面向自動化移栽的新型番茄育苗移栽機械設計

盧華納斯哈提葉德軍咸麗胡斌

(新疆昌吉職業技術學院機械工程分院 新疆昌吉831100)

0 引言

番茄是最受歡迎的蔬菜之一，其全球年產量超過1.2億噸，中國作為第二大產國，其產量已超過3700萬噸。目前，番茄育苗技術在新疆生產建設兵團已經大面積推廣，而番茄苗移栽仍然依靠人工完成。據統計，一個熟練勞力以每天工作10 h計算，平均只能完成0.1公頃左右的移栽面積[1]。由于番茄移栽正值春播時節，勞動緊張導致了勞動力價格的節節攀升，因此加大番茄移栽機械的研發，將有助于提高番茄生產效率，降低生產成本，也符合“番茄生產全程機械化關鍵技術與裝備”這一當前優先發展的高技術產業化重點領域的發展要求，更重要的是可將新疆紅色產業做大做強。

國內外目前番茄移栽機的特點:1)投資成本大，價格昂貴，結構復雜，維修困難。如臺灣K C.Yang等研制的移栽機器人，在工作的過程中，依靠系統的視覺傳感器和力度傳感器，能夠做到夾持秧苗而不會對其造成損傷。但設備維修費用高，一般的種農戶難以接受。如田耐爾牌秧苗移栽等機。鵬飛牌多功能秧苗移栽機，富來威油菜移栽機，重慶北卡農業科技有限公司生產的番茄移栽機等，這些移栽機所需送苗人力過多，過程復雜。2)要求配套技術條件較高。3)小面積番茄地里不能使用。因此加大自動化番茄移栽機械的研發工作力度，盡早將成熟、適用的番茄移栽機械投放市場，不但可以提高番茄生產效率，而且可以節約成本，提高收入。

本文致力于面向自動化移栽的番茄育苗移栽機械設計，通過關鍵機構的研究和設計，開發了新型番茄育苗移栽機械，解決了當前依靠大量人力進行番茄育苗移栽低效率的難題。

1 新型番茄移栽機的工作原理和總體設計

1.1 新型番茄移栽機總體設計

番茄移栽機械主要由落苗機構，行走機構，行距調整機構等組成，如圖1所示。

其工作原理是來自拖拉機的動力由驅動輪7傳動到偏心機構3和長連桿8，長連桿運動過程中帶動下頂桿的上移，推開門桿，同時頂開上頂桿，苗盤中的秧苗通過隔板式帶式輸送裝置23將苗由送料輪輸送至導苗器，偏心輪機構轉過180°后，中門打開，苗落入漏斗中，隨著驅動輪的運轉實現插苗。

1.2 番茄移栽機械的主要技術參數

1)移栽機配套動力:15 kW以上輪式拖拉機；作業行數/行 :2；

2)栽培模式 :株距:25～40 cm；行距:30～60 cm可調；

3)送苗方式:人工配合機械送苗

4)番茄缽苗的形狀 :30 mm×20 mm×40(底部直徑×高×度)的錐體

5)作業速度/m/s:0.4～0.6(60～80株/min)

6)機械栽苗率:≧90%技術指標；

7)質量:900 kg以下。

圖1 番茄移栽機械結構圖

2 新型番茄移栽機械的關鍵機構設計

2.1 番茄落苗機構設計

2.1.1 番茄苗的特點

新疆的番茄主要采用育苗移栽，番茄育苗的底部的形狀為30 mm×20 mm×40 mm的錐體，苗的高度一般在15～20 cm之間。由于育苗移栽前施水后存在一些尺寸變異，育苗底部一般在2 mm尺寸范圍內。[2]

2.1.2 番茄苗運動軌跡

為了節省人力，使番茄順利落苗，不會傷苗且不影響苗移栽的直立度。要求具體軌跡和姿態應該是:1)使苗按一定的軌跡運動，苗在略帶斜度的苗架上借助重力能順利到達送苗輸送帶，2)苗沿著軌跡運動時，對應落苗、送苗、接苗、植苗位置應有不同的姿態，送苗與接苗夾角為90°，投苗時接苗器與植苗器軸線的夾角為 0°左右，苗在離開導苗管時不受阻力，植苗器軸線應垂直地面，以保證接苗順利和植苗準確；3)植苗器在接苗點處和植苗點處的速度為0。

2.1.3 番茄落苗機構的設計

a)輸送苗、落苗機構的落苗過程

番茄苗的落苗過程可分為4個階段:1)番茄苗由苗盤取出落入輸送器，輸送器借助拖拉機的動力驅動，將番茄苗逐一輸送到送料輪盤，苗做勻速運動 。2)苗由拔苗盤送至導苗管口，苗做平面運動，此時為轉動。3)苗在導苗管內視為質點的重力加速直線運動，忽略葉片與管內表面的摩擦[3]。4)從整個苗移出導苗管口到苗缽接觸地面，假設苗缽與地面是塑性碰撞，碰撞后苗缽的運動簡化為定點的運動，到被覆土定位。

b)輸送苗、落苗機構的結構

番茄送苗機構主要采用輸送帶結構，主要由隔板、輸送帶、帶輪構成。如圖2所示。

圖2 番茄移栽機械輸送苗、落苗機構圖

c)輸送苗、落苗機構的原理

秧苗通過隔板帶式輸送裝置將苗輸送至送料輪，苗隨著送料輪的轉動被運送到接苗管；在重力加速度作用下，苗直線運動被送到喂苗機構。喂苗機構主要有連桿、鴨嘴漏斗等組成。工作時，苗落入送料輪中，隨著移栽單體的轉動放在接苗管中的苗落下，落入栽植單體的鴨嘴漏斗中，完成了喂苗工作。苗移出喂苗口到接觸地面，到被覆土定位。

