植物工廠種植盤自動清洗試驗裝置.pdf

設(shè)施農(nóng)業(yè) nullnullnullnull 26 設(shè)施裝備工程 Agricultural Equipment 清洗 國內(nèi)在穴盤清洗方面進也行了較多研究 如 禹振軍等 8 研制了隧道式穴盤清洗機 高原源等 9 研制了穴盤自動清洗機 李愷等 10 設(shè)計了穴盤清洗消毒裝置 當前 在種植盤自動清洗方面的基礎(chǔ)研究較少 需要根據(jù)清 洗對象設(shè)計清洗方案 探究最佳設(shè)備參數(shù) 針對植物工廠缺乏成 套裝備 開展種植盤清洗機優(yōu)化設(shè)計研究 是實現(xiàn)植物工廠種植 盤全程機械化自動清洗的重要環(huán)節(jié) 為此 提出一種刷洗 沖 洗聯(lián)動方式 采用通道式水平送盤清洗和循環(huán)水箱 設(shè)計種植盤 自動清洗機構(gòu) 并搭建相應(yīng)的清洗試驗臺 探究最佳清洗效果 優(yōu)化改進種植盤清洗機 降低勞動強度 實現(xiàn)無人化作業(yè) 1 試驗裝置設(shè)計 試驗裝置主要由上下料機構(gòu) 清洗機構(gòu)和控制系統(tǒng)組成 圖1 上下料機構(gòu)主要用于過渡上盤和出盤 為了簡化清洗試驗平臺 減少占地面積 上下料采用可摘卸方式 通過螺栓與清洗結(jié)構(gòu)連 接 清洗機構(gòu) 圖 2 圖 3 包括機架 噴淋系統(tǒng) 兩組清洗毛 刷 傳動系統(tǒng) 其中 噴淋系統(tǒng)包括噴淋管路 扇形噴嘴 循環(huán) 水箱 水泵等 4 組噴淋管路均勻布置在兩組毛刷間 管路上的 扇形噴嘴從下往上噴淋 對種植盤進行無死角清洗 循環(huán)水箱固 定在機架上 水箱內(nèi)設(shè)有單獨循環(huán)過濾和單獨排污清洗閥 實現(xiàn) 水循環(huán)利用 水泵固定在機架上為清洗機構(gòu)提供循環(huán)水 循環(huán)水 箱中安裝有加熱系統(tǒng) 由不銹鋼加熱管 溫控器 溫控探頭組成 用于加熱循環(huán)水 提高清潔效果 兩組清洗毛刷位于機架內(nèi) 傳 動系統(tǒng)下方 由電機驅(qū)動 循環(huán)轉(zhuǎn)動對種植盤進行無死角清洗 植物工廠種植盤自動清洗試驗裝置 null 摘要 該文設(shè)計了一種用于植物工廠種植盤自動清洗的試驗裝置 主要包括種植盤輸送機構(gòu) 噴淋系統(tǒng) 刷洗系統(tǒng) 控制系統(tǒng)等 試驗結(jié)果表明 該試驗裝置運行穩(wěn)定后 傳輸速度穩(wěn)定性良好 設(shè)置的水壓 流量 溫度與測量值基本一致 該試驗裝置機械結(jié) 構(gòu)設(shè)計合理 具有良好的清洗試驗研究效果 為優(yōu)化改進種植盤 自動清洗機提供基礎(chǔ) 關(guān)鍵詞 種植盤 清洗 試驗裝置設(shè)計 植物工廠是一種規(guī)模化 機械化 自動化的現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)系 統(tǒng) 它通過設(shè)施內(nèi)先進技術(shù)裝備對環(huán)境條件進行自動控制 實現(xiàn) 作物周年連續(xù)生產(chǎn) 1 為節(jié)約資源 保護環(huán)境 植物工廠必備的 種植盤的重復利用成為必然選擇 已使用過的種植盤附著殘根老 葉 微生物 青苔 可能還有一些有害的病菌或蟲卵等 需對其 進行清洗消毒 以免影響作物栽培質(zhì)量 2 傳統(tǒng)清洗方式為人工毛刷擦洗或水管噴洗 勞動強度大 效 率低 且不易掌握刷洗力度 容易損壞種植盤 3 4 國內(nèi)外對設(shè) 施園藝種植盤的機械化清洗技術(shù)均有研究 國外設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)起 源早 