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第 36 卷 第 22 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol 36 No 22 96 2020 年 11月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Nov 2020 蔬菜穴盤苗插入頂出式取苗裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 文永雙 張俊雄 張 宇 田金元 袁 挺 譚豫之 李 偉 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 北京 100083 摘 要 針對(duì)蔬菜穴盤苗自動(dòng)取苗裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜 取苗性能差等問(wèn)題 該研究綜合頂出式取苗與插入夾持式取苗的優(yōu)缺 點(diǎn) 設(shè)計(jì)了一種插入頂出式取苗裝置 首先對(duì)缽苗頂出過(guò)程進(jìn)行受力分析 對(duì)拋出后的缽苗進(jìn)行運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析 得出造 成頂出式取苗的缽苗翻滾的影響因素 提出插入頂出式取苗結(jié)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo) 然后對(duì)送盤機(jī)構(gòu) 插入頂出式取苗機(jī)構(gòu)進(jìn) 行受力分析和參數(shù)優(yōu)化 以辣椒缽苗為試驗(yàn)對(duì)象 選取苗齡 缽體含水率和取苗頻率為影響因素 以取苗合格率 基質(zhì) 損失率和傷苗率為指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn) 試驗(yàn)結(jié)果表明 苗齡 30 d 基質(zhì)含水率 60 取苗頻率 120 株 min 時(shí) 取苗成功 率為 97 22 基質(zhì)損失率為 18 06 傷苗率為 1 39 取苗效果最佳 以苗齡 25 d 的甘藍(lán)和花椰菜苗進(jìn)行不同蔬菜作 物取苗驗(yàn)證試驗(yàn) 取苗合格率分別為 93 75 和 95 14 基質(zhì)損失率分別為 17 21 和 16 67 傷苗率分別為 4 17 和 3 47 滿足蔬菜穴盤苗全自動(dòng)移栽機(jī)取苗作業(yè)要求 研究結(jié)果可為蔬菜穴盤苗全自動(dòng)移栽機(jī)的設(shè)計(jì)和作業(yè)參數(shù)優(yōu)化提供 參考 關(guān)鍵詞 農(nóng)業(yè)機(jī)械 設(shè)計(jì) 試驗(yàn) 蔬菜缽苗 插入頂出 取苗裝置 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 22 011 中圖分類號(hào) S223 92 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1002 6819 2020 22 0096 09 文永雙 張俊雄 張 宇 等 蔬菜穴盤苗插入頂出式取苗裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2020 36 22 96 104 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 22 011 http www tcsae org Wen Yongshuang Zhang Junxiong Zhang Yu et al Development of insertion and ejection type seedling taking device for vegetable plug seedlings J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2020 36 22 96 104 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 22 011 http www tcsae org 0 引 言 中國(guó)是世界蔬菜生產(chǎn)和消費(fèi)第一大國(guó) 根據(jù)國(guó)家統(tǒng) 計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù) 2019 年中國(guó)蔬菜種植面積達(dá)到 20 863 khm 2 產(chǎn)量 7 21 億 t 大部分蔬菜采用育苗移栽的種植模式 移 栽環(huán)節(jié)以人工移栽和半自動(dòng)移栽為主 存在勞動(dòng)強(qiáng)度大 移栽效率低 成本高等問(wèn)題 1 4 全自動(dòng)移栽機(jī)在半自動(dòng) 移栽機(jī)的基礎(chǔ)上增加了自動(dòng)送盤 取苗 送苗 投苗等 機(jī)構(gòu) 單行移栽頻率可達(dá) 70 140 株 min 5 7 日本 美國(guó) 荷蘭等國(guó)對(duì)育苗移栽技術(shù)研究較早 根據(jù)本國(guó)作物 地理特點(diǎn)和蔬菜種植農(nóng)藝設(shè)計(jì)了不同類 型的自動(dòng)移栽機(jī) 已得到推廣應(yīng)用 8 11 意大利 Ferrari 公司研制的牽引式多行寬幅全自動(dòng)移栽機(jī) 配套使用特 制的硬質(zhì)穴盤 采用頂夾式取苗 移栽效率較高 日本 洋馬研制的 PF2R 型乘坐式全自動(dòng)蔬菜移栽機(jī) 配套使用 撓性軟穴盤 