盧華納斯哈提葉德軍咸麗胡斌

(新疆昌吉職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程分院 新疆昌吉831100)

0 引言

番茄是最受歡迎的蔬菜之一，其全球年產(chǎn)量超過1.2億噸，中國作為第二大產(chǎn)國，其產(chǎn)量已超過3700萬噸。目前，番茄育苗技術(shù)在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)已經(jīng)大面積推廣，而番茄苗移栽仍然依靠人工完成。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一個(gè)熟練勞力以每天工作10 h計(jì)算，平均只能完成0.1公頃左右的移栽面積[1]。由于番茄移栽正值春播時(shí)節(jié)，勞動(dòng)緊張導(dǎo)致了勞動(dòng)力價(jià)格的節(jié)節(jié)攀升，因此加大番茄移栽機(jī)械的研發(fā)，將有助于提高番茄生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，也符合“番茄生產(chǎn)全程機(jī)械化關(guān)鍵技術(shù)與裝備”這一當(dāng)前優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)領(lǐng)域的發(fā)展要求，更重要的是可將新疆紅色產(chǎn)業(yè)做大做強(qiáng)。

國內(nèi)外目前番茄移栽機(jī)的特點(diǎn):1)投資成本大，價(jià)格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修困難。如臺(tái)灣K C.Yang等研制的移栽機(jī)器人，在工作的過程中，依靠系統(tǒng)的視覺傳感器和力度傳感器，能夠做到夾持秧苗而不會(huì)對(duì)其造成損傷。但設(shè)備維修費(fèi)用高，一般的種農(nóng)戶難以接受。如田耐爾牌秧苗移栽等機(jī)。鵬飛牌多功能秧苗移栽機(jī)，富來威油菜移栽機(jī)，重慶北卡農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的番茄移栽機(jī)等，這些移栽機(jī)所需送苗人力過多，過程復(fù)雜。2)要求配套技術(shù)條件較高。3)小面積番茄地里不能使用。因此加大自動(dòng)化番茄移栽機(jī)械的研發(fā)工作力度，盡早將成熟、適用的番茄移栽機(jī)械投放市場，不但可以提高番茄生產(chǎn)效率，而且可以節(jié)約成本，提高收入。

本文致力于面向自動(dòng)化移栽的番茄育苗移栽機(jī)械設(shè)計(jì)，通過關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的研究和設(shè)計(jì)，開發(fā)了新型番茄育苗移栽機(jī)械，解決了當(dāng)前依靠大量人力進(jìn)行番茄育苗移栽低效率的難題。

1 新型番茄移栽機(jī)的工作原理和總體設(shè)計(jì)

1.1 新型番茄移栽機(jī)總體設(shè)計(jì)

番茄移栽機(jī)械主要由落苗機(jī)構(gòu)，行走機(jī)構(gòu)，行距調(diào)整機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。

其工作原理是來自拖拉機(jī)的動(dòng)力由驅(qū)動(dòng)輪7傳動(dòng)到偏心機(jī)構(gòu)3和長連桿8，長連桿運(yùn)動(dòng)過程中帶動(dòng)下頂桿的上移，推開門桿，同時(shí)頂開上頂桿，苗盤中的秧苗通過隔板式帶式輸送裝置23將苗由送料輪輸送至導(dǎo)苗器，偏心輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)過180°后，中門打開，苗落入漏斗中，隨著驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)插苗。

1.2 番茄移栽機(jī)械的主要技術(shù)參數(shù)

1)移栽機(jī)配套動(dòng)力:15 kW以上輪式拖拉機(jī)；作業(yè)行數(shù)/行 :2；

2)栽培模式 :株距:25～40 cm；行距:30～60 cm可調(diào)；

3)送苗方式:人工配合機(jī)械送苗

4)番茄缽苗的形狀 :30 mm×20 mm×40(底部直徑×高×度)的錐體

5)作業(yè)速度/m/s:0.4～0.6(60～80株/min)

6)機(jī)械栽苗率:≧90%技術(shù)指標(biāo)；

7)質(zhì)量:900 kg以下。

圖1 番茄移栽機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

2 新型番茄移栽機(jī)械的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 番茄落苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 番茄苗的特點(diǎn)

