2ZSJ-4型撓性圓盤高速移栽機(jī)力學(xué)特性試驗(yàn)

王品隆，顏 華，李鵬斌，劉 沖

(1.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083； 2.土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司，北京 100083)

0 引言

移栽機(jī)械按自動(dòng)化程度分為全自動(dòng)和半自動(dòng)，目前國內(nèi)以半自動(dòng)移栽機(jī)為主。半自動(dòng)移栽機(jī)由人工取苗，通過人工將苗放置在相應(yīng)的輸送裝置上，或直接送入栽植裝置進(jìn)行栽植。人工喂苗速度受限，制約了移栽作業(yè)效率的提高，而且人工取苗勞動(dòng)強(qiáng)度較大，綜合效益與人工栽植相比提高不明顯，阻礙了移栽機(jī)械化的推廣[1-4]。

實(shí)現(xiàn)移栽機(jī)械高速自動(dòng)化是必然的發(fā)展趨勢(shì)，可提高移栽效率、解放勞動(dòng)力、增加經(jīng)濟(jì)收益。自動(dòng)取投苗及高速穩(wěn)定栽植是實(shí)現(xiàn)高速自動(dòng)移栽的兩大重要環(huán)節(jié)。成排頂苗裝置將缽苗從穴盤中成排頂出，經(jīng)回轉(zhuǎn)取苗裝置將苗取至水平輸送帶上方，由脫苗裝置將苗脫出至水平輸送帶上，完成自動(dòng)取苗；撓性圓盤栽植器上開口段接入放入的幼苗，經(jīng)聚合段夾持運(yùn)動(dòng)到落苗位置，進(jìn)行幼苗定植，輸送連續(xù)性好，適于高速條件下的移栽作業(yè)[5-7]。

本研究針對(duì)2ZSJ-4型高速自動(dòng)移栽機(jī)的頂苗、撓性圓盤栽植裝置，進(jìn)行作物缽苗缽體頂出、缽體柔性壓縮、莖稈壓縮特性試驗(yàn)，為移栽機(jī)械相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定提供依據(jù)。

1 高速撓性圓盤栽植機(jī)工作原理

2ZSJ-4型撓性圓盤高速移栽機(jī)主要由底盤、2套栽植單元及電、液、氣系統(tǒng)等組成，每套栽植單元包括苗盤臺(tái)、頂苗裝置和缽苗翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、水平輸送裝置、圓盤栽植裝置、垂直輸送機(jī)構(gòu)等。高速移栽機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，撓性圓盤栽植單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

工作時(shí)，人工將苗盤放入苗盤臺(tái)，備盤裝置自動(dòng)將苗盤下送至頂苗位置。頂苗裝置水平伸出，進(jìn)行成排頂苗?；剞D(zhuǎn)取苗裝置將頂出的缽苗翻轉(zhuǎn)180°，再通過脫苗機(jī)構(gòu)脫出至水平輸送帶上。水平輸送帶將缽苗逐個(gè)喂入垂直輸送機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由兩條同速、反向轉(zhuǎn)動(dòng)的柔性輸送帶組成，可通過夾持缽體部分將缽苗送到圓盤栽植器的開口段，而后由圓盤栽植器聚合段夾持缽苗莖稈部分進(jìn)行幼苗定植、覆土，完成栽植作業(yè)過程。

1.底盤 2.栽植單元1 3.栽植單元2圖1 2ZSJ-4型撓性圓盤高速移栽機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of 2ZSJ-4 flexible disc high speed transplanter

1.苗盤臺(tái) 2.頂苗裝置 3.缽苗翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 4.水平輸送帶5.圓盤栽植器 6.垂直輸送機(jī)構(gòu)圖2 高速撓性圓盤栽植單元結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of high speed flexible disc transplanting unit

頂苗裝置成排頂苗、垂直輸送機(jī)構(gòu)夾持缽體輸送、圓盤栽植器夾持莖稈進(jìn)行栽植的過程中，機(jī)械裝置與缽苗接觸，需進(jìn)一步分析機(jī)構(gòu)對(duì)缽苗的作用力大小，以保證各動(dòng)作順利進(jìn)行，同時(shí)避免傷苗。成排頂苗過程中，頂苗力太小難以頂出缽苗，頂苗力過大會(huì)對(duì)缽體的盤根、基質(zhì)造成損壞。垂直輸送過程中，柔性夾持力太小缽苗會(huì)相對(duì)移動(dòng)，難以保證固定株距，夾持力太大會(huì)損傷缽體。圓盤栽植器栽植過程中，對(duì)莖稈夾持力過小會(huì)出現(xiàn)缽苗松動(dòng)、栽植效果差，夾持力過大會(huì)損傷莖稈部分。因此，在確定機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)前，需對(duì)該機(jī)械適用的作物缽苗進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)特性分析。

