大棚蔬菜移栽机的设计

郭德伟，李　丽，俞利宾，闵　洁，张文斌

(红河学院 a.工学院；b.商学院，云南 蒙自　661199)



大棚蔬菜移栽机的设计

郭德伟a，李丽b，俞利宾a，闵洁a，张文斌a

(红河学院 a.工学院；b.商学院，云南 蒙自661199)

摘要：针对目前常见的蔬菜移栽机很难在空间受限的大棚中使用，导致大棚蔬菜在进行育苗移栽时仍然依靠人工而费时费力的现状，设计了一种专门针对大棚使用的蔬菜移栽机。该装置在推动移栽机行走时主动轮转动，通过齿轮和链轮两级增速传动，把动力传递到执行机构，执行机构带动插苗装置和菜苗传送装置的运动，实现菜苗的栽种。装置中采用偏心轮机构实现鸭嘴状插苗装置的上下运动，传送苗装置的循环间歇运动由空间槽轮机构来实现，通过空间槽轮机构和偏心轮机构的协调动作来达到预定的运动规律。同时，根据大棚参数确定了各零部件的尺寸，作出了CAD图和三维结构图，完成了对大棚蔬菜移栽机的设计。

关键词：大棚蔬菜；移栽机；插苗装置；投苗杯

0引言

在温室大棚中种植蔬菜，可以大大缩短蔬菜的生长周期，且能使蔬菜的成活率大大提高；但是，在大棚内如果仍然采用传统的播种方式栽培蔬菜，不仅使生长周期延长，而且浪费大量种子。因此，育苗移栽的方式在大棚内逐步得到广泛应用。目前，育苗移栽主要依靠人工，劳动强度大、费时费力，且在春播季节劳动力紧张，很难满足大规模种植的需求。因此，如能在育苗移栽技术中采用机械化栽种菜苗，将能极大地减轻农户的劳动强度。

近年来，随着旱地育苗移栽技术的研究和推广，移栽机械也得到了进一步发展，目前国内常见的移栽机械主要有钳夹式、链夹式、挠性圆盘式、吊篮式和导苗管式等类型[1-3]。钳夹式移栽机机构简单，株距和栽植深度稳定；但株距调整困难，钳夹易伤苗，栽植速度低。链夹式移栽机栽植株距准确，栽植后秧苗的直立度较好；但生产率低，易出现漏载现象，也存在伤苗的情况。挠性圆盘式移栽机虽然对株距几乎没有限制，但栽植的深度不稳定。吊篮式移栽机对秧苗无夹持力，吊杯在栽植过程中对秧苗起扶持作用，直立度好；但此种类型的机械机构复杂，且喂苗速度不能过高，工作速度受限，也很难满足大规模种植的需求。导管式移栽机具有不伤苗、秧苗的直立度好、株距均匀和栽植深度稳定的特点，且对于裸根苗不会产生窝根现象，是目前较为常用的移栽机。对于上述几种移栽机，由于机型整体均比较大，且需要辅助人员，比较适合大面积的平原地区蔬菜种植；而对于像大棚种植这种尺寸受一定限制的场合，上述移栽机很难满足要求。因此，为了提高蔬菜移栽效率、节省劳力、实现大棚内蔬菜移栽的机械化，研发一种适合大棚使用的蔬菜移栽机具有重要的现实意义。

1系统方案拟定

大棚蔬菜移栽机主要服务于菜苗的插植过程，实现对菜苗的传送及插植。该系统的核心功能就是完成对菜苗的插植过程，为了实现此功能，在方案设计中拟采用动力功能、控制功能来辅助核心功能，以实现菜苗的机械化移栽。

为了更好地设计出适合大棚使用的蔬菜移栽机，对其各部分功能进行功能树分析，如图1所示。根据功能树中所提到的各种功能，寻求可能的功能载体，形成功能载体形态学矩阵[4],如表1所示。

根据形态学矩阵可以组合出多种方案，考虑到相容性及最佳配置原则，再结合从技术、经济及社会性3个方面确定的评价指标，考虑其相对重要程度[3]，最终确定方案为：A1+B2+C1+D2+(E1+E2)。具体分析过程可参见文献[5]。

图1　大棚蔬菜移栽机的功能树

分功能功能解1234A投苗人工投苗自动投苗--B传送苗齿轮空间槽轮偏心轮机构棘轮C驱动人力电动机--D插苗器驱动机构摆动导杆机构偏心轮机构曲柄滑块机构杠杆原理E机械能分配齿轮链皮带-

