蔬菜移栽機自動喂苗裝置關(guān)鍵部件設(shè)計與試驗

田素博 ，趙晨希 ，胡 熙 ，白曉虎 ，趙 萍 ，安紅艷 ，劉 旺 ，張京開

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學 工程學院，沈陽110161； 2.北京市農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定推廣站，北京100079）

蔬菜作為僅次于糧食的第二大農(nóng)作物，為我國農(nóng)村居民收入的提高做出巨大貢獻[1]。 目前我國蔬菜年種植面積穩(wěn)定在2000 萬hm2以上，年產(chǎn)量在7 億t 以上，已成為世界上最大的蔬菜生產(chǎn)國[2]。 為提高蔬菜種植的機械化程度，生菜、辣椒等作物在生產(chǎn)種植過程中均使用穴盤苗機械移栽方式進行，國外農(nóng)業(yè)機械自動化水平高且大面積農(nóng)場式種植模式使應(yīng)用大型自動機械完成移栽成為可能， 而適用于我國小規(guī)模生產(chǎn)實際的移栽機械在喂苗作業(yè)上仍主要采用人工進行[3-5]，生產(chǎn)勞動強度大、工作效率低且無法長時間連續(xù)作業(yè)，所以使用機械代替人工作業(yè)提高移栽機械化水平迫在眉睫[6-7]。

美國FRANK 等[8]設(shè)計了一種通過壓縮機產(chǎn)生的吸力作用下實現(xiàn)真空式取苗方式的取苗裝置，該裝置可以避免對苗坨的破壞，提高幼苗成活率。 韓國RYU 等[9]設(shè)計并改進了一種氣動取苗裝置，該裝置可以根據(jù)幼苗生長的方向控制苗爪夾取的位置并通過氣缸控制爪針完成抓取及喂入苗坨作業(yè)，避免了對苗坨的破壞。 目前，喂苗方式分為手工喂苗、半自動喂苗、全自動喂苗3 種類型，主要應(yīng)用于鉗夾式、鏈夾式、撓性圓盤式、吊杯式、導苗管式移栽機等[10-12]。 國外的喂苗自動化水平逐漸提高，但大部分應(yīng)用于大型移栽機械，并不適用于我國較小的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模現(xiàn)狀。

目前國內(nèi)農(nóng)業(yè)種植移栽環(huán)節(jié)使用中小型半自動蔬菜移栽機為主，但在喂苗環(huán)節(jié)仍采用人工進行[13-15]，為保證蔬菜種植質(zhì)量，提高移栽機械作業(yè)效率，必須使用機械自動作業(yè)代替人工實現(xiàn)喂苗自動化[16]。 目前我國在自動喂苗裝置的研制上剛剛起步，且設(shè)計出的自動喂苗裝置大多仍處于試驗階段，還未推廣應(yīng)用[17-18]。倪有亮[19]研制了一種苗夾式取苗爪，該取苗爪的夾桿在活塞控制下實現(xiàn)開合從而完成抓苗及放苗動作，既能防止苗坨的脫落又能避免對苗坨的損傷。 宋超[20]設(shè)計了一種取苗器采用單氣缸四取苗爪結(jié)構(gòu)形式，該取苗器結(jié)構(gòu)簡單，動作均采用氣缸控制，操作方便，使用壽命長。王進[21]設(shè)計的一種穴盤苗移栽機取苗裝置使用齒輪-凸輪連桿的純機械機構(gòu)實現(xiàn)取-投苗動作。耿偉濤[22]設(shè)計了一種取苗機械手，使用純機械結(jié)構(gòu)完成取苗動作，該機械手無需配備電機或氣缸，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。 目前已經(jīng)研制出的喂苗裝置中使用純機械結(jié)構(gòu)對零件加工工藝要求極高且喂苗性能不穩(wěn)定，常用的氣動驅(qū)動方式在戶外環(huán)境下不方便使用，綜合考慮本研究設(shè)計一種龍門臂式喂苗裝置并使用電機驅(qū)動來滿足工作要求。 配套移栽機選擇適用于我國移栽作業(yè)條件的日本井關(guān)PVHR2-H18 蔬菜移栽機，根據(jù)該機型的結(jié)構(gòu)尺寸、作業(yè)速度、投苗杯中心距以及該移栽機的工作環(huán)境等因素設(shè)計了為其配套使用的電動龍門臂式喂苗裝置來代替人工喂苗作業(yè)。

