丘陵山区辣椒机械化移栽适应性分析.pdf

丘陵山区辣椒机械化移栽适应性分析 喻丽华1 徐志波1 韩忠禄2 潘东彪2 张富贵1 1 贵州大学机械工程学院 贵阳 550025 2 贵州省农业机械技术推广总站 贵阳 550001 摘 要 针对当前丘陵山区辣椒生产中手工栽植劳动强度高 机械化移栽 无机可用 的现实问题 结合贵州辣 椒种植的农艺要求 以某型号的吊杯鸭嘴式移栽机为试验机 在绥阳县开展了田间辣椒移栽作业试验 完成了株 距 栽深 撕膜情况及田间垄面平整情况等方面测试 结果表明 移栽后株距合格率100 变异系数为12 2 栽深合格率为80 变异系数为14 6 株距和栽深不稳定 纵向撕膜口平均尺寸为139 2mm 是移栽苗平均苗 冠99 67mm的1 4倍 相对苗冠较大 垄面纵向高度差异性较大 根据测试样机田间试验结果与山地作业适应 性分析 提出了升降底盘 栽深自动控制系统及鸭嘴栽植器关键部件的改进建议 研究结果对丘陵山区辣椒机 与移栽农艺的融合发展具有一定的指导意义 关键词 辣椒 移栽机 农机农艺融合 丘陵山区 中图分类号 S223 9 文献标识码 A文章编号 1003 188X 2020 10 0184 05 0 引言 辣椒是我国的传统经济作物 具有种植面积大 种植地域广 产值高的特点 1 移栽是辣椒生产的核 心环节 机械化移栽难度大 手工栽植劳动强度高的 问题制约着我国辣椒种植业的发展 2 当前 在我国 平原地区 各种半自动及全自动移栽机正逐步应用于 辣椒的机械化移栽作业 但是 在我国广大丘陵山地 因土地破碎 地形起伏及耕整地机械化水平低 在种 植工序上仍采用手工或简易移植器移栽 因此 研发 丘陵山区辣椒移栽机已经成为辣椒产业发展的迫切 需求 当前 旱地移栽机的研究主要集中在栽植机构 参数优化 鸭嘴开合机构的误差分析及底盘设计方 面 姬江涛 金鑫设计了一种行星轮系滑道式栽植机 构 并进行了参数优化 3 胡建平 王金葵设计了一 种移栽机自动升降底盘 并进行了模型建立和理论分 析 4 5 韩长杰设计了一种移栽机转盘式投苗机 构 6 汪春 万霖对一款插秧机的关键部件进行了改 进设计 以适应旱地作业的蔬菜移栽机 7 这些研究 结果为我国旱地移栽机发展提供了必要的理论依据 收稿日期 2019 04 25 基金项目 贵州省农业科技支撑计划项目 黔科合支撑 2018 2325 号 贵州省农业产业技术体系建设专项 2018 贵州省科 技计划项目 黔科合平台人才 2019 5616号 贵州省普 通高等学校工程研究中心建设项目 黔教合KY字 2017 015 作者简介 喻丽华 1975 女 贵州铜仁人 高级实验师 博士 E mail yulihua01 及技术支撑 但鲜有专门针对丘陵山区辣椒移栽机适 应性的相关研究 为此 以某型号的吊杯鸭嘴式移栽机为试验样 机 以穴盘辣椒苗为移栽对象 通过在典型丘陵山地 辣椒种植地进行田间试验 测量及结果分析 找出移 栽机不适应山地作业的根本问题 并提出关键结构改 进方案 1 丘陵山区辣椒机械化移栽试验 1 1 试验辣椒苗物理特性分析 辣椒苗的苗高 苗冠尺寸及基质体尺寸是影响可 移栽性 移栽质量 栽植器结构的主要物理参数 苗高 直接关系移栽中的挂苗和带苗 基质体和苗冠尺寸影 响着栽植器鸭嘴的张合尺寸 3 因此 移栽测试前 有必要对辣椒苗的苗高 苗冠 基质体等物理参数进 行测量及统计分析 1 辣椒苗物理参数测量 试验所用辣椒苗的育 苗盘为8 16的128孔穴盘 穴上口尺寸32mm 32mm 底部尺寸14mm 14mm 穴深32mm 采用随机 抽样的方式 在育苗大棚里抽取4盘共计512株辣椒 苗 测量苗高h 苗冠l 基质上端宽a 下端宽b和基 质体高h1 辣椒穴盘苗特征参数如图1所示 其中 苗高h为基质底部至穴盘苗顶部的尺寸 苗冠l为苗 在自然张开情况下的最大株幅值 2 辣椒苗参数分析 表1为辣椒苗物理特性参 数测量统计表 由表1可知 待栽苗基质参数的变异 系数均较小 一致性性较好 试验苗高分布于125 481 2020年10月 农机化研究 第10期 191mm范围内 满足移栽机适于移栽苗高100 200mm的要求 苗高变异系数10 7 苗冠变异系数 13 8 一致性一般 图1 辣椒穴盘苗主要物理参数 Fig 1 Main physical parameters of pepper acupoint plate seedling 表1 辣椒穴盘苗物理特性参数测量统计表 Table 1 Statistical table of physical characteristic parameters measurement of pepper acupoint plate seedlings 项目苗高h mm苗冠l mm 基质 上端a mm 基质 下端b mm 基质 高h1 mm 平均值157 99 78 31 6 13 9 31 5 最大值191 117 8 33 14 5 32 2 最小值125 80 29 5 13 2 30 3 标准偏差16 8 13 8 0 9 0 5 0 6 变异系数 