蔬菜機械化生產對秧苗栽植質量的影響研究

高 芳，李洪昌

(常州機電職業技術學院，江蘇 常州 213164)

0 引言

隨著農業機械化的不斷進步與發展，水果、蔬菜及其他農副產品的機械化栽植機具亦不斷向新型化、自動化方向推進。查閱相關文獻表明：一方面，我國已有多種農作物的栽植機產生，學者普遍針對機械化農機本體進行研究改進；另一方面，蔬菜栽植作為我國農作物核心產業，為減低農民勞動強度、提高蔬菜栽植效率，本文側重考慮蔬菜秧苗栽植質量的影響因素，通過了解蔬菜作物生長的本體環境與主要農藝技術要求，從提高秧苗種植直立程度的角度出發，設計了蔬菜栽植機的核心功能部件，并研究了蔬菜機械化生產對秧苗栽植質量的影響。

1 栽植機結構及工作原理

蔬菜栽植機性能衡量指標主要有缽苗栽植的均勻程度、栽植直立程度及植入土壤深度合格程度等，其結構主要包括鏈式、盤式及導管式等，如圖1所示。結合蔬菜栽植機的工作原理(見圖2)可知：在動力牽引裝置作用下，蔬菜栽植機行進并在整機控制系統及機械裝置配合之下依次進行取苗、輸送和栽植等環節，栽植環節完畢后進行施肥、覆土、鎮壓等動作，完成蔬菜栽植過程。

圖1 蔬菜移植機外形圖Fig.1 The contour diagram of the vegetable transplanter

蔬菜栽植機作業核心參數如下：

牽引裝置功率/kW：≥15

栽植平均入土深度范圍/cm：5～11

株距控制范圍/cm：22～75

行距控制范圍/cm：30～55

栽植效率/min：≥45

2 核心部件設計與改進

2.1 分揀機構設計

根據蔬菜栽植機的工作原理，針對其分揀缽苗機構進行設計，分揀模塊的核心執行部件為并排的多個夾爪。夾爪的速度與力度由整機控制系統發出指令，在多個氣缸的活塞推動下工作。利用軟件繪制分揀模塊的三維模型圖，并通過結構選型及應力強度分析，得出最佳的結構參數與組合比例，如圖3所示。鑒于分揀模塊分為獲取缽苗與投入缽苗至料斗兩大步驟， 各自針對作業環節進行模塊智能控制，融入PLC控制更為精準和快速。

圖3 蔬菜栽植機分揀模塊三維模型圖Fig.3 3D model figure of the sorting module of the vegetable transplanter

2.2 栽植機構設計

栽植機構是蔬菜栽植機的核心執行部件之一，對其進行優化設計對于提高蔬菜秧苗栽植質量及產量起關鍵性作用。為保證蔬菜栽植機在作業過程中地膜的完好性及栽植秧苗的準確性，對料斗出料端的尖角部位重點設計，圖4為栽植模塊設計簡圖。工作時，主要依靠凸輪進行運動傳遞給曲柄，從而控制料斗的運動。對其破膜打孔的運動軌跡進行跟蹤并經運動學分析可得

R+L-h=Rcosθd+Lcosθ′

(1)

式中θd—栽植機構栽植瞬間曲柄與料斗的夾角(rad)；

θ’—栽植機構接觸土壤時曲柄與料斗的夾角(rad)；

R—曲柄長度(m)；

L—料斗尖端與中心線的間距(m)；

h—秧苗的植入土壤的深度(m)；

v—牽引裝置速度(m/s)；

t—時間(s)；

x—水平方向位移(m)；

y—垂直方向位移(m)；

ω—主動曲柄運動角速度(rad/s)。

按照如上運動規律結合凸輪曲線運動進行細化設計，選定各個部件尺寸及配合標準，實現栽植機構的打孔環節，以保證精確的直立角度，使得水平方向運動偏移誤差降至最低，可有效提高栽植率，減少不必要的影響栽植效果的問題產生，如地膜被破壞、被帶起等。

圖4 蔬菜栽植機栽植模塊設計簡圖Fig.4 Design simple figure of the planting module of the vegetable transplanter

