小拱棚单列双插架覆膜一体机设计与试验.pdf

第 37 卷 第 8 期 农 业 工 程 学 报 Vol 37 No 8 2021 年 4月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Apr 2021 1 小拱棚单列双插架覆膜一体机设计与试验 刘 平 王春颖 秦洪政 侯加林 李天华 山东农业大学机械与电子工程学院 山东省园艺机械与装备重点实验室 智能化农业机械与装备实验室 泰安 271018 摘 要 为适应部分地区蔬菜水果拱棚种植模式 解决传统小拱棚手工搭建劳动强度大且效率低的问题 该研究设计了 一款小拱棚单列双插架覆膜一体机 主要由自动进杆装置 双插架装置 覆膜装置及行进装置组成 设定插架间距与插 架数量等工作参数 小拱棚单列双插架覆膜一体机实现自动进杆 双插架和覆膜一体化作业 以进杆成功率和进杆时间 为衡量自动进杆作业指标 以拨轮半径 杆槽高度 顺杆板长度为试验因素 对进杆过程中的棚杆受力和运动状态进行 分析和计算 确定试验因素的范围 并进行仿真试验确定最佳进杆装置结构参数 田间试验表明 小拱棚单列双插架覆 膜一体机以最大速度 1 2 km h 作业时 进杆成功率为 94 1 插架成功率为 89 3 拱棚覆膜率为 100 薄膜破损率为 1 1 平均插架间距为 1 190 mm 平均插架宽度为 1 050 mm 平均插架深度为 200 mm 两侧插架深度平均偏差为 30 mm 平均覆土厚度为 80 m 小拱棚单列双插架覆膜一体机可实现小拱棚搭建的机械化和自动化作业 满足小拱棚插架覆膜要求 关键词 农业机械 设计 试验 小拱棚 插架 覆膜 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 08 001 中图分类号 S224 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2021 08 0001 09 刘平 王春颖 秦洪政 等 小拱棚单列双插架覆膜一体机设计与试验 J 农业工程学报 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 现代农业生产中 小拱棚在蔬菜栽培 抵抗灾害和 保温育苗等方面应用越来越广泛 1 5 如利用小拱棚实现 娃娃菜 韭菜 油白菜一年两到三茬栽培 提高蔬菜产 量和品质 提高经济效益 6 但小拱棚仍是人工搭建 劳 动强度大 随着农业装备智能化的发展 实现小拱棚建 造的机械化和智能化是必然的趋势 美国 ANDROS 公司的 New Low Tunnel Deployment system 和 Dubois Agrinovation 公司研制的 Machanical Transplanter Tunnel Layer Model 95 均由拖拉机牵引 通 过人工弯杆实现自动插架覆膜作业 New Low Tunnel Deployment system 相比于其他拱棚机 实现单列 2 列 和 3 列插架覆膜作业同时进行 整体工作效率较高 针 对人工弯杆的问题 Mark William 研制的拱棚机通过拖拉 机牵引 人工放杆 拱棚机自动弯杆 覆膜 进一步地 Tunnelmatic LesAgrisudvennde 公司研制的拱棚机 基于 拖拉机牵引实现插架覆膜一体化搭建拱棚 这些拱棚机 都是由拖拉机牵引 日本藤木农机制作所研制的拱棚多 支柱打进机无需拖拉机牵引 但需人工放杆和手动控制 收稿日期 2020 08 19 修订日期 2021 03 19 基金项目 国家自然科学基金 31700644 山东省农机装备研发创新计划 项目 2018YF004 山东省重点研发计划 2017CXGC0926 作者简介 刘平 博士 教授 博士生导师 研究方向为农业装备智能控制 技术 机器人控制与导航 Email liupingsdau 通信作者 李天华 博士 教授 研究方向为智能农业装备和机械自动化 Email lth5460 插架动作 目前国内小拱棚多为人工搭建 利用竹木或钢材等 材料作为棚杆 用米尺量出固定距离后通过打桩机等辅 助机械进行两侧打孔 将弯好的竹坯或钢筋插孔掩埋 拱棚覆膜作业 多使用地膜覆膜机 7 12 本课题组前期设 计与研制了拱棚自动插架装置 13 