新疆的番茄主要采用育苗移栽，番茄育苗的底部的形狀為30 mm×20 mm×40 mm的錐體，苗的高度一般在15～20 cm之間。由于育苗移栽前施水后存在一些尺寸變異，育苗底部一般在2 mm尺寸范圍內(nèi)。[2]

2.1.2 番茄苗運(yùn)動(dòng)軌跡

為了節(jié)省人力，使番茄順利落苗，不會(huì)傷苗且不影響苗移栽的直立度。要求具體軌跡和姿態(tài)應(yīng)該是:1)使苗按一定的軌跡運(yùn)動(dòng)，苗在略帶斜度的苗架上借助重力能順利到達(dá)送苗輸送帶，2)苗沿著軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)落苗、送苗、接苗、植苗位置應(yīng)有不同的姿態(tài)，送苗與接苗夾角為90°，投苗時(shí)接苗器與植苗器軸線的夾角為 0°左右，苗在離開導(dǎo)苗管時(shí)不受阻力，植苗器軸線應(yīng)垂直地面，以保證接苗順利和植苗準(zhǔn)確；3)植苗器在接苗點(diǎn)處和植苗點(diǎn)處的速度為0。

2.1.3 番茄落苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

a)輸送苗、落苗機(jī)構(gòu)的落苗過程

番茄苗的落苗過程可分為4個(gè)階段:1)番茄苗由苗盤取出落入輸送器，輸送器借助拖拉機(jī)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，將番茄苗逐一輸送到送料輪盤，苗做勻速運(yùn)動(dòng) 。2)苗由拔苗盤送至導(dǎo)苗管口，苗做平面運(yùn)動(dòng)，此時(shí)為轉(zhuǎn)動(dòng)。3)苗在導(dǎo)苗管內(nèi)視為質(zhì)點(diǎn)的重力加速直線運(yùn)動(dòng)，忽略葉片與管內(nèi)表面的摩擦[3]。4)從整個(gè)苗移出導(dǎo)苗管口到苗缽接觸地面，假設(shè)苗缽與地面是塑性碰撞，碰撞后苗缽的運(yùn)動(dòng)簡化為定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，到被覆土定位。

b)輸送苗、落苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

番茄送苗機(jī)構(gòu)主要采用輸送帶結(jié)構(gòu)，主要由隔板、輸送帶、帶輪構(gòu)成。如圖2所示。

圖2 番茄移栽機(jī)械輸送苗、落苗機(jī)構(gòu)圖

c)輸送苗、落苗機(jī)構(gòu)的原理

秧苗通過隔板帶式輸送裝置將苗輸送至送料輪，苗隨著送料輪的轉(zhuǎn)動(dòng)被運(yùn)送到接苗管；在重力加速度作用下，苗直線運(yùn)動(dòng)被送到喂苗機(jī)構(gòu)。喂苗機(jī)構(gòu)主要有連桿、鴨嘴漏斗等組成。工作時(shí)，苗落入送料輪中，隨著移栽單體的轉(zhuǎn)動(dòng)放在接苗管中的苗落下，落入栽植單體的鴨嘴漏斗中，完成了喂苗工作。苗移出喂苗口到接觸地面，到被覆土定位。

2.2 番茄移栽機(jī)移栽行距調(diào)整方式

2.2.1 番茄移栽行距特點(diǎn)

按照番茄農(nóng)藝技術(shù)的要求制定移栽行距調(diào)整的方案，確定最佳的調(diào)整方案。

2.2.2 番茄移栽機(jī)移栽行距調(diào)整方式

考慮確保投苗準(zhǔn)確性，該機(jī)采取離合器實(shí)現(xiàn)苗株數(shù)的調(diào)整，且機(jī)架的相對(duì)位置可調(diào)，通過調(diào)整機(jī)架的相對(duì)位置，可實(shí)現(xiàn)30～60 cm行距。其功能調(diào)整簡單、易操作。據(jù)此基于Solidworks設(shè)計(jì)的番茄移栽機(jī)械的行距調(diào)整結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3 番茄移栽機(jī)械的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

