太阳能多垄蔬菜移栽机设计分析.pdf

136 2023 年 7 月上 Agricultural Machinery and Equipment 农业机械与装备 太阳能多垄蔬菜移栽机设计分析 王士槟 王引卫 张昊岳 西京学院机械工程学院 陕西 西安 710123 摘 要 目的 为解决蔬菜移栽工作效率低及成活率下降问题 亟需设计一种节省蔬菜移栽劳动力的机械设备 方法 研究 小组介绍了太阳能多垄蔬菜移栽机整体的设计思路 分析了太阳能多垄蔬菜移栽机关键部件的设置 从机械爪的设计 漏苗 圆盘的设计 育秧盘的设计 落苗平土部件等方面逐一论述 阐述了太阳能多垄蔬菜移栽机控制系统的构建方式 结果 该 太阳能多垄蔬菜移栽机转动角的速度为 s 能够在2 s内转一圈 并完成抓取 在移栽的过程中扎坑锥能够同时开展注水作 业 根据栽植的实际需求 添加相应的营养液 提升秧苗的成活率 结论 该移栽机应用了新型清洁能源 提高了移栽设备 的环保性 解决了既往人力移栽过程中所出现的多样化问题 在多垄蔬菜移栽领域有着较好的应用前景与价值 关键词 蔬菜移栽机 太阳能 多垄蔬菜 机械设计 中图分类号 S223 9 文献标志码 A DOI 10 3969 j issn 1672 3872 2023 13 040 1 太阳能多垄蔬菜移栽机整体设计思路 1 1 整体设计思路 研究小组所设计的太阳能多垄蔬菜移栽机属于 坐水型移栽设备 该设备具有以下优点 第一 可以 通过太阳能供电的方式 解决既往农耕设备能耗过高 的问题 第二 通过多垄坐水的工作方法 能够节省 人力资源 降低蔬菜种植成本 并提高工作速率 该 装置设有太阳能光伏板 在晴天时能够收集阳光 并 将能量存储于蓄电池之中 以便在阴天时备用 同时 采用了并联式油电混合动力形式 解决了太阳能供电 不稳定的问题 1 1 2 基本工作原理 该移栽机通过控制系统操控前端机械爪的工作 效率 保证秧苗能够精准落在漏苗盘上 同时在其相 对端设置了一个推板 推板的工作频率与机械手抓苗 频率保持一致 能够减少机械手的多余运动损耗 提 升机械的工作效率 圆盘共分为两层进行设计 上下 层之间呈现出相反的运作方式 2 为能够保证抓苗 以及漏苗的作业顺利完成 在设计时则将机械手与漏 苗频率设定为了线性关系 最后 通过扎坑结构动力 系统 完成注水扎坑规律作业 并利用覆土轮压实 保证秧苗充分吸收养分 提高秧苗成活率 2 太阳能多垄蔬菜移栽机关键部件设置 2 1 机械爪的设计 在设计机械爪时 带动其进行抓取行为的部件由 三个可移动轴负责 暂时将其命名为 X 轴 Y 轴 Z 轴 其能够在立体空间中 让机械爪完成取苗转动任务 X 轴与 Y 轴之间需要保持0 5 m 的伸缩距离 避免其 在运动的过程中发生碰撞现象 而 Z 轴的伸缩距离则 设定为0 6 m 这样可以保证各个轴在高速作业的过 程中 不受互相的影响 整体装置的横宽为2 m 同 时可以安设三个机械爪 以便达成多垄蔬菜移栽的目 标 由于机械爪的主要构成元素为金属 为避免对蔬 菜秧苗的伤害 则要在抓夹部分安装多个软性硅胶保 护装置 并设置一个平衡反馈系统 以保证对蔬菜秧 苗的损害降至最低 此外 为能够控制机械手运作抓 力的区间大小 需要利用单片机加以控制 这样能够 在最短的时间之内将蔬菜秧苗从秧盘中抓到漏苗圆 盘内 3 2 2 漏苗圆盘的设计 将漏苗圆盘设置为两层 上层圆盘中均匀分布 了 8 个直径为20 mm 的孔 主要用于落苗 而下层圆 盘只设置了一个孔洞 然后将两层圆盘设置为相反运 动的形式 这样当圆盘机械爪依照既定的线路运作之 后 刚好会与其中的一个落苗孔重叠 此时机械爪会 松开抓夹 使得秧苗落入到下层的落苗孔之中 二者 之间的频率能够刚好统一 实现抓苗与漏苗的一体化 作业 4 2 3 育秧盘的设计 育秧盘要满足每棵秧苗的放置距离 因此在设计 以前 相关设计人员则要加大秧苗长宽的调研 经过 计算发现将秧苗盘设置的长宽设定为50 mm 最为适 作者简介 王士槟 1999 男 山西孝义人 硕士研究生 研究方向为机械工程 通信作者 王引卫 1974 男 陕西兴平人 硕士研究生 教授 研究方向为机械电子工程 2023 年 7 月上 137 Agricultural Machinery and Equipment 农业机械与装备 宜 同时 将推板推送秧苗的频率设定为了每40 s 一 排 育秧盘的长宽高分别为1 000 mm 500 mm 80 mm 5 在推送的过程中 会沿着500 mm 