1 喂苗裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理分析

1.1 喂苗裝置設(shè)計的總體要求

該自動喂苗裝置為井關(guān)PVHR2-H18 蔬菜移栽機配套使用，該機型主要特點為精度高、工作穩(wěn)定，栽植效率高，可達到 3600 株·h-1，行距調(diào)節(jié)范圍為 300～500mm，并且可以實現(xiàn)精準調(diào)節(jié)[23]。 喂苗作業(yè)對象為 8×12 型128 穴穴盤生菜苗。 經(jīng)過實際測量，日本井關(guān)PVHR2-H18 蔬菜移栽機投苗杯的直徑為75mm，兩個投苗杯之間中心距為81mm；作業(yè)對象128 穴穴盤苗（長540mm×寬280mm×高43mm），每個穴孔寬32mm、深40mm。 根據(jù)以上參數(shù)，可得到該裝置中喂苗爪數(shù)量為8 個，對應(yīng)抓取每排穴孔，喂苗爪寬度對應(yīng)穴孔寬度為32mm，喂苗爪展開時中心距為對應(yīng)投苗杯中心距81mm。

1.2 喂苗裝置整體結(jié)構(gòu)及工作原理

為井關(guān)PVHR2-H18 蔬菜移栽機配套，結(jié)合工作過程和功能要求，設(shè)計了自動喂苗裝置（圖1），該裝置主要由喂苗臂、喂苗部件、喂苗臂水平傳動部件、喂苗臂垂直傳動部件、機架及控制箱六部分組成。

其工作過程為：在自動喂苗裝置開始工作前復位，8 個喂苗爪收攏到喂苗臂的右側(cè)，垂直傳動部件帶動喂苗臂及喂苗爪上升到垂直方向最高點，水平傳動部件帶動其他部件前進至喂苗爪到達投苗杯正上方；在自動喂苗裝置開始工作時，水平傳動部件帶動其他部件后退至喂苗爪到達穴盤第一排穴盤孔正上方，垂直傳動部件帶動喂苗臂及喂苗爪下降至喂苗爪爪針距離穴盤高度10mm 處， 隨后喂苗部件中電缸桿伸出推動喂苗爪爪針下降合攏抓取苗坨，然后垂直傳動部件帶動喂苗爪抓取苗坨上升使苗坨脫離穴盤，而后水平傳動部件工作，齒形帶帶動八個喂苗爪在固定鏈的配合下在喂苗臂上等距分散， 水平傳動部件前進至喂苗爪到達投苗杯正上方時，喂苗部件中電缸桿收回帶動喂苗爪爪針上升將苗坨投入到對應(yīng)的投苗杯當中， 而后八個喂苗爪再次收攏，同時垂直傳動部件下降回到原位， 完成一次喂苗作業(yè)；水平傳動部件再次后退至喂苗爪到達穴盤第2 排穴盤孔正上方，以此類推，完成整盤苗的喂苗作業(yè)并更換穴盤開始下一盤苗移栽。

2 自動喂苗裝置關(guān)鍵部件設(shè)計與選型

圖1 蔬菜移栽機自動喂苗裝置裝配圖Figure 1 Assembly drawing of automatic feeding device of vegetable transplanter

2.1 喂苗臂及配套傳動機構(gòu)設(shè)計與選型

2.1.1 喂苗臂總體結(jié)構(gòu)及工作原理 自動喂苗裝置設(shè)計時依據(jù)喂苗爪的抓取、喂入運動形式采用直角坐標形式，設(shè)計了水平、垂直傳動部件安裝位置的總體結(jié)構(gòu)布局并確定喂苗臂采用龍門式結(jié)構(gòu)方案，由水平傳動部件帶動喂苗臂實現(xiàn)水平方向移動，由垂直傳動部件帶動喂苗臂實現(xiàn)垂直方向移動。

