草莓移栽機設(shè)計與試驗 劉育彤 胡建平 張永輝 徐華崗 劉 偉 韓綠化 任晨晟 江蘇大學農(nóng)業(yè)工程學院 江蘇鎮(zhèn)江 江蘇欣田機械制造有限公司 江蘇鎮(zhèn)江 摘 要 針對草莓移栽機械化水平低 人工栽植勞動強度大 效率低等問題 設(shè)計了一款針對設(shè)施高起壟 人機 協(xié)同作業(yè)的草莓移栽機 整機主要由電動底盤 打穴機構(gòu) 轉(zhuǎn)向機構(gòu)及操控系統(tǒng)等組成 底盤采用前輪轉(zhuǎn)向 后 輪驅(qū)動 直流無刷電機定速控制底盤的設(shè)計方案 草莓定向栽植采用曲柄滑塊雙行打穴 人工取苗并識別苗弓背 方向再對穴放苗覆土的設(shè)計方案 基于多體系統(tǒng)動力學仿真軟件 對打穴機構(gòu)進行運動學仿真分析 得 到打穴器末端速度 位移 加速度曲線 采用培育時間 周左右的草莓裸根苗 以不同株距下草莓苗漏栽率 埋苗 率露苗率 移栽合格率 株距變異系數(shù) 株距合格率為評價指標進行田間試驗 試驗結(jié)果表明 當栽植效率為 株 行 株距為 時 株距變異系數(shù) 漏栽率 埋苗率 露苗率均小于 株距合格率均在 以上 移栽合格率均在 以上 符合行業(yè)標準 作業(yè)效率和栽植質(zhì)量均比人工栽植提高 倍左右 關(guān)鍵詞 草莓移栽機 打穴機構(gòu) 中圖分類號 文獻標識碼 文章編號 引言 我國是目前世界上最大的草莓生產(chǎn)國 設(shè)施內(nèi)高 起壟栽培由于在水肥調(diào)控 草莓品質(zhì) 經(jīng)濟效益等具 有突出優(yōu)勢 因此成為草莓生產(chǎn)種植的主要方式 目前 的地區(qū)采用高起壟 裸根苗的草莓移栽方 式 而草莓移栽有苗弓背向外 深不埋心 淺不漏根的 農(nóng)藝要求 所以仍采用人工作業(yè)的方式 人工移栽需 要彎腰完成打穴 取苗 栽苗 覆土等動作 在理想狀 態(tài)下單人移栽草莓苗效率約 株 勞動強度 大 作業(yè)效率低 移栽質(zhì)量不穩(wěn)定 無法滿足我國的草 莓生產(chǎn)需求 機械化移栽具有省工 節(jié)本 提效的優(yōu) 勢 但國內(nèi)外市場上均未見針對高起壟 裸根苗的草 莓移栽機及相關(guān)報道 現(xiàn)有移栽機針對設(shè)施內(nèi)草莓裸苗高起壟移栽無 法解決弓背朝外和栽植深度可控問題 許春林 等 提出了一種 插值非圓齒輪行星輪系全自 動草莓缽苗移栽機構(gòu) 用一套回轉(zhuǎn)機構(gòu)依次完成取 苗 輸送 挖穴與栽植 個移栽工序 滿足了草莓缽苗 移栽所需的軌跡與姿態(tài)要求 但無法實現(xiàn)秧苗定向 李男等 集機械 控制 氣動于一體開發(fā)了打孔放苗 收稿日期 基金項目 江蘇省現(xiàn)代農(nóng)機裝備與技術(shù)示范推廣項目 作者簡介 劉育彤 男 甘肅天水人 碩士研究生 通訊作者 胡建平 男 江蘇鎮(zhèn)江人 教授 博士生導師 一體和雙側(cè)四行同栽式高架草莓苗全自動移栽機 適 用于高架草莓種植 武東東 等研制了小型電動草 莓定向移栽機 通過旋轉(zhuǎn)式分苗機構(gòu)與多連桿栽植機 構(gòu)配合 完成草莓穴盤苗定向移栽 目前 尚無完全 自主創(chuàng)新且適合國內(nèi)高起壟草莓定向移栽農(nóng)藝要求 的草莓裸苗移栽機 針對以上問題 結(jié)合設(shè)施高起壟草莓裸根苗的移 栽農(nóng)藝要求 筆者設(shè)計了一款打穴式草莓移栽機 對 其打穴機構(gòu)運動過程進行運動學分析 并通過試驗驗 