育苗穴盤自動清洗裝置的設計

高原源，王 秀,舒象興，趙春江

(1.北京農業智能裝備工程技術研究中心，北京 100097；2.國家農業智能裝備工程技術研究中心，北京 100097；3.農業部農業信息技術重點實驗室，北京 100081；4.農業智能裝備技術北京市重點實驗室，北京100097；5.西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100)

?

育苗穴盤自動清洗裝置的設計

高原源1,2,4,5，王 秀1,2,4,舒象興1,2,4，趙春江3,5

(1.北京農業智能裝備工程技術研究中心，北京 100097；2.國家農業智能裝備工程技術研究中心，北京 100097；3.農業部農業信息技術重點實驗室，北京 100081；4.農業智能裝備技術北京市重點實驗室，北京100097；5.西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100)

工廠化育苗過程中，使用過的穴盤中常含有有害病原菌，影響種子出苗質量，重復使用前需進行清洗消毒處理。針對傳統手工清洗方式勞動強度大、效率低、易傷盤，且部分穴盤基質固結不易洗凈的問題，提出了清水浸泡-水壓沖洗-風力干燥的方式，即浸泡后的穴盤豎直送入清洗艙，兩側對稱噴頭多次沖洗，后續風力干燥，最終設計了一種育苗穴盤自動清洗裝置。該裝置主要由清洗系統、干燥系統和控制系統組成，通過控制系統實現清洗水壓和清洗速度可調，并利用壓力變送器和變頻器的PID控制穩定清洗壓力，同時清洗用水可循環利用。該設計有效地提高了穴盤清洗效率和作業性能，避免了穴盤損傷，滿足了育苗穴盤重復利用清洗需求。

工廠化育苗；穴盤；自動清洗；水壓

0 引言

工廠化育苗以規模化、機械化、自動化等特點成為現代農業的重要組成部分，具有省時省力、育苗質量好及成功率高的優點[1-4]。對于工廠化育苗必備的育苗穴盤，我國目前多采用PS吸塑盤[5-6]，這種穴盤常溫下不可降解。為節約資源、保護環境，穴盤的重復利用成為育苗企業的必然選擇。已使用過的穴盤殘留基質中可能含有一些有害的病原菌或蟲卵等[7-8]，需對其進行清洗消毒，以免影響種子的出苗質量。傳統穴盤清洗方式為人工毛刷清洗，勞動強度大、效率低，且不易掌握刷洗力度，容易損壞穴盤，而物理水壓沖洗是目前公認的最科學、經濟和環保的方法[9-11]。

國外的穴盤育苗技術因其起源早、發展時間長，相應的技術及配套設施發展的較為成熟[12-13]，研發的穴盤清洗裝置，技術成熟，自動化程度較高，且可滿足穴盤清洗、消毒和干燥不同需求。如澳大利亞WASHTECH公司參照自動洗碗機的原理，設計制造了AL8柜式清洗機。整個清洗機械分為上下兩層，上層是裝有旋轉噴頭的清洗艙，下層是供水箱。旋轉噴頭與清洗管路和消毒管路連接，通過程序控制分別單獨接通，達到清洗、消毒同批依次進行的目的。同時，清洗艙內也可對穴盤風力干燥，實現整個過程自動化無人操作。美國INSINGER公司研制的TRAC系列穴盤清洗機，根據水箱數量劃分不同規格，搭配TD系列穴盤干燥機，最高清洗效率可達878盤/h，滿足了不同清洗效率需求。此外，德國MOBA公司生產的托盤清洗機，主要用于清洗蛋盤。工作時，使用過的蛋盤被自動分開，以水平放置形式送入清洗機，經過水壓清洗后自動堆疊，然后高速旋轉甩干。其效率高，干燥速度快，但對穴盤品質要求較高，且價格昂貴。

相較而言，國內在育苗產業化和商業化方面發展落后，配套的穴盤清洗方面研究較少，相應的成套裝置缺乏。禹振軍和劉建福研制了一種隧道式穴盤清洗機[14]。工作時，將穴盤水平放置輸送至清洗艙，上下左右4個方向交錯排列的噴嘴在水泵作用下對穴盤進行清洗，清洗效果穩定性好；但水平放置清洗時，沖洗掉的基質不易流出，影響清洗性能，且對基質固結的穴盤清洗效果欠佳。為此，提出一種先浸泡、后水壓清洗干燥的方式，采用豎直送盤、對稱多次沖洗、循環水箱的設計，并研發了相應的育苗穴盤自動清洗裝置，清洗效率高、性能好。

