蔬菜高效移栽机械化技术探索与优化.pdf

nullnullnullnull null农 机 科 技 推 广 44 AGRICULTURE MACHINERYTECHNOLOGY EXTENSION 新技术 TECHNIQUE 传统蔬 菜种植需疏苗 进行人工移栽 费时费 工 效率偏低 占蔬菜生产总成本的 60 左右 随 着人民生活水平的提高和经济社会的发展 50 60 岁农村种地主力军逐渐上了年纪 直接从事蔬菜疏 苗种植的体力劳动者越来越少 成为制约蔬菜可持 续发展的瓶颈 为此 广州市农业机械化技术推广 站长期致力于推广蔬菜机械化移栽技术 使蔬菜 机械化移栽技术成为解决蔬菜产业劳动力短缺问 题突破口 以推动蔬菜机械化生产向全程全面高质 高效发展 本文以南方地区使用较多的鸭嘴式移 栽机型为着力点 提出了针对性的优化措施 并付 诸相应的改进试验 一 现有蔬菜移栽机械的短板 弱项 广州市农机推广站以农机农艺融合 机械化信 息化融合为路径 结合南方地区蔬菜种植的农艺要 求 聚焦蔬菜移栽机械在实际推广中存在问题 对 国内外各类蔬菜移栽机械工作参数 工作原理和工 作方式方法进行详细分析 总结困扰蔬菜移栽机 械广泛应用的难点问题 1 部分移栽机械栽插机构的设计不够精巧 部 分鸭嘴式蔬菜移栽机械的栽插机构使用了高密度 铁质材料 整体过于笨重 灵活性不足 在动力不 足情况下栽插机构的曲柄连杆部件容易出现间歇性 卡滞情形 导致栽插机构未能完成设计的蔬菜栽 插动作 实际栽插过程迟缓 出现伤苗 漏等 现象 2 行走系统无法适应广州蔬菜的农艺要求 部 分引进移栽机械应用行走轮或履带式行走系统 其行走轨迹过于宽大 难以适应广州垄沟式蔬菜种 植习惯 移栽机械垄宽参差不齐 有些移栽机械只 能用于固定垄宽 使用范围较小 难以适应广州蔬 菜机械化移栽农艺要求 3 部分移栽机械的用工量仍然偏大 部分移栽机械的用工量仍然偏大 部分蔬菜 移栽机械为达到增加蔬菜机械化移栽行数目的 通 过提高机械动力 增加栽插机构等方式来增加蔬 菜移栽行数 作业时仍需增加工人数量 以满足蔬 菜移栽机械取苗 投苗的需要 无法摆脱对人工的 依赖 二 蔬菜移栽机械的优化与改进 1 优化移栽机械的栽插机构 优化移栽机械的栽插机构 为解决移栽机械 栽插机构的设计不够精巧问题 在不影响栽插机构 的性能前提下 采取了两个优化措施 1 优化栽插机构材料 降低栽插机构的总质量 比较分析发现 蔬菜移栽机械的栽插机构 若使用 密度高的铁质材料作为主架构 铁质材料密度高 质量重 而栽插机构总质量越高 所需克服重力做 功就越大 机械所需输出的总动力也就越大 栽插 机构总质量过高 在移栽机械输出动力不足情况下 就极有可能触发曲柄连杆机构的极限位置 使动件 发生间歇性卡滞 致使栽插机构的反应时间不一致 而与栽插器产生联动效应 这是试验发现蔬菜移 栽过程发生漏苗 伤苗问题的症结所在 因此 改 蔬菜高效移栽机械化技术探索与优化蔬菜高效移栽机械化技术探索与优化 广东省广州市农业机械化技术推广站 广东省广州市农业机械化技术推广站 张佳敏 韩孟红 徐强辉 何绍恒 郑章荣张佳敏 韩孟红 徐强辉 何绍恒 郑章荣 45 nullnullnullnull null 农 机 科 技 推 广 AGRICULTURE MACHINERYTECHNOLOGY