穴盤自動清洗裝置性能試驗研究

高原源，趙春江，王 秀，范鵬飛

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室，北京 100081；4.農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100097)

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穴盤自動清洗裝置性能試驗研究

高原源1,2,3,4，趙春江1,3，王 秀2,4，范鵬飛2,4

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室，北京 100081；4.農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100097)

工廠化育苗作業(yè)中，穴盤再次使用前需進(jìn)行清洗消毒，以免影響種子出苗質(zhì)量。物理水壓沖洗是目前公認(rèn)的最科學(xué)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的方法，適宜的清洗條件既能保證在較高效率下達(dá)到最優(yōu)的清洗效果，也可盡量地減小水壓對穴盤的沖擊損傷。為研究穴盤自動清洗裝置清洗性能，優(yōu)化最佳清洗參數(shù)，在前期裝置設(shè)計基礎(chǔ)上，完成試驗裝置研制。通過分析裝置工作原理，定義清洗潔凈率為評價指標(biāo)，以清洗次數(shù)、清洗速度和清洗壓力為試驗因素，進(jìn)行了三因素三水平正交試驗。結(jié)果表明：影響清洗潔凈率的主次因素依次為清洗次數(shù)、清洗壓力、清洗速度。當(dāng)清洗次數(shù)6次、清洗速度15Hz(900盤/h)、清洗壓力500kPa時，清洗性能最佳，清洗潔凈率達(dá)98.56%。本試驗為穴盤清洗裝置工作參數(shù)的確定和結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化提供了理論參考依據(jù)。

工廠化育苗；穴盤清洗；清洗性能；參數(shù)優(yōu)化

0 引言

隨著當(dāng)前人們環(huán)保與節(jié)能意識的增強(qiáng)，穴盤的重復(fù)利用受到大多育苗企業(yè)的重視。已使用過的穴盤中，可能含有一些有害的病原菌或蟲卵等[1-2]，未經(jīng)消毒情況下再次使用會造成種子感染，影響種子的出苗質(zhì)量[3]。傳統(tǒng)人工清洗消毒方式是先手工洗刷基質(zhì)，待晾曬干后放入600倍多菌靈或800～1 000倍殺滅爾等殺菌劑中浸泡消毒[4]，最后清水洗滌消毒液并自然干燥。作為其中主要環(huán)節(jié)，人工清洗基質(zhì)勞動強(qiáng)度大、效率低，且因手工不易掌握刷洗力度，容易損壞穴盤，而物理水壓沖洗是目前公認(rèn)的最科學(xué)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的方法[5-7]。

當(dāng)前，在穴盤清洗裝置的研究方面，國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)或設(shè)備較少，相較而言，國外穴盤育苗技術(shù)起源早、發(fā)展時間長[8-9]，相應(yīng)配套研發(fā)的穴盤清洗裝置技術(shù)成熟、設(shè)備齊全、商品化程度高。根據(jù)穴盤喂入方式，穴盤清洗裝置主要分為水平式和豎直式兩種。水平式穴盤清洗機(jī)是將穴盤水平放置在傳送帶上，并被帶入清洗艙。清洗噴嘴交錯布置在穴盤上下左右4個方向，清洗液在水泵作用下，以一定水壓經(jīng)噴嘴噴出，清洗穴盤上殘留基質(zhì)，再經(jīng)后續(xù)干燥，完成整個清洗過程[10]。這種方式清洗效果好，配合清洗前后的自動分盤和摞盤裝置，自動化程度高、清洗效果顯著，但清洗掉的基質(zhì)受穴孔底部開孔大小所限，不易流出，且對傳送槽尺寸要求較高。豎直式則是將穴盤豎直喂入清洗艙，布置在穴盤兩側(cè)的清洗噴嘴對穴盤進(jìn)行清洗。這種方式清洗噴嘴布置簡單，清洗過后的基質(zhì)直接從穴孔流出，對穴孔底部是否開孔無要求，適應(yīng)性強(qiáng)；但這種方式需手工喂盤，自動化程度低。

實際清洗過程中，清洗性能好壞與清洗速度、清洗水壓等息息相關(guān)，較優(yōu)的清洗參數(shù)組合下，既能保證最大的清洗潔凈率，也可盡量地減小水壓對對穴盤的沖洗損傷。為此，本文在分析清洗裝置工作原理基礎(chǔ)上，利用自行研制的豎直式穴盤自動清洗裝置進(jìn)行了穴盤清洗性能試驗，定義清洗潔凈率為評價指標(biāo)，探究影響清洗性能因素的主次順序。同時，借助Excel軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理優(yōu)化，得出最佳清洗參數(shù)組合，為穴盤清洗裝置工作參數(shù)的確定和結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計提供理論參考依據(jù)。

