丘陵山区辣椒机械化移栽适应性分析

喻丽华,徐志波,韩忠禄,潘东彪,张富贵

(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)

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125～191mm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

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

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。①硬地调试移栽机是否正常运行。②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。③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。④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3 试验现场图片

1.4 测量及结果分析

表2 株距与栽深统计表

由表2可知:①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。②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

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

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

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

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—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);

β—激光发射线与反射线在基准面夹角(°);

f—成像透镜的焦距(mm)。

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

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

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。