顶钵-夹茎组合式取苗装置设计与试验

针对现有钵苗自动移栽技术中,夹钵式取苗方式受钵体强度及盘根性差异影响易导致钵体破损,降低取苗成功率,夹茎式取苗方式受茎秆强度及钵体与穴盘之间黏附力影响易造成伤苗、钵体不能取出等问题,该研究提出了一种顶钵-夹茎组合取苗方式,并进行了结构设计、装置试制与试验优化。对辣椒穴盘苗茎秆和钵体力学特性进行了测试,得到茎秆拉伸和径向压缩力学特性,及钵体拉拔与压缩力学特性,并建立了顶钵-夹茎组合式取苗装置在顶与夹过程中钵体和茎秆的受力模型,对取苗装置关键参数进行了设计。搭建试验台架,以“中农绿亨线椒363”穴盘苗为对象,以钵体含水率、取苗频率和顶钵高度为影响因素开展正交试验,结果表明经顶钵-夹茎取苗后的穴盘苗生长状态良好,确定最优水平为含水率45%,取苗频率60株/min,顶钵高度10 mm,该条件下钵体破损率为1.98%,取苗成功率为98%。田间试验表明平均取苗成功率为93.05%,株距合格率为88.17%。研究可为辣椒、番茄等旱地作物穴盘苗移栽技术改进优化提供参考。     

蔬菜移栽机曲柄摆杆式夹苗机构的设计与试验

通过对穴盘苗进行抗压特性试验、试验平台的夹取试验,研究分析了适于夹取式自动取苗机构工作的相关参数组合以及最佳的钵苗含水率状况,为机构设计提供参考依据。该文基于辣椒穴盘苗抗压特性设计了全自动蔬菜移栽机曲柄摆杆式穴盘苗夹苗机构,该机构可与顶出机构配合完成全自动蔬菜移栽取苗和投苗工作。该文完成了曲柄摆杆式夹苗机构主要结构的设计,并对曲柄摆杆式夹苗机构的工作过程进行了力学、运动学分析和仿真,确定了结构和工作参数,即曲柄、连杆、摆杆长度分别为80、236.22、172.5 mm,夹苗爪具有较好的运动特性。曲柄摆杆式夹苗机构性能试验结果表明,夹取爪为金属材质,弹簧劲度系数为90 N/m,钵苗脱落率为0,钵苗破碎率为4.2%,综合取苗成功率可达95.8%,性能指标符合设计要求,夹苗爪"V"形结构设计有效防止穴盘苗在夹取过程中脱落,保证了取苗成功率。试验表明钵苗含水率为60.8%时,钵苗在不同的弹簧劲度系数及夹取爪材质下均有良好的适应性,在该含水率下钵苗的取苗平均成功率为94.4%。该机构从取苗到投苗采用圆弧形工作轨迹,夹苗爪采用八字形轨道与复位弹簧控制其开合,结构简单、性能可靠,无需调整即可适应多种不同尺寸穴盘苗的取苗工作,对不同含水率穴盘苗适应性强,对穴盘苗损伤小,机构成套使用可达到较高工作效率。     

子叶期钵苗补苗末端执行器设计与试验

针对穴盘育苗由于受种子质量和育苗环境因素等影响导致空穴多的问题,为消除穴盘苗空穴,该文研制了蔬菜子叶期钵体苗补苗末端执行器。以72孔标准穴盘培育的子叶期番茄钵体苗为移取对象,以育苗基质配比与含水率、苗龄为因素,以子叶期钵体苗补苗末端执行器从穴孔取出基质的取净率为指标,进行了正交试验,结果表明:幼苗苗龄、基质配比对基质取净率影响显著,基质含水率对基质取净率影响不显著,对常见的基质配比、适宜基质含水率、苗龄16-26 d的穴盘苗基本均能完整、无损地取出,基质取净率最大的较优组合苗龄为26 d、基质配比2∶2∶1、基质含水率74.1%;对苗龄26 d、基质配比2∶2∶1、基质平均含水率75.5%的番茄钵体苗进行取苗、补苗试验,取出无苗基质和钵体苗的成功率均为100%,补苗成功率为100%,为子叶期蔬菜钵体苗补苗提供了性能优良的末端执行器。     

