拱棚雙插架覆膜一體機的設(shè)計與試驗

劉 平，王春穎，秦洪政，侯加林，李天華

·農(nóng)業(yè)裝備工程與機械化·

拱棚雙插架覆膜一體機的設(shè)計與試驗

劉 平，王春穎，秦洪政，侯加林，李天華※

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東省農(nóng)業(yè)裝備智能化工程實驗室，泰安 271018）

為適應(yīng)部分地區(qū)蔬菜水果拱棚種植模式，解決傳統(tǒng)小拱棚手工搭建勞動強度大且效率低的問題，該研究設(shè)計了一款小拱棚單列雙插架覆膜一體機，主要由自動進桿裝置、雙插架裝置、覆膜裝置及行進裝置組成，設(shè)定插架間距與插架數(shù)量等工作參數(shù)，小拱棚單列雙插架覆膜一體機實現(xiàn)自動進桿、雙插架和覆膜一體化作業(yè)。以進桿成功率和進桿時間為衡量自動進桿作業(yè)指標(biāo)，以撥輪半徑、桿槽高度、順桿板長度為試驗因素，對進桿過程中的棚桿受力和運動狀態(tài)進行分析和計算，確定試驗因素的范圍，并進行仿真試驗確定最佳進桿裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)。田間試驗表明：小拱棚單列雙插架覆膜一體機以最大速度1.2 km/h作業(yè)時，進桿成功率為94.1%，插架成功率為89.3%，拱棚覆膜率為100%，薄膜破損率為1.1%，平均插架間距為1 190 mm，平均插架寬度為1 050 mm，平均插架深度為200 mm，兩側(cè)插架深度平均偏差為30 mm，平均覆土厚度為80 m。小拱棚單列雙插架覆膜一體機可實現(xiàn)小拱棚搭建的機械化和自動化作業(yè)，滿足小拱棚插架覆膜要求。

農(nóng)業(yè)機械；設(shè)計；試驗；小拱棚；插架；覆膜

0 引 言

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，小拱棚在蔬菜栽培、抵抗災(zāi)害和保溫育苗等方面應(yīng)用越來越廣泛[1-5]，如利用小拱棚實現(xiàn)娃娃菜、韭菜、油白菜一年兩到三茬栽培，提高蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)，提高經(jīng)濟效益[6]。但小拱棚仍是人工搭建，勞動強度大。隨著農(nóng)業(yè)裝備智能化的發(fā)展，實現(xiàn)小拱棚建造的機械化和智能化是必然的趨勢。

美國ANDROS公司的New Low Tunnel Deployment system和Dubois Agrinovation公司研制的Machanical Transplanter Tunnel Layer Model 95均由拖拉機牽引，通過人工彎桿實現(xiàn)自動插架覆膜作業(yè)。New Low Tunnel Deployment system相比于其他拱棚機，實現(xiàn)單列、2列和3列插架覆膜作業(yè)同時進行，整體工作效率較高。針對人工彎桿的問題，Mark William研制的拱棚機通過拖拉機牽引，人工放桿，拱棚機自動彎桿、覆膜。進一步地，Tunnelmatic、LesAgrisudvennde公司研制的拱棚機，基于拖拉機牽引實現(xiàn)插架覆膜一體化搭建拱棚。這些拱棚機都是由拖拉機牽引。日本藤木農(nóng)機制作所研制的拱棚多支柱打進機無需拖拉機牽引，但需人工放桿和手動控制插架動作。

目前國內(nèi)小拱棚多為人工搭建，利用竹木或鋼材等材料作為棚桿，用米尺量出固定距離后通過打樁機等輔助機械進行兩側(cè)打孔，將彎好的竹坯或鋼筋插孔掩埋。拱棚覆膜作業(yè)，多使用地膜覆膜機[7-12]。本課題組前期設(shè)計與研制了拱棚自動插架裝置[13]，并結(jié)合覆膜裝置研制了拱棚插架覆膜一體機[14]，需人工放桿，且在插架完成后，車體后退通過覆膜裝置進行覆膜作業(yè)。

