蔬菜育苗基質(zhì)塊成型機設計與試驗*

趙威，崔志超，管春松，陳永生, 2，楊雅婷，高慶生

(1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京市，210014； 2. 江蘇現(xiàn)代園藝工程技術中心，江蘇鎮(zhèn)江，212400)

0 引言

育苗移栽作為蔬菜生產(chǎn)中的關鍵環(huán)節(jié)，是提高蔬菜生產(chǎn)綜合效益的關鍵技術措施之一。隨著我國育苗產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，形成了多種育苗方法和培育壯苗的技術[1-2]。基質(zhì)塊育苗相比穴盤苗育苗、裸苗育苗等能更好的保護根系、提供更多的營養(yǎng)、并且基質(zhì)塊體態(tài)相對規(guī)則，更適用于快速移栽[3]。

國外對于育苗的研究始于20世紀50年代，設備先進，配套設施完善；到20世紀80年代，已經(jīng)形成了完整的機械化育苗體系，如美國Blackmore公司開發(fā)出用于蔬菜和花卉室內(nèi)育苗系統(tǒng)，美國Venture公司生產(chǎn)的育苗播種生產(chǎn)線；日本蔬菜育苗SBM-550S型營養(yǎng)制缽機，可以實現(xiàn)上料制缽、播種一體化，最后送入育苗箱培育[4]。

我國對于基質(zhì)塊成型機械的研究始于20世紀70年代[5]，隨著科技進步，基質(zhì)塊成型機械有所發(fā)展，大大降低了育苗過程中人工勞動強度，但仍存在機械化水平低，壓制過程中壓力難以控制，缽體不均勻、硬度差，秧苗種類適應性差等問題，不能很好的適應生產(chǎn)作業(yè)需求[6-8]。近些年來，育苗制塊技術逐漸向機械化、工廠化及標準化方向發(fā)展，形成流水線式的育苗工廠，故而更加需要能夠穩(wěn)定作業(yè)、成型效果佳的基質(zhì)塊成型機械。

為此，本文針對目前基質(zhì)塊加工用工量大、人工作業(yè)質(zhì)量差及設備配套不足等現(xiàn)狀問題，設計并研制一種方體基質(zhì)塊成型機，同時開展試驗研究，以期為基質(zhì)塊成型加工流水線研發(fā)或優(yōu)化提供參考。

1 整機結構與原理

1.1 結構組成

以立方體的基質(zhì)塊(棱長尺寸為40 mm)為研究對象，開發(fā)一種半自動式蔬菜育苗基質(zhì)塊成型機，實現(xiàn)自動鋪土、壓塊、投塊、輸送等功能。整機結構組成如圖1所示，主要由機架、傳動桿、料斗、壓塊桿、投塊桿、缽盤、輸送帶等組成，整機由電機提供動力，其中機架坐落于可移動的支撐輪上，機架內(nèi)部安裝有電機和齒輪箱，齒輪箱上方安裝料斗，料斗下方安裝針輪及缽盤，缽盤上方安裝壓塊桿及投塊桿，最后由輸送帶將壓好的基質(zhì)塊輸出。

圖1 蔬菜育苗基質(zhì)塊成型機結構簡圖

1.2 工作原理

整機工作時，料斗內(nèi)的基質(zhì)隨著攪拌桿的轉動落入缽盤缽孔內(nèi)，同時與攪拌桿同軸上的針輪撥動缽盤上的星輪作間歇轉動，將基質(zhì)轉到壓塊桿和投塊桿對應缽盤的工作位置；壓塊桿和投塊桿位于同一平面與缽盤垂直，傳動桿帶動壓塊桿和投塊桿沿著軌道上下運動，實現(xiàn)缽盤內(nèi)基質(zhì)的壓實和投出，被投出的基質(zhì)塊，落到間歇運動的輸送帶上，將基質(zhì)塊間歇輸出。

表1 結構參數(shù)及工作參數(shù)Tab. 1 Structure and working parameters

2 關鍵部件設計

2.1 傳動系統(tǒng)的設計

由圖2所示，傳動路線主要分為兩路，但并非獨立的分支，需要相互的配合。

圖2 傳動路線圖

缽盤圓周均勻分布8組?？?，每組缽孔有2個，缽盤每轉1周壓塊16個，為達到設計工作效率Q≥3 000 塊/h以上，缽盤的轉速應該達到nm=Q/960≥3.12 r/min，所以選取nm=4 r/min，針輪每轉動1周帶動缽盤轉動1/8轉，則針輪的轉速為na=8nm=32 r/min。因為缽盤和壓塊桿相互配合，缽盤每轉動一次壓塊桿下壓一次，則下壓桿驅(qū)動曲柄轉速nd=na=32 r/min。