顶出托举式钵苗脱盘装置设计与试验

针对现有自动取苗装置作业过程中出现苗体受损、钵体开裂、基质损失率高等问题,该研究设计了一种适应活动苗盘的托举式钵苗脱盘装置。设计了具有纵向、横向及竖直方向定位功能的苗盘三维定位机构和具有苗盘开启与钵苗托举功能的开启-托举机构,并设计了脱盘装置的PLC控制系统。为验证钵苗脱盘装置的作业效果,选取托举速度、端面类型及基质含水率为试验因素,以钵苗在托举台端面上的位置合格率和脱盘过程中钵体基质损失率为评价指标,以16穴活动苗盘模型培育的35 d苗龄油菜钵苗为对象,采用L9(34)正交表设计试验方案进行台架试验。试验结果表明,各因素对钵苗位置合格率和钵苗基质损失率影响的主次顺序依次为托举台端面类型、托举速度、基质含水率;试验获得影响因素的最优组合为托举速度32 mm/s、托举台端面为橡胶面、基质含水率55%。基于优选参数组合进行重复性验证试验,结果表明,钵苗脱盘后托举台端面上的位置合格率为100%,基质损失率为1.56%,满足实际作业需要。该研究可为钵苗自动移栽机取苗机构的研发提供参考。     

辣椒穴盘苗自动取苗机构运动学分析与试验

针对新疆半自动移栽机人工取苗效率低、强度大、漏苗率及伤苗率高的问题,该文设计了一种辣椒穴盘苗自动取苗机构。分析了该机构的组成及工作原理,建立了其运动学模型,研究了取苗轨迹形成的机理,在确定优化目标的基础上,基于VB开发了取苗机构辅助分析软件,结合Adams运动仿真软件,通过人机交互分析其主要结构参数变化对取苗针端点运动轨迹的影响,优化取苗针端点运动轨迹,获得一组满足辣椒穴盘苗移栽农艺要求的自动取苗机构参数。虚拟样机运动仿真结果表明优化参数可以满足辣椒穴盘苗取苗工作轨迹要求;设计制作了自动取苗试验台,并利用高速摄影技术对取苗机构运动特性进行试验分析,试验结果表明取苗针实际运动轨迹与理论分析结果一致,取苗试验结果如下:取苗成功率为98.6%,基质损伤率为4.2%,投苗成功率为94.2%,满足机械自动取苗的工作要求,验证了取苗机构设计的准确性与合理性。该研究可为辣椒、番茄等作物全自动移栽机自动取苗机构的研发提供参考。     

全自动单摆式蔬菜钵苗取喂苗系统研制

为实现蔬菜钵苗高效、稳定移栽，在分析现有全自动移栽机取喂苗系统研究现状的基础上，该研究提出了一种全自动单摆式取喂苗系统。该系统通过苗盘输送机构、纵移机构实现穴苗盘在倾斜平面内的移位，采用往复机构和夹苗机构实现取苗、喂苗。对夹苗机构等关键机构进行参数设计和运动学分析，确定了其结构参数。综合考虑影响取喂苗性能的相关因素，以苗株种类z、基质含水率w、取苗深度h和工作气压p为试验参数，以取苗成功率S1和苗株完整率S2为评价指标，在双行移栽、90株/min取苗效率下进行多因素正交试验。试验结果表明，苗株基质含水率对取苗成功率和完整率影响最大，贡献率分别为58.92%和50.58%，其次是取苗深度；当苗株为番茄苗，基质含水率35%，取苗深度40 mm，气缸工作气压为0.4 MPa时，取喂苗效果最佳，取苗成功率为98.61%，苗株完整率为97.22%。研究结果可为移栽机的机构优化及自动化控制提供理论参考。     