1 試驗裝置

1.1 總體結(jié)構(gòu)

穴盤自動清洗裝置主要由機(jī)架、循環(huán)水箱、水泵、直立噴管、清洗噴嘴、傳送帶、風(fēng)機(jī)、吹風(fēng)噴嘴和控制箱等組成如圖1所示。裝置整體長×寬×高=3.2m×1.0m×1.3m；運行功率5.78kW，工作電壓380V，清洗壓力0～500kPa，速度、水壓連續(xù)可調(diào)；水箱容積330L。

1.循環(huán)水箱 2.機(jī)架 3.水泵 4.過濾器 5.壓力變送器 6.控制機(jī)構(gòu) 7.風(fēng)機(jī) 8.吹風(fēng)噴嘴 9.減速電機(jī) 10.防水罩 11.直立噴管 12.穴盤 13.扶持導(dǎo)軌 14.傳送帶

1.2 工作原理

工作時，穴盤豎直放置在傳送帶上，在傳送帶上撥片帶動下依次進(jìn)入清洗艙，循環(huán)水箱中過濾后的清水經(jīng)水泵和直立噴管到達(dá)清洗噴嘴，以一定壓力扇形噴霧形式?jīng)_洗穴盤；穴盤兩側(cè)的扶持導(dǎo)軌可保持穴盤傳送方向和沖洗過程中的受力平衡；穴盤經(jīng)過6道清洗后到達(dá)穴盤干燥系統(tǒng)，在風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)力干燥后，最終完成整個清洗過程。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗樣機(jī)如圖2所示。試驗所用穴盤為105孔PS吸塑盤，規(guī)格尺寸為540mm×280mm，厚度1mm，穴盤處理所用基質(zhì)為育苗常用草炭，粒徑5～40mm，pH值5.5～6.5，濕度35%～55%。

2.2 試驗方法

為更好地模擬實際作業(yè)狀況，試驗之前需對穴盤進(jìn)行如下處理：首先，取一批干凈穴盤，分別稱重；然后將浸濕充分的基質(zhì)依次填滿穴盤，并置于陽光下晾曬處理(見圖3)；同時，為保證基質(zhì)充分粘結(jié)，每2h對基質(zhì)撒水浸濕，重復(fù)3次后將穴盤輕輕翻轉(zhuǎn)，倒出穴孔中基質(zhì)；繼續(xù)晾曬穴盤，直至穴孔固結(jié)基質(zhì)干燥充分，分別稱重。為盡量減小試驗誤差，對于質(zhì)量較輕的穴盤，可向其穴孔中添加部分基質(zhì)，使穴盤上的基質(zhì)質(zhì)量相差在1g左右，記錄此時每個穴盤的質(zhì)量m0。最后，依此打開清洗機(jī)構(gòu)與傳送機(jī)構(gòu)開關(guān)，待兩者穩(wěn)定后將穴盤放上傳送帶進(jìn)行沖洗；沖洗、干燥完畢后，將穴盤放入到陽光下晾曬，曬干稱重為m1，計算每個穴盤清洗潔凈率，公式為

(1)

式中m—干凈穴盤質(zhì)量(g)；

m1—清洗曬干后穴盤質(zhì)量(g)；

m0—清洗前穴盤質(zhì)量(g)。

圖3 試驗準(zhǔn)備

2.3 試驗設(shè)計

2.3.1 評價指標(biāo)

為保證穴盤的可重復(fù)利用，應(yīng)使穴盤在清洗消毒后直觀上表面不殘留基質(zhì)、微觀上無有害病原菌或蟲卵，且清洗過后穴盤不損傷。本試驗只針對清洗環(huán)節(jié)，消毒環(huán)節(jié)暫不考慮，故僅以直觀上的穴盤清洗潔凈率，也即以干凈穴盤試驗前后沖洗掉基質(zhì)百分比為評價指標(biāo)。

2.3.2 影響因素

本試驗旨在測試樣機(jī)清洗性能。根據(jù)預(yù)實驗分析可知：在固定噴頭最佳沖洗距離情況下，穴盤清洗速度和清洗水壓直接影響著穴盤清洗效果；此外，對本裝置而言，穴盤的清洗次數(shù)同樣與清洗效果息息相關(guān)。為此，本試驗以穴盤清洗速度、水泵輸出壓力和穴盤清洗次數(shù)為試驗因素，探究相關(guān)因素對穴盤清洗潔凈率影響的主次關(guān)系，并得出最佳清洗參數(shù)。

