劉 飛 徐麗明 牛 叢 閆成功 譚好超 沈聰聰

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,北京 100083)

目前,國(guó)內(nèi)葡萄苗木的栽植主要依靠人工完成,勞動(dòng)力密集產(chǎn)業(yè)特征突出,生產(chǎn)機(jī)械化應(yīng)用程度較低[1-3],葡萄生產(chǎn)過程中,栽植技術(shù)在提高作物生長(zhǎng)的抗災(zāi)抗逆能力、保證作物穩(wěn)增產(chǎn)和提高產(chǎn)品品質(zhì)等方面起到至關(guān)重要的作用[4],研究葡萄苗木栽植機(jī)對(duì)提高葡萄苗木栽植環(huán)節(jié)的機(jī)械化水平具有重要意義。

栽植機(jī)在葡萄種植領(lǐng)域的應(yīng)用較少,但在其他苗木的栽植作業(yè)中應(yīng)用較為廣泛,按照栽植器的機(jī)構(gòu)類型,可分為鉗夾式、撓性圓盤式、吊籃式、導(dǎo)苗管式、鴨嘴式和鏈夾式栽植機(jī)[4]。各類栽植機(jī)都有各自的特點(diǎn),鉗夾式栽植機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、栽植株距較穩(wěn)定,栽植深度可靠,但是存在栽植頻率低、株距調(diào)整困難和易傷苗等問題[5-6];撓性圓盤式大蔥栽植機(jī)在小株距栽植方面應(yīng)用前景廣泛,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低,栽植頻率高,但栽植深度不穩(wěn)定和圓盤耐久性較差[7-8];吊籃式栽植機(jī)傷苗率低,但只適用于栽植穴盤苗,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,栽植頻率低[9];導(dǎo)苗管式栽植機(jī)傷苗率和倒伏率低,栽植深度穩(wěn)定,但存在漏栽和重栽問題,并只適用于栽植穴盤苗[10-13];鴨嘴式栽植機(jī)傷苗率和倒伏率低,株距穩(wěn)定性和耕深穩(wěn)定性好,工作時(shí)能變換不同的株距,無(wú)重栽、漏栽現(xiàn)象,但只適用于栽植穴盤苗,并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造成本高和適用性較窄[4,6,14-16];鏈夾式作物栽植機(jī)與嘴式栽植機(jī)效果相同,但株距較難調(diào)節(jié)[17]。綜上所述,鴨嘴式、吊籃式和導(dǎo)苗管式栽植機(jī)只適用于穴盤苗的栽植;撓性圓盤式栽植機(jī)栽植深度不穩(wěn)定,且無(wú)法保證秧苗的直立性;鉗夾式栽植機(jī)的栽苗直立度難以保證,株距調(diào)節(jié)困難且易傷苗,而鏈夾式栽植機(jī)能較好的保證栽苗直立度和耕深穩(wěn)定性,株距穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),基本符合葡萄苗木栽植的農(nóng)藝要求,因此本研究將葡萄苗木栽植機(jī)設(shè)計(jì)為鏈夾式[18]。

針對(duì)當(dāng)前葡萄苗木栽植作業(yè)過程中存在的勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低和栽植質(zhì)量難以保證,以及鏈夾式栽植機(jī)株距調(diào)節(jié)困難等問題,本研究擬設(shè)計(jì)一種株距可調(diào)式葡萄苗木栽植機(jī),能夠根據(jù)作業(yè)株距、栽植深度和栽植頻率等農(nóng)藝要求,一次性完成開溝、投苗、鎮(zhèn)壓和覆土等操作,保證栽植質(zhì)量的同時(shí),實(shí)現(xiàn)株距調(diào)節(jié)。通過實(shí)地調(diào)研與理論分析,確定主要作業(yè)參數(shù)及株距調(diào)控原理,并結(jié)合田間試驗(yàn)進(jìn)行作業(yè)效果驗(yàn)證,以期為葡萄苗木機(jī)械化作業(yè)提供技術(shù)支持。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

