丘陵山區(qū)辣椒機械化移栽適應性分析.pdf

丘陵山區(qū)辣椒機械化移栽適應性分析 喻麗華1 徐志波1 韓忠祿2 潘東彪2 張富貴1 1 貴州大學機械工程學院 貴陽 550025 2 貴州省農(nóng)業(yè)機械技術推廣總站 貴陽 550001 摘 要 針對當前丘陵山區(qū)辣椒生產(chǎn)中手工栽植勞動強度高 機械化移栽 無機可用 的現(xiàn)實問題 結合貴州辣 椒種植的農(nóng)藝要求 以某型號的吊杯鴨嘴式移栽機為試驗機 在綏陽縣開展了田間辣椒移栽作業(yè)試驗 完成了株 距 栽深 撕膜情況及田間壟面平整情況等方面測試 結果表明 移栽后株距合格率100 變異系數(shù)為12 2 栽深合格率為80 變異系數(shù)為14 6 株距和栽深不穩(wěn)定 縱向撕膜口平均尺寸為139 2mm 是移栽苗平均苗 冠99 67mm的1 4倍 相對苗冠較大 壟面縱向高度差異性較大 根據(jù)測試樣機田間試驗結果與山地作業(yè)適應 性分析 提出了升降底盤 栽深自動控制系統(tǒng)及鴨嘴栽植器關鍵部件的改進建議 研究結果對丘陵山區(qū)辣椒機 與移栽農(nóng)藝的融合發(fā)展具有一定的指導意義 關鍵詞 辣椒 移栽機 農(nóng)機農(nóng)藝融合 丘陵山區(qū) 中圖分類號 S223 9 文獻標識碼 A文章編號 1003 188X 2020 10 0184 05 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 參數(shù)優(yōu)化 鴨嘴開合機構的誤差分析及底盤設計方 面 姬江濤 金鑫設計了一種行星輪系滑道式栽植機 構 并進行了參數(shù)優(yōu)化 3 胡建平 王金葵設計了一 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 韓長杰設計了一種移栽機轉盤式投苗機 構 6 汪春 萬霖對一款插秧機的關鍵部件進行了改 進設計 以適應旱地作業(yè)的蔬菜移栽機 7 這些研究 結果為我國旱地移栽機發(fā)展提供了必要的理論依據(jù) 收稿日期 2019 04 25 基金項目 貴州省農(nóng)業(yè)科技支撐計劃項目 黔科合支撐 2018 2325 號 貴州省農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系建設專項 2018 貴州省科 技計劃項目 黔科合平臺人才 2019 5616號 貴州省普 通高等學校工程研究中心建設項目 黔教合KY字 2017 015 作者簡介 喻麗華 1975 女 貴州銅仁人 高級實驗師 博士 E mail yulihua01 及技術支撐 但鮮有專門針對丘陵山區(qū)辣椒移栽機適 應性的相關研究 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 測量及結果分析 找出移 栽機不適應山地作業(yè)的根本問題 并提出關鍵結構改 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 苗冠尺寸及基質體尺寸是影響可 移栽性 移栽質量 栽植器結構的主要物理參數(shù) 苗高 直接關系移栽中的掛苗和帶苗 基質體和苗冠尺寸影 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 基質上端寬a 下端寬b和基 質體高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125 481 2020年10月 農(nóng)機化研究 第10期 191mm范圍內 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) Fig 1 Main physical parameters of pepper acupoint plate seedling 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 項目苗高h mm苗冠l mm 基質 上端a mm 基質 下端b mm 基質 高h1 mm 平均值157 99 78 31 6 13 9 31 5 最大值191 117 8 33 14 5 32 2 最小值125 80 29 5 13 2 30 3 標準偏差16 8 13 8 0 9 0 5 0 6 變異系數(shù) 10 7 13 8 2 9 3 3 1 8 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 冷汽油發(fā)動機 變速箱單邊轉向 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 送 苗機構及動力傳動系統(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 硬地調試移栽機是否正常運行 按當?shù)乩苯芬圃赞r(nóng)藝要求 調節(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 設定栽深為80mm 硬地試驗 測量行距 株距是 否達到設定值 若未達到要求 繼續(xù)調試直至達到要 求 田間試驗 移栽機行走于壟溝 栽植機構對稱 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 3 手動升降式底盤 4 前輪 5 鴨嘴式栽植機構 6 行走輪 圖2 試驗機的結構示意圖 Fig 2 Structure diagram of the prototype 圖3 試驗現(xiàn)場圖片 Fig 3 Picture of the test site 1 4 測量及結果分析 1 株距與栽深測量及分析 田間試驗選取旋耕 搶墑起壟覆膜待測地3壟 每壟約20m 每壟去掉最 初與最后的8株 連續(xù)測量中間穩(wěn)定區(qū)域40株的株 距和栽深 共120株 繪制成如表2所示的株距與栽 深統(tǒng)計表 根據(jù)文獻 8 株距X1合格要求0 5Xr X1 1 5Xr Xr為株距設定值 栽深h合格要求h 2 1 本 次試驗株距合格范圍150 450mm 栽深合格范圍為 581 2020年10月 農(nóng)機化研究 第10期 70 100mm 表2 株距與栽深統(tǒng)計表 Table 2 Statistical table of transplanting depth and seedling spacing 項目平均值 mm最大值 mm最小值 mm設定值 mm合格率 變異系數(shù) 株距274 320 210 300 100 12 2 栽深87 112 60 80 80 14 6 由表2可知 實測株距在150 450mm范圍之 內 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 實測栽深的合格率為 80 其平均值87mm大于設定值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 Fig 4 Longitudinal smoothness of ridge surface 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 Table3 Statistical table of longitudinal tear film size 項目平均值 mm最大值 mm最小值 mm變異系數(shù) 撕膜口139 2 170 100 13 2 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)的適應性分析 1 壟體的適應性分析 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性不足 