并结合覆膜装置研制 了拱棚插架覆膜一体机 14 需人工放杆 且在插架完成 后 车体后退通过覆膜装置进行覆膜作业 人工放杆限制了拱棚机的作业效率 拱棚机的自 动进杆问题亟待解决 因此 基于课题组已有的研究 结果 以提高作业效率为目标 本文设计与研制了一 款针对小拱棚全自动搭建的小拱棚单列双插架覆膜一 体机 根据不同地区前后棚杆的间距不同 设定插架 间距 实现自动进杆 双插架 覆膜一体化作业 并 进行田间性能试验 以期为小拱棚机械化自动化搭建 装备研究提供参考 1 整机结构和工作原理 1 1 整机结构 小拱棚单列双插架覆膜一体机由机架 自动进杆装 置 双插架装置 包括前 后自动插架装置 覆膜装 置 行进装置和控制系统组成 如图 1 所示 以汽油机 为驱动动力 前轮为转向轮 转向轮通过转向节臂连接 转向方向盘 自动进杆装置焊接于双插架装置 双插架 装置通过变间距调节板前后栓接于机架 覆膜装置与机 架栓接 且各覆膜部件沿小拱棚单列双插架覆膜一体机 中轴对称分布 小拱棚单列双插架覆膜一体机主要结构 农业装备工程与机械化 农业工程学报 http www tcsae org 2021 年 2 与性能参数如表 1 1 机架 2 液压阀 3 PLC 控制柜 4 汽油机 5 液压控制器 6 变速箱 7 伸膜架 8 导轮 9 支膜架 10 覆土盘 11 压膜轮 12 张紧轮 13 齿轮 泵 14 驱动轮 15 双插架装置 16 测距轮 17 自动进杆装置 18 转向轮 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 图 1 小拱棚单列双插架覆膜一体机 Fig 1 Single row double cuttage and film covering machine for low tunnels 表 1 小拱棚单列双插架覆膜一体机技术参数 Table 1 Technical parameters of the single row double cuttage and film covering machine for low tunnels 项目 Items 参数 Parameters 结构形式 Structure form 一体式 外形尺寸 Overate size L W H mm mm mm 2 700 1 650 1 700 整机质量 Overall machine weight kg 750 发动机型号 Engine type 三菱 GT1000 棚杆材料 Shed pole material 玻璃纤维增强塑料 GFRP 转向轮距 Steering wheel spacing mm 1 200 驱动轮距 Guiding wheel spacing mm 1 300 进杆形式 直杆式 1 2 工作过程 小拱棚单列双插架覆膜一体机可一次性完成单列小 拱棚的棚架搭建和薄膜覆盖 根据不同地区所需前后棚 杆的间距不同 设定行进速度 插架间距 调整双插架 安装位置 启动小拱棚单列双插架覆膜一体机作业 通 过液压驱动前轮转向 采集测距轮信号 按照设定插架 间距控制一体机启停 实现等距前进 小拱棚单列双插 架覆膜一体机前进的同时 拨轮旋转将棚杆送至双插架 装置的弯折手臂处 完成自动进杆 前进距离达到插架 间距后 一体机暂停 液压系统驱动双插架装置将直棚 杆压弯并下压入土 实现前进方向的前后等距插架 最 后 覆膜装置随一体机前进完成覆膜作业 1 3 小拱棚搭建农艺要求 根据农艺要求 15 19 设计所搭建的小拱棚尺寸参数 如图 2 所示 依据不同地区 不同蔬菜的农艺需求 小 拱棚前后棚杆间距为 800 1 200 mm 宽度为 1 000 1 200 mm 高度大于 500 mm 薄膜覆土带宽度为 50 75 mm 厚度大于 25 mm 每列拱棚间隔为 1 000 mm 棚杆入土深度大于 150 mm 薄膜选用幅宽为 2 200 mm 厚度为 0 10 mm 的白色薄膜进行覆盖 1 薄膜 2 棚架 3 薄膜覆土带 4 棚内作物 1 Film 2 Shed pole skeleton 3 Covered soil on film 4 Crops in low tunnels 图 2 小拱棚农艺技术模式 Fig 2 Agronomic technology of low