蔬菜高效移栽機(jī)械化技術(shù)探索與優(yōu)化.pdf

nullnullnullnull null農(nóng) 機(jī) 科 技 推 廣 44 AGRICULTURE MACHINERYTECHNOLOGY EXTENSION 新技術(shù) TECHNIQUE 傳統(tǒng)蔬 菜種植需疏苗 進(jìn)行人工移栽 費時費 工 效率偏低 占蔬菜生產(chǎn)總成本的 60 左右 隨 著人民生活水平的提高和經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展 50 60 歲農(nóng)村種地主力軍逐漸上了年紀(jì) 直接從事蔬菜疏 苗種植的體力勞動者越來越少 成為制約蔬菜可持 續(xù)發(fā)展的瓶頸 為此 廣州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣 站長期致力于推廣蔬菜機(jī)械化移栽技術(shù) 使蔬菜 機(jī)械化移栽技術(shù)成為解決蔬菜產(chǎn)業(yè)勞動力短缺問 題突破口 以推動蔬菜機(jī)械化生產(chǎn)向全程全面高質(zhì) 高效發(fā)展 本文以南方地區(qū)使用較多的鴨嘴式移 栽機(jī)型為著力點 提出了針對性的優(yōu)化措施 并付 諸相應(yīng)的改進(jìn)試驗 一 現(xiàn)有蔬菜移栽機(jī)械的短板 弱項 廣州市農(nóng)機(jī)推廣站以農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合 機(jī)械化信 息化融合為路徑 結(jié)合南方地區(qū)蔬菜種植的農(nóng)藝要 求 聚焦蔬菜移栽機(jī)械在實際推廣中存在問題 對 國內(nèi)外各類蔬菜移栽機(jī)械工作參數(shù) 工作原理和工 作方式方法進(jìn)行詳細(xì)分析 總結(jié)困擾蔬菜移栽機(jī) 械廣泛應(yīng)用的難點問題 1 部分移栽機(jī)械栽插機(jī)構(gòu)的設(shè)計不夠精巧 部 分鴨嘴式蔬菜移栽機(jī)械的栽插機(jī)構(gòu)使用了高密度 鐵質(zhì)材料 整體過于笨重 靈活性不足 在動力不 足情況下栽插機(jī)構(gòu)的曲柄連桿部件容易出現(xiàn)間歇性 卡滯情形 導(dǎo)致栽插機(jī)構(gòu)未能完成設(shè)計的蔬菜栽 插動作 實際栽插過程遲緩 出現(xiàn)傷苗 漏等 現(xiàn)象 2 行走系統(tǒng)無法適應(yīng)廣州蔬菜的農(nóng)藝要求 部 分引進(jìn)移栽機(jī)械應(yīng)用行走輪或履帶式行走系統(tǒng) 其行走軌跡過于寬大 難以適應(yīng)廣州壟溝式蔬菜種 植習(xí)慣 移栽機(jī)械壟寬參差不齊 有些移栽機(jī)械只 能用于固定壟寬 使用范圍較小 難以適應(yīng)廣州蔬 菜機(jī)械化移栽農(nóng)藝要求 3 部分移栽機(jī)械的用工量仍然偏大 部分移栽機(jī)械的用工量仍然偏大 部分蔬菜 移栽機(jī)械為達(dá)到增加蔬菜機(jī)械化移栽行數(shù)目的 通 過提高機(jī)械動力 增加栽插機(jī)構(gòu)等方式來增加蔬 菜移栽行數(shù) 作業(yè)時仍需增加工人數(shù)量 以滿足蔬 菜移栽機(jī)械取苗 投苗的需要 無法擺脫對人工的 依賴 二 蔬菜移栽機(jī)械的優(yōu)化與改進(jìn) 1 優(yōu)化移栽機(jī)械的栽插機(jī)構(gòu) 優(yōu)化移栽機(jī)械的栽插機(jī)構(gòu) 為解決移栽機(jī)械 栽插機(jī)構(gòu)的設(shè)計不夠精巧問題 在不影響栽插機(jī)構(gòu) 的性能前提下 采取了兩個優(yōu)化措施 1 優(yōu)化栽插機(jī)構(gòu)材料 降低栽插機(jī)構(gòu)的總質(zhì)量 比較分析發(fā)現(xiàn) 