人工放桿限制了拱棚機的作業(yè)效率，拱棚機的自動進桿問題亟待解決。因此，基于課題組已有的研究結(jié)果，以提高作業(yè)效率為目標(biāo)，本文設(shè)計與研制了一款針對小拱棚全自動搭建的小拱棚單列雙插架覆膜一體機，根據(jù)不同地區(qū)前后棚桿的間距不同，設(shè)定插架間距，實現(xiàn)自動進桿、雙插架、覆膜一體化作業(yè)。并進行田間性能試驗，以期為小拱棚機械化自動化搭建裝備研究提供參考。

1 整機結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

小拱棚單列雙插架覆膜一體機由機架、自動進桿裝置、雙插架裝置（包括前、后自動插架裝置）、覆膜裝置、行進裝置和控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。以汽油機為驅(qū)動動力，前輪為轉(zhuǎn)向輪，轉(zhuǎn)向輪通過轉(zhuǎn)向節(jié)臂連接轉(zhuǎn)向方向盤；自動進桿裝置焊接于雙插架裝置；雙插架裝置通過變間距調(diào)節(jié)板前后栓接于機架；覆膜裝置與機架栓接，且各覆膜部件沿小拱棚單列雙插架覆膜一體機中軸對稱分布。小拱棚單列雙插架覆膜一體機主要結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)如表1。

表1 小拱棚單列雙插架覆膜一體機技術(shù)參數(shù)

1.2 工作過程

小拱棚單列雙插架覆膜一體機可一次性完成單列小拱棚的棚架搭建和薄膜覆蓋。根據(jù)不同地區(qū)所需前后棚桿的間距不同，設(shè)定行進速度、插架間距，調(diào)整雙插架安裝位置，啟動小拱棚單列雙插架覆膜一體機作業(yè)。通過液壓驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)向，采集測距輪信號，按照設(shè)定插架間距控制一體機啟停，實現(xiàn)等距前進。小拱棚單列雙插架覆膜一體機前進的同時，撥輪旋轉(zhuǎn)將棚桿送至雙插架裝置的彎折手臂處，完成自動進桿。前進距離達到插架間距后，一體機暫停，液壓系統(tǒng)驅(qū)動雙插架裝置將直棚桿壓彎并下壓入土，實現(xiàn)前進方向的前后等距插架。最后，覆膜裝置隨一體機前進完成覆膜作業(yè)。

1.3 小拱棚搭建農(nóng)藝要求

根據(jù)農(nóng)藝要求[15-19]，設(shè)計所搭建的小拱棚尺寸參數(shù)如圖2所示。依據(jù)不同地區(qū)、不同蔬菜的農(nóng)藝需求，小拱棚前后棚桿間距為800～1 200 mm，寬度為1 000～1 200 mm，高度大于500 mm，薄膜覆土帶寬度為50～75 mm，厚度大于25 mm，每列拱棚間隔為1 000 mm，棚桿入土深度大于150 mm。薄膜選用幅寬為2 200 mm、厚度為0.10 mm的白色薄膜進行覆蓋。

2 關(guān)鍵裝置設(shè)計

2.1 自動進桿裝置

為將直棚桿自動送至雙插架裝置的彎折手臂處，設(shè)計自動進桿裝置，由棚桿架、進桿電機、撥輪、限位環(huán)、順桿板與連桿組成。漫反射光電開關(guān)安裝于進桿順桿板上方的機架，自動進桿裝置結(jié)構(gòu)示意如圖3。

進桿撥輪和棚桿架的合理設(shè)計是保證單根棚桿進給的關(guān)鍵。因此以進桿成功率和進桿時間作為衡量自動進桿作業(yè)的指標(biāo)，設(shè)計撥輪和棚桿架結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1.1 撥輪桿槽設(shè)計

為容納并取出單個棚桿，并在撥輪轉(zhuǎn)動的過程中保持棚桿平穩(wěn)，設(shè)計撥輪結(jié)構(gòu)如圖4。

注：H為桿槽高度，mm；R為撥輪半徑，mm；r為棚桿半徑，mm；S為桿槽寬度，mm；D為撥輪與限位環(huán)的間距，mm；mg為棚桿自身重力，N；N1為棚桿架對棚桿的壓力，N；γ為棚桿架傾角，(o)；θ為桿槽間距角，(o)。

