蔬菜移栽機氣吹振動復(fù)合式取苗機構(gòu)設(shè)計與試驗

袁 挺 王 棟 文永雙 祝嗣朔 陳 英 譚豫之

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

0 引言

移栽是蔬菜生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，育苗移栽的機械化生產(chǎn)是減輕勞動強度、提高勞動生產(chǎn)率和保證作業(yè)質(zhì)量的關(guān)鍵[1]。目前我國蔬菜仍然以半自動移栽為主，取苗、投苗過程主要靠人工完成，存在效率低、勞動強度大等問題，嚴(yán)重制約我國蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展[2-3]。取苗作業(yè)、投苗作業(yè)的機械化與自動化能夠提高移栽效率、降低勞動強度、提高經(jīng)濟效益，是全自動蔬菜移栽機械發(fā)展的必然趨勢[4]。

發(fā)達國家對育苗移栽技術(shù)的研究起步較早，研制的全自動蔬菜移栽機以大型、多行為主，整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，且國內(nèi)蔬菜種植地塊面積相對較小，沒有與之配套的穴盤和育苗技術(shù)，因此國外機型難以在我國推廣應(yīng)用及批量生產(chǎn)[5-6]。國內(nèi)的全自動移栽技術(shù)發(fā)展相對落后，主要以半自動移栽機為主。取苗機構(gòu)作為全自動移栽機的關(guān)鍵部件，近年來被國內(nèi)學(xué)者廣泛研究，提出插入夾取結(jié)合式[7-17]、頂出式[18-19]、頂出夾取結(jié)合式[20-22]、氣吸式[23]、氣吹式[24]以及其他形式的取苗機構(gòu)方案[25-29]，目前多以插入夾取結(jié)合式和頂出夾取結(jié)合式研究為主，但這兩種取苗方式的取苗機構(gòu)復(fù)雜，行程軌跡規(guī)劃困難，容易造成缽苗的機械損傷，因此，未能在此基礎(chǔ)上研制出相應(yīng)的成熟機型并大規(guī)模推廣使用[30]。

氣吹等取苗方式具有結(jié)構(gòu)簡單、傷苗率低、取苗效率高等特點?，F(xiàn)有的氣吹式取苗機構(gòu)，一般配套特制的苗盤，通過壓縮空氣產(chǎn)生的氣吹力，將缽苗從苗盤吹出。但研究發(fā)現(xiàn)，只通過氣吹的方式，并不能很好地取出缽苗，存在取苗成功率低、能耗巨大、對缽苗基質(zhì)損傷率高等問題。為此，部分學(xué)者采用氣吹與頂出相結(jié)合的取苗方式，先用頂出力打破缽苗與穴盤間的粘結(jié)力，然后用氣吹將缽苗吹出，但此方式也存在定位困難、取苗成功率低等問題。

本文以甘藍苗為移栽對象，設(shè)計一種振動與氣吹相結(jié)合的蔬菜移栽機取苗機構(gòu)，通過理論與試驗分析，完成機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計與參數(shù)優(yōu)選。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

氣吹式取苗機構(gòu)主要由送苗裝置、振動裝置、氣吹裝置等部件組成，整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。與機器配套使用的苗盤由穴苗盤、無紡布育苗袋、缽苗組成，苗盤整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。穴苗盤的苗穴為上下通透的中空圓柱，育苗基質(zhì)與種子放入無紡布育苗袋置于苗穴中進行育苗。振動器固接在振動板下方中心位置，振動板4個邊角下方由4個彈簧固定支撐在機架上，振動過程使缽苗產(chǎn)生一定慣性力，克服一部分缽苗與苗盤之間的摩擦力，穴孔移動到落苗管上方時，氣吹裝置將缽苗吹落至落苗管，振動裝置與氣吹裝置相結(jié)合，共同完成自動取苗投苗工作。