采用單行回轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng) 2 個(gè)插入夾持式取苗 機(jī)械手進(jìn)行取苗 性能穩(wěn)定可靠 國(guó)外機(jī)型不能完全適 合中國(guó)蔬菜種植農(nóng)藝 且結(jié)構(gòu)復(fù)雜 價(jià)格昂貴 12 13 國(guó) 內(nèi)對(duì)全自動(dòng)移栽機(jī)也進(jìn)行了相關(guān)研究 楊傳華等 14 利用 高速伺服電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)推桿將整排缽苗頂出 實(shí)現(xiàn)高速精 收稿日期 2020 08 07 修回日期 2020 11 04 基金項(xiàng)目 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 2017YFD0701303 作者簡(jiǎn)介 文永雙 博士生 主要從事蔬菜穴盤苗自動(dòng)移栽技術(shù)研究 Email wysh66123 通信作者 張俊雄 副教授 博士生導(dǎo)師 主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)器人 智能農(nóng) 業(yè)裝備研究 Email cau2007 準(zhǔn)取苗 倪有亮等 15 16 設(shè)計(jì)了縱 橫向移盤機(jī)構(gòu) 頂夾式 取苗機(jī)構(gòu)等 完成缽苗的隔穴頂出和夾取 通過(guò)理論分 析和建模仿真 獲得關(guān)鍵部件參數(shù) 文獻(xiàn) 17 20 設(shè)計(jì)了 非圓齒輪行星輪系取苗機(jī)構(gòu) 建立機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型 進(jìn) 行了機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析和臺(tái)架試驗(yàn) 減小了機(jī)構(gòu)振動(dòng) 改善了其動(dòng)力學(xué)性能 文獻(xiàn) 21 24 設(shè)計(jì)了滑道式插入夾 持取苗裝置 采用整排取苗間隔投苗和整排取苗再分苗 的方式進(jìn)行取投苗 提高了取苗效率和穩(wěn)定性 王蒙蒙 25 提出了氣動(dòng)柔性下壓式取苗 對(duì)壓缽頭進(jìn)行優(yōu)化 該機(jī) 構(gòu)取苗頻率較高 但僅適于展寬較小的缽苗 袁挺等 26 提出氣吹振動(dòng)復(fù)合式取苗 振動(dòng)打破缽苗與穴盤的粘結(jié) 力 氣吹輔助取苗 取苗性能穩(wěn)定 該取苗方式同樣僅 適于展寬較小的缽苗 而現(xiàn)有取投苗裝置也存在結(jié)構(gòu)復(fù) 雜 傷苗率高等問(wèn)題 27 29 頂出式取苗結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 取苗效率較高 但缽苗與穴 盤粘結(jié)力不同 拋出后的缽苗存在翻滾 落苗軌跡不可 控 落苗位置一致性差等問(wèn)題 插入夾持式取苗工作性 能穩(wěn)定 但機(jī)械手結(jié)構(gòu)復(fù)雜 取苗軌跡規(guī)劃困難 本文 結(jié)合頂出式和插入夾持式取苗特點(diǎn) 根據(jù)缽苗盤根由下 向上逐漸稀疏的特點(diǎn)和基質(zhì) 根系復(fù)合特性 30 設(shè)計(jì)一種 插入頂出式取苗裝置 并通過(guò)理論分析與取苗試驗(yàn) 完 成裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)選 1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理 1 1 整機(jī)結(jié)構(gòu) 72 穴穴盤 6 12 缽苗疏密適中 適用于多種蔬菜 第 22 期 文永雙等 蔬菜穴盤苗插入頂出式取苗裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 97 作物育苗 應(yīng)用廣泛 本文以 72 穴蔬菜穴盤苗為移栽對(duì) 象 采用機(jī) 電 氣相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送盤 取 苗 送苗 投苗 空盤回收等作業(yè)過(guò)程 包括穴盤和缽 苗的間歇有序輸送 穴盤苗的插入頂出 空盤的回收和 碼垛等動(dòng)作 蔬菜穴盤苗插入頂出式取苗裝置由機(jī)架 送盤機(jī)構(gòu) 頂苗機(jī)構(gòu) 翻板機(jī)構(gòu) 梳理板 送苗機(jī)構(gòu) 空盤回收機(jī)構(gòu)等組成 如圖 1 所示 1 送盤機(jī)構(gòu) 2 穴盤苗 3 梳理板 4 送苗機(jī)構(gòu) 5 空盤回收機(jī)構(gòu) 6 投苗漏 斗 7 翻板機(jī)構(gòu) 8 插入頂出機(jī)構(gòu) 9 碼垛機(jī)構(gòu) 1 Plug seedling tray conveying mechanism 2 Plug seedlings 3 Combing plates 4 Plug seedling conveying mechanism 5 Empty tray collecting mechanism 6 Seedling throwing funnel 7 Plate turning mechanism 8 Insertion and ejection mechanism 9 Palletizing mechanism 圖1 插入頂出式取苗裝置結(jié)構(gòu)圖 Fig 1 Structure diagram of insertion and ejection type seedling