棚桿為玻璃纖維增強塑料材質(zhì)的圓柱形，桿長和直徑分別為2 000 mm和7.5 mm。

桿槽為下部半圓上部矩形，該形狀可避免2個棚桿同時與桿槽底部接觸卡桿情況，桿槽寬度稍大于棚桿直徑7.5 mm，因此設(shè)計為8 mm。

要保證棚桿在撥輪轉(zhuǎn)動過程中保持穩(wěn)定，不從桿槽掉落，槽口高度應(yīng)高于棚桿質(zhì)心高度3.75 mm，并小于棚桿直接7.5 mm。為防止棚桿卡在撥輪和限位環(huán)之間，間距應(yīng)小于棚桿直徑7.5 mm。為避免同時進入2根棚桿，疊加在上方的棚桿質(zhì)心應(yīng)高于限位環(huán)，即桿槽高度加間距（+）應(yīng)低于疊加在上方的棚桿質(zhì)心位置11.25 mm（7.5 mm+3.75 mm）。和的關(guān)系如公式（1）。

2.1.2 自動進桿分析

式中為插架間距，mm；為行進速度，mm/s。

式中1為充桿時間，s；2為護桿時間，s；3為順桿時間，s；4為落桿時間，s。

1）充桿

以棚桿在桿槽邊緣為起始狀態(tài)，棚桿充填過程保持平衡受力如公式（4）。

式中為棚桿質(zhì)量，g；為重力加速度，m/s2；1為棚桿充填加速度，mm/s2；為棚桿架中棚桿數(shù)；為棚桿架傾角，(°)。

2）護桿

在護桿過程中，棚桿在桿槽內(nèi)，隨撥輪轉(zhuǎn)動保持平穩(wěn)不掉落，護桿時間2即撥輪轉(zhuǎn)過桿槽間距角的時間，如公式（7）。同時，依靠限位環(huán)和桿槽形狀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)清桿，減少重疊進桿情況。護桿完成后進入順桿過程，此時輸出速度為1，且方向為撥輪切線方向，如公式（8）。

小拱棚單列雙插架覆膜一體機以最大作業(yè)速度1.2 km/h行進，設(shè)定農(nóng)藝要求的最小插架間距0.8 m，根據(jù)公式（2）計算得小拱棚單列雙插架覆膜一體機行進雙倍插架間距的最短時間為4.8 s。撥輪轉(zhuǎn)速為2π/3 rad/s，為保證小拱棚單列雙插架覆膜一體機需在插架間距時間內(nèi)完成進桿任務(wù)，且桿槽數(shù)盡可能少，故設(shè)定桿槽間距角為120°。

3）順桿

在順桿過程中，棚桿受力分析如圖5和公式（9），棚桿受自身重力，順桿板對棚桿的支持力2，棚桿與順桿板間的滾動摩擦力。設(shè)棚桿與順桿板的接觸足夠粗糙，棚桿作純滾動。棚桿沿傾角為的順桿板上邊緣向下滾落，該過程的初速度為速度1，順桿時間為3。

式中2為棚桿質(zhì)心加速度，mm/s2；為順桿板長度，mm；為進桿裝置連桿軸線到彎折手臂擋板的水平距離，mm。

棚桿純滾動條件為

滾動摩擦力為

由公式（9）~（12）計算可得：

注：為順桿板傾角，(o)；為棚桿滾動質(zhì)心角速度，rad·s-1；2為順桿板對棚桿的支持力，N；為滾動摩擦力，N。

Note:is the inclination angle of the tilted board, (o);is the angular velocity of the rolling centroid of the shed pole, rad·s-1;2is the supporting force of the tilted board on the shed pole, N;is rolling friction, N.

圖5 順桿過程受力分析

Fig.5 Force Analysis of shed pole

4）落桿

在落桿過程中，棚桿僅受自身重力，此時棚桿的初速度為順桿過程的末速度2。順桿時間4計算如公式（16）。

式中為順桿板與彎折手臂擋板高度差，mm，為防止棚桿在彎折手臂擋板處發(fā)生反彈，取值為20 mm。

基于Matlab仿真軟件進行優(yōu)化仿真，通過公式（3）得到總進桿時間與、、的關(guān)系，如圖6所示，、、對總進桿時間影響不同。從進桿時間響應(yīng)曲面可以看出，隨著桿槽高度增加，總進桿時間減少。隨著撥輪半徑和順桿板長度增加，總進桿時間增加，但順桿板長度對總進桿時間影響更為顯著。

2.1.3 進桿成功率仿真試驗分析

重桿率、漏桿率、進桿成功率計算方法如下：