全自动移栽机取送苗系统的设计与试验

针对目前全自动移栽机取送苗环节伤苗率高、取送苗机构运动轨迹复杂和效率低等问题,该文设计了一种全自动移栽机取送苗系统。该试验装置采用钵苗盘移位机构实现钵苗盘纵向、横向移动,集排式顶苗机构和取苗机构完成对钵体苗的顶出、夹取,接苗机构、拨苗机构、输苗机构和落苗机构等将钵盘中取出的苗输送至栽植器,整个系统作业过程中所有动作均由PLC控制气压缸和液压马达完成。通过理论分析和MATLAB仿真求解,并进行单因素试验验证,得到针对辣椒苗顶苗机构驱动气缸和苗夹夹片开合气缸最佳工作气压分别是0.4、0.25 MPa。对取苗频率、输送苗速度、移栽机前进速度理论分析得到三者之间的函数关系,进而对这3个因素水平进行优化,得到4组最佳因素水平组合并进行了多指标正交试验。试验结果表明:当取苗频率为7次/min、输送苗速度为42 m/min、移栽机前进速度为20 m/min时,该系统取送苗质量最佳,此时移栽漏苗率为2.4%、重栽率1.1%、倒伏率1.3%、伤苗率1.7%和取送苗合格率96.7%。该研究为移栽机自动化取苗提供了参考。     

蔬菜穴盘育苗底部气吹式钵体松脱装置设计

针对蔬菜穴盘苗直接拔苗费力又损伤大的问题,设计了一种有助于穴盘苗移栽的气吹式钵体松脱装置。利用直线模组移位单元和双联气缸升降单元组合成输送系统,驱动气嘴排从穴盘底部的穴孔排水口逐排顶吹穴盘苗钵体,实现穴盘苗钵体与穴孔壁之间非机械接触式放松,利于移栽时人工轻松拔苗或机械快速夹取。对关键部件进行设计,使用排气孔直径为5mm的气嘴,能确保气体射流从128穴孔排水口有效顶吹穴盘苗钵体而不顶盘,根据亚声速自由气体射流动力学原理计算表明:当气嘴口空气射流压力大于0.098 MPa,不超过0.235 MPa时,所设计的气嘴能将穴盘苗吹松而不破坏苗钵根土结构。开展气力顶钵松脱多因素试验研究,结果表明气流喷射压力高度显著影响苗钵完整率,钵体含水率对完整率影响显著,其他苗龄、气流回路流量、气嘴头有无海绵密封等试验因素没有统计学显著性影响。当气嘴回路中气流喷射压力控制为0.2 MPa,钵体含水率为55%～60%,黄瓜苗龄为25 d,气流回路全开,气嘴没有海绵头铺垫时,对穴盘苗顶吹作用达到既能将穴盘苗钵体顶松脱离穴孔壁粘附,又最大程度保证钵体完整度的效果。开展验证性试验,苗钵气力松脱完整率达到96%以上,完成整盘苗放松约48s,满足实际需要。该研究可为开发省力的穴盘苗钵放松装置和边松脱边取苗的高效无损自动取苗机构提供参考。     

斜入式穴盘苗移栽手爪工作参数优化及试验验证

为实现低伤苗率下的盘间移栽作业,该文设计了一套斜入式穴盘苗移栽手爪,并对其关键参数进行了试验研究,以期提高移栽成功率。该手爪采用单驱动源下的联动机构实现斜入式取苗方式,可降低对穴苗钵坨的损伤,保证其在提取后有较好的完整性。通过对取苗过程进行分析,得到了影响移栽成功率的关键性因素。以红掌穴苗为试验对象,选取钢针插入点距离、钢针插入深度以及钢针插入角度为影响因素,以穴苗极限破坏力为优化指标,利用响应曲面方法进行优化试验设计。试验结果表明,当钢针插入点距离为11.5 mm,钢针插入深度43 mm,钢针插入角度为14°时,可以达到最大极限破坏力3.89 N。应用此参数组合进行斜入式移栽手爪性能测试验证,试验结果表明优化后的移栽手爪的移栽周期为4 s,移栽成功率可达98%,能够应用到实际生产当中。该研究结果可为盘间移栽领域自动化移栽机的研制与开发提供参考。     

