自走式高密度智能辣椒移栽機(jī)的研制

吳彥強(qiáng),侯加林,黃圣海,馬根眾,董太新,朱月浩

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院,山東 泰安 271018;2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 泰安 271018;3.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站,濟(jì)南 250013;4.諸城瀚泰機(jī)械科技有限公司,山東 諸城 261000)

0 引言

辣椒是一種茄科辣椒屬植物,原產(chǎn)于中南美洲熱帶地區(qū),明代末期經(jīng)絲綢之路引入我國(guó)[1-2]。2017年,全國(guó)辣椒種植面積超過(guò)133萬(wàn)hm2,已經(jīng)成為我國(guó)種植面積最大的蔬菜作物。山東省是我國(guó)辣椒主產(chǎn)地之一,近年來(lái)制干加工型辣椒產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,在德州、濰坊、濟(jì)寧等地形成了規(guī)?；N植、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的良好態(tài)勢(shì),加工型辣椒已成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民增收致富的重要經(jīng)濟(jì)作物。

傳統(tǒng)辣椒種植主要采用穴盤育苗移栽方式[3-6],可以縮短辣椒生育期,有效避免早春低溫、倒春寒等自然災(zāi)害影響,保證栽植統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和大小的秧苗,還能有效預(yù)防病蟲(chóng)害。目前,辣椒移栽機(jī)主要為人工投苗、鴨嘴栽植的半自動(dòng)移栽機(jī)[7-8],如美國(guó)Kennco制造公司床式移栽機(jī)、美國(guó)Checchi &Magli牽引式多行移栽機(jī)、意大利Ferrari公司的F-MAX系列移栽機(jī)、東風(fēng)井關(guān)PVH1系列移栽機(jī)、富來(lái)威2ZBX系列移栽機(jī)及華龍機(jī)械2ZBLZ系列移栽機(jī)等。受限于人工作業(yè)速度和鴨嘴栽植器特殊結(jié)構(gòu),半自動(dòng)移栽機(jī)作業(yè)效率較低,每行栽植效率不超過(guò)50株/min。為了解決半自動(dòng)移栽機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率不高的問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外公司、高校和科研院所對(duì)全自動(dòng)移栽技術(shù)進(jìn)行了攻關(guān)。國(guó)外方面,意大利Ferrari公司研制了FUTURA TWIN系列全自動(dòng)移栽機(jī),采用氣動(dòng)機(jī)械手取苗只需1人喂入苗盤。澳大利亞Transplant Systems公司研制了全自動(dòng)移栽機(jī),1次最多種植18行,最大種植效率可達(dá)30 000株/h。日本YANMAR公司研制了PF2R、PW10系列全自動(dòng)移栽機(jī),適合小地塊作業(yè)。國(guó)內(nèi)方面,南通富來(lái)威農(nóng)業(yè)裝備有限公司研制了自走式蔬菜穴盤苗全自動(dòng)移栽機(jī),穴盤平直輸送,機(jī)械手整排取苗、投苗分苗。倪有亮等[9]設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)移栽機(jī)取送苗系統(tǒng),可以將缽盤中取出的苗輸送至栽植器。魏新華等[10]設(shè)計(jì)了一套穴盤苗全自動(dòng)移栽機(jī)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),苗盤橫向進(jìn)給和取苗機(jī)械手縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)分別由步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),取苗機(jī)械手取/放苗動(dòng)作和喂苗動(dòng)作由氣動(dòng)部件控制,但該系統(tǒng)取苗效率有待進(jìn)一步提高。李華等[11]研制了全自動(dòng)蔬菜穴盤苗鋪膜移栽機(jī),可實(shí)現(xiàn)整形開(kāi)溝、鋪設(shè)地膜與滴灌帶、自動(dòng)移栽及覆土鎮(zhèn)壓等功能,移栽合格率為93.4%。王永維等[12]設(shè)計(jì)了移栽參數(shù)可調(diào)的栽植器試驗(yàn)臺(tái),基于該試驗(yàn)臺(tái)研究了高速移栽條件下移栽速度、特征參數(shù)和吊杯傾角對(duì)栽植器移栽性能的影響規(guī)律,并基于研制的旱地蔬菜缽苗自動(dòng)移栽機(jī),對(duì)其不同植苗頻率時(shí)的栽植性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。國(guó)外全自動(dòng)移栽機(jī)價(jià)格昂貴且不適合我國(guó)種植農(nóng)藝要求,國(guó)內(nèi)全自動(dòng)移栽機(jī)仍處于關(guān)鍵技術(shù)理論研究和樣機(jī)試驗(yàn)階段。

本文從農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合角度入手,針對(duì)山東地區(qū)旱地辣椒生產(chǎn),提出新型種植模式,研制具有開(kāi)溝、取苗、栽植、覆土功能的自走式高密度智能辣椒移栽機(jī)。

1 辣椒種植模式

1.1 傳統(tǒng)種植模式

山東地區(qū)辣椒多采用春秋茬栽培,4月中下旬定植,8月下旬開(kāi)始收獲,10月上旬收獲結(jié)束;栽培方式采用平畦或壟作栽培,行距40～60cm,株距25～35cm;不同辣椒品種種植密度不同,一般每667m2種植4 000～6 000株[13-14]。

