大田蔬菜架拱覆膜機(jī)設(shè)計(jì)

李金拾

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院,哈爾濱 150081)

0 引言

大田蔬菜架拱覆膜技術(shù)是一種先進(jìn)的蔬菜種植技術(shù),主要特點(diǎn)是在蔬菜大棚上布置支架,并在支架上搭設(shè)覆膜,形成一片可供蔬菜生長,溫濕度適宜的環(huán)境。這種技術(shù)能夠有效利用棚內(nèi)空間,節(jié)省耕地,提高產(chǎn)量,改善品質(zhì),同時(shí)還能夠節(jié)約用水、肥料等資源,減少土壤侵蝕和化肥殘留,阻擋部分降水和陽光,提供一個(gè)良好的氣候環(huán)境,從而保護(hù)蔬菜生長不受惡劣天氣的影響,因此備受農(nóng)業(yè)界的關(guān)注和推廣。

目前,小拱棚的建造主要以手工為主,在量具量出固定距離后,借助打洞機(jī)等輔助機(jī)械進(jìn)行兩側(cè)打孔,再將彎好的竹木、玻璃鋼或鋼筋等材料插孔掩埋[1]。國內(nèi)小拱棚架拱覆膜種植多以人工或簡易機(jī)具分段作業(yè)為主,全自動(dòng)架拱覆膜裝備研究與應(yīng)用尚屬空白,市場前景廣闊。本文主要對(duì)大田蔬菜架拱覆膜技術(shù)進(jìn)行研究,攻克架拱、覆膜一體化技術(shù),研制架拱和覆膜關(guān)鍵技術(shù)裝備,有利于提高小拱棚蔬菜種植機(jī)械化、自動(dòng)化水平,節(jié)省人工、提高效率,為種植戶創(chuàng)造更好的效益,推動(dòng)黑龍江省蔬菜種植產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展,為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供科技支持。

1 研究目的和意義

蔬菜是城鄉(xiāng)居民生活的必需品,促進(jìn)蔬菜生產(chǎn)、保障市場供應(yīng)和價(jià)格基本穩(wěn)定是重大的民生問題[2-3]。蔬菜產(chǎn)業(yè)作為調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式、增加農(nóng)民收入的重要途徑,在推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中發(fā)揮著重要作用[4]。

棚室設(shè)施是設(shè)施農(nóng)業(yè)順利開展的基礎(chǔ)物質(zhì)條件,對(duì)種植環(huán)境的調(diào)控具有重要作用,但目前黑龍江省蔬菜生產(chǎn)設(shè)施水平卻不高。1)蔬菜生產(chǎn)設(shè)施比例不高。黑龍江省設(shè)施蔬菜種植面積僅占蔬菜總面積的13.7%左右,而遼寧、山東、河北地區(qū)占比達(dá)40%以上[5]。2)設(shè)施配套建設(shè)比例低。黑龍江省設(shè)施蔬菜生產(chǎn)主要以大棚為主[6],大棚的保溫、升溫性能較差,生產(chǎn)的蔬菜僅能提前2～3周上市。3)日光溫室建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不高[7]。近年來,黑龍江省不僅制定了《全省蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》,出臺(tái)了支持蔬菜生產(chǎn)基地縣建設(shè)棚室、冷庫、冷鏈物流等基礎(chǔ)設(shè)施和促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策措施,還先后舉辦了“第十三屆中國鮮食玉米速凍果蔬(哈爾濱)大會(huì)”“全省食用菌產(chǎn)業(yè)大會(huì)”,多次組織蔬菜現(xiàn)場觀摩培訓(xùn)——把市場引進(jìn)家門口,把技術(shù)送到農(nóng)民手,政府部門出手實(shí)實(shí)在在地扶持產(chǎn)業(yè)發(fā)展?！昂睾谕?北菜南運(yùn)”品牌戰(zhàn)略實(shí)施,黑龍江省蔬菜產(chǎn)業(yè)保持了快速發(fā)展態(tài)勢(shì),做大、做強(qiáng)、做優(yōu)綠色蔬菜產(chǎn)業(yè)已成為黑龍江省蔬菜基地的戰(zhàn)略選擇。小拱棚在蔬菜栽培、育苗等方面的應(yīng)用越來越廣泛,是保護(hù)地蔬菜栽培的重要類型,發(fā)展?jié)摿薮?。小拱棚插架裝置的研究可以為設(shè)施農(nóng)機(jī)的發(fā)展提供參考和技術(shù)支持。