宽的方向不 断移动 其移动的距离为50 mm 每排可以设置20 个 秧苗 机械爪每秒能够抓取2 棵秧苗进行作业 这样 不仅能够与推板的工作时间相适配 还能满足推送距 离要求 提高机械手的工作效率 2 4 落苗平土部件 该移栽机的落苗平土部件分为两大结构 一是覆 土轮 二是落苗拨片 其中 覆土轮主要由两个轮子 夹角所形成 其定轴摆放的角度为40 尖角顶点距 离地面10 cm 这样即便是通过机械覆土 也不会使 得幼苗受到伤害 6 此外 当秧苗脱落时 设计人员 也应充分考虑到高度因素对其所产生的冲击力 因此 需要通过落苗拨片与垂直套筒相配合的方式来完成 其所形成的角度 刚好能够避免秧苗垂直方向朝下产 生较强的冲击力 这样不仅能保护秧苗 还能够提高 秧苗根部培土的保有率 而在设计落苗套筒时 建议 采用伸缩的形式 这样可以使得机械能够面向不同的 地形开展种植作业 同时还要在套筒内部设置一个用 于减速缓冲的凸起瓣膜 当两片落苗拨片安置在旋转 轴承上时 便会形成一个较大的工作空间 便于设备 作业 3 太阳能多垄蔬菜移栽机控制系统构建 3 1 控制模块 该移栽机的控制模块的核心为单片机 单片机主 要由红外线信号转换电路 光电测速信号接口 4 位 数码管显示屏以及蜂鸣器报警系统等部分所组成 其 不仅控制功能较为全面 还能够通过模块化的方式 单独对每一部件进行灵活指示作业 此外 该系统还 能够实现全向轮两轮驱动避障以及循线功能 具体的 运作结构为 电机 电机驱动 单片机 超声波模块 与红外循迹模块 3 2 感应模块 该移栽机的感应模块可以分为两大部分 一是 超声波与红外传感器 二是红外循迹模块 首先 超 声波模块主要起到了测距的功能 评测的范围为 2 cm 400 cm 能够开展非接触式距离感应检测 其中 测距设备的精度能够达到3 mm 同时 该模块还设 有超声波发射器以及接收器 与控制电路相衔接 能 够在作业的过程中达到精准避障的目标 7 其次 红 外循迹模块为四路 该模块的运作原理为 通过红外 传感器来感知车轮下是否存有黑色目标线 并将所探 测到的数据信息传送给单片机 单片机在接收到信息 后进行自动处理 同时电机会产生控制反应 而红外 模块只需要读取单片机所录入的IO 即可 最后 完 成整个循线作业 3 3 电机驱动 在实际作业的过程中 单片机系统较小 且所输 出的电压经评测仅有5 V 输出电流微弱 而电机的 功率又较大 为保证机械正常的运作 则需要单独设 置一个驱动模块 以便完成信号的转换 其运作原理 为 当系统运作时 单片机只需要输出一个逻辑控制 信号便可控制电机的转动 电机建议选为调速电机 这样单片机能够通过单片机的控制 利用传送带将幼 苗放置落苗口 此时的幼苗输送时间也与其保持一 致 幼苗便可以按照既定的规律完成移栽作业 8 3 4 供能模块 该移栽机的供能模式为太阳能和油电混合动力 系统 这两种动力供应形式能够达到互补的效果 同 时也不会因为太阳能的不稳定 而出现降低设备工作 效率的情况 太阳能的基本构成形式为 光伏板将接 收到的能量 通过电流的方式 传送至太阳能控制器 与逆变电流进行整合 最终所产生的电能供给传感器 以及电机进行负载作业 多余的电量会被存储在蓄电 池之中 9 3 5 扎坑系统 由于研究小组所设置的移栽机具备自动坐水的 功能 扎坑动力传动系统也在其中发挥了重要的作 用 而该系统中的主要部件为扎坑锥 通过混合供能 系统的带动 能够实现规律性的上下作业 其中在锥 头的部位设有高压的注水出口 能够在移栽以后 对 坑苗进行注水作业 水中含有合理配置的生根剂 能 够满足秧苗的实际生长营养需求 能够帮助移栽人员 进行缓苗作业 主要的机构运作方式为曲柄滑块摇 杆 不仅接触面大 且承载能力也较强 具有耐磨的 特点 能够满足设备的重复性多次作业需求 此外 其上下运动的自由度也较高 能够实现机构的低副转 动 保证扎坑作业的顺利开展 10 4 太阳能多垄蔬菜移栽机试验结果分析 4 1 机械爪旋转运动性能 为能够检验上述方案的可行性 还要对机械爪转138 2023 年 7 月上 Agricultural Machinery and Equipment 农业机械与装备 动与抓取运动性能进行评测 在检测时 让机械爪通 过 360 旋转的方式 对苗圃进行抓取 最终发现转矩 从最初的9 800 N m 变为了6 200 N m 由此可以看 出 机械爪在启动时的转矩需求较大 在启动之后的 转矩才能逐渐稳定 并且在平动与平动加速时 呈现 