EXTENSION 新技术 TECHNIQUE 用刚性 柔韧性等物理特性较优异 质量较轻的铝 制材料及刚性塑料板作为栽插机构的生产材料 使 栽插机构的总重量大幅减少 降低了移栽过程所需 的动力消耗 2 增加数字化智能控制系统 实现蔬菜移栽机 械的精准栽植 把栽插机构做成一个可移动的标准 模块 使整个标准模块在燕尾型导轨 柱型轴承 和活动卡位的共同作用下 通过 PLC 和步进电机 组成行距调控系统进行智能调距 用 PLC 输出的 电脉冲信号控制步进电机的角位移 进而控制丝杠 进行精准定位 达到数字控制栽插机构横向移动距 离的目的 当横向移动到所需位置后 活动卡位直 接锁死栽插机构标准模块的横向位移 以实现移栽 行距的数字化调控 优化后的蔬菜栽插机构将有 效提升蔬菜移栽机的栽插效率 移栽的行距也实现 了智能化 数字化的调控 降低了蔬菜移栽的漏苗 率和伤苗率 2 优化移栽机械的行走系统 优化移栽机械的行走系统 为解决部分蔬菜 移栽机械的行走系统较难适应广州蔬菜机械化移 栽农艺要求 提升行走系统的可操作性和适用性 广州市农机推广站采取了两个措施进 行优化 图 1 刚性强的防滑实心橡胶轮图 刚性强的防滑实心橡胶轮 1 采用适宜 广州移栽机械行走轮 提升行走轮 的可控性 南方雨水多 多垄作蔬菜 需要提前起 垄并预留倒梯形排水沟 现在已实现标准化起垄 垄宽 垄沟宽及垄顶宽等参数均符合广州蔬菜种 植农艺要求 而市场上部分蔬菜移栽机械使用了宽 轮或履带式行走系统 行走轨迹过于宽大或底盘 过于低矮 较难适应当地农艺要求 同时还存在 移栽行程反应时间长 制动缓慢 行走系统可控性 差等问题 比对市场不同移栽机械的行走原理后 参照水稻插秧机械用橡胶防滑轮 用刚性强的防 滑实心橡胶轮 如图1 代替宽轮或履带 同时使 用电子调速技术 通过磁脉冲式转速传感器对准移 栽机械行走部传动齿轮感知行走速度 并与设定 速度进行智能比对 实现对行走速度的实时快速 调节 2 蔬菜移栽机械垄宽智能调控系统 不同蔬菜 种植有不同的农艺要求 起垄的宽度也不尽相同 为此 我们利用机械工程原理 设计开发了移栽机 械垄宽智能调控系统 系统由应用蜗轮丝杆 步进 电机 六边形导轨 PLC 调控系统 千斤顶等部件 组成 移栽机械静止状态下 由千斤顶将移栽机械 顶起 通过 PLC 调控系统控制步进电机 驱动涡 轮丝杆沿着六边形导轨带动移栽机械行走轮进行 精准移动 到达相应标准垄宽后由活动卡位直接锁 死 优化后的蔬菜移栽机械既能适用于南方地区 的蔬菜垄沟式种植习惯 又实现了行走速度 移栽 株距的智能调控 3 加装自动取苗系统 传统的蔬菜移栽机械一 般通过增加栽插机构来实现多行移栽 需要的人 工较多 在与农机生产厂家 高校 基层农机推广 人员等深入交流后 借鉴机械手的设计理念 借助 3D 打印机的 X Y Z 轴三维立体空间的定位原理 设计了一套集合了机械化 信息化技术 能实现自 动精准取苗 投苗的自动取苗设备 如图 2 工作原理 采用液压动力推进下的 4 针式移植 机械手作为菜苗夹取装置 减少对菜苗叶面的伤害 提 升了夹 取 成 功 率 利 用 PL C 输出的 控 制 信 号 精 准控制步进电机的角位移 运用齿型同步传动带及 涡轮丝杆来驱动机械手的运动原理 在 X Y 轴 向精准定位投苗的位置 基于液压传动技术 