2.3 智能控制部件設計

蔬菜栽植實現高效作業控制核心在于電子、自動化技術的融入，從自動分揀、及時送苗到栽植部件軌跡的不斷調整，較高程度的自動蔬菜栽植，可有效保證秧苗栽植質量。圖5為補苗模塊的邏輯控制簡圖。在栽植階段，為保證秧苗直立度，對栽植部件的植入土壤角度進行智能調整，應用核心算法于其中，控制簡圖如圖6所示。同時，應針對給定的入土角度考慮交叉變異與適應度參數控制要求。

圖5 蔬菜栽植機補苗模塊邏輯控制簡圖Fig.5 The logic control diagram of the refill module of the vegetable transplanter

圖6 核心算法應用栽植部件控制圖Fig.6 The control chart of the core algorithm in the planting parts

3 栽植質量影響因素分析

3.1 分揀階段影響因素

秧苗在分揀階段的主要工作是將蔬菜秧苗均勻、一致地送入傳送裝置。根據分揀裝置機構設計特點，在預先編制的控制程序之下執行分揀動作，分揀階段保證秧苗的完好率。表1列出分揀裝置的均勻度指標測試數據。由表1可知：其可行性好，抓取裝置的作用力適宜，可較好地保持秧苗的完好。

表1 蔬菜栽植機分揀均勻度指標測試
Table 1 Sorting evenness index test of the vegetable transplanter

序號評價指標/%測試數據1株距均勻度94.22重復分揀率0.683秧苗漏揀率3.194綜合分揀均勻度98

3.2 傳送階段影響因素

傳送機構主要由傳送軸、導苗部件及扶苗部件等構成。工作時，秧苗經分揀完成后在傳送軸動力控制下，通過栽植機的導苗部件進入栽植機構，植入土壤。傳送裝置在整個栽植環節起到承上啟下連接作用，便于蔬菜秧苗根部精準直立狀態下被植入土壤，利于提高蔬菜秧苗移栽的存活率及蔬菜收獲產量等。此環節對于秧苗栽植質量的影響因素主要表現為：

1)傳送到導苗執行部件中的蔬菜秧苗應當保持高的直立程度。

2)傳送軸應保證傳送平穩，保證傳送裝置部件間的尺寸大小與配合間隙等的協調性。

3)扶苗器的結構及安裝位置準確，對蔬菜秧苗傾斜的扶正及時。

3.3 栽植階段影響因素

蔬菜栽植機栽植階段對秧苗栽植生長及最終產量影響較為顯著。栽植階段的影響因素主要考慮植入深度的一致性、覆土的厚度適宜性及間距的合理性等。針對某一特征參數進行因素分析，結果如圖7所示。

圖7 蔬菜栽植影響因素曲線圖Fig.7 Influence factors diagram of the vegetable planting

由圖7可知：蔬菜栽植機的栽植速度、特征參數與栽植角度的關系存在一個最優解范疇，極值點均位于[-0.6,0.6]范圍內。當栽植角度的編碼值為-0.6(實際植入缽苗角度為87.2°)時，蔬菜栽植的直立程度可達到最大值，約為95.5%左右。

3.4 外界適應性條件影響

蔬菜栽植機在實際作業過程中，田間的土壤及地形條件對于秧苗栽植質量有著重要性影響。因此，對于外界適應性條件要求如下：

1)蔬菜栽植地要求土壤硬度適中，利于栽植機構的快速、準確栽植。

2)蔬菜栽植地的土壤整體地形坡度應不大于12°，保證蔬菜栽植機能夠全效發揮其移栽作用。

3)栽植速度在牽引裝置控制下保持適中。

表3 蔬菜移植機測試參數統計Table 3 Test parameter statistics of the vegetable transplanter

同時，給出試驗蔬菜秧苗的尺寸參數(見表2)，并對其直觀性能參數進行統計，如表3所示。試驗設置200株的栽植量，栽植角度與合格指數、倒伏指數之間存在一定內在聯系，擬優化栽植裝置后可有效提升秧苗栽植優良指數，并控制秧苗倒伏指數在6%范圍之內。

4 結論

1)在深刻了解當前蔬菜機械化生產的發展狀況基礎上，對蔬菜栽植機的工作核心機構進行了設計優化，主要包括分揀模塊、栽植模塊和相關智能控制部件。

2)通過利用擬設計的蔬菜栽植機，從機體本身和外界適應性條件兩大方面針對影響因素進行分析，重點關注蔬菜機械化生產對秧苗栽植質量的影響。