大田蔬菜架拱覆膜機設計

李金拾

(黑龍江省農業機械工程科學研究院,哈爾濱 150081)

0 引言

大田蔬菜架拱覆膜技術是一種先進的蔬菜種植技術,主要特點是在蔬菜大棚上布置支架,并在支架上搭設覆膜,形成一片可供蔬菜生長,溫濕度適宜的環境。這種技術能夠有效利用棚內空間,節省耕地,提高產量,改善品質,同時還能夠節約用水、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,提供一個良好的氣候環境,從而保護蔬菜生長不受惡劣天氣的影響,因此備受農業界的關注和推廣。

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,借助打洞機等輔助機械進行兩側打孔,再將彎好的竹木、玻璃鋼或鋼筋等材料插孔掩埋[1]。國內小拱棚架拱覆膜種植多以人工或簡易機具分段作業為主,全自動架拱覆膜裝備研究與應用尚屬空白,市場前景廣闊。本文主要對大田蔬菜架拱覆膜技術進行研究,攻克架拱、覆膜一體化技術,研制架拱和覆膜關鍵技術裝備,有利于提高小拱棚蔬菜種植機械化、自動化水平,節省人工、提高效率,為種植戶創造更好的效益,推動黑龍江省蔬菜種植產業高質量發展,為我國現代農業發展提供科技支持。

1 研究目的和意義

蔬菜是城鄉居民生活的必需品,促進蔬菜生產、保障市場供應和價格基本穩定是重大的民生問題[2-3]。蔬菜產業作為調整農業種植結構、轉變農業發展方式、增加農民收入的重要途徑,在推進農業現代化進程中發揮著重要作用[4]。

棚室設施是設施農業順利開展的基礎物質條件,對種植環境的調控具有重要作用,但目前黑龍江省蔬菜生產設施水平卻不高。1)蔬菜生產設施比例不高。黑龍江省設施蔬菜種植面積僅占蔬菜總面積的13.7%左右,而遼寧、山東、河北地區占比達40%以上[5]。2)設施配套建設比例低。黑龍江省設施蔬菜生產主要以大棚為主[6],大棚的保溫、升溫性能較差,生產的蔬菜僅能提前2～3周上市。3)日光溫室建設標準不高[7]。近年來,黑龍江省不僅制定了《全省蔬菜產業發展規劃》,出臺了支持蔬菜生產基地縣建設棚室、冷庫、冷鏈物流等基礎設施和促進產業發展的政策措施,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”“全省食用菌產業大會”,多次組織蔬菜現場觀摩培訓——把市場引進家門口,把技術送到農民手,政府部門出手實實在在地扶持產業發展。“寒地黑土-北菜南運”品牌戰略實施,黑龍江省蔬菜產業保持了快速發展態勢,做大、做強、做優綠色蔬菜產業已成為黑龍江省蔬菜基地的戰略選擇。小拱棚在蔬菜栽培、育苗等方面的應用越來越廣泛,是保護地蔬菜栽培的重要類型,發展潛力巨大。小拱棚插架裝置的研究可以為設施農機的發展提供參考和技術支持。

大田蔬菜架拱覆膜技術研究的目的是探究覆膜技術在大田蔬菜種植中的應用和特點,建立相關技術標準和規范,為大田蔬菜的種植提供科學化和規范化的技術支持,從而提高產量和品質,降低種植成本,增強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可以提高蔬菜的產量和品質,為食品行業提供更加優質的蔬菜,同時為消費者提供更加健康的食品選擇。大田蔬菜架拱覆膜技術具有降低生產成本、改善生產環境、減少對土地破壞等優點,推廣該技術有助于保護耕地資源,增加土地利用效率,提升農業的環境保護水平,推進我國現代農業發展,提高農業綜合生產能力和經濟效益,促進農業向供給側結構性改革和綠色低碳方向轉型。

2 國內外研究狀況

目前,大田蔬菜架拱覆膜技術已經得到廣泛應用。在我國,大田蔬菜種植的營養液培養、拱覆膜技術、節水灌溉等,已成為實現農業現代化技術手段之一。隨著科技的不斷發展,大田蔬菜架拱覆膜技術也在不斷完善和發展。