2系统关键零部件设计

2.1　插苗机构的设计

插苗装置中插苗机构为主要部件，其功能是接苗、开沟、插苗。接苗时，尺寸大小要能装稳一整颗菜苗，菜苗在插苗器里能保持较好的直立度；在开沟时，要用最小的力开出合适深度的沟槽；插苗时，菜苗能直立地落入沟槽中，避免菜苗倒伏现象的发生。插苗器向下运动时，插苗器自动打开，开口应合理，下开口打开时能开出所需大小的沟槽，上开口闭合时能保证不夹到苗；栽植过程完成后，插苗器在向上运动的过程中，会自动闭合，可能会夹到刚栽植的菜苗。为解决此问题，在插苗器上设计了卡勾装置，当插苗器打开到最大位置时，卡勾卡住弹性卡勾圆柱，插苗器在向上运动时由于卡勾的作用不会自动闭合；当上升到一定高度时，导槽上的挡板拨动弹性卡勾圆柱，使卡勾和圆柱分离，此时插苗器在弹簧的作用下自动闭合。插苗器继续向上运动，为了能使装苗杯打开，让里面的菜苗落入到插苗器里面，还设计了推杆。插苗器在继续向上运动的过程中，推杆推动装苗杯底盖打开，让菜苗落入到插苗器里面；插苗器向上运动到最高点时，装苗杯底盖完全打开，接苗完成后插苗器继续向下运动；如此循环。

一般大棚移栽的菜苗尺寸大约为高度100～120mm，宽度50～60mm。根据菜苗的尺寸和以上要求，计算出插苗机构的整体尺寸，其结构如图2所示。

图2　插苗机构尺寸及三维结构图

2.2　覆土机构的设计

覆土机构采用交叉式杠杆机构，固定在插苗机构上；当插苗器向下运动时，在导槽凸台的挤压作用下覆土机构闭合，闭合时把土覆盖在菜苗根部；当插苗器向上运动时，在弹簧的作用下覆土机构自动打开，不会夹到刚栽植好的菜苗。设计覆土机构时，应使覆土机构实现不完全闭合，避免夹到菜苗根部，因此覆土机构夹角应设计合理。菜苗在覆土时只需把根部盖住即可，不能盖过多的土，以免影响菜苗的生长。在插苗机构打开的同时覆土机构闭合，如果该机构长度与插苗机构等长，两机构运动将发生干涉，会导致受力较小的一方机构受损。因此，设计覆土机构时，覆土板应比插苗机构长，这样两机构在运动时就不会发生干涉，相互配合以完成菜苗的栽植。

覆土机构闭合时，为了不夹到菜苗，闭合到极限后间距为20mm，机构顶部应在槽内部，间距约为90mm。当覆土机构在空闲状态时，因为覆土机构在插苗器两边，不会产生夹苗现象，所以底部间距无特殊要求，取底部间距为60mm，则顶部间距为150mm。根据插苗机构的大小及以上所述要求，可计算出覆土机构的主要尺寸，其结构如图3所示。

图3　覆土机构尺寸及三维结构图

2.3　插苗装置导轨的设计

插苗装置的插苗深度控制在40mm左右。由于地面的不平整度影响，要求插苗机构插入到地面20mm后再打开，此时插苗机构刚好与导轨凸台接触；插苗机构继续向下运动20mm，凸台高度应大于20mm，这里选取30mm；插苗机构在凸台的挤压下两边达到平行为宜，因此凸台间距为90mm。对于覆土机构，凸台只需比插苗机构凸台低，使两机构具有时间差即可。因此，根据插苗装置结构设计出导轨尺寸如图4所示。

图4　插苗装置导轨尺寸

根据以上对插苗机构、覆土机构和导轨的设计，最终可得插苗装置的整体布局，如图5所示。

2.4　投苗杯的设计

菜苗的高度一般在100mm左右，宽度50～60mm左右。投苗杯尺寸设计要合适，尺寸太大菜苗容易斜倒在里面，太小则菜苗不会落下。根据菜苗的尺寸，投苗杯尺寸可设计为高度100mm，长和宽都为70mm。投苗杯盖子设在底部，当插苗装置向上运动时，通过推杆打开底部盖子，让苗自动落下；盖子打开后还需要自动闭合，需要在杯子底部设计有弹簧，由弹簧来控制投苗杯的开合。投苗杯安装在链条上，投苗杯宽度大于链条节距时，还需设计链接凸台，避免影响链条的转动。投苗杯整体结构如图6所示。

