番茄鏈?zhǔn)郊埨徝缫圃詸C分離機構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化試驗

韓 霞 陳海濤

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院， 大慶 163319)

0 引言

番茄缽苗機械化移栽是獲得番茄高產(chǎn)的有效途徑之一。紙缽育苗移栽機械化作業(yè)由取苗器完成缽苗分離，并將缽苗送入栽植器，由栽植器將缽苗植入田中，完成缽苗移栽[1-3]。其中紙缽苗分離機構(gòu)是番茄缽苗機械化移栽技術(shù)的核心工作部件，可實現(xiàn)番茄紙缽苗的有序分離，其性能的優(yōu)劣直接決定了番茄缽苗機械化移栽的質(zhì)量和效率。

近年來，國內(nèi)研究者引進國外技術(shù)，結(jié)合國內(nèi)工藝，進一步開發(fā)出一系列功能可靠的半自動化機械。其中，胡子武[4]結(jié)合三七種苗物理特性，提出了釘齒式螺旋式種苗分離方法，并對該分離機構(gòu)進行仿真及試驗優(yōu)化，但未將送苗機構(gòu)與定向栽植機構(gòu)進行匹配。那明君等[5]針對玉米紙筒缽苗移栽機輸送分苗機構(gòu)，采用二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合優(yōu)化方法對其工作參數(shù)進行優(yōu)化試驗，為缽苗自動喂入提供依據(jù)。廖慶喜等[6]設(shè)計了一種油菜紙缽苗移栽機嵌入式氣動取苗機構(gòu)，解決了傳統(tǒng)移栽機機械式取苗結(jié)構(gòu)復(fù)雜問題，但該機構(gòu)為間歇性取苗，制約移栽機工作效率進一步提升。宋玉潔等[7]設(shè)計了一種以鋸齒刃圓盤切割刀為主體的分苗機構(gòu)，為玉米大田移栽提供技術(shù)支持，但在作業(yè)過程中要求輸送機構(gòu)與分離機構(gòu)高度配合，否則導(dǎo)致缽苗被刀刃破壞。賴慶輝[8]、趙作偉等[9-10]設(shè)計了一種甜菜鏈?zhǔn)郊埨徝绶蛛x機構(gòu)，并對其結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)進行優(yōu)化，但該研究只適用于甜菜小缽苗移栽，對于其他作物尚需進一步研究。

本研究針對番茄缽苗機械化移栽過程中紙缽苗破損率較高等問題，以番茄鏈?zhǔn)郊埨徝绺咚佟⒂行?、高效分離為目標(biāo)，設(shè)計一種分離輥角度可調(diào)差速式番茄鏈?zhǔn)郊埨徝缫圃栽囼炁_，試驗分析主要因素對缽苗分離率、紙缽破損率影響規(guī)律，優(yōu)化滿足番茄鏈?zhǔn)郊埨徝绶蛛x率及紙缽破損率要求的參數(shù)組合，以期為設(shè)計高效番茄鏈?zhǔn)郊埨徝缫圃詸C奠定基礎(chǔ)。

1 鏈?zhǔn)郊埨徝缫圃苑蛛x機構(gòu)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)和工作原理

番茄鏈?zhǔn)郊埨徝缫圃栽囼炁_主要由缽苗盤、引出機構(gòu)、分離機構(gòu)、栽植機構(gòu)等組成，如圖1所示。

圖1 鏈?zhǔn)郊埨徝缫圃栽囼炁_結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of chain paper pot seedling transplant1.試驗臺架 2.缽苗盤 3.引出機構(gòu)驅(qū)動電動機 4.引出機構(gòu) 5.分離機構(gòu) 6.角度調(diào)節(jié)機構(gòu) 7.分離機構(gòu)驅(qū)動電動機 8.輸送機構(gòu) 9.落苗管 10.移栽機構(gòu) 11.注土口