拱棚機按照應用場景主要分為兩類:一類是適用于平坦大地塊的拖拉機牽引式拱棚插架覆膜機;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。國外拱棚機的研究較為成熟,研究領域更為廣泛。日本藤木農機制作所研制了棚桿打孔掩埋機,但需要人工參與作業,如重復進行行走啟動和液壓復位控制[8]。

國際上拱棚機的類型可分為兩種,一種是插架覆膜一體化機器,可實現一次性插架覆膜作業,法國牽引式拱棚架設覆膜一體機如下圖1所示;另一種是插架與覆膜分離式機器,只能夠實現拱棚骨架搭建功能或完成小拱棚塑料薄膜作業,日本架拱和覆膜分離式機器如下圖2所示。

圖1 法國牽引式拱棚架設覆膜一體機

圖2 日本架拱和覆膜分離式機器

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

3 研究內容

針對國內拱棚插架覆膜作業機械的要求,采用單條棚桿的彎曲和壓插入土自動化控制技術,研制了一款針對小拱棚的自動插架覆膜機械,前期自動插架裝置研究內容如下:

1)針對小拱棚農藝要求,對拱棚插架覆膜機的主要功能部件進行分析和設計,主要為自動插架裝置的設計。

2)根據拱棚機整機分析和設計方案,利用SolidWorks三維軟件設計功能部件并進行裝配,通過CAD軟件分析拱棚寬度、高度與棚桿長度的關系,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)繪制自動插架部件二維圖并進行試制,確保能實現棚桿的彎折和插入功能。

4)針對試驗中出現的問題,分析原因,進一步改進和優化插架結構部件。

4 研究方法和技術路線

4.1 研究方法

通過三維建模進行方案設計,采取借鑒—創新—試驗—改進的研究思路,對小拱棚的自動插架覆膜機械進行研制。

1)調查分析。確立方向目標,調研檢索國內外研究水平及狀況,明確問題導向,初步確定解決方案。

2)理論分析。理論分析加工對象特征、設備及加工工藝,集成理論設計方案,確定技術參數。實地調研相似案例,并與所涉及的交叉學科專家進行探討,專家方案論證后對機械進行加工制造。

3)設計制造、試驗驗證相結合。機械通過設計計算—圖樣繪制—技術文件編制—樣機試制—調試試驗后,對其性能進行檢測,以驗證理論分析的結果,優化完善機械總體設計。

4.2 技術路線

1)前期調研。通過文獻研究和實地考察,了解國內外大田蔬菜架拱覆膜技術的研究現狀和發展趨勢,明確技術需求和開發方向。

2)設計方案。基于前期調研結果,制定大田蔬菜架拱覆膜機的設計方案,包括架子形式、覆膜材料、構件設計、固定技術、機械自動化控制方案等。

3)小規模試驗。基于前期設計方案對大田蔬菜架拱覆膜機進行調整和優化。

4)大規模試驗。在大田中測試蔬菜架拱覆膜機的實際應用效果。

5)推廣應用。通過試驗得到大田蔬菜架拱覆膜機的最優結構參數,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的研究,需通過前期調研、設計方案、小規模試驗、大規模試驗和推廣應用進行展開。在該技術路線實施的過程中,需要不斷調整和優化技術方案,以確保機械的可行性和應用效果。

5 關鍵部件設計

在制造業和工程領域,對產品關鍵部件的設計是至關重要的。下文將重點對自動插架裝置和覆膜裝置進行分析,以更好地掌握其結構特性。

5.1 自動插架裝置

考慮到不同地區種植模式不同,不同環境對抗風性的要求不同,該支架插入裝置的設計,應充分考慮裝置的通用性和適應性,結構設計要簡單實用,保證插架的垂直率,實現支架插入深度和拱高的可調可控。為了實現拱棚插架裝置的插架功能,利用偏心曲柄滑塊機構和線性滑軌驅動下壓架在垂直方向上移動,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器行進動作,操作非常簡單,還可保障插架垂直度,雖然要手動進桿和手動控制壓插離合,但是只需兩個動作,速度適中,同時還可以控制成本和故障率。自動插架裝置示意圖,如圖3所示。

