高 芳,李洪昌
(常州機電職業(yè)技術(shù)學院,江蘇 常州 213164)
隨著農(nóng)業(yè)機械化的不斷進步與發(fā)展,水果、蔬菜及其他農(nóng)副產(chǎn)品的機械化栽植機具亦不斷向新型化、自動化方向推進。查閱相關(guān)文獻表明:一方面,我國已有多種農(nóng)作物的栽植機產(chǎn)生,學者普遍針對機械化農(nóng)機本體進行研究改進;另一方面,蔬菜栽植作為我國農(nóng)作物核心產(chǎn)業(yè),為減低農(nóng)民勞動強度、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)計了蔬菜栽植機的核心功能部件,并研究了蔬菜機械化生產(chǎn)對秧苗栽植質(zhì)量的影響。
蔬菜栽植機性能衡量指標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)主要包括鏈式、盤式及導管式等,如圖1所示。結(jié)合蔬菜栽植機的工作原理(見圖2)可知:在動力牽引裝置作用下,蔬菜栽植機行進并在整機控制系統(tǒng)及機械裝置配合之下依次進行取苗、輸送和栽植等環(huán)節(jié),栽植環(huán)節(jié)完畢后進行施肥、覆土、鎮(zhèn)壓等動作,完成蔬菜栽植過程。
圖1 蔬菜移植機外形圖Fig.1 The contour diagram of the vegetable transplanter
蔬菜栽植機作業(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
根據(jù)蔬菜栽植機的工作原理,針對其分揀缽苗機構(gòu)進行設(shè)計,分揀模塊的核心執(zhí)行部件為并排的多個夾爪。夾爪的速度與力度由整機控制系統(tǒng)發(fā)出指令,在多個氣缸的活塞推動下工作。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, 各自針對作業(yè)環(huán)節(jié)進行模塊智能控制,融入PLC控制更為精準和快速。
圖3 蔬菜栽植機分揀模塊三維模型圖Fig.3 3D model figure of the sorting module of the vegetable transplanter
栽植機構(gòu)是蔬菜栽植機的核心執(zhí)行部件之一,對其進行優(yōu)化設(shè)計對于提高蔬菜秧苗栽植質(zhì)量及產(chǎn)量起關(guān)鍵性作用。為保證蔬菜栽植機在作業(yè)過程中地膜的完好性及栽植秧苗的準確性,對料斗出料端的尖角部位重點設(shè)計,圖4為栽植模塊設(shè)計簡圖。工作時,主要依靠凸輪進行運動傳遞給曲柄,從而控制料斗的運動。對其破膜打孔的運動軌跡進行跟蹤并經(jīng)運動學分析可得
R+L-h=Rcosθd+Lcosθ′
(1)
式中θd—栽植機構(gòu)栽植瞬間曲柄與料斗的夾角(rad);
θ’—栽植機構(gòu)接觸土壤時曲柄與料斗的夾角(rad);
R—曲柄長度(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—時間(s);
x—水平方向位移(m);
y—垂直方向位移(m);
ω—主動曲柄運動角速度(rad/s)。
按照如上運動規(guī)律結(jié)合凸輪曲線運動進行細化設(shè)計,選定各個部件尺寸及配合標準,實現(xiàn)栽植機構(gòu)的打孔環(huán)節(jié),以保證精確的直立角度,使得水平方向運動偏移誤差降至最低,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 蔬菜栽植機栽植模塊設(shè)計簡圖Fig.4 Design simple figure of the planting module of the vegetable transplanter
蔬菜栽植實現(xiàn)高效作業(yè)控制核心在于電子、自動化技術(shù)的融入,從自動分揀、及時送苗到栽植部件軌跡的不斷調(diào)整,較高程度的自動蔬菜栽植,可有效保證秧苗栽植質(zhì)量。圖5為補苗模塊的邏輯控制簡圖。在栽植階段,為保證秧苗直立度,對栽植部件的植入土壤角度進行智能調(diào)整,應(yīng)用核心算法于其中,控制簡圖如圖6所示。同時,應(yīng)針對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 蔬菜栽植機補苗模塊邏輯控制簡圖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
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)分揀裝置機構(gòu)設(shè)計特點,在預先編制的控制程序之下執(zhí)行分揀動作,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測試數(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 蔬菜栽植機分揀均勻度指標測試
Table 1 Sorting evenness index test of the vegetable transplanter
序號評價指標/%測試數(shù)據(jù)1株距均勻度94.22重復分揀率0.683秧苗漏揀率3.194綜合分揀均勻度98
傳送機構(gòu)主要由傳送軸、導苗部件及扶苗部件等構(gòu)成。工作時,秧苗經(jīng)分揀完成后在傳送軸動力控制下,通過栽植機的導苗部件進入栽植機構(gòu),植入土壤。傳送裝置在整個栽植環(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)對于秧苗栽植質(zhì)量的影響因素主要表現(xiàn)為:
1)傳送到導苗執(zhí)行部件中的蔬菜秧苗應(yīng)當保持高的直立程度。
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)及安裝位置準確,對蔬菜秧苗傾斜的扶正及時。
蔬菜栽植機栽植階段對秧苗栽植生長及最終產(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。針對某一特征參數(shù)進行因素分析,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:蔬菜栽植機的栽植速度、特征參數(shù)與栽植角度的關(guān)系存在一個最優(yōu)解范疇,極值點均位于[-0.6,0.6]范圍內(nèi)。當栽植角度的編碼值為-0.6(實際植入缽苗角度為87.2°)時,蔬菜栽植的直立程度可達到最大值,約為95.5%左右。
蔬菜栽植機在實際作業(yè)過程中,田間的土壤及地形條件對于秧苗栽植質(zhì)量有著重要性影響。因此,對于外界適應(yīng)性條件要求如下:
1)蔬菜栽植地要求土壤硬度適中,利于栽植機構(gòu)的快速、準確栽植。
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 蔬菜移植機測試參數(shù)統(tǒng)計Table 3 Test parameter statistics of the vegetable transplanter
同時,給出試驗蔬菜秧苗的尺寸參數(shù)(見表2),并對其直觀性能參數(shù)進行統(tǒng)計,如表3所示。試驗設(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)。
1)在深刻了解當前蔬菜機械化生產(chǎn)的發(fā)展狀況基礎(chǔ)上,對蔬菜栽植機的工作核心機構(gòu)進行了設(shè)計優(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)計的蔬菜栽植機,從機體本身和外界適應(yīng)性條件兩大方面針對影響因素進行分析,重點關(guān)注蔬菜機械化生產(chǎn)對秧苗栽植質(zhì)量的影響。