太陽(yáng)能多壟蔬菜移栽機(jī)設(shè)計(jì)分析.pdf

136 2023 年 7 月上 Agricultural Machinery and Equipment 農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備 太陽(yáng)能多壟蔬菜移栽機(jī)設(shè)計(jì)分析 王士檳 王引衛(wèi) 張昊岳 西京學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 陜西 西安 710123 摘 要 目的 為解決蔬菜移栽工作效率低及成活率下降問(wèn)題 亟需設(shè)計(jì)一種節(jié)省蔬菜移栽勞動(dòng)力的機(jī)械設(shè)備 方法 研究 小組介紹了太陽(yáng)能多壟蔬菜移栽機(jī)整體的設(shè)計(jì)思路 分析了太陽(yáng)能多壟蔬菜移栽機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)置 從機(jī)械爪的設(shè)計(jì) 漏苗 圓盤的設(shè)計(jì) 育秧盤的設(shè)計(jì) 落苗平土部件等方面逐一論述 闡述了太陽(yáng)能多壟蔬菜移栽機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)建方式 結(jié)果 該 太陽(yáng)能多壟蔬菜移栽機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角的速度為 s 能夠在2 s內(nèi)轉(zhuǎn)一圈 并完成抓取 在移栽的過(guò)程中扎坑錐能夠同時(shí)開展注水作 業(yè) 根據(jù)栽植的實(shí)際需求 添加相應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)液 提升秧苗的成活率 結(jié)論 該移栽機(jī)應(yīng)用了新型清潔能源 提高了移栽設(shè)備 的環(huán)保性 解決了既往人力移栽過(guò)程中所出現(xiàn)的多樣化問(wèn)題 在多壟蔬菜移栽領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景與價(jià)值 關(guān)鍵詞 蔬菜移栽機(jī) 太陽(yáng)能 多壟蔬菜 機(jī)械設(shè)計(jì) 中圖分類號(hào) S223 9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A DOI 10 3969 j issn 1672 3872 2023 13 040 1 太陽(yáng)能多壟蔬菜移栽機(jī)整體設(shè)計(jì)思路 1 1 整體設(shè)計(jì)思路 研究小組所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能多壟蔬菜移栽機(jī)屬于 坐水型移栽設(shè)備 該設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn) 第一 可以 通過(guò)太陽(yáng)能供電的方式 解決既往農(nóng)耕設(shè)備能耗過(guò)高 的問(wèn)題 第二 通過(guò)多壟坐水的工作方法 能夠節(jié)省 人力資源 降低蔬菜種植成本 并提高工作速率 該 裝置設(shè)有太陽(yáng)能光伏板 在晴天時(shí)能夠收集陽(yáng)光 并 將能量存儲(chǔ)于蓄電池之中 以便在陰天時(shí)備用 同時(shí) 采用了并聯(lián)式油電混合動(dòng)力形式 解決了太陽(yáng)能供電 不穩(wěn)定的問(wèn)題 1 1 2 基本工作原理 該移栽機(jī)通過(guò)控制系統(tǒng)操控前端機(jī)械爪的工作 效率 保證秧苗能夠精準(zhǔn)落在漏苗盤上 同時(shí)在其相 對(duì)端設(shè)置了一個(gè)推板 推板的工作頻率與機(jī)械手抓苗 頻率保持一致 能夠減少機(jī)械手的多余運(yùn)動(dòng)損耗 提 升機(jī)械的工作效率 圓盤共分為兩層進(jìn)行設(shè)計(jì) 上下 層之間呈現(xiàn)出相反的運(yùn)作方式 2 為能夠保證抓苗 以及漏苗的作業(yè)順利完成 在設(shè)計(jì)時(shí)則將機(jī)械手與漏 苗頻率設(shè)定為了線性關(guān)系 最后 通過(guò)扎坑結(jié)構(gòu)動(dòng)力 系統(tǒng) 完成注水扎坑規(guī)律作業(yè) 并利用覆土輪壓實(shí) 保證秧苗充分吸收養(yǎng)分 提高秧苗成活率 2 太陽(yáng)能多壟蔬菜移栽機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)置 2 1 機(jī)械爪的設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)機(jī)械爪時(shí) 