自走式高密度智能辣椒移栽機的研制

吳彥強,侯加林,黃圣海,馬根眾,董太新,朱月浩

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院,山東 泰安 271018;2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室,山東 泰安 271018;3.山東省農(nóng)業(yè)機械技術(shù)推廣站,濟南 250013;4.諸城瀚泰機械科技有限公司,山東 諸城 261000)

0 引言

辣椒是一種茄科辣椒屬植物,原產(chǎn)于中南美洲熱帶地區(qū),明代末期經(jīng)絲綢之路引入我國[1-2]。2017年,全國辣椒種植面積超過133萬hm2,已經(jīng)成為我國種植面積最大的蔬菜作物。山東省是我國辣椒主產(chǎn)地之一,近年來制干加工型辣椒產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,在德州、濰坊、濟寧等地形成了規(guī)?；N植、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的良好態(tài)勢,加工型辣椒已成為當?shù)剞r(nóng)民增收致富的重要經(jīng)濟作物。

傳統(tǒng)辣椒種植主要采用穴盤育苗移栽方式[3-6],可以縮短辣椒生育期,有效避免早春低溫、倒春寒等自然災(zāi)害影響,保證栽植統(tǒng)一標準和大小的秧苗,還能有效預(yù)防病蟲害。目前,辣椒移栽機主要為人工投苗、鴨嘴栽植的半自動移栽機[7-8],如美國Kennco制造公司床式移栽機、美國Checchi &Magli牽引式多行移栽機、意大利Ferrari公司的F-MAX系列移栽機、東風(fēng)井關(guān)PVH1系列移栽機、富來威2ZBX系列移栽機及華龍機械2ZBLZ系列移栽機等。受限于人工作業(yè)速度和鴨嘴栽植器特殊結(jié)構(gòu),半自動移栽機作業(yè)效率較低,每行栽植效率不超過50株/min。為了解決半自動移栽機勞動強度大、作業(yè)效率不高的問題,國內(nèi)外公司、高校和科研院所對全自動移栽技術(shù)進行了攻關(guān)。國外方面,意大利Ferrari公司研制了FUTURA TWIN系列全自動移栽機,采用氣動機械手取苗只需1人喂入苗盤。澳大利亞Transplant Systems公司研制了全自動移栽機,1次最多種植18行,最大種植效率可達30 000株/h。日本YANMAR公司研制了PF2R、PW10系列全自動移栽機,適合小地塊作業(yè)。國內(nèi)方面,南通富來威農(nóng)業(yè)裝備有限公司研制了自走式蔬菜穴盤苗全自動移栽機,穴盤平直輸送,機械手整排取苗、投苗分苗。倪有亮等[9]設(shè)計了一種全自動移栽機取送苗系統(tǒng),可以將缽盤中取出的苗輸送至栽植器。魏新華等[10]設(shè)計了一套穴盤苗全自動移栽機運動協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),苗盤橫向進給和取苗機械手縱向往復(fù)運動分別由步進電機和伺服電機驅(qū)動,取苗機械手取/放苗動作和喂苗動作由氣動部件控制,但該系統(tǒng)取苗效率有待進一步提高。李華等[11]研制了全自動蔬菜穴盤苗鋪膜移栽機,可實現(xiàn)整形開溝、鋪設(shè)地膜與滴灌帶、自動移栽及覆土鎮(zhèn)壓等功能,移栽合格率為93.4%。王永維等[12]設(shè)計了移栽參數(shù)可調(diào)的栽植器試驗臺,基于該試驗臺研究了高速移栽條件下移栽速度、特征參數(shù)和吊杯傾角對栽植器移栽性能的影響規(guī)律,并基于研制的旱地蔬菜缽苗自動移栽機,對其不同植苗頻率時的栽植性能進行了試驗研究。國外全自動移栽機價格昂貴且不適合我國種植農(nóng)藝要求,國內(nèi)全自動移栽機仍處于關(guān)鍵技術(shù)理論研究和樣機試驗階段。

本文從農(nóng)機農(nóng)藝融合角度入手,針對山東地區(qū)旱地辣椒生產(chǎn),提出新型種植模式,研制具有開溝、取苗、栽植、覆土功能的自走式高密度智能辣椒移栽機。

1 辣椒種植模式

1.1 傳統(tǒng)種植模式

山東地區(qū)辣椒多采用春秋茬栽培,4月中下旬定植,8月下旬開始收獲,10月上旬收獲結(jié)束;栽培方式采用平畦或壟作栽培,行距40～60cm,株距25～35cm;不同辣椒品種種植密度不同,一般每667m2種植4 000～6 000株[13-14]。