本研究設(shè)計(jì)的葡萄苗木栽植機(jī)適用于露天葡萄園內(nèi)先栽苗后立石柱的生產(chǎn)模式。根據(jù)栽植農(nóng)藝要求對(duì)葡萄苗木進(jìn)行修剪后,隨機(jī)選取30根生長(zhǎng)狀況良好的葡萄苗木。外形尺寸包括:苗高h(yuǎn)1=27 cm、根長(zhǎng)h2=11 cm、主莖莖粗d=1.2 cm、莖部最大寬度b=5.8 cm、根部最大寬度B=6 cm。葡萄苗木實(shí)物及外形尺寸見圖1。

d為主莖莖粗;b為莖部的最大寬度;B為根部的最大寬度;h1為苗高;h2為根長(zhǎng)。d is the main stem stem thickness; b is the maximum width of the stem; B is the maximum width of the root; h1 is the seedling height; h2 is the root length.圖1 葡萄苗木實(shí)物和外形尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of the physical and external dimensions of the grape seedlings

葡萄苗木栽植農(nóng)藝要求:栽植株距為100～200 cm,栽植的直立度要求主莖垂直于地面,主莖與地面夾角<30°時(shí),視為倒伏苗,埋土深度為15 cm,栽植頻率≥30株/min。

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

本研究所設(shè)計(jì)的株距可調(diào)式葡萄苗木栽植機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)由栽植機(jī)構(gòu)、放苗箱、座椅、控制柜、組滑板、開溝器、鎮(zhèn)壓輪、覆土輪、測(cè)速輪、機(jī)架、地輪等部分組成(圖2)。機(jī)架前端為三點(diǎn)懸掛裝置,與拖拉機(jī)掛接;為保證栽植直立度,設(shè)計(jì)鎮(zhèn)壓輪著地點(diǎn)與栽植機(jī)構(gòu)中心線重合;開溝器側(cè)表面設(shè)置有調(diào)節(jié)孔,可根據(jù)株距要求進(jìn)行上下前后調(diào)節(jié)。工作參數(shù)見表1。

表1 葡萄苗木栽植機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of grape seedling planting machine

1.2 工作原理

作業(yè)前,作業(yè)人員將適量葡萄苗木放入苗箱,依據(jù)作業(yè)要求,在控制柜的觸摸屏上輸入目標(biāo)株距值。工作時(shí),由開溝器開出一條寬12 cm、深10～15 cm的栽植溝;同時(shí),投苗人員將葡萄苗木放置在苗夾上,苗夾隨主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)苗夾進(jìn)入組滑板時(shí),組滑板內(nèi)逐漸變小的寬度使苗夾夾緊,實(shí)現(xiàn)送苗過程。當(dāng)苗夾轉(zhuǎn)動(dòng)至垂直狀態(tài)時(shí),恰好脫離組滑板;此時(shí),苗夾張開,完成投苗作業(yè)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)測(cè)速編碼器的電信號(hào)和輸入的目標(biāo)株距值,實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,以保證投苗間距的一致性。投苗結(jié)束后,由鎮(zhèn)壓輪和覆土輪分別完成鎮(zhèn)壓和覆土工作,由此完成單株苗木的栽植過程。依此循環(huán),直至栽植工作全部完成。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 栽植機(jī)構(gòu)

栽植機(jī)構(gòu)主要由苗夾、下傳動(dòng)軸、擋板、鏈傳動(dòng)、上傳動(dòng)軸等組成(圖3),上傳動(dòng)軸為主動(dòng)軸,依據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),在鏈條上均布6根苗夾。

1.苗夾;2.下傳動(dòng)軸;3.擋板;4.鏈傳動(dòng);5.上傳動(dòng)軸1.Seedling clip; 2.Lower drive shaft; 3.Baffle; 4.Chain drive; 5.Upper drive shaft圖3 栽植機(jī)構(gòu)三維示意圖Fig.3 3D schematic diagram of the planting mechanism

本研究設(shè)計(jì)的栽植機(jī)構(gòu)中,由鏈輪中心距及苗夾位置可知,每個(gè)苗夾之間有13個(gè)鏈節(jié),結(jié)合苗夾間距及鏈輪分度圓直徑可推算出,當(dāng)主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)過當(dāng)主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)過2/3圈,正好完成1次投苗作業(yè),此時(shí)拖拉機(jī)前進(jìn)距離恰好為1倍株距值。

苗夾是本機(jī)構(gòu)主要作業(yè)部件,設(shè)計(jì)不合理會(huì)直接影響栽植機(jī)的栽植效果、傷苗率及投苗人員的舒適性。苗夾主要由底殼、固絲鐵片、護(hù)膠鐵片、夾爪和夾持橡膠構(gòu)成(圖4);其中,底殼由固絲耳朵、托苗槽和豎板等組成。固絲鐵片、護(hù)膠鐵片和夾爪依次通過螺栓固定在底殼上,通過夾持橡膠的張開和閉合實(shí)現(xiàn)苗木夾持過程。通過測(cè)量苗木參數(shù),設(shè)置的最優(yōu)夾持橡膠尺寸為,長(zhǎng)30 cm、寬5 cm。