taking device 送盤機(jī)構(gòu)由側(cè)板 帶固定塊的同步帶 仿形桿等組 成 通過(guò)側(cè)板傾斜安裝在空盤回收機(jī)構(gòu)上方 固定在兩 側(cè)同步帶上的仿形桿卡住穴盤 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)穴盤間歇 移動(dòng) 梳理板位于送盤機(jī)構(gòu)前方 送苗機(jī)構(gòu)上方 起梳 理穴盤苗和固定穴盤的作用 插入頂出機(jī)構(gòu)設(shè)置在送盤 機(jī)構(gòu)內(nèi)部 由氣缸驅(qū)動(dòng)整排頂針沿直線導(dǎo)軌前后滑動(dòng) 翻板機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動(dòng)翻板往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng) 送苗機(jī)構(gòu)由步 進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 缽苗位于輸送帶隔板內(nèi) 實(shí)現(xiàn)精確間歇有 序送苗 通過(guò)投苗漏斗將缽苗豎直投入到栽植機(jī)構(gòu) 取 苗完成后的空盤 由空盤回收輸送帶送至碼垛機(jī)構(gòu)完成 空盤碼垛 觸摸屏 PLC 控制系統(tǒng)控制各機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)配合 共同完成自動(dòng)取苗作業(yè) 取苗裝置總功率 800 W 供電電 壓為直流 24 V 穴盤規(guī)格 72 穴 整體尺寸 長(zhǎng) 寬 高 1 45 m 1 37 m 1 22 m 最高取苗頻率 160 株 min 取苗 合格率 90 1 2 工作原理 插入頂出式取苗裝置工作原理如圖 2 所示 送盤機(jī) 構(gòu)通過(guò)仿形桿撥動(dòng)穴盤供苗 使穴盤底孔逐行對(duì)準(zhǔn)取苗 孔 在頂苗氣缸驅(qū)動(dòng)下 頂針穿過(guò)穴盤底部排水口 將 整排缽苗從穴盤頂出輸送帶上方 翻板機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn) 頂針 收回 缽苗落入輸送帶苗格內(nèi) 取苗后的空盤脫離送盤 機(jī)構(gòu)后 落到下方空盤回收輸送帶 空盤回收輸送帶的 擋塊驅(qū)動(dòng)空盤移動(dòng) 并將空盤推入碼垛機(jī)構(gòu) 碼垛氣缸 將穴盤頂起 止落板由水平轉(zhuǎn)動(dòng)至傾斜 當(dāng)空盤到達(dá)止 落板上方時(shí) 止落板回轉(zhuǎn)至水平位 碼垛氣缸收回 止 落板托住空盤 完成空盤碼垛 1 穴盤苗 2 頂苗氣缸 3 送苗輸送帶 4 空盤回收輸送帶 5 空盤 6 碼垛機(jī)構(gòu) 1 Plug seedlings 2 Seedling ejection cylinder 3 Plug seedling conveyor 4 Empty tray collecting conveyor 5 Empty tray 6 Palletizing mechanism 注 v 1 為送盤速度 m s 1 v 2 為空盤回收速度 m s 1 Note v 1 is the speed of plug seedling tray conveying m s 1 v 2 is the speed of empty tray collecting m s 1 圖2 取苗原理 Fig 2 Principle of plug seedling taking 2 取苗過(guò)程的缽苗力學(xué)模型 為研究取苗過(guò)程缽苗翻滾機(jī)理 消除或減輕缽苗翻 滾現(xiàn)象 對(duì)取苗過(guò)程缽苗力學(xué)模型進(jìn)行分析 2 1 缽苗頂出過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析 從缽苗脫離穴盤到缽苗脫離頂針為缽苗加速過(guò)程 穴盤對(duì)缽苗有支持作用 且頂桿作用于缽苗的行程及時(shí) 間較短 因此 假設(shè)此過(guò)程缽苗為直線運(yùn)動(dòng) 以頂桿和 缽苗接觸中心點(diǎn)為原點(diǎn) 缽苗運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闄M坐標(biāo)正方向 建立直角坐標(biāo)系 oxy 缽苗受力分析如圖 3 所示 注 a 為缽苗加速度 m s 2 f dg 為缽體與頂桿的摩擦力 N f xp 為缽體與穴 盤的摩擦力 N F nj 為缽體與穴盤的粘結(jié)力 N F n1 為穴盤上側(cè)面對(duì)缽體 的支持力 N F n2 為穴盤下側(cè)面對(duì)缽體的支持力 N G 為缽苗重力 N N dg 為頂桿對(duì)缽苗的作用力 N F I 為缽苗慣性力 N 為缽苗中心線與水 平面的夾角 為缽苗中線與頂桿頂出方向夾角 為缽體錐角 s 為缽體質(zhì)心到底部距離 mm Note a is the acceleration of plug seedling m s 2 f dg is the friction force between the plug and the ejector rod N f xp is the friction force between the plug and the tray N F nj is the adhesion force between the plug and the tray N F n1 is the supporting force of the upper side of the tray on the plug N F n2 is the