tunnels 2 关键装置设计 2 1 自动进杆装置 为将直棚杆自动送至双插架装置的弯折手臂处 设 计自动进杆装置 由棚杆架 进杆电机 拨轮 限位环 顺杆板与连杆组成 漫反射光电开关安装于进杆顺杆板 上方的机架 自动进杆装置结构示意如图 3 a 自动进杆装置结构图 a Structure diagram of automatic shed pole feeding device b 自动进杆装置实物图 b Physical picture of automatic shed pole feeding device 1 机架 2 棚杆 3 棚杆架 4 电机 5 拨轮 6 限位环 7 连杆 8 顺杆板 1 Frame 2 Shed pole 3 Shed pole frame 4 Motor 5 Dial wheel 6 Limited ring 7 Connecting rod 8 Tilted board 图 3 自动进杆装置 Fig 3 Automatic shed pole feeding device 进杆拨轮和棚杆架的合理设计是保证单根棚杆进给 的关键 因此以进杆成功率和进杆时间作为衡量自动进 杆作业的指标 设计拨轮和棚杆架结构参数 2 1 1 拨轮杆槽设计 为容纳并取出单个棚杆 并在拨轮转动的过程中保 第 8 期 刘 平等 小拱棚单列双插架覆膜一体机设计与试验 3 持棚杆平稳 设计拨轮结构如图 4 注 H 为杆槽高度 mm R 为拨轮半径 mm r 为棚杆半径 mm S 为杆 槽宽度 mm D 为拨轮与限位环的间距 mm mg 为棚杆自身重力 N N 1 为棚杆架对棚杆的压力 N 为棚杆架倾角 为杆槽间距角 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 图 4 拨轮结构图 Fig 4 Structure diagram of dial wheel 棚杆为玻璃纤维增强塑料材质的圆柱形 杆长和直 径分别为 2 000 mm 和 7 5 mm 杆槽为下部半圆上部矩形 该形状可避免 2 个棚杆 同时与杆槽底部接触卡杆情况 杆槽宽度稍大于棚杆直 径 7 5 mm 因此设计 S 为 8 mm 要保证棚杆在拨轮转动过程中保持稳定 不从杆 槽掉落 槽口高度应高于棚杆质心高度 3 75 mm 并 小于棚杆直接 7 5 mm 为防止棚杆卡在拨轮和限位环 之间 间距 D 应小于棚杆直径 7 5 mm 为避免同时进 入 2 根棚杆 叠加在上方的棚杆质心应高于限位环 即杆槽高度加间距 H D 应低于叠加在上方的棚杆 质心位置 11 25 mm 7 5 mm 3 75 mm H 和 D 的关 系如公式 1 3 75 7 5 11 25 7 5 H HD D 1 2 1 2 自动进杆分析 自动进杆包括充杆 护杆 顺杆 落杆四个过程 小拱棚单列双插架覆膜一体机需在插架间隔时间内完成 进杆任务 即小拱棚单列双插架覆膜一体机行进单次插 架间距的时间 v t 大于小拱棚单列双插架覆膜一体机单次 总进杆时间 t 其中 2 v tMv 2 式中 M 为插架间距 mm v 为行进速度 mm s 1234 tt t t t 3 式中 t 1 为充杆时间 s t 2 为护杆时间 s t 3 为顺杆时间 s t 4 为落杆时间 s 1 充杆 以棚杆在杆槽边缘为起始状态 棚杆充填过程保持 平衡受力如公式 4 1 sinma mg N Nnmg 1 1 4 式中 m 为棚杆质量 g g 为重力加速度 m s 2 a 1 为棚 杆充填加速度 mm s 2 n 为棚杆架中棚杆数 为棚杆架 倾角 为顺利充填棚杆 需保证得棚杆竖直方向运动时间 1 t 公式 5 始终小于水平方向运动时间 1 t 公式 6 1 arctan 2 S H t 5 11 2taH 6 式中 1 t 为棚杆水平方向运动时间 s 1 t 为棚杆竖直方向 运动时间 s 2 护杆 在护杆过程中 棚杆在杆槽内 随拨轮转动保持平 稳不掉落 护杆时间 t 2 即拨轮转过杆槽间距角 的时间 如公式 8 同时 依靠限位环和杆槽形状结构实现清 杆 减少重叠进杆情况 护杆完成后进入顺杆过程 此 时输出速度为 v 1 且方向为拨轮切线方向 如公式 8 2 t 7 式中 为拨轮转速 rad s 1 vRHr 8 