2 試驗(yàn)材料與儀器

2.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品加工裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，選用中農(nóng)富通園藝有限公司提供的西蘭花、白菜花、辣椒3種缽苗作為試驗(yàn)對(duì)象，品種分別為炎秀、慶松65、鎮(zhèn)椒216，基質(zhì)配比按照草炭∶蛭石∶珍珠巖∶田園土=3∶1∶1∶1，苗齡分別為40、40、35 d左右，3種蔬菜缽苗如圖3所示。育苗苗盤規(guī)格為22×10穴，苗盤穴缽為圓臺(tái)狀，圓臺(tái)頂端大徑為Φ23 mm、底端小徑為Φ18 mm，圓臺(tái)高36 mm。每種缽苗隨機(jī)選出10株進(jìn)行形態(tài)參數(shù)測(cè)量，利用干濕法進(jìn)行缽苗含水率測(cè)量，結(jié)果如表1所示。

圖3 蔬菜缽苗Fig.3 Vegetable pot seedling

表1 蔬菜缽苗形態(tài)測(cè)定數(shù)據(jù)

2.2試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器為美國FTC公司生產(chǎn)的TMS-PRS型食品物性分析儀(又稱質(zhì)構(gòu)儀)，通過相配套的操作軟件，可控制加載探頭的移動(dòng)位移與加載力，試驗(yàn)結(jié)束后，軟件可導(dǎo)出載荷與位移的變化曲線及數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1缽體頂出力

成排頂苗機(jī)構(gòu)頂苗桿設(shè)計(jì)要考慮苗盤結(jié)構(gòu)、底孔尺寸，頂桿頂出要克服苗盤底孔阻力及缽苗與穴盤間的粘接力，頂苗桿在保證不與底孔干涉的范圍內(nèi)盡量粗些，以免將缽苗頂散。頂苗試驗(yàn)結(jié)構(gòu)方案如圖4所示。結(jié)合參考相關(guān)頂苗試驗(yàn)數(shù)據(jù)，頂苗桿直徑設(shè)計(jì)為8 mm[4]。頂苗桿將缽苗缽體從穴盤中成排頂出的過程中，會(huì)對(duì)缽苗缽體產(chǎn)生力的作用。頂苗力太小會(huì)使頂苗過程緩慢，影響栽植速度，或難以頂出缽苗缽體，導(dǎo)致頂出失??；頂苗力過大則會(huì)對(duì)缽苗缽體的盤根、基質(zhì)造成損壞，或使缽苗頂出距離過多，導(dǎo)致頂苗不穩(wěn)定。為了克服頂苗力過大和過小造成的問題，設(shè)計(jì)了缽體頂出力試驗(yàn)。

缽苗缽體與穴盤穴格貼合面之間存在粘結(jié)力，將缽苗成排從穴盤穴格中頂出的過程中，缽苗缽體會(huì)在頂桿推力和粘結(jié)力、底孔阻力的作用下產(chǎn)生形變，當(dāng)缽苗缽體形變量達(dá)到一定程度時(shí)，頂苗力FP和重力G將克服苗缽與穴盤間的粘結(jié)力與底孔阻力的合力NFy，使缽苗脫離穴盤穴格。由圖4可知，該力學(xué)模型下，得出頂苗力FP=NFy-G。

1.頂苗桿 2.底孔十字槽圖4 頂苗試驗(yàn)結(jié)構(gòu)方案Fig.4 Structure scheme of push-out seedling test

試驗(yàn)前，將直徑8 mm頂苗桿安裝在加載頭上，將缽苗莖稈剪除，穴盤倒扣在儀器平板上，使穴盤底孔與頂苗桿對(duì)中進(jìn)行加載，如圖5所示。選取西蘭花、白菜花、辣椒3種蔬菜缽苗，在10、20、30 mm/min加載速度下進(jìn)行頂出試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次。采用質(zhì)構(gòu)儀試驗(yàn)分析軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，得出每次試驗(yàn)缽體脫離穴盤時(shí)的加載力。