圖1 整機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagrams of seedlings unloading mechanism1.機架 2.落苗管支架 3.吹氣管支架 4.絲杠驅(qū)動電機 5.吹氣管 6.鏈條驅(qū)動電機 7.滑軌 8.側(cè)板 9.振動板 10.帶撥桿鏈條 11.落苗管 12.底板 13.穴苗盤 14.彈簧 15.支架 16.振動器

圖2 苗盤示意圖Fig.2 Schematic of modified seedling tray1.穴苗盤 2.無紡布育苗袋 3.缽苗

圖3 取苗原理圖Fig.3 Principle of seedlings unloading1.振動板 2.待取缽苗 3.吹氣管 4.撥桿 5.穴苗盤 6.底板 7.無紡布包裹缽苗 8.導(dǎo)苗管 9.帶撥桿鏈條 10.振動器 11.彈簧

1.2 工作原理

圖3為氣吹振動復(fù)合式取苗機構(gòu)的取苗原理圖。缽苗在缽體與穴孔內(nèi)壁的摩擦力作用下留在上下通透的穴孔中，將缽苗連同穴盤一起放到鏈條下方的振動板上，每個穴孔位于鏈條上兩個相鄰撥桿之間，在步進電機的帶動下，鏈條順時針旋轉(zhuǎn)，撥桿帶動苗盤向前進給，滾珠絲杠在步進電機的驅(qū)動下間歇正反轉(zhuǎn)，帶動振動板連同穴苗盤一起左右移動，方向如圖1a所示。通過間歇勻速前進和間歇左右移動，機構(gòu)可將每株缽苗精確運送到落苗管的正上方。振動板在振動器的帶動下，依靠4個支撐彈簧，不斷做簡諧振動，帶動苗盤上下振動，缽苗在振動過程中產(chǎn)生慣性力，用以抵消一部分缽體與穴孔內(nèi)壁的摩擦力。當(dāng)缽苗被運送到導(dǎo)苗管正上方時，吹氣管中有向下的氣流吹出，對缽體上表面施加向下的吹力，當(dāng)吹力與振動過程中產(chǎn)生的慣性力與缽苗自身重力的合力大于缽體與穴孔內(nèi)壁的摩擦力時，缽苗即可脫離苗盤豎直落入落苗管中，進而落入栽植機構(gòu)進行移栽。

2 振動過程中苗盤與缽苗力學(xué)模型

以振動板左下角為原點O，水平方向為x軸，豎直方向為y軸，對苗盤單振動周期建立動力學(xué)分析模型，如圖4所示。苗盤整體在振動板的作用下不斷做簡諧振動且受到水平方向鏈條撥桿的均速推力。

圖4 苗盤動力學(xué)模型Fig.4 Dynamic model of seedling tray

振動器帶動整個底板做簡諧振動，不斷帶動苗盤上下振動，位移方程為

y=Asin(ωt)

(1)

對式(1)求導(dǎo)得其速度方程為

(2)

式中A——振動器振幅,mm

ω——振動器角速度，rad/s

t——時間，s

當(dāng)苗盤與振動板的接觸力FN為0時，苗盤被拋起，假設(shè)此時t=B。則此時苗盤豎直向上的速度為vy=Aωcos(ωB)。

以苗盤整體為研究對象，由于振動時間間隔較小，故忽略水平方向所受鏈撥桿推力而產(chǎn)生的均速運動，苗盤整體被拋起后，在較小的時間間隔內(nèi)做以水平方向速度為v0、豎直方向速度為vy的拋體運動，建立如圖5所示直角坐標(biāo)系?？紤]空氣阻力，假設(shè)空氣對拋體的阻力與速度成正比，即

F=-μv

(3)

式中F——空氣阻力, N

μ——空氣阻力系數(shù)

v——拋體速度，mm/s

圖5 苗盤運動軌跡Fig.5 Trajectory of seedling tray

苗盤整體在做考慮空氣阻力的拋體運動時，在任意時刻H均受到重力Mg和空氣阻力F的作用。

由此建立苗盤整體的運動微分方程：

水平方向

(4)

豎直方向

(5)