supporting force of lower side of the tray on the plug N G is the gravity of the plug seedlings N N dg is the force of the ejector rod on the seedlings N F I is the inertial force of the seedlings N is the angle between the center line of the seedling and the horizontal plane is the angle between the center line of the seedling and the ejection direction of the ejector pin is the cone angle of the plug s is the distance from the centroid of the plug to the bottom mm 圖3 頂出過(guò)程缽苗受力析 Fig 3 Force analysis of plug seedlings during ejection 缽苗所受的慣性力 F I ma N F x F y 為慣性力 系在 x y 軸的投影 N M o 為慣性力系對(duì)點(diǎn) o 的主矩 N m 由達(dá)朗貝爾原理列平衡方程有 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2020 年 98 0 0 0 x y o F F M 1 即 21 21 cos sin sin sin 0 cos sin cos cos 0 sin coscos0 2 dg n1 I nj xp dg dg dg n n Injxp n n NFG FFff fNFFG FF f F Fs Gs 2 整理可得 12 1 cos cos 2 sin nn nj xp GFF ma F f 090 3 取苗過(guò)程缽苗做勻加速直線運(yùn)動(dòng)且缽苗不發(fā)生翻滾 需滿足式 1 因此 缽苗不發(fā)生翻滾必備條件是 需 滿足式 3 2 2 缽苗斜拋過(guò)程運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 缽苗脫離穴盤但未脫離頂桿時(shí) 頂桿和缽體存在摩 擦力 缽苗底部受力點(diǎn)和頂桿相對(duì)靜止 而缽苗莖葉和 缽體由于重力作用向下運(yùn)動(dòng) 因此 缽苗脫離頂桿時(shí)存 在一定翻滾角速度 頂出后的缽苗做斜拋運(yùn)動(dòng) 最終 落入接苗裝置或送苗裝置 拋出軌跡如圖 4 所示 注 v 為缽苗脫離頂桿時(shí)的初始速度 m s 1 為缽苗翻轉(zhuǎn)的角速度 rad s 1 為斜拋角度 H 為缽苗下落垂直高度 mm Note v is the initial velocity of the plug seedling when it is separated from the ejector pin m s 1 is the angular velocity of the plug seedling turnover rad s 1 is the oblique throwing angle H is the vertical height of the plug seedling falling mm 圖4 缽苗斜拋軌跡 Fig 4 Oblique throwing track of plug seedlings 缽苗水平方向位移為 cosXv t 4 式中 t 為缽苗在空中運(yùn)行的時(shí)間 s 豎直方向位移為 2 1 sin 2 YHv t gt 5 缽苗翻滾角度 為 t 6 由式 4 5 可得缽苗斜拋運(yùn)行軌跡方程為 2 22 tan 2cos gx YHX v 7 令 Y 0 可得缽苗的水平位移為 2 22 sin 2 cos sin 2 2 vv X vgH gg 8 式 8 對(duì) 求導(dǎo)得 2 2 22 sin cos 2 2 d cos 2 d sin 2 vv gH X v g gv gH 9 令 d 0 d X 可得最遠(yuǎn)拋射距離對(duì)應(yīng)斜拋角度 0 為 1 0 2 sin 22 v vgH 10 將 0 代入式 8 則最遠(yuǎn)水平拋苗距離為 2 max 2 v X vgH g 11 由式 4 8 可得落苗時(shí)間為 22 sin 1 sin 2 v tvgH gg 12 當(dāng) 0 即缽苗做平拋運(yùn)動(dòng)時(shí) 由式 13 可得最短 拋苗距離的時(shí)間為 min 2H t g 13 將 t 代入式 6 可得缽苗斜拋翻滾角度為 22 sin 1 sin 2 v vgH gg 14 由式 14 可知 減小缽苗斜拋初始角速度 斜拋 角度和缽苗下落垂直高度可減小 從而減輕缽苗斜拋過(guò) 程的翻滾 缽苗最小翻滾角度為 min 2 H g 15 通過(guò)設(shè)定 減小 H 可減輕缽苗翻滾 但固 定參數(shù) 無(wú)法適應(yīng)各種缽苗 頂桿須作用在缽體的中心位 置 缽苗斜拋過(guò)程仍可能因相鄰缽苗的莖葉纏繞 莖葉 和梳理板的摩擦發(fā)生翻轉(zhuǎn) 造成落苗不整齊 3 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 1 優(yōu)化目標(biāo) 根據(jù)上文分析 針對(duì)頂出式取苗送盤定位精度要求 高 頂出后的缽苗易發(fā)生翻滾 容易受梳理板和相鄰缽 苗干擾造成落苗不整齊等問(wèn)題 對(duì)插入頂出式取苗進(jìn)行 以下優(yōu)化 1 設(shè)置缽苗中線與頂桿頂出方向夾角為 以減輕取苗時(shí)缽苗翻滾 2 在頂桿末端設(shè)置一體式扁平 