面向自动化移栽的新型番茄育苗移栽机械设计

卢华纳斯哈提叶德军咸丽胡斌

(新疆昌吉职业技术学院机械工程分院 新疆昌吉831100)

0 引言

番茄是最受欢迎的蔬菜之一，其全球年产量超过1.2亿吨，中国作为第二大产国，其产量已超过3700万吨。目前，番茄育苗技术在新疆生产建设兵团已经大面积推广，而番茄苗移栽仍然依靠人工完成。据统计，一个熟练劳力以每天工作10 h计算，平均只能完成0.1公顷左右的移栽面积[1]。由于番茄移栽正值春播时节，劳动紧张导致了劳动力价格的节节攀升，因此加大番茄移栽机械的研发，将有助于提高番茄生产效率，降低生产成本，也符合“番茄生产全程机械化关键技术与装备”这一当前优先发展的高技术产业化重点领域的发展要求，更重要的是可将新疆红色产业做大做强。

国内外目前番茄移栽机的特点:1)投资成本大，价格昂贵，结构复杂，维修困难。如台湾K C.Yang等研制的移栽机器人，在工作的过程中，依靠系统的视觉传感器和力度传感器，能够做到夹持秧苗而不会对其造成损伤。但设备维修费用高，一般的种农户难以接受。如田耐尔牌秧苗移栽等机。鹏飞牌多功能秧苗移栽机，富来威油菜移栽机，重庆北卡农业科技有限公司生产的番茄移栽机等，这些移栽机所需送苗人力过多，过程复杂。2)要求配套技术条件较高。3)小面积番茄地里不能使用。因此加大自动化番茄移栽机械的研发工作力度，尽早将成熟、适用的番茄移栽机械投放市场，不但可以提高番茄生产效率，而且可以节约成本，提高收入。

本文致力于面向自动化移栽的番茄育苗移栽机械设计，通过关键机构的研究和设计，开发了新型番茄育苗移栽机械，解决了当前依靠大量人力进行番茄育苗移栽低效率的难题。

1 新型番茄移栽机的工作原理和总体设计

1.1 新型番茄移栽机总体设计

番茄移栽机械主要由落苗机构，行走机构，行距调整机构等组成，如图1所示。

其工作原理是来自拖拉机的动力由驱动轮7传动到偏心机构3和长连杆8，长连杆运动过程中带动下顶杆的上移，推开门杆，同时顶开上顶杆，苗盘中的秧苗通过隔板式带式输送装置23将苗由送料轮输送至导苗器，偏心轮机构转过180°后，中门打开，苗落入漏斗中，随着驱动轮的运转实现插苗。

1.2 番茄移栽机械的主要技术参数

1)移栽机配套动力:15 kW以上轮式拖拉机；作业行数/行 :2；

2)栽培模式 :株距:25～40 cm；行距:30～60 cm可调；

3)送苗方式:人工配合机械送苗

4)番茄钵苗的形状 :30 mm×20 mm×40(底部直径×高×度)的锥体

5)作业速度/m/s:0.4～0.6(60～80株/min)

6)机械栽苗率:≧90%技术指标；

7)质量:900 kg以下。

图1 番茄移栽机械结构图

2 新型番茄移栽机械的关键机构设计

2.1 番茄落苗机构设计

2.1.1 番茄苗的特点

新疆的番茄主要采用育苗移栽，番茄育苗的底部的形状为30 mm×20 mm×40 mm的锥体，苗的高度一般在15～20 cm之间。由于育苗移栽前施水后存在一些尺寸变异，育苗底部一般在2 mm尺寸范围内。[2]

2.1.2 番茄苗运动轨迹

为了节省人力，使番茄顺利落苗，不会伤苗且不影响苗移栽的直立度。要求具体轨迹和姿态应该是:1)使苗按一定的轨迹运动，苗在略带斜度的苗架上借助重力能顺利到达送苗输送带，2)苗沿着轨迹运动时，对应落苗、送苗、接苗、植苗位置应有不同的姿态，送苗与接苗夹角为90°，投苗时接苗器与植苗器轴线的夹角为 0°左右，苗在离开导苗管时不受阻力，植苗器轴线应垂直地面，以保证接苗顺利和植苗准确；3)植苗器在接苗点处和植苗点处的速度为0。

2.1.3 番茄落苗机构的设计

a)输送苗、落苗机构的落苗过程

番茄苗的落苗过程可分为4个阶段:1)番茄苗由苗盘取出落入输送器，输送器借助拖拉机的动力驱动，将番茄苗逐一输送到送料轮盘，苗做匀速运动 。2)苗由拔苗盘送至导苗管口，苗做平面运动，此时为转动。3)苗在导苗管内视为质点的重力加速直线运动，忽略叶片与管内表面的摩擦[3]。4)从整个苗移出导苗管口到苗钵接触地面，假设苗钵与地面是塑性碰撞，碰撞后苗钵的运动简化为定点的运动，到被覆土定位。

b)输送苗、落苗机构的结构

番茄送苗机构主要采用输送带结构，主要由隔板、输送带、带轮构成。如图2所示。

图2 番茄移栽机械输送苗、落苗机构图

c)输送苗、落苗机构的原理

秧苗通过隔板带式输送装置将苗输送至送料轮，苗随着送料轮的转动被运送到接苗管；在重力加速度作用下，苗直线运动被送到喂苗机构。喂苗机构主要有连杆、鸭嘴漏斗等组成。工作时，苗落入送料轮中，随着移栽单体的转动放在接苗管中的苗落下，落入栽植单体的鸭嘴漏斗中，完成了喂苗工作。苗移出喂苗口到接触地面，到被覆土定位。

