劉 平，王春穎，秦洪政，侯加林，李天華

·農(nóng)業(yè)裝備工程與機(jī)械化·

拱棚雙插架覆膜一體機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉 平，王春穎，秦洪政，侯加林，李天華※

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省農(nóng)業(yè)裝備智能化工程實(shí)驗(yàn)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(dòng)強(qiáng)度大且效率低的問(wèn)題，該研究設(shè)計(jì)了一款小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)，主要由自動(dòng)進(jìn)桿裝置、雙插架裝置、覆膜裝置及行進(jìn)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(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)桿、雙插架和覆膜一體化作業(yè)。以進(jìn)桿成功率和進(jìn)桿時(shí)間為衡量自動(dòng)進(jìn)桿作業(yè)指標(biāo)，以撥輪半徑、桿槽高度、順桿板長(zhǎng)度為試驗(yàn)因素，對(duì)進(jìn)桿過(guò)程中的棚桿受力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析和計(jì)算，確定試驗(yàn)因素的范圍，并進(jìn)行仿真試驗(yàn)確定最佳進(jìn)桿裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)。田間試驗(yàn)表明：小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)以最大速度1.2 km/h作業(yè)時(shí)，進(jìn)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(jī)可實(shí)現(xiàn)小拱棚搭建的機(jī)械化和自動(dòng)化作業(yè)，滿足小拱棚插架覆膜要求。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；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(lái)越廣泛[1-5]，如利用小拱棚實(shí)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(jì)效益[6]。但小拱棚仍是人工搭建，勞動(dòng)強(qiáng)度大。隨著農(nóng)業(yè)裝備智能化的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)小拱棚建造的機(jī)械化和智能化是必然的趨勢(shì)。

美國(guó)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(jī)牽引，通過(guò)人工彎桿實(shí)現(xiàn)自動(dòng)插架覆膜作業(yè)。New Low Tunnel Deployment system相比于其他拱棚機(jī)，實(shí)現(xiàn)單列、2列和3列插架覆膜作業(yè)同時(shí)進(jìn)行，整體工作效率較高。針對(duì)人工彎桿的問(wèn)題，Mark William研制的拱棚機(jī)通過(guò)拖拉機(jī)牽引，人工放桿，拱棚機(jī)自動(dòng)彎桿、覆膜。進(jìn)一步地，Tunnelmatic、LesAgrisudvennde公司研制的拱棚機(jī)，基于拖拉機(jī)牽引實(shí)現(xiàn)插架覆膜一體化搭建拱棚。這些拱棚機(jī)都是由拖拉機(jī)牽引。日本藤木農(nóng)機(jī)制作所研制的拱棚多支柱打進(jìn)機(jī)無(wú)需拖拉機(jī)牽引，但需人工放桿和手動(dòng)控制插架動(dòng)作。

目前國(guó)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(guò)打樁機(jī)等輔助機(jī)械進(jìn)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(jī)[7-12]。本課題組前期設(shè)計(jì)與研制了拱棚自動(dòng)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(jī)[14]，需人工放桿，且在插架完成后，車體后退通過(guò)覆膜裝置進(jìn)行覆膜作業(yè)。

人工放桿限制了拱棚機(jī)的作業(yè)效率，拱棚機(jī)的自動(dòng)進(jìn)桿問(wèn)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(jì)與研制了一款針對(duì)小拱棚全自動(dòng)搭建的小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)，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(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)桿、雙插架、覆膜一體化作業(yè)。并進(jìn)行田間性能試驗(yàn)，以期為小拱棚機(jī)械化自動(dòng)化搭建裝備研究提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)由機(jī)架、自動(dòng)進(jìn)桿裝置、雙插架裝置（包括前、后自動(dòng)插架裝置）、覆膜裝置、行進(jìn)裝置和控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。以汽油機(jī)為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，前輪為轉(zhuǎn)向輪，轉(zhuǎn)向輪通過(guò)轉(zhuǎn)向節(jié)臂連接轉(zhuǎn)向方向盤；自動(dòng)進(jìn)桿裝置焊接于雙插架裝置；雙插架裝置通過(guò)變間距調(diào)節(jié)板前后栓接于機(jī)架；覆膜裝置與機(jī)架栓接，且各覆膜部件沿小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)中軸對(duì)稱分布。小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)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(jī)技術(shù)參數(shù)

