草莓移栽机设计与试验_刘育彤.pdf

草莓移栽机设计与试验 刘育彤 胡建平 张永辉 徐华岗 刘 伟 韩绿化 任晨晟 江苏大学农业工程学院 江苏镇江 江苏欣田机械制造有限公司 江苏镇江 摘 要 针对草莓移栽机械化水平低 人工栽植劳动强度大 效率低等问题 设计了一款针对设施高起垄 人机 协同作业的草莓移栽机 整机主要由电动底盘 打穴机构 转向机构及操控系统等组成 底盘采用前轮转向 后 轮驱动 直流无刷电机定速控制底盘的设计方案 草莓定向栽植采用曲柄滑块双行打穴 人工取苗并识别苗弓背 方向再对穴放苗覆土的设计方案 基于多体系统动力学仿真软件 对打穴机构进行运动学仿真分析 得 到打穴器末端速度 位移 加速度曲线 采用培育时间 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 株距变异系数 株距合格率为评价指标进行田间试验 试验结果表明 当栽植效率为 株 行 株距为 时 株距变异系数 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 符合行业标准 作业效率和栽植质量均比人工栽植提高 倍左右 关键词 草莓移栽机 打穴机构 中图分类号 文献标识码 文章编号 引言 我国是目前世界上最大的草莓生产国 设施内高 起垄栽培由于在水肥调控 草莓品质 经济效益等具 有突出优势 因此成为草莓生产种植的主要方式 目前 的地区采用高起垄 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 浅不漏根的 农艺要求 所以仍采用人工作业的方式 人工移栽需 要弯腰完成打穴 取苗 栽苗 覆土等动作 在理想状 态下单人移栽草莓苗效率约 株 劳动强度 大 作业效率低 移栽质量不稳定 无法满足我国的草 莓生产需求 机械化移栽具有省工 节本 提效的优 势 但国内外市场上均未见针对高起垄 裸根苗的草 莓移栽机及相关报道 现有移栽机针对设施内草莓裸苗高起垄移栽无 法解决弓背朝外和栽植深度可控问题 许春林 等 提出了一种 插值非圆齿轮行星轮系全自 动草莓钵苗移栽机构 用一套回转机构依次完成取 苗 输送 挖穴与栽植 个移栽工序 满足了草莓钵苗 移栽所需的轨迹与姿态要求 但无法实现秧苗定向 李男等 集机械 控制 气动于一体开发了打孔放苗 收稿日期 基金项目 江苏省现代农机装备与技术示范推广项目 作者简介 刘育彤 男 甘肃天水人 硕士研究生 通讯作者 胡建平 男 江苏镇江人 教授 博士生导师 一体和双侧四行同栽式高架草莓苗全自动移栽机 适 用于高架草莓种植 武东东 等研制了小型电动草 莓定向移栽机 通过旋转式分苗机构与多连杆栽植机 构配合 完成草莓穴盘苗定向移栽 目前 尚无完全 自主创新且适合国内高起垄草莓定向移栽农艺要求 的草莓裸苗移栽机 针对以上问题 结合设施高起垄草莓裸根苗的移 栽农艺要求 笔者设计了一款打穴式草莓移栽机 对 其打穴机构运动过程进行运动学分析 并通过试验验 证整机可靠性 整机结构与主要技术指标 整机结构 草莓移栽机主要由电动底盘 打穴部件及控制系 统 部分组成 主要工作部件按照机具前进方向中心 面对称布置 可同时完成双行作业 采用电控作业方 式 如图 所示 自走式底盘 采用前轮驱动后轮转向设计方案 边梁式布局形式 后轮采用单电机整体驱动类型 通 过差速器 速比 与链传动 速比 传递动力 链传动罩通过 形结构件和移栽机骨架连接 为减少 轮胎侧滑 转向过程中前轮相对于车身偏转角要满足 阿克曼定理 前轮采用平面多连杆转向机构 电机 驱动类型 如图 所示 齿轮齿条传动机构对称安装 于机架横梁中心面 以保证转向过程稳定性 横向拉 杆两端通过鱼眼接头和齿条 转向节配合 实现转向 年 月 农机化研究 第 期 DOI 10 13427 ki njyi 2024 06 030 功能 打穴机构 转向机构 苗盘架 机架 座椅 后桥传动机构 控制柜 图 草莓移栽机结构图 转向电机 减速器 碰撞传感器 转向拉杆 限位块 齿轮齿条传动机构 直线模块 图 转向机构结构图 座椅面向苗盘架安装 便于人工取苗进行移栽作 业 同时便于操作人员观察移栽机是否偏离垄沟 及时 