蔬菜移栽機(jī)械的栽插機(jī)構(gòu) 若使用 密度高的鐵質(zhì)材料作為主架構(gòu) 鐵質(zhì)材料密度高 質(zhì)量重 而栽插機(jī)構(gòu)總質(zhì)量越高 所需克服重力做 功就越大 機(jī)械所需輸出的總動力也就越大 栽插 機(jī)構(gòu)總質(zhì)量過高 在移栽機(jī)械輸出動力不足情況下 就極有可能觸發(fā)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的極限位置 使動件 發(fā)生間歇性卡滯 致使栽插機(jī)構(gòu)的反應(yīng)時間不一致 而與栽插器產(chǎn)生聯(lián)動效應(yīng) 這是試驗發(fā)現(xiàn)蔬菜移 栽過程發(fā)生漏苗 傷苗問題的癥結(jié)所在 因此 改 蔬菜高效移栽機(jī)械化技術(shù)探索與優(yōu)化蔬菜高效移栽機(jī)械化技術(shù)探索與優(yōu)化 廣東省廣州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣站 廣東省廣州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣站 張佳敏 韓孟紅 徐強(qiáng)輝 何紹恒 鄭章榮張佳敏 韓孟紅 徐強(qiáng)輝 何紹恒 鄭章榮 45 nullnullnullnull null 農(nóng) 機(jī) 科 技 推 廣 AGRICULTURE MACHINERYTECHNOLOGY EXTENSION 新技術(shù) TECHNIQUE 用剛性 柔韌性等物理特性較優(yōu)異 質(zhì)量較輕的鋁 制材料及剛性塑料板作為栽插機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)材料 使 栽插機(jī)構(gòu)的總重量大幅減少 降低了移栽過程所需 的動力消耗 2 增加數(shù)字化智能控制系統(tǒng) 實現(xiàn)蔬菜移栽機(jī) 械的精準(zhǔn)栽植 把栽插機(jī)構(gòu)做成一個可移動的標(biāo)準(zhǔn) 模塊 使整個標(biāo)準(zhǔn)模塊在燕尾型導(dǎo)軌 柱型軸承 和活動卡位的共同作用下 通過 PLC 和步進(jìn)電機(jī) 組成行距調(diào)控系統(tǒng)進(jìn)行智能調(diào)距 用 PLC 輸出的 電脈沖信號控制步進(jìn)電機(jī)的角位移 進(jìn)而控制絲杠 進(jìn)行精準(zhǔn)定位 達(dá)到數(shù)字控制栽插機(jī)構(gòu)橫向移動距 離的目的 當(dāng)橫向移動到所需位置后 活動卡位直 接鎖死栽插機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)模塊的橫向位移 以實現(xiàn)移栽 行距的數(shù)字化調(diào)控 優(yōu)化后的蔬菜栽插機(jī)構(gòu)將有 效提升蔬菜移栽機(jī)的栽插效率 移栽的行距也實現(xiàn) 了智能化 數(shù)字化的調(diào)控 降低了蔬菜移栽的漏苗 率和傷苗率 2 優(yōu)化移栽機(jī)械的行走系統(tǒng) 優(yōu)化移栽機(jī)械的行走系統(tǒng) 為解決部分蔬菜 移栽機(jī)械的行走系統(tǒng)較難適應(yīng)廣州蔬菜機(jī)械化移 栽農(nóng)藝要求 提升行走系統(tǒng)的可操作性和適用性 廣州市農(nóng)機(jī)推廣站采取了兩個措施進(jìn) 行優(yōu)化 圖 1 剛性強(qiáng)的防滑實心橡膠輪圖 剛性強(qiáng)的防滑實心橡膠輪 1 采用適宜 廣州移栽機(jī)械行走輪 提升行走輪 的可控性 南方雨水多 多壟作蔬菜 需要提前起 壟并預(yù)留倒梯形排水溝 現(xiàn)在已實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化起壟 