整排夾莖式穴盤苗取投苗系統(tǒng)設計與試驗*

張小亮，謝守勇，苑曉亮，鄧成志，劉凡一，王鵬

(1.西南大學工程技術學院,重慶市,400715;2.丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)裝備重慶市重點實驗室,重慶市,400715)

0 引言

中國蔬菜種植面積僅次于糧食作物,其種植面積達到0.2億公頃,對人民日常生活水平具有重要意義[1-2]。隨著穴盤育苗技術的日益成熟,其被廣泛應用于番茄等蔬菜作物規(guī)模化栽植,蔬菜穴盤育苗移栽具有高產(chǎn)、對氣候補償?shù)忍攸c[3-5]。但是國內(nèi)蔬菜移栽機主要以半自動移栽機為主,存在移栽效率低、勞動強度大等問題[6-9]。

國內(nèi)外學者對全自動移栽機取投苗裝置進行了廣泛的研究,意大利某公司研制的全自動蔬菜移栽機采用頂出夾取式機構,傷苗率低、取苗效率高,但整體結(jié)構復雜,價格昂貴[10]。劉念聰?shù)萚11]研制了一種成排取苗的單擺式取喂苗系統(tǒng),雙行移栽、取苗效率為90株/min,取苗成功率高,但整機體積過大,且易受氣缸工作氣壓影響。謝守勇等[12]提出了一種斜插夾缽式取投苗裝置,提高了苗株夾取適應性,結(jié)構簡單,但由于主動桿轉(zhuǎn)速限制,取苗效率較低。李華等[13]設計了一種夾莖式取苗裝置,凸輪式夾苗機構有效避免對基質(zhì)和根系破壞。任玲等[14]研制了一種整排取苗系統(tǒng),穴盤水平放置,取苗機械手豎直插入基質(zhì)實現(xiàn)取苗,采用模糊PID控制算法實現(xiàn)步進電機定位控制,定位精準度高,但取苗效率較低。韓長杰等[15]設計了一種基于辣椒穴盤苗全自動移栽機,取投苗機構沿水平和豎直方向移動實現(xiàn)整排苗夾取,栽植效率為123株/min,但由于氣動沖擊較大,莖稈易損傷。

本文根據(jù)夾莖式和整排取苗的特點,參照番茄缽苗移栽的農(nóng)藝要求,設計了一種夾莖式整排取投苗系統(tǒng),并結(jié)合缽苗取投運動學分析確定其結(jié)構參數(shù),對樣機進行了臺架試驗,以期獲得一種取投苗效率高、傷苗率低、對苗株適應性強的全自動取投苗裝置。

1 整機結(jié)構及工作原理

1.1 整機結(jié)構

本文研制的夾莖式整排取投苗系統(tǒng),搭載在自制的試驗平臺上,如圖1所示。

圖1 試驗平臺Fig.1 Test platform1.動力平臺 2.移盤機構 3.取投苗機構 4.輸苗機構 5.栽植裝置

試驗平臺主要由動力平臺、栽植裝置、輸苗機構、取投苗機構和移盤機構組成。動力平臺起支撐和行走作用,栽植裝置由旋轉(zhuǎn)打洞機構和鴨嘴栽植機構組成,解決鴨嘴在栽植作業(yè)中黏土堵塞的問題,移盤機構、取投苗機構及輸苗機構共同組成取投苗系統(tǒng),其結(jié)構如圖2所示。

圖2 取投苗系統(tǒng)結(jié)構圖Fig.2 Structure diagram of seedling fetching and throwing system1.機架 2.穴盤 3.移位電機 4.直線導軌機構 5.往復絲桿 6.升降電機 7.升降機構 8.升降機構固定架 9.夾苗機構 10.苗杯 11.柔性鏈輸苗機構 12.移盤機構 13.移盤電機

1.2 工作原理

移位電機驅(qū)動往復絲桿旋轉(zhuǎn),使得夾苗機構與升降機構沿直線導軌移動,同時升降電機驅(qū)動夾苗機構下降至取苗位置,夾苗機構夾取4株穴盤苗,升降電機驅(qū)動夾苗機構上升,缽苗脫離穴盤,取苗完成;移位電機驅(qū)動夾苗機構移動至苗杯上方,等待投苗,同時移盤機構進行移盤動作,準備執(zhí)行下次取苗過程,柔性鏈輸苗機構帶動苗杯勻速運動,當移動至第4個苗杯時,夾苗機構動作,使得缽苗落入苗杯,投苗完成。