鏈?zhǔn)郊埨徝缫浴爸弊中螖[放于苗盤上，引出機構(gòu)由驅(qū)動電動機作為動力輸出，利用引出機構(gòu)與紙缽苗間摩擦力將紙缽苗從秧盤中拉出，輸送至分離機構(gòu)，設(shè)定分離輥筒圓周線速度大于鏈缽苗的引出速度，使鏈缽苗在兩部分差速產(chǎn)生的拉力作用下撕裂拉斷紙缽苗連接部，實現(xiàn)缽苗分離，分離后缽苗由輸送機構(gòu)傳遞至落苗管，落入移栽機構(gòu)完成移栽。

1.2 鏈?zhǔn)郊埨徝缣匦?/h3>

鏈?zhǔn)郊埨徝鐜鐖D2所示。鏈?zhǔn)郊埨徝巛斔瓦^程中應(yīng)保證連接部7和鏈缽掛接部4、8不斷裂，在分離過程中應(yīng)保證連接部7順利斷開，整個運輸過程中紙缽苗筒變形不致?lián)p傷缽苗。

圖2 鏈?zhǔn)郊埨徝鐜ЫY(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of chain paper pot belt1.紙帶 2.紙缽苗筒 3.非水溶性膠條(結(jié)合部) 4.鏈缽始端掛接部 5.分離導(dǎo)引部 6.分離部 7.連接部 8.鏈缽末端掛接部

為使鏈?zhǔn)郊埨徶谱鞴に嚭唵慰煽?，且在作業(yè)過程中便于鏈缽苗從苗盤分離引出，需對鏈?zhǔn)郊埨徝鐜нM行結(jié)構(gòu)合理設(shè)計，根據(jù)番茄苗根系直徑，選取正六邊形紙缽?fù)饨訄A半徑25 mm，結(jié)合部長度25 mm，如圖3和圖4所示。

圖3 鏈?zhǔn)郊埨徟帕蟹桨窮ig.3 Structure diagram of chain paper pot arrangement plans1.紙缽 2.連接部

圖4 紙缽?fù)庑纬叽鏔ig.4 Size of paper pot

1.3 關(guān)鍵部件設(shè)計

分離機構(gòu)是整個移栽系統(tǒng)核心部分，性能可靠的分離機構(gòu)是提升移栽效率、降低缽苗損傷的關(guān)鍵，因此需對分離機構(gòu)相關(guān)部件進行分析。

1.3.1引出機構(gòu)設(shè)計

引出機構(gòu)位于分離機構(gòu)喂入端，是分離機構(gòu)穩(wěn)定高效作業(yè)的前提。首先以引出機構(gòu)為研究對象，分析其對紙缽苗作業(yè)過程，如圖5所示。當(dāng)紙缽苗將進入引出機構(gòu)時，電動機驅(qū)動引出機構(gòu)主動輥筒轉(zhuǎn)動，在摩擦力作用下將紙缽苗從苗盤輸送至分離機構(gòu)。如引出輥筒間距及輥筒半徑過小，易導(dǎo)致紙缽苗在入口處堆積，影響整個移栽機構(gòu)作業(yè)效率。

圖5 引出狀態(tài)下缽苗受力分析Fig.5 Force analysis of pot seedlings under condition of being pulled

為保證紙缽苗順利進入引出機構(gòu)，使輥筒對紙缽苗合外力指向運動方向，應(yīng)有

2f1cosα-2Nsinα-f2>0

(1)

其中

f1=μ1N

(2)

式中f1——引出輥筒與紙缽苗間摩擦力，N

α——分離輪對紙缽苗正壓力與水平方向夾角，(°)

N——分離輪對紙缽苗正壓力，N

f2——紙缽苗與紙缽苗、紙缽苗與苗盤間摩擦力之和，N

μ1——橡膠材料與紙缽苗滑動摩擦因數(shù)

紙缽苗與紙缽苗、紙缽苗與苗盤之間摩擦力之和f2，可通過調(diào)節(jié)苗盤角度使其控制在一定范圍內(nèi)，因此忽略其影響，進一步整理得

μ1>tanα

(3)