喂苗臂的總體結(jié)構(gòu)如圖2，8 個喂苗爪在安裝在喂苗臂橫梁上，在控制其開合同步帶的帶動下進行水平往復運動。 工作時，一側(cè)軸箱頂端的直流電機帶動傳動軸上的同步帶輪轉(zhuǎn)動，分散時，左側(cè)第一個喂苗爪通過滑塊連接板、壓板與同步齒形帶緊密連接，隨同步齒形帶水平向左移動，其余喂苗爪在固定長度滾子鏈的拉動下分散運動到左側(cè)喂苗爪觸碰到限位開關(guān)時停止；收攏時，同步帶帶動左側(cè)喂苗爪水平向右移動，當觸碰到下一個喂苗爪時依次推動至左側(cè)喂苗爪觸碰到限位開關(guān)停止，其中到達穴盤頂端取苗位置時處于收攏狀態(tài)，電缸桿伸出帶動喂苗爪合攏從穴盤中抓取穴盤苗；到達投苗杯頂端時處于分散狀態(tài)，電缸桿收回帶動喂苗爪張開將穴盤苗喂入到投苗杯中。

圖2 喂苗臂裝配圖Figure 2 Assembly drawing of feeding arm

2.1.2 喂苗臂水平傳動部件設(shè)計選型 喂苗臂水平運動采用同步帶直線模組帶動， 喂苗爪最大位移為穴盤距投苗杯最遠一排穴孔與投苗杯間的中心距Ls=600mm，設(shè)定運行時間約為1．5s，其中模組啟動和停止時間分別為0．25s，則同步帶直線模組平均移動速度為：

水平傳動同步帶直線模組總牽引力為：

式中：m 為單側(cè)水平傳動同步帶直線模組牽拉總質(zhì)量，取20kg；a 為加速度，取2．4m·s-2；μ 為金屬之間有潤滑滑動摩擦系數(shù)，取 0．1。

模組中同步帶設(shè)計功率為：

式中：KA為工作情況系數(shù)，取 1．3；η 為帶傳動效率，取 0．98。

式中：bs0為同步帶基本寬度，取 40mm；KL為帶長系數(shù)，取 0．95；KZ為嚙合齒數(shù)系數(shù)，取 1；P0為齒形帶基本額定功率，取 1．51kW。

同步帶額定功率為：

本研究水平傳動同步帶直線模組所選齒形帶設(shè)計功率Pd=5．38×10-2kW≤Pr，故選擇14M 圓弧齒形帶，帶寬40mm。

2.1.3 喂苗臂垂直傳動部件設(shè)計選型 垂直傳動所使用的滾珠絲杠直線模組的作用主要是將電機輸送的動力轉(zhuǎn)化成絲杠軸向運動，實現(xiàn)垂直方向喂苗臂的上升及下降，井關(guān)移栽機一組投苗杯轉(zhuǎn)動時間為8s，即自動喂苗裝置喂苗一次工作循環(huán)為8s，垂直方向上升及下降分配的時間為1．5s，絲杠傳動有效行程為60mm，則絲杠軸向最大速度vmax=40mm·s-1=2400mm·min-1，滾珠絲杠副最大相對速度nmax=250r·min-1，假定機械臂重量為10kg，絲杠受力F1=Mg=98N。 絲杠導程為：

根據(jù)計算結(jié)果及垂直傳動滾珠絲杠直線模組工作條件，取絲杠導程為10mm。

裝置阻力主要來源于導軌、滑塊摩擦力，則滾珠絲杠副當量轉(zhuǎn)速及當量載荷為：

式中：M 為工件質(zhì)量，為10kg；f 為導軌滑塊密封阻力，按2 個滑塊，每個滑塊密封阻力3N，取f=6N。

式中：Ls為預期運行距離，一般取 Ls=25×103m；fa為精度系數(shù)，2 級精度取 fa=1；fc為可靠系數(shù)，一般取 fc=1。

按照滾珠絲杠副Ph、d2m、Cam選擇內(nèi)循環(huán)雙螺母式滾珠絲杠，型號為SFV1610-4，精度等級2 級。 絲杠基本導程Ph=10mm，額定動載荷Ca=1008N＞Cam，額定靜載荷Cao=2161N，滿足設(shè)計要求。

