立體旋轉(zhuǎn)式育秧架設(shè)計(jì)與優(yōu)化

梁 琦，李海亮，汪 春，于海明，嚴(yán)曉麗

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院，廣東 湛江 524000)

0 引言

工廠化育秧是在人工控制的最佳生長環(huán)境條件下規(guī)模化生產(chǎn)秧苗的一種先進(jìn)育秧方式，水稻的工廠化育秧可為后續(xù)的機(jī)械化栽插提供高標(biāo)準(zhǔn)、高品質(zhì)的秧苗，對提高水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)具有積極的作用，因此得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。育秧架用以承托育秧盤，以便在育秧過程中對秧苗進(jìn)行維護(hù)與管理，在工廠化育秧過程中發(fā)揮著重要的作用[4-5]。傳統(tǒng)立式育秧架采用矩形框架式結(jié)構(gòu)，秧盤間彼此緊密層疊羅放，不利于空氣的流通和對溫度、濕度等育秧資源的調(diào)節(jié)與利用；同時(shí)，會造成彼此光線的遮擋[6-7]，導(dǎo)致育秧架上下層秧苗生長素質(zhì)產(chǎn)生差異，降低了秧苗生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化水平，因此需要人工翻盤，增加了勞動強(qiáng)度。

改進(jìn)育秧架結(jié)構(gòu)可有效提高育秧質(zhì)量。李達(dá)發(fā)明了一種“豐”字水稻育秧架，一定程度對秧苗受光、受熱情況進(jìn)行了改善，但降低了育秧面積有效利用率[8]。高立洪發(fā)明了一種依靠秧盤自重實(shí)現(xiàn)秧盤自動翻轉(zhuǎn)的多層育秧架組，有效解決了因光照不均對育秧質(zhì)量造成的影響，然而設(shè)備對傳動系統(tǒng)的潤滑要求較高，保養(yǎng)或維護(hù)不善則會導(dǎo)致工作過程中發(fā)生翻盤的現(xiàn)象[9]。李景柱發(fā)明了一種立體活動育秧苗架，該育秧架水平方向可隨中心軸旋轉(zhuǎn)，有利于作物對光的利用；托盤架之間的高度可以調(diào)節(jié)；日照角大時(shí)中心軸方向仍存在光線遮擋的問題[10]。董學(xué)成發(fā)明了一種旋轉(zhuǎn)式育秧架，有較強(qiáng)的適應(yīng)性；但整機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于維護(hù)與盤位置調(diào)整方便，且托盤機(jī)構(gòu)之間無法改變相對位置，不便于取放秧盤[11]。為了能夠充分利用育秧資源，為工廠化育秧提供高標(biāo)準(zhǔn)的秧苗，本文通過TRIZ理論對育秧架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新，并以3種育秧秧盤的結(jié)構(gòu)尺寸為參考，對關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化，最終確定了整機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)思路

TRIZ是一種解決發(fā)明問題的理論，采用TRIZ理論可以加快發(fā)明創(chuàng)造的進(jìn)程和質(zhì)量[12-15]。本研究利用TRIZ理論中的沖突矩陣解決原理，確定立體育秧架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，以實(shí)現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)的改進(jìn)與優(yōu)化。

為了充分利用大棚的資源，降低生產(chǎn)成本，應(yīng)提高溫室的生產(chǎn)效率，這對育秧架的結(jié)構(gòu)提出了較高的要求。因此，在39(生產(chǎn)率)與36(裝置的復(fù)雜性)之間存在技術(shù)矛盾。育秧過程中希望秧苗能接受充足的光照，以完成干物質(zhì)的積累，因此應(yīng)盡量提高秧盤的受光面積；而育秧大棚的使用面積受到結(jié)構(gòu)和成本的限制無法大幅提高，所以在18(光照度)與5(運(yùn)動物體的面積)之間存在技術(shù)矛盾。查閱沖突矩陣表，在其中截取適合于本研究的子矩陣，如表1所示。