大田蔬菜架拱覆膜技術(shù)研究的目的是探究覆膜技術(shù)在大田蔬菜種植中的應(yīng)用和特點(diǎn),建立相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,為大田蔬菜的種植提供科學(xué)化和規(guī)范化的技術(shù)支持,從而提高產(chǎn)量和品質(zhì),降低種植成本,增強(qiáng)大田蔬菜的市場競爭力[8]。其意義在于推廣大田蔬菜架拱覆膜技術(shù)可以提高蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì),為食品行業(yè)提供更加優(yōu)質(zhì)的蔬菜,同時(shí)為消費(fèi)者提供更加健康的食品選擇。大田蔬菜架拱覆膜技術(shù)具有降低生產(chǎn)成本、改善生產(chǎn)環(huán)境、減少對(duì)土地破壞等優(yōu)點(diǎn),推廣該技術(shù)有助于保護(hù)耕地資源,增加土地利用效率,提升農(nóng)業(yè)的環(huán)境保護(hù)水平,推進(jìn)我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展,提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)效益,促進(jìn)農(nóng)業(yè)向供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和綠色低碳方向轉(zhuǎn)型。

2 國內(nèi)外研究狀況

目前,大田蔬菜架拱覆膜技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。在我國,大田蔬菜種植的營養(yǎng)液培養(yǎng)、拱覆膜技術(shù)、節(jié)水灌溉等,已成為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)手段之一。隨著科技的不斷發(fā)展,大田蔬菜架拱覆膜技術(shù)也在不斷完善和發(fā)展。

拱棚機(jī)按照應(yīng)用場景主要分為兩類:一類是適用于平坦大地塊的拖拉機(jī)牽引式拱棚插架覆膜機(jī);另一類是適用于日光溫室面積較小地塊的自走式或分離式拱棚插架覆膜機(jī)。國外拱棚機(jī)的研究較為成熟,研究領(lǐng)域更為廣泛。日本藤木農(nóng)機(jī)制作所研制了棚桿打孔掩埋機(jī),但需要人工參與作業(yè),如重復(fù)進(jìn)行行走啟動(dòng)和液壓復(fù)位控制[8]。

國際上拱棚機(jī)的類型可分為兩種,一種是插架覆膜一體化機(jī)器,可實(shí)現(xiàn)一次性插架覆膜作業(yè),法國牽引式拱棚架設(shè)覆膜一體機(jī)如下圖1所示;另一種是插架與覆膜分離式機(jī)器,只能夠?qū)崿F(xiàn)拱棚骨架搭建功能或完成小拱棚塑料薄膜作業(yè),日本架拱和覆膜分離式機(jī)器如下圖2所示。

圖1 法國牽引式拱棚架設(shè)覆膜一體機(jī)

圖2 日本架拱和覆膜分離式機(jī)器

目前,國內(nèi)搭建小拱棚可借助輔助器械完成打坑作業(yè),該打坑機(jī)體積小、質(zhì)量輕且操作簡單,單人雙人均可操作,并具有啟動(dòng)快和打洞作業(yè)性能好等特點(diǎn),滿足棚桿掩埋樁孔深度與直徑要求[9]。但該機(jī)只可作為打洞輔助工具,插桿誤差較大,通過人工插桿作業(yè),價(jià)格昂貴且效率不高[10]。