10 7 13 8 2 9 3 3 1 8 1 2 试验样机及测量工具 1 试验样机 试验样机为当前蔬菜行业应用较 广泛的一款自走式一垄双行小苗移栽机 栽植器为吊 杯鸭嘴式 由3人操作 配套动力为4 05kW的单缸风 冷汽油发动机 变速箱单边转向 单边离合 试验样 机主要由手动升降式底盘 鸭嘴式五杆栽植机构 送 苗机构及动力传动系统等组成 如图2所示 2 测量工具 测量工具主要包括标杆 细线 水 平仪 直尺 钢卷尺及相机 直尺用于测量栽深 标 杆 细线 水平仪和钢卷尺用于测量行距 株距 垄体 长度及垄面平整性 1 3 试验地点及流程 1 试验地点 考虑山地辣椒主要种植区的地形 特点与土壤类型 选取贵州省绥阳县金承村 N 27 58 32 54 E 107 07 31 09 辣椒基地为本次试验地 试验时间为2018年5月18日 田间试验现场如图3 所示 2 试验流程 硬地调试移栽机是否正常运行 按当地辣椒移栽农艺要求 调节行距 株距 栽深等 主要参数 行距400mm 株距300mm 根据试验苗高 设定栽深为80mm 硬地试验 测量行距 株距是 否达到设定值 若未达到要求 继续调试直至达到要 求 田间试验 移栽机行走于垄沟 栽植机构对称 中心对准垄面中心线 测量并记录株距 栽深 撕膜口 大小及垄体平整度 1 动力传动系统 2 送苗机构 3 手动升降式底盘 4 前轮 5 鸭嘴式栽植机构 6 行走轮 图2 试验机的结构示意图 Fig 2 Structure diagram of the prototype 图3 试验现场图片 Fig 3 Picture of the test site 1 4 测量及结果分析 1 株距与栽深测量及分析 田间试验选取旋耕 抢墒起垄覆膜待测地3垄 每垄约20m 每垄去掉最 初与最后的8株 连续测量中间稳定区域40株的株 距和栽深 共120株 绘制成如表2所示的株距与栽 深统计表 根据文献 8 株距X1合格要求0 5Xr X1 1 5Xr Xr为株距设定值 栽深h合格要求h 2 1 本 次试验株距合格范围150 450mm 栽深合格范围为 581 2020年10月 农机化研究 第10期 70 100mm 表2 株距与栽深统计表 Table 2 Statistical table of transplanting depth and seedling spacing 项目平均值 mm最大值 mm最小值 mm设定值 mm合格率 变异系数 株距274 320 210 300 100 12 2 栽深87 112 60 80 80 14 6 由表2可知 实测株距在150 450mm范围之 内 均满足合格要求 株距的变异系数为12 2 其浮 动范围较大 具有不稳定性 实测栽深的合格率为 80 其平均值87mm大于设定值80mm 且栽深变异 系数为14 6 一致性有待提高 2 垄体平整度测量及分析 为了研究垄体平整 度对移栽效果的影响 以垄面纵向最高点为基准 测 量移栽苗位置至基准的高度 评价垄面纵向平整情 况 选取1垄测量移栽苗位置共计40个测点的垄面 纵向高度 并绘制成如图4所示的移栽苗位置垄面纵 向平整情况 图4 垄面纵向平整性 Fig 4 Longitudinal smoothness of ridge surface 由图4可知 行1纵向高度差最大值达80mm 最 小值15mm 行2纵向高度差最大值达70mm 最小值 为15 4mm 垄面纵向高度存在较大差异 即垄面的纵 向平整性较差 3 纵向撕膜口测量及分析 根据文献 9 可知 膜上移栽过程中 当鸭嘴栽植器打穴移栽撕膜口尺寸 相对于移栽苗冠较大时 会影响覆膜移栽保墒 保温 及保湿等效果 试验中发现撕膜口尺寸较大 因此测 量栽植后鸭嘴撕膜口大小 计算平均值 最大值最小 值和方差 如表3所示 表3 纵向撕膜口大小统计表 Table3 Statistical table of longitudinal tear film size 项目平均值 mm最大值 mm最小值 mm变异系数 撕膜口139 2 170 100 13 2 由表3可知 纵向撕膜口平均尺寸为139 2mm 变异系数为13 2 且该撕膜口尺寸是移栽苗平均苗 冠99 67mm的1 4倍 这表明 该机具纵向撕膜口尺 寸和变化幅度比较大 工作性能不稳定 2 移栽机山地作业的适应性分析 1 垄体的适应性分析 丘陵山区因土地禀赋性 差 移栽垄体和垄沟往往是高低不平 起伏不定 该 试验机作业后 株距和栽深一致性差 特别是栽深一 致性更差 说明该试验机对山地垄体的适应性不足 2 掉头及过沟适应性分析 丘陵山区辣椒地往 往是小地块 多沟渠 该移栽机整机笨重 难以适应丘 陵山区辣椒移栽作业时需要较为频繁的掉头 过沟的 状况 3 栽植农艺适应性分析 丘陵山区辣椒品种多 相应种植农艺的株行距差别大 特别是为了推广辣椒 种植的全程机械化 熟性集中的辣椒往往需要密植 但该移栽机株行距调节便捷性差 难以适应熟性集中 辣椒的密植需要 4 膜上移栽适应性分析 丘陵山区辣椒移栽期 气候多变 往往采用覆膜移栽 