2.2 番茄移栽機移栽行距調整方式

2.2.1 番茄移栽行距特點

按照番茄農藝技術的要求制定移栽行距調整的方案，確定最佳的調整方案。

2.2.2 番茄移栽機移栽行距調整方式

考慮確保投苗準確性，該機采取離合器實現苗株數的調整，且機架的相對位置可調，通過調整機架的相對位置，可實現30～60 cm行距。其功能調整簡單、易操作。據此基于Solidworks設計的番茄移栽機械的行距調整結構圖如圖3所示。

3 番茄移栽機械的關鍵機構的運動仿真

3.1 移栽機虛擬樣機的建立

運動仿真是一種簡單的運動模擬，是在Solidworks平臺上建立已設計好的番茄移栽機械模型。運動仿真是將對機構的運動無影響和不起作用的零件都做簡化處理，只將最主要的零部件裝配在一起，在不影響運動情形的前提下對零部件的結構進行必要的優化[4]。基于這樣的思路，建立番茄移栽機的仿真模型前，需先將機架、輪子、連桿、漏斗、送料輪、輸送帶、苗盤等結構和運動主要零部件裝配成一個簡化的裝配體模型。番茄移栽機械裝配體模型如圖3所示。

圖3 番茄移栽機械裝配體模型圖

3.2 基于 Solidworks的番茄移栽機械運動仿真分析

3.2.1 設定番茄移栽機械運動仿真參數

在Solidworks環境下，結合實際工況和技術要求對番茄移栽機械的運動參數進行設定，設定旋轉馬達代表番茄移栽機械的運動，選擇長軸為動力源。然后確定運動參數，根據實際工況和技術圖樣確定豎直方向位移為300 mm，時間初步設定為5 s，所以運動的馬達類型為[等速]，轉速為 100 r/min。

馬達的運動參數設定完后，確定各個馬達相應的時間起止點[5]，完成后的運動仿真模型和MotionManager界面如圖4所示。

圖4 設定好運動參數的運動仿真模型

3.2.2 動畫仿真番茄移栽機械運動過程

在MotionManager界面中將仿真類型選為[動畫]，對番茄移栽機的運動過程進行仿真和再現。運動仿真后進行干涉檢查，發現零部件之間不存在干涉，動作完成以后單擊[保存動畫]將仿真動畫保存為AVI或其他文件類型，如圖5所示。圖5(a)中番茄苗經過傾斜板在重力作用下落入輸送帶，秧苗通過隔板式帶式輸送裝置能將苗正確地輸送至送料輪，圖5(b)苗隨著送料輪轉過180°，后接苗管能完好的接到苗；圖5(c)連桿在轉動過程中送料輪已接到苗準備下落，圖5(d)落入栽植單體的鴨嘴漏斗中的苗接觸地面，到被覆土定位。另一個鴨嘴漏斗已接到第二顆苗，在往復過程中完成了移栽。

圖5 番茄移栽機械運動仿真圖

由仿真結果可知，輸送帶、送料輪、導苗管、漏斗的運動保證移栽機能夠順利地取苗和投苗，當前進速度與主軸轉速數值比一定時，株距值始終保持不變，只要保持前進速度與轉速的比值不變，則取苗軌跡和植苗軌跡都不會受影響。

4 結語

針對現有番茄移栽機械自動化程度不高的現狀，本文設計了基于新型機構的自動化番茄育苗移栽機械，重點研究了送苗、落苗機構和行距調整機構的設計，在此基礎上，進行了新型番茄育苗移栽機械關鍵機構的運動過程仿真和分析。研究結果表明:仿真所得的軌跡能夠很好地滿足移栽機的高效自動化移栽要求。

[1]楊二軍.新疆番茄醬出口市場潛力研究[D].烏魯木齊:新疆農業大學，2013.

[2]倪向東，等.導管式番茄移栽機的設計[J].農機化研究2011，2:85-86.

[3]丁文芹，等.穴盤苗自動移栽機的結構設計及運動仿真分析[J].農機化研究，2011(10):74-75.

[3]高國華，等.自動化穴苗移栽機關鍵機構的模塊化設計[J].機電工程， 2012，29(8):883-885.

[4]魯恒飛.基于Solidworks的懸掛式輪轂軸承壓裝機設計與優化[D].合肥:合肥工業大學，2012.

[5]Gianluca Caruso，Stefano Conti，Effects of transplanting time and plant density on yield，quality and antioxidant content of onion(Allium cepa L.)in southern Italy，Elsevier期刊 Scientia Horticulturae，2013:19.