第 37 卷 第 8 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol 37 No 8 2021 年 4月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Apr 2021 1 小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)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 智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備實(shí)驗(yàn)室 泰安 271018 摘 要 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 順桿板長度為試驗(yàn)因素 對(duì)進(jìn)桿過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 關(guān)鍵詞 農(nóng)業(yè)機(jī)械 設(shè)計(jì) 試驗(yàn) 小拱棚 插架 覆膜 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 08 001 中圖分類號(hào) S224 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1002 6819 2021 08 0001 09 劉平 王春穎 秦洪政 等 小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2021 37 8 1 9 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 08 001 http www tcsae org Liu Ping Wang Chunying Qin Hongzheng et al Design and experiment of single row double cuttage and film covering multi functional machine for low tunnels J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2021 37 8 1 9 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 08 001 http www tcsae org 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(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 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(jī)牽引 通 過人工彎桿實(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)人工彎桿的問題 Mark William 研制的拱棚機(jī)通過拖拉 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)無需拖拉機(jī)牽引 但需人工放桿和手動(dòng)控制 收稿日期 2020 08 19 修訂日期 2021 03 19 基金項(xiàng)目 國家自然科學(xué)基金 31700644 山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新計(jì)劃 項(xiàng)目 2018YF004 山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 2017CXGC0926 作者簡介 劉平 博士 教授 博士生導(dǎo)師 研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)裝備智能控制 技術(shù) 機(jī)器人控制與導(dǎo)航 Email liupingsdau 通信作者 李天華 博士 教授 研究方向?yàn)橹悄苻r(nóng)業(yè)裝備和機(jī)械自動(dòng)化 Email lth5460 插架動(dòng)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(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) 農(nóng)業(yè)裝備工程與機(jī)械化 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2021 年 2 與性能參數(shù)如表 1 1 機(jī)架 2 液壓閥 3 PLC 控制柜 4 汽油機(jī) 5 液壓控制器 6 變速箱 7 伸膜架 8 導(dǎo)輪 9 支膜架 10 覆土盤 11 壓膜輪 12 張緊輪 13 齒輪 泵 14 驅(qū)動(dòng)輪 15 雙插架裝置 16 測距輪 17 自動(dòng)進(jìn)桿裝置 18 轉(zhuǎn)向輪 1 Frame 2 Hydraulic valve 3 PLC control cabinet 4 Gasoline engine 5 Hydraulic controller 6 Gearbox 7 Film stretcher 8 Guiding wheel 9 Film supporter 10 Soil covering disk 11 Membrane wheel 12 Tensioning wheel 13 Gear pump 14 Driving wheel 15 Double cuttage