根据试验结果分析 该机具撕膜口大小相对于辣椒苗冠过大 起不到覆膜 移栽的效果 5 辣椒苗适应性分析 一般辣椒苗的子叶数为8 10片时 即可移栽 试验机的适应苗高范围为100 200mm 结合上述穴盘辣椒苗高测量结果 可知该机 具适于穴盘所育辣椒苗要求 3 关键部件改进 3 1 升降底盘结构 考虑丘陵山区辣椒移栽作业时需要较为频繁的 掉头 过沟 因此将底盘升降手动调节机构改为液压 驱动底盘自动升降 改进后的升降底盘主要由前轮 后轮 地面仿形 机构 升降机构 机架 测距系统及液压系统等组成 如图5所示 升降机构对称安装于机架两侧 活性连 接升降机构通过液压缸和液压杆推动其张开或收缩 进而使前轮和后轮的支撑件围绕轮中心同步旋转 来 681 2020年10月 农机化研究 第10期 实现底盘升降 其中 升降机构 地面仿形机构 测距 系统及液压系统为装置于底盘的整个栽深自动控制 系统组成部分 精准控制底盘升降 1 后轮 2 地面仿形机构 3 前轮 4 液压系统 5 信号处理器 6 9 升降机构 7 激光发射 接收器 8 液压缸 10 机架 图5 底盘结构示意图 Fig 5 Chassis structure diagram 3 2 栽深自动控制系统 针对试验机对山地垄体的适应性不足的问题 增 加栽深自动控制系统 主要由地面仿形机构 激光测 距系统及液压调节单元3部分组成 1 栽深自动控制原理 安装于底盘的地面仿形 机构根据垄面高低起伏产生相对于垄面垂直方向的 高度差 即基准面与待测面之间相对高度差y 激光 测距系统发射并接收激光信号 信号处理器和控制器 对接收的信号进行实时处理和控制 最后输出至工作 端的液压系统精准控制移栽机底盘升降 进而实现栽 深控制 2 激光测距系统原理 激光测距系统原理如图6 所示 图6 激光测距系统原理图 Fig 6 Schematic diagram of the ranging system 系统主要包括激光发射 接收器 微控制器 信号 处理 A D转换与D A转换 外端设备 信号放大器 及工作端 电液伺服阀 系统采用激光直射式测距系统 根据文献 10 地面仿形机构在工作过程产生的高度差的计算公式为 y x l1 f sin fsin x 1 fl 1 sin 式中 x 激光在接收器成像位置O 1与O 2点之间的距 离 mm y 仿形机构在垄面作业高度差 mm l1 基准面到透镜2的距离 mm l2 透镜2到接收器的距离 mm 激光反射线成像点O 1与接收面夹角 激光发射线与反射线在基准面夹角 f 成像透镜的焦距 mm 其中 根据基准面与待测面之间的相对位置 确定 当待测面离基准面较远时取 否则取 参数l1 l2 f经系统安装调试确定 当测出激光 射线在O1与O2点反射经过透镜2投影到接收器的O 1 与O 2点之间x的大小时 即可测出基准面与待测面的 高度差y 图7为信号采集及栽深自动控制程序流程图 图7 信号采集及栽深自动控制程序流程图 Fig 7 Flow chart of automatic control program for signal acquisition and planting depth 781 2020年10月 农机化研究 第10期 栽深自动控制借助于单片机并采用C语言编程 进行数据处理 通过检测x值的变化 实时调节电液 伺服阀的关闭 实现驱动液压系统工作与停止 3 3 栽植器 针对机具撕膜口过大的问题 通过栽植器结构尺 寸优化 减小撕膜口大小 栽植器鸭嘴结构如图8所 示 撕膜口大小主要由鸭嘴尖宽L1和张开尺寸L2决 定 根据文献 11 为保证鸭嘴移栽过程中不伤苗 不 挂苗且对基质无破坏 需满足尖宽L1 14mm 考虑到 鸭嘴叶壁对基质的压缩情况 取L1 30mm 鸭嘴张开尺寸L2主要根据苗的基质和苗冠的大 小确定 根据文献 11 要保证适应苗冠大小 需满 足条件L2 32mm 另一方面 张开尺寸L2过大 将使 撕膜口过大 同时穴口变大 回土量减少 严重影响移 栽苗的直立度 综合考虑待栽辣椒苗苗冠 撕膜及回 土问题 最终取L2 90mm 图8 鸭嘴左视图与开合图 Fig 8 Duckbill left view and opening closing diagram 4 结论 1 根据样机试验结果分析可知 移栽株距满足 150 450mm的标准要求 但与设定株距300mm偏差 较大 稳定性不足 栽深合格率80 合格率偏低 撕 膜口平均值139 2mm是移栽苗平均苗冠99 67mm的 1 4倍 相对苗冠较大 保墒 保温效果较差 2 样机丘陵山地作业适应性分析表明 试验样机 对山地不平整垄体 山地作业频繁掉头与过沟工况的 适应性较差 此外 该样机株行距调节便捷性差 株距 调节范围有限 不适应熟性集中辣椒的密植的需要 3 试验样机的改进包括 手动底盘升降改为液压 自动控制 增设栽深自动控制系统 栽植器鸭嘴设计为 尖宽L1为20mm 张开尺寸L2为90mm 参考文献 1 新农网 辣椒产业坐上中国最大蔬菜产业宝座 J 新农村 黑龙江 2016 4 4 5 2 