證整機可靠性 整機結(jié)構(gòu)與主要技術(shù)指標 整機結(jié)構(gòu) 草莓移栽機主要由電動底盤 打穴部件及控制系 統(tǒng) 部分組成 主要工作部件按照機具前進方向中心 面對稱布置 可同時完成雙行作業(yè) 采用電控作業(yè)方 式 如圖 所示 自走式底盤 采用前輪驅(qū)動后輪轉(zhuǎn)向設(shè)計方案 邊梁式布局形式 后輪采用單電機整體驅(qū)動類型 通 過差速器 速比 與鏈傳動 速比 傳遞動力 鏈傳動罩通過 形結(jié)構(gòu)件和移栽機骨架連接 為減少 輪胎側(cè)滑 轉(zhuǎn)向過程中前輪相對于車身偏轉(zhuǎn)角要滿足 阿克曼定理 前輪采用平面多連桿轉(zhuǎn)向機構(gòu) 電機 驅(qū)動類型 如圖 所示 齒輪齒條傳動機構(gòu)對稱安裝 于機架橫梁中心面 以保證轉(zhuǎn)向過程穩(wěn)定性 橫向拉 桿兩端通過魚眼接頭和齒條 轉(zhuǎn)向節(jié)配合 實現(xiàn)轉(zhuǎn)向 年 月 農(nóng)機化研究 第 期 DOI 10 13427 ki njyi 2024 06 030 功能 打穴機構(gòu) 轉(zhuǎn)向機構(gòu) 苗盤架 機架 座椅 后橋傳動機構(gòu) 控制柜 圖 草莓移栽機結(jié)構(gòu)圖 轉(zhuǎn)向電機 減速器 碰撞傳感器 轉(zhuǎn)向拉桿 限位塊 齒輪齒條傳動機構(gòu) 直線模塊 圖 轉(zhuǎn)向機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖 座椅面向苗盤架安裝 便于人工取苗進行移栽作 業(yè) 同時便于操作人員觀察移栽機是否偏離壟溝 及時 進行調(diào)整 打穴機構(gòu)通過橫梁安裝在電動底盤上 并 采用鋰電池作為動力源 節(jié)能環(huán)保 工作原理 草莓移栽機采用雙行作業(yè)模式 人工取苗 栽苗 的人機協(xié)同作業(yè)方案 轉(zhuǎn)向 行走 打穴采用獨立電機 驅(qū)動 移栽前 根據(jù)壟面形狀 移栽要求 通過方向開 關(guān)調(diào)整移栽機車身姿態(tài) 通過腰形孔定位打穴錐安裝 位置實現(xiàn)行距調(diào)整 通過株距選擇開關(guān)調(diào)整株距 并 在苗盤架中放置草莓裸根苗 作業(yè)時 移栽機底盤按 照設(shè)定速度做勻速運動 打穴機構(gòu)匹配人工栽植速度 做間歇式雙行打穴 當電動底盤前進規(guī)定株距時 打 穴子系統(tǒng)動作 配合人工完成移栽作業(yè) 如此循環(huán)往 復 進行草莓裸根苗的移栽 如圖 所示 圖 草莓移栽機工作時序圖 主要技術(shù)參數(shù) 草莓移栽機性能參數(shù)如表 所示 表 性能參數(shù) 項目單位數(shù)值 整機質(zhì)量 不含人 作業(yè)行數(shù) 結(jié)構(gòu)形式自走式 栽植株距 栽植行距 栽植頻率株 打穴深度 作業(yè)人數(shù) 關(guān)鍵部件設(shè)計 打穴部件設(shè)計 打穴部件用于設(shè)施內(nèi)高起壟草莓移栽打穴 采用曲柄滑塊傳動方案 如圖 所示 該機構(gòu)主要由 方管 電機安裝支架 打穴器安裝板 打穴錐 曲柄滑 塊傳動機構(gòu) 電機以及減速器等組成 為了減輕打穴 機構(gòu)質(zhì)量 基于拓撲優(yōu)化理論 對打穴器安裝部件 進行了輕量化設(shè)計 并針對草莓移栽農(nóng)藝要求設(shè)計了 一款行距可調(diào)的曲柄滑塊式打穴機構(gòu) 