由前期理論分析及預(yù)試驗，選擇橡膠作為引出機構(gòu)主要材料，測得其與紙缽苗表面滑動摩擦因數(shù)為0.78，通過式(3)計算得到引出機構(gòu)主動輪對紙缽苗的正壓力與水平方向夾角α最大為38.0°。

引出機構(gòu)主動軸半徑與軸間距關(guān)系如圖6所示，保證α不超過38.0°，半徑與軸距間關(guān)系式為

(4)

式中d——引出機構(gòu)主動軸軸間距，mm

r——引出機構(gòu)主動軸半徑，mm

a——紙缽?fù)饨訄A半徑，mm

圖6 主動軸半徑與軸間距關(guān)系示意圖Fig.6 Relationship diagram between shaft radius and spacing

在實際操作過程中，引出機構(gòu)主動軸半徑越大,施加在紙缽苗上單位面積力越小，因此在尺寸允許情況下可適當(dāng)放大輪直徑，選取主動輪半徑為30 mm，軸間距80 mm，此時主動輪對紙缽苗的正壓力與水平方向夾角的最大值為25.8°，滿足設(shè)計要求。

1.3.2分離機構(gòu)設(shè)計

紙缽苗的分離主要靠其與分離輥筒間摩擦力的作用來實現(xiàn)，因此需在分離輥筒與紙缽苗間施加一定預(yù)緊力。預(yù)緊力過大會使紙缽破損率增加，為使該預(yù)緊力適中，應(yīng)將輥筒傾斜放置，使紙缽苗下端最先受到輥筒與其相對運動產(chǎn)生的摩擦力作用，如圖7所示。當(dāng)摩擦力作用超過紙缽苗下端連接部強度，連接部被逐一撕裂，作用部位逐漸上升。

圖7 分離狀態(tài)下紙缽苗受力分析Fig.7 Force analysis of pot seedlings under condition of being separated

考慮分離輥筒受壓產(chǎn)生的變形，其與紙缽苗作用面積為

(5)

(6)

式中S——分離輥筒與紙缽苗作用面面積，mm2

b——由輥筒變形產(chǎn)生的截面弦長，mm

β——分離輥筒軸線與重力方向偏轉(zhuǎn)角，(°)

R——分離輥筒半徑，mm

D——分離輥筒軸間距，mm

輥筒與紙缽苗作用發(fā)生擠壓變形，如圖8所示，此時輥筒對紙缽苗的正壓力為

(7)

輥筒對紙缽苗的撕扯力為

F1=2μ2N2cosβ

(8)

式中F1——分離機構(gòu)對紙缽苗撕扯力，N

μ2——海綿材料與紙缽苗的滑動摩擦因數(shù)

N2——分離輥筒對紙缽苗正壓力，N

E——海綿彈性模量，MPa

θmax——輥筒對缽體壓力分布中心與邊緣夾角

圖8 輥筒受力變形分析Fig.8 Deformation analysis of roller

前期試驗得鏈?zhǔn)郊埨徝缙骄蛛x力為6.7 N，每兩個紙缽苗之間有4個連接部，計算得每個連接部分離力為1.68 N，為確保每個連接部有效分離，分離機構(gòu)對紙缽苗的撕扯力F1最小為2 N。結(jié)合式(7)和式(8)計算得出分離輥筒軸線與重力方向偏轉(zhuǎn)角β取值范圍在10°～23°。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料與設(shè)備

試驗材料：番茄鏈?zhǔn)郊埨徝缭诤邶埥艘晦r(nóng)墾大學(xué)綠化中心基地培育，每冊72株，紙缽內(nèi)土壤平均含水率為31.7%，平均單缽苗質(zhì)量為77.4 g。

試驗儀器與設(shè)備：游標(biāo)卡尺；土壤溫濕度測量儀，北京恒奧德儀器儀表有限公司，測量含水率范圍：0～100%；電子秤，樺利泰電子衡器有限公司，量程0～300 kg；非接觸式轉(zhuǎn)速計，優(yōu)利德電子有限公司，量程0～9 999 r/min；秒表精度為0.01 s。番茄鏈?zhǔn)郊埨徝缫圃栽囼炁_如圖9所示。