device 16 Distance measuring wheel 17 Automatic shed pole feeding device 18 Steering wheel 圖 1 小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī) Fig 1 Single row double cuttage and film covering machine for low tunnels 表 1 小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)技術(shù)參數(shù) Table 1 Technical parameters of the single row double cuttage and film covering machine for low tunnels 項(xiàng)目 Items 參數(shù) Parameters 結(jié)構(gòu)形式 Structure form 一體式 外形尺寸 Overate size L W H mm mm mm 2 700 1 650 1 700 整機(jī)質(zhì)量 Overall machine weight kg 750 發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào) Engine type 三菱 GT1000 棚桿材料 Shed pole material 玻璃纖維增強(qiáng)塑料 GFRP 轉(zhuǎn)向輪距 Steering wheel spacing mm 1 200 驅(qū)動(dòng)輪距 Guiding wheel spacing mm 1 300 進(jìn)桿形式 直桿式 1 2 工作過程 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 過液壓驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向 采集測距輪信號(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 1 薄膜 2 棚架 3 薄膜覆土帶 4 棚內(nèi)作物 1 Film 2 Shed pole skeleton 3 Covered soil on film 4 Crops in low tunnels 圖 2 小拱棚農(nóng)藝技術(shù)模式 Fig 2 Agronomic technology of low tunnels 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 a 自動(dòng)進(jìn)桿裝置結(jié)構(gòu)圖 a Structure diagram of automatic shed pole feeding device b 自動(dòng)進(jìn)桿裝置實(shí)物圖 b Physical picture of automatic shed pole feeding device 1 機(jī)架 2 棚桿 3 棚桿架 4 電機(jī) 5 撥輪 6 限位環(huán) 7 連桿 8 順桿板 1 Frame 2 Shed pole 3 Shed pole frame 4 Motor 5 Dial wheel 6 Limited ring 7 Connecting rod 8 Tilted board 圖 3 自動(dòng)進(jìn)桿裝置 Fig 3 Automatic shed pole feeding device 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)的過程中保 第 8 期 劉 平等 小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 3 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 N 1 為棚桿架對(duì)棚桿的壓力 N 為棚桿架傾角 為桿槽間距角 Note H is height of the shed pole groove mm R is radius of the dial wheel mm r is radius of the shed pole mm S is width of the shed pole grooved mm D is the distance between the dial wheel and the limit ring mm mg is the gravity of the shed pole N N 1 is the pressure of the shed pole frame on the shed pole N is the inclination angle of the shed pole frame is the angle between shed pole grooves 圖 4 撥輪結(jié)構(gòu)圖 Fig 4 Structure diagram of dial wheel 棚桿為玻璃纖維增強(qiáng)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(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) S 為 8 mm 要保證棚桿在撥輪轉(zhuǎn)動(dòng)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 D 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 H D 