1.2 高密度種植模式

傳統(tǒng)“一年一作”種植模式土地利用率低,影響農(nóng)民收益,因此提出探索建立“大蒜(或小麥)+辣椒”新型輪作種植模式,改變當前山東地區(qū)辣椒春播秋收為主的一年一作傳統(tǒng)種植方式。通過培育毯狀辣椒苗(見圖1)進行高密度移栽的作業(yè)方式,補償辣椒晚播對產(chǎn)量造成的損失。辣椒種植采用平畦或壟作栽培,行距30cm,株距10～21cm,每667m2種植10 000株以上。

圖1 課題組所育毯狀辣椒苗Fig.1 The blanket pepper seedlings

2 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 整機結(jié)構(gòu)

自走式高密度智能辣椒移栽機包括自走式底盤、懸掛裝置、傳動系統(tǒng)、栽植裝置、移盤裝置、開溝裝置、覆土裝置、調(diào)平裝置和智能控制系統(tǒng)等,如圖2所示。自走式底盤為水稻自走式插秧機底盤,采用HST無級變速系統(tǒng)。

1.底盤 2.載苗臺 3.保持架 4.送苗帶 5.滑槽 6.覆土盤支架 7.仿形彈簧 8.覆土盤 9.行星齒輪箱 10.取苗爪 11.開溝器護板 12.開溝器 13.萬向節(jié) 14.懸掛裝置圖2 自走式高密度智能辣椒移栽機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure of self-propelled high-density intelligent pepper transplanting machine

2.2 工作原理

工作時,人工首先將毯狀辣椒苗放入到載苗臺上,并使用保持架壓住基質(zhì),防止秧苗移動。底盤HST無級變速系統(tǒng)通過萬向節(jié)將動力分別傳到后方栽植裝置和移盤裝置,移盤裝置實現(xiàn)載苗臺的左右往復(fù)移動和毯狀辣椒苗的縱向間歇進給;栽植裝置取苗爪沿特定的取苗軌跡從載苗臺上重復(fù)取苗,同時開溝器開溝; 取苗爪在運動軌跡最下方將秧苗插入開溝裝置開出的溝中,隨后覆土鎮(zhèn)壓裝置覆土并將辣椒苗兩側(cè)土塊壓實,完成整個工作過程。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)

外形尺寸/mm:3 660×2 595×2 330

整機質(zhì)量/kg:950

配套動力/kW:20

栽植行數(shù)/行:6

行距/mm:300

株距/mm:100～210

栽植深度/mm:30～100

倒伏率/%:≤7

傷苗率/%:≤5

漏栽率/%:≤5

重栽率/%:≤

3 關(guān)鍵部件的設(shè)計

3.1 栽植裝置設(shè)計

栽植裝置包括取苗爪、行星齒輪箱、秧針、推苗器等,整個栽植過程由取苗、夾持輸送、插苗和回位4個步驟組成。工作時,取苗爪的秧針插入毯狀辣椒苗基質(zhì)后進行取苗,取苗爪在行星齒輪箱帶動下沿取苗運動軌跡運行到最下方,取苗爪推苗器動作將辣椒苗從秧針上面推出插入土壤,隨后推苗器復(fù)位,取苗爪回位,繼續(xù)進行下個栽植過程。為了保證栽植過程中取苗爪取苗時精準低損取苗、快速推苗和取苗爪迅速回位,栽植裝置運動軌跡設(shè)計成“腰子”形狀[15],如圖3所示。

1.秧針 2.推苗器 3.行星齒輪箱圖3 栽植裝置取苗運動軌跡示意圖Fig.3 Dynamic trajectory diagram of the planting device of the pepper transplanting machine

3.2 移盤裝置設(shè)計

移盤裝置的作用是實現(xiàn)毯狀辣椒苗縱向和橫向不間斷的進給,保證栽植裝置取苗爪連續(xù)取苗,主要包括載苗臺、保持架、滑槽、雙螺旋軸[16-17]、撥叉、六方軸及送苗帶等,如圖4所示。

1.載苗臺 2.保持架 3.覆土盤支架 4.覆土盤 5.滑槽 6.六方軸 7.帶輪 8.送苗帶 9.雙螺旋軸 10.滑塊 11.機架 12.調(diào)平裝置圖4 移盤裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the plate shifting device