2.2 缽盤機構設計

如圖3所示，缽盤機構主要由針輪、星輪組成，主動針輪上有四個針齒和一段鎖止凸圓弧，從動星輪上有八個鎖止凹圓弧，兩個之間有三個齒廓擺線和兩個過渡線，星輪上平均分布著八對?？?。當主動針輪旋轉一周，從動星輪旋轉1/8周，停歇次數(shù)N為8。同時為了配合沖壓機構，設置針輪動程角θd=90°，停程角θj=270°，則動停比為k=θd/θj=1/3。針輪和星輪反向旋轉運動，每次轉動Φd=45°間歇運動一次。星輪開始嚙合時逐漸加速，中間變成等速，結束嚙合逐漸減速。

圖3 缽盤機構簡圖

針輪起始嚙合角

(1)

星輪起始嚙合位置角和齒底嚙合位置角分別為

(2)

星輪起始嚙合半徑

(3)

式中：u——節(jié)圓半徑比，u=2；

L——中心距，L=300 mm。

由式(1)～式(3)計算得，θ0=40°，β0=11°，δ0=14°，ρ0=238 mm。

2.3 壓、投塊機構設計

2.3.1 運動分析

如圖4所示，壓、投塊機構可以簡化為一個曲柄滑塊機構。傳動桿通過連桿帶動滑塊上下往復運動，滑塊上連接壓、投桿從而完成對基質(zhì)塊的壓實和投塊。曲柄l1以等角速度ω1=π r/min，其長度l1=100 mm，轉角θ1和θ2不斷改變，連桿l2的長度為l2=900 mm。

圖4 壓、投塊機構簡圖

曲柄回轉中心與滑塊導路中心都處于y軸上，所以該機構為對心曲柄滑塊機構。本設計輸出桿為沖壓桿，機構的極位夾角為0°，所以整個機構沒有急回特性。

壓投往復機構正常工作的前提條件是：曲柄的長度應該小于等于連桿的長度。設計時一般取較小的壓力角，取較大的傳動角，因為傳動角較大機構工作越穩(wěn)定，選擇傳動角γmin為70°，連桿長度l2滿足

(4)

經(jīng)計算滿足曲柄滑塊機構的正常工作條件。

2.3.2 位移速度分析

根據(jù)各構件的尺寸分析曲柄滑塊機構的運動行程，確定滑塊極限距離，從而更好地控制壓縮比，同時也防止滑塊帶動的壓塊桿尺寸過長導致壓塊過程中將缽盤損壞。

位移復數(shù)表示形式

l1eiθ1+l2eiθ2=xc

(5)

按照歐拉公式展開

l1(cosθ1+isinθ1)+l2(cosθ2+isinθ2)=xc

(6)

由式(6)對時間求導，同時兩邊乘以e-iθ1，得

vc=[-l1ω1sin(θ2-θ1)]/cosθ2

(7)

滑塊速度隨著角度變化而變化，根據(jù)三角函數(shù)的特性，當曲柄與連桿垂直時速度達到極限，此時速度極限vc為3.16 m/s。

3 試驗分析

3.1 試驗條件與因素

試驗于2020年10月在江蘇省常熟市橫塘蔬菜合作社進行(圖5)。試驗前將蚯蚓糞和土壤混合，形成基質(zhì)混合物，并用土壤篩過篩處理。

圖5 樣機試驗現(xiàn)場

通過前期預試驗可知，影響壓塊質(zhì)量和穩(wěn)定性的因素主要有蚯蚓糞—土壤混合配比、壓縮比和含水率。壓縮比通過調(diào)節(jié)壓桿的長度來控制，具體計算如式(8)所示。

(8)

式中：A——基質(zhì)塊的壓縮比；

V0——未經(jīng)壓制的基質(zhì)的體積，m3；

Vt——壓制成型的基質(zhì)塊體積，m3。

根據(jù)預試驗每個因素確定以下三個水平，所以選用L9(34)正交表，各項試驗共進行9組測試，每組測試隨機抽取8個樣本，取8次測試結果的平均值作為該組測試結果，利用SPSS20.0對試驗數(shù)據(jù)進行處理。各試驗因素水平如表2所示。試驗圖如圖6所示。

表2 試驗因素與水平Tab. 2 Test factors and levels

圖6 水平組合試驗

3.2 試驗指標與方法

通過檢測基質(zhì)塊的抗壓力、尺寸穩(wěn)定性、散坨率來表達基質(zhì)塊的成型質(zhì)量。

1) 抗壓力的測定方法：采用電子萬能試驗機(UTM6503型)進行動作模擬測試(圖7)。與被測基質(zhì)塊側向面作為基準面，選定試驗機量程為0～50 mm，進給速度為100 mm/min。執(zhí)行加載程序基質(zhì)塊被壓壞后自動卸載。電腦顯示的塊體壓縮變形與受力關系曲線出現(xiàn)一個峰值，該峰值即為抗壓力Fn。