进行调整 打穴机构通过横梁安装在电动底盘上 并 采用锂电池作为动力源 节能环保 工作原理 草莓移栽机采用双行作业模式 人工取苗 栽苗 的人机协同作业方案 转向 行走 打穴采用独立电机 驱动 移栽前 根据垄面形状 移栽要求 通过方向开 关调整移栽机车身姿态 通过腰形孔定位打穴锥安装 位置实现行距调整 通过株距选择开关调整株距 并 在苗盘架中放置草莓裸根苗 作业时 移栽机底盘按 照设定速度做匀速运动 打穴机构匹配人工栽植速度 做间歇式双行打穴 当电动底盘前进规定株距时 打 穴子系统动作 配合人工完成移栽作业 如此循环往 复 进行草莓裸根苗的移栽 如图 所示 图 草莓移栽机工作时序图 主要技术参数 草莓移栽机性能参数如表 所示 表 性能参数 项目单位数值 整机质量 不含人 作业行数 结构形式自走式 栽植株距 栽植行距 栽植频率株 打穴深度 作业人数 关键部件设计 打穴部件设计 打穴部件用于设施内高起垄草莓移栽打穴 采用曲柄滑块传动方案 如图 所示 该机构主要由 方管 电机安装支架 打穴器安装板 打穴锥 曲柄滑 块传动机构 电机以及减速器等组成 为了减轻打穴 机构质量 基于拓扑优化理论 对打穴器安装部件 进行了轻量化设计 并针对草莓移栽农艺要求设计了 一款行距可调的曲柄滑块式打穴机构 且利用腰形孔 调节打穴锥安装位置实现行距调节 其中 打穴器安装架和机架固定连接 打穴器安 装板通过螺纹连接和滑块连接 打穴锥通过腰形孔确 定其安装位置 连杆两端通过鱼眼接头分别和打穴器 安装板 电机安装支架相连接 打穴电机和减速器通 过螺纹连接和电机安装支架固定连接 减速器输出轴 和曲柄通过键连接传递动力 工作时 电机通过曲柄 滑块传动机构将动力传递至打穴锥 打穴锥做间歇式 打穴 匹配人工作业完成草莓移栽 为保证成型孔滑 移率小 打穴锥入土和出土的速度应尽可能大 当速 度太大时 曲柄在最高点动能增大 即曲柄每次间歇 年 月 农机化研究 第 期 打穴的零点位置不统一 打穴电机 减速器 电机安装支架 方管 导轨 滑块 打穴器安装板 打穴锥 鱼眼接头 连杆 曲柄 图 打穴机构示意图 控制系统设计 基于可编程控制器 设计了整机控制系 统 如图 所示 图 整体控制方案图 该系统包括定速行走控制系统 前轮转向控制系 统及打穴控制系统等任务模块 可实现草莓移栽机启 动 停止 电动底盘调速 转向 打穴机构的株距调整 及打穴频率自适应等功能 主要由 锂电池 直流 无刷电机 步进电机 电机驱动器 光电传感器 接近 开关 株距选择开关等组成 其中 各类开关 传感器 信号作为输入部分 电机驱动器作为输出部分 行走 电机 转向电机 打穴电机作为动力元件 驱动对应的 执行部件动作 调节行走电机 转向电机的转速及转 向实现电动底盘运动控制 采集行走电机增量式编码 器值 按照对应株距要求控制打穴电机的运动 移栽 作业过程中 每个周期底盘运动固定株距 打穴机构 协调动作 通过人机协同作业完成草莓苗移栽 打穴机构运动学分析 打穴机构运动学建模 草莓移栽过程中 由于电动底盘运动 即存在水 平方向速度分量 导致打穴机构不能垂直入土和出 土 穴孔在前进方向存在滑移现象 栽植频率一 定 打穴速度越快 穴口的滑移率越小 为保证曲柄滑 块打穴机构满足运动要求 对其进行运动学仿真分 析 得到打穴锥末端位移 速度 加速度变化曲线 栽植频率一定 分析打穴锥运动轨迹并用多体系统动 力学仿真软件 对其进行验证分析 打穴机构动力传递核心是带有两滑块的曲柄滑 块机构 取常见曲柄滑块结构进行建模分析 其机构 简图如图 所示 图 机构运动简图 设曲柄 连杆 导程分别为 和 为滑块 运行两极限位置 以 为原点 垂直于导轨方向为 轴 平行于导轨方向为 轴 建立复平面 在矢量多边形 中 有 在复平面中 有 式中 曲柄与 轴夹角 连杆与 轴夹角 滑块到原点距离 由欧拉公式可得 null null null null 即 年 月 农机化研究 第 期 杆 和滑块 构成 杆组 对 点进行运动 学分析得 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 将矩阵对 进行求导 则 null null nullnull