1.底殼;2.固絲鐵片;3.護(hù)膠鐵片;4.固絲耳朵;5.夾爪;6.夾持橡膠7.托苗槽;8.豎板1.Bottom shell; 2.Wire fixing iron piece; 3.Rubber protection iron piece; 4.Wire fixing ears; 5.Clamping jaws; 6.Clamping rubber; 7.Nursery groove; 8.Vertical plate圖4 苗夾三維示意圖Fig.4 3D schematic diagram of the seedling clip

底殼是撐托苗木的主要部件,其通過螺栓與外鏈節(jié)固定連接。本研究依據(jù)葡萄苗木最大苗高h(yuǎn)1和最大莖粗d,設(shè)計(jì)底殼有效工作長(zhǎng)度為34 cm,托苗槽最小寬度為1 cm,以穩(wěn)定支撐苗木。依據(jù)莖部底端直線長(zhǎng)度10 cm,確定底殼上方4個(gè)固絲耳朵分布位置。根據(jù)相鄰苗夾間的直線距離,設(shè)計(jì)豎板高度為22 cm,以防止底殼受苗木自重影響而發(fā)生末端傾斜。

夾爪分為夾持部分和滑動(dòng)部分(圖5),為保證投苗的可靠性,同時(shí)結(jié)合2塊夾持滑板之間的距離及夾緊程度,設(shè)計(jì)夾持部分和滑動(dòng)部分所在平面之間的夾角為45°;根據(jù)夾持橡膠的寬度、耳朵的安裝位置及夾持組滑板的安裝位置,確定夾爪的總長(zhǎng)度為10 cm。

1.夾持部分;2.滑動(dòng)部分1.Clamping part; 2.Sliding part圖5 夾爪三維示意圖Fig.5 3D diagram of clamping jaws

2.2 護(hù)根式開溝器

開溝的質(zhì)量直接決定葡萄苗木的栽植情況和長(zhǎng)勢(shì),目前開溝裝置分為滾動(dòng)式開溝裝置和滑動(dòng)式開溝裝置。滾動(dòng)式開溝裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、質(zhì)量大、成本高,不適合葡萄苗木栽植機(jī)的作業(yè)要求;滑動(dòng)式開溝裝置可分為鋤鏟式、船型鏟式、滑刀式、芯鏵式等多種形式。鋤鏟式開溝裝置對(duì)栽植前整地的要求較高,且沒有開溝的側(cè)板;船型鏟式開溝裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,溝底為V型,此溝型與葡萄苗木的根部長(zhǎng)勢(shì)相反,不利于葡萄苗木的生長(zhǎng);滑刀式開溝裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜,滑刀刀片成本高且易磨損;芯鏵式開溝器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、有良好的入土性能,溝底呈矩形,利于葡萄苗木的生長(zhǎng)[19-25]。為保證苗木由底部鏈輪的旋轉(zhuǎn)方向向水平方向穩(wěn)定過渡,選擇有側(cè)板的芯鏵式開溝裝置,其結(jié)構(gòu)見圖6。

1.支架;2.護(hù)根滑板;3.芯鏵式開溝裝置1.Bracket; 2.Root guard skids; 3.Core share trenching device圖6 開溝器三維示意圖Fig.6 Trencher 3D schematic

結(jié)合栽植深度要求,同時(shí)考慮開溝器的開溝阻力及加工可行性,設(shè)計(jì)開溝器寬度為12 cm,高度20 cm;根據(jù)葡萄苗木的運(yùn)動(dòng)軌跡,設(shè)計(jì)芯鏵式開溝器的長(zhǎng)度為60 cm,加工時(shí)要求開溝器刃口的HRC≥28。

2.3 開溝器及栽植機(jī)構(gòu)的相對(duì)位置

開溝器與栽植機(jī)構(gòu)之間的相對(duì)位置關(guān)系影響葡萄苗木的栽植效果。葡萄苗木的虛根非常柔軟,為了使其更自然、更舒展的埋在土壤里,需要結(jié)合葡萄苗木運(yùn)動(dòng)過程,根據(jù)不同的株距值,對(duì)開溝器和栽植機(jī)構(gòu)的相對(duì)安裝位置進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