一般而言，清洗次數(shù)越多、清洗壓力越大、清洗速度越慢，則穴盤清洗越干凈；但過大的清洗壓力、過多清洗次數(shù)或清洗速度過慢，會造成穴盤損傷，對清洗效果無益。根據(jù)實際生產(chǎn)要求，設(shè)定穴盤清洗速度在500～1 200盤/h范圍內(nèi)，對應(yīng)變頻器頻率調(diào)節(jié)范圍為10～20Hz，因此選定的清洗速度水平為10、15、20Hz。對清洗壓力因素而言，水泵輸出壓力過大時易損壞穴盤，過小時不易沖洗干凈穴盤。綜合考慮較強(qiáng)沖洗能力和不傷穴盤等因素，選定清洗壓力分別為300、400、500kPa。清洗次數(shù)則根據(jù)裝置設(shè)計選定為2、4、6等3個水平，試驗過程中通過對直立噴管套塑料袋阻擋來實現(xiàn)清洗次數(shù)調(diào)節(jié)。

2.3.3 方案設(shè)計

根據(jù)評價指標(biāo)和影響因素，考慮實際工作狀況，選擇清洗次數(shù)、清洗速度和清洗壓力3個因素作為試驗因素，以清洗潔凈率為評價指標(biāo)，選用L9(34)正交試驗方案進(jìn)行清洗試驗[11-12]，因素水平表如表1所示。其中，根據(jù)正交試驗方案進(jìn)行9組試驗，每組試驗清洗3個穴盤，最終潔凈率取3個穴盤平均值。

表1 因素水平表

B中的10、15、20Hz分別對應(yīng)500、900、1200盤/h。

3 結(jié)果與討論

3.1 試驗結(jié)果

清洗性能正交試驗方案及試驗結(jié)果如表2所示。

表2 清洗試驗結(jié)果

續(xù)表2

由表2可以看出：清洗次數(shù)6次的清洗潔凈率明顯高于其他組。這說明，清洗次數(shù)對潔凈率影響較為顯著。由3號試驗最大潔凈率95.17%可以看出：最大清洗次數(shù)和清洗壓力情況下，增大清洗速度(即減少清洗時間)，仍可提高清洗潔凈率。這說明，清洗速度對潔凈率影響較小。

3.2 極差分析

根據(jù)表2清洗試驗結(jié)果，借助Excel軟件得到極差分析結(jié)果，如表3所示。由表3中極差分析可知：清洗次數(shù)A、清洗速度B和清洗壓力C的極差R分別為70.94、14.20、29.17。由RA>RC>RB可知：對清洗潔凈率影響的主次因素依次為清洗次數(shù)、清洗壓力、清洗速度。此外，空白列極差R=12.23，小于其他3個因素極差，可知本試驗因素之間交互作用可忽略，且未漏掉對試驗結(jié)果影響較大因素。

表3 性能試驗極差分析

為更直觀表征因素水平與試驗指標(biāo)的關(guān)系，以因素水平為橫坐標(biāo)，試驗指標(biāo)平均值ki為縱坐標(biāo)，得出如圖4所示因素水平趨勢圖。

由圖4可以看出：清洗次數(shù)與清洗潔凈率成正比，即多次清洗可以達(dá)到更好清洗性能。清洗次數(shù)4次以下時，清洗次數(shù)增多，潔凈率顯著增大；超過4次清洗后，清洗次數(shù)對清洗性能促進(jìn)作用減小。同時，也可以看出：清洗速度與清洗潔凈率成反比，清洗壓力與潔凈率成正比，即在給定因素水平范圍內(nèi)，清洗速度越小，清洗壓力越大，清洗性能越好。這是由于較長的清洗時間和較大的清洗水壓，能更有效地清洗穴盤中的殘留基質(zhì)。綜合考慮各因素對潔凈率影響程度，可得出最優(yōu)參數(shù)組合方案為A1B1C3。

圖4 因素水平趨勢圖

3.3 方差分析

根據(jù)試驗結(jié)果，運用方差分析可得結(jié)果如表4所示。F檢驗結(jié)果表明：清洗次數(shù)A對清洗潔凈率影響顯著，為主要因素；清洗速度B和清洗壓力C對試驗指標(biāo)影響不顯著，可劃為次要因素；同時，兩者對清洗潔凈率影響C>B，與極差分析結(jié)果一致。因此，在對最優(yōu)參數(shù)組合選擇時，優(yōu)先選擇清洗次數(shù)6次。