3 研究內(nèi)容

針對(duì)國內(nèi)拱棚插架覆膜作業(yè)機(jī)械的要求,采用單條棚桿的彎曲和壓插入土自動(dòng)化控制技術(shù),研制了一款針對(duì)小拱棚的自動(dòng)插架覆膜機(jī)械,前期自動(dòng)插架裝置研究內(nèi)容如下:

1)針對(duì)小拱棚農(nóng)藝要求,對(duì)拱棚插架覆膜機(jī)的主要功能部件進(jìn)行分析和設(shè)計(jì),主要為自動(dòng)插架裝置的設(shè)計(jì)。

2)根據(jù)拱棚機(jī)整機(jī)分析和設(shè)計(jì)方案,利用SolidWorks三維軟件設(shè)計(jì)功能部件并進(jìn)行裝配,通過CAD軟件分析拱棚寬度、高度與棚桿長度的關(guān)系,確定彎折臂中彎折壓板的位置和長度,確保彎折效果最好。

3)繪制自動(dòng)插架部件二維圖并進(jìn)行試制,確保能實(shí)現(xiàn)棚桿的彎折和插入功能。

4)針對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題,分析原因,進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化插架結(jié)構(gòu)部件。

4 研究方法和技術(shù)路線

4.1 研究方法

通過三維建模進(jìn)行方案設(shè)計(jì),采取借鑒—?jiǎng)?chuàng)新—試驗(yàn)—改進(jìn)的研究思路,對(duì)小拱棚的自動(dòng)插架覆膜機(jī)械進(jìn)行研制。

1)調(diào)查分析。確立方向目標(biāo),調(diào)研檢索國內(nèi)外研究水平及狀況,明確問題導(dǎo)向,初步確定解決方案。

2)理論分析。理論分析加工對(duì)象特征、設(shè)備及加工工藝,集成理論設(shè)計(jì)方案,確定技術(shù)參數(shù)。實(shí)地調(diào)研相似案例,并與所涉及的交叉學(xué)科專家進(jìn)行探討,專家方案論證后對(duì)機(jī)械進(jìn)行加工制造。

3)設(shè)計(jì)制造、試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合。機(jī)械通過設(shè)計(jì)計(jì)算—圖樣繪制—技術(shù)文件編制—樣機(jī)試制—調(diào)試試驗(yàn)后,對(duì)其性能進(jìn)行檢測(cè),以驗(yàn)證理論分析的結(jié)果,優(yōu)化完善機(jī)械總體設(shè)計(jì)。

4.2 技術(shù)路線

1)前期調(diào)研。通過文獻(xiàn)研究和實(shí)地考察,了解國內(nèi)外大田蔬菜架拱覆膜技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì),明確技術(shù)需求和開發(fā)方向。

2)設(shè)計(jì)方案?；谇捌谡{(diào)研結(jié)果,制定大田蔬菜架拱覆膜機(jī)的設(shè)計(jì)方案,包括架子形式、覆膜材料、構(gòu)件設(shè)計(jì)、固定技術(shù)、機(jī)械自動(dòng)化控制方案等。

3)小規(guī)模試驗(yàn)。基于前期設(shè)計(jì)方案對(duì)大田蔬菜架拱覆膜機(jī)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

4)大規(guī)模試驗(yàn)。在大田中測(cè)試蔬菜架拱覆膜機(jī)的實(shí)際應(yīng)用效果。

5)推廣應(yīng)用。通過試驗(yàn)得到大田蔬菜架拱覆膜機(jī)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù),制定推廣方案并向廣大種植戶宣傳和推廣。

大田蔬菜架拱覆膜機(jī)的研究,需通過前期調(diào)研、設(shè)計(jì)方案、小規(guī)模試驗(yàn)、大規(guī)模試驗(yàn)和推廣應(yīng)用進(jìn)行展開。在該技術(shù)路線實(shí)施的過程中,需要不斷調(diào)整和優(yōu)化技術(shù)方案,以確保機(jī)械的可行性和應(yīng)用效果。