表1 育秧架的矛盾沖突矩陣

對表1中的發(fā)明原理進(jìn)行分析篩選，最終確定有價(jià)值的原則為：17(維數(shù)變化)，19(周期性的作用)，24(中介物)，26(復(fù)制)，其他發(fā)明原則不做多余的介紹。采用原則17(維數(shù)變化)將傳統(tǒng)的平鋪式育秧模式改為立體結(jié)構(gòu)，即采用立體育秧模式。采用原則19(周期性的作用)可將立體育秧架的矩形框架式結(jié)構(gòu)改為可周期回轉(zhuǎn)運(yùn)動的滾筒式結(jié)構(gòu)。秧盤在隨滾筒形育秧架旋轉(zhuǎn)的過程中應(yīng)始終保持水平的狀態(tài)，采用原則24(中介物)在傳動系統(tǒng)中添加偏心輪，可實(shí)現(xiàn)這一效果。為了增加育秧效率，提高大棚內(nèi)土地利用率，采用原則26(復(fù)制)在旋轉(zhuǎn)式育秧架圓周方向盡可能多地布置育秧托盤。通過以上分析可以確定立體旋轉(zhuǎn)式育秧架采用偏心滾筒式結(jié)構(gòu)，育秧架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.支撐板 2.滾輪 3.偏心圓盤 4.偏心輻板 5.右轉(zhuǎn)盤 6.中轉(zhuǎn)盤 7.中心軸 8托盤軸 9育秧托盤 10.左轉(zhuǎn)盤 11.底座

1.2 工作原理

由圖1可知：立體旋轉(zhuǎn)式育秧架主要由轉(zhuǎn)盤、偏心盤、中心軸、支撐板、偏心輻板、滾輪和傳動系統(tǒng)等幾部分構(gòu)成。工作時(shí)，電機(jī)通過鏈傳動帶動育秧架的中心軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動育秧架的3個(gè)轉(zhuǎn)盤和育秧托盤轉(zhuǎn)動。其中，偏心圓盤、偏心輻板和轉(zhuǎn)盤之間構(gòu)成了平行四桿機(jī)構(gòu)，利用平行四桿機(jī)構(gòu)對應(yīng)桿件在運(yùn)動過程中始終保持平行的運(yùn)動特點(diǎn)，可以保證育秧托盤始終保持以水平的姿位繞中心軸轉(zhuǎn)動，既實(shí)現(xiàn)了育秧托盤間相互位置的改變，又避免了托盤發(fā)生翻轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)式育秧架可以保證秧苗對光、氣、溫、濕等資源的綜合利用，有效縮短育秧周期，提高育秧質(zhì)量，也便于工人取放秧盤和對秧苗的管理，不必再進(jìn)行攀高作業(yè)，降低了勞動強(qiáng)度和危險(xiǎn)系數(shù)。

1.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)

立體旋轉(zhuǎn)式育秧架采用組裝方式進(jìn)行連接，整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，方便維護(hù)，育秧托盤可拆卸，便于根據(jù)不同育秧環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。育秧架的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 育秧架的主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 轉(zhuǎn)盤

轉(zhuǎn)盤是育秧托盤的支撐和傳動部件，起到支撐育秧托盤并帶動托盤做圓周運(yùn)動的作用。作為主體部件，轉(zhuǎn)盤直徑?jīng)Q定著育秧架的整體尺寸。

由于旋轉(zhuǎn)式育秧架不必依靠地面的散射光增加底層秧苗的光照強(qiáng)度，因此可以盡量減小離地間隙h，本設(shè)計(jì)約定h=1.5×10-2m。已知溫室的棚高H=4m，通過公式(1)和經(jīng)驗(yàn)最終確定轉(zhuǎn)盤直徑D=3m。

H>D+h

(1)

式中H—溫室的高度(m)；

D—育秧架轉(zhuǎn)盤直徑(m)；

h—離地間隙(m)。

轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)決定著育秧托盤的數(shù)目、布置形式和相對位置關(guān)系，進(jìn)而影響育秧效果和效率。以轉(zhuǎn)盤圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，在轉(zhuǎn)盤邊緣周向孔中心線位置繪制兩相鄰育秧托盤A和B，其中心位置與水平地面夾角分別為α和β，如圖2所示。

