高 芳，李洪昌

(常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的不斷進(jìn)步與發(fā)展，水果、蔬菜及其他農(nóng)副產(chǎn)品的機(jī)械化栽植機(jī)具亦不斷向新型化、自動(dòng)化方向推進(jìn)。查閱相關(guān)文獻(xiàn)表明：一方面，我國(guó)已有多種農(nóng)作物的栽植機(jī)產(chǎn)生，學(xué)者普遍針對(duì)機(jī)械化農(nóng)機(jī)本體進(jìn)行研究改進(jìn)；另一方面，蔬菜栽植作為我國(guó)農(nóng)作物核心產(chǎn)業(yè)，為減低農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度、提高蔬菜栽植效率，本文側(cè)重考慮蔬菜秧苗栽植質(zhì)量的影響因素，通過了解蔬菜作物生長(zhǎng)的本體環(huán)境與主要農(nóng)藝技術(shù)要求，從提高秧苗種植直立程度的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了蔬菜栽植機(jī)的核心功能部件，并研究了蔬菜機(jī)械化生產(chǎn)對(duì)秧苗栽植質(zhì)量的影響。

1 栽植機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

蔬菜栽植機(jī)性能衡量指標(biāo)主要有缽苗栽植的均勻程度、栽植直立程度及植入土壤深度合格程度等，其結(jié)構(gòu)主要包括鏈?zhǔn)?、盤式及導(dǎo)管式等，如圖1所示。結(jié)合蔬菜栽植機(jī)的工作原理(見圖2)可知：在動(dòng)力牽引裝置作用下，蔬菜栽植機(jī)行進(jìn)并在整機(jī)控制系統(tǒng)及機(jī)械裝置配合之下依次進(jìn)行取苗、輸送和栽植等環(huán)節(jié)，栽植環(huán)節(jié)完畢后進(jìn)行施肥、覆土、鎮(zhèn)壓等動(dòng)作，完成蔬菜栽植過程。

圖1 蔬菜移植機(jī)外形圖Fig.1 The contour diagram of the vegetable transplanter

蔬菜栽植機(jī)作業(yè)核心參數(shù)如下：

牽引裝置功率/kW：≥15

栽植平均入土深度范圍/cm：5～11

株距控制范圍/cm：22～75

行距控制范圍/cm：30～55

栽植效率/min：≥45

2 核心部件設(shè)計(jì)與改進(jìn)

2.1 分揀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)蔬菜栽植機(jī)的工作原理，針對(duì)其分揀缽苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分揀模塊的核心執(zhí)行部件為并排的多個(gè)夾爪。夾爪的速度與力度由整機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出指令，在多個(gè)氣缸的活塞推動(dòng)下工作。利用軟件繪制分揀模塊的三維模型圖，并通過結(jié)構(gòu)選型及應(yīng)力強(qiáng)度分析，得出最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)與組合比例，如圖3所示。鑒于分揀模塊分為獲取缽苗與投入缽苗至料斗兩大步驟， 各自針對(duì)作業(yè)環(huán)節(jié)進(jìn)行模塊智能控制，融入PLC控制更為精準(zhǔn)和快速。

圖3 蔬菜栽植機(jī)分揀模塊三維模型圖Fig.3 3D model figure of the sorting module of the vegetable transplanter

2.2 栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

栽植機(jī)構(gòu)是蔬菜栽植機(jī)的核心執(zhí)行部件之一，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于提高蔬菜秧苗栽植質(zhì)量及產(chǎn)量起關(guān)鍵性作用。為保證蔬菜栽植機(jī)在作業(yè)過程中地膜的完好性及栽植秧苗的準(zhǔn)確性，對(duì)料斗出料端的尖角部位重點(diǎn)設(shè)計(jì)，圖4為栽植模塊設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖。工作時(shí)，主要依靠凸輪進(jìn)行運(yùn)動(dòng)傳遞給曲柄，從而控制料斗的運(yùn)動(dòng)。對(duì)其破膜打孔的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤并經(jīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可得

R+L-h=Rcosθd+Lcosθ′

(1)

式中θd—栽植機(jī)構(gòu)栽植瞬間曲柄與料斗的夾角(rad)；

θ’—栽植機(jī)構(gòu)接觸土壤時(shí)曲柄與料斗的夾角(rad)；

R—曲柄長(zhǎng)度(m)；

L—料斗尖端與中心線的間距(m)；

h—秧苗的植入土壤的深度(m)；

v—牽引裝置速度(m/s)；

t—時(shí)間(s)；

x—水平方向位移(m)；

y—垂直方向位移(m)；

ω—主動(dòng)曲柄運(yùn)動(dòng)角速度(rad/s)。

按照如上運(yùn)動(dòng)規(guī)律結(jié)合凸輪曲線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)，選定各個(gè)部件尺寸及配合標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)栽植機(jī)構(gòu)的打孔環(huán)節(jié)，以保證精確的直立角度，使得水平方向運(yùn)動(dòng)偏移誤差降至最低，可有效提高栽植率，減少不必要的影響栽植效果的問題產(chǎn)生，如地膜被破壞、被帶起等。

圖4 蔬菜栽植機(jī)栽植模塊設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖Fig.4 Design simple figure of the planting module of the vegetable transplanter

2.3 智能控制部件設(shè)計(jì)