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 H 和 D 的關(guān) 系如公式 1 3 75 7 5 11 25 7 5 H HD D 1 2 1 2 自動(dòng)進(jìn)桿分析 自動(dòng)進(jìn)桿包括充桿 護(hù)桿 順桿 落桿四個(gè)過程 小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)需在插架間隔時(shí)間內(nèi)完成 進(jìn)桿任務(wù) 即小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)行進(jìn)單次插 架間距的時(shí)間 v t 大于小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)單次 總進(jìn)桿時(shí)間 t 其中 2 v tMv 2 式中 M 為插架間距 mm v 為行進(jìn)速度 mm s 1234 tt t t t 3 式中 t 1 為充桿時(shí)間 s t 2 為護(hù)桿時(shí)間 s t 3 為順桿時(shí)間 s t 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) 棚桿充填過程保持 平衡受力如公式 4 1 sinma mg N Nnmg 1 1 4 式中 m 為棚桿質(zhì)量 g g 為重力加速度 m s 2 a 1 為棚 桿充填加速度 mm s 2 n 為棚桿架中棚桿數(shù) 為棚桿架 傾角 為順利充填棚桿 需保證得棚桿豎直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)間 1 t 公式 5 始終小于水平方向運(yùn)動(dòng)時(shí)間 1 t 公式 6 1 arctan 2 S H t 5 11 2taH 6 式中 1 t 為棚桿水平方向運(yùn)動(dòng)時(shí)間 s 1 t 為棚桿豎直方向 運(yùn)動(dòng)時(shí)間 s 2 護(hù)桿 在護(hù)桿過程中 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 t 2 即撥輪轉(zhuǎn)過桿槽間距角 的時(shí)間 如公式 8 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)入順桿過程 此 時(shí)輸出速度為 v 1 且方向?yàn)閾茌喦芯€方向 如公式 8 2 t 7 式中 為撥輪轉(zhuǎn)速 rad s 1 vRHr 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 2 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 在順桿過程中 棚桿受力分析如圖 5 和公式 9 棚桿受自身重力 mg 順桿板對(duì)棚桿的支持力 N 2 棚桿與 順桿板間的滾動(dòng)摩擦力 f 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 該過程的初速度為速度 v 1 順桿時(shí)間為 t 3 2 2 2 sin cos arctan 1 2 ma mg f Nmg l d fr mr 9 式中 a 2 為棚桿質(zhì)心加速度 mm s 2 l 為順桿板長度 mm d 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 2 ar 10 運(yùn)動(dòng)末速度 2 v 方向?yàn)檠仨槜U板方向 2 21 2sinvalv 11 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2021 年 4 滾動(dòng)摩擦力為 2 1 2 f ma 12 由公式 9 12 計(jì)算可得 2 2 sin 3 ag 13 1 sin 3 fmg 14 3 12 2 sin l t vv 15 注 為順桿板傾角 為棚桿滾動(dòng)質(zhì)心角速度 rad s 1 N 2 為順桿板 對(duì)棚桿的支持力 N f 為滾動(dòng)摩擦力 N Note is the inclination angle of the tilted board is the angular velocity of the rolling centroid of the shed pole rad s 1 N 2 is the supporting force of the tilted board on the shed pole N f 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(shí)棚桿的初 速度為順桿過程的末速度 v 2 順桿時(shí)間 t 4 計(jì)算如公式 16 2 24 4 1 sin 2 vtgth 16 式中 h 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 h 取值為 20 mm 基于 Matlab 仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化仿真 通過公式 3 得到總進(jìn)桿時(shí)間 t 與 H l R 的關(guān)系 如圖 6 所示 H l R 對(duì)總進(jìn)桿時(shí)間 t 影響不同 從進(jìn)桿時(shí)間 t 響應(yīng)曲面可 以看出 隨著桿槽高度 H 增加 總進(jìn)桿時(shí)間 t 減少 隨 著撥輪半徑 R 和順桿板長度 l 增加 總進(jìn)桿時(shí)間 t 增加 但順桿板長度 l 對(duì)總進(jìn)桿時(shí)間 