針尖 取苗過(guò)程中針尖先插入缽體 固定缽苗姿態(tài) 再 將缽苗頂出 頂出過(guò)程缽苗保持固定姿態(tài) 3 增加頂桿 長(zhǎng)度 將缽苗從穴盤一直頂至輸送帶上方 頂針提供恒 定推力和支持力 以克服梳理板或其他缽苗的干擾 并 避免頂桿瞬間沖撞缽體造成散坨 4 增加翻板機(jī)構(gòu) 頂 針頂出缽苗 翻板翻轉(zhuǎn)后再收回頂針 翻板限制頂針回 帶缽苗 提高落苗整齊度 5 使用氣缸加導(dǎo)軌的方式直 接頂苗 以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)提高頂苗精度 6 使用仿形桿送盤 消除送盤間隙 通過(guò)閉環(huán)控制 消除連續(xù)送盤產(chǎn)生的累 積誤差 實(shí)現(xiàn)穴盤精準(zhǔn)定位 使穴盤底孔精確對(duì)準(zhǔn)頂針 第 22 期 文永雙等 蔬菜穴盤苗插入頂出式取苗裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 99 3 2 送盤機(jī)構(gòu) 為使穴盤可靠定位和均勻受力 根據(jù)穴盤底部錐形 間隙設(shè)計(jì)截面為圓角梯形的仿形桿 間隔布置在穴盤底 部間隙 穴盤橫向放置 每個(gè)穴盤用 3 條仿形桿撥動(dòng) 由于穴盤四周存在邊沿 增大了相鄰穴盤之間撥桿距 離 實(shí)現(xiàn)連續(xù)送盤 主動(dòng)軸 從動(dòng)軸和張緊軸將 2 條圓 弧同步帶 型號(hào) 5M 寬 30 mm 長(zhǎng) 1 195 mm 支撐為 三角形 同步帶上設(shè)置有固定塊 仿形桿兩端固定在兩 側(cè)同步帶固定塊上 固定塊 3 個(gè)為 1 組 共 7 組 由于 72 穴穴盤中缽苗株距為 43 mm 穴盤四周存在 9 5 mm 的邊沿 固定塊組內(nèi)間距為 86 mm 組間間距為 105 mm 取苗孔間距均為 43 mm 左右同步帶限制穴 盤左右移動(dòng) 根據(jù)穴盤橫向尺寸 同步帶內(nèi)側(cè)間距為 503 mm 步進(jìn)電機(jī) 型號(hào) 86BYG250H 6N 驅(qū)動(dòng)主動(dòng) 軸間歇轉(zhuǎn)動(dòng) 根據(jù)取苗頻率 160 株 min 的供苗要求 送盤速度為 0 05 m s 根據(jù)穴盤中缽苗株距和穴盤邊沿 尺寸 同盤苗間歇送盤距離為 43 mm 兩穴盤銜接時(shí)送 盤距離為 62 mm 實(shí)現(xiàn)穴盤底孔逐行對(duì)準(zhǔn)取苗孔 送盤 機(jī)構(gòu)如圖 5 所示 1 從動(dòng)軸 2 底板 3 仿形桿 4 取苗孔 5 主動(dòng)軸 6 送盤電機(jī) 7 張緊軸 8 張緊軸承座 1 Driven shaft 2 Bottom plate 3 Profile modeling rods 4 Seedling taking holes 5 Driving shaft 6 Plug seedling tray conveying motor 7 Tension shaft 8 Tension bearing seats 注 L 1 為仿形桿組內(nèi)間距 mm L 2 為仿形桿組間間距 mm L 3 為同步帶 內(nèi)側(cè)間距 mm L 4 為兩端取苗孔間距 mm Note L 1 is the distance within the profiling rod groups mm L 2 is the distance between the profiling rod groups mm L 3 is the distance between the inner side of the timing belt mm L 4 is the distance of seedling holes at both ends mm 圖5 送盤機(jī)構(gòu) Fig 5 Plug seedling tray conveying mechanism 輸送穴盤苗時(shí) 為防止穴盤脫離仿形桿 傾覆或缽 苗提前脫落 底板應(yīng)為傾斜面 31 根據(jù)穴盤和缽苗受力 情況確定底板與水平面夾角 分別以穴盤和缽苗質(zhì)心為原點(diǎn) 穴盤和缽苗滑落方 向?yàn)闄M坐標(biāo)軸建立直角坐標(biāo)系 整盤缽苗受力如圖 6a 所 示 整盤缽苗所受主動(dòng)力為穴盤苗重力 被動(dòng)力有仿形 桿的支持力 穴盤與仿形桿的摩擦力 底板支持力 穴 盤與底板的摩擦力 單個(gè)缽苗受力如圖 6b 所示 缽苗所 受主動(dòng)力為缽苗重力 被動(dòng)力有穴盤支持力 缽體與穴 盤的粘結(jié)力 缽體與穴盤的摩擦力 穴盤苗和缽苗主動(dòng)力均為重力 滑動(dòng)方向相同 滑 動(dòng)臨界角度相同 因此 僅對(duì)缽苗進(jìn)行分析 缽苗沿穴 盤向外滑移的分力 G x 為 sin 90 22 x GG 16 當(dāng) 2 0 缽苗沿穴盤向外滑動(dòng) 當(dāng) 0 時(shí) 90 2 G x 0 缽苗無(wú)滑動(dòng) 當(dāng) 0 90 2 時(shí) 0 90 2 G x 0 缽苗沿穴腔向內(nèi)滑動(dòng) 缽苗不發(fā) 生脫落 測(cè)得缽體錐角 29 4 為防止缽苗脫落 應(yīng)小于 75 3 取 75 a 整盤缽苗受力 b 單個(gè)缽苗受力分析 a Force analysis of plug seedling tray b Force analysis of single plug seedling 注 P 為穴盤苗總重力 N P x P y 為 P 在 x 1 軸和 y 1 軸上的分力 N N b 為底板對(duì)穴盤的支持力 N f b 為底板與穴盤的摩擦力 N N g 為仿形桿對(duì) 