圖7 抗壓力試驗

2) 基質(zhì)塊的尺寸影響移栽機作業(yè)的效果，本試驗中基質(zhì)塊為正方體結構，其長、寬、高方向的尺寸皆為40 mm，在塊體的正上方中間位置壓有種穴，基質(zhì)塊的三維尺寸穩(wěn)定性

(9)

式中：Y1——基質(zhì)塊三維尺寸穩(wěn)定性，%；

V2——靜置48 h后基質(zhì)塊體積，cm3；

V1——基質(zhì)塊理論體積，此處為64 cm3。

3) 試驗中，基質(zhì)塊從50 cm高處豎直放置自由落于地面，即所測跌落破損率為50 cm高跌落散坨率[9-10]。試驗基質(zhì)塊使用天平對基質(zhì)塊進行稱重，將基質(zhì)塊豎直置于離地面50 cm高處使其自由落下，使用天平稱量基質(zhì)塊跌落破損之后剩余質(zhì)量并記錄，計算基質(zhì)塊的散坨率

2016年沙溝泥石流為近期發(fā)生的規(guī)模最大的一次泥石流，對比斷面法計算結果，其流量相當于P=5%的雨洪法計算的峰值流量，綜合確定泥石流峰值流量為15.99 m3/s；據(jù)訪問，泥石流歷時約1.5h，即T=5400s；按上式計算的本次泥石流沖出量為Q=2.28×104 m3。

(10)

式中：m1——跌落前的質(zhì)量，g；

m2——跌落后的質(zhì)量，g。

3.3 試驗結果與分析

3.3.1 正交試驗

采用正交試驗和方差分析對采集的數(shù)據(jù)進行處理分析，結果見表3和表4。

由表3可知隨著基質(zhì)混合物中土壤含量的增加和壓縮比的提高，尺寸穩(wěn)定性和抗壓力提高，散坨率降低。這是由于土壤相對于蚯蚓糞更為緊實，提高壓縮比可以有效減小基質(zhì)顆粒間的距離，減小基質(zhì)塊孔隙度，使基質(zhì)顆粒間的接觸更為緊密，提高了基質(zhì)顆粒團度，使基質(zhì)塊在跌落時不宜松散，降低散坨率。

表3 正交試驗結果Tab. 3 Orthogonal test results

表4 方差分析表Tab. 4 Analysis of variances

由表4可知配比對尺寸穩(wěn)定性影響顯著，壓縮比和含水率對尺寸穩(wěn)定性影響不顯著?；|(zhì)配比對抗壓力影響極顯著，對散坨率影響顯著。壓縮比對抗壓力和散坨率影響均顯著，含水率對抗壓力和散坨率影響均不顯著。

3.3.2 綜合評分法

為滿足較優(yōu)育苗要求，尺寸穩(wěn)定性和抗壓力應達到最大值，其歸一化方程

(11)

式中：XN*——各指標各組歸一化值；

XN——各指標各組試驗值；

Xmax——各指標各組試驗中最大值；

Xmin——各指標各組試驗中最小值。

散坨率應達到最小值，其歸一化方程

(12)

式中：YN*——各組歸一化值；

YN——各組試驗值；

Ymax——各組試驗中最大值；

Ymin——各組試驗中最小值。

根據(jù)基質(zhì)塊成型3個性能指標的重要性，確定本試驗尺寸穩(wěn)定性和抗壓力和散坨率權重分別為0.3、0.4、0.3。

綜合評分Q計算公式為如式(13)所示。

Q=0.3×X1*+0.4×X2*+0.3×Y1*

(13)

式中：X1*——尺寸穩(wěn)定性歸一化值；

X2*——抗壓力歸一化值；

Y1*——散坨率歸一化值。

表5 綜合評分表Tab. 5 Results of comprehensive evaluation

表6 綜合評分極差分析Tab. 6 Range analysis of comprehensive evaluation

綜合評分結果見表5，對綜合評分極差分析見表6，分析結果表明，綜合影響成型質(zhì)量指標的主次因素為：A>B>C。最優(yōu)參數(shù)組合為A3B3C2，即配比為1∶3，壓縮比為0.65，含水率為10%。

4 結論

1) 本文設計了一種蔬菜育苗基質(zhì)塊成型機，闡述整機結構組成和原理，并對關鍵部件進行設計和參數(shù)計算，可實現(xiàn)自動鋪土、壓塊、投塊、輸送等功能，工作效率達到3 000塊/h，壓制基質(zhì)塊為棱長尺寸40 mm的立方體，為蔬菜基質(zhì)塊育苗方式提供技術裝備支撐。

2) 以蚯蚓糞—土壤的混合物為原料進行三因素三水平正交試驗，試驗結果表明當蚯蚓糞—土壤混合配比為1∶3、壓縮比為0.65、含水率為10%時，成型質(zhì)量最佳，此時尺寸穩(wěn)定性為98.96%，抗壓力為246.86 N，散坨率為4.15%，較好地滿足了基質(zhì)塊育苗移栽的要求。