大田蔬菜架拱覆膜机设计

李金拾

(黑龙江省农业机械工程科学研究院,哈尔滨 150081)

0 引言

大田蔬菜架拱覆膜技术是一种先进的蔬菜种植技术,主要特点是在蔬菜大棚上布置支架,并在支架上搭设覆膜,形成一片可供蔬菜生长,温湿度适宜的环境。这种技术能够有效利用棚内空间,节省耕地,提高产量,改善品质,同时还能够节约用水、肥料等资源,减少土壤侵蚀和化肥残留,阻挡部分降水和阳光,提供一个良好的气候环境,从而保护蔬菜生长不受恶劣天气的影响,因此备受农业界的关注和推广。

目前,小拱棚的建造主要以手工为主,在量具量出固定距离后,借助打洞机等辅助机械进行两侧打孔,再将弯好的竹木、玻璃钢或钢筋等材料插孔掩埋[1]。国内小拱棚架拱覆膜种植多以人工或简易机具分段作业为主,全自动架拱覆膜装备研究与应用尚属空白,市场前景广阔。本文主要对大田蔬菜架拱覆膜技术进行研究,攻克架拱、覆膜一体化技术,研制架拱和覆膜关键技术装备,有利于提高小拱棚蔬菜种植机械化、自动化水平,节省人工、提高效率,为种植户创造更好的效益,推动黑龙江省蔬菜种植产业高质量发展,为我国现代农业发展提供科技支持。

1 研究目的和意义

蔬菜是城乡居民生活的必需品,促进蔬菜生产、保障市场供应和价格基本稳定是重大的民生问题[2-3]。蔬菜产业作为调整农业种植结构、转变农业发展方式、增加农民收入的重要途径,在推进农业现代化进程中发挥着重要作用[4]。

棚室设施是设施农业顺利开展的基础物质条件,对种植环境的调控具有重要作用,但目前黑龙江省蔬菜生产设施水平却不高。1)蔬菜生产设施比例不高。黑龙江省设施蔬菜种植面积仅占蔬菜总面积的13.7%左右,而辽宁、山东、河北地区占比达40%以上[5]。2)设施配套建设比例低。黑龙江省设施蔬菜生产主要以大棚为主[6],大棚的保温、升温性能较差,生产的蔬菜仅能提前2～3周上市。3)日光温室建设标准不高[7]。近年来,黑龙江省不仅制定了《全省蔬菜产业发展规划》,出台了支持蔬菜生产基地县建设棚室、冷库、冷链物流等基础设施和促进产业发展的政策措施,还先后举办了“第十三届中国鲜食玉米速冻果蔬(哈尔滨)大会”“全省食用菌产业大会”,多次组织蔬菜现场观摩培训——把市场引进家门口,把技术送到农民手,政府部门出手实实在在地扶持产业发展。“寒地黑土-北菜南运”品牌战略实施,黑龙江省蔬菜产业保持了快速发展态势,做大、做强、做优绿色蔬菜产业已成为黑龙江省蔬菜基地的战略选择。小拱棚在蔬菜栽培、育苗等方面的应用越来越广泛,是保护地蔬菜栽培的重要类型,发展潜力巨大。小拱棚插架装置的研究可以为设施农机的发展提供参考和技术支持。

大田蔬菜架拱覆膜技术研究的目的是探究覆膜技术在大田蔬菜种植中的应用和特点,建立相关技术标准和规范,为大田蔬菜的种植提供科学化和规范化的技术支持,从而提高产量和品质,降低种植成本,增强大田蔬菜的市场竞争力[8]。其意义在于推广大田蔬菜架拱覆膜技术可以提高蔬菜的产量和品质,为食品行业提供更加优质的蔬菜,同时为消费者提供更加健康的食品选择。大田蔬菜架拱覆膜技术具有降低生产成本、改善生产环境、减少对土地破坏等优点,推广该技术有助于保护耕地资源,增加土地利用效率,提升农业的环境保护水平,推进我国现代农业发展,提高农业综合生产能力和经济效益,促进农业向供给侧结构性改革和绿色低碳方向转型。

2 国内外研究状况

目前,大田蔬菜架拱覆膜技术已经得到广泛应用。在我国,大田蔬菜种植的营养液培养、拱覆膜技术、节水灌溉等,已成为实现农业现代化技术手段之一。随着科技的不断发展,大田蔬菜架拱覆膜技术也在不断完善和发展。