穴盤的支持力 N f g 為仿形桿與穴盤的摩擦力 N G 為缽苗的重力 N G x G y 分別為 G 在 x 2 軸和 y 2 軸上的分力 N N p 為穴盤對(duì)缽苗的支持力 N f p 為穴盤與缽苗的摩擦力 N M z 為缽苗與穴盤的粘結(jié)力 N 為缽體 側(cè)面法線與豎直方向夾角 為缽體錐角 o 1 x 1 y 1 o 2 x 2 y 2 為坐標(biāo)系 Note P is the gravity of the plug seedlings N P x P y are the component forces of P on the x 1 axis and y 1 axis N N b is the supporting force of the bottom plate to the tray N f b is the friction force between the bottom plate and the tray N N g is the supporting force of the profile modeling rod to the tray N f g is the friction force between the profile modeling rod and the tray N G is the gravity of the plug seedlings N G x G y are the component forces of G on the x 2 axis and y 2 axis N N p is the supporting force of the tray to the seedling N f p is the friction force between tray and seedling N M z is the bonding force between plug seedling and tray N is the angle between the underside normal of plug seedling and vertical direction is the cone angle of the plug o 1 x 1 y 1 o 2 x 2 y 2 are the coordinate systems 圖6 送盤過(guò)程受力分析 Fig 6 Force analysis of plug seedling tray conveying process 3 3 插入頂出式取苗機(jī)構(gòu) 插入頂出機(jī)構(gòu)和翻板機(jī)構(gòu)配合完成取苗 取苗過(guò)程 為 送盤機(jī)構(gòu)將穴盤底孔逐行對(duì)準(zhǔn)取苗孔 頂苗氣缸驅(qū) 動(dòng)頂針頂出 頂針穿過(guò)取苗孔和穴盤底孔 將整排缽苗 頂入輸送帶上方 翻板順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 90 頂針收回 缽 苗掉落到輸送帶相應(yīng)苗格內(nèi) 翻板返回原位 完成 1 次 取苗 取苗機(jī)構(gòu)如圖 7 所示 頂針支架均勻安裝 12 支頂針 頂針間距和取苗孔間距相同 根據(jù)送盤機(jī)構(gòu)和送苗機(jī)構(gòu) 相對(duì)位置尺寸 頂針總長(zhǎng)為 142 mm 頂針由軸承鋼光軸 經(jīng)線切割加工而成 包括一體式頂桿和針尖 針尖與針 桿結(jié)合處有凸臺(tái) 頂針直徑大 則頂苗受力面積較大 有利于取苗 但對(duì)送盤機(jī)構(gòu)定位精度要求高 頂針直徑 過(guò)小 則頂針易刺穿缽體 根據(jù)送盤精度和缽體力學(xué)特 性 確定頂桿直徑為 6 mm 頂針凸臺(tái)與缽體底面平行 由取苗氣缸 型號(hào) MA20 125S 驅(qū)動(dòng)整排頂針沿導(dǎo)軌 方向前后移動(dòng) 頂苗行程為 125 mm 取苗時(shí) 針尖先插 入缽體 頂針凸臺(tái)再將缽苗從穴盤頂出 缽苗到達(dá)輸送 帶上部時(shí) 翻板機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn) 頂針收回 缽苗落入輸送帶 苗格內(nèi) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2020 年 100 1 導(dǎo)軌 2 頂苗氣缸 3 壓力傳感器 4 頂針支架 5 頂針 6 旋轉(zhuǎn)氣缸 7 翻板 8 缽苗 1 Rail 2 Seedling ejection cylinder 3 Pressure Sensor 4 Ejector pins bracket 5 Ejector pins 6 Rotary cylinder 7 Turning board 8 Plug seedings 注 L 5 為頂針支架兩端的頂針間距 mm L 6 為頂針總長(zhǎng) mm Note L 5 is the ejector pin distance at both ends of the ejector pins bracket mm L 6 is the total length of the thimble mm 圖7 插入頂出機(jī)構(gòu)和翻板機(jī)構(gòu) Fig 7 Insertion ejection mechanism and plate turning mechanism 缽苗頂出過(guò)程中 頂桿做勻速直線運(yùn)動(dòng) 頂針頂出 方向和缽體下側(cè)面平行 頂針凸臺(tái)中心與缽體底部中心 重合 以頂針凸臺(tái)中點(diǎn)為原點(diǎn) 以頂桿頂出方向?yàn)?x 軸 建立坐標(biāo)系 插入頂出式取苗過(guò)程缽苗受力如圖 8 所示 注 N d 為頂桿凸臺(tái)支持力 N