小拱棚单列双插架覆膜一体机以最大作业速度 1 2 km h 行进 设定农艺要求的最小插架间距 0 8 m 根 据公式 2 计算得小拱棚单列双插架覆膜一体机行进双 倍插架间距的最短时间为 4 8 s 拨轮转速为 2 3 rad s 为保证小拱棚单列双插架覆膜一体机需在插架间距时间 内完成进杆任务 且杆槽数尽可能少 故设定杆槽间距 角 为 120 3 顺杆 在顺杆过程中 棚杆受力分析如图 5 和公式 9 棚杆受自身重力 mg 顺杆板对棚杆的支持力 N 2 棚杆与 顺杆板间的滚动摩擦力 f 设棚杆与顺杆板的接触足够粗 糙 棚杆作纯滚动 棚杆沿倾角为 的顺杆板上边缘向 下滚落 该过程的初速度为速度 v 1 顺杆时间为 t 3 2 2 2 sin cos arctan 1 2 ma mg f Nmg l d fr mr 9 式中 a 2 为棚杆质心加速度 mm s 2 l 为顺杆板长度 mm d 为进杆装置连杆轴线到弯折手臂挡板的水平距离 mm 棚杆纯滚动条件为 2 ar 10 运动末速度 2 v 方向为沿顺杆板方向 2 21 2sinvalv 11 农业工程学报 http www tcsae org 2021 年 4 滚动摩擦力为 2 1 2 f ma 12 由公式 9 12 计算可得 2 2 sin 3 ag 13 1 sin 3 fmg 14 3 12 2 sin l t vv 15 注 为顺杆板倾角 为棚杆滚动质心角速度 rad s 1 N 2 为顺杆板 对棚杆的支持力 N f 为滚动摩擦力 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 图 5 顺杆过程受力分析 Fig 5 Force Analysis of shed pole 4 落杆 在落杆过程中 棚杆仅受自身重力 此时棚杆的初 速度为顺杆过程的末速度 v 2 顺杆时间 t 4 计算如公式 16 2 24 4 1 sin 2 vtgth 16 式中 h 为顺杆板与弯折手臂挡板高度差 mm 为防止棚 杆在弯折手臂挡板处发生反弹 h 取值为 20 mm 基于 Matlab 仿真软件进行优化仿真 通过公式 3 得到总进杆时间 t 与 H l R 的关系 如图 6 所示 H l R 对总进杆时间 t 影响不同 从进杆时间 t 响应曲面可 以看出 随着杆槽高度 H 增加 总进杆时间 t 减少 随 着拨轮半径 R 和顺杆板长度 l 增加 总进杆时间 t 增加 但顺杆板长度 l 对总进杆时间 t 影响更为显著 2 1 3 进杆成功率仿真试验分析 在保证总进杆时间满足条件 t 小于 v t 的情况下 以拨轮半径 杆槽高度 顺杆板长度为试验因素 以重 杆率 漏杆率 进杆成功率为性能评价指标 在 Solidworks motion 中进一步仿真分析重杆率 漏杆率 进杆成功率 与 H R l 的关系 如图 7 所示 设定拨轮半径 R 分别 为 55 65 75 85 mm 顺杆板长度 l 分别为 50 100 150 200 mm 杆槽高度 H 分别为 4 5 6 7 mm a 杆槽高度 H 和顺杆板长度 l 对总进杆时 间 t 的影响 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 杆槽高度 H 和拨轮半径 R 对总进杆时间 t 的影响 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 顺杆板长度 l 和拨轮半径 R 对总进杆时 间 t 的影响 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 为总的进杆时间 s Note t is the total time of shed pole feeding s 图 6 总进杆时间 t 与杆槽高度 H 顺杆板长度 l 和拨轮半径 R 的关系 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 重杆率 漏杆率 进杆成功率计算方法如下 重杆率 1 Y 1 1 100 N Y N 17 式中 N 1 为同时进杆多根棚杆的次数 N 为总棚杆数 漏杆率 2 Y 2 2 100 N Y N 18 式中 N 2 为没有棚杆掉落到弯折手臂的次数 进杆成功率 3 