取投苗系統(tǒng)按照第1至第8行順序逐行完成取苗,單次取苗4株,每行分4次取完,取苗路徑為“己”字型。

2 關鍵部件設計

2.1 移盤機構

移盤機構用于穴盤的進給。該機構由傳動軸固定架、主動軸、主動鏈輪、鏈條、移盤電機、從動鏈輪、穴盤推桿組成。作業(yè)人員將穴盤倒V型間隙卡在移盤機構中的穴盤推桿上,移盤電機驅(qū)動鏈輪旋轉(zhuǎn),鏈條帶動穴盤推桿移動,使穴盤向取苗位置進給。PLC通過接近開關傳遞的信號,控制電機的啟停,實現(xiàn)穴盤間歇運動,為保證穴盤及時準確運動至取苗位置,鏈輪轉(zhuǎn)速需滿足

(1)

式中：n1——主動鏈輪轉(zhuǎn)速,r/min;

z1——主動鏈輪齒數(shù);

vb——穴盤移動速度,m/s;

p——鏈條節(jié)距,mm。

本文鏈條鏈號取10A,則p=15.875 mm,z1=24,根據(jù)取投苗系統(tǒng)各機構運動時間關系,穴盤進給一格所用時間為1 s,得穴盤移動速度vb為0.032 m/s,將z1、p、vb代入式(1)得n1=5 r/min,即移盤電機至少為5 r/min,根據(jù)實際電機轉(zhuǎn)速,選擇轉(zhuǎn)速為12 r/min的蝸輪蝸桿減速電機。

為使穴盤定位可靠和均勻受力,穴盤推桿設計為圓形桿,空間布置關系及受力如圖3所示,其中A、B、C、D四點為穴盤推桿所處位置,A點和B點、C點和D點分別位于穴盤兩側(cè),起限位和支撐作用,A、B兩穴盤推桿之間為兩格苗穴,而B、C兩穴盤推桿之間為一格苗穴。

圖3 穴盤受力分析圖Fig.3 Analysis diagram of plug1.穴盤推桿 2.穴盤

考慮到穴盤苗在自身重力P和穴盤推桿的作用下,穴盤受到沿苗穴側(cè)面垂直向上的支持力NB、NC,并在水平方向的分力為NBx、NCx,在靜止或勻速運動狀態(tài)下,彈性苗穴與缽體在此分力作用下,沿水平方向產(chǎn)生微小偏移Δd,使得苗穴內(nèi)壁與缽體黏結(jié)性發(fā)生改變,從而影響缽苗夾取的成功率。為保證穴盤上平面在穴盤推桿作用下保持水平,故穴盤推桿安裝位置應盡量高于穴盤苗重心o1。

2.2 取投苗機構

2.2.1 取投苗機構結(jié)構及工作原理

取投苗機構用于從穴盤中自動取出穴盤苗并準確投入苗杯中,如圖4所示。該機構主要由移位電機、移位滑軌、移位絲杠、夾苗機構、升降機構組成。取苗時,移位電機正轉(zhuǎn),驅(qū)動移位絲杠旋轉(zhuǎn),使夾苗機構沿移位滑軌移動至取苗位置,夾苗機構夾取4株穴盤苗,升降機構動作,將穴盤苗從苗穴中取出;投苗時,移位電機反轉(zhuǎn),使夾苗機構移動至投苗位置,夾苗機構將4株穴苗準確投入苗杯,完成1次取投苗過程,其中夾苗機構如圖5所示。

(a) 取苗狀態(tài)

圖5 夾苗機構結(jié)構示意圖Fig.5 Schematic diagram of the structure of the seedling clamping mechanism1.夾苗電機 2.正反牙雙向絲桿 3.外球面軸承座 4.滑動螺母 5.夾苗機構固定板 6.苗夾片 7.外滑軌 8.內(nèi)滑軌

夾苗機構用于夾取和投放缽苗,通過電機控制正反牙絲桿旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)苗夾片的開合。取苗時,夾苗電機正轉(zhuǎn),與左滑動螺母連接的外滑軌向右移動,而與右滑動螺母連接的內(nèi)滑軌向左移動,同時與內(nèi)外滑軌連接的苗夾片相向移動,實現(xiàn)夾苗;投苗時,夾苗電機反轉(zhuǎn),苗夾片反向移動,苗株落下,投苗完成。

2.2.2 參數(shù)確定

所選用的穴盤規(guī)格為540 mm×280 mm×40 mm,如圖6所示,穴孔上邊尺寸為32 mm×32 mm,相鄰穴孔中心距為32 mm,故所設計的苗夾最大張開寬度為32 mm,相鄰兩苗夾之間距離為128 mm。通過對缽苗物理參數(shù)進行實測得穴盤苗平均質(zhì)量m為13.6 g,莖葉平均展幅為96.23 mm,莖稈平均粗2.4 mm,取苗時,為避免滑軌與莖葉的大面積接觸,苗夾長度應為45 mm。