1 總體機構設計

1.1 主要技術參數

外形尺寸(長×寬×高)/m：3.2×1.0×1.3

工作電壓/V：380

運行功率/kW：5.78

作業速度/盤·h-1：500～1 200

清洗壓力/bar：0～5

水箱容量/L：330

清洗潔凈率/%：≥98

1.2 總體結構

育苗穴盤自動清洗裝置主要由清洗系統、干燥系統和控制系統組成，結構如圖1所示。清洗系統由機架、循環水箱、水泵、直立噴管組、清洗噴嘴組、防水罩和傳送機構等組成。其中，水箱固定在機架上，在其上方凹形槽內放置傳送機構；循環水箱、水泵、直立噴管組等通過管道連接，并固定在機架上，實現了清洗過程中水的循環利用。傳送機構由減速電機、傳送帶、扶持導軌及導軌調節支架等組成，扶持導軌作用在于保持穴盤傳送方向和沖洗過程中的受力平衡；干燥系統由風機、軟管、吹風噴嘴及噴嘴調節支架等組成；控制系統由變頻器、空氣開關、旋鈕開關、繼電器、壓力變送器及開關電源等組成，控制著水泵、電機和風機的啟停，以及水泵輸出壓力和傳送帶速度。

1.循環水箱 2.機架 3.水泵 4.過濾器 5.壓力變送器 6.控制機構 7.風機 8.吹風噴嘴 9.減速電機 10.防水罩 11.直立噴管 12.穴盤 13.扶持導軌 14.傳送帶

1.3 工作過程

實際工作時，打開傳送帶和風機開關，調節變頻器控制清洗壓力和清洗速度，待裝置運行穩定后，將浸泡過后的穴盤豎直放置在傳送帶上；在撥片推動下，穴盤沿著扶持導軌進入防水罩，而集水箱中水經過過濾網進入凈水箱，在水泵作用下以一定壓力，經過過濾器和壓力變送器進入清洗管路，通過清洗噴嘴組以扇形噴霧形式沖洗穴盤。其中，清洗過后的污水會流入集水箱，經過過濾后再次進入凈水箱，達到清洗水的循環利用。穴盤經過6道清洗后到達穴盤干燥系統，在風機輸出風力干燥后，最終完成整個穴盤清洗過程。

2 關鍵部件設計

2.1 清洗系統

2.1.1 傳送機構

穴盤在傳送帶上的常見放置方式有3種：水平、傾斜和垂直。水平放置時要求傳送帶較寬，傾斜時受力不均，不利于傳送，垂直放置時，清洗受力面大且均勻，對傳送帶寬度要求較低，故本設計采用垂直放置方式。傳送機構由傳送槽、減速電機、張緊機構、傳送帶、扶持導軌和導軌調節支架組成，如圖2所示。3組導軌調節支架對稱布置在傳送槽兩側，可以實現對導軌上下、前后的調節，適應不同規格穴盤要求。為滿足清洗過后基質順利落入集水箱中，傳送帶選用塑料網格傳送帶。為避免穴盤在傳送過程中因受力不均或其他原因卡在導軌上的情況，參照穴盤尺寸為L×W=540mm×280mm，在傳送帶上每隔600mm設置1個50mm高的撥片，推動穴盤與傳送帶同步運動。傳送電機功率選型參照傳送帶[15]，最終選擇三相電機功率P=0.18kW，減速器減速比i=20。傳送槽尺寸包括清洗部分與干燥部分，設計時保證同時有5個穴盤在清洗干燥，最終尺寸長×寬×高=3 200mm×260mm×270mm。