2.1.4 喂苗爪水平開合傳動齒形帶設(shè)計選型 喂苗爪水平開合傳動也用同步齒形帶控制， 根據(jù)實際運動過程可知左側(cè)喂苗爪在合攏與分散狀態(tài)下的最大位移量、 受力情況及運動時間可計算齒形帶設(shè)計功率為Pd=1．56×10-2kW， 根據(jù)要求查JB/T 7512．3-1994 中表8 確定選用同步帶帶寬bs=9mm。 再計算同步帶額定功率Pr 為0．21kW，查 JB/T 7512．3-1994 中表 8 得 P0=0．174kW。 因為所選齒形帶設(shè)計功率 Pd=1．56×10-2kW≤Pr，符合設(shè)計原則，故選擇5M 圓弧齒形帶，帶寬9mm 合理。

2.2 喂苗爪結(jié)構(gòu)設(shè)計

喂苗爪在抓取苗坨的過程中既要保證在運行過程中苗坨不會掉落又要保證在抓取苗坨時不破壞其完整性，所以要求喂苗爪爪針在抓取苗坨時既要有一定的剛性來抓緊苗坨又要有一定的彈性保證苗坨不被破壞。通過查閱文獻所知，若要提起穴盤苗苗坨，喂苗爪爪針結(jié)構(gòu)至少要使用二指結(jié)構(gòu)，這樣既可以節(jié)省空間，又可使喂苗爪機構(gòu)簡單易于操作； 針對井關(guān)移栽機的作業(yè)環(huán)境，在喂苗爪爪針開合動力選擇上使用伸縮電缸作為動力部件控制全部喂苗爪的開合。 綜上所述，喂苗爪的整體結(jié)構(gòu)由推苗桿、上下固定塊、直線軸承、伸縮桿、固定板、推苗柱、喂苗針、彈簧組成（圖3）。

3 蔬菜移栽機自動喂苗裝置性能試驗

圖3 喂苗爪裝配圖Figure 3 Assembly drawing of feeding claw

3.1 試驗條件及方法

為測試蔬菜移栽機自動喂苗裝置的整體性能，進行與移栽機配套的田間試驗， 試驗于2019 年11 月在北京市郊區(qū)的葉菜生產(chǎn)基地進行，試驗設(shè)備為：東風井關(guān)PVHR2 蔬菜移栽機、自動喂苗裝置樣機、高精度土壤含水率檢測儀、游標卡尺等。 試驗對象選擇128 穴的生菜苗，試驗現(xiàn)場如圖4。 通過試驗發(fā)現(xiàn)，喂苗裝置工作時投苗的成功率幾乎百分之百，因此喂苗的成功率由取苗效果決定， 故對喂苗裝置作業(yè)性能有直接影響的因素包括：穴盤苗基質(zhì)含水率、穴盤苗苗齡以及喂苗爪入土角度。穴盤苗基質(zhì)含水率較低，穴盤苗苗坨松散，抓取時易造成苗坨破碎，前期試驗表明穴盤苗基質(zhì)含水率范圍為35%～45%時抓取時不容易破碎； 苗齡較短的穴盤苗根須不發(fā)達，苗坨成坨效果不理想，苗齡較長的穴盤苗葉片較大，抓取過程中容易造成破壞，影響生菜生長，因此穴盤苗苗齡為20～30d 為宜；喂苗爪入土角度過小，喂苗爪無法抓住苗坨，喂苗爪入土角度過大，容易將苗坨夾散，因此設(shè)計喂苗爪入土角度范圍為8°～12°。 因素水平表如表1，按照試驗要求選擇不同參數(shù)的穴盤生菜苗并調(diào)整喂苗爪入土角度，每組試驗重復3 次。

3.2 試驗指標

該裝置主要作業(yè)目的是抓取穴盤內(nèi)生菜苗并喂入到移栽機投苗杯中，選擇試驗指標為喂苗裝置喂苗成功率。衡量喂苗是否成功的標準是把生菜穴苗從穴盤中取出，苗坨不松散，并準確投入到對應(yīng)移栽機的投苗杯中。