null null nullnull null null null null null null null nullnull null null null nullnull null null nullnull null null nullnull 将矩阵对 进行二次求导 则 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 通过上式求解得到打穴器末端 点实际运动学 参数 打穴机构仿真分析 将打穴机构三维模型进行简化处理导入 施加对应的约束 如图 所示 当栽植效率 为 株 行 时 符合人工取苗 识别苗弓背方 向后定向穴栽的要求 在此栽植效率下 草莓移栽机 电动底盘针对不同的株距 匹配相应的速度做匀速运 动 打穴机构做间歇式打穴运动 为模拟电动底盘的 匀速运动 打穴机构施加前进方向的恒定速度 当株 距为 时 对应电动底盘前进速度分 别为 考虑到曲柄在最高处零点 位置速度太大导致曲柄定位不准确 曲柄速度太小导 致成型孔滑移现象明显 为模拟打穴机构的间歇式打 穴过程 给电机施加如下的驱动 当栽植效率为 株 行 时 即 打穴机构完成一次间歇打穴 动作 取整周期内打穴时间为 查阅手册 直流 无刷电机加减速时间默认为 即电机的运动可以用 函数模拟 在前两个周期内函数表达式为 取电动底盘作业速度 打穴深 度 对打穴机构轨迹进行仿真分析 图 图 为株距为 时打穴器末端位移 速度 加速度变化曲线 图 为打穴器末端速度在垂直方 向的分量 图 仿真模型 图 株距 时打穴器末端位移 速度 加速度曲线图 年 月 农机化研究 第 期 图 株距 时打穴器末端位移 速度 加速度曲线图 图 株距 时打穴器末端位移 速度 加速度曲线图 图 打穴器末端竖直方向速度分量大小 分析曲柄滑块运动轨迹可知 打穴器以最高处位 置作为零点 滑块向下运行 打穴器开始和地面 接触 运行 打穴器运动至最低点 随后开始向 上运动 直至回到零点 在此过过程中成型穴孔深 由运动学分析可知 打穴器入土前做加速运 动 随后做减速运动 运行至最低点时速度大小为 打穴器返回过程同样如此 由仿真结果可知 栽植效率为 株 行 在竖直方向打穴锥入土瞬时速度大小为 株距分别为 时 草莓移栽机前进方 向速度大小分别为 合速度大小分 别为 竖直方向速度大 于水平方向速度 其合速度方向靠近竖直方向 由仿 真轨迹可知 草莓移栽机在不同株距下打穴轨迹均有 较小滑移现象 这表明 设计的曲柄滑块式打穴机构 在不同株距参数下满足草莓栽植设计目标要求 可有 效提高草莓移栽效率 试验与结果分析 试验条件 年 月 日在镇江市句容白兔镇草莓种植 园区进行试验 起垄规格为垄高 垄底宽 年 月 农机化研究 第 期 垄顶宽 垄沟宽 满足试验要求 试验设备主要为草莓移栽机 如图 所示 其 它包括游标卡尺 量程 精度 常规卷 尺 量程 及秒表等 试验材料 草莓裸根苗 培育 时间 周左右 经测量 组草莓裸根买苗根系的 平均长度 符合正态分布分布 之间的占 试验设计 针对草莓移栽机打穴的合格率 采用 单因素三水平全析因试验 试验因子为移栽合格率 试验水平为 株距 试验响应为漏栽 率 露苗率 埋苗率 图 草莓移栽机 试验指标与结果 目前没有针对草莓移栽机械性能测试标准 故参 照 旱地栽植机械 国家标准 结 合本机栽植特点 以不同株距下草莓苗漏栽率 埋苗 率露苗率 移栽合格率 株距变异系数 株距合格率为 指标 检测草莓移栽机作业性能 漏栽率 指移栽机在应当有草莓苗栽植的地方 漏栽 其值为在实测草莓苗之间漏栽株数与实测草莓 苗株数的百分比 式中 漏栽率 漏栽株数 株 测定的总株数 株 埋苗率和露苗率 根据草莓裸苗移栽 深不埋 心 浅不漏根 的要求 埋苗率和露苗率是对栽植深度 是否合格的评价指标 其值分别为埋苗株数与实测草 莓苗株数的百分比和露苗株数与实测草莓苗株数的 百分比 式中 埋苗率 露苗率 埋苗株数 株 露苗株数 株 测定的总株数 株 移栽合格率 栽植合格是指移栽机移栽后草莓 苗没有漏栽 露苗 埋苗 其合格率指实测草莓苗栽植 合格株数与实测草莓苗株数的百分比 即 null null 式中 合格株数 株 移栽合格率 