N z 為針尖對(duì)缽苗的支持力 N f z 為針尖對(duì) 缽體的摩擦力 N 為針尖上側(cè)和針尖到凸臺(tái)中心點(diǎn)連線的夾角 為缽體底面與水平面間的夾角 l 為針尖長(zhǎng) mm s 為缽體中心至缽體 底部的距離 mm Note N d is the support force of the ejector pin boss N N z is the support force of the ejector pin tip to the seedling N f z is the friction force of the ejector pin tip to the plug N is the angle between the upper side of the tip and the connection line from the tip to the center of the boss is the angle between the bottom of the plug and the horizontal plane l is the tip length mm s is the distance from the center of the plug to the bottom of the plug mm 圖8 插入頂出取苗過(guò)程缽體受力分析 Fig 8 Force analysis of plug seedling during the process of insertion and ejection type seedling taking 對(duì)缽苗進(jìn)行受力分析 平面內(nèi)任意力系的平衡方 程為 0 0 0 x y o F F M 17 即 cos 0 2 sin 0 2 2tan 0 dz zd Zz Nf NN G Nl fl Gs 18 整理可得 tan tan 2 z Gf s Gl 19 根據(jù) 29 4 8 05 f z 0 由式 19 可知 s l 缽體為倒錐體 上邊長(zhǎng) 37 mm 下邊長(zhǎng) 16 mm 高 38 mm 計(jì)算可得缽體質(zhì)心到底部距離 s 23 75 mm 為防止缽苗 翻滾 l 應(yīng)盡可能大 但針尖過(guò)長(zhǎng)影響針尖強(qiáng)度 且缽體 頂部缺少根系包裹 力學(xué)性能較差 針尖應(yīng)作用在缽體 底部的根系密集區(qū) 本文取 l 25 mm 3 4 翻板機(jī)構(gòu) 頂針回程過(guò)程中頂針脫離缽苗時(shí) 由于針尖與缽體 存在摩擦力 并且摩擦力大小存在差異 造成落苗不整 齊 甚至缽苗落至輸送帶外側(cè) 翻板機(jī)構(gòu)可防止缽苗回 帶 翻板機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)氣缸 型號(hào) CRB2BW20 90S 通 過(guò)齒輪傳動(dòng) 驅(qū)動(dòng)翻板往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng) 90 根據(jù)穴盤寬度 和單個(gè)缽苗缽體尺寸 設(shè)置翻板長(zhǎng) 508 mm 寬 40 mm 為防止翻板與梳理板 頂針發(fā)生干涉 翻板設(shè)置有梳理 板槽 寬 長(zhǎng) 8 mm 34 mm 和頂桿槽 寬 長(zhǎng) 5 mm 29 mm 4 取苗試驗(yàn) 4 1 試驗(yàn)條件 為測(cè)試取苗裝置性能 于 2020 年 5 月 4 10 日在山東 華龍農(nóng)業(yè)裝備股份有限公司實(shí)驗(yàn)室 山東青州 進(jìn)行取苗 試驗(yàn) 圖 9 試驗(yàn)用苗為 72 穴辣椒 中荷 5605 甘 藍(lán) 澤鴻韓綠 花椰菜 松美 75 在青州雙福農(nóng)業(yè)科 技有限公司育苗 育苗基質(zhì)成分為丹麥品氏泥炭土和珍珠 巖 體積比為 3 1 試驗(yàn)用苗長(zhǎng)勢(shì)均勻 壯苗率為 100 a 不同苗齢試驗(yàn)用苗 b 取苗裝置 a Experiment plug seedlings with different seedling age b Seedlings taking device 圖9 取苗試驗(yàn) Fig 9 Experiment of seedlings taking 4 2 試驗(yàn)因素和指標(biāo) 在標(biāo)準(zhǔn)育苗環(huán)境和苗期管理?xiàng)l件下 蔬菜穴盤育苗 通則 NY T 2119 2012 苗齡決定缽苗根系和莖葉的形 態(tài) 大苗齡缽苗根系發(fā)達(dá) 缽體具有良好的基質(zhì) 根系復(fù) 合特性 針尖插入缽體和頂出缽苗時(shí)不易散坨 但大苗 齡缽苗展寬較大 莖葉易發(fā)生纏繞 穴盤苗在進(jìn)入梳理 板過(guò)程中 梳理板將缽苗強(qiáng)行分離 容易造成莖葉損傷 小苗齡缽苗則相反 因此 苗齡是影響取苗性能的關(guān)鍵 因素 辣椒苗苗齡 30 d 時(shí) 缽苗已開(kāi)始盤根 缽體具有 一定強(qiáng)度 莖葉基本沒(méi)有交織重疊 具備取苗條件 36 d 時(shí) 缽苗根系更加發(fā)達(dá) 葉片相互交錯(cuò)遮擋 梳苗時(shí)易 第 22 期 文永雙等 蔬菜穴盤苗插入頂出式取苗裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 101 造成莖葉損傷 選取苗齡分別為 30 33 和 36 d 基質(zhì)含 水率影響缽體力學(xué)特性 缽體與穴盤的粘結(jié)力 缽苗重 心等 32 從而影響取苗性能 基質(zhì)含水率過(guò)低 60 時(shí) 缽體抗壓能力降低 33 并且不便于包裝 和運(yùn)輸 