圖5 缽體頂出力試驗(yàn)Fig.5 Jacking force test of bowl

西蘭花、白菜花、辣椒3種缽體，在不同加載速度下，其頂出載荷隨位移變化趨勢(shì)如圖6～8所示。頂苗初期，頂苗桿勻速向下移動(dòng)，對(duì)缽體底部盤根部分不斷進(jìn)行彈性壓縮，變形量不斷增加，但此階段載荷不足以克服粘接力，所以載荷會(huì)隨著位移增大而增大；當(dāng)載荷正好足以克服粘接力時(shí)，缽體與穴盤壁可發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的載荷稱為頂苗力；隨后頂苗桿不斷將缽體頂出穴盤，缽體與穴盤壁接觸面積不斷減小，摩擦力逐步減小，載荷也會(huì)遞減。

從圖6～8可以看出，不同加載速度下未對(duì)頂苗力產(chǎn)生明顯影響，因此可計(jì)算出西蘭花、白菜花、辣椒的平均頂出力分別為10.8、13.57、9.97 N。探頭自上而下運(yùn)動(dòng)，而實(shí)際是水平頂苗，頂出力分析時(shí)理應(yīng)進(jìn)行力學(xué)模型的變換，但由于重力與頂出力不在同一數(shù)量級(jí)，可忽略簡(jiǎn)化，即最后設(shè)計(jì)頂苗桿時(shí)，需滿足頂苗力大于試驗(yàn)參考數(shù)值。撓性圓盤栽植單元一排頂出10棵缽苗，為了能同時(shí)滿足3種缽苗的頂出要求，選取最大值13.57 N作為設(shè)計(jì)依據(jù)，綜合考慮安裝誤差、運(yùn)動(dòng)過程摩擦力等因素，選擇頂出力約196 N的氣缸規(guī)格。

圖6 不同速度下西蘭花缽體頂出載荷隨位移變化趨勢(shì)Fig.6 Variation trend of ejection load with displacement of broccoli bowl under different speeds

圖7 不同速度下白菜花缽體頂出載荷隨位移變化趨勢(shì)Fig.7 Variation trend of ejection load with displacement of cabbage flower bowl under different speeds

圖8 不同速度下辣椒缽體頂出載荷隨位移變化趨勢(shì)Fig.8 Variation trend of ejection load with displacement of pepper bowl under different speeds

3.2缽體柔性壓縮

垂直輸送裝置主要是兩條同速、反向轉(zhuǎn)動(dòng)的輸送帶，結(jié)構(gòu)如圖9所示。垂直輸送帶通過定向夾持缽苗缽體，將水平輸送裝置傳送的缽苗向下輸送到夾持圓盤，完成缽苗定向輸送。

1.垂直輸送帶 2.開溝器圖9 垂直輸送裝置結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of vertical conveyor

為了在不損壞缽體的條件下盡量保證缽苗定植，將垂直輸送帶的材質(zhì)選為硬橡膠層，缽苗垂直輸送過程中，垂直輸送帶柔性夾持力太小缽苗會(huì)相對(duì)移動(dòng)，難以保證固定株距；夾持力太大則會(huì)損傷缽體。設(shè)計(jì)了缽體柔性壓縮試驗(yàn)，以測(cè)量垂直輸送過程中缽體的基質(zhì)損失率，為垂直輸送環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與安裝提供依據(jù)。

為了模擬缽體受壓縮狀態(tài)，制作了一組試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)儀器進(jìn)行掛接，試驗(yàn)裝置如圖10所示。該試驗(yàn)裝置分為上下兩部分，上部為上夾板，下部為下夾板，上下夾板表面都粘有10 mm厚的海綿層(海綿密度50 kg/m3)，與硬質(zhì)橡膠接近。

1.上夾板 2.海綿層 3.下夾板圖10 缽體柔性壓縮試驗(yàn)裝置Fig.10 Test device of bowl flexible compression