测定的总株数 株 株距变异系数 指移栽机移栽过后草莓苗分布 的均匀性 其值为测得的实际数据的标准差与实际数 据平均值的比值 null null 式中 实测草莓苗数 株 株距变异系数 株距标准差 株距平均值 合格株距 株距合格率 设理论间距为 测量相邻 两株孔间距 若 则认为株距 合格 采用变异系数作为评价指标 它反映实际株距 偏离平均值的程度 株距合格率 株距的变异系数是 对打穴装置纵向 单行 打穴均匀度的评价 草莓移栽机打穴参数现场测量如图 所示 为 保证试验精度 每组试验 次 结果取平均值 试验 结果如表 表 所示 由表 表 可知 当草莓移栽 机栽植效率为 株 行 理论株距 时 株距合格率 株距变异系数 漏栽率 埋苗率 露苗率 移栽合格率 当理论株距为 时 株距合格率 株距变异系数 漏栽率 埋苗率 露 年 月 农机化研究 第 期 苗率 移栽合格率 当理论株距 时 株距合格率 株距变异系数 漏栽率 埋苗率 露苗率 移栽合格率 不同株距下 株距变异系数 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 符合行业标准 图 株距测量 表 株距评价试验结果 编号 理论 株距 实际株距 平均数 株距 标准差 株距变异 系数 株距 合格率 表 移栽合格评价试验结果 编号理论株距 漏栽率 埋苗率 露苗率 移栽合格率 讨论 造成误差的主要原因是 打穴机构采用双行式 曲柄滑块机构 速度快 质量大 运动时动量大 惯性 大 导致曲柄定位不准确 移栽机前进速度与打穴 速度的合速度方向与竖直方向存在夹角 导致了误 差 影响了株距 孔径变异系数 随着株距增大 前进 速度增大 成型孔滑移现象增大 但因为机具前进速 度较慢 打穴速度较快 它们的合速度方向靠近竖直 方向 导致打穴机构离开土壤时成型孔的滑移率较 小 孔打穴效果较好 由于人工进行取苗 投苗 漏 栽率 埋苗率 露苗率 受人工熟练程度影响较大 结论 针对设施内高起垄草莓裸苗移栽开发一款草 莓移栽机 设计了一款电驱自走式底盘和双行曲柄滑 块打穴机构 通过人机协同作业 即打穴机构间歇式 打穴匹配人工取苗 栽苗完成草莓移栽 控制系统简 单 结构紧凑 对打穴机构进行运动学建模分析 并基于多体 系统动力学仿真软件 进行仿真分析 得到打 穴器末端速度 位移 加速度曲线 打穴机构满足设计 要求 田间试验表明 栽植效率 株 行 当 理论株距为 时 株距变异系数 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 符合行业标准 参考文献 刘继展 吴硕 草莓全程生产机械化技术与装备研究进展 农业机械学报 李男 刘继展 高架草莓移栽机控制系统设计与试验 农机化研究 胡建平 岳仁才 武东东 等 草莓移栽机的发展现状与展 望 农业装备技术 周厚成 李亮杰 赵霞 等 草莓设施栽培技术规程 果 农之友 许春林 吕志军 辛亮 等 全自动草莓钵苗移栽机构优化 设计与试验 农业机械学报 李男 刘继展 高架草莓移栽机控制系统设计与试验 农机化研究 武东东 小型电动草莓定向移栽机设计及试验 镇江 江苏大学 王楠 刘振华 孙自文 钵苗移栽机电动底盘及驱动系统设 计研究 农机化研究 申川川 基于阿克曼转向角在四驱电动汽车中的运用分析 时代汽车 全伟 唐叶 段益平 打穴式移栽机械发展现状与展望 农业工程与装备 王晓东 水轮式打穴移栽机成穴机理及试验研究 北 京 中国农业大学 刘双喜 徐春保 张宏建 等 果园开沟施肥机机架优化设 计与试验 农业机械学报 伍龙 刘念聪 王艳华 等 基于 的全自动移栽机取 苗喂苗控制系统设计 中国农机化学报 李鹏斌 颜华 王品隆 等 移栽机小株距栽植机构杆件优 化与试验 农业机械学报 年 月 农机化研究 第 期 潘杰 陈凡 胡建平 岳仁才 姚梦娇 李静 基于 的指夹式取苗爪仿真优化设计 农业机 械学报 中华人民共和国工业和信息化部 旱地栽植机械 北京 机械工业出版社 葛鹏 韩长杰 张静 等 移栽机钻穴装置的设计与性能试 验 农机化研究 周德义 孙裕晶 马成林 等 组合振动导苗筒式移栽机栽 植株距随机误差分析 农业机械学报 年 月 农机化研究 第 期