因此 選取基質(zhì)含水率水平為 20 40 和 60 取苗頻率是衡量取苗裝置性能的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù) 根據(jù)取苗 裝置整體性能 設(shè)定取苗頻率分別為 80 120 和 160 株 min 以辣椒苗為取苗對(duì)象 以基質(zhì)含水率 苗齡和取苗 頻率為影響因素 以取苗合格率 基質(zhì)損失率和傷苗率為 考察指標(biāo)進(jìn)行三因素三水平三指標(biāo)正交試驗(yàn) 研究不同參 數(shù)組合對(duì)取苗性能的影響 因素水平如表 1 所示 取苗合格率 1 為 1212 1 100 WW W V V W 20 基質(zhì)損失率 2 為 2 100 PM N PM 21 傷苗率 3 為 12 3 100 VV W 22 式中 W 為每組試驗(yàn)缽苗總株數(shù) W 1 為未頂出穴盤苗株數(shù) W 2 為輸送過(guò)程缽苗脫離原苗格株數(shù) V 1 為莖葉破損或折 斷株數(shù) V 2 為散坨缽苗株數(shù) 根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) Q 3201 LL 2ZQ 2 PF2R 全自動(dòng)移栽機(jī)作業(yè)技術(shù)規(guī)范 散坨質(zhì) 量與原坨質(zhì)量比 20 的植株為散坨苗 P 為取苗前穴 盤苗總質(zhì)量 N 為取苗后缽苗質(zhì)量和 M 為穴盤質(zhì)量 表 1 因素水平表 Table 1 Factors and levels 水平 Levels 苗齡 Seedling age A d 基質(zhì)含水率 Moisture cottent of substrates B 取苗頻率 Frequency of seedling taking C 株 min 1 1 30 20 80 2 33 40 120 3 36 60 160 4 3 試驗(yàn)方法 在取苗裝置控制軟件中設(shè)定取苗頻率分別為 80 120 和 160 株 min 送盤速度 0 05 m s 送苗速度 0 09 m s 翻板翻轉(zhuǎn)時(shí)間 0 2 s 使用節(jié)流閥調(diào)整氣缸頂苗速度 0 25 m s 使用穩(wěn)壓閥調(diào)整系統(tǒng)氣壓為 0 4 MPa 穴盤苗 均勻澆水后 放置在透風(fēng)處 用水分測(cè)量?jī)x檢測(cè)缽體含 水率 當(dāng)缽體含水率降至 60 40 和 20 時(shí) 分別進(jìn) 行取苗試驗(yàn) 每組試驗(yàn)取苗 2 盤 144 株 10 組試驗(yàn) 共 20 盤穴盤苗 其中 9 組為正交試驗(yàn) 1 組為優(yōu)選方 案驗(yàn)證試驗(yàn) 取苗時(shí)依次完成自動(dòng)送盤 穴盤苗梳理 缽苗頂出 送苗等環(huán)節(jié) 每組試驗(yàn)完成后統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù) 選取 L 9 3 4 正交表進(jìn)行試驗(yàn) 對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析和 方差分析 得出各因素對(duì)考察指標(biāo)的影響主次順序和顯 著性 采用綜合分析法確定最佳組合取苗方案 并進(jìn)行 試驗(yàn)驗(yàn)證 4 4 試驗(yàn)結(jié)果與分析 試驗(yàn)過(guò)程取苗裝置運(yùn)行良好 送盤機(jī)構(gòu)和送苗機(jī)構(gòu) 工作平穩(wěn) 定位精準(zhǔn) 在 PLC 控制系統(tǒng)控制下 各機(jī)構(gòu) 可高速協(xié)調(diào)運(yùn)行 試驗(yàn)結(jié)果如表 2 所示 采用極差分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析如表 3 所示 表 2 取苗正交試驗(yàn)方案和結(jié)果 Table 2 Orthogonal experiment scheme and results of seedling taking 序號(hào) No A d B C 株 min 1 未頂出株數(shù) Number of unremoved plants 脫離苗格株數(shù) Number of separate from grid plants 傷莖葉株數(shù) Number of stem leaf injury plants 散坨株數(shù) Number of broken plug plants 取苗合格率 Qualified rate of seedling taking 1 基質(zhì)損失率 Missing rate of substrates 2 傷苗率 Injured rate of seedling 3 1 30 20 80 3 2 0 1 95 83 14 47 0 69 2 30 40 120 2 0 0 3 96 53 20 82 2 08 3 30 60 160 4 2 0 2 94 44 22 38 1 39 4 33 20 120 2 1 2 0 96 53 16 65 1 39 5 33 40 160 3 8 4 0 89 58 20 88 2 78 6 33 60 80 0 0 2 1 97 92 14 41 2 08 7 36 20 160 0 8 8 2 87 50 13 71 6 94 8 36 40 80 1 5 10 0 88 89 10 35 6 94 9 36 60 120 0 3 4 1 94 44 8 80 3 47 由表 3 表 4 可知 極差分析和方差分析的各因素 對(duì)各指標(biāo)影響的顯著性順序一致 采用綜合平衡法對(duì)每 種因素