帶動(dòng)其進(jìn)行抓取行為的部件由 三個(gè)可移動(dòng)軸負(fù)責(zé) 暫時(shí)將其命名為 X 軸 Y 軸 Z 軸 其能夠在立體空間中 讓機(jī)械爪完成取苗轉(zhuǎn)動(dòng)任務(wù) X 軸與 Y 軸之間需要保持0 5 m 的伸縮距離 避免其 在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中發(fā)生碰撞現(xiàn)象 而 Z 軸的伸縮距離則 設(shè)定為0 6 m 這樣可以保證各個(gè)軸在高速作業(yè)的過(guò) 程中 不受互相的影響 整體裝置的橫寬為2 m 同 時(shí)可以安設(shè)三個(gè)機(jī)械爪 以便達(dá)成多壟蔬菜移栽的目 標(biāo) 由于機(jī)械爪的主要構(gòu)成元素為金屬 為避免對(duì)蔬 菜秧苗的傷害 則要在抓夾部分安裝多個(gè)軟性硅膠保 護(hù)裝置 并設(shè)置一個(gè)平衡反饋系統(tǒng) 以保證對(duì)蔬菜秧 苗的損害降至最低 此外 為能夠控制機(jī)械手運(yùn)作抓 力的區(qū)間大小 需要利用單片機(jī)加以控制 這樣能夠 在最短的時(shí)間之內(nèi)將蔬菜秧苗從秧盤中抓到漏苗圓 盤內(nèi) 3 2 2 漏苗圓盤的設(shè)計(jì) 將漏苗圓盤設(shè)置為兩層 上層圓盤中均勻分布 了 8 個(gè)直徑為20 mm 的孔 主要用于落苗 而下層圓 盤只設(shè)置了一個(gè)孔洞 然后將兩層圓盤設(shè)置為相反運(yùn) 動(dòng)的形式 這樣當(dāng)圓盤機(jī)械爪依照既定的線路運(yùn)作之 后 剛好會(huì)與其中的一個(gè)落苗孔重疊 此時(shí)機(jī)械爪會(huì) 松開抓夾 使得秧苗落入到下層的落苗孔之中 二者 之間的頻率能夠剛好統(tǒng)一 實(shí)現(xiàn)抓苗與漏苗的一體化 作業(yè) 4 2 3 育秧盤的設(shè)計(jì) 育秧盤要滿足每棵秧苗的放置距離 因此在設(shè)計(jì) 以前 相關(guān)設(shè)計(jì)人員則要加大秧苗長(zhǎng)寬的調(diào)研 經(jīng)過(guò) 計(jì)算發(fā)現(xiàn)將秧苗盤設(shè)置的長(zhǎng)寬設(shè)定為50 mm 最為適 作者簡(jiǎn)介 王士檳 1999 男 山西孝義人 碩士研究生 研究方向?yàn)闄C(jī)械工程 通信作者 王引衛(wèi) 1974 男 陜西興平人 碩士研究生 教授 研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程 2023 年 7 月上 137 Agricultural Machinery and Equipment 農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備 宜 同時(shí) 將推板推送秧苗的頻率設(shè)定為了每40 s 一 排 育秧盤的長(zhǎng)寬高分別為1 000 mm 500 mm 80 mm 5 在推送的過(guò)程中 會(huì)沿著500 mm 寬的方向不 斷移動(dòng) 其移動(dòng)的距離為50 mm 每排可以設(shè)置20 個(gè) 秧苗 機(jī)械爪每秒能夠抓取2 棵秧苗進(jìn)行作業(yè) 這樣 不僅能夠與推板的工作時(shí)間相適配 還能滿足推送距 離要求 提高機(jī)械手的工作效率 2 4 落苗平土部件 該移栽機(jī)的落苗平土部件分為兩大結(jié)構(gòu) 一是覆 土輪 二是落苗撥片 其中 覆土輪主要由兩個(gè)輪子 夾角所形成 其定軸擺放的角度為40 尖角頂點(diǎn)距 離地面10 cm 這樣即便是通過(guò)機(jī)械覆土 也不會(huì)使 得幼苗受到傷害 6 此外 當(dāng)秧苗脫落時(shí) 設(shè)計(jì)人員 也應(yīng)充分考慮到高度因素對(duì)其所產(chǎn)生的沖擊力 因此 需要通過(guò)落苗撥片與垂直套筒相配合的方式來(lái)完成 其所形成的角度 剛好能夠避免秧苗垂直方向朝下產(chǎn) 生較強(qiáng)的沖擊力 這樣不僅能保護(hù)秧苗 還能夠提高 秧苗根部培土的保有率 而在設(shè)計(jì)落苗套筒時(shí) 建議 采用伸縮的形式 這樣可以使得機(jī)械能夠面向不同的 地形開展種植作業(yè) 同時(shí)還要在套筒內(nèi)部設(shè)置一個(gè)用 于減速緩沖的凸起瓣膜 當(dāng)兩片落苗撥片安置在旋轉(zhuǎn) 軸承上時(shí) 便會(huì)形成一個(gè)較大的工作空間 便于設(shè)備 作業(yè) 3 太陽(yáng)能多壟蔬菜移栽機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)建 3 1 控制模塊 該移栽機(jī)的控制模塊的核心為單片機(jī) 單片機(jī)主 要由紅外線信號(hào)轉(zhuǎn)換電路 光電測(cè)速信號(hào)接口 4 位 