3.3 試驗結(jié)果與分析

試驗方案和結(jié)果如表2，方差分析如表3。根據(jù)方差分析結(jié)果可得，影響喂苗裝置喂苗成功率的主要因素是穴盤苗基質(zhì)含水率和喂苗爪入土角度，并且影響顯著主次順序為A＞C。由表3 可知，喂苗成功率最優(yōu)組合為A3B1C2，穴盤苗苗齡的極差與誤差項極差相差不大，說明穴盤苗生長時間對喂苗裝置作業(yè)效果影響不大，即喂苗成功率與穴盤苗苗齡無關(guān)。 在光照、養(yǎng)分以及水分不同的情況下，每個生菜穴盤苗在生長過程中的情況均不相同，因此穴盤苗苗齡對喂苗成功率影響不大，本試驗分析中穴盤苗苗齡影響較小，符合要求。

圖4 蔬菜移栽機自動喂苗裝置田間試驗Figure 4 Field experiment on automatic feeding device of vegetable transplanter

表1 喂苗爪喂苗試驗因素水平Table 1 Factors and levels of the experiment of feeding with claw

表2 喂苗爪喂苗試驗方案和結(jié)果Table 2 Scheme and results of the experiment of feeding with claw

表3 正交試驗方差分析Table 3 Variance analysis result of orthogonal test

4 討論與結(jié)論

隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動力的減少以及我國農(nóng)業(yè)機械化水平的不斷提高， 在移栽作業(yè)方面越來越多人選擇使用機械代替人工作業(yè)，但適用于我國移栽作業(yè)現(xiàn)狀的中小型移栽機多為半自動機型，在喂苗作業(yè)環(huán)節(jié)大多仍采用人工進行，人工投喂苗頻率極大限制了移栽機工作效率且人工長期連續(xù)作業(yè)很難保證喂苗不遺漏。 因此，在半自動移栽機上加裝自動喂苗裝置，減少喂苗移栽作業(yè)用工，已成為影響蔬菜生產(chǎn)全程機械化的瓶頸問題，亟待解決。 在動力選擇上， 目前已研制出的配套移栽機喂苗動力使用氣電混合作為動力并在溫室或冷棚中作業(yè)，作業(yè)環(huán)境較好，但在大田移栽作業(yè)中不方便提供持續(xù)穩(wěn)定的氣動動力源。 同時為無人遠程操作提供方便，該自動喂苗裝置采用體積較小、安裝方便的鋰電池作為唯一動力源，方便配套安裝在現(xiàn)有汽油機為動力的移栽機上。

因此，本研究配套的移栽機選擇生產(chǎn)中常用的井關(guān)PVHR2-H18 蔬菜移栽機，根據(jù)其尺寸參數(shù)、作業(yè)環(huán)境以及作業(yè)要求，設(shè)計開發(fā)了為其配套的自動喂苗裝置。 該裝置可實現(xiàn)自動抓取并向喂苗杯中喂入生菜穴盤苗，代替人工投苗作業(yè)，大大提高移栽作業(yè)效率，降低生產(chǎn)成本，使全面提升蔬菜移栽機械化和無人化生產(chǎn)成為可能。

研制的移栽機自動喂苗裝置主要由喂苗臂、喂苗爪、喂苗臂水平和垂直傳動部件以及控制部分組成，可實現(xiàn)128 穴蔬菜穴盤苗逐排依次抓取并按一定的次序和時間要求連續(xù)喂入到對應(yīng)移栽機投苗杯中。 本研究試制了喂苗裝置樣機并完成了驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計調(diào)試，以穴盤苗基質(zhì)含水率、穴盤苗苗齡和喂苗爪入土角度為3個可變因素及以喂苗成功率為試驗指標對蔬菜移栽機自動喂苗裝置進行正交試驗，試驗結(jié)果表明，影響喂苗裝置喂苗成功率的主要因素為穴盤苗基質(zhì)含水率和喂苗爪入土角度，穴盤苗苗齡對喂苗成功率影響很小，兩主要影響因素的主次順序為穴盤苗基質(zhì)含水率＞喂苗爪入土角度。 喂苗裝置工作較優(yōu)參數(shù)組合為穴盤苗基質(zhì)含水率45%和喂苗爪入土角度10°，喂苗成功率92．3%，滿足移栽機作業(yè)的技術(shù)要求。