t 影響更為顯著 2 1 3 進(jìn)桿成功率仿真試驗(yàn)分析 在保證總進(jìn)桿時(shí)間滿足條件 t 小于 v t 的情況下 以撥輪半徑 桿槽高度 順桿板長度為試驗(yàn)因素 以重 桿率 漏桿率 進(jìn)桿成功率為性能評(píng)價(jià)指標(biāo) 在 Solidworks motion 中進(jìn)一步仿真分析重桿率 漏桿率 進(jìn)桿成功率 與 H R l 的關(guān)系 如圖 7 所示 設(shè)定撥輪半徑 R 分別 為 55 65 75 85 mm 順桿板長度 l 分別為 50 100 150 200 mm 桿槽高度 H 分別為 4 5 6 7 mm a 桿槽高度 H 和順桿板長度 l 對(duì)總進(jìn)桿時(shí) 間 t 的影響 a The influence of the height of the shed pole groove H and the length of the tilted plate l on the total time of shed pole feeding t b 桿槽高度 H 和撥輪半徑 R 對(duì)總進(jìn)桿時(shí)間 t 的影響 b The influence of the height of the shed pole groove H and the radius of dial wheel R on the total time of shed pole feeding t c 順桿板長度 l 和撥輪半徑 R 對(duì)總進(jìn)桿時(shí) 間 t 的影響 c The influence of the length of the tilted plate l and the radius of dial wheel R on the total time of shed pole feeding t 注 t 為總的進(jìn)桿時(shí)間 s Note t is the total time of shed pole feeding s 圖 6 總進(jìn)桿時(shí)間 t 與桿槽高度 H 順桿板長度 l 和撥輪半徑 R 的關(guān)系 Fig 6 The relationship between the total time t and the height of the shed pole groove H the length of the tilted plate l the radius of dial wheel R 重桿率 漏桿率 進(jìn)桿成功率計(jì)算方法如下 重桿率 1 Y 1 1 100 N Y N 17 式中 N 1 為同時(shí)進(jìn)桿多根棚桿的次數(shù) N 為總棚桿數(shù) 漏桿率 2 Y 2 2 100 N Y N 18 式中 N 2 為沒有棚桿掉落到彎折手臂的次數(shù) 進(jìn)桿成功率 3 Y 3 3 100 N Y N 19 式中 N 3 為成功進(jìn)桿的棚桿數(shù)量 設(shè)定撥輪半徑 R 為 75 mm 順桿板長度 l 為 150 mm 設(shè)定桿槽高度 H 分別為 4 5 6 7 mm 共 4 個(gè)水平 性 能評(píng)價(jià)指標(biāo)與桿槽高度的關(guān)系如圖 7a 所示 隨著桿槽高 度的增加 重桿率先緩慢上升后急劇上升 漏桿率先緩 慢下降后緩慢上升 進(jìn)桿成功率先緩慢上升后急劇下降 當(dāng)桿槽高度較小時(shí) 對(duì)棚桿的容納效果差 容易造成漏 桿現(xiàn)象 進(jìn)桿成功率較低 桿槽高度為 4 6 mm 時(shí) 進(jìn) 桿成功率均在 90 以上 但增大到 7 mm 時(shí) 撥輪桿槽對(duì) 棚桿的容納足夠好 但容易發(fā)生 2 桿重疊的情況 易卡 在限位環(huán) 造成漏桿 進(jìn)桿成功率下降 設(shè)定撥輪半徑 R 為 75 mm 桿槽高度 H 為 6 mm 設(shè) 定順桿板長度 l 為 50 100 150 200 mm 共 4 個(gè)水平 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)與順桿板長度的關(guān)系如圖 7b 所示 隨著順 桿板長度的增加 重桿率變化不大保持穩(wěn)定 漏桿率先 緩慢下降后緩慢上升 進(jìn)桿成功率先上升后急劇下降 順桿板長度為 50 150 mm 時(shí) 進(jìn)桿成功率均在 90 以 上 但增大到 200 mm 時(shí) 進(jìn)桿成功率下降 順桿板傾斜 程度太大時(shí) 棚桿經(jīng)過順桿板后的末速度會(huì)造成棚桿在 第 8 期 劉 平等 小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 5 彎折手臂擋板處發(fā)生反彈 造成漏桿 引起進(jìn)桿成功率 下降 設(shè)定順桿板長度 l 為 150 mm 桿槽高度 H 為 6 mm 設(shè)定撥輪半徑 R 為 55 65 75 85 mm 共 4 個(gè)水平 性能 評(píng)價(jià)指標(biāo)與撥輪半徑的關(guān)系如圖 7c 所示 隨著撥輪半徑 的增加 重桿率和漏桿率變化不大保持穩(wěn)定 進(jìn)桿成功率 均在 90 以上 撥輪半徑的變化對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響較小 總體上 進(jìn)桿成功率為 93 4 時(shí)最高 撥輪半徑 R 為 75 mm 桿槽高度 H 為 6 mm 順桿板長度 l 為 150 mm 由此撥輪和棚桿架結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)為 桿槽寬度 S 為 8 mm 桿槽高度 H 