發(fā)展時間長 相關(guān)配套技術(shù)設(shè)施較為成熟 栽培單元清洗 消毒和干燥設(shè)備自動化程度較高 效果佳 荷蘭Visser公司 5 的在線式水壓沖洗設(shè)備 針對不同材質(zhì)穴盤 可以實現(xiàn)隧道式 側(cè)立輸送式或水平輸送式清洗 荷蘭SYSPAL公司 6 的餐盤清 洗機 采用 85 水蒸氣與熱水清洗 意大利 Urbinati 公司 7 的 托盤清洗機 在隧道兩側(cè)布置30個清洗噴嘴 實現(xiàn)側(cè)立輸送式 李 葦 1 2 王南森 2 1 廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所 廣東 廣州 510630 2 廣東弘科農(nóng)業(yè)機械研究開發(fā)有限公司 廣東 廣州 510555 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 圖1 清洗機示意圖 設(shè)施農(nóng)業(yè) nullnullnullnull 27 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 設(shè)施農(nóng)業(yè) 1 3 噴淋機構(gòu) 噴淋機構(gòu) 圖 5 主要由不銹鋼管路 噴嘴 球閥 液位開 關(guān)等組成 儲水箱中水經(jīng)管路依此通過水泵 過濾器 然后進入 均勻布置的4根水平噴管組 最終由清洗噴嘴噴出 清洗種植盤 過濾器用于雙層過濾 防止清洗噴嘴堵塞 噴淋機構(gòu)采用沖洗打 擊能力較強的扇形噴嘴 液體離開噴嘴后形成的扇形噴霧 噴射 角度小 沖洗打擊能力強 水平管道選用 1 寸不銹鋼管路 4 條 水平管道均勻布置在毛刷兩側(cè) 每個噴管上均勻安裝 5 個扇形清 洗噴嘴 共 20 個噴嘴 從下往上噴淋沖洗 傳動系統(tǒng)由減速電機 傳送帶 傳動帶輪等組成 清洗時 種植 盤反面倒扣在機架上 在傳送帶上設(shè)有若干撥片 用于推動種植 盤 清洗機構(gòu)兩端設(shè)有擋水板 防止水花四濺 清洗機構(gòu)上蓋板 采用亞克力透明蓋板 且蓋板可前后推動 方便更換毛刷和噴嘴 類型及角度 控制系統(tǒng)采用可編程控制器 PLC 由CPU模塊 輸入模塊 輸出模塊 可編程模塊 變頻器 觸摸屏 空氣開關(guān) 旋鈕開關(guān) 繼電器 接觸器及開關(guān)電源等組成 控制著水泵 電 機的啟停 以及調(diào)節(jié)讀取水泵輸出壓力 流量 清洗速度 水溫 圖 2清洗機試驗平臺上料架機構(gòu) 圖 4 清洗機試驗平臺傳送機構(gòu) 圖 5清洗機試驗平臺噴淋機構(gòu) 圖 6清洗機試驗平臺刷洗機構(gòu) 圖3清洗機試驗平臺下料架機構(gòu) 1 2 傳送機構(gòu) 傳送機構(gòu) 圖 4 采用水平放置方式 由不銹鋼導軌 主傳 動軸 被傳動軸 減速電機 傳送帶 傳送帶撥片等組成 傳 送機構(gòu)設(shè)置在清洗機架上方 下方設(shè)置防護蓋板 在傳送機構(gòu) 與清洗機架之間形成清洗通道 通道寬度適用于項目種植盤 為保證種植盤順利通過清洗通道 在傳送帶上設(shè)置撥片 推動 種植盤與傳送帶同步運行 傳送電機功率選擇三相電機功率 P 0 75 kW 1 4 刷洗機構(gòu) 刷洗機構(gòu) 圖 6 由兩組滾刷 電機 皮帶傳動等組成 滾 刷載體為空心鋁件 采用尼龍刷 長度為 800 運行時 兩組滾刷轉(zhuǎn)向應(yīng)相同 配合噴淋機構(gòu) 可以更好地清洗種植盤 邊緣 設(shè)施農(nóng)業(yè) nullnullnullnull 28 設(shè)施裝備工程 Agricultural Equipment 1 5 循環(huán)水系統(tǒng) 為節(jié)約用水 清洗試驗臺采用循環(huán)水系統(tǒng) 圖 7 設(shè)置雙 