2 掉頭及過溝適應性分析 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)藝適應性分析 丘陵山區(qū)辣椒品種多 相應種植農(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節(jié)便捷性差 難以適應熟性集中 辣椒的密植需要 4 膜上移栽適應性分析 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 試驗機的適應苗高范圍為100 200mm 結合上述穴盤辣椒苗高測量結果 可知該機 具適于穴盤所育辣椒苗要求 3 關鍵部件改進 3 1 升降底盤結構 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節(jié)機構改為液壓 驅動底盤自動升降 改進后的升降底盤主要由前輪 后輪 地面仿形 機構 升降機構 機架 測距系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)等組成 如圖5所示 升降機構對稱安裝于機架兩側 活性連 接升降機構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 來 681 2020年10月 農(nóng)機化研究 第10期 實現(xiàn)底盤升降 其中 升降機構 地面仿形機構 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 3 前輪 4 液壓系統(tǒng) 5 信號處理器 6 9 升降機構 7 激光發(fā)射 接收器 8 液壓缸 10 機架 圖5 底盤結構示意圖 Fig 5 Chassis structure diagram 3 2 栽深自動控制系統(tǒng) 針對試驗機對山地壟體的適應性不足的問題 增 加栽深自動控制系統(tǒng) 主要由地面仿形機構 激光測 距系統(tǒng)及液壓調節(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 Fig 6 Schematic diagram of the ranging system 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轉換與D A轉換 外端設備 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 地面仿形機構在工作過程產(chǎn)生的高度差的計算公式為 y x l1 f sin fsin x 1 fl 1 sin 式中 x 激光在接收器成像位置O 1與O 2點之間的距 離 mm y 仿形機構在壟面作業(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 激光反射線成像點O 1與接收面夾角 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 其中 根據(jù)基準面與待測面之間的相對位置 確定 當待測面離基準面較遠時取 否則取 參數(shù)l1 l2 f經(jīng)系統(tǒng)安裝調試確定 當測出激光 射線在O1與O2點反射經(jīng)過透鏡2投影到接收器的O 1 與O 2點之間x的大小時 即可測出基準面與待測面的 高度差y 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 Fig 7 Flow chart of automatic control program for signal acquisition and planting depth 781 2020年10月 農(nóng)機化研究 第10期 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 實時調節(jié)電液 伺服閥的關閉 實現(xiàn)驅動液壓系統(tǒng)工作與停止 3 3 栽植器 針對機具撕膜口過大的問題 通過栽植器結構尺 寸優(yōu)化 減小撕膜口大小 栽植器鴨嘴結構如圖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 掛苗且對基質無破壞 需滿足尖寬L1 14mm 考慮到 鴨嘴葉壁對基質的壓縮情況 取L1 30mm 鴨嘴張開尺寸L2主要根據(jù)苗的基質和苗冠的大 小確定 根據(jù)文獻 11 要保證適應苗冠大小 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 Fig 8 Duckbill left view and opening closing diagram 4 結論 1 根據(jù)樣機試驗結果分析可知 移栽株距滿足 150 450mm的標準要求 但與設定株距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 適應性較差 此外 該樣機株行距調節(jié)便捷性差 株距 調節(jié)范圍有限 不適應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 增設栽深自動控制系統(tǒng) 栽植器鴨嘴設計為 尖寬L1為20mm 張開尺寸L2為90mm 參考文獻 1 新農(nóng)網(wǎng) 辣椒產(chǎn)業(yè)坐上中國最大蔬菜產(chǎn)業(yè)寶座 J 新農(nóng)村 黑龍江 2016 4 4 5 2 遲明路 覆膜施肥移栽機的設計與試驗研究 D 呼和浩 特 內蒙古農(nóng)業(yè)大學 2013 3 姬江濤 楊林輝 金鑫 等 行星輪系滑道式穴盤苗栽植機 構設計與參數(shù)優(yōu)化 J 農(nóng)業(yè)工程學報 2018 34 18 83 92 4 胡建平 王留柱 付鵬洋 等 移栽機自動升降底盤設計與 試驗研究 J 農(nóng)機化研究 2017 39 3 74 78 5 王金葵 壟高自適應煙苗移栽機底盤設計與試驗研究 D 長沙 湖南農(nóng)業(yè)大學 2012 6 韓長杰 楊宛章 司明理 轉盤式投苗機構的設計與調整 J 新疆農(nóng)業(yè)大學學報 2007 2 74 76 7 萬霖 汪春 車剛 小型蔬菜移栽機的改進設計與試驗 J 農(nóng)業(yè)工程學報 2011 27 6 117 122 8 中華人民共和國工業(yè)和信息化部 JB T 10291 2013旱地 栽植機械行業(yè)標準 S 北京 機械工業(yè)出版社 2013 9 李旭英 王玉偉 魯國成 等 吊杯式栽植器的優(yōu)化設計及 試驗 J 農(nóng)業(yè)工程學報 2015 31 14 58 64 10 趙越 基于CMOS激光三角法測距系統(tǒng)的研究 D 西 安 西安工業(yè)大學 2016 11 楊波 吊杯式煙草缽苗移栽機改進設計及栽植部件試驗 D 哈爾濱 東北農(nóng)業(yè)大學 2017 下轉第194頁 881 2020年10月 農(nóng)機化研究 第10期 10 王進華 王澤群 賈晶霞 等 飼料收獲機矮稈割臺撥禾輪 導軌運動軌跡研究 J 農(nóng)業(yè)機械學報 2011 42 S1 152 155 11 吳守一 農(nóng)業(yè)機械學 下 M 北京 中國農(nóng)業(yè)機械出版 社 1992 48 56 Insertion Trajectory Analysis and Experiment of Rape Combine Harvester Reel Yang Yi Li Yaoming Qing Yiren Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology Ministry of Education Jiangsu University