拱棚机按照应用场景主要分为两类:一类是适用于平坦大地块的拖拉机牵引式拱棚插架覆膜机;另一类是适用于日光温室面积较小地块的自走式或分离式拱棚插架覆膜机。国外拱棚机的研究较为成熟,研究领域更为广泛。日本藤木农机制作所研制了棚杆打孔掩埋机,但需要人工参与作业,如重复进行行走启动和液压复位控制[8]。

国际上拱棚机的类型可分为两种,一种是插架覆膜一体化机器,可实现一次性插架覆膜作业,法国牵引式拱棚架设覆膜一体机如下图1所示;另一种是插架与覆膜分离式机器,只能够实现拱棚骨架搭建功能或完成小拱棚塑料薄膜作业,日本架拱和覆膜分离式机器如下图2所示。

图1 法国牵引式拱棚架设覆膜一体机

图2 日本架拱和覆膜分离式机器

目前,国内搭建小拱棚可借助辅助器械完成打坑作业,该打坑机体积小、质量轻且操作简单,单人双人均可操作,并具有启动快和打洞作业性能好等特点,满足棚杆掩埋桩孔深度与直径要求[9]。但该机只可作为打洞辅助工具,插杆误差较大,通过人工插杆作业,价格昂贵且效率不高[10]。

3 研究内容

针对国内拱棚插架覆膜作业机械的要求,采用单条棚杆的弯曲和压插入土自动化控制技术,研制了一款针对小拱棚的自动插架覆膜机械,前期自动插架装置研究内容如下:

1)针对小拱棚农艺要求,对拱棚插架覆膜机的主要功能部件进行分析和设计,主要为自动插架装置的设计。

2)根据拱棚机整机分析和设计方案,利用SolidWorks三维软件设计功能部件并进行装配,通过CAD软件分析拱棚宽度、高度与棚杆长度的关系,确定弯折臂中弯折压板的位置和长度,确保弯折效果最好。

3)绘制自动插架部件二维图并进行试制,确保能实现棚杆的弯折和插入功能。

4)针对试验中出现的问题,分析原因,进一步改进和优化插架结构部件。

4 研究方法和技术路线

4.1 研究方法

通过三维建模进行方案设计,采取借鉴—创新—试验—改进的研究思路,对小拱棚的自动插架覆膜机械进行研制。

1)调查分析。确立方向目标,调研检索国内外研究水平及状况,明确问题导向,初步确定解决方案。

2)理论分析。理论分析加工对象特征、设备及加工工艺,集成理论设计方案,确定技术参数。实地调研相似案例,并与所涉及的交叉学科专家进行探讨,专家方案论证后对机械进行加工制造。

3)设计制造、试验验证相结合。机械通过设计计算—图样绘制—技术文件编制—样机试制—调试试验后,对其性能进行检测,以验证理论分析的结果,优化完善机械总体设计。

4.2 技术路线

1)前期调研。通过文献研究和实地考察,了解国内外大田蔬菜架拱覆膜技术的研究现状和发展趋势,明确技术需求和开发方向。

2)设计方案。基于前期调研结果,制定大田蔬菜架拱覆膜机的设计方案,包括架子形式、覆膜材料、构件设计、固定技术、机械自动化控制方案等。

3)小规模试验。基于前期设计方案对大田蔬菜架拱覆膜机进行调整和优化。

4)大规模试验。在大田中测试蔬菜架拱覆膜机的实际应用效果。

5)推广应用。通过试验得到大田蔬菜架拱覆膜机的最优结构参数,制定推广方案并向广大种植户宣传和推广。

大田蔬菜架拱覆膜机的研究,需通过前期调研、设计方案、小规模试验、大规模试验和推广应用进行展开。在该技术路线实施的过程中,需要不断调整和优化技术方案,以确保机械的可行性和应用效果。

5 关键部件设计

在制造业和工程领域,对产品关键部件的设计是至关重要的。下文将重点对自动插架装置和覆膜装置进行分析,以更好地掌握其结构特性。

5.1 自动插架装置

考虑到不同地区种植模式不同,不同环境对抗风性的要求不同,该支架插入装置的设计,应充分考虑装置的通用性和适应性,结构设计要简单实用,保证插架的垂直率,实现支架插入深度和拱高的可调可控。为了实现拱棚插架装置的插架功能,利用偏心曲柄滑块机构和线性滑轨驱动下压架在垂直方向上移动,完成棚杆弯曲和棚杆插入操作。利用日本研究的压差离合控制插架压插和机器行进动作,操作非常简单,还可保障插架垂直度,虽然要手动进杆和手动控制压插离合,但是只需两个动作,速度适中,同时还可以控制成本和故障率。自动插架装置示意图,如图3所示。