且利用腰形孔 調(diào)節(jié)打穴錐安裝位置實現(xiàn)行距調(diào)節(jié) 其中 打穴器安裝架和機架固定連接 打穴器安 裝板通過螺紋連接和滑塊連接 打穴錐通過腰形孔確 定其安裝位置 連桿兩端通過魚眼接頭分別和打穴器 安裝板 電機安裝支架相連接 打穴電機和減速器通 過螺紋連接和電機安裝支架固定連接 減速器輸出軸 和曲柄通過鍵連接傳遞動力 工作時 電機通過曲柄 滑塊傳動機構(gòu)將動力傳遞至打穴錐 打穴錐做間歇式 打穴 匹配人工作業(yè)完成草莓移栽 為保證成型孔滑 移率小 打穴錐入土和出土的速度應(yīng)盡可能大 當速 度太大時 曲柄在最高點動能增大 即曲柄每次間歇 年 月 農(nóng)機化研究 第 期 打穴的零點位置不統(tǒng)一 打穴電機 減速器 電機安裝支架 方管 導軌 滑塊 打穴器安裝板 打穴錐 魚眼接頭 連桿 曲柄 圖 打穴機構(gòu)示意圖 控制系統(tǒng)設(shè)計 基于可編程控制器 設(shè)計了整機控制系 統(tǒng) 如圖 所示 圖 整體控制方案圖 該系統(tǒng)包括定速行走控制系統(tǒng) 前輪轉(zhuǎn)向控制系 統(tǒng)及打穴控制系統(tǒng)等任務(wù)模塊 可實現(xiàn)草莓移栽機啟 動 停止 電動底盤調(diào)速 轉(zhuǎn)向 打穴機構(gòu)的株距調(diào)整 及打穴頻率自適應(yīng)等功能 主要由 鋰電池 直流 無刷電機 步進電機 電機驅(qū)動器 光電傳感器 接近 開關(guān) 株距選擇開關(guān)等組成 其中 各類開關(guān) 傳感器 信號作為輸入部分 電機驅(qū)動器作為輸出部分 行走 電機 轉(zhuǎn)向電機 打穴電機作為動力元件 驅(qū)動對應(yīng)的 執(zhí)行部件動作 調(diào)節(jié)行走電機 轉(zhuǎn)向電機的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn) 向?qū)崿F(xiàn)電動底盤運動控制 采集行走電機增量式編碼 器值 按照對應(yīng)株距要求控制打穴電機的運動 移栽 作業(yè)過程中 每個周期底盤運動固定株距 打穴機構(gòu) 協(xié)調(diào)動作 通過人機協(xié)同作業(yè)完成草莓苗移栽 打穴機構(gòu)運動學分析 打穴機構(gòu)運動學建模 草莓移栽過程中 由于電動底盤運動 即存在水 平方向速度分量 導致打穴機構(gòu)不能垂直入土和出 土 穴孔在前進方向存在滑移現(xiàn)象 栽植頻率一 定 打穴速度越快 穴口的滑移率越小 為保證曲柄滑 塊打穴機構(gòu)滿足運動要求 對其進行運動學仿真分 析 得到打穴錐末端位移 速度 加速度變化曲線 栽植頻率一定 分析打穴錐運動軌跡并用多體系統(tǒng)動 力學仿真軟件 對其進行驗證分析 打穴機構(gòu)動力傳遞核心是帶有兩滑塊的曲柄滑 塊機構(gòu) 取常見曲柄滑塊結(jié)構(gòu)進行建模分析 其機構(gòu) 簡圖如圖 所示 圖 機構(gòu)運動簡圖 設(shè)曲柄 連桿 導程分別為 和 為滑塊 運行兩極限位置 以 為原點 垂直于導軌方向為 軸 平行于導軌方向為 軸 建立復平面 在矢量多邊形 中 有 在復平面中 有 式中 曲柄與 軸夾角 連桿與 軸夾角 滑塊到原點距離 由歐拉公式可得 null null null null 即 年 月 農(nóng)機化研究 第 期 桿 和滑塊 構(gòu)成 桿組 對 點進行運動 學分析得 null null nullnull null null nullnull null