2.3.1葡萄苗木栽植過程運(yùn)動(dòng)分析

苗夾在繞下方鏈輪旋轉(zhuǎn)至完成投苗的階段,葡萄苗木經(jīng)歷了從開始埋土到完成埋土的過程,運(yùn)動(dòng)過程見圖7。

A為埋土點(diǎn);AB與開始投苗時(shí)的苗木重合;AC與完成投苗時(shí)的苗木重合;BC為投苗期間拖拉機(jī)的前進(jìn)距離;α為葡萄苗木繞下鏈輪轉(zhuǎn)過的角度;v1為拖拉機(jī)的前進(jìn)速度。A is the burial point; AB coincides with the seedlings at the beginning of the seedling drop; AC coincides with the seedlings at the completion of the seedling drop; BC is the forward distance of the tractor during the seedling drop; α is the angle of the grape seedlings turning around the lower sprocket; v1 is the forward speed of the tractor.圖7 葡萄苗木運(yùn)動(dòng)過程示意圖Fig.7 Diagram of the movement process of grape seedling

為使葡萄苗木根部在溝內(nèi)更加自然舒展,需要計(jì)算開溝器的安裝位置。假設(shè)拖拉機(jī)以0.5 m/s的速度直線行駛,苗夾轉(zhuǎn)速為0.33 r/s,當(dāng)設(shè)定株距值為100 cm時(shí),則投苗期間拖拉機(jī)理論前進(jìn)距離與苗木繞下方鏈輪的旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系滿足:

(1)

式中:α為葡萄苗木繞下鏈輪轉(zhuǎn)過的角度,(°);L1為投苗期間拖拉機(jī)理論前進(jìn)距離,m。整理式(1)可得α=240L1;同理,當(dāng)設(shè)定的株距值為150和200 cm時(shí),有α=160L1和α=120L1。

2.3.2開溝器及栽植機(jī)構(gòu)相對(duì)位置確定

由式(1)計(jì)算可得,葡萄苗木繞下方鏈輪轉(zhuǎn)過不同角度α?xí)r,對(duì)應(yīng)的投苗期間(從開始投苗到完成投苗的階段)內(nèi)拖拉機(jī)理論前進(jìn)距離L1。同時(shí),通過實(shí)地試驗(yàn)測(cè)量相同條件下,拖拉機(jī)實(shí)際前進(jìn)距離L2。以株距為100 cm為例,當(dāng)角度α=8°時(shí),拖拉機(jī)理論前進(jìn)距離L1與拖拉機(jī)實(shí)際前進(jìn)距離L2的相對(duì)誤差δ最小,為1.2 cm;此時(shí),開溝器支架中心線與栽植機(jī)構(gòu)中心線的距離為245 cm。同理,株距為150 和200 cm且拖拉機(jī)理論前進(jìn)距離L1與拖拉機(jī)實(shí)際前進(jìn)距離L2的相對(duì)誤差δ最小時(shí),對(duì)應(yīng)的α值分別為10°和12°,此時(shí),開溝器支架中心線與栽植機(jī)構(gòu)中心線的距離分別為267.5和290 cm。由此,確定了株距為100、150和200 cm時(shí)開溝器與栽植機(jī)構(gòu)的相對(duì)安裝位置。

3 株距調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合葡萄苗木栽植機(jī)的實(shí)際情況,設(shè)計(jì)了包含人機(jī)交互功能、信號(hào)采集功能、信號(hào)處理功能、動(dòng)作執(zhí)行功能和串口輸出功能的控制系統(tǒng)[26-29]。

由經(jīng)驗(yàn)知,栽植機(jī)栽植頻率為30株/min是操作熟練的投苗人員最舒適的投苗頻率。主動(dòng)鏈輪的最高轉(zhuǎn)速n2=20 r/min,當(dāng)栽植株距為100～200 cm時(shí),拖拉機(jī)的最大前進(jìn)速度為0.5～1.0 m/s,測(cè)速輪的最高轉(zhuǎn)速滿足:

(2)

式中:n1為測(cè)速輪轉(zhuǎn)速,r/min;v為拖拉機(jī)的最大前進(jìn)速度,m/s;D為測(cè)速輪的外徑,m。由式(2)計(jì)算得到測(cè)速輪的最高轉(zhuǎn)速為29.84～59.68 r/min。