為 6 mm 撥輪半徑 R 為 75 mm 限 位環(huán)與撥輪間距為 D 為 3 mm 順桿板長度 l 為 150 mm a 重桿率 漏桿率 進(jìn)桿成功率與桿槽高的關(guān)系 a The relationship between the repetition rate of shed pole feeding the missing rate of shed pole feeding the success rate of shed pole feeding and the height of the shed pole groove H b 重桿率 漏桿率 進(jìn)桿成功率與順桿板長度的關(guān)系 b The relationship between the repetition rate of shed pole feeding the missing rate of shed pole feeding the success rate of shed pole feeding and the length of the tilted board l c 重桿率 漏桿率 進(jìn)桿成功率與撥輪半徑的關(guān)系 c The relationship between the repetition rate of shed pole feeding the missing rate of shed pole feeding the success rate of shed pole feeding and the radius of the dial wheel R 圖 7 重桿率 漏桿率 進(jìn)桿成功率與桿槽高 H 順桿板長度 l 撥輪半徑 R 的關(guān)系 Fig 7 The relationship between the repetition rate of shed pole feeding the missing rate of shed pole feeding the success rate of shed pole feeding and the height of the shed pole groove H the length of the tilted board l the radius of the dial wheel R 2 2 雙插架裝置 本課題組前期研制的單個(gè)自動(dòng)插架裝置 13 該裝置僅 實(shí)現(xiàn)單個(gè)彎桿 插架功能 需人工進(jìn)桿 為提高作業(yè)效率 設(shè)計(jì)雙插架裝置 包括前 后自動(dòng)插架裝置 由曲柄滑 塊機(jī)構(gòu) 棚桿扦插機(jī)構(gòu) 彎折手臂機(jī)構(gòu) 變間距調(diào)節(jié)板 圖 8 等組成 由液壓提供動(dòng)力 利用偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 和直線滑軌 帶動(dòng)下壓架在豎直方向運(yùn)動(dòng) 前 后自動(dòng)插 架裝置同時(shí)完成插架作業(yè) 插架效率提高 1 倍 雙插架裝置的調(diào)節(jié)間距為 0 8 1 2 m 安裝位置如 圖 10 依據(jù)不同地區(qū) 不同蔬菜的前后棚桿間距需求 設(shè)定插架間距 M 雙插架裝置安裝在變間距調(diào)節(jié)板 圖 9 的位置 插架間距 M 最小為 0 8 m 最大為 1 2 m 1 雙插架裝置 2 變間距調(diào)節(jié)板 3 轉(zhuǎn)向輪 4 驅(qū)動(dòng)輪 5 自動(dòng)進(jìn)桿裝置 6 PLC 控制柜 1 Double cuttage device 2 Variable distance adjustment board 3 Steering wheel 4 Driving wheel 5 Automatic rod device feeding 6 PLC control cabinet gearbox 圖 8 雙插架裝置和變間距調(diào)節(jié)板實(shí)物圖 Fig 8 Physical drawings of double cuttage device and variable distance adjustment board 2 3 覆膜裝置 覆膜裝置安裝于小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)的 前部 由伸膜和壓膜兩部分機(jī)構(gòu)組成 伸膜機(jī)構(gòu)包括小 拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)兩側(cè)的支模架與中間的導(dǎo) 輪與伸膜架 壓膜機(jī)構(gòu)包括壓膜輪與覆土盤 結(jié)構(gòu)示意 如圖 9 塑料薄膜通過套筒放置在支膜架上 調(diào)節(jié)限位孔與導(dǎo) 輪連桿位置確保導(dǎo)輪通過摩擦繃緊塑料薄膜 且在小拱棚 單列雙插架覆膜一體機(jī)前進(jìn)過程中持續(xù)扯動(dòng)塑料薄膜 壓 膜輪將薄膜下壓至土表 覆土盤在小拱棚單列雙插架覆膜 一體機(jī)前進(jìn)的過 程中將土旋起覆蓋塑料薄膜邊 完成裙膜 固定 1 限位孔 2 連桿 3 支模架 4 導(dǎo)輪 5 伸膜架 6 壓膜輪 7 覆土盤 1 Limited hole 2 Connecting rod 3 Film supporter 4 Guiding wheel 5 Film stretcher 6 Membrane wheel 7 Soil covering disk 圖 9 覆膜裝置結(jié)構(gòu)圖 Fig 9 Structure diagram of film covering device 