迟明路 覆膜施肥移栽机的设计与试验研究 D 呼和浩 特 内蒙古农业大学 2013 3 姬江涛 杨林辉 金鑫 等 行星轮系滑道式穴盘苗栽植机 构设计与参数优化 J 农业工程学报 2018 34 18 83 92 4 胡建平 王留柱 付鹏洋 等 移栽机自动升降底盘设计与 试验研究 J 农机化研究 2017 39 3 74 78 5 王金葵 垄高自适应烟苗移栽机底盘设计与试验研究 D 长沙 湖南农业大学 2012 6 韩长杰 杨宛章 司明理 转盘式投苗机构的设计与调整 J 新疆农业大学学报 2007 2 74 76 7 万霖 汪春 车刚 小型蔬菜移栽机的改进设计与试验 J 农业工程学报 2011 27 6 117 122 8 中华人民共和国工业和信息化部 JB T 10291 2013旱地 栽植机械行业标准 S 北京 机械工业出版社 2013 9 李旭英 王玉伟 鲁国成 等 吊杯式栽植器的优化设计及 试验 J 农业工程学报 2015 31 14 58 64 10 赵越 基于CMOS激光三角法测距系统的研究 D 西 安 西安工业大学 2016 11 杨波 吊杯式烟草钵苗移栽机改进设计及栽植部件试验 D 哈尔滨 东北农业大学 2017 下转第194页 881 2020年10月 农机化研究 第10期 10 王进华 王泽群 贾晶霞 等 饲料收获机矮秆割台拨禾轮 导轨运动轨迹研究 J 农业机械学报 2011 42 S1 152 155 11 吴守一 农业机械学 下 M 北京 中国农业机械出版 社 1992 48 56 Insertion Trajectory Analysis and Experiment of Rape Combine Harvester Reel Yang Yi Li Yaoming Qing Yiren Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology Ministry of Education Jiangsu University Zhenjiang 212013 China Abstract In order to solve the problem of high loss of rape combine harvester header in the working stage In this paper analyzed and optimized the insertion trajectory of the reel was analyzed and field experiment was carried out Based on the arborescence characteristic of multi branched rape the insertion process of reel was divided into two stages ineffi cient stage and efficient stage The best position of insertion point and the insertion mode of tinewere analyzed The re search showed that the collision loss can be reduced by the method of inserting rape obliquely by the tines in the insertion stage The single factor experiments and multi factor orthogonal experiments were carried out on the three influencing fac tors of rotational speed horizontal position and vertical position of the reel The experimental results showed that the loss rate of the header with oblique insertion of tine is lower than that with vertical insertion of tine The significant order of in fluence was reel s vertical position reel s rotation speed and reel s horizontal positionthrough the analysis of impact effects the optimal parameter combination was that the rotational speed of reel was 18r min the horizontal position reel was 500 mm and the vertical