壟寬 壟溝寬及壟頂寬等參數(shù)均符合廣州蔬菜種 植農(nóng)藝要求 而市場上部分蔬菜移栽機(jī)械使用了寬 輪或履帶式行走系統(tǒng) 行走軌跡過于寬大或底盤 過于低矮 較難適應(yīng)當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝要求 同時還存在 移栽行程反應(yīng)時間長 制動緩慢 行走系統(tǒng)可控性 差等問題 比對市場不同移栽機(jī)械的行走原理后 參照水稻插秧機(jī)械用橡膠防滑輪 用剛性強(qiáng)的防 滑實心橡膠輪 如圖1 代替寬輪或履帶 同時使 用電子調(diào)速技術(shù) 通過磁脈沖式轉(zhuǎn)速傳感器對準(zhǔn)移 栽機(jī)械行走部傳動齒輪感知行走速度 并與設(shè)定 速度進(jìn)行智能比對 實現(xiàn)對行走速度的實時快速 調(diào)節(jié) 2 蔬菜移栽機(jī)械壟寬智能調(diào)控系統(tǒng) 不同蔬菜 種植有不同的農(nóng)藝要求 起壟的寬度也不盡相同 為此 我們利用機(jī)械工程原理 設(shè)計開發(fā)了移栽機(jī) 械壟寬智能調(diào)控系統(tǒng) 系統(tǒng)由應(yīng)用蝸輪絲桿 步進(jìn) 電機(jī) 六邊形導(dǎo)軌 PLC 調(diào)控系統(tǒng) 千斤頂?shù)炔考?組成 移栽機(jī)械靜止?fàn)顟B(tài)下 由千斤頂將移栽機(jī)械 頂起 通過 PLC 調(diào)控系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動渦 輪絲桿沿著六邊形導(dǎo)軌帶動移栽機(jī)械行走輪進(jìn)行 精準(zhǔn)移動 到達(dá)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)壟寬后由活動卡位直接鎖 死 優(yōu)化后的蔬菜移栽機(jī)械既能適用于南方地區(qū) 的蔬菜壟溝式種植習(xí)慣 又實現(xiàn)了行走速度 移栽 株距的智能調(diào)控 3 加裝自動取苗系統(tǒng) 傳統(tǒng)的蔬菜移栽機(jī)械一 般通過增加栽插機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)多行移栽 需要的人 工較多 在與農(nóng)機(jī)生產(chǎn)廠家 高校 基層農(nóng)機(jī)推廣 人員等深入交流后 借鑒機(jī)械手的設(shè)計理念 借助 3D 打印機(jī)的 X Y Z 軸三維立體空間的定位原理 設(shè)計了一套集合了機(jī)械化 信息化技術(shù) 能實現(xiàn)自 動精準(zhǔn)取苗 投苗的自動取苗設(shè)備 如圖 2 工作原理 采用液壓動力推進(jìn)下的 4 針式移植 機(jī)械手作為菜苗夾取裝置 減少對菜苗葉面的傷害 提 升了夾 取 成 功 率 利 用 PL C 輸出的 控 制 信 號 精 準(zhǔn)控制步進(jìn)電機(jī)的角位移 運用齒型同步傳動帶及 渦輪絲桿來驅(qū)動機(jī)械手的運動原理 在 X Y 軸 向精準(zhǔn)定位投苗的位置 基于液壓傳動技術(shù) 在 Z 軸驅(qū)動方向 精準(zhǔn)控制夾苗 投苗的動作 糅合 X nullnullnullnull null農(nóng) 機(jī) 科 技 推 廣 46 AGRICULTURE MACHINERYTECHNOLOGY EXTENSION 新技術(shù) TECHNIQUE Y與 Z 軸的定位動作 在機(jī)電一體化技術(shù)上實現(xiàn)自 動取苗設(shè)備的快速定位 精準(zhǔn)夾苗 投苗 1 蔬 菜苗盤 2 工作臺與導(dǎo)軌 3 X 軸向驅(qū)動 蔬 菜苗盤 工作臺與導(dǎo)軌 