基于苗钵力学特性的自动移栽机执行机构参数优化试验

为有效减少加工番茄机械化移栽过程钵苗基质的损伤,提高移栽机取苗、植苗成功率,该文构建了移栽过程中取苗、植苗阶段加工番茄钵体的力学模型,结合钵体的抗压力学特性试验,研究移栽过程中造成钵苗基质破损、影响取苗、植苗成功率的因素,通过试验分析适合机械化移栽的钵体和移栽机执行机构的相关参数。参数组合重复性验证试验表明：钵体基质配比（珍珠岩：砾石：泥炭）为1∶1∶2,钵体绝对含水率为72%,取苗夹片插入穴孔深度为35 mm,取苗夹片对钵体的夹持角度为14°,投苗点与接苗碰撞点高度为90 mm,鸭嘴锥度为38°时,移栽成功率满足加工番茄穴盘苗机械移栽要求。该研究为机械化移栽的加工番茄钵苗培育农艺及移栽机参数优化设计提供了参考。     

机械驱动式辣椒穴盘苗自动取投苗系统设计与试验

针对目前半自动移栽机人工取投苗劳动强度大、工作效率低,控制系统复杂等问题,该研究结合当前新疆穴盘苗移栽作业模式和农艺要求,模仿人工取喂苗的方式设计了一种机械驱动式辣椒穴盘苗自动取投苗系统。该自动取投苗系统由地轮提供动力,通过穴盘进给装置的横向送苗驱动机构和纵向送苗驱动机构驱动穴盘横向、纵向准确移位,实现128穴整盘穴盘苗的自动进给,通过机械取投苗装置实现穴盘苗的自动取投。根据"己"字型穴盘进给方案和机械手取投苗轨迹与姿态要求,确定了机械取投苗装置偏转驱动机构和拔取驱动机构各构件的尺寸参数,构建了机械自动取投苗机构驱动装置的运动学模型,分析得出机械手末端位移、速度、加速度方程以及偏转、拔取驱动装置的主要参数和运动规律。为验证该系统的作业性能,利用Solidworks软件对机械手取投苗轨迹和运动规律进行仿真分析,选取苗龄60d、基质含水率24.61%～31.57%的辣椒穴盘苗进行室内样机穴盘进给位移可靠性试验和取投苗试验。试验结果表明,机械手仿真运动轨迹满足设计要求;穴盘纵向和横向进给位移与理论偏差小于1 mm,满足穴盘进给装置的供苗要求;在取投苗速度64～88株/min范围内,随着取苗速度的增加,取苗成功率、投苗成功率先增大后减少,输苗成功率总体波动较小,取投苗总成功率先增大后减少,取投苗速度80株/min时效果最佳,此时系统平均取投苗总成功率、取苗成功率、投苗成功率、输苗成功率分别为92.54%、92.93%、99.57%和100.00%,作业过程中无伤苗情况,满足穴高45 mm的辣椒穴盘苗栽植前自动进给穴盘苗、取投苗、输苗等作业要求。研究结果可为后续机械式自动穴盘移栽机的设计提供参考。     

蔬菜穴盘苗弧形展开式自动取投苗装置设计与试验

针对穴盘苗取投苗装置机械结构较复杂、取投苗易失败等问题,该研究设计了一种蔬菜穴盘苗弧形展开式自动取投苗装置。通过对取投苗作业过程进行分析,提出整排取苗、弧形展开投苗的自动取投苗作业方式,对夹苗组件、导向槽、旋转接苗机构等进行设计,并确定各部件关键参数,搭建PLC自动控制系统,设计执行单元的气动回路方案,并提出匹配延时函数。以辣椒穴盘苗为试验对象,以平均取投苗频率、供气压力、基质平均含水率为试验因素,以取投苗成功率、损伤率为试验指标进行正交试验,并以较优参数组合进行重复验证试验。试验结果表明：平均取投苗频率为90株/min、供气压力为0.4 MPa、基质平均含水率为30%时,取投苗成功率为94.05%,损伤率为1.19%,该研究可为自动取投苗装置的研发提供参考。     