图5　插苗装置整体布局图

1.杯子　2.拉伸弹簧　3.底盖　4.推板　5.卡环　6.凸台

2.5　整机结构及工作原理

本设计中的大棚蔬菜移栽机整体结构如图7所示。从图7中可以看出：本大棚蔬菜移栽机的动力来源于人力，通过扶手推动整机运动，大车轮随之转动。其轴上安装齿轮传动机构，通过齿轮传动增速，再把动力传递到链传动部分，实现两级增速传动，达到预期的传动比，从而控制菜苗的株距。当动力传递到执行机构时，执行机构运动，即偏心轮机构和空间槽轮机构运动。偏心轮机构通过导槽来固定，使之能实现上下运动，带动插苗装置上下运动，来完成菜苗的插种。当插苗装置向上运动时，传送苗装置处于停歇状态，此时由插苗器上面的推杆自动打开投苗杯，把菜苗投入到插苗器里面，完成接苗动作后插苗器向下运动。此时，传送苗机构开始运动，把空苗杯送出去。插苗器在向下运动时，由于导槽中凸台的挤压作用自动将插苗装置打开，打开的同时在地面开出一个沟，菜苗自动落入到里面，覆土机构完成覆土动作。菜苗栽种完成后，插苗装置向上运动，如此循环。空间槽轮机构在驱动力作用下做间歇运动，从而实现菜苗的传送。空间槽轮机构运动时，带动大链轮旋转，大链轮运动带动链条移动，链条在移动时，固定在链条上的投苗杯随之着移动，大链轮每做1次间歇运动，所带动链条移动的距离为两棵苗的株距，以保证接苗的准确率。小链轮的作用主要是固定链条，使链条不偏移轨道，由传送苗装置来完成菜苗的传送。

1.扶手　2.大车轮　3.链传动　4.空间槽轮机构

3结论

1)本设计中的大棚蔬菜移栽机，改变了以往移栽机的模式，将移栽机小型化，用机器生产替代人工，实现了机械化、半自动化栽植蔬菜。

2)针对目前移栽机耗能过大，设计该手推式移栽机，通过人力来驱动移栽机的运动，节约了能源。

3)该机设计了投苗杯，辅助人员无需坐在移栽机上投苗，可在移栽机旁边进行投苗工作，大大减轻了移栽机的承重。该机推手和投苗杯距离很近，可实现一人操作，在推动移栽机行走的同时，可进行投苗。

参考文献：

[1]陈风，陈永成，王维新．旱地移栽机现状和发展趋势[J].农机化研究，2005(3):24-26.

[2]武科，陈永成，毕新胜.几种典型的移栽机[J]．新疆农机化，2009(3):12-14.

[3]陈明．蔬菜移栽机的发展概况及结构特性[J]．农村牧区机械化，2010(1):29-30.

[4]赵韩,黄康，陈科．机械系统设计[M]．北京：高等教育出版社，2005.

[5]张凯超.大棚蔬菜移栽机的设计[D].蒙自：红河学院，2013.

Design of Greenhouse Vegetable Transplanting Machine

Guo Deweia， Li Lib， Yu Libina， Min Jiea， Zhang Wenbina

(a.College of Engineering; b.College of Bussiness, Honghe University, Mengzi 661199, China)

Abstract：Focusing on the current common vegetable transplanting machine is difficult to use in the limited space of greenhouse, which causes the greenhouse vegetables in during seeding transplanting still rely on artificial. Due to the time consuming and laborious situation, a new greenhouse vegetable transplanting machine is specially designed for the greenhouse. The device is promoting transplanting machine when walking, and driving wheel to rotate through the gear and sprocket two stages gearing up. Then the power is transmitted to the implementing agencies and actuator drives the seeding device and seeding transmission device to plant seeding. This device adopts eccentric mechanism to realize duck mouth shape plug seeding device in the up and down movement, and transferred seeding device cycle intermittent motion is realized in the space of Geneva mechanism. Then the predetermined motion law is achieved by the coordinated action of space of Geneva mechanism with the eccentric wheel mechanism. According to the parameters of the greenhouse, the size of the design of each component is determined, and the CAD and 3D structure are made. On the above bases, the final design of greenhouse vegetables transplanting machine is completed.

Key words：greenhouse vegetable; transplanting machine; seeding plug device; seeding cup

中图分类号：S223.92；TS255

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)12-0132-04

作者简介：郭德伟(1978-)，男，云南通海人，副教授，硕士，(E-mail)28659783@qq.com。通讯作者：张文斌(1981-)，男，云南建水人，教授，博士，(E-mail) georgezwb@sohu.com。

基金项目：云南省中青年学术和技术带头人后备人才项目(2014HB026)；云南省教育厅重点项目(2014Z156)；红河学院中青年学术带头人后备人才项目(2014HB0205)

收稿日期：2015-11-10