其中

式中M——苗盤與缽苗總質(zhì)量, g

m——苗盤質(zhì)量，g

mi——單株缽苗質(zhì)量，g

vx——苗盤水平方向速度,mm/s

根據(jù)理論分析，當(dāng)時間t=B時，苗盤與振動板分離，此時苗盤水平方向速度為：vx=v0，豎直方向速度為：vy=Aωcos(ωB)。

通過對式(5)進行定積分

(6)

求得豎直方向苗盤速度隨時間變化規(guī)律為

(7)

苗盤整體被拋起后會在較短的時間內(nèi)落到振動板上，設(shè)缽苗與苗盤在與振動板碰撞前整體速度為v1,碰撞后苗盤速度為v3，苗盤的速度變?yōu)?，即v3=0，缽苗的速度為v2。

由于缽苗與苗盤分離前后，在y軸上沒有受到外力的作用，故沿y軸動量守恒有

Mv1=mv3+(m0+m1+m2+…+m14)v2

(8)

解得缽苗碰撞后的速度v2為

(9)

其中

v1=vy

最終求得缽苗碰撞后的速度v2為

(10)

對式(10)求導(dǎo)，得出碰撞時刻缽苗加速度為

(11)

此時單株缽苗的受力分析如圖6所示。在與振動板碰撞的一瞬間，缽苗與苗盤脫離之前，缽苗受力平衡，由牛頓第二定律得

mig+mia2=Ff

(12)

式中Ff——缽苗與苗盤間的摩擦力,N

圖6 缽苗受力分析Fig.6 Force analysis of seedling

通過受力分析可知，缽苗要想脫離苗盤，要滿足

mig+mia2>Ff

(13)

將式(11)代入整理得

(14)

通過對苗盤進行單周期振動動力學(xué)分析可知，在振動過程中影響苗盤取苗成功率的主要因素為振動器振幅與振動器頻率；通過對苗盤與振動板碰撞分析可知，影響取苗成功率的另一因素為缽苗與苗盤間的摩擦力，而摩擦力是由缽苗基質(zhì)含水率決定的，不同的含水率，缽苗與苗盤之間的摩擦力不同，整體向下的合力也不同，所以基質(zhì)含水率是影響取苗成功率的另一因素。

3 試驗與結(jié)果分析

根據(jù)移栽機構(gòu)取苗原理分析可知，氣吹是影響取苗成功率的重要因素之一，是本文重點研究內(nèi)容。由上述理論模型可知，取苗成功率與缽苗基質(zhì)含水率、振動器振幅和頻率、吹氣氣壓等因素相關(guān)。試驗所選用的振動器為常用的小型工業(yè)振動器，振幅不可調(diào)，恒定為2 mm，所以本試驗只討論振動器的頻率與取苗成功率的關(guān)系，對振幅不作討論。

將缽苗基質(zhì)含水率、振動頻率和吹氣氣壓作為本次試驗的試驗因素，取苗成功率與基質(zhì)破損率為試驗指標(biāo)。

3.1 試驗條件

2018年9月21日至11月21日在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院土槽實驗室進行氣吹振動復(fù)合式取苗機構(gòu)取苗試驗。試驗苗為甘藍苗，品種為中甘21，產(chǎn)自北京通州科技農(nóng)場，育苗盤采用5×3規(guī)格的自制苗盤，苗齡31 d，含水率為17.64%～67.75%。缽苗平均株高98 mm，缽苗展寬79 mm，缽體為圓柱體，直徑為40 mm，缽體高度40 mm。圖7a為試驗缽苗，圖7b為試驗樣機。

圖7 試驗材料與樣機Fig.7 Experimental materials and prototype

試驗設(shè)備為：氣吹振動復(fù)合式取苗機構(gòu)；土壤溫濕度儀(型號：科順達TR-6，工作環(huán)境：-40～80℃，含水率量程：0～100%，精度：±3%)；氣泵空壓機(品牌：奧突斯，功率：800 W，排氣量：60 L/min,容積：18 L，氣壓可調(diào))；小型振動器(品牌：欣恒星，型號：TB-0.28，電壓：220 V/110 V，電流：0.23 A/0.45 A,功率：50 W，振幅：2 mm，頻率：0～60 Hz可調(diào))等。