軸向驅(qū)動 4 Y 軸向驅(qū)動 5 機(jī)械手與 Z 軸向驅(qū)動 軸向驅(qū)動 機(jī)械手與 軸向驅(qū)動 圖 2 自動取苗設(shè)備夾苗模型圖圖 自動取苗設(shè)備夾苗模型圖 根據(jù)初步的試驗結(jié)果 在安裝自動取苗設(shè)備后 取苗時 自動取 苗設(shè)備的 4 根伸縮針與育苗盤平面 以 76 傾角呈倒 4 棱臺狀斜插進(jìn)穴盤抓苗 投放時 機(jī)械手在液壓驅(qū)動下自動縮回4根伸縮針實現(xiàn)放苗 整個抓取 投放過程自動 流暢 平穩(wěn) 菜苗栽植 連續(xù) 高效 該套設(shè)備的取苗速度能達(dá)到 9000 株 小時 人 比手工取苗快了3 倍以上 三 蔬菜育苗技術(shù)的優(yōu)化 蔬菜移栽機(jī)械能有效減少人工 提高取苗 投苗效率 但如果缺少與蔬菜機(jī)械移栽配套的標(biāo) 準(zhǔn)化育苗技術(shù) 蔬菜苗質(zhì)量參差不齊 也會嚴(yán)重 影響蔬菜移栽機(jī)械生產(chǎn)效率 在學(xué)習(xí)國內(nèi)蔬菜穴 盤育苗基礎(chǔ)上 我們以 四九菜心 為試驗品種 從蔬菜育苗穴盤規(guī)格 育苗基質(zhì)等方面進(jìn)行了有 益的探索 1 開展不同育苗穴盤規(guī)格的試驗 使用市場上 可提供的不同規(guī)格育苗穴盤 以 泥炭 珍珠巖 3 1 的基質(zhì)材料配比 開展不同規(guī)格育苗穴盤 的育苗試驗 試驗從農(nóng)機(jī)農(nóng)藝有機(jī)融合的角度出 發(fā) 以篩選育出苗齡適宜 根系發(fā)達(dá) 苗壯的育 穴盤為目標(biāo) 確保菜苗定植后正常生長 配合解決 機(jī)械化移栽過程較容易出現(xiàn)的埋苗 倒伏問題 為 移栽機(jī)械下一階段進(jìn)行規(guī)?；?高速高效移栽打 好基礎(chǔ) 2 開展不同育苗基質(zhì)對菜心幼苗生長試驗 開展不同育苗基質(zhì)對菜心幼苗生長試驗 通過 不同類型的育苗基質(zhì)及不同的配方設(shè)計 開展泥炭 土 珍 珠 巖 3 1 翠 筠 靚 土 大 觀 農(nóng) 業(yè) 成 品 基 質(zhì) 純進(jìn)口泥炭 純椰糠 泥炭 椰糠 2 1 泥炭 椰 糠 珍珠巖 2 1 1 和泥炭 椰糠 3 1 等不同育苗 基質(zhì)育苗試驗 以篩選能夠育出苗齡適宜 根 系發(fā)達(dá) 生長質(zhì)量好的育苗基質(zhì)為目標(biāo) 配合解決 蔬菜移栽機(jī)械在進(jìn)行自動夾取 投苗動作時容易出 現(xiàn)的基質(zhì)散坨問題 全面提升移栽機(jī)械移栽過程的 可靠性 3 開展自動取苗裝置試驗 為更好評判育苗 成效 使用自動取苗設(shè)備 傳感器及自動計數(shù)器 設(shè)計了一套夾苗 投苗試驗設(shè)備 如圖3 該設(shè)備 在不受外力和外部環(huán)境影響下 能夠自動完成取苗 夾苗 投苗的循環(huán)動作 如果試驗按照設(shè)定的動作 完成 則作為合格苗在自動計數(shù)器上自動累加 反 之則認(rèn)為是不合格苗 將自動從試驗總數(shù)中減除 通過計算分析掉苗率等參數(shù) 簡單檢驗蔬菜育苗 穴盤及其基質(zhì)是否適 合自動化移栽 圖3 自動夾 投苗試驗的模型圖 四 結(jié)論 根據(jù)試驗顯示 采用上述技術(shù)措施后 經(jīng)過 優(yōu)化改進(jìn)的蔬菜高效移栽機(jī)械能一次完成 12 株菜 苗的自動取投苗作業(yè) 一個取投苗周期內(nèi)耗時只需 3 秒 總體移栽效率比人工移栽快了8 倍 且不會 因蔬菜種植行數(shù)的增加而相應(yīng)增加工人 極大減輕 了工人勞動強(qiáng)度 為解決蔬菜產(chǎn)業(yè)用工荒的問題提 供了技術(shù)參考方案 將有效推動蔬菜全程機(jī)械化技 術(shù)的發(fā)展