null null null null null nullnull null null nullnull null null nullnull null null nullnull null null nullnull null null nullnull 將矩陣對 進行求導 則 null null nullnull null null nullnull null null null null null null null nullnull null null null nullnull null null nullnull null null nullnull 將矩陣對 進行二次求導 則 null null nullnull null null nullnull null null null null null null null nullnull null null null nullnull null null nullnull null null nullnull null null nullnull null null nullnull 通過上式求解得到打穴器末端 點實際運動學 參數(shù) 打穴機構(gòu)仿真分析 將打穴機構(gòu)三維模型進行簡化處理導入 施加對應(yīng)的約束 如圖 所示 當栽植效率 為 株 行 時 符合人工取苗 識別苗弓背方 向后定向穴栽的要求 在此栽植效率下 草莓移栽機 電動底盤針對不同的株距 匹配相應(yīng)的速度做勻速運 動 打穴機構(gòu)做間歇式打穴運動 為模擬電動底盤的 勻速運動 打穴機構(gòu)施加前進方向的恒定速度 當株 距為 時 對應(yīng)電動底盤前進速度分 別為 考慮到曲柄在最高處零點 位置速度太大導致曲柄定位不準確 曲柄速度太小導 致成型孔滑移現(xiàn)象明顯 為模擬打穴機構(gòu)的間歇式打 穴過程 給電機施加如下的驅(qū)動 當栽植效率為 株 行 時 即 打穴機構(gòu)完成一次間歇打穴 動作 取整周期內(nèi)打穴時間為 查閱手冊 直流 無刷電機加減速時間默認為 即電機的運動可以用 函數(shù)模擬 在前兩個周期內(nèi)函數(shù)表達式為 取電動底盤作業(yè)速度 打穴深 度 對打穴機構(gòu)軌跡進行仿真分析 圖 圖 為株距為 時打穴器末端位移 速度 加速度變化曲線 圖 為打穴器末端速度在垂直方 向的分量 圖 仿真模型 圖 株距 時打穴器末端位移 速度 加速度曲線圖 年 月 農(nóng)機化研究 第 期 圖 株距 時打穴器末端位移 速度 加速度曲線圖 圖 株距 時打穴器末端位移 速度 加速度曲線圖 圖 打穴器末端豎直方向速度分量大小 分析曲柄滑塊運動軌跡可知 打穴器以最高處位 置作為零點 滑塊向下運行 打穴器開始和地面 接觸 運行 打穴器運動至最低點 隨后開始向 上運動 直至回到零點 在此過過程中成型穴孔深 由運動學分析可知 打穴器入土前做加速運 動 隨后做減速運動 運行至最低點時速度大小為 打穴器返回過程同樣如此 由仿真結(jié)果可知 栽植效率為 株 行 在豎直方向打穴錐入土瞬時速度大小為 株距分別為 時 草莓移栽機前進方 向速度大小分別為 合速度大小分 別為 豎直方向速度大 于水平方向速度 其合速度方向靠近豎直方向 由仿 真軌跡可知 草莓移栽機在不同株距下打穴軌跡均有 較小滑移現(xiàn)象 這表明 設(shè)計的曲柄滑塊式打穴機構(gòu) 在不同株距參數(shù)下滿足草莓栽植設(shè)計目標要求 可有 效提高草莓移栽效率 試驗與結(jié)果分析 試驗條件 年 月 日在鎮(zhèn)江市句容白兔鎮(zhèn)草莓種植 園區(qū)進行試驗 