表4 清洗性能試驗方差分析

F0.05(2,2)=19，F(xiàn)>19代表顯著。

3.4 方案優(yōu)化

根據(jù)極差分析可知：清洗潔凈率的最優(yōu)參數(shù)組合為A1B1C3。但此時的穴盤清洗速度只有500盤/h，難以滿足實際作業(yè)時對清洗效率的需求，考慮到清洗速度和清洗壓力為次要因素，其水平變動對試驗指標(biāo)影響較小。綜合清洗效率和清洗性能，最終選擇清洗次數(shù)6次、清洗壓力500kPa、清洗速度15Hz(即900盤/h)作為最優(yōu)參數(shù)組合。由于該組合未在正交試驗中體現(xiàn)，需對方案進(jìn)行試驗驗證。如上試驗內(nèi)容所述，重新對3個穴盤進(jìn)行相同處理，在最優(yōu)參數(shù)下對穴盤清洗，計算3個穴盤清洗潔凈率平均值，試驗結(jié)果如表5所示。

表5 優(yōu)化方案結(jié)果

試驗表明：A1B2C3組合下清洗潔凈率為98.56%，高于正交試驗其他組合；此時，穴盤肉眼觀察干凈無基質(zhì)，滿足最優(yōu)參數(shù)組合，達(dá)到清洗性能需求。

4 結(jié)論

1)在分析清洗裝置工作原理基礎(chǔ)上，利用自行研制的豎直式穴盤自動清洗裝置進(jìn)行了穴盤清洗性能試驗，裝置滿足設(shè)計需求，實現(xiàn)了對穴盤的自動清洗，清洗效率高、效果好。

2)對裝置進(jìn)行清洗性能正交試驗，結(jié)果表明：影響清洗潔凈率的主次因素依次為清洗次數(shù)、清洗壓力、清洗速度。

3)在給定的因素水平上確定了最優(yōu)清洗性能參數(shù)組合為清洗次數(shù)6次，清洗速度15Hz(900盤/h)，清洗壓力500kPa，此時的清洗潔凈率為98.56%，滿足育苗穴盤重復(fù)利用清洗需求。

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Performance Test of Auto-washing Device for Seedling Tray

Gao Yuanyuan1,2,3,4, Zhao Chunjiang1,3, Wang Xiu2,4, Fan Pengfei2,4

(1.College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2.National Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture,Beijing 100097,China;3.Key Laboratory of Agri-informatics, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China; 4.Beijing Key Laboratory of Intelligent Equipment Technology for Agriculture, Beijing 100097, China)

As there may be some harmful pathogenic bacteria or eggs in the used trays and it’s harmful to the plug seedling growth, the trays must be washed out and sterilized before reusing in factory seedling.Physical water pressure washing is the most scientific, economical and environmentally method at present, which can ensure the best washing effect under high efficient work, and can reduce the damage of water pressure to the trays. In order to study the washing performance of the automatic washing device for seedling tray and optimize the washing parameters, a device was developed based on the preliminary design. By analyzing the working principle of the device, an orthogonal test of three factors and three levels was carried out. In the test, the clean rate was defined as the evaluation index, and the washing times, the washing speed and the washing pressure were tested. The results showed that the primary and secondary order of the effects of every factor on washing effect was the washing times, washing pressure, and washing speed. The washing times had a significant effect on the washing effect and the effect of the washing pressure and washing speed on the washing per formance was small. The more washing times, higher washing pressure and slower washing speed was better for the washing effect. Besides, at a given level, the optimal combination of the washing device was using the 6 washing times, washing speed of 900 disc/h and washing pressure of 5 bar. The clean rate was 98.56%, which met the washing requirements of plug seedling growth. This test provided a theoretical reference for the selection of optimal working parameters and the optimizing design of structural parameters of the washing device for seedling tray.

factory seedling; tray washing; washing performance; parameter optimization

2015-12-08

北京市科技創(chuàng)新能力建設(shè)專項(KJCX20151410)

高原源(1989-)，男，河南信陽人，碩士研究生，(E-mail)gaoyy0910@foxmail.com。

趙春江(1964-)，男，河北定興人，研究員，博士生導(dǎo)師，(E-mail)zhaocj@nercita.org.cn。

S223.1

A

1003-188X(2017)02-0143-05