2.2 番茄移栽机移栽行距调整方式

2.2.1 番茄移栽行距特点

按照番茄农艺技术的要求制定移栽行距调整的方案，确定最佳的调整方案。

2.2.2 番茄移栽机移栽行距调整方式

考虑确保投苗准确性，该机采取离合器实现苗株数的调整，且机架的相对位置可调，通过调整机架的相对位置，可实现30～60 cm行距。其功能调整简单、易操作。据此基于Solidworks设计的番茄移栽机械的行距调整结构图如图3所示。

3 番茄移栽机械的关键机构的运动仿真

3.1 移栽机虚拟样机的建立

运动仿真是一种简单的运动模拟，是在Solidworks平台上建立已设计好的番茄移栽机械模型。运动仿真是将对机构的运动无影响和不起作用的零件都做简化处理，只将最主要的零部件装配在一起，在不影响运动情形的前提下对零部件的结构进行必要的优化[4]。基于这样的思路，建立番茄移栽机的仿真模型前，需先将机架、轮子、连杆、漏斗、送料轮、输送带、苗盘等结构和运动主要零部件装配成一个简化的装配体模型。番茄移栽机械装配体模型如图3所示。

图3 番茄移栽机械装配体模型图

3.2 基于 Solidworks的番茄移栽机械运动仿真分析

3.2.1 设定番茄移栽机械运动仿真参数

在Solidworks环境下，结合实际工况和技术要求对番茄移栽机械的运动参数进行设定，设定旋转马达代表番茄移栽机械的运动，选择长轴为动力源。然后确定运动参数，根据实际工况和技术图样确定竖直方向位移为300 mm，时间初步设定为5 s，所以运动的马达类型为[等速]，转速为 100 r/min。

马达的运动参数设定完后，确定各个马达相应的时间起止点[5]，完成后的运动仿真模型和MotionManager界面如图4所示。

图4 设定好运动参数的运动仿真模型

3.2.2 动画仿真番茄移栽机械运动过程

在MotionManager界面中将仿真类型选为[动画]，对番茄移栽机的运动过程进行仿真和再现。运动仿真后进行干涉检查，发现零部件之间不存在干涉，动作完成以后单击[保存动画]将仿真动画保存为AVI或其他文件类型，如图5所示。图5(a)中番茄苗经过倾斜板在重力作用下落入输送带，秧苗通过隔板式带式输送装置能将苗正确地输送至送料轮，图5(b)苗随着送料轮转过180°，后接苗管能完好的接到苗；图5(c)连杆在转动过程中送料轮已接到苗准备下落，图5(d)落入栽植单体的鸭嘴漏斗中的苗接触地面，到被覆土定位。另一个鸭嘴漏斗已接到第二颗苗，在往复过程中完成了移栽。

图5 番茄移栽机械运动仿真图

由仿真结果可知，输送带、送料轮、导苗管、漏斗的运动保证移栽机能够顺利地取苗和投苗，当前进速度与主轴转速数值比一定时，株距值始终保持不变，只要保持前进速度与转速的比值不变，则取苗轨迹和植苗轨迹都不会受影响。

4 结语

针对现有番茄移栽机械自动化程度不高的现状，本文设计了基于新型机构的自动化番茄育苗移栽机械，重点研究了送苗、落苗机构和行距调整机构的设计，在此基础上，进行了新型番茄育苗移栽机械关键机构的运动过程仿真和分析。研究结果表明:仿真所得的轨迹能够很好地满足移栽机的高效自动化移栽要求。

[1]杨二军.新疆番茄酱出口市场潜力研究[D].乌鲁木齐:新疆农业大学，2013.

[2]倪向东，等.导管式番茄移栽机的设计[J].农机化研究2011，2:85-86.

[3]丁文芹，等.穴盘苗自动移栽机的结构设计及运动仿真分析[J].农机化研究，2011(10):74-75.

[3]高国华，等.自动化穴苗移栽机关键机构的模块化设计[J].机电工程， 2012，29(8):883-885.

[4]鲁恒飞.基于Solidworks的悬挂式轮毂轴承压装机设计与优化[D].合肥:合肥工业大学，2012.

[5]Gianluca Caruso，Stefano Conti，Effects of transplanting time and plant density on yield，quality and antioxidant content of onion(Allium cepa L.)in southern Italy，Elsevier期刊 Scientia Horticulturae，2013:19.