數(shù)碼管顯示屏以及蜂鳴器報(bào)警系統(tǒng)等部分所組成 其 不僅控制功能較為全面 還能夠通過(guò)模塊化的方式 單獨(dú)對(duì)每一部件進(jìn)行靈活指示作業(yè) 此外 該系統(tǒng)還 能夠?qū)崿F(xiàn)全向輪兩輪驅(qū)動(dòng)避障以及循線功能 具體的 運(yùn)作結(jié)構(gòu)為 電機(jī) 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 單片機(jī) 超聲波模塊 與紅外循跡模塊 3 2 感應(yīng)模塊 該移栽機(jī)的感應(yīng)模塊可以分為兩大部分 一是 超聲波與紅外傳感器 二是紅外循跡模塊 首先 超 聲波模塊主要起到了測(cè)距的功能 評(píng)測(cè)的范圍為 2 cm 400 cm 能夠開展非接觸式距離感應(yīng)檢測(cè) 其中 測(cè)距設(shè)備的精度能夠達(dá)到3 mm 同時(shí) 該模塊還設(shè) 有超聲波發(fā)射器以及接收器 與控制電路相銜接 能 夠在作業(yè)的過(guò)程中達(dá)到精準(zhǔn)避障的目標(biāo) 7 其次 紅 外循跡模塊為四路 該模塊的運(yùn)作原理為 通過(guò)紅外 傳感器來(lái)感知車輪下是否存有黑色目標(biāo)線 并將所探 測(cè)到的數(shù)據(jù)信息傳送給單片機(jī) 單片機(jī)在接收到信息 后進(jìn)行自動(dòng)處理 同時(shí)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生控制反應(yīng) 而紅外 模塊只需要讀取單片機(jī)所錄入的IO 即可 最后 完 成整個(gè)循線作業(yè) 3 3 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 在實(shí)際作業(yè)的過(guò)程中 單片機(jī)系統(tǒng)較小 且所輸 出的電壓經(jīng)評(píng)測(cè)僅有5 V 輸出電流微弱 而電機(jī)的 功率又較大 為保證機(jī)械正常的運(yùn)作 則需要單獨(dú)設(shè) 置一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊 以便完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換 其運(yùn)作原理 為 當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)作時(shí) 單片機(jī)只需要輸出一個(gè)邏輯控制 信號(hào)便可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng) 電機(jī)建議選為調(diào)速電機(jī) 這樣單片機(jī)能夠通過(guò)單片機(jī)的控制 利用傳送帶將幼 苗放置落苗口 此時(shí)的幼苗輸送時(shí)間也與其保持一 致 幼苗便可以按照既定的規(guī)律完成移栽作業(yè) 8 3 4 供能模塊 該移栽機(jī)的供能模式為太陽(yáng)能和油電混合動(dòng)力 系統(tǒng) 這兩種動(dòng)力供應(yīng)形式能夠達(dá)到互補(bǔ)的效果 同 時(shí)也不會(huì)因?yàn)樘?yáng)能的不穩(wěn)定 而出現(xiàn)降低設(shè)備工作 效率的情況 太陽(yáng)能的基本構(gòu)成形式為 光伏板將接 收到的能量 通過(guò)電流的方式 傳送至太陽(yáng)能控制器 與逆變電流進(jìn)行整合 最終所產(chǎn)生的電能供給傳感器 以及電機(jī)進(jìn)行負(fù)載作業(yè) 多余的電量會(huì)被存儲(chǔ)在蓄電 池之中 9 3 5 扎坑系統(tǒng) 由于研究小組所設(shè)置的移栽機(jī)具備自動(dòng)坐水的 功能 扎坑動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)也在其中發(fā)揮了重要的作 用 而該系統(tǒng)中的主要部件為扎坑錐 通過(guò)混合供能 系統(tǒng)的帶動(dòng) 能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)律性的上下作業(yè) 其中在錐 頭的部位設(shè)有高壓的注水出口 能夠在移栽以后 對(duì) 坑苗進(jìn)行注水作業(yè) 水中含有合理配置的生根劑 能 夠滿足秧苗的實(shí)際生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)需求 能夠幫助移栽人員 進(jìn)行緩苗作業(yè) 主要的機(jī)構(gòu)運(yùn)作方式為曲柄滑塊搖 桿 不僅接觸面大 且承載能力也較強(qiáng) 具有耐磨的 特點(diǎn) 能夠滿足設(shè)備的重復(fù)性多次作業(yè)需求 此外 其上下運(yùn)動(dòng)的自由度也較高 