1.偏心曲柄滑塊機構;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,需要對自動插架裝置進行模擬,從而確定部件結構與尺寸,實現棚桿垂直、平穩地下壓入土,確保滿足棚桿插入深度的要求。自動插架裝置在液壓油缸的帶動下,通過彎折裝置和下壓裝置實現棚桿彎折與壓插入土,其插入效果決定了拱棚的穩定性。為實現插架裝置插壓和復位的往復運動,設計了由液壓油缸驅動的偏心曲柄滑塊機構。

連桿機構具有許多優點,其中最基本的是傳動特征。第一,運動副大多為低副、面接觸,承載能力大,壓力和磨損小;第二,連桿機構中的低副通常是幾何封閉式,保證了其工作可靠性;第三,連桿機構中原動件的運動規律不變時,改變各構件的相對長度會使從動件的運動規律發生改變;第四,連桿曲線的形狀會隨各構件相對長度的變化而變化,這使得連桿機構能夠滿足特定工作需要,實現改變運動傳遞方向、增力、擴大運動行程和遠距離傳遞等目的。偏心曲柄滑塊機構是一種用于實現轉動和移動轉換的平面連桿機構,該機構可以配合滾輪滑槽實現下壓裝置(即后文提到的滑塊)在豎直方向上的運動,偏心曲柄滑塊機構運動形態示意圖如圖4所示。以A點為固定鉸鏈點,當曲柄B端動運到B1位置,連桿C端運動到C1位置時,連桿與滑塊運動方向相同;當B端運動到B2位置,C端運動到C2位置時,曲柄與滑塊運動方向垂直;當B端運動到B3位置,C端運動到C3位置時,曲柄與連桿在同一直線上,此時機構形成死點。

a 曲柄滑塊機構三維圖 b 運動簡圖

設曲柄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計算,得出A、C端初始垂直距離l1=69.5 mm,結束垂直距離l2=387 mm[11],作為曲柄的初始和結束位置比較合適,曲柄的初始角度和結束位置角度是132°和38°,偏心曲柄滑塊機構的行程模擬如圖5所示。

圖5 偏心曲柄滑塊機構的行程模擬

5.2 覆膜裝置

薄膜覆蓋裝置主要由薄膜延伸機構和壓膜機構兩部分組成。薄膜延伸機構包括兩側的模具支撐架和中間的導輪。壓膜機構包括壓膜輪和土壤覆蓋盤。薄膜下壓部件對稱布置,壓膜輪和土壤覆蓋盤通過連接臂組件固定在主機架的左右兩側。薄膜延伸機構設置在壓膜機構組件之間,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,可以在薄膜延伸機構中專門增加支模和壓膜導輪,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,并調整限位孔和導輪連桿的位置,以確保導輪通過摩擦拉緊塑料薄膜,并在前進過程中不斷拉動塑料薄膜[12]。調整連接臂組限位彈簧時,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,土壤蓋板在前進過程中旋轉土壤,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展膜和覆土,降低了勞動強度,提高了作業效率,確保了覆膜的高壓實度。

6 結論和展望

6.1 結論

目前,國內小拱棚蔬菜種植機械化程度較低,成為了行業的發展瓶頸,嚴重制約了蔬菜產業的發展。該文對大田蔬菜架拱覆膜機的設計原理、結構特點進行詳細說明,研究自動插架裝置和覆膜裝置這兩個關鍵部件,以期為全自動架拱覆膜機的研制提供后續支持,對促進大田蔬菜架拱覆膜機的設計創新具有重要意義。

6.2 展望

未來大田蔬菜架拱覆膜技術的發展方向是機械自動化,利用現代科技手段實現對拱棚形式、覆膜材料、構件固定、機械自動化控制等方面的精準調控,提高生產效率和產品質量。還需加強大田蔬菜架拱覆膜技術對環境污染、耐病蟲害的研究,使技術更加環保、健康,并將該技術與現代化農業生產、無土栽培和智能化溫室相結合,實現多種技術的互補和協同發展,打造高效、可持續的農業生產模式。