圖2 相鄰兩育秧托盤間相互位置關(guān)系

為了為秧苗提供足夠的生長空間，相鄰育秧架間應(yīng)滿足如下關(guān)系，即

式中r—轉(zhuǎn)盤半徑，r=1.5 m；

h—水稻苗高，h=150mm；

Δx—相鄰?fù)斜P之間的角度差(°)。

轉(zhuǎn)盤在轉(zhuǎn)動的過程中，隨著轉(zhuǎn)角的不斷增大，相

鄰?fù)斜P間的縱向間距逐漸減小，橫向間距逐漸增加。為了避免相鄰?fù)斜P之間發(fā)生碰撞，相鄰兩托盤在共面狀態(tài)時(shí)應(yīng)滿足

式中S—育秧托盤的寬度(m)；

α—A托盤與水平地面的夾角(°)；

β-B托盤與水平地面的夾角(°)。

為了盡可能多地布置育秧托盤，減少秧盤間遮光面積，轉(zhuǎn)盤上用于固定托盤軸的周向孔數(shù)目k應(yīng)滿足

式中D—育秧架轉(zhuǎn)盤直徑(m)；

S—育秧托盤的寬度(m)。

由上述公式計(jì)算可得，k=24時(shí)滿足設(shè)計(jì)要求，即旋轉(zhuǎn)式育秧架可布置24個(gè)育秧托盤。

2.2 育秧托盤

2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

育秧托盤用以擺放、承載育秧秧盤，為了保證育秧架具有較強(qiáng)的通用性。育秧過程中能夠保證秧盤的完整性，本研究以國產(chǎn)的塑料毯狀秧盤、日本生產(chǎn)的塑料缽育秧盤和黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)研制的紙質(zhì)缽育秧盤3種常用的水稻育秧秧盤結(jié)構(gòu)尺寸為依據(jù)，對育秧托盤的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。秧盤各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 秧盤的主要技術(shù)參數(shù)

由于育秧盤的寬度均280mm(紙質(zhì)秧盤吸水后會發(fā)生一定的膨脹變形[16])，且目前通用插秧機(jī)秧箱的橫放尺寸為285mm[17]，故設(shè)定托盤的寬度S=285mm。由表3可知，3種秧盤的長度分別為580、600、490mm。為了充分利用空間，設(shè)定單節(jié)托盤的長度L=3m，此時(shí)每行育秧托盤最多可放置塑料毯狀秧盤、塑料缽育秧盤和植質(zhì)秧盤的數(shù)量分別為10、10、12個(gè)。

在育秧托盤底部開設(shè)通槽，可以滿足輕量化設(shè)計(jì)的要求，排除多余的水分，避免秧苗長時(shí)間浸泡在水中發(fā)生爛芽壞種等生理病害；同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)“空氣整根”，達(dá)到促進(jìn)次生根生長、增加根須、培育壯苗的目的[18-20]。育秧托盤三維結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

2.2.2 應(yīng)力分析

育秧托盤是承載秧盤的主體，其強(qiáng)度決定著旋轉(zhuǎn)育秧架整體的安全性與穩(wěn)定性。為了檢驗(yàn)育秧托盤的強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求，對育秧托盤進(jìn)行有限元仿真分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性與合理性。

1)建立有限元模型。建立育秧托盤的三維實(shí)體模型。建模過程中，忽略結(jié)構(gòu)中一些對仿真分析影響不大的圓角、倒角和無關(guān)的孔特征等結(jié)構(gòu)[21]，轉(zhuǎn)換成.igs格式后導(dǎo)入到Ansys中，定義單位為Metric(kg，m，N)，模型材料為Q235，泊松比為0.3，切線模量為6 100MPa，密度為7 850kg/m3。進(jìn)行網(wǎng)格劃分，效果如圖3所示。

2)確定約束條件。選用塑料毯狀秧盤、塑料缽育秧盤和水稻秸稈營養(yǎng)穴盤為育秧載體，按照標(biāo)準(zhǔn)育秧要求進(jìn)行育秧，每組選取20盤秧盤稱取質(zhì)量后取平均值得到秧盤質(zhì)量，通過公式(4)計(jì)算載荷，結(jié)果如表4所示。

圖4 育秧托盤有限元仿真分析結(jié)果

(4)

式中P—育秧盤載荷(Pa)；

m—育秧盤質(zhì)量(kg)；

g—重力加速度，g=9.8m/s2；

S—育秧盤底面積(m2)。

表4 試驗(yàn)用秧盤相關(guān)參數(shù)

按照實(shí)際工作狀態(tài)，在托盤軸兩端添加固定約束，并將所得的載荷最大值以均布的形式施加在托盤的上表面。

2.3 結(jié)果分析

對模型進(jìn)行加載計(jì)算，經(jīng)過有限元分析得到育秧托盤應(yīng)變云圖和應(yīng)力云圖，如圖4所示。由應(yīng)變云圖可知，托盤最大形變量為1.635 4×10-4m，且均布在兩個(gè)區(qū)域，避免了應(yīng)力集中。

由應(yīng)力云圖可知：育秧托盤所受的最大應(yīng)力值為2.546 7MPa。通過公式(5)計(jì)算可知，育秧托盤的許用應(yīng)力[σ]=156.67 MPa。由于最大應(yīng)力值小于許用應(yīng)力值，因此育秧托盤滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

(5)

式中n—材料的安全系數(shù)，n=1.5；

σs—材料的屈服極限，σs=235MPa；

[σ]—材料的許用應(yīng)力(MPa)。

2.4 傳動系統(tǒng)