Y 3 3 100 N Y N 19 式中 N 3 为成功进杆的棚杆数量 设定拨轮半径 R 为 75 mm 顺杆板长度 l 为 150 mm 设定杆槽高度 H 分别为 4 5 6 7 mm 共 4 个水平 性 能评价指标与杆槽高度的关系如图 7a 所示 随着杆槽高 度的增加 重杆率先缓慢上升后急剧上升 漏杆率先缓 慢下降后缓慢上升 进杆成功率先缓慢上升后急剧下降 当杆槽高度较小时 对棚杆的容纳效果差 容易造成漏 杆现象 进杆成功率较低 杆槽高度为 4 6 mm 时 进 杆成功率均在 90 以上 但增大到 7 mm 时 拨轮杆槽对 棚杆的容纳足够好 但容易发生 2 杆重叠的情况 易卡 在限位环 造成漏杆 进杆成功率下降 设定拨轮半径 R 为 75 mm 杆槽高度 H 为 6 mm 设 定顺杆板长度 l 为 50 100 150 200 mm 共 4 个水平 性能评价指标与顺杆板长度的关系如图 7b 所示 随着顺 杆板长度的增加 重杆率变化不大保持稳定 漏杆率先 缓慢下降后缓慢上升 进杆成功率先上升后急剧下降 顺杆板长度为 50 150 mm 时 进杆成功率均在 90 以 上 但增大到 200 mm 时 进杆成功率下降 顺杆板倾斜 程度太大时 棚杆经过顺杆板后的末速度会造成棚杆在 第 8 期 刘 平等 小拱棚单列双插架覆膜一体机设计与试验 5 弯折手臂挡板处发生反弹 造成漏杆 引起进杆成功率 下降 设定顺杆板长度 l 为 150 mm 杆槽高度 H 为 6 mm 设定拨轮半径 R 为 55 65 75 85 mm 共 4 个水平 性能 评价指标与拨轮半径的关系如图 7c 所示 随着拨轮半径 的增加 重杆率和漏杆率变化不大保持稳定 进杆成功率 均在 90 以上 拨轮半径的变化对评价指标影响较小 总体上 进杆成功率为 93 4 时最高 拨轮半径 R 为 75 mm 杆槽高度 H 为 6 mm 顺杆板长度 l 为 150 mm 由此拨轮和棚杆架结构参数设计为 杆槽宽度 S 为 8 mm 杆槽高度 H 为 6 mm 拨轮半径 R 为 75 mm 限 位环与拨轮间距为 D 为 3 mm 顺杆板长度 l 为 150 mm a 重杆率 漏杆率 进杆成功率与杆槽高的关系 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 重杆率 漏杆率 进杆成功率与顺杆板长度的关系 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 重杆率 漏杆率 进杆成功率与拨轮半径的关系 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 图 7 重杆率 漏杆率 进杆成功率与杆槽高 H 顺杆板长度 l 拨轮半径 R 的关系 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 双插架装置 本课题组前期研制的单个自动插架装置 13 该装置仅 实现单个弯杆 插架功能 需人工进杆 为提高作业效率 设计双插架装置 包括前 后自动插架装置 由曲柄滑 块机构 棚杆扦插机构 弯折手臂机构 变间距调节板 图 8 等组成 由液压提供动力 利用偏心曲柄滑块机构 和直线滑轨 带动下压架在竖直方向运动 前 后自动插 架装置同时完成插架作业 插架效率提高 1 倍 双插架装置的调节间距为 0 8 1 2 m 安装位置如 图 10 依据不同地区 不同蔬菜的前后棚杆间距需求 设定插架间距 M 双插架装置安装在变间距调节板 图 9 的位置 插架间距 M 最小为 0 8 m 最大为 1 2 m 1 双插架装置 2 变间距调节板 3 转向轮 4 驱动轮 5 自动进杆装置 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 图 8 双插架装置和变间距调节板实物图 Fig 8 Physical drawings of double cuttage device and variable distance adjustment board 2 3 覆膜装置 覆膜装置安装于小拱棚单列双插架覆膜一体机的 前部 由伸膜和压膜两部分机构组成 伸膜机构包括小 拱棚单列双插架覆膜一体机两侧的支模架与中间的导 轮与伸膜架 