5 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

在制造業(yè)和工程領(lǐng)域,對(duì)產(chǎn)品關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。下文將重點(diǎn)對(duì)自動(dòng)插架裝置和覆膜裝置進(jìn)行分析,以更好地掌握其結(jié)構(gòu)特性。

5.1 自動(dòng)插架裝置

考慮到不同地區(qū)種植模式不同,不同環(huán)境對(duì)抗風(fēng)性的要求不同,該支架插入裝置的設(shè)計(jì),應(yīng)充分考慮裝置的通用性和適應(yīng)性,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要簡單實(shí)用,保證插架的垂直率,實(shí)現(xiàn)支架插入深度和拱高的可調(diào)可控。為了實(shí)現(xiàn)拱棚插架裝置的插架功能,利用偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和線性滑軌驅(qū)動(dòng)下壓架在垂直方向上移動(dòng),完成棚桿彎曲和棚桿插入操作。利用日本研究的壓差離合控制插架壓插和機(jī)器行進(jìn)動(dòng)作,操作非常簡單,還可保障插架垂直度,雖然要手動(dòng)進(jìn)桿和手動(dòng)控制壓插離合,但是只需兩個(gè)動(dòng)作,速度適中,同時(shí)還可以控制成本和故障率。自動(dòng)插架裝置示意圖,如圖3所示。

1.偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu);2.線性滑軌;3.彎折裝置;4.下壓裝置

為得到較好的傳力和壓插效果,需要對(duì)自動(dòng)插架裝置進(jìn)行模擬,從而確定部件結(jié)構(gòu)與尺寸,實(shí)現(xiàn)棚桿垂直、平穩(wěn)地下壓入土,確保滿足棚桿插入深度的要求。自動(dòng)插架裝置在液壓油缸的帶動(dòng)下,通過彎折裝置和下壓裝置實(shí)現(xiàn)棚桿彎折與壓插入土,其插入效果決定了拱棚的穩(wěn)定性。為實(shí)現(xiàn)插架裝置插壓和復(fù)位的往復(fù)運(yùn)動(dòng),設(shè)計(jì)了由液壓油缸驅(qū)動(dòng)的偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。

連桿機(jī)構(gòu)具有許多優(yōu)點(diǎn),其中最基本的是傳動(dòng)特征。第一,運(yùn)動(dòng)副大多為低副、面接觸,承載能力大,壓力和磨損小;第二,連桿機(jī)構(gòu)中的低副通常是幾何封閉式,保證了其工作可靠性;第三,連桿機(jī)構(gòu)中原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不變時(shí),改變各構(gòu)件的相對(duì)長度會(huì)使從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律發(fā)生改變;第四,連桿曲線的形狀會(huì)隨各構(gòu)件相對(duì)長度的變化而變化,這使得連桿機(jī)構(gòu)能夠滿足特定工作需要,實(shí)現(xiàn)改變運(yùn)動(dòng)傳遞方向、增力、擴(kuò)大運(yùn)動(dòng)行程和遠(yuǎn)距離傳遞等目的。偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是一種用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)轉(zhuǎn)換的平面連桿機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)可以配合滾輪滑槽實(shí)現(xiàn)下壓裝置(即后文提到的滑塊)在豎直方向上的運(yùn)動(dòng),偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形態(tài)示意圖如圖4所示。以A點(diǎn)為固定鉸鏈點(diǎn),當(dāng)曲柄B端動(dòng)運(yùn)到B1位置,連桿C端運(yùn)動(dòng)到C1位置時(shí),連桿與滑塊運(yùn)動(dòng)方向相同;當(dāng)B端運(yùn)動(dòng)到B2位置,C端運(yùn)動(dòng)到C2位置時(shí),曲柄與滑塊運(yùn)動(dòng)方向垂直;當(dāng)B端運(yùn)動(dòng)到B3位置,C端運(yùn)動(dòng)到C3位置時(shí),曲柄與連桿在同一直線上,此時(shí)機(jī)構(gòu)形成死點(diǎn)。