育秧架傳動系統(tǒng)主要由電動機(jī)、減速器和鏈傳動3部分組成，如圖5所示。育秧架工作時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，通過減速器減速后傳遞給鏈傳動，進(jìn)而通過鏈輪帶動育秧架中心軸轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)育秧架的旋轉(zhuǎn)。

1)電動機(jī)。Y系列三相籠型異步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)[22-23]，因此本設(shè)計(jì)選用Y系列電動機(jī)作為旋轉(zhuǎn)育秧架的動力輸出。計(jì)算可知：電機(jī)實(shí)際功率為1.24kW，符合安裝要求，最終確定電機(jī)型號為YTC561，具體技術(shù)參數(shù)如表5所示。

2)鏈傳動。通過鏈輪設(shè)計(jì)公式計(jì)算得鏈輪尺寸參數(shù)，如表6所示。

1.電動機(jī) 2.聯(lián)軸器 3.二級減速器 4.鏈傳動

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證仿真分析的準(zhǔn)確性，按照試驗(yàn)方案制作育秧托盤并對其進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)證試驗(yàn)，如圖6所示。

試驗(yàn)儀器：BX120—5AA型應(yīng)變片(靈敏系數(shù)為2.08)，WS-USB數(shù)據(jù)采集儀(北京波譜世紀(jì)科技發(fā)展有限公司研制)，SDY2102型靜態(tài)應(yīng)變儀(北戴河實(shí)用電子技術(shù)研究所研發(fā))，其它儀器若干。通過Vib’sys信號采集分析軟件對最終測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

在育秧托盤上共設(shè)定6個(gè)應(yīng)力采集點(diǎn)，具體位置如圖6所示。應(yīng)變片采取1/4橋單片的接線方式。試驗(yàn)前對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，減小應(yīng)變片的位置誤差。在托盤上放置待插秧的水稻育秧盤，在滿載的工況下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，采集5組數(shù)據(jù)，記錄試驗(yàn)結(jié)果取平均值并與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，如表7所示。

表5 電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表6 鏈輪尺寸參數(shù)

圖6 應(yīng)力驗(yàn)證試驗(yàn)

結(jié)果表明：試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相近，最大誤差為8.2%，平均誤差為5.7%。這說明，應(yīng)力分析結(jié)果準(zhǔn)確，建立的育秧架有限元模型和仿真分析過程正確。

表7 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對比分析

4 效率分析

以跨度為15m、高度為4m、長度為80m的溫室為例，旋轉(zhuǎn)式育秧架在溫室內(nèi)的布置形式如圖7所示。

圖 7 溫室內(nèi)育秧架布置圖

秧大田比例是單位面積的秧田與其育出的秧苗可滿足插秧需求的大田面積之間的比值，它是評價(jià)溫室工作效率的重要指標(biāo)。

由式(6)計(jì)算可知，工廠化育秧可將傳統(tǒng)育秧方式的秧大田比例由1：(80～100)提高到1：(130～140)，采用旋轉(zhuǎn)育秧架進(jìn)行育秧后可將秧大田比例提高至1：(160～192)，相比于傳統(tǒng)育秧方式效率提高近1倍，如表8所示。

(6)

式中P—秧大田比值；

X—單棟大棚的育秧盤數(shù)(盤)；

S—單棟大棚的育秧面積，S=0.12hm2；

K—機(jī)插用秧量，K=375盤/hm2。

表8 不同育秧方式秧大田比例情況

Table 8 Proportion of rice paddy field of different methods of raising seedlings

育秧方式秧大田比例常規(guī)水育秧1:(7～8)肥床旱育秧1:(12～15)露地機(jī)插秧1:(80～100)工廠化育秧1:(130～140)采用旋轉(zhuǎn)育秧架育秧1:(160～192)

5 結(jié)論

1)對育秧架結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提出旋轉(zhuǎn)式育秧架設(shè)計(jì)方案。旋轉(zhuǎn)式育秧架能夠充分利用溫室資源，培育標(biāo)準(zhǔn)化秧苗，并可有效降低勞動強(qiáng)度，簡化生產(chǎn)工序。

2)對旋轉(zhuǎn)式育秧架轉(zhuǎn)盤、育秧托盤等關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對育秧托盤進(jìn)行了有限元分析。結(jié)果表明：托盤最大形變量為1.635 4×10-4m，所受最大應(yīng)力為[σ]=156.67 MPa，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，仿真分析結(jié)果準(zhǔn)確。

3)效率分析結(jié)果表明：采用旋轉(zhuǎn)式育秧架育秧可將秧大田比例提高至1：(160～192)，相比于傳統(tǒng)育秧方式提高了近1倍，效果顯著。