压膜机构包括压膜轮与覆土盘 结构示意 如图 9 塑料薄膜通过套筒放置在支膜架上 调节限位孔与导 轮连杆位置确保导轮通过摩擦绷紧塑料薄膜 且在小拱棚 单列双插架覆膜一体机前进过程中持续扯动塑料薄膜 压 膜轮将薄膜下压至土表 覆土盘在小拱棚单列双插架覆膜 一体机前进的过 程中将土旋起覆盖塑料薄膜边 完成裙膜 固定 1 限位孔 2 连杆 3 支模架 4 导轮 5 伸膜架 6 压膜轮 7 覆土盘 1 Limited hole 2 Connecting rod 3 Film supporter 4 Guiding wheel 5 Film stretcher 6 Membrane wheel 7 Soil covering disk 图 9 覆膜装置结构图 Fig 9 Structure diagram of film covering device 农业工程学报 http www tcsae org 2021 年 6 3 控制系统 小拱棚单列双插架覆膜一体机的智能控制系统由西 门子 S7 1200 CPU 1214C 传感器 排量 15 ml r 额定转 速 2 000 r min 1 的液压系统 行进系统和自动进杆插架系 统组成 可实现小拱棚单列双插架覆膜一体机自动进杆 等距插架和覆膜的全自动化作业 整体控制流程如图 11 图 10 小拱棚单列双插架覆膜一体机控制流程示意图 Fig 10 Control flow diagram of single row double cuttage and film covering machine for low tunnels 3 1 行进系统控制 行进系统由汽油机 变速箱 张紧轮 驱动轮 测 距轮 转向轮组成 图 1 PLC 通过控制三位四通电磁阀控制液压油流向 从 而控制液压缸往复动作 液压缸动作通过钢丝拉线带动 张紧轮实现阶段性往复运动 张紧轮调节汽油机与行进 变速箱之间皮带的涨紧度 实现小拱棚单列双插架覆膜 一体机的启动 匀速行进与停止 进而实现等距行进 考虑到小拱棚单列双插架覆膜一体机在大田条件下 作业 存在田地高低不平或者泥泞条件恶劣的情况 编 码器在车轮打滑时会出现距离测算失误等问题 为精确 测定行进距离 小拱棚单列双插架覆膜一体机加装测距 轮 直径 40cm 边缘均匀分布磁铁 采用直流二线常 开磁性接近开关计算行进距离 测距轮不承担整体机器 重量 与地面保持刚刚接触状态 发生打滑时 驱动轮 空转 整体机器未行走 测距轮没有发生转动 有效解 决距离测算失误问题 计数磁性接近开关动作 计算一体机行进距离 d 公 式 20 进而判断是否达到设定插架间距 M 当 d M 时 小拱棚单列双插架覆膜一体机暂停前进 进行插架 作业 插架数量计数 2 插架完成后 小拱棚单列双插 架覆膜一体机继续前进 且重新计算行进距离 d mm 2 c rn d n 00 20 式中 r 0 为测距轮半径 mm n c 为安装在测距轮上的磁铁 数 n 0 为接近开关动作次数 3 2 自动进杆插架系统控制 小拱棚双插架覆膜一体机根据设定的插架间距 M 进 行插架作业 车辆启动的同时 由 PLC 控制进杆电机 转动时间为 t 1 t 2 光电开关传感器检测到棚杆通过后将 信号反馈 PLC 确保棚杆送入弯折手臂 小拱棚单列双插架覆膜一体机行进距离 d 达到设定 插架间距 M 后 PLC 通过三位四通电磁阀控制压插油缸 带动曲柄滑块机构运动 作为曲柄滑块部分中的滑块 棚 杆扦插机构 向下作业 其中弯折手臂的导轨轴承固定 在棚杆扦插机构上 进而弯折手臂从水平位置旋转到竖 直位置 使棚杆变弯 棚杆扦插机构继续向下作业 将 弯棚杆压入土 此时 接近开关 II 检测到棚杆扦插机构 双插架装置开始复位 弯折手臂的挡板回弹 与棚杆分 离 进而压插油缸复位带动棚杆扦插机构复位 接近开 关 I 检测到棚杆扦插机构后 复位完成 完成一次插架作 业 插架数量计数 2 重复行进和插架动作 直至满足 设定插架数量 4 田间试验 4 1 试验条件 为验证小拱棚单列双插架覆膜一体机设计的可行 性 以及测试小拱棚单列双插架覆膜一体机进杆 弯杆 插杆 覆膜的作业性能 2019 年 9 月 在山东农业大学 南校区试验田进行了田间作业和性能检测 如图 11 所 示 试验地长 100 m 宽 15 m 选择蔬菜种植常用土壤 