position of the reel was 1 200mm This paper provided theoretical reference for reducing the loss of the rape header Key words rape combine harvester reel tine movement analysis 上接第188页 Abstract ID 1003 188X 2020 10 0184 EA Adaptability Analysis of Mechanized Transplanting of Pepper in Hilly Mountainous Area Yu Lihua1 Xu Zhibo1 Han Zhonglu2 Pan Dongbiao2 Zhang Fugui1 1 College of Mechanical Engineering Guizhou University Guiyang 550025 China 2 Agricultural Machinery Promo tion Station of Guizhou Province Guiyang 550001 China Abstract Aiming at the practical problems of high labor intensity of manual planting and inorganic availability of mechanized transplanting in the production of pepper in hilly mountainous areas and the agronomic requirements of pep per planting in Guizhou a certain type of hanging cup duck beak transplanting machine was used as a testing machine A field pepper transplanting operation test was carried out in Suiyang County The tests of plant spacing planting depth tear film and field ridge flatness plant spacing were completed The results showed that after transplanting the quali fied rate of plant spacing is 100 the coefficient of variation is 12 2 the qualified rate of planting depth is 80 the coefficient of variation is 14 6 The plant spacing and the planting depth are instability The average size of longitudinal tearing film is 139 2 mm which is 1 4 times of the average seedling crown of transplanted seedlings of 99 67 mm which is larger relative to the seedling crown The longitudinal height of ridge has greater difference According to the field test results of the test prototype and the adaptability analysis of the mountain operation the improvement suggestions of the lifting chassis the automatic control system of planting depth and the key components of the duckbill planter are pro posed The results of this study have some guiding significance for the fusion the development of pepper transplanter and the transplanting agronomy in hilly mountainous area Key words pepper transplanter integration of agronomy and agricultural machinery hilly mountainous areas 491 2020年10月 农机化研究 第10期