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2021 年 6 3 控制系統(tǒng) 小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)的智能控制系統(tǒng)由西 門子 S7 1200 CPU 1214C 傳感器 排量 15 ml r 額定轉(zhuǎn) 速 2 000 r min 1 的液壓系統(tǒng) 行進(jìn)系統(tǒng)和自動(dòng)進(jìn)桿插架系 統(tǒng)組成 可實(shí)現(xiàn)小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)自動(dòng)進(jìn)桿 等距插架和覆膜的全自動(dòng)化作業(yè) 整體控制流程如圖 11 圖 10 小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)控制流程示意圖 Fig 10 Control flow diagram of single row double cuttage and film covering machine for low tunnels 3 1 行進(jìn)系統(tǒng)控制 行進(jìn)系統(tǒng)由汽油機(jī) 變速箱 張緊輪 驅(qū)動(dòng)輪 測 距輪 轉(zhuǎn)向輪組成 圖 1 PLC 通過控制三位四通電磁閥控制液壓油流向 從 而控制液壓缸往復(fù)動(dòng)作 液壓缸動(dòng)作通過鋼絲拉線帶動(dòng) 張緊輪實(shí)現(xiàn)階段性往復(fù)運(yùn)動(dòng) 張緊輪調(diào)節(jié)汽油機(jī)與行進(jìn) 變速箱之間皮帶的漲緊度 實(shí)現(xiàn)小拱棚單列雙插架覆膜 一體機(jī)的啟動(dòng) 勻速行進(jìn)與停止 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)等距行進(jìn) 考慮到小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)在大田條件下 作業(yè) 存在田地高低不平或者泥濘條件惡劣的情況 編 碼器在車輪打滑時(shí)會(huì)出現(xiàn)距離測算失誤等問題 為精確 測定行進(jìn)距離 小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)加裝測距 輪 直徑 40cm 邊緣均勻分布磁鐵 采用直流二線常 開磁性接近開關(guān)計(jì)算行進(jìn)距離 測距輪不承擔(dān)整體機(jī)器 重量 與地面保持剛剛接觸狀態(tài) 發(fā)生打滑時(shí) 驅(qū)動(dòng)輪 空轉(zhuǎn) 整體機(jī)器未行走 測距輪沒有發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng) 有效解 決距離測算失誤問題 計(jì)數(shù)磁性接近開關(guān)動(dòng)作 計(jì)算一體機(jī)行進(jìn)距離 d 公 式 20 進(jìn)而判斷是否達(dá)到設(shè)定插架間距 M 當(dāng) d M 時(shí) 小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)暫停前進(jìn) 進(jìn)行插架 作業(yè) 插架數(shù)量計(jì)數(shù) 2 插架完成后 小拱棚單列雙插 架覆膜一體機(jī)繼續(xù)前進(jìn) 且重新計(jì)算行進(jìn)距離 d mm 2 c rn d n 00 20 式中 r 0 為測距輪半徑 mm n c 為安裝在測距輪上的磁鐵 數(shù) n 0 為接近開關(guān)動(dòng)作次數(shù) 3 2 自動(dòng)進(jìn)桿插架系統(tǒng)控制 小拱棚雙插架覆膜一體機(jī)根據(jù)設(shè)定的插架間距 M 進(jìn) 行插架作業(yè) 車輛啟動(dòng)的同時(shí) 由 PLC 控制進(jìn)桿電機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為 t 1 t 2 光電開關(guān)傳感器檢測到棚桿通過后將 信號(hào)反饋 PLC 確保棚桿送入彎折手臂 小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)行進(jìn)距離 d 達(dá)到設(shè)定 插架間距 M 后 PLC 通過三位四通電磁閥控制壓插油缸 帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng) 作為曲柄滑塊部分中的滑塊 棚 桿扦插機(jī)構(gòu) 向下作業(yè) 其中彎折手臂的導(dǎo)軌軸承固定 在棚桿扦插機(jī)構(gòu)上 進(jìn)而彎折手臂從水平位置旋轉(zhuǎn)到豎 直位置 使棚桿變彎 棚桿扦插機(jī)構(gòu)繼續(xù)向下作業(yè) 將 彎棚桿壓入土 此時(shí) 接近開關(guān) II 檢測到棚桿扦插機(jī)構(gòu) 雙插架裝置開始復(fù)位 彎折手臂的擋板回彈 與棚桿分 離 進(jìn)而壓插油缸復(fù)位帶動(dòng)棚桿扦插機(jī)構(gòu)復(fù)位 接近開 關(guān) I 檢測到棚桿扦插機(jī)構(gòu)后 復(fù)位完成 完成一次插架作 業(yè) 插架數(shù)量計(jì)數(shù) 2 重復(fù)行進(jìn)和插架動(dòng)作 直至滿足 設(shè)定插架數(shù)量 4 田間試驗(yàn) 4 1 試驗(yàn)條件 為驗(yàn)證小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)設(shè)計(jì)的可行 