蔬菜移栽机斜插夹钵式取投苗装置研制

针对目前中国蔬菜穴盘苗全自动移栽作业,取投苗装置复杂、易失败等问题,该文设计了一种斜插夹钵式取投苗装置。通过对取投苗装置原理的分析,运用投影法对装置进行设计,确定了装置各结构参数。为保证装置具有良好的取投苗效果,对苗盘倾斜角度及苗夹入穴参数进行了设计,同时分析其运动过程,对比仿真轨迹曲线和试验实际轨迹曲线,验证了方案的可行性。综合考虑影响取投苗效果的因素,以取投苗成功率作为取投苗效果评价指标,选取弹簧刚度系数、主动杆转速、苗盘倾斜角度为试验因素,进行正交试验。试验结果表明:在给定因素水平下,当弹簧刚度系数为500 N/m,主动杆转速为12 r/min,苗盘倾斜角度为45°时,取投苗效果最佳,此时基质破碎率为3.13%,钵苗脱落率为2.43%,取投苗成功率为94.44%,装置的可靠性较高。研究结果可为全自动化移栽研究提供参考。     

辣椒穴盘苗自动移栽机设计与试验

针对新疆广泛应用的半自动辣椒移栽机效率低、劳动强度大的问题,该研究设计了一种辣椒穴盘苗自动移栽机。整机主要由全自动取投苗系统与栽植机构组成,采用整排取苗再分苗投苗的方式,实现128(16列×8行)穴辣椒穴盘苗的自动取苗、投苗。在分析现有移栽机结构和工作原理的基础上,确定了辣椒穴盘苗自动移栽机的整体结构,完成了全自动取投苗系统的关键参数设计;制定了全自动取投苗系统的气动回路方案,并基于Fluid SIM软件进行仿真及优化。采用平均苗高166.7 mm的辣椒苗,以取投苗成功率,栽植频率,株距变异系数,倒伏率为评价指标进行田间试验。试验结果表明:在工作气压0.4 MPa及移栽机作业速度1.4～1.7 km/h时,平均取投苗成功率为97.07%,栽植频率为123株/min,倒伏率1.67%,株距变异系数为3.67%,各项性能指标均满足辣椒穴盘苗移栽的农艺要求。该研究可为自动化移栽机的研究提供参考。     

苗盘钵苗自动识别及控制装置的设计与试验

针对全自动移栽机在田间作业中,因苗盘的钵苗格缺苗而导致的漏栽问题,研制了一种苗盘钵苗自动识别及控制试验装置。该试验装置采用单苗爪取苗,步进电机驱动钵苗盘纵向和横向移动,光电传感器作为钵苗识别装置,由可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)为控制核心,触摸屏作为人机界面,可适应不同规格的苗盘参数,可选择对该装置进行手动或自动控制。试验结果表明,该装置可有效地对钵苗格是否缺苗进行自动识别,并控制苗盘输送装置,使缺苗的钵苗格快速跳过取苗爪,提高取苗爪的抓取效率,以降低漏栽率;相对于没有采用钵苗自动识别的移栽模式,该系统漏栽率整体降低了约12%。该研究可为全自动移栽机的进一步自动化智能化设计提供参考。     

2ZXM-2型全自动蔬菜穴盘苗铺膜移栽机的研制

针对新疆辣椒、番茄等作物移栽效率低、强度大、移栽质量差及作业工序多等问题,该文研制了一种全自动蔬菜穴盘苗铺膜移栽机,整机主要由自动送苗系统、自动取苗机构与栽植机构、机架、动力传动系统、铺膜铺管装置及镇压覆土装置等组成,可实现一次性完成整形开沟、铺设地膜与滴灌带、自动移栽及覆土镇压等多道作业工序,实现作物膜上覆土移栽的全自动机械化作业过程,并能满足不同作物移栽种植要求。辣椒穴盘苗田间移栽试验结果表明:当机组前进速度为2.8 km/h、理论设计株距为20 cm时,移栽机移栽频率为62株/(min·行),立苗合格率为96.3%,漏栽率为2.8%,伤苗率为1.25%,移栽合格率为93.4%,移栽深度合格率为93.5%,株距合格率为94.7%,株距变异系数为7.9%;滴灌管铺设效果较好,无破损、打折,铺膜及覆土性能优良,地膜采光面展平度为98.2%,采光面宽度合格率为平均为97.8%,平均机械破损程度平均为3.4 mm/m2,膜孔全覆土率为97.8%,移栽机各项性能指标均能够满足辣椒穴盘苗铺膜移栽的农艺要求。该研究可为国内开展全自动旱地移栽机的研发提供参考,对推动新疆机械化育苗移栽技术的发展具有重要意义。     

