;撕膜口平均值139.2mm是移栽苗平均苗冠99.67mm的1.4倍,相對苗冠較大,保墑、保溫效果較差。

2)樣機丘陵山地作業(yè)適應(yīng)性分析表明:試驗樣機對山地不平整壟體、山地作業(yè)頻繁掉頭與過溝工況的適應(yīng)性較差。此外,該樣機株行距調(diào)節(jié)便捷性差,株距調(diào)節(jié)范圍有限,不適應(yīng)熟性集中辣椒的密植的需要。

3)試驗樣機的改進包括:手動底盤升降改為液壓自動控制;增設(shè)栽深自動控制系統(tǒng);栽植器鴨嘴設(shè)計為尖寬L1為20mm,張開尺寸L2為90mm。