圖9 番茄鏈?zhǔn)郊埨徝缫圃栽囼炁_Fig.9 Test-bed of tomato chain paper pot seeding transplant1.電控系統(tǒng) 2.引出機構(gòu) 3.分離機構(gòu) 4.栽植機構(gòu)

2.2 試驗設(shè)計與方法

影響移栽過程中缽苗分離率、紙缽破損率的主要因素為引出速度、分離輪與引出輪速比、分離輪傾角。運用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗方法，選取引出速度x1、分離輪與引出輪速比x2、分離輪傾角x3為試驗因素，以缽苗分離率、紙缽破損率為評價指標(biāo)實施試驗，通過理論分析并結(jié)合前期預(yù)試驗確定各因素水平范圍。試驗因素編碼如表1所示，每組試驗重復(fù)10次，取其平均值作為試驗結(jié)果。

表1 試驗因素編碼Tab.1 Experiment factors coding

番茄鏈?zhǔn)郊埨徝绺咚?、有序、高質(zhì)分離性能通過缽苗分離率、紙缽破損率來評價。缽苗分離率y1i是指第i組被完全分離成單個缽苗數(shù)占該組缽苗樣本數(shù)的百分比。分離率越大則表示番茄鏈?zhǔn)郊埨徝缫圃苑蛛x機構(gòu)工作效率越高。紙缽破損率y2i是指第i組試驗紙缽破損數(shù)占該組缽苗樣本數(shù)的百分比，用來評價分離機構(gòu)對缽苗的破壞程度。

(9)

(10)

式中ai1——第i組試驗被分離開的紙缽苗數(shù)，個

bi1——第i組試驗所用紙缽苗總數(shù)，個

ai2——第i組試驗紙缽破損數(shù)，個

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Design-Expert 6.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理和統(tǒng)計分析。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果如表2所示，X1、X2、X3為因素編碼值。

3.2 回歸模型建立與顯著性分析

對缽苗分離率試驗結(jié)果進行方差分析，如表3所示，在信度α為0.05的條件下，缽苗分離率的二次回歸模型極顯著(P<0.01)，回歸模型失擬項不顯著(P=0.246 8)，回歸方程的決定系數(shù)R2為0.969 8，說明回歸方程的預(yù)測值與實際值擬合良好。所得回歸方程為

(11)

對紙缽破損率試驗結(jié)果進行方差分析，在信度α為0.05的前提下，紙缽破損率二次回歸模型極顯著(P<0.01)，回歸模型失擬項不顯著(P=0.088 2)，回歸方程的決定系數(shù)R2為0.973 2，說明回歸方程的預(yù)測值與實際值擬合良好。所得回歸方程為

(12)

表2 試驗結(jié)果Tab.2 Test results

表3 方差分析Tab.3 Variance analysis

注：P<0.01為極顯著，0.01

3.3 各因素對指標(biāo)影響分析

3.3.1各因素對性能指標(biāo)影響分析

參考多元二次回歸中各因素對指標(biāo)影響計算方法[9]，判定各試驗因素對各項指標(biāo)的影響程度，結(jié)果如表4所示。

表4 各因素對性能指標(biāo)的因素貢獻率Tab.4 Contribution ratio of each factor toperformance index