圖6 穴苗盤尺寸Fig.6 Size of seedling tray

夾苗機構在夾取和投放缽苗時,為保證取投苗效果,對取苗過程進行靜力學分析,對投苗過程進行運動學分析,如圖7所示,以水平方向為x軸,豎直方向為y軸,建立直角坐標系,坐標原點為重力作用點O。

(a) 缽苗拔取靜力學分析

由圖7(a)可知,缽苗在脫離穴盤時,缽體在4個側(cè)面上受到的摩擦力Ffi和黏附力Fni近似相等。各力之間的關系如式(2)所示。

(2)

式中：F1、F2——苗夾對缽苗莖稈的夾緊力,N;

μ——苗夾與莖稈的最大靜摩擦因數(shù),取0.32;

Ff——莖稈所受到的摩擦力,N;

θ——穴盤錐角,(°);

G——缽苗重力,N;

FT——缽體脫離穴盤所需的力,N;

Ffi——穴盤對缽體的摩擦力,N;

Fni——穴盤對缽體的黏附力,N。

通過穴盤苗缽體拉拔力學試驗發(fā)現(xiàn),在基質(zhì)含水率為60%時,缽苗脫離穴盤的平均拉拔力FT為2.28 N,將FT、μ代入式(2)得夾緊力F1=3.56 N。由以上分析可知,為保證取苗成功,苗夾對莖稈的夾緊力F1須大于3.56 N,結(jié)合番茄缽苗莖稈抗壓力學性能,得夾苗時兩苗夾片之間距離為2 mm。

在取苗過程中,夾苗機構具有豎直和水平兩個方向上的運動,為避免苗夾運動至取苗位置時對缽苗莖葉的損傷,取投苗機構滿足約束條件

(3)

式中：n2——移位電機的轉(zhuǎn)速,r/min;

n3——升降電機的轉(zhuǎn)速,r/min;

t1——缽苗上升所用的時間,s;

t2——苗夾移動至穴盤邊緣所用的時間,s;

s1——穴盤苗上升的距離,mm;

s2——投苗位置到穴盤邊緣的距離,mm;

L——絲桿導程,mm;

va——夾苗機構水平方向上的速度,m/s;

vd——夾苗機構垂直方向上的速度,m/s。

當取投苗速率為90株/min時,缽苗上升過程具有較大的加速度,為減少缽苗在運動過程中的沖擊,本文選擇移位電機轉(zhuǎn)速n2=1 200 r/min,絲桿導程L=20 mm,穴盤苗上升距離s1=50 mm,投苗位置到穴盤邊緣距離s2=120 mm,將L、n2、s1、s2、m代入式(3),得苗夾升降速度為0.167 m/s,升降電機轉(zhuǎn)速為500 r/min。

由圖7(b)可知,隨著苗夾開度的增大,缽苗豎直向下運動,在該運動過程中缽苗豎直方向初速度為0,t時刻缽苗的運動位移

(4)

式中：h——穴盤苗垂直方向位移,mm;

t——運動時間,s;

g——重力加速度,取g=9.8 m/s2。

苗夾片水平方向運動方程為

d=2vet

(5)

式中：d——苗夾片運動位移(苗夾開度),mm;

ve——苗夾片張開速度,m/s。

由式(5)可知,缽苗通過苗夾時,苗夾片張開速度ve越大,苗夾開度d就越大,缽苗越容易通過苗夾。為保證投苗成功及較少的莖葉損傷,當缽苗第一基節(jié)處真葉通過苗夾時,苗夾開度應為10 mm,第二基節(jié)處真葉通過苗夾時,苗夾開度應為28 mm,對番茄缽苗進行實測得苗夾與第一基節(jié)距離hB=26 mm,苗夾與第二基節(jié)距離hC=54 mm,代入式(4)、式(5)得苗夾片張開速度ve為0.14 m/s,此時夾苗電機轉(zhuǎn)速為420 r/min。

2.3 柔性鏈輸苗機構

柔性鏈輸苗機構用于接收來自取投苗機構的缽苗并將其逐個投入至栽植機構中。如圖8所示,該機構由苗杯、柔性鏈、環(huán)形活門托管、主動鏈輪、輸苗電機、支架、從動鏈輪組成。電機驅(qū)動主動鏈輪旋轉(zhuǎn),使得苗杯隨柔性鏈移動,當苗杯移動至落苗口時,苗杯下方的活門打開,缽苗落入栽植機構中。環(huán)形活門托管在落苗處為開口,便于苗杯活門打開。苗杯的間距為128 mm,苗杯數(shù)量為16個。