層的過濾裝置 清洗過后的污水經(jīng)過濾進入儲水箱 然后再經(jīng)過 濾進入噴淋機構(gòu) 儲水箱設(shè)有單獨排污清洗閥 可以隨時清理臟 污 自動進水 圖 7清洗機試驗平臺循環(huán)水系統(tǒng) 圖 8清洗機試驗平臺控制界面 圖9 清洗速度變化 表1 試驗裝置水壓穩(wěn)定性測量 單位 kPa 1 6 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)由 PLC 擴展模塊 變頻器 空氣開關(guān) 熔斷器 急停按鈕 旋鈕開關(guān) 繼電器 開關(guān)電源及運行指示燈等組成 控制著水泵 電機的啟停 以及水泵輸出壓力 流量 刷洗速度 傳送速度 實際工作中 打開空氣開關(guān) 依次打開傳送電機開關(guān) 水泵開關(guān)和毛刷電機開關(guān) 繼電器和運行指示燈接通 相應(yīng)繼電 器觸點閉合 變頻器對應(yīng)的啟動端口接通 裝置開始工作 工作 運行中 通過調(diào)節(jié)變頻器頻率調(diào)節(jié)旋鈕 可實時調(diào)節(jié)清洗壓力 流量 清洗速度和水溫 控制界面如圖 8 所示 2 工作流程 實際工作時 將試驗裝置接通電源 調(diào)節(jié)PLC控制器 設(shè) 定清洗水壓 輸送速度 清洗流量 刷洗速度 加熱溫度 打開 傳送帶 水泵 毛刷開關(guān) 待裝置運行穩(wěn)定后 將種植盤水平反 面倒扣放置在機架上 在傳送帶撥片推動下 種植盤通過上料 架進入清洗通道 而儲水箱中水經(jīng)過過濾網(wǎng) 在水泵作用下以一 定壓力 經(jīng)過過濾器進入噴淋管路 通過扇形噴嘴沖洗種植盤 清洗過后的污水經(jīng)過過濾和排污清洗閥后再次流入儲水箱 達到 清洗水的循環(huán)利用 種植盤清洗后經(jīng)過下料架輸送到下一作業(yè)流 程 最終完成整個種植盤清洗輸送過程 通過圖片處理技術(shù) 進 行清潔度數(shù)據(jù)處理分析 通過設(shè)置不同水壓 流量 速度 更換 噴嘴 毛刷類型 研究種植盤在不同參數(shù)條件下的清潔效果 從 而進行清洗機的優(yōu)化設(shè)計 性能改進研究 3 清洗試驗 3 1 清洗穩(wěn)定性 試驗裝置輸送速度在 0 7 m min 可調(diào) 清洗效率可達到 180盤 h 種植盤在軌道上移動時應(yīng)運行穩(wěn)定 不能出現(xiàn)嚴重 的卡盤情況 設(shè)置輸送速度為 4 m min 測得試驗裝置清洗速 度變化如圖9所示 種植盤是倒扣在機架上運行的 依靠輸送 帶撥片推動 下方有噴淋系統(tǒng)和毛刷系統(tǒng) 所以產(chǎn)生小幅度速 度波動不可避免 但速度波動幅值較小 0 005 m min 以內(nèi) 不影響整體清洗效果 能夠滿足植物工廠清洗和輸送的使用 要求 3 2 水壓和流量穩(wěn)定性 試驗裝置在噴淋水泵出水口設(shè)置了水壓表和流量表 通過 變頻器可實現(xiàn) 0 300 kPa 清洗水壓調(diào)節(jié) 實現(xiàn) 0 15 m 3 h 清洗流量調(diào)節(jié) 選擇30 40 50 Hz頻率驗證水壓和流量穩(wěn) 定性 結(jié)果見表 1 2 測試結(jié)果顯示 控制系統(tǒng)測量的水壓 與出水口水壓表讀數(shù)差值為 5 kPa 控制系統(tǒng)測量的流量與出 水口流量計讀數(shù)幾乎無差值 說明試驗裝置水壓和流量穩(wěn)定性 良好 水泵頻率 Hz 測量的水壓讀數(shù) 出水口水壓表讀數(shù) 差值 30 100 3 100 5 0 40 180 4 180 5 0 50 285 3 280 5 5 設(shè)施農(nóng)業(yè) nullnullnullnull 29 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 