起壟規(guī)格為壟高 壟底寬 年 月 農(nóng)機化研究 第 期 壟頂寬 壟溝寬 滿足試驗要求 試驗設(shè)備主要為草莓移栽機 如圖 所示 其 它包括游標卡尺 量程 精度 常規(guī)卷 尺 量程 及秒表等 試驗材料 草莓裸根苗 培育 時間 周左右 經(jīng)測量 組草莓裸根買苗根系的 平均長度 符合正態(tài)分布分布 之間的占 試驗設(shè)計 針對草莓移栽機打穴的合格率 采用 單因素三水平全析因試驗 試驗因子為移栽合格率 試驗水平為 株距 試驗響應(yīng)為漏栽 率 露苗率 埋苗率 圖 草莓移栽機 試驗指標與結(jié)果 目前沒有針對草莓移栽機械性能測試標準 故參 照 旱地栽植機械 國家標準 結(jié) 合本機栽植特點 以不同株距下草莓苗漏栽率 埋苗 率露苗率 移栽合格率 株距變異系數(shù) 株距合格率為 指標 檢測草莓移栽機作業(yè)性能 漏栽率 指移栽機在應(yīng)當有草莓苗栽植的地方 漏栽 其值為在實測草莓苗之間漏栽株數(shù)與實測草莓 苗株數(shù)的百分比 式中 漏栽率 漏栽株數(shù) 株 測定的總株數(shù) 株 埋苗率和露苗率 根據(jù)草莓裸苗移栽 深不埋 心 淺不漏根 的要求 埋苗率和露苗率是對栽植深度 是否合格的評價指標 其值分別為埋苗株數(shù)與實測草 莓苗株數(shù)的百分比和露苗株數(shù)與實測草莓苗株數(shù)的 百分比 式中 埋苗率 露苗率 埋苗株數(shù) 株 露苗株數(shù) 株 測定的總株數(shù) 株 移栽合格率 栽植合格是指移栽機移栽后草莓 苗沒有漏栽 露苗 埋苗 其合格率指實測草莓苗栽植 合格株數(shù)與實測草莓苗株數(shù)的百分比 即 null null 式中 合格株數(shù) 株 移栽合格率 測定的總株數(shù) 株 株距變異系數(shù) 指移栽機移栽過后草莓苗分布 的均勻性 其值為測得的實際數(shù)據(jù)的標準差與實際數(shù) 據(jù)平均值的比值 null null 式中 實測草莓苗數(shù) 株 株距變異系數(shù) 株距標準差 株距平均值 合格株距 株距合格率 設(shè)理論間距為 測量相鄰 兩株孔間距 若 則認為株距 合格 采用變異系數(shù)作為評價指標 它反映實際株距 偏離平均值的程度 株距合格率 株距的變異系數(shù)是 對打穴裝置縱向 單行 打穴均勻度的評價 草莓移栽機打穴參數(shù)現(xiàn)場測量如圖 所示 為 保證試驗精度 每組試驗 次 結(jié)果取平均值 試驗 結(jié)果如表 表 所示 由表 表 可知 當草莓移栽 機栽植效率為 株 行 理論株距 時 株距合格率 株距變異系數(shù) 漏栽率 埋苗率 露苗率 移栽合格率 當理論株距為 時 株距合格率 株距變異系數(shù) 漏栽率 埋苗率 露 年 月 農(nóng)機化研究 第 期 苗率 移栽合格率 當理論株距 時 株距合格率 株距變異系數(shù) 漏栽率 埋苗率 露苗率 移栽合格率 不同株距下 株距變異系數(shù) 漏栽率 埋苗率 露苗率均小于 株距合格率均在 以上 移栽合 格率均在 以上 符合行業(yè)標準 圖 株距測量 表 株距評價試驗結(jié)果 編號 理論 株距 實際株距 平均數(shù) 株距 標準差 株距變異 系數(shù) 株距 合格率 表 移栽合格評價試驗結(jié)果 編號理論株距 漏栽率 埋苗率 露苗率 移栽合格率 討論 造成誤差的主要原因是 打穴機構(gòu)采用雙行式 曲柄滑塊機構(gòu) 速度快 質(zhì)量大 運動時動量大 慣性 大 導致曲柄定位不準確 移栽機前進速度與打穴 速度的合速度方向與豎直方向存在夾角 