測(cè)速輪與主動(dòng)輪的理論傳動(dòng)比滿足:

(3)

式中:i為傳動(dòng)比;n2為主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速,r/min。

計(jì)算得到不同株距對(duì)應(yīng)的理論傳動(dòng)比(圖8),該數(shù)據(jù)可為控制系統(tǒng)軟件功能實(shí)現(xiàn)提供理論支持。

圖8 栽植株距與理論傳動(dòng)比的擬合關(guān)系Fig.8 Fitting relationship between planting spacing and theoretical transmission ratio

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于人機(jī)交互的株距可調(diào)式控制系統(tǒng)主要由觸摸屏、編碼器、控制器、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和直流無(wú)刷減速電機(jī)等部分組成?？刂破鬟x用STM32 F103ZET6單片機(jī)(72 M主頻,144引腳,供電電源DC12 V),能實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)脈沖和輸出PWM信號(hào)的功能要求;觸摸屏選用大彩M系列串口屏DC80480M070_2111_0C,采用400 M SOC處理器,運(yùn)行速度較快,支持按鈕控件和文本控件等多種組態(tài)控件;編碼器選用E6B2-CWZ3E增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器,每轉(zhuǎn)輸出1 000個(gè)脈沖,通過記錄設(shè)定一定時(shí)間內(nèi)編碼器脈沖數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)速;直流無(wú)刷減速電機(jī),選用XCDQ型直流無(wú)刷電機(jī)(電壓DC24 V,額定轉(zhuǎn)矩為0.28 N·m,額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min),減速器減速比為1∶100;選用DBL-30驅(qū)動(dòng)器,可外接PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)直流無(wú)刷電機(jī)調(diào)速;電源模塊包括12 V直流電源和12 V轉(zhuǎn)24 V升壓模塊,拖拉機(jī)自帶蓄電池為12 V直流電源[27,30]。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制程序流程見圖9。程序開始運(yùn)行,首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化,然后進(jìn)入定時(shí)中斷,判斷是否通過觸摸屏輸入株距值:若否,則進(jìn)入下次中斷,持續(xù)進(jìn)行判斷,直到獲得作業(yè)的株距值;若是,開始調(diào)速工作,驅(qū)動(dòng)栽植機(jī)構(gòu)投苗。測(cè)定測(cè)速輪的轉(zhuǎn)速,根據(jù)設(shè)置的株距值和測(cè)定的作業(yè)速度,實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)直流無(wú)刷減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速,直至作業(yè)結(jié)束。

圖9 控制程序流程Fig.9 Control program flow chart

4 田間試驗(yàn)

為評(píng)定葡萄苗木栽植機(jī)的作業(yè)性能,驗(yàn)證栽植精度、栽植頻率和栽植質(zhì)量是否符合整機(jī)性能要求,于2021年7月在山東省日照市莒縣志昌農(nóng)業(yè)科技發(fā)展股份有限公司葡萄科技館進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備包括TDR150土壤水分速測(cè)儀(量程0～50%,精度±2%,分辨率0.1%)、卷尺、秒表、500 mm直尺、鐵鍬、量角器等。試驗(yàn)區(qū)地塊長(zhǎng)度為60 m,土壤質(zhì)地類型為輕壤土,測(cè)定土壤含水率為15%～20%。

以株距值為100、150和200 cm進(jìn)行田間試驗(yàn),配套動(dòng)力為山拖泰山TS404拖拉機(jī),作業(yè)速度根據(jù)株距值依次設(shè)置為1、0.75和0.5 m/s。試驗(yàn)結(jié)束后,根據(jù)相關(guān)的文獻(xiàn)資料,并結(jié)合現(xiàn)行的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1933—2019《林業(yè)機(jī)械 自行式苗木移栽機(jī)》[18]和JB/T 10291—2013《機(jī)械行業(yè) 旱地栽植機(jī)械》[30],測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù),并對(duì)栽植機(jī)的栽植精度、栽植頻率和栽植質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算和分析。

4.1 電機(jī)轉(zhuǎn)速靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)