3.2 試驗評價指標(biāo)

試驗選擇取苗成功率、基質(zhì)破損率為試驗評價指標(biāo)。取苗成功率是指取苗裝置將缽苗從穴盤中取出的株數(shù)占穴盤苗總數(shù)的百分比?；|(zhì)破損率是指取苗裝置對缽苗進行取苗操作后，在此過程中缽苗散落的基質(zhì)質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比。

其中取苗成功率

(15)

基質(zhì)破損率[31]

(16)

式中D——取苗成功缽苗數(shù)量，株

W——缽苗總數(shù)量，株

H——單個缽苗基質(zhì)總質(zhì)量，g

N——吹落之后單個缽苗基質(zhì)總質(zhì)量，g

3.3 單因素試驗

3.3.1不同含水率缽苗的基質(zhì)破損率與吹氣氣壓關(guān)系試驗

在取苗過程中，當(dāng)噴嘴直徑一定時，氣壓決定氣吹力。本文描述的取苗機構(gòu)要求氣壓提供的氣吹力越大越好，但氣壓過高，氣吹力過大時，基質(zhì)破損率也就越大。

為了探究不同含水率缽苗的基質(zhì)破損率與吹氣氣壓之間的關(guān)系，進行不同含水率的氣壓吹苗與基質(zhì)破損率關(guān)系單因素試驗。在噴嘴直徑為4 mm時，對吹氣氣壓取8個水平分別進行試驗，對基質(zhì)的含水率(通過控制缽苗的灌溉水量實現(xiàn))取6個水平進行試驗。分別用不同的氣壓對不同含水率的缽苗進行吹苗試驗，每個水平重復(fù)試驗15次，共48組720次試驗，得到基質(zhì)破損率與吹氣氣壓關(guān)系如圖8所示。

圖8 基質(zhì)破損率與氣壓關(guān)系曲線Fig.8 Relationship curves between damage rate of substrate and air pressure

由圖8可知，不同的基質(zhì)含水率在相同的吹氣氣壓下，基質(zhì)破損率不同，整體上隨著吹氣氣壓的增大而增大。在缽苗基質(zhì)含水率為45.40%時，在不同氣壓下，基質(zhì)破損率整體較低，此時，當(dāng)氣壓小于等于0.55 MPa時，隨著氣壓增加，基質(zhì)破損率未明顯增加，當(dāng)氣壓大于0.55 MPa后，基質(zhì)破損率明顯增加。為了確?；|(zhì)低破損率，當(dāng)噴嘴直徑為4 mm時，選取缽苗基質(zhì)含水率為45.40%、吹氣氣壓為0.55 MPa，此時效果較好。

3.3.2振動頻率與取苗成功率關(guān)系試驗

取苗試驗過程中，當(dāng)缽苗基質(zhì)含水率與吹氣氣壓確定時，振動器振動頻率直接影響最終取苗成功率。為了探究振動器振動頻率對最終取苗成功率的影響，對振動器頻率做單因素試驗。試驗所用的振動器振動頻率為0～60 Hz，分為10擋可調(diào)，每次提升6 Hz。試驗時，選取不同擋位所對應(yīng)的頻率作為試驗水平。

選取缽苗基質(zhì)含水率為45.40%左右的缽苗，噴嘴直徑為4 mm，吹氣氣壓固定為0.55 MPa時，對振動器振動頻率選擇8個水平進行試驗，每個水平重復(fù)試驗5次，結(jié)果如圖9所示。

圖9 取苗成功率與振動頻率關(guān)系曲線Fig.9 Relationship curves between success rate of seedlings unloading and vibration frequency

由圖9可知，隨著振動器振動頻率的增大，取苗成功率增大。當(dāng)振動頻率小于30 Hz時，隨著振動頻率增加，取苗成功率顯著增加，當(dāng)振動頻率大于30 Hz后，取苗成功率未明顯增加。所以當(dāng)振動器振動頻率為30 Hz時滿足取苗要求，此時取苗成功率為86.67%。