1.2 高密度種植模式

傳統(tǒng)“一年一作”種植模式土地利用率低,影響農(nóng)民收益,因此提出探索建立“大蒜(或小麥)+辣椒”新型輪作種植模式,改變當(dāng)前山東地區(qū)辣椒春播秋收為主的一年一作傳統(tǒng)種植方式。通過(guò)培育毯狀辣椒苗(見(jiàn)圖1)進(jìn)行高密度移栽的作業(yè)方式,補(bǔ)償辣椒晚播對(duì)產(chǎn)量造成的損失。辣椒種植采用平畦或壟作栽培,行距30cm,株距10～21cm,每667m2種植10 000株以上。

圖1 課題組所育毯狀辣椒苗Fig.1 The blanket pepper seedlings

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

自走式高密度智能辣椒移栽機(jī)包括自走式底盤、懸掛裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、栽植裝置、移盤裝置、開(kāi)溝裝置、覆土裝置、調(diào)平裝置和智能控制系統(tǒng)等,如圖2所示。自走式底盤為水稻自走式插秧機(jī)底盤,采用HST無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)。

1.底盤 2.載苗臺(tái) 3.保持架 4.送苗帶 5.滑槽 6.覆土盤支架 7.仿形彈簧 8.覆土盤 9.行星齒輪箱 10.取苗爪 11.開(kāi)溝器護(hù)板 12.開(kāi)溝器 13.萬(wàn)向節(jié) 14.懸掛裝置圖2 自走式高密度智能辣椒移栽機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure of self-propelled high-density intelligent pepper transplanting machine

2.2 工作原理

工作時(shí),人工首先將毯狀辣椒苗放入到載苗臺(tái)上,并使用保持架壓住基質(zhì),防止秧苗移動(dòng)。底盤HST無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)通過(guò)萬(wàn)向節(jié)將動(dòng)力分別傳到后方栽植裝置和移盤裝置,移盤裝置實(shí)現(xiàn)載苗臺(tái)的左右往復(fù)移動(dòng)和毯狀辣椒苗的縱向間歇進(jìn)給;栽植裝置取苗爪沿特定的取苗軌跡從載苗臺(tái)上重復(fù)取苗,同時(shí)開(kāi)溝器開(kāi)溝; 取苗爪在運(yùn)動(dòng)軌跡最下方將秧苗插入開(kāi)溝裝置開(kāi)出的溝中,隨后覆土鎮(zhèn)壓裝置覆土并將辣椒苗兩側(cè)土塊壓實(shí),完成整個(gè)工作過(guò)程。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)

外形尺寸/mm:3 660×2 595×2 330

整機(jī)質(zhì)量/kg:950

配套動(dòng)力/kW:20

栽植行數(shù)/行:6

行距/mm:300

株距/mm:100～210

栽植深度/mm:30～100

倒伏率/%:≤7

傷苗率/%:≤5

漏栽率/%:≤5

重栽率/%:≤

3 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

3.1 栽植裝置設(shè)計(jì)

栽植裝置包括取苗爪、行星齒輪箱、秧針、推苗器等,整個(gè)栽植過(guò)程由取苗、夾持輸送、插苗和回位4個(gè)步驟組成。工作時(shí),取苗爪的秧針插入毯狀辣椒苗基質(zhì)后進(jìn)行取苗,取苗爪在行星齒輪箱帶動(dòng)下沿取苗運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)行到最下方,取苗爪推苗器動(dòng)作將辣椒苗從秧針上面推出插入土壤,隨后推苗器復(fù)位,取苗爪回位,繼續(xù)進(jìn)行下個(gè)栽植過(guò)程。為了保證栽植過(guò)程中取苗爪取苗時(shí)精準(zhǔn)低損取苗、快速推苗和取苗爪迅速回位,栽植裝置運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)成“腰子”形狀[15],如圖3所示。

1.秧針 2.推苗器 3.行星齒輪箱圖3 栽植裝置取苗運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖Fig.3 Dynamic trajectory diagram of the planting device of the pepper transplanting machine

3.2 移盤裝置設(shè)計(jì)

移盤裝置的作用是實(shí)現(xiàn)毯狀辣椒苗縱向和橫向不間斷的進(jìn)給,保證栽植裝置取苗爪連續(xù)取苗,主要包括載苗臺(tái)、保持架、滑槽、雙螺旋軸[16-17]、撥叉、六方軸及送苗帶等,如圖4所示。

1.載苗臺(tái) 2.保持架 3.覆土盤支架 4.覆土盤 5.滑槽 6.六方軸 7.帶輪 8.送苗帶 9.雙螺旋軸 10.滑塊 11.機(jī)架 12.調(diào)平裝置圖4 移盤裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the plate shifting device