其中,滑槽固定在機架上,載苗臺可沿滑槽左右擺動,雙螺旋軸通過滑塊與載苗臺連接,雙螺旋軸旋轉(zhuǎn)帶動滑塊往復(fù)運動,實現(xiàn)橫向移盤。機器右側(cè)與雙螺旋軸同軸安裝有撥叉,六方軸上設(shè)有凸臺,每當取完1整排毯狀辣椒苗,撥叉會碰到凸臺。此時,六方軸旋轉(zhuǎn)帶輪旋轉(zhuǎn)一定角度,進而使送苗帶動作,從而實現(xiàn)毯狀辣椒苗縱向進給。

3.3 開溝覆土裝置設(shè)計

開溝器作用是為取苗爪所取辣椒苗開出合適的壟溝且在取苗爪放苗之前避免壟溝兩側(cè)土塊滾落到壟溝內(nèi)。本文采用如圖5所示的雙圓盤開溝器,在開溝器后方連接有護板,形成25°～35°夾角,以保護壟溝在辣椒苗栽植之前不受破壞。覆土盤的作用是對栽植到壟溝中的辣椒苗覆土并將辣椒苗周圍土壤壓實,覆土量和覆土鎮(zhèn)壓力可調(diào)整,土壤緊實度高,保證了秧苗成活率。

1.覆土盤支架 2.仿形彈簧 3.覆土盤 4.開溝器護板 5.開溝器圖5 開溝覆土裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of Ditching and covering device

3.4 智能控制系統(tǒng)設(shè)計

智能控制系統(tǒng)包括載苗臺平衡控制及缺苗報警控制等。為保證載苗臺始終與地面平行及栽植效果,采用JCQJ-01-P2-90-G3傾角傳感器監(jiān)測載苗臺狀態(tài),并將平衡信號傳遞給PLC;PLC做出判斷后通過電磁閥調(diào)整平衡油缸動作,使載秧盤始終保持水平,保證秧苗栽植深度一致;缺苗傳感器(限位開關(guān))用于檢測載秧盤上辣椒苗是否少于設(shè)定數(shù)量,缺苗時PLC控制缺苗等閃爍并發(fā)出語音報警信號,提示工作人員及時補充秧苗。

4 性能試驗

4.1 試驗條件

試驗于2018年9月30日在諸城瀚泰機械科技有限公司林家村鎮(zhèn)試驗田進行,采用毯狀辣椒苗為試驗對象,平均株高160mm,基質(zhì)含水率32%。試驗地進行了耕翻整地,地表平整,土壤含水率為17%,滿足試驗條件。試驗現(xiàn)場如圖6所示。

圖6 樣機試驗現(xiàn)場Fig.6 Field experiment of the transplanting machine

4.2 試驗方法和結(jié)果分析

試驗按照《JB/T 10291-2013旱地栽植機械》行業(yè)標準[18]進行。樣機首先進行試運行,調(diào)整栽植株距為16cm,栽植深度為5cm;隨后任意選定3行將毯狀辣椒苗放入載苗臺,并用保持架壓好等待試驗。機器每次試驗行走30m,作業(yè)后在每行隨機選取長度為15m的測定段,測定段內(nèi)設(shè)計株數(shù)為95株,統(tǒng)計測定段內(nèi)的漏栽、重栽、倒伏、傷苗、埋苗的株數(shù)及合格植株的株距和栽植深度,記錄數(shù)據(jù)后分別計算漏栽率、重栽率、倒伏率、傷苗率、埋苗率、栽植合格率、株距變異系數(shù)及栽植深度合格率等指標。重復(fù)試驗3次,取其平均值,結(jié)果如表1所示。

表1 試驗結(jié)果Table 1 Results of the transplanting experiment

由表1可知:該辣椒移栽機可以較好地實現(xiàn)高密度栽植,且栽植株距穩(wěn)定。當設(shè)定株距為16cm時,株距變異系數(shù)為4.1%,整體栽植合格率為91.4%,能滿足實際使用需求。

5 結(jié)論

1)提出了基于農(nóng)機農(nóng)藝相融合的高密度辣椒栽培模式,設(shè)計了自走式高密度智能辣椒移栽機。該機可實現(xiàn)6行辣椒同時移栽,一次完成開溝、自動送苗、自動取苗、自動栽植及覆土等功能,只需1人操作,可有效提高栽植速度、降低勞動強度。

2)田間試驗結(jié)果表明:該機各項指標符合行業(yè)標準要求,株距變異系數(shù)小,栽植深度合格率高,作業(yè)效果穩(wěn)定,符合設(shè)計要求。