3.4 多目標(biāo)正交試驗

3.4.1試驗指標(biāo)與試驗結(jié)果

為了驗證所設(shè)計的氣吸振動復(fù)合式取苗機構(gòu)的實際取苗效果，尋找最佳的參數(shù)組合，將取苗成功率與缽苗基質(zhì)破損率設(shè)為試驗指標(biāo)，根據(jù)前文單因素試驗測得的試驗數(shù)據(jù)，選取缽苗基質(zhì)含水率、吹氣氣壓和振動器振動頻率3個試驗因素進行三因素三水平正交試驗，即選用正交表L9(34)進行試驗設(shè)計與分析，其因素與水平如表1所示。其中，缽苗基質(zhì)含水率的水平通過控制缽苗的灌溉水量實現(xiàn)；吹氣氣壓的水平通過控制氣壓表閥門實現(xiàn)；振動器振動頻率的水平通過控制其自身擋位實現(xiàn)。試驗結(jié)果如表2所示，A、B、C為因素編碼值。

表1 試驗因素水平Tab.1 Experimental factors and levels

3.4.2試驗結(jié)果分析

根據(jù)試驗結(jié)果進行相應(yīng)的極差與方差分析，其中基質(zhì)含水率、吹氣氣壓和振動頻率各水平對取苗質(zhì)量的影響如圖10所示。由圖10可知，各考察因子的極差越大，說明該因子對試驗指標(biāo)的影響越大。這樣確定了影響取苗成功率的因素主次為振動頻率、基質(zhì)含水率、吹氣氣壓，對基質(zhì)破損率影響因素的主次順序為吹氣氣壓、基質(zhì)含水率、振動頻率。

方差分析結(jié)果如表3所示，由方差分析結(jié)果可知振動頻率與基質(zhì)含水率對取苗成功率有顯著影響，吹氣氣壓對基質(zhì)破損率有顯著影響。

通過極差和方差的試驗數(shù)據(jù)分析，綜合各因素對取苗效果的影響及其優(yōu)化組合，按照取苗成功率高、基質(zhì)破損率低的原則，確定A3B1C3為較優(yōu)組合，即缽苗基質(zhì)含水率為55%、吹氣氣壓力0.45 MPa、振動器振動頻率為36 Hz時，綜合取苗效果最佳，此時取苗成功率為92%，基質(zhì)破損率為3.46%。

表2 試驗結(jié)果Tab.2 Experimental results

圖10 各指標(biāo)對取苗效果的影響Fig.10 Effects of factors on seedling quality

表3 方差分析結(jié)果Tab.3 Variance analysis result

注：*表示影響顯著。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種氣吹振動復(fù)合式取苗機構(gòu)，取苗機構(gòu)主要由送苗裝置、振動裝置、氣吹裝置等組成，各部分配合完成自動取苗投苗工作。

(2)建立了苗盤在振動前進時單周期動力學(xué)模型，得出振動器頻率、振幅和基質(zhì)含水率是影響取苗成功率的主要因素。

(3)進行單因素試驗，測得當(dāng)缽苗基質(zhì)含水率為45.40%、吹氣氣壓為0.55 MPa、振動器振動頻率為30 Hz時取苗效果較好。

(4)以取苗成功率和基質(zhì)破損率為試驗指標(biāo)，以缽苗基質(zhì)含水率、吹氣氣壓和振動頻率為試驗因素，對取苗機構(gòu)進行三因素三水平正交試驗。結(jié)果表明，基質(zhì)含水率、振動頻率是影響取苗成功率的顯著因素，吹氣氣壓是影響基質(zhì)破損率的顯著因素。3個參數(shù)的最佳組合為：基質(zhì)含水率55%，吹氣氣壓0.45 MPa，振動頻率36 Hz，在該組合條件下，取苗成功率為92%，基質(zhì)破損率為3.46%，滿足甘藍苗取苗要求。