性 以及測試小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)進(jìn)桿 彎桿 插桿 覆膜的作業(yè)性能 2019 年 9 月 在山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 南校區(qū)試驗(yàn)田進(jìn)行了田間作業(yè)和性能檢測 如圖 11 所 示 試驗(yàn)地長 100 m 寬 15 m 選擇蔬菜種植常用土壤 類型 壤土 土壤含水率為 10 1 0 20 cm 的平均土 壤堅(jiān)實(shí)度為 746 kPa a 試驗(yàn)機(jī)器 a Machine for experiment b 試驗(yàn)效果 b Experiments effects 圖 11 田間試驗(yàn) Fig 11 Field experiment 第 8 期 劉 平等 小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 7 覆膜壓土作業(yè)部分參照 JB T7732 2 地膜覆蓋機(jī)試驗(yàn) 方法 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 20 和農(nóng)田小拱棚實(shí)際應(yīng)用農(nóng)藝要求 田 間試驗(yàn)選取重桿率 漏桿率 進(jìn)桿成功率 棚桿傾斜率 棚桿插入率 平均插架深度 兩側(cè)插架深度偏差 覆膜 破損率 平均覆土厚度 平均覆土寬度 平均插架間距 插架合格率為小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)作業(yè)的測試 指標(biāo) 試驗(yàn)總棚桿數(shù)為 300 根 若出現(xiàn)重桿 回收重疊 的多余棚桿到棚桿架 若出現(xiàn)漏桿 人工減少 1 根棚桿 棚桿插入率 4 Y 4 4 3 100 N Y N 21 式中 N 4 為成功插入土中的棚桿數(shù)量 棚桿傾斜率 5 Y 5 5 4 100 N Y N 22 式中 N 5 為成功插入土且棚桿整體與地面夾角不超過 80 的棚桿數(shù)量 拱棚覆膜率 c Y 0 c 100 t S Y S 23 式中 S 0 為覆膜總面積 m 2 S t 為棚架總面積 4 2 1 t SMN m 2 薄膜破損率 p Y p 0 100 P S Y S 24 式中 S P 為薄膜破損總面積 m 2 平均插架深度 D 3 1 3 2 N lr i RR D N 25 式中 R l 為棚桿左側(cè)入土深度 mm R r 為棚桿右側(cè)入土深 度 mm 兩側(cè)插架深度平均偏差 R e 3 1 3 N lr i R RR e N 26 隨機(jī)取樣 N T 個(gè)薄膜覆土層上長度 20 cm 的覆土 計(jì) 算平均覆土厚度 ave tk 1 ave T N i T tk i tk N 27 式中 N T 為隨機(jī)取樣數(shù) tk i 為第 i 個(gè)樣本的覆土厚度 通 過覆土體積除以覆土長 寬計(jì)算得到 覆土體積通過裝 入固定尺寸的透明盒中計(jì)算得到 mm 平均覆土寬度 ave tw 1 ave T N i T tw i tw N 28 式中 tw i 為第 i 個(gè)樣本的覆土平均寬度 mm 平均插架間距 ave L 4 1 1 4 1 N i ave Li L N 29 式中 L i 為實(shí)際插架間距 mm 平均插架間距偏差 L e 4 1 1 4 1 N ave i L Li L e N 30 棚桿破損率 6 Y 6 6 100 N Y N 31 式中 N 6 為破損棚桿數(shù)量 插架成功率 7 Y 7 7 100 N Y N 32 式中 N 7 為滿足插架需求的成功棚桿數(shù)量 包括入土深度 兩側(cè)插架深度偏差 棚桿整體與地面夾角 4 2 結(jié)果與分析 小拱棚單列雙插架覆膜一體機(jī)以 1 2 km h 最大作業(yè) 速度行進(jìn) 每列拱棚間隔 1 m 插架間距 1 2 m 試驗(yàn)結(jié) 果如表 2 所示 本文設(shè)計(jì)的小拱棚單列雙插架覆膜一體 機(jī)作業(yè)效率為 2 122 m 2 h 相同作業(yè)速度和插架間距下 單個(gè)自動(dòng)插架裝置的拱棚插架覆膜一體機(jī)的作業(yè)效率為 1 320 m 2 h 14 作業(yè)效率提高了 60 表 2 田間試驗(yàn)結(jié)果 作業(yè)速度 1 2 km h 1 Table 2 Results of the field experimenta Operating speed is 1 2 km h 1 項(xiàng)目 Items 指標(biāo) Indexes 數(shù)據(jù) Datas 結(jié)果 Results 重桿率 Repetition rate of shed pole feeding 5 2 6 合格 漏桿率 Missing rate of shed pole feeding 5 3 3 合格 進(jìn)桿成功率 Success rate of shed pole feeding 90 94 1 合格 棚桿插入率 Insertion rate of shed pole 92 98 6 合格 棚桿傾斜率 Inclination ratio of shed pole 5 3 2 合格 拱棚覆膜率 Film coverage rate of low tunnels 95 100 合格 薄膜破損率 Breakage rate of film 5 1 1 合格 平均覆土厚度 Average thickness of soil covering mm 25 80