a 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)三維圖 b 運(yùn)動(dòng)簡圖

設(shè)曲柄AB長度為a,連桿BC長度為b,偏心距離為e。按滑塊工作行程h=300 mm(即棚桿的插入深度),偏心距離e=220 mm計(jì)算,得出A、C端初始垂直距離l1=69.5 mm,結(jié)束垂直距離l2=387 mm[11],作為曲柄的初始和結(jié)束位置比較合適,曲柄的初始角度和結(jié)束位置角度是132°和38°,偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的行程模擬如圖5所示。

圖5 偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的行程模擬

5.2 覆膜裝置

薄膜覆蓋裝置主要由薄膜延伸機(jī)構(gòu)和壓膜機(jī)構(gòu)兩部分組成。薄膜延伸機(jī)構(gòu)包括兩側(cè)的模具支撐架和中間的導(dǎo)輪。壓膜機(jī)構(gòu)包括壓膜輪和土壤覆蓋盤。薄膜下壓部件對(duì)稱布置,壓膜輪和土壤覆蓋盤通過連接臂組件固定在主機(jī)架的左右兩側(cè)。薄膜延伸機(jī)構(gòu)設(shè)置在壓膜機(jī)構(gòu)組件之間,模板支撐框架連接到連接臂組件或固定到主框架。

為了提高壓膜效果,可以在薄膜延伸機(jī)構(gòu)中專門增加支模和壓膜導(dǎo)輪,如田間土壤硬度較高,則有必要在覆膜裝置前增加挖溝鏟,塑料薄膜通過套筒放置在薄膜支撐架上,并調(diào)整限位孔和導(dǎo)輪連桿的位置,以確保導(dǎo)輪通過摩擦拉緊塑料薄膜,并在前進(jìn)過程中不斷拉動(dòng)塑料薄膜[12]。調(diào)整連接臂組限位彈簧時(shí),將壓膜輪放置在地面上,以確保在覆膜操作過程中,壓膜輪將膜向下壓到土壤表面,土壤蓋板在前進(jìn)過程中旋轉(zhuǎn)土壤,并覆蓋塑料膜邊緣,完成固定裙膜操作。覆膜裝置取代了覆膜過程中的手動(dòng)展膜和覆土,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了作業(yè)效率,確保了覆膜的高壓實(shí)度。

6 結(jié)論和展望

6.1 結(jié)論

目前,國內(nèi)小拱棚蔬菜種植機(jī)械化程度較低,成為了行業(yè)的發(fā)展瓶頸,嚴(yán)重制約了蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。該文對(duì)大田蔬菜架拱覆膜機(jī)的設(shè)計(jì)原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)說明,研究自動(dòng)插架裝置和覆膜裝置這兩個(gè)關(guān)鍵部件,以期為全自動(dòng)架拱覆膜機(jī)的研制提供后續(xù)支持,對(duì)促進(jìn)大田蔬菜架拱覆膜機(jī)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新具有重要意義。

6.2 展望

未來大田蔬菜架拱覆膜技術(shù)的發(fā)展方向是機(jī)械自動(dòng)化,利用現(xiàn)代科技手段實(shí)現(xiàn)對(duì)拱棚形式、覆膜材料、構(gòu)件固定、機(jī)械自動(dòng)化控制等方面的精準(zhǔn)調(diào)控,提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。還需加強(qiáng)大田蔬菜架拱覆膜技術(shù)對(duì)環(huán)境污染、耐病蟲害的研究,使技術(shù)更加環(huán)保、健康,并將該技術(shù)與現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、無土栽培和智能化溫室相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)多種技術(shù)的互補(bǔ)和協(xié)同發(fā)展,打造高效、可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。