圖8 柔性鏈輸苗機構Fig.8 Seedling transfer agency1.從動鏈輪 2.支架 3.苗杯 4.輸苗電機 5.主動鏈輪 6.柔性鏈 7.環(huán)形活門托管

柔性鏈輸苗機構傳動布置方式為：共采用8個鏈輪,以雙排鏈的方式(負載不大,僅為保證苗杯運動時更加平穩(wěn)),每兩個鏈輪布置在四邊形各角,鏈輪齒數(shù)為24,鏈條鏈號為10A。本文所選用苗杯上杯口尺寸為81 mm×81 mm,下杯口尺寸為61 mm×61 mm,杯高為198 mm,根據(jù)取投苗速率求出苗杯移動速度為0.18 m/s,輸苗電機轉(zhuǎn)速為30 r/min。

3 取投苗試驗

3.1 試驗條件

為驗證所設計的取投苗系統(tǒng)取投苗效果,將取投苗系統(tǒng)安裝在自主研發(fā)的移栽機試驗平臺上,進行取投苗試驗。采用西南大學丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)裝備重慶市重點實驗室培育的石盾197番茄苗,培育在8×16規(guī)格的穴盤中,穴孔上邊尺寸為32 mm×32 mm,下邊尺寸為15 mm×15 mm,穴孔深40 mm,基質(zhì)為泥炭、椰糠、珍珠巖和蛭石按比例3∶1∶1∶1混合而成,隨機選取3盤番茄苗,測得基質(zhì)平均含水率為63.47%。

3.2 試驗方法

依據(jù)JB/T 10291—2013《旱地栽植機械》行業(yè)標準中相關技術要求進行試驗[16],以取苗成功率S1、投苗成功率S2和傷苗率S3作為取投苗效果評價指標,計算式為

(6)

(7)

(8)

式中：N——試驗所用缽苗總株數(shù);

N1——取投苗裝置成功取苗的株數(shù);

N2——取投苗裝置成功投苗的株數(shù);

N3——缽苗莖稈被苗夾損傷、葉片被扯斷的缽苗株數(shù)。

依據(jù)目前自動移栽機移栽速率范圍在40～120株/min,其移栽速率≥90株/min屬于高速移栽[17],為驗證本文設計的移栽機作業(yè)性能,在取投苗速率為90株/min、苗齡為45 d、基質(zhì)含水率為63.47%下進行3組取投苗試驗,每組試驗32次(即取完1盤苗,128株),1組試驗完成后記錄數(shù)據(jù)并統(tǒng)計各指標。

3.3 試驗結(jié)果與分析

試驗過程中取投苗裝置運行良好,移盤機構和柔性鏈輸苗機構工作平穩(wěn),定位精準;在PLC控制系統(tǒng)控制下,各機構配合良好,試驗結(jié)果如表1所示。

表1 取投苗試驗結(jié)果Tab.1 Result of seedling taking and feeding test

由表1可知,整排夾莖番茄苗取投苗系統(tǒng)平均取苗成功率為96.1%,平均投苗成功率為94.3%,平均傷苗率為3.9%。由于取投苗裝置沒有相應的國家標準,本文根據(jù)《旱地栽植機械》行業(yè)標準主要性能指標：傷苗率≤5%,漏苗率≤5%,對試驗結(jié)果進行評價,取投苗成功率和傷苗率均在范圍之內(nèi),從而驗證了取投苗系統(tǒng)的合理性。試驗發(fā)現(xiàn),番茄缽苗枝葉相互纏繞,一定程度上影響取苗成功率和傷苗率,個別缽苗莖稈出現(xiàn)輕微損傷,主要由于缽苗莖稈直徑過大,苗夾片未貼橡膠墊。

4 結(jié)論

1) 根據(jù)番茄缽苗特點設計了一種夾莖式整排取投苗系統(tǒng),該系統(tǒng)由取投苗機構、移盤機構、柔性鏈輸苗機構組成。通過對取投苗過程的運動學分析,確定了夾苗間距為2 mm,苗夾張開速度為0.14 m/s,苗杯移動速度為0.18 m/s。

2) 在番茄缽苗苗齡為45 d、基質(zhì)含水率為63.47%、取投苗頻率為90株/min下進行取投苗試驗,取苗成功率為96.1%,投苗成功率為94.3%,傷苗率為3.9%,從而驗證了該取投苗裝置理論分析與設計的合理性。