出一种明显的波形变化 这也表示机械爪在转动的过 程中发生了爪力变化 经评测发现 其能够满足设备 的实际抓取变化需求 转动角的速度为 s 同时也 表明了其能够在2 s 内转一圈 并完成抓取作业 4 2 机械爪抓取运动性能 根据上述机械爪运动特性的分析 能够发现机械 爪在抓取的过程中实际上是以直线以及圆周的方式 在运作 当这两种运动重叠在一起之后 便能够看出 机械爪的抓取过程较为复杂 但通过SolidWorks 软 件对抓取机构进行建模与仿真演示 11 发现抓取机 构能够满足实际作业需求 4 3 整体试验结果的分析 在进行整机试验时 具体的移栽效果也与秧苗的 根茎长度以及株高有着较大的关联性 以芹菜的移 栽为例 本芹的株距为8 cm 左右 而西芹的株距为 20 cm 左右 经计算本芹每666 67 m 2 需栽苗45 000 株左右 而西芹每666 67 m 2 需栽苗16 000 株左右 在测试过程中 利用本移栽机对西芹秧苗移栽进行了 检验 最终发现西芹的株距保持在每19 cm 一棵 并 且机械在运行的过程中速度较为平均 通过推算 该 距离能够满足西芹的生长密度需求 在长久的移栽 过程中 该设备的速度稳定 经整机评测 最终得出以下几点结果 一是本机 械的设计 能够取代传统的人工移栽抓苗 取苗以及 投苗作业 并且一次可以移栽 3 垄 满足多垄作业的 需求 二是由于在秧盘处安设了推板 因此提高了该 机械设备的工作效率 在移栽的过程中扎坑锥能够同 时开展注水作业 能够根据栽植的实际需求 添加相 应的营养液 便于工作人员进行缓苗工作 极大地提 升了秧苗的成活率 三是通过后期的建模仿真 发现 该移栽机的运动机构符合实际的作业要求 提高了抓 苗以及投苗的精准性 相比人工作业而言 可以大幅 度减小误差 这表明 移栽机能够提高移栽工作的质 量 同时能降低移栽成本 满足基本的作业需求 可 以加快传统多垄蔬菜种植作业的转型 提高农业种植 自动化水平和农户的经济收益 5 结语 综上所述 在既往多垄蔬菜移栽的过程中 不仅 要消耗大量的劳动力 蔬菜还会受到多种因素的影响 从而出现损苗率提升以及成活率下降的问题 12 14 研 究小组设计的太阳能多垄蔬菜移栽机不仅应用了新 型的清洁能源 还提高了移栽设备的环保性 能够解 决既往人力移栽过程中所出现的多样化问题 在多垄 蔬菜移栽领域有着较好的应用前景与价值 能够推动 我国多垄蔬菜种植技术的高质量发展 参考文献 1 梁秋艳 郑君发 刘训报 等 太阳能多垄蔬菜移栽机设计与 试验 J 实验技术与管理 2022 39 11 126 131 2 胡建平 刘育彤 刘伟 等 蔬菜自动移栽机顶夹拔组合 式取苗装置试验研究 J 农业机械学报 2022 53 S1 110 117 184 3 郑君发 梁秋艳 刘训报 等 太阳能多垄蔬菜坐水移栽机 设计 J 佳 木 斯 大 学 学 报 自 然 科 学 版 2022 40 2 89 92 126 4 岳丹松 王东伟 尚书旗 等 4HL 6型三垄六行智能花生 联合收获机的设计和试验 J 农机化研究 2021 43 9 109 112 120 5 计东 胡熙 哲旋瑞 等 双排移栽机械手联动式高速移 栽装置设计与试验 J 农业机械学报 2022 53 12 126 133 146 6 李慧霜 马月虹 曹新伟 手扶式移栽机栽植机构优化设计与 试验 J 中国农机化学报 2022 43 11 24 31 7 赵美卿 卫立新 郭凌云 新型高密度灌木幼苗移栽机仿真与 试验 J 农业工程 2022 12 10 107 113 8 张倩男 王克雄 张晓娟 等 基于主成分分析法的甘蓝机械 化移栽模式综合评价 J 北方园艺 2022 19 1 7 9 万颖文 高伟林 牵引式单双行蔬菜移栽机作业质量对比 J 拖拉机与农用运输车 2022 49 5 39 42 10 袁挺 张宇 尹金亮 等 蔬菜移栽机曲柄摇杆 导轨组合式 取投苗装置研究 J 农业机械学报 2022 53 12 116 125 11 叶海平 多肉植物自动移栽机末端执行器设计与试验 J 南方 农机 2022 53 10 58 60 12 胡显威 韩长杰 国内外自动移栽机的研究现状及发展建议 J 南方农机 2020 51 16 4 79 13 叶洋洋 肖丽萍 黄粮 粮 等 水稻钵苗移栽机发展研究与展 望 J 南方农机 2018 49 19 5 7 14 周莹 孙磊 蔬菜穴盘苗移栽机发展现状分析 J 南方农机 2016 47 10 16 19