導致了誤 差 影響了株距 孔徑變異系數(shù) 隨著株距增大 前進 速度增大 成型孔滑移現(xiàn)象增大 但因為機具前進速 度較慢 打穴速度較快 它們的合速度方向靠近豎直 方向 導致打穴機構(gòu)離開土壤時成型孔的滑移率較 小 孔打穴效果較好 由于人工進行取苗 投苗 漏 栽率 埋苗率 露苗率 受人工熟練程度影響較大 結(jié)論 針對設(shè)施內(nèi)高起壟草莓裸苗移栽開發(fā)一款草 莓移栽機 設(shè)計了一款電驅(qū)自走式底盤和雙行曲柄滑 塊打穴機構(gòu) 通過人機協(xié)同作業(yè) 即打穴機構(gòu)間歇式 打穴匹配人工取苗 栽苗完成草莓移栽 控制系統(tǒng)簡 單 結(jié)構(gòu)緊湊 對打穴機構(gòu)進行運動學建模分析 并基于多體 系統(tǒng)動力學仿真軟件 進行仿真分析 得到打 穴器末端速度 位移 加速度曲線 打穴機構(gòu)滿足設(shè)計 要求 田間試驗表明 栽植效率 株 行 當 理論株距為 時 株距變異系數(shù) 漏栽 率 埋苗率 露苗率均小于 株距合格率均在 以上 移栽合格率均在 以上 符合行業(yè)標準 參考文獻 劉繼展 吳碩 草莓全程生產(chǎn)機械化技術(shù)與裝備研究進展 農(nóng)業(yè)機械學報 李男 劉繼展 高架草莓移栽機控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗 農(nóng)機化研究 胡建平 岳仁才 武東東 等 草莓移栽機的發(fā)展現(xiàn)狀與展 望 農(nóng)業(yè)裝備技術(shù) 周厚成 李亮杰 趙霞 等 草莓設(shè)施栽培技術(shù)規(guī)程 果 農(nóng)之友 許春林 呂志軍 辛亮 等 全自動草莓缽苗移栽機構(gòu)優(yōu)化 設(shè)計與試驗 農(nóng)業(yè)機械學報 李男 劉繼展 高架草莓移栽機控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗 農(nóng)機化研究 武東東 小型電動草莓定向移栽機設(shè)計及試驗 鎮(zhèn)江 江蘇大學 王楠 劉振華 孫自文 缽苗移栽機電動底盤及驅(qū)動系統(tǒng)設(shè) 計研究 農(nóng)機化研究 申川川 基于阿克曼轉(zhuǎn)向角在四驅(qū)電動汽車中的運用分析 時代汽車 全偉 唐葉 段益平 打穴式移栽機械發(fā)展現(xiàn)狀與展望 農(nóng)業(yè)工程與裝備 王曉東 水輪式打穴移栽機成穴機理及試驗研究 北 京 中國農(nóng)業(yè)大學 劉雙喜 徐春保 張宏建 等 果園開溝施肥機機架優(yōu)化設(shè) 計與試驗 農(nóng)業(yè)機械學報 伍龍 劉念聰 王艷華 等 基于 的全自動移栽機取 苗喂苗控制系統(tǒng)設(shè)計 中國農(nóng)機化學報 李鵬斌 顏華 王品隆 等 移栽機小株距栽植機構(gòu)桿件優(yōu) 化與試驗 農(nóng)業(yè)機械學報 年 月 農(nóng)機化研究 第 期 潘杰 陳凡 胡建平 岳仁才 姚夢嬌 李靜 基于 的指夾式取苗爪仿真優(yōu)化設(shè)計 農(nóng)業(yè)機 械學報 中華人民共和國工業(yè)和信息化部 旱地栽植機械 北京 機械工業(yè)出版社 葛鵬 韓長杰 張靜 等 移栽機鉆穴裝置的設(shè)計與性能試 驗 農(nóng)機化研究 周德義 孫裕晶 馬成林 等 組合振動導苗筒式移栽機栽 植株距隨機誤差分析 農(nóng)業(yè)機械學報 年 月 農(nóng)機化研究 第 期