能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)構(gòu)的低副轉(zhuǎn) 動(dòng) 保證扎坑作業(yè)的順利開展 10 4 太陽(yáng)能多壟蔬菜移栽機(jī)試驗(yàn)結(jié)果分析 4 1 機(jī)械爪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)性能 為能夠檢驗(yàn)上述方案的可行性 還要對(duì)機(jī)械爪轉(zhuǎn)138 2023 年 7 月上 Agricultural Machinery and Equipment 農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備 動(dòng)與抓取運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行評(píng)測(cè) 在檢測(cè)時(shí) 讓機(jī)械爪通 過(guò) 360 旋轉(zhuǎn)的方式 對(duì)苗圃進(jìn)行抓取 最終發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩 從最初的9 800 N m 變?yōu)榱? 200 N m 由此可以看 出 機(jī)械爪在啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩需求較大 在啟動(dòng)之后的 轉(zhuǎn)矩才能逐漸穩(wěn)定 并且在平動(dòng)與平動(dòng)加速時(shí) 呈現(xiàn) 出一種明顯的波形變化 這也表示機(jī)械爪在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò) 程中發(fā)生了爪力變化 經(jīng)評(píng)測(cè)發(fā)現(xiàn) 其能夠滿足設(shè)備 的實(shí)際抓取變化需求 轉(zhuǎn)動(dòng)角的速度為 s 同時(shí)也 表明了其能夠在2 s 內(nèi)轉(zhuǎn)一圈 并完成抓取作業(yè) 4 2 機(jī)械爪抓取運(yùn)動(dòng)性能 根據(jù)上述機(jī)械爪運(yùn)動(dòng)特性的分析 能夠發(fā)現(xiàn)機(jī)械 爪在抓取的過(guò)程中實(shí)際上是以直線以及圓周的方式 在運(yùn)作 當(dāng)這兩種運(yùn)動(dòng)重疊在一起之后 便能夠看出 機(jī)械爪的抓取過(guò)程較為復(fù)雜 但通過(guò)SolidWorks 軟 件對(duì)抓取機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模與仿真演示 11 發(fā)現(xiàn)抓取機(jī) 構(gòu)能夠滿足實(shí)際作業(yè)需求 4 3 整體試驗(yàn)結(jié)果的分析 在進(jìn)行整機(jī)試驗(yàn)時(shí) 具體的移栽效果也與秧苗的 根莖長(zhǎng)度以及株高有著較大的關(guān)聯(lián)性 以芹菜的移 栽為例 本芹的株距為8 cm 左右 而西芹的株距為 20 cm 左右 經(jīng)計(jì)算本芹每666 67 m 2 需栽苗45 000 株左右 而西芹每666 67 m 2 需栽苗16 000 株左右 在測(cè)試過(guò)程中 利用本移栽機(jī)對(duì)西芹秧苗移栽進(jìn)行了 檢驗(yàn) 最終發(fā)現(xiàn)西芹的株距保持在每19 cm 一棵 并 且機(jī)械在運(yùn)行的過(guò)程中速度較為平均 通過(guò)推算 該 距離能夠滿足西芹的生長(zhǎng)密度需求 在長(zhǎng)久的移栽 過(guò)程中 該設(shè)備的速度穩(wěn)定 經(jīng)整機(jī)評(píng)測(cè) 最終得出以下幾點(diǎn)結(jié)果 一是本機(jī) 械的設(shè)計(jì) 能夠取代傳統(tǒng)的人工移栽抓苗 取苗以及 投苗作業(yè) 并且一次可以移栽 3 壟 滿足多壟作業(yè)的 需求 二是由于在秧盤處安設(shè)了推板 因此提高了該 機(jī)械設(shè)備的工作效率 在移栽的過(guò)程中扎坑錐能夠同 時(shí)開展注水作業(yè) 能夠根據(jù)栽植的實(shí)際需求 添加相 應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)液 便于工作人員進(jìn)行緩苗工作 極大地提 升了秧苗的成活率 三是通過(guò)后期的建模仿真 發(fā)現(xiàn) 該移栽機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)符合實(shí)際的作業(yè)要求 提高了抓 苗以及投苗的精準(zhǔn)性 相比人工作業(yè)而言 可以大幅 度減小誤差 這表明 移栽機(jī)能夠提高移栽工作的質(zhì) 量 同時(shí)能降低移栽成本 