3.1 移栽機(jī)虛擬樣機(jī)的建立

運(yùn)動(dòng)仿真是一種簡單的運(yùn)動(dòng)模擬，是在Solidworks平臺(tái)上建立已設(shè)計(jì)好的番茄移栽機(jī)械模型。運(yùn)動(dòng)仿真是將對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)無影響和不起作用的零件都做簡化處理，只將最主要的零部件裝配在一起，在不影響運(yùn)動(dòng)情形的前提下對(duì)零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的優(yōu)化[4]?；谶@樣的思路，建立番茄移栽機(jī)的仿真模型前，需先將機(jī)架、輪子、連桿、漏斗、送料輪、輸送帶、苗盤等結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)主要零部件裝配成一個(gè)簡化的裝配體模型。番茄移栽機(jī)械裝配體模型如圖3所示。

圖3 番茄移栽機(jī)械裝配體模型圖

3.2 基于 Solidworks的番茄移栽機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真分析

3.2.1 設(shè)定番茄移栽機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真參數(shù)

在Solidworks環(huán)境下，結(jié)合實(shí)際工況和技術(shù)要求對(duì)番茄移栽機(jī)械的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定旋轉(zhuǎn)馬達(dá)代表番茄移栽機(jī)械的運(yùn)動(dòng)，選擇長軸為動(dòng)力源。然后確定運(yùn)動(dòng)參數(shù)，根據(jù)實(shí)際工況和技術(shù)圖樣確定豎直方向位移為300 mm，時(shí)間初步設(shè)定為5 s，所以運(yùn)動(dòng)的馬達(dá)類型為[等速]，轉(zhuǎn)速為 100 r/min。

馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)定完后，確定各個(gè)馬達(dá)相應(yīng)的時(shí)間起止點(diǎn)[5]，完成后的運(yùn)動(dòng)仿真模型和MotionManager界面如圖4所示。

圖4 設(shè)定好運(yùn)動(dòng)參數(shù)的運(yùn)動(dòng)仿真模型

3.2.2 動(dòng)畫仿真番茄移栽機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程

在MotionManager界面中將仿真類型選為[動(dòng)畫]，對(duì)番茄移栽機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真和再現(xiàn)。運(yùn)動(dòng)仿真后進(jìn)行干涉檢查，發(fā)現(xiàn)零部件之間不存在干涉，動(dòng)作完成以后單擊[保存動(dòng)畫]將仿真動(dòng)畫保存為AVI或其他文件類型，如圖5所示。圖5(a)中番茄苗經(jīng)過傾斜板在重力作用下落入輸送帶，秧苗通過隔板式帶式輸送裝置能將苗正確地輸送至送料輪，圖5(b)苗隨著送料輪轉(zhuǎn)過180°，后接苗管能完好的接到苗；圖5(c)連桿在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中送料輪已接到苗準(zhǔn)備下落，圖5(d)落入栽植單體的鴨嘴漏斗中的苗接觸地面，到被覆土定位。另一個(gè)鴨嘴漏斗已接到第二顆苗，在往復(fù)過程中完成了移栽。

圖5 番茄移栽機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真圖

由仿真結(jié)果可知，輸送帶、送料輪、導(dǎo)苗管、漏斗的運(yùn)動(dòng)保證移栽機(jī)能夠順利地取苗和投苗，當(dāng)前進(jìn)速度與主軸轉(zhuǎn)速數(shù)值比一定時(shí)，株距值始終保持不變，只要保持前進(jìn)速度與轉(zhuǎn)速的比值不變，則取苗軌跡和植苗軌跡都不會(huì)受影響。

4 結(jié)語

針對(duì)現(xiàn)有番茄移栽機(jī)械自動(dòng)化程度不高的現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了基于新型機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化番茄育苗移栽機(jī)械，重點(diǎn)研究了送苗、落苗機(jī)構(gòu)和行距調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了新型番茄育苗移栽機(jī)械關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程仿真和分析。研究結(jié)果表明:仿真所得的軌跡能夠很好地滿足移栽機(jī)的高效自動(dòng)化移栽要求。

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