其中,滑槽固定在機(jī)架上,載苗臺(tái)可沿滑槽左右擺動(dòng),雙螺旋軸通過(guò)滑塊與載苗臺(tái)連接,雙螺旋軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滑塊往復(fù)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)橫向移盤。機(jī)器右側(cè)與雙螺旋軸同軸安裝有撥叉,六方軸上設(shè)有凸臺(tái),每當(dāng)取完1整排毯狀辣椒苗,撥叉會(huì)碰到凸臺(tái)。此時(shí),六方軸旋轉(zhuǎn)帶輪旋轉(zhuǎn)一定角度,進(jìn)而使送苗帶動(dòng)作,從而實(shí)現(xiàn)毯狀辣椒苗縱向進(jìn)給。

3.3 開(kāi)溝覆土裝置設(shè)計(jì)

開(kāi)溝器作用是為取苗爪所取辣椒苗開(kāi)出合適的壟溝且在取苗爪放苗之前避免壟溝兩側(cè)土塊滾落到壟溝內(nèi)。本文采用如圖5所示的雙圓盤開(kāi)溝器,在開(kāi)溝器后方連接有護(hù)板,形成25°～35°夾角,以保護(hù)壟溝在辣椒苗栽植之前不受破壞。覆土盤的作用是對(duì)栽植到壟溝中的辣椒苗覆土并將辣椒苗周圍土壤壓實(shí),覆土量和覆土鎮(zhèn)壓力可調(diào)整,土壤緊實(shí)度高,保證了秧苗成活率。

1.覆土盤支架 2.仿形彈簧 3.覆土盤 4.開(kāi)溝器護(hù)板 5.開(kāi)溝器圖5 開(kāi)溝覆土裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of Ditching and covering device

3.4 智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能控制系統(tǒng)包括載苗臺(tái)平衡控制及缺苗報(bào)警控制等。為保證載苗臺(tái)始終與地面平行及栽植效果,采用JCQJ-01-P2-90-G3傾角傳感器監(jiān)測(cè)載苗臺(tái)狀態(tài),并將平衡信號(hào)傳遞給PLC;PLC做出判斷后通過(guò)電磁閥調(diào)整平衡油缸動(dòng)作,使載秧盤始終保持水平,保證秧苗栽植深度一致;缺苗傳感器(限位開(kāi)關(guān))用于檢測(cè)載秧盤上辣椒苗是否少于設(shè)定數(shù)量,缺苗時(shí)PLC控制缺苗等閃爍并發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警信號(hào),提示工作人員及時(shí)補(bǔ)充秧苗。

4 性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于2018年9月30日在諸城瀚泰機(jī)械科技有限公司林家村鎮(zhèn)試驗(yàn)田進(jìn)行,采用毯狀辣椒苗為試驗(yàn)對(duì)象,平均株高160mm,基質(zhì)含水率32%。試驗(yàn)地進(jìn)行了耕翻整地,地表平整,土壤含水率為17%,滿足試驗(yàn)條件。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

圖6 樣機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.6 Field experiment of the transplanting machine

4.2 試驗(yàn)方法和結(jié)果分析

試驗(yàn)按照《JB/T 10291-2013旱地栽植機(jī)械》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[18]進(jìn)行。樣機(jī)首先進(jìn)行試運(yùn)行,調(diào)整栽植株距為16cm,栽植深度為5cm;隨后任意選定3行將毯狀辣椒苗放入載苗臺(tái),并用保持架壓好等待試驗(yàn)。機(jī)器每次試驗(yàn)行走30m,作業(yè)后在每行隨機(jī)選取長(zhǎng)度為15m的測(cè)定段,測(cè)定段內(nèi)設(shè)計(jì)株數(shù)為95株,統(tǒng)計(jì)測(cè)定段內(nèi)的漏栽、重栽、倒伏、傷苗、埋苗的株數(shù)及合格植株的株距和栽植深度,記錄數(shù)據(jù)后分別計(jì)算漏栽率、重栽率、倒伏率、傷苗率、埋苗率、栽植合格率、株距變異系數(shù)及栽植深度合格率等指標(biāo)。重復(fù)試驗(yàn)3次,取其平均值,結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of the transplanting experiment

由表1可知:該辣椒移栽機(jī)可以較好地實(shí)現(xiàn)高密度栽植,且栽植株距穩(wěn)定。當(dāng)設(shè)定株距為16cm時(shí),株距變異系數(shù)為4.1%,整體栽植合格率為91.4%,能滿足實(shí)際使用需求。

5 結(jié)論

1)提出了基于農(nóng)機(jī)農(nóng)藝相融合的高密度辣椒栽培模式,設(shè)計(jì)了自走式高密度智能辣椒移栽機(jī)。該機(jī)可實(shí)現(xiàn)6行辣椒同時(shí)移栽,一次完成開(kāi)溝、自動(dòng)送苗、自動(dòng)取苗、自動(dòng)栽植及覆土等功能,只需1人操作,可有效提高栽植速度、降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

2)田間試驗(yàn)結(jié)果表明:該機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求,株距變異系數(shù)小,栽植深度合格率高,作業(yè)效果穩(wěn)定,符合設(shè)計(jì)要求。