葡萄苗木栽植機(jī)控制系統(tǒng)需要根據(jù)直流無(wú)刷電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)改變PWM信號(hào)的占空比,因此需要標(biāo)定不同占空比對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速[27,30]。標(biāo)定方法為:依次修改PWM信號(hào)占空比,從0～100%的占空比中每間隔5%,測(cè)定1次電機(jī)轉(zhuǎn)速n2,然后對(duì)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合,得到電機(jī)轉(zhuǎn)速靜態(tài)標(biāo)定結(jié)果(圖10)。可知,占空比和轉(zhuǎn)速之間的擬合決定系數(shù)R2=0.999 9,擬合程度高。將每次計(jì)算的電機(jī)轉(zhuǎn)速n2代入電機(jī)轉(zhuǎn)速靜態(tài)標(biāo)定曲線,即可計(jì)算當(dāng)前位置的占空比,以此來(lái)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速。

圖10 電機(jī)轉(zhuǎn)速靜態(tài)標(biāo)定的試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Test results of static calibration of motor speed

4.2 傳動(dòng)比校正試驗(yàn)

滑移率在栽植過程中始終存在,對(duì)栽植株距具有較大影響,需要通過實(shí)際的株距值對(duì)傳動(dòng)比進(jìn)行校正,提高栽植株距的準(zhǔn)確度。

在葡萄園大田內(nèi),以11個(gè)株距值(100、110、…、200 cm)分別進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn),每次隨機(jī)選取連續(xù)的11棵葡萄苗木,測(cè)量其栽植株距,并計(jì)算平均值。

當(dāng)株距值為100 cm,理論傳動(dòng)比為1.492,通過田間試驗(yàn)測(cè)得的實(shí)際株距的平均值為130 cm。

測(cè)速輪的周長(zhǎng)S滿足:

S=πD

(4)

當(dāng)拖拉機(jī)前進(jìn)距離為1倍的實(shí)際株距值(1.3 m)時(shí),時(shí)間t滿足:

(5)

由2.1節(jié)分析可知,栽植機(jī)構(gòu)主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)過2/3圈,此時(shí)轉(zhuǎn)速n2滿足:

(6)

測(cè)速輪轉(zhuǎn)速n1滿足:

(7)

圖11 栽植株距與校正傳動(dòng)比的擬合關(guān)系Fig.11 Fitting relationship between planting spacing and corrected transmission ratio

4.3 栽植精度測(cè)定試驗(yàn)

栽植精度的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括栽植株距和栽植深度:栽植株距是指栽植行內(nèi)相鄰兩棵葡萄苗木之間的直線距離;栽植深度是指根部底端到覆土表面的垂直距離。栽植深度合格率是指栽植深度為18～20 cm的株數(shù)與總株數(shù)的比值。

在長(zhǎng)度為60 m的地塊上,拖拉機(jī)牽引葡萄苗木栽植機(jī)進(jìn)行栽苗作業(yè)。每個(gè)株距進(jìn)行4行作業(yè),每行作業(yè)栽植25株苗木,即每次試驗(yàn)共栽植100株苗木;栽植結(jié)束后,測(cè)量栽植株距和栽植深度;每次株距值重復(fù)試驗(yàn)3次,試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

株距值分別為200、150和100 cm時(shí),試驗(yàn)得到的株距均值分別為200.07、150.08和100.18 cm,栽植深度合格率分別為97.67%、98.00%和97.34%,栽植精度滿足試驗(yàn)要求。

4.4 栽植頻率測(cè)定試驗(yàn)

栽植頻率是指單位時(shí)間內(nèi),栽植機(jī)栽植的全部葡萄苗木株數(shù)。

在長(zhǎng)度為60 m的地塊上,拖拉機(jī)牽引葡萄苗木栽植機(jī)進(jìn)行栽苗作業(yè);株距值分別為200、150和100 cm時(shí),分別以前進(jìn)速度1、0.75和0.5 m/s進(jìn)行作業(yè)。每種株距值下,每次試驗(yàn)栽植100株葡萄苗木,栽苗過程中以秒表記錄作業(yè)時(shí)長(zhǎng);重復(fù)試驗(yàn)3次,試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

株距值分別為200、150和100 cm時(shí),栽植時(shí)間均值分別為198.74、200.20和200.38 s,栽植頻率分別為30.17、30.02和30.01 株/min,均滿足標(biāo)準(zhǔn)中栽植頻率≥30株/min的要求。

4.5 栽植質(zhì)量測(cè)定試驗(yàn)