在 Z 轴驱动方向 精准控制夹苗 投苗的动作 糅合 X nullnullnullnull null农 机 科 技 推 广 46 AGRICULTURE MACHINERYTECHNOLOGY EXTENSION 新技术 TECHNIQUE Y与 Z 轴的定位动作 在机电一体化技术上实现自 动取苗设备的快速定位 精准夹苗 投苗 1 蔬 菜苗盘 2 工作台与导轨 3 X 轴向驱动 蔬 菜苗盘 工作台与导轨 轴向驱动 4 Y 轴向驱动 5 机械手与 Z 轴向驱动 轴向驱动 机械手与 轴向驱动 图 2 自动取苗设备夹苗模型图图 自动取苗设备夹苗模型图 根据初步的试验结果 在安装自动取苗设备后 取苗时 自动取 苗设备的 4 根伸缩针与育苗盘平面 以 76 倾角呈倒 4 棱台状斜插进穴盘抓苗 投放时 机械手在液压驱动下自动缩回4根伸缩针实现放苗 整个抓取 投放过程自动 流畅 平稳 菜苗栽植 连续 高效 该套设备的取苗速度能达到 9000 株 小时 人 比手工取苗快了3 倍以上 三 蔬菜育苗技术的优化 蔬菜移栽机械能有效减少人工 提高取苗 投苗效率 但如果缺少与蔬菜机械移栽配套的标 准化育苗技术 蔬菜苗质量参差不齐 也会严重 影响蔬菜移栽机械生产效率 在学习国内蔬菜穴 盘育苗基础上 我们以 四九菜心 为试验品种 从蔬菜育苗穴盘规格 育苗基质等方面进行了有 益的探索 1 开展不同育苗穴盘规格的试验 使用市场上 可提供的不同规格育苗穴盘 以 泥炭 珍珠岩 3 1 的基质材料配比 开展不同规格育苗穴盘 的育苗试验 试验从农机农艺有机融合的角度出 发 以筛选育出苗龄适宜 根系发达 苗壮的育 穴盘为目标 确保菜苗定植后正常生长 配合解决 机械化移栽过程较容易出现的埋苗 倒伏问题 为 移栽机械下一阶段进行规模化 高速高效移栽打 好基础 2 开展不同育苗基质对菜心幼苗生长试验 开展不同育苗基质对菜心幼苗生长试验 通过 不同类型的育苗基质及不同的配方设计 开展泥炭 土 珍 珠 岩 3 1 翠 筠 靓 土 大 观 农 业 成 品 基 质 纯进口泥炭 纯椰糠 泥炭 椰糠 2 1 泥炭 椰 糠 珍珠岩 2 1 1 和泥炭 椰糠 3 1 等不同育苗 基质育苗试验 以筛选能够育出苗龄适宜 根 系发达 生长质量好的育苗基质为目标 配合解决 蔬菜移栽机械在进行自动夹取 投苗动作时容易出 现的基质散坨问题 全面提升移栽机械移栽过程的 可靠性 3 开展自动取苗装置试验 为更好评判育苗 成效 使用自动取苗设备 传感器及自动计数器 设计了一套夹苗 投苗试验设备 如图3 该设备 在不受外力和外部环境影响下 能够自动完成取苗 夹苗 投苗的循环动作 如果试验按照设定的动作 完成 则作为合格苗在自动计数器上自动累加 反 之则认为是不合格苗 将自动从试验总数中减除 通过计算分析掉苗率等参数 简单检验蔬菜育苗 穴盘及其基质是否适 合自动化移栽 图3 自动夹 投苗试验的模型图 四 结论 根据试验显示 采用上述技术措施后 经过 优化改进的蔬菜高效移栽机械能一次完成 12 株菜 苗的自动取投苗作业 一个取投苗周期内耗时只需 3 秒 总体移栽效率比人工移栽快了8 倍 且不会 因蔬菜种植行数的增加而相应增加工人 极大减轻 了工人劳动强度 为解决蔬菜产业用工荒的问题提 供了技术参考方案 将有效推动蔬菜全程机械化技 术的发展