蔬菜栽植實(shí)現(xiàn)高效作業(yè)控制核心在于電子、自動(dòng)化技術(shù)的融入，從自動(dòng)分揀、及時(shí)送苗到栽植部件軌跡的不斷調(diào)整，較高程度的自動(dòng)蔬菜栽植，可有效保證秧苗栽植質(zhì)量。圖5為補(bǔ)苗模塊的邏輯控制簡(jiǎn)圖。在栽植階段，為保證秧苗直立度，對(duì)栽植部件的植入土壤角度進(jìn)行智能調(diào)整，應(yīng)用核心算法于其中，控制簡(jiǎn)圖如圖6所示。同時(shí)，應(yīng)針對(duì)給定的入土角度考慮交叉變異與適應(yīng)度參數(shù)控制要求。

圖5 蔬菜栽植機(jī)補(bǔ)苗模塊邏輯控制簡(jiǎn)圖Fig.5 The logic control diagram of the refill module of the vegetable transplanter

圖6 核心算法應(yīng)用栽植部件控制圖Fig.6 The control chart of the core algorithm in the planting parts

3 栽植質(zhì)量影響因素分析

3.1 分揀階段影響因素

秧苗在分揀階段的主要工作是將蔬菜秧苗均勻、一致地送入傳送裝置。根據(jù)分揀裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在預(yù)先編制的控制程序之下執(zhí)行分揀動(dòng)作，分揀階段保證秧苗的完好率。表1列出分揀裝置的均勻度指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)。由表1可知：其可行性好，抓取裝置的作用力適宜，可較好地保持秧苗的完好。

表1 蔬菜栽植機(jī)分揀均勻度指標(biāo)測(cè)試
Table 1 Sorting evenness index test of the vegetable transplanter

序號(hào)評(píng)價(jià)指標(biāo)/%測(cè)試數(shù)據(jù)1株距均勻度94.22重復(fù)分揀率0.683秧苗漏揀率3.194綜合分揀均勻度98

3.2 傳送階段影響因素

傳送機(jī)構(gòu)主要由傳送軸、導(dǎo)苗部件及扶苗部件等構(gòu)成。工作時(shí)，秧苗經(jīng)分揀完成后在傳送軸動(dòng)力控制下，通過栽植機(jī)的導(dǎo)苗部件進(jìn)入栽植機(jī)構(gòu)，植入土壤。傳送裝置在整個(gè)栽植環(huán)節(jié)起到承上啟下連接作用，便于蔬菜秧苗根部精準(zhǔn)直立狀態(tài)下被植入土壤，利于提高蔬菜秧苗移栽的存活率及蔬菜收獲產(chǎn)量等。此環(huán)節(jié)對(duì)于秧苗栽植質(zhì)量的影響因素主要表現(xiàn)為：

1)傳送到導(dǎo)苗執(zhí)行部件中的蔬菜秧苗應(yīng)當(dāng)保持高的直立程度。

2)傳送軸應(yīng)保證傳送平穩(wěn)，保證傳送裝置部件間的尺寸大小與配合間隙等的協(xié)調(diào)性。

3)扶苗器的結(jié)構(gòu)及安裝位置準(zhǔn)確，對(duì)蔬菜秧苗傾斜的扶正及時(shí)。

3.3 栽植階段影響因素

蔬菜栽植機(jī)栽植階段對(duì)秧苗栽植生長(zhǎng)及最終產(chǎn)量影響較為顯著。栽植階段的影響因素主要考慮植入深度的一致性、覆土的厚度適宜性及間距的合理性等。針對(duì)某一特征參數(shù)進(jìn)行因素分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 蔬菜栽植影響因素曲線圖Fig.7 Influence factors diagram of the vegetable planting

由圖7可知：蔬菜栽植機(jī)的栽植速度、特征參數(shù)與栽植角度的關(guān)系存在一個(gè)最優(yōu)解范疇，極值點(diǎn)均位于[-0.6,0.6]范圍內(nèi)。當(dāng)栽植角度的編碼值為-0.6(實(shí)際植入缽苗角度為87.2°)時(shí)，蔬菜栽植的直立程度可達(dá)到最大值，約為95.5%左右。

3.4 外界適應(yīng)性條件影響

蔬菜栽植機(jī)在實(shí)際作業(yè)過程中，田間的土壤及地形條件對(duì)于秧苗栽植質(zhì)量有著重要性影響。因此，對(duì)于外界適應(yīng)性條件要求如下：

1)蔬菜栽植地要求土壤硬度適中，利于栽植機(jī)構(gòu)的快速、準(zhǔn)確栽植。

2)蔬菜栽植地的土壤整體地形坡度應(yīng)不大于12°，保證蔬菜栽植機(jī)能夠全效發(fā)揮其移栽作用。

3)栽植速度在牽引裝置控制下保持適中。

表3 蔬菜移植機(jī)測(cè)試參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Test parameter statistics of the vegetable transplanter

同時(shí)，給出試驗(yàn)蔬菜秧苗的尺寸參數(shù)(見表2)，并對(duì)其直觀性能參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表3所示。試驗(yàn)設(shè)置200株的栽植量，栽植角度與合格指數(shù)、倒伏指數(shù)之間存在一定內(nèi)在聯(lián)系，擬優(yōu)化栽植裝置后可有效提升秧苗栽植優(yōu)良指數(shù)，并控制秧苗倒伏指數(shù)在6%范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論

1)在深刻了解當(dāng)前蔬菜機(jī)械化生產(chǎn)的發(fā)展?fàn)顩r基礎(chǔ)上，對(duì)蔬菜栽植機(jī)的工作核心機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，主要包括分揀模塊、栽植模塊和相關(guān)智能控制部件。

2)通過利用擬設(shè)計(jì)的蔬菜栽植機(jī)，從機(jī)體本身和外界適應(yīng)性條件兩大方面針對(duì)影響因素進(jìn)行分析，重點(diǎn)關(guān)注蔬菜機(jī)械化生產(chǎn)對(duì)秧苗栽植質(zhì)量的影響。