1.2 工作過(guò)程

小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)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(jìn)速度、插架間距，調(diào)整雙插架安裝位置，啟動(dòng)小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)作業(yè)。通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向，采集測(cè)距輪信號(hào)，按照設(shè)定插架間距控制一體機(jī)啟停，實(shí)現(xiàn)等距前進(jìn)。小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)前進(jìn)的同時(shí)，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(dòng)進(jìn)桿。前進(jìn)距離達(dá)到插架間距后，一體機(jī)暫停，液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)雙插架裝置將直棚桿壓彎并下壓入土，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)方向的前后等距插架。最后，覆膜裝置隨一體機(jī)前進(jìn)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(jì)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(jìn)行覆蓋。

2 關(guān)鍵裝置設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)進(jìn)桿裝置

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

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

2.1.1 撥輪桿槽設(shè)計(jì)

為容納并取出單個(gè)棚桿，并在撥輪轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中保持棚桿平穩(wěn)，設(shè)計(jì)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(duì)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(qiáng)塑料材質(zhì)的圓柱形，桿長(zhǎng)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(gè)棚桿同時(shí)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(jì)為8 mm。

要保證棚桿在撥輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)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(shí)進(jìn)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(dòng)進(jìn)桿分析

式中為插架間距，mm；為行進(jìn)速度，mm/s。

式中1為充桿時(shí)間，s；2為護(hù)桿時(shí)間，s；3為順桿時(shí)間，s；4為落桿時(shí)間，s。

1）充桿

以棚桿在桿槽邊緣為起始狀態(tài)，棚桿充填過(guò)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(hù)桿

在護(hù)桿過(guò)程中，棚桿在桿槽內(nèi)，隨撥輪轉(zhuǎn)動(dòng)保持平穩(wěn)不掉落，護(hù)桿時(shí)間2即撥輪轉(zhuǎn)過(guò)桿槽間距角的時(shí)間，如公式（7）。同時(shí)，依靠限位環(huán)和桿槽形狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)清桿，減少重疊進(jìn)桿情況。護(hù)桿完成后進(jìn)入順桿過(guò)程，此時(shí)輸出速度為1，且方向?yàn)閾茌喦芯€方向，如公式（8）。

小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)以最大作業(yè)速度1.2 km/h行進(jìn)，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(jì)算得小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)行進(jìn)雙倍插架間距的最短時(shí)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(jī)需在插架間距時(shí)間內(nèi)完成進(jìn)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(guò)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(duì)棚桿的支持力2，棚桿與順桿板間的滾動(dòng)摩擦力。設(shè)棚桿與順桿板的接觸足夠粗糙，棚桿作純滾動(dòng)。棚桿沿傾角為的順桿板上邊緣向下滾落，該過(guò)程的初速度為速度1，順桿時(shí)間為3。

式中2為棚桿質(zhì)心加速度，mm/s2；為順桿板長(zhǎng)度，mm；為進(jìn)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(dòng)條件為

滾動(dòng)摩擦力為

由公式（9）~（12）計(jì)算可得：

注：為順桿板傾角，(o)；為棚桿滾動(dòng)質(zhì)心角速度，rad·s-1；2為順桿板對(duì)棚桿的支持力，N；為滾動(dòng)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(guò)程受力分析

Fig.5 Force Analysis of shed pole

4）落桿

在落桿過(guò)程中，棚桿僅受自身重力，此時(shí)棚桿的初速度為順桿過(guò)程的末速度2。順桿時(shí)間4計(jì)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(jìn)行優(yōu)化仿真，通過(guò)公式（3）得到總進(jìn)桿時(shí)間與、、的關(guān)系，如圖6所示，、、對(duì)總進(jìn)桿時(shí)間影響不同。從進(jìn)桿時(shí)間響應(yīng)曲面可以看出，隨著桿槽高度增加，總進(jìn)桿時(shí)間減少。隨著撥輪半徑和順桿板長(zhǎng)度增加，總進(jìn)桿時(shí)間增加，但順桿板長(zhǎng)度對(duì)總進(jìn)桿時(shí)間影響更為顯著。

2.1.3 進(jìn)桿成功率仿真試驗(yàn)分析

重桿率、漏桿率、進(jìn)桿成功率計(jì)算方法如下：