試驗(yàn)時(shí)，剪下缽苗缽體部分并稱量質(zhì)量，然后放置在下夾板海綿層上。在儀器中設(shè)定加載探頭下降速度為300 mm/min，并設(shè)定加載探頭下降的終止位置。啟動(dòng)儀器后，加載探頭到達(dá)終止位置時(shí)會(huì)自動(dòng)返回，將壓縮后的缽體部分再次稱質(zhì)量，計(jì)算出壓縮后缽體基質(zhì)的損失率。綜合考慮海綿層厚度及缽體尺寸，本試驗(yàn)設(shè)定3個(gè)停止位置，分別為位置1、位置2、位置3，對(duì)應(yīng)上、下夾板的間距分別為40、30、20 mm。將西蘭花、白菜花、辣椒3種缽苗分別隨機(jī)選取9株進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)停止位置分別進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，記錄并分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可知，隨著加載探頭停止位置的下移，對(duì)缽體的擠壓作用不斷增大，缽體基質(zhì)損失率也不斷增大，當(dāng)夾板間距達(dá)到20 mm時(shí)，西蘭花、白菜花、辣椒的基質(zhì)平均損失率分別為6.13%、6.39%、11.82%?？傮w來看，缽苗基質(zhì)損失率相對(duì)較小，主要是由于20×10穴規(guī)格的苗盤穴缽較小，且西蘭花、白菜花、辣椒缽苗盤根較好；柔性介質(zhì)擠壓缽苗缽體時(shí)，會(huì)對(duì)缽體產(chǎn)生包裹作用，保護(hù)缽苗不易被壓碎。實(shí)際移栽作業(yè)中，輸送帶的硬橡膠層替代試驗(yàn)過程中的剛性夾板后，在相同的夾持間距下，輸送帶硬橡膠層對(duì)缽體的擠壓更小。因此，輸送帶硬橡膠層的安裝間距設(shè)為20 mm即可。

3.3莖稈壓縮特性

移栽機(jī)栽植裝置主要由夾持圓盤和限深輪等組成，其結(jié)構(gòu)如圖11所示。在栽植環(huán)節(jié)，栽植圓盤夾持由垂直輸送帶輸送下來的缽苗莖稈，將缽苗移植到土壤中。

1.夾持圓盤 2.限深輪圖11 栽植裝置結(jié)構(gòu)Fig.11 Structure of planting device

圓盤栽植器栽植過程中，栽植圓盤對(duì)莖稈夾持力過小會(huì)使缽苗松動(dòng)，影響缽苗栽植直立度、栽深等；夾持力過大會(huì)損傷莖稈部分，影響缽苗成活率。為了測(cè)試最佳的栽植圓盤夾持力，設(shè)計(jì)了莖稈壓縮特性試驗(yàn)，為圓盤栽植器的設(shè)計(jì)安裝提供依據(jù)。試驗(yàn)儀器為FTC質(zhì)構(gòu)儀，換用壓縮探頭，探頭直徑20 mm，壓縮試驗(yàn)裝置如圖12所示。

將西蘭花、白菜花、辣椒3種缽苗隨機(jī)各取3株，每株截取缽體以上0～10、10～20 mm兩段莖稈并測(cè)量其直徑，將兩段莖稈分別命名為L段、U段。試驗(yàn)時(shí)，將加載探頭的加載速度設(shè)定為10 mm/min。另外，再選取6段白菜花L段莖稈，分別在加載探頭加載速度為5、15 mm/min時(shí)重復(fù)3次壓縮特性試驗(yàn)，以探究加載探頭加載速度對(duì)試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果是否有影響[8-9]。

試驗(yàn)前先將試驗(yàn)樣本通過鑷子放置在探頭正下方，打開質(zhì)構(gòu)儀操作軟件，將加載探頭加載速度設(shè)定為10 mm/min，試驗(yàn)起始力設(shè)定為0.8 N，最大力設(shè)定為50 N，測(cè)試最大距離根據(jù)莖稈直徑的不同來設(shè)定，回程速度設(shè)定為30 mm/min。試驗(yàn)時(shí)，通過軟件能實(shí)時(shí)觀看載荷-位移變化曲線，試驗(yàn)結(jié)束后將試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

表2 缽體柔性壓縮試驗(yàn)基質(zhì)損失率

圖12 莖稈壓縮特性試驗(yàn)Fig.12 Test of stem compression characteristic

加載速度為10 mm/min時(shí)，西蘭花、白菜花、辣椒的位移-載荷變化曲線如圖13～15所示。位移-載荷變化曲線呈現(xiàn)出相似規(guī)律：莖稈受壓縮初期，位移-載荷變化曲線會(huì)有一段上升過程，該過程莖稈處于彈性變形階段；當(dāng)載荷增大超過莖稈強(qiáng)度的屈服點(diǎn)時(shí)，莖稈進(jìn)入塑性變形階段。若莖稈壓縮發(fā)生塑性變形后撤去載荷，莖稈形變不能恢復(fù)，栽植后的缽苗成活率就會(huì)降低。因此，莖稈夾持過程中，莖稈受到的壓縮力應(yīng)小于彈性變形的屈服點(diǎn)。

圖13 加載速度10 mm/min時(shí)西蘭花L段與U段壓縮特性曲線Fig.13 Compression characteristic curve of L segment and U segment of broccoli under loading speed 10 mm/min