穴盘苗移栽机自动取喂系统的设计与试验

该文针对新疆地区吊篮式移栽机手工喂入效率低的问题,设计了穴盘苗移栽自动取喂系统。该系统采用穴盘步进移位机构提供穴盘的横向和纵向移位,由翻转摆位式取苗机械手进行取苗和穴盘苗的转移,利用柔性链输送喂入机构对穴盘苗逐个投放,能够对穴高45 mm、上边宽31.75 mm、下边宽13 mm的吸塑成型的软穴盘苗进行自动取苗并向两个栽植器投苗。整个系统由PLC（programmable logic controller）程序控制,采用气压驱动,工作气压0.5～0.8 MPa,耗气量60.65 L/min,单组取喂系统结构独立,质量小于110 kg,不增加原有移栽机地轮负荷,即能与新移栽机配套生产,也能对现有移栽机进行自动化改造。系统中穴盘步进移位机构在柔性链输送喂入机构的侧上方倾斜放置,使穴盘上表面与水平面的夹角105°,缩小了机器水平占用空间。采用苗龄58 d的"红安6号"辣椒苗进行室内取苗试验,试验结果显示,系统取喂苗总可靠率达98.92%,平均基质损失质量9.26%,取喂速度达70株/min,未见明显伤苗,能够满足设计要求。     

旱地蔬菜钵苗自动移栽机栽植性能试验

为了提高蔬菜苗机械化移栽作业效率,实现旱地蔬菜钵体苗移栽自动化,研制了旱地蔬菜钵苗自动移栽机,主要由椭圆-不完全非圆齿轮行星系旋转式取苗机构、横向纵向间歇送苗机构、偏心圆盘吊杯式栽植器、动力传递系统等组成。为了获得该机的作业性能,以苗龄35 d的钵体番茄苗为移栽对象,分别在栽植频率45、60、75、84株/min时进行低速移栽试验,以96株/min的栽植频率进行高速移栽试验,按照机械行业标准JB/T 10291-2013《旱地栽植机械》测定了株距变异系数、漏栽率、栽植深度合格率、栽植合格率,参照农业行业标准NY/T 1924-2010《油菜移栽机质量评价技术规范》测定了直立度合格率。田间试验结果表明,在栽植频率为45~96株/min范围内,株距变异系数、漏栽率随栽植频率增加而略有增大,其平均值分别为6.6%~8.9%、1.7%~2.8%,栽植深度合格率、直立度合格率、栽植合格率随栽植频率增加略有下降,其平均值分别为97.5%~98.9%、96.7%~97.8%、91.1%~94.7%,株距变异系数、漏栽率、栽植深度合格率、栽植合格率均达到机械行业标准要求,直立度合格率也达到农业行业标准中的规定值。旱地蔬菜钵苗自动移栽机送苗机构、取苗机构、栽植器、整机行走配合协调,能够自动完成送苗、取苗、植苗、覆土等钵苗体移栽工序,作业性能良好。     

玉米钵苗顶出式有序分秧机构的设计与试验

玉米钵苗移栽可以延长作物生育期,大幅度提高粮食单产和品质。为了解决国际移栽装备结构复杂、成本高、效率低,仅适用于经济作物的问题,该文提出了一种结构简单、成本低、效率高的全自动玉米钵苗移栽机核心工作部件——顶出式有序分秧机构。采用连续输送的纵向送秧方式,设计了并排均布按顺序逐次顶出的分秧形式,分别完成同一排秧苗连续有序的快速顶出。提出了机构相关部件的结构设计参数及设计依据,同时利用渐开线反转法设计了关键部件杠杆的轮廓曲线。完成了该机构的虚拟样机运动学与动力学仿真分析与验证。利用顶出式有序分秧机构进行了玉米钵苗的顶出翻转试验,得出当土钵质量为10 g、秧苗高度为160 mm时钵苗转体高度符合机构设计与栽植要求。利用自制的顶出式有序分秧机构试验台,结合高速摄像技术完成了机构顶出均匀性台架性能试验,验证了该机构性能的合理性;对所研制的试验物理样机进行了田间试验,获得了90.4%的移栽成功率,满足旱地栽植标准,也为开发相关作物的顶出式钵苗移栽机奠定了研究基础。