丘陵山區辣椒機械化移栽適應性分析

喻麗華,徐志波,韓忠祿,潘東彪,張富貴

(1.貴州大學 機械工程學院,貴陽 550025;2.貴州省農業機械技術推廣總站,貴陽 550001)

0 引言

辣椒是我國的傳統經濟作物,具有種植面積大、種植地域廣、產值高的特點[1]。移栽是辣椒生產的核心環節,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的發展[2]。當前,在我國平原地區,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;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,研發丘陵山區辣椒移栽機已經成為辣椒產業發展的迫切需求。當前,旱地移栽機的研究主要集中在栽植機構參數優化、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,并進行了參數優化[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,以適應旱地作業的蔬菜移栽機[7]。這些研究結果為我國旱地移栽機發展提供了必要的理論依據及技術支撐,但鮮有專門針對丘陵山區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的根本問題,并提出關鍵結構改進方案。

1 丘陵山區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: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、基質體等物理參數進行測量及統計分析。

1)辣椒苗物理參數測量。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)辣椒苗參數分析。表1為辣椒苗物理特性參數測量統計表。由表1可知:待栽苗基質參數的變異系數均較小,一致性性較好;試驗苗高分布于125～191mm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10.7%,苗冠變異系數13.8%,一致性一般。

圖1 辣椒穴盤苗主要物理參數

表1 辣椒穴盤苗物理特性參數測量統計表Table 1 Statistical table of physical characteristic parameters measurement of pepper acupoint plate seedlings

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,田間試驗現場如圖3所示。

2)試驗流程。①硬地調試移栽機是否正常運行。②按當地辣椒移栽農藝要求,調節行距、株距、栽深等主要參數,行距400mm,株距300mm。根據試驗苗高,設定栽深為80mm。③硬地試驗。測量行距、株距是否達到設定值,若未達到要求,繼續調試直至達到要求。④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 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3 試驗現場圖片

1.4 測量及結果分析

表2 株距與栽深統計表

由表2可知:①實測株距在150～450mm范圍之內,均滿足合格要求;株距的變異系數為12.2%,其浮動范圍較大,具有不穩定性。②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

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。試驗中發現撕膜口尺寸較大,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 縱向撕膜口大小統計表

由表3可知:縱向撕膜口平均尺寸為139.2mm,變異系數為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,工作性能不穩定。

2 移栽機山地作業的適應性分析

1)壟體的適應性分析。丘陵山區因土地稟賦性差,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,難以適應丘陵山區辣椒移栽作業時需要較為頻繁的掉頭、過溝的狀況。

3)栽植農藝適應性分析。丘陵山區辣椒品種多,相應種植農藝的株行距差別大,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。丘陵山區辣椒移栽期氣候多變,往往采用覆膜移栽。根據試驗結果分析,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

考慮丘陵山區辣椒移栽作業時需要較為頻繁的掉頭、過溝,因此將底盤升降手動調節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、測距系統及液壓系統等組成,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,來實現底盤升降。其中,升降機構、地面仿形機構、測距系統及液壓系統為裝置于底盤的整個栽深自動控制系統組成部分,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 5.信號處理器 6、9.升降機構 7.激光發射/接收器 8.液壓缸 10.機架

3.2 栽深自動控制系統

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,主要由地面仿形機構、激光測距系統及液壓調節單元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壟面高低起伏產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),激光測距系統發射并接收激光信號,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精準控制移栽機底盤升降,進而實現栽深控制。

2)激光測距系統原理。激光測距系統原理如圖6所示。

圖6 激光測距系統原理圖

系統主要包括激光發射/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)。

系統采用激光直射式測距系統。根據文獻[10],地面仿形機構在工作過程產生的高度差的計算公式為

y—仿形機構在壟面作業高度差(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);

β—激光發射線與反射線在基準面夾角(°);

f—成像透鏡的焦距(mm)。

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

栽深自動控制借助于單片機并采用C語言編程進行數據處理,通過檢測x值的變化,實時調節電液伺服閥的關閉,實現驅動液壓系統工作與停止。

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主要根據苗的基質和苗冠的大小確定。根據文獻[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

4 結論

1)根據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)樣機丘陵山地作業適應性分析表明:試驗樣機對山地不平整壟體、山地作業頻繁掉頭與過溝工況的適應性較差。此外,該樣機株行距調節便捷性差,株距調節范圍有限,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;栽植器鴨嘴設計為尖寬L1為20mm,張開尺寸L2為90mm。