栽植質(zhì)量主要包括漏栽率、重栽率、倒伏率、埋苗率、露苗率、傷苗率、合格率等。其中,漏栽是指本應(yīng)該有葡萄苗木的地方而沒有葡萄苗木;重栽是指本應(yīng)該只有一棵葡萄苗木的地方有多棵葡萄苗木;倒伏是指葡萄苗木的主莖與地面的夾角<30°;埋苗是指葡萄苗木全部埋在土壤中;露苗是指葡萄苗木的主根或虛根裸漏在土壤外面,不能滿足栽植的農(nóng)藝要求;傷苗是指葡萄苗木受到損傷,苗木的莖部產(chǎn)生破損的面積大小超過1 cm2。不產(chǎn)生以上情況的苗木即為栽植合格苗木。

在長(zhǎng)度為60 m的地塊上,拖拉機(jī)牽引葡萄苗木栽植機(jī)進(jìn)行栽苗作業(yè)。每種株距值下,每次試驗(yàn)栽植100株葡萄苗木,栽苗完成后,觀察葡萄苗木的栽植情況,并記錄漏栽苗、重栽苗、倒伏苗、埋苗、露苗、傷苗的株數(shù),并以此計(jì)算每種情況的苗木株數(shù)與全部苗木株數(shù)的比值;重復(fù)試驗(yàn)3次,試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

當(dāng)株距值分別為200、150和100 cm時(shí),栽植合格率分別為97.67%、97.67%和97.37%,均滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)漏栽、重栽、露苗、傷苗等現(xiàn)象,但是存在極少的倒伏和埋苗植株;3種株距下的倒伏率和埋苗率分別為1.33%和1.00%、1.67%和0.67%以及1.33% 和1.33%。苗木出現(xiàn)倒伏和埋苗現(xiàn)象的原因可以歸結(jié)為:由于葡萄苗木的根系生長(zhǎng)情況(根系的長(zhǎng)度等)各不相同,并且投苗人員存在操作偏差,使得夾持苗木的位置有輕微變化,造成苗木入土深度不一致;在相同的鎮(zhèn)壓力條件下,入土深度較淺的苗木會(huì)發(fā)生倒伏,入土深度更淺的苗木則會(huì)整株埋入土壤,產(chǎn)生埋苗現(xiàn)象,倒伏和埋苗情況均在整機(jī)性能要求的合理范圍內(nèi),滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。栽植效果見圖12。

圖12 栽植效果Fig.12 Planting effect

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究主要依據(jù)葡萄苗木的外形尺寸和栽植農(nóng)藝要求,設(shè)計(jì)了一種株距可調(diào)式葡萄苗木栽植機(jī),可以一次性完成開溝、投苗、鎮(zhèn)壓、覆土等工作。

本研究所設(shè)計(jì)的株距可調(diào)式葡萄苗木栽植機(jī),根據(jù)葡萄苗木的外形尺寸和栽植的農(nóng)藝要求,選擇葡萄苗木較直的莖部作為夾持位置,確定了苗夾的尺寸和形狀,為降低葡萄苗木的倒伏率,提升苗木的栽植直立度,確定了開溝器與栽植機(jī)構(gòu)的安裝位置:當(dāng)株距值分別為200、150和100 cm時(shí),開溝器支架中心線與栽植機(jī)構(gòu)中心線的距離分別為245.0,267.5和290.0 cm,符合設(shè)計(jì)要求。

基于葡萄苗木栽植的農(nóng)藝要求,設(shè)計(jì)了株距可調(diào)式控制系統(tǒng),提高了栽植株距的準(zhǔn)確性及株距調(diào)節(jié)的便利性,投苗人員可以根據(jù)需求選擇100～200 cm作為株距值。

在直流電機(jī)轉(zhuǎn)速靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)中得到了電機(jī)轉(zhuǎn)速與 PWM 信號(hào)占空比的對(duì)應(yīng)關(guān)系;栽植精度、栽植頻率和栽植質(zhì)量的測(cè)定試驗(yàn)表明,當(dāng)設(shè)定的株距值分別為200、150和100 cm時(shí),栽植的實(shí)際株距均值為200.07、150.08和100.18 cm,栽植深度均值為18 cm,栽植深度合格率均值為97.67%、98.00%和97.34%,最大栽植頻率為30株/min,無(wú)漏栽、重栽、露苗和傷苗現(xiàn)象,倒伏率均值為1.33%、1.67%和1.33%,埋苗率均值為1.00%、0.67%和1.33%,均滿足葡萄苗木栽植的作業(yè)要求。