类型 壤土 土壤含水率为 10 1 0 20 cm 的平均土 壤坚实度为 746 kPa a 试验机器 a Machine for experiment b 试验效果 b Experiments effects 图 11 田间试验 Fig 11 Field experiment 第 8 期 刘 平等 小拱棚单列双插架覆膜一体机设计与试验 7 覆膜压土作业部分参照 JB T7732 2 地膜覆盖机试验 方法 技术标准 20 和农田小拱棚实际应用农艺要求 田 间试验选取重杆率 漏杆率 进杆成功率 棚杆倾斜率 棚杆插入率 平均插架深度 两侧插架深度偏差 覆膜 破损率 平均覆土厚度 平均覆土宽度 平均插架间距 插架合格率为小拱棚单列双插架覆膜一体机作业的测试 指标 试验总棚杆数为 300 根 若出现重杆 回收重叠 的多余棚杆到棚杆架 若出现漏杆 人工减少 1 根棚杆 棚杆插入率 4 Y 4 4 3 100 N Y N 21 式中 N 4 为成功插入土中的棚杆数量 棚杆倾斜率 5 Y 5 5 4 100 N Y N 22 式中 N 5 为成功插入土且棚杆整体与地面夹角不超过 80 的棚杆数量 拱棚覆膜率 c Y 0 c 100 t S Y S 23 式中 S 0 为覆膜总面积 m 2 S t 为棚架总面积 4 2 1 t SMN m 2 薄膜破损率 p Y p 0 100 P S Y S 24 式中 S P 为薄膜破损总面积 m 2 平均插架深度 D 3 1 3 2 N lr i RR D N 25 式中 R l 为棚杆左侧入土深度 mm R r 为棚杆右侧入土深 度 mm 两侧插架深度平均偏差 R e 3 1 3 N lr i R RR e N 26 随机取样 N T 个薄膜覆土层上长度 20 cm 的覆土 计 算平均覆土厚度 ave tk 1 ave T N i T tk i tk N 27 式中 N T 为随机取样数 tk i 为第 i 个样本的覆土厚度 通 过覆土体积除以覆土长 宽计算得到 覆土体积通过装 入固定尺寸的透明盒中计算得到 mm 平均覆土宽度 ave tw 1 ave T N i T tw i tw N 28 式中 tw i 为第 i 个样本的覆土平均宽度 mm 平均插架间距 ave L 4 1 1 4 1 N i ave Li L N 29 式中 L i 为实际插架间距 mm 平均插架间距偏差 L e 4 1 1 4 1 N ave i L Li L e N 30 棚杆破损率 6 Y 6 6 100 N Y N 31 式中 N 6 为破损棚杆数量 插架成功率 7 Y 7 7 100 N Y N 32 式中 N 7 为满足插架需求的成功棚杆数量 包括入土深度 两侧插架深度偏差 棚杆整体与地面夹角 4 2 结果与分析 小拱棚单列双插架覆膜一体机以 1 2 km h 最大作业 速度行进 每列拱棚间隔 1 m 插架间距 1 2 m 试验结 果如表 2 所示 本文设计的小拱棚单列双插架覆膜一体 机作业效率为 2 122 m 2 h 相同作业速度和插架间距下 单个自动插架装置的拱棚插架覆膜一体机的作业效率为 1 320 m 2 h 14 作业效率提高了 60 表 2 田间试验结果 作业速度 1 2 km h 1 Table 2 Results of the field experimenta Operating speed is 1 2 km h 1 项目 Items 指标 Indexes 数据 Datas 结果 Results 重杆率 Repetition rate of shed pole feeding 5 2 6 合格 漏杆率 Missing rate of shed pole feeding 5 3 3 合格 进杆成功率 Success rate of shed pole feeding 90 94 1 合格 棚杆插入率 Insertion rate of shed pole 92 98 6 合格 棚杆倾斜率 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 薄膜破损率 Breakage rate of film 5 1 1 合格 平均覆土厚度 Average thickness of soil covering mm 25 80