設(shè)施農(nóng)業(yè) 表2 試驗裝置流量穩(wěn)定性測量 單位 m 3 h 表3 試驗裝置溫度穩(wěn)定性測量 單位 水泵頻率 Hz 測量的流量讀數(shù) 出水口流量表讀數(shù) 差值 30 4 48 0 04 4 48 0 02 0 00 40 7 95 0 07 7 95 0 03 0 00 50 12 50 0 03 12 50 0 02 0 00 設(shè)置的溫度讀數(shù) 水槽內(nèi)溫度計讀數(shù) 差值 30 30 0 0 0 0 45 45 0 1 0 0 60 60 0 5 0 0 3 3 溫度穩(wěn)定性 試驗裝置通過加熱系統(tǒng)可實現(xiàn) 0 60 清洗水溫調(diào)節(jié) 為 了驗證溫度穩(wěn)定性 在水槽內(nèi)3個采樣點設(shè)置溫度計 計算其 平均值 并選擇 30 45 60 在試驗裝置運行穩(wěn)定后 進行 驗證試驗 結(jié)果見表3 試驗結(jié)果表明 加熱系統(tǒng)的溫度值與 水槽內(nèi)溫度計測量值幾乎無差值 說明試驗裝置加熱系統(tǒng)溫度 很穩(wěn)定 4 結(jié)論 本文設(shè)計的用于植物工廠種植盤自動清洗試驗裝置 采用了 刷洗 沖洗的聯(lián)動清洗方式 可以用于種植盤自動輸送 用于 盤表面青苔 水垢 污漬等自動清洗 可以系統(tǒng)地研究輸送速度 水壓 流量 刷洗速度 溫度對種植盤清洗效果的影響 具有實 用價值 參考文獻 1 馬義東 胡鵬展 金鑫 等 水培生菜低損柔性采收裝置設(shè)計與試 驗 J 農(nóng)業(yè)機械學報 2022 53 10 175 183 210 2 高原源 王秀 舒象興 等 育苗穴盤自動清洗裝置的設(shè)計 J 農(nóng) 機化研究 2017 39 1 63 67 3 陳旭東 石劍鋒 全自動電容器清洗機的控制系統(tǒng)設(shè)計 J 南通職 業(yè)大學學報 綜合版 2006 4 87 90 4 符德龍 袁奎 張富貴 等 烤煙育苗盤雙面清洗機設(shè)計與試驗 J 中國農(nóng)機化學報 2017 38 4 33 36 5 Visser Washing Industry Washing EB OL 2019 8 22 https www visser eu washing 6 Syspal Washing Equipment Eurobin Washing Equipment EB OL 2019 8 22 https www syspal com 7 Urbinati LAV10 Traywasher Washing Lines EB OL 2019 8 22 traywasherlav10 8 禹振軍 劉建福 SDQXJ 型隧道式穴盤清洗機清洗系統(tǒng)設(shè) 計 J 農(nóng)業(yè)工程 2013 3 S2 37 39 43 9 高原源 趙春江 王秀 等 穴盤自動清洗裝置性能試驗研究 J 農(nóng)機化研究 2017 39 2 143 147 10 李愷 尹義蕾 侯永 育苗穴盤清洗消毒裝置的設(shè)計 J 農(nóng)業(yè)工程 技術(shù) 2019 39 31 10 12 17 null 項目支持 十四五 國家重點研發(fā)計劃 揭榜掛帥 無人化植物工廠栽培單元清洗與成品菜箱堆垛機器人研發(fā) 2021YFD2000705 2 作者簡介 李葦 1989 女 高級工程師 研究方向 設(shè) 施農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)研究及推廣 引用信息 李葦 王南森 植物工廠種植盤自動清洗試驗裝置 J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 2023 43 30 26 29