3.3.2各因素對性能指標(biāo)交互作用影響分析

結(jié)合方差分析結(jié)果(表3)，研究各因素對性能指標(biāo)交互作用影響規(guī)律，可知引出速度和分離輪與引出輪速比對缽苗分離率影響顯著(P<0.05)，如圖10a所示，當(dāng)分離輪與引出輪速比一定，缽苗分離率隨著引出速度的增加呈先增大后減小趨勢；當(dāng)引出速度較小時，缽苗分離率隨著分離輪與引出輪速比呈先增大后減小趨勢，但分離效果較差，分離率小于85%。當(dāng)引出速度處于中間水平范圍內(nèi)，分離輪與引出輪速比較小時，此時缽苗分離率較優(yōu)；當(dāng)引出速度較大時，缽苗分離率隨著分離輪與引出輪速比呈先增大后減小趨勢，但分離效果隨之下降。由上述規(guī)律分析可知，當(dāng)引出速度較小時，引出系統(tǒng)中番茄缽苗隨輸送帶運動較慢，上一缽苗完成分離動作后，下一缽苗還未輸送至分離機構(gòu)，不能滿足缽苗的連續(xù)供應(yīng)。當(dāng)引出速度過高時，缽苗隨輸送帶運動過快，使得缽苗在分離機構(gòu)處發(fā)生堆積，致使分離效果不穩(wěn)定。引出速度與分離輪傾角的交互作用對缽苗分離率影響顯著(P<0.05)。如圖10b所示，當(dāng)引出速度一定，缽苗分離率隨著分離輪傾角呈先增大后減小趨勢；當(dāng)分離輪傾角一定，缽苗分離率隨著引出速度呈先增大后減小趨勢。引出速度與分離輪傾角的交互作用對紙缽破損率影響極顯著(P<0.01)。如圖10c所示，當(dāng)引出速度一定，紙缽破損率隨著分離輪傾角呈先減小后增大趨勢；當(dāng)分離輪傾角一定，紙缽破損率隨著引出速度呈先減小后增大趨勢。進一步分析可知，為得到較優(yōu)分離效果，同時保證較低紙缽破損率，需在分離輥筒與紙缽苗之間施加一定預(yù)緊力，為減小該預(yù)緊力對紙缽造成的破壞，應(yīng)適當(dāng)增大分離輪傾角，使得紙缽苗下端最先受到輥筒與其相對運動產(chǎn)生的摩擦力作用，超過紙缽苗下端連接部強度，造成連接部斷裂，但當(dāng)分離輪傾角較大時，則會造成紙缽苗與分離輥接觸面積減小，紙缽苗受力不均，使得缽體破損率上升。

圖10 各試驗因素交互作用對性能指標(biāo)影響的響應(yīng)面Fig.10 Response surfaces exhibiting effects of test factors on performance indexes

3.4 參數(shù)優(yōu)化與驗證試驗

根據(jù)番茄鏈?zhǔn)郊埨徝缫圃宰鳂I(yè)要求，以缽苗分離率最大、紙缽破損率最小為優(yōu)化目標(biāo)，在引出速度6.75～11.25 m/min，分離輪與引出輪速比2.5～5.5，分離輪傾角13°～21°約束條件下進行優(yōu)化，結(jié)果如圖11所示。在分離輪傾角為18°時，引出速度為8～10 m/min，分離輪與引出輪速比為2.5～4.6的參數(shù)組合條件下可滿足優(yōu)化要求。

圖11 工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果Fig.11 Optimum result of technology parameters

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對其進一步進行臺架試驗驗證，結(jié)果如表5所示，所得缽苗分離率均在90%以上、紙缽破損率均小于5%，試驗結(jié)果滿足番茄鏈?zhǔn)郊埨徝缫圃宰鳂I(yè)要求。

表5 驗證試驗結(jié)果Tab.5 Verification result

4 結(jié)論

(1)設(shè)計優(yōu)化了一種分離輥角度可調(diào)差速式番茄鏈?zhǔn)郊埨徝缫圃栽囼炁_，能夠?qū)崿F(xiàn)番茄鏈?zhǔn)郊埨徝绺咚?、有序、高效分離。

(2)所設(shè)計的一種分離輥角度可調(diào)式番茄鏈?zhǔn)郊埨徝绶蛛x機構(gòu)，各因素對缽苗分離率的影響由大到小依次為分離輪傾角、引出速度和分離輪與引出輪速比；對紙缽破損率的影響由大到小依次為分離輪與引出輪速比、引出速度和分離輪傾角。

(3)在分離輪傾角為18°，引出速度為8～10 m/min，分離輪與引出輪速比為2.5～4.6的參數(shù)組合條件下，分離輥角度可調(diào)式番茄鏈?zhǔn)郊埨徝绶蛛x機構(gòu)可以實現(xiàn)缽苗分離率大于90%、紙缽破損率小于5%的設(shè)計要求。

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