滿足基本的作業(yè)需求 可 以加快傳統(tǒng)多壟蔬菜種植作業(yè)的轉(zhuǎn)型 提高農(nóng)業(yè)種植 自動(dòng)化水平和農(nóng)戶的經(jīng)濟(jì)收益 5 結(jié)語(yǔ) 綜上所述 在既往多壟蔬菜移栽的過(guò)程中 不僅 要消耗大量的勞動(dòng)力 蔬菜還會(huì)受到多種因素的影響 從而出現(xiàn)損苗率提升以及成活率下降的問(wèn)題 12 14 研 究小組設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能多壟蔬菜移栽機(jī)不僅應(yīng)用了新 型的清潔能源 還提高了移栽設(shè)備的環(huán)保性 能夠解 決既往人力移栽過(guò)程中所出現(xiàn)的多樣化問(wèn)題 在多壟 蔬菜移栽領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景與價(jià)值 能夠推動(dòng) 我國(guó)多壟蔬菜種植技術(shù)的高質(zhì)量發(fā)展 參考文獻(xiàn) 1 梁秋艷 鄭君發(fā) 劉訓(xùn)報(bào) 等 太陽(yáng)能多壟蔬菜移栽機(jī)設(shè)計(jì)與 試驗(yàn) J 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理 2022 39 11 126 131 2 胡建平 劉育彤 劉偉 等 蔬菜自動(dòng)移栽機(jī)頂夾拔組合 式取苗裝置試驗(yàn)研究 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2022 53 S1 110 117 184 3 鄭君發(fā) 梁秋艷 劉訓(xùn)報(bào) 等 太陽(yáng)能多壟蔬菜坐水移栽機(jī) 設(shè)計(jì) J 佳 木 斯 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 自 然 科 學(xué) 版 2022 40 2 89 92 126 4 岳丹松 王東偉 尚書旗 等 4HL 6型三壟六行智能花生 聯(lián)合收獲機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn) J 農(nóng)機(jī)化研究 2021 43 9 109 112 120 5 計(jì)東 胡熙 哲旋瑞 等 雙排移栽機(jī)械手聯(lián)動(dòng)式高速移 栽裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2022 53 12 126 133 146 6 李慧霜 馬月虹 曹新偉 手扶式移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與 試驗(yàn) J 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 2022 43 11 24 31 7 趙美卿 衛(wèi)立新 郭凌云 新型高密度灌木幼苗移栽機(jī)仿真與 試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程 2022 12 10 107 113 8 張倩男 王克雄 張曉娟 等 基于主成分分析法的甘藍(lán)機(jī)械 化移栽模式綜合評(píng)價(jià) J 北方園藝 2022 19 1 7 9 萬(wàn)穎文 高偉林 牽引式單雙行蔬菜移栽機(jī)作業(yè)質(zhì)量對(duì)比 J 拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車 2022 49 5 39 42 10 袁挺 張宇 尹金亮 等 蔬菜移栽機(jī)曲柄搖桿 導(dǎo)軌組合式 取投苗裝置研究 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2022 53 12 116 125 11 葉海平 多肉植物自動(dòng)移栽機(jī)末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與試驗(yàn) J 南方 農(nóng)機(jī) 2022 53 10 58 60 12 胡顯威 韓長(zhǎng)杰 國(guó)內(nèi)外自動(dòng)移栽機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展建議 J 南方農(nóng)機(jī) 2020 51 16 4 79 13 葉洋洋 肖麗萍 黃糧 糧 等 水稻缽苗移栽機(jī)發(fā)展研究與展 望 J 南方農(nóng)機(jī) 2018 49 19 5 7 14 周瑩 孫磊 蔬菜穴盤苗移栽機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀分析 J 南方農(nóng)機(jī) 2016 47 10 16 19