1.偏心曲柄滑块机构;2.线性滑轨;3.弯折装置;4.下压装置

为得到较好的传力和压插效果,需要对自动插架装置进行模拟,从而确定部件结构与尺寸,实现棚杆垂直、平稳地下压入土,确保满足棚杆插入深度的要求。自动插架装置在液压油缸的带动下,通过弯折装置和下压装置实现棚杆弯折与压插入土,其插入效果决定了拱棚的稳定性。为实现插架装置插压和复位的往复运动,设计了由液压油缸驱动的偏心曲柄滑块机构。

连杆机构具有许多优点,其中最基本的是传动特征。第一,运动副大多为低副、面接触,承载能力大,压力和磨损小;第二,连杆机构中的低副通常是几何封闭式,保证了其工作可靠性;第三,连杆机构中原动件的运动规律不变时,改变各构件的相对长度会使从动件的运动规律发生改变;第四,连杆曲线的形状会随各构件相对长度的变化而变化,这使得连杆机构能够满足特定工作需要,实现改变运动传递方向、增力、扩大运动行程和远距离传递等目的。偏心曲柄滑块机构是一种用于实现转动和移动转换的平面连杆机构,该机构可以配合滚轮滑槽实现下压装置(即后文提到的滑块)在竖直方向上的运动,偏心曲柄滑块机构运动形态示意图如图4所示。以A点为固定铰链点,当曲柄B端动运到B1位置,连杆C端运动到C1位置时,连杆与滑块运动方向相同;当B端运动到B2位置,C端运动到C2位置时,曲柄与滑块运动方向垂直;当B端运动到B3位置,C端运动到C3位置时,曲柄与连杆在同一直线上,此时机构形成死点。

a 曲柄滑块机构三维图 b 运动简图

设曲柄AB长度为a,连杆BC长度为b,偏心距离为e。按滑块工作行程h=300 mm(即棚杆的插入深度),偏心距离e=220 mm计算,得出A、C端初始垂直距离l1=69.5 mm,结束垂直距离l2=387 mm[11],作为曲柄的初始和结束位置比较合适,曲柄的初始角度和结束位置角度是132°和38°,偏心曲柄滑块机构的行程模拟如图5所示。

图5 偏心曲柄滑块机构的行程模拟

5.2 覆膜装置

薄膜覆盖装置主要由薄膜延伸机构和压膜机构两部分组成。薄膜延伸机构包括两侧的模具支撑架和中间的导轮。压膜机构包括压膜轮和土壤覆盖盘。薄膜下压部件对称布置,压膜轮和土壤覆盖盘通过连接臂组件固定在主机架的左右两侧。薄膜延伸机构设置在压膜机构组件之间,模板支撑框架连接到连接臂组件或固定到主框架。

为了提高压膜效果,可以在薄膜延伸机构中专门增加支模和压膜导轮,如田间土壤硬度较高,则有必要在覆膜装置前增加挖沟铲,塑料薄膜通过套筒放置在薄膜支撑架上,并调整限位孔和导轮连杆的位置,以确保导轮通过摩擦拉紧塑料薄膜,并在前进过程中不断拉动塑料薄膜[12]。调整连接臂组限位弹簧时,将压膜轮放置在地面上,以确保在覆膜操作过程中,压膜轮将膜向下压到土壤表面,土壤盖板在前进过程中旋转土壤,并覆盖塑料膜边缘,完成固定裙膜操作。覆膜装置取代了覆膜过程中的手动展膜和覆土,降低了劳动强度,提高了作业效率,确保了覆膜的高压实度。

6 结论和展望

6.1 结论

目前,国内小拱棚蔬菜种植机械化程度较低,成为了行业的发展瓶颈,严重制约了蔬菜产业的发展。该文对大田蔬菜架拱覆膜机的设计原理、结构特点进行详细说明,研究自动插架装置和覆膜装置这两个关键部件,以期为全自动架拱覆膜机的研制提供后续支持,对促进大田蔬菜架拱覆膜机的设计创新具有重要意义。

6.2 展望

未来大田蔬菜架拱覆膜技术的发展方向是机械自动化,利用现代科技手段实现对拱棚形式、覆膜材料、构件固定、机械自动化控制等方面的精准调控,提高生产效率和产品质量。还需加强大田蔬菜架拱覆膜技术对环境污染、耐病虫害的研究,使技术更加环保、健康,并将该技术与现代化农业生产、无土栽培和智能化温室相结合,实现多种技术的互补和协同发展,打造高效、可持续的农业生产模式。