Zhenjiang 212013 China Abstract In order to solve the problem of high loss of rape combine harvester header in the working stage In this paper analyzed and optimized the insertion trajectory of the reel was analyzed and field experiment was carried out Based on the arborescence characteristic of multi branched rape the insertion process of reel was divided into two stages ineffi cient stage and efficient stage The best position of insertion point and the insertion mode of tinewere analyzed The re search showed that the collision loss can be reduced by the method of inserting rape obliquely by the tines in the insertion stage The single factor experiments and multi factor orthogonal experiments were carried out on the three influencing fac tors of rotational speed horizontal position and vertical position of the reel The experimental results showed that the loss rate of the header with oblique insertion of tine is lower than that with vertical insertion of tine The significant order of in fluence was reel s vertical position reel s rotation speed and reel s horizontal positionthrough the analysis of impact effects the optimal parameter combination was that the rotational speed of reel was 18r min the horizontal position reel was 500 mm and the vertical position of the reel was 1 200mm This paper provided theoretical reference for reducing the loss of the rape header Key words rape combine harvester reel tine movement analysis 上接第188頁 Abstract ID 1003 188X 2020 10 0184 EA Adaptability Analysis of Mechanized Transplanting of Pepper in Hilly Mountainous Area Yu Lihua1 Xu Zhibo1 Han Zhonglu2 Pan Dongbiao2 Zhang Fugui1 1 College of Mechanical Engineering Guizhou University Guiyang 550025 China 2 Agricultural Machinery Promo tion Station of Guizhou Province Guiyang 550001 China Abstract Aiming at the practical problems of high labor intensity of manual planting and inorganic availability of mechanized transplanting in the production of pepper in hilly mountainous areas and the agronomic requirements of pep per planting in Guizhou a certain type of hanging cup duck beak transplanting machine was used as a testing machine A field pepper transplanting operation test was carried out in Suiyang County The tests of plant spacing planting depth tear film and field ridge flatness plant spacing were completed The results showed that after transplanting the quali fied rate of plant spacing is 100 the coefficient of variation is 12 2 the qualified rate of planting depth is 80 the coefficient of variation is 14 6 The plant spacing and the planting depth are instability The average size of longitudinal tearing film is 139 2 mm which is 1 4 times of the average seedling crown of transplanted seedlings of 99 67 mm which is larger relative to the seedling crown The longitudinal height of ridge has greater difference According to the field test results of the test prototype and the adaptability analysis of the mountain operation the improvement suggestions of the lifting chassis the automatic control system of planting depth and the key components of the duckbill planter are pro posed The results of this study have some guiding significance for the fusion the development of pepper transplanter and the transplanting agronomy in hilly mountainous area Key words pepper transplanter integration of agronomy and agricultural machinery hilly mountainous areas 491 2020年10月 農(nóng)機化研究 第10期