圖14 加載速度10 mm/min時(shí)白菜花L段與U段壓縮特性曲線Fig.14 Compression characteristic curve of L segment and U segment of cabbage flower under loading speed 10 mm/min

圖15 加載速度10 mm/min時(shí)辣椒L段與U段壓縮特性曲線Fig.15 Compression characteristic curve of L segment and U segment of pepper under loading speed 10 mm/min

壓縮試驗(yàn)樣本直徑數(shù)據(jù)如表3所示，結(jié)合屈服點(diǎn)的載荷與位移，采用載荷與面積的比值，計(jì)算出3種缽苗不同部位屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度值。西蘭花、白菜花、辣椒L段的屈服強(qiáng)度分別為1.214、1.243、1.179 MPa，U段的屈服強(qiáng)度分別為0.933、0.931、0.928 MPa。比較可知，3種缽苗的L段壓縮屈服強(qiáng)度都大于U段壓縮屈服強(qiáng)度，該結(jié)果符合植物生長特性，離根部越近韌性越強(qiáng)，所以屈服強(qiáng)度大。辣椒的屈服強(qiáng)度最低，說明辣椒缽苗莖稈的韌性相對(duì)較弱，木質(zhì)化程度較西蘭花、白菜花低。

表3 壓縮特性試驗(yàn)樣本直徑

在不同的加載速度下，白菜花L段壓縮特性曲線如圖16所示，可以看出，加載探頭在不同的加載速度下，白菜花L段的屈服強(qiáng)度近似，故可以忽略加載探頭加載速度對(duì)莖稈壓縮特性試驗(yàn)結(jié)果的影響。

圖16 不同加載速度下白菜花L段壓縮特性曲線Fig.16 Compression characteristic curve of L segment of pepper under different loading speeds

綜上所述，設(shè)計(jì)移栽機(jī)時(shí)選取測(cè)定屈服強(qiáng)度的最小值用于計(jì)算，即辣椒L段的屈服強(qiáng)度0.928 MPa，以保證對(duì)不同缽苗莖稈都能適應(yīng)。

4 結(jié)論

在設(shè)計(jì)撓性圓盤高速移栽機(jī)時(shí)，為了得出移栽機(jī)的工作參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及避免頂苗裝置水平頂苗、垂直輸送機(jī)構(gòu)夾持缽體輸送、圓盤栽植器夾持莖稈進(jìn)行栽植的過程中損傷缽苗，設(shè)計(jì)了缽體頂出力試驗(yàn)、缽體柔性壓縮試驗(yàn)、莖稈壓縮特性試驗(yàn)，以確定頂苗桿頂出力、縱向輸送帶安裝間距、栽植圓盤安裝參數(shù)。

(1)選用直徑8 mm的頂苗桿安裝在質(zhì)構(gòu)儀上進(jìn)行缽體頂出力試驗(yàn)，西蘭花、白菜花、辣椒在不同加載速度下的頂出力未出現(xiàn)明顯差異，排除了加載速度對(duì)頂出力試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，得出西蘭花、白菜花、辣椒的平均頂出力分別為10.8、13.57、9.97 N，將最大值13.57 N作為設(shè)計(jì)依據(jù)，每排頂出10棵苗，綜合考慮導(dǎo)軌摩擦力等影響，選擇頂出力約196 N的氣缸規(guī)格。

(2)采用質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行缽體柔性壓縮試驗(yàn)，加載夾板之間的距離設(shè)為40、30、20 mm，分別測(cè)量西蘭花、白菜花、辣椒缽體的基質(zhì)損失率。當(dāng)夾板間距20 mm時(shí)，西蘭花、白菜花、辣椒缽體基質(zhì)平均損失率分別為6.13%、6.39%、11.82%，對(duì)栽植后缽苗生長影響較小，由此確定輸送帶硬橡膠層間距為20 mm。

(3)選取西蘭花、白菜花、辣椒的L段和U段莖稈各3段，在加載速度10 mm/min下進(jìn)行莖稈壓縮特性試驗(yàn)，得到西蘭花、白菜花、辣椒缽苗莖稈L段的屈服強(qiáng)度分別為1.214、1.243、1.179 MPa，西蘭花、白菜花、辣椒缽苗莖稈U段的屈服強(qiáng)度分別為0.933、0.931、0.928 MPa。選取測(cè)定屈服強(qiáng)度的最小值用于計(jì)算，即辣椒L段的屈服強(qiáng)度0.928 MPa，以保證對(duì)不同缽苗莖稈都能適應(yīng)。