1.張緊機構 2.傳送槽 3.導軌調節支架 4.撥片 5.傳送帶 6.扶持導軌 7.減速電機

2.1.2 清洗管路

凈水箱中水經管路依此通過水泵、過濾器、壓力變送器，然后分成兩路，進入對稱布置的直立噴管組，最終由清洗噴嘴噴出，清洗穴盤。過濾器采用200目濾網，作用在于兩次過濾，防止清洗噴嘴堵塞；在水泵出水口安裝有壓力變送器，控制水泵輸出壓力，使其保持較穩定狀態[16]，防止水壓突變損傷穴盤。

本設計中，比較矩形噴嘴、橢圓形噴嘴和扇形噴嘴沖洗性能[17-18]，選用沖洗打擊能力較強的扇形噴嘴，即液體離開噴嘴后形成的噴霧呈扇形。這種噴嘴噴射角度越小，沖洗打擊能力越強，相應沖洗范圍越小。一般而言，沖洗水壓越大、沖洗次數越多，穴盤沖洗就越干凈，但沖洗水壓過高或沖洗次數過多易造成對穴盤的損傷。前期預實驗發現，6bar水壓下沖洗時已會造成對穴盤的損壞。因此，綜合考慮較強沖洗能力和不傷穴盤等因素，選用北京洋鑫利源公司定制了14PZ2060B2扇形噴嘴，其噴射角度為60°，流量為2L/min，工作壓力為5bar。

清洗噴嘴距離穴盤表面的距離影響著穴盤的清洗效果：距穴盤越近，清洗效果越好，但限于其噴射角度，相應清洗范圍越小，單側清洗時所需噴頭數量越多；距穴盤越遠，則清洗效果不佳。因此，實際清洗時以50～150mm為宜。由于扇形噴嘴的噴霧覆蓋范圍的兩端部分噴霧分布較少[19]，為了保證整個噴霧的均勻性和范圍，設計相鄰噴嘴在穴盤的沖洗噴射范圍應至少有1/4部分重疊且清洗范圍遠大于穴盤尺寸。由于扇形噴嘴噴射角度為60°，則噴嘴的布置應滿足

(1)

式中X—噴嘴端面與穴盤間距(mm)；

Y—單個噴嘴清洗覆蓋范圍(mm)；

Z—單側噴嘴垂直間距(mm)。

根據50mm

X.噴嘴端面與穴盤間距 Y.單個噴嘴清洗覆蓋范圍Z.單側噴嘴垂直間距

如圖3所示，設計穴盤每側布置3個噴嘴時，噴嘴端面距穴盤間距X≈120mm，即兩側噴嘴端面間距為240mm，單個噴嘴覆蓋范圍Y=140mm，單側噴嘴垂直間距Z=105mm，滿足最佳清洗距離及最佳噴射角度的要求。為避免相鄰噴嘴噴霧間的干涉，噴嘴扇形噴霧面應偏離直立噴管軸線方向6°左右，使得各個噴霧面傾斜平行。

直立噴管組的設計中，首要問題是在保證清洗效果的同時不損傷穴盤。如圖4所示，水平管道選用30mm×30mm不銹鋼矩形管，其上焊接六道直立噴管，間距330mm，兩條水平管道對稱布置傳送帶兩側。其中，直立噴管選用20mm×20mm不銹鋼矩形管，每個直立噴管上等間距安裝3個扇形清洗噴嘴。

1.水泵 2.過濾器 3.壓力變送器 4.水平管道 5.直立噴管 6.清洗噴嘴

對水泵選型上，應根據噴嘴噴淋流量計算，水泵額定流量Q計算公式為

(2)

式中n—噴嘴個數；

q—噴嘴流量(L/min)；

λ—水泵流量余量(%)；

Q—水泵額定流量(m3/h)。

由此可知：清洗噴嘴流量為2L/min，工作水壓為5bar，數量36個，水泵的流量余量一般為10%～50%[20]，考慮到管路的壓力損失，取最大λ=50%，即設計水泵的額定流量Q約為8.64 m3/h，出水壓力約為噴嘴出水壓力的2倍，即10bar。查閱相關資料，選擇杭州南方特種泵業有限公司生產的CDLF8-10輕型立式多級離心泵，揚程92m，流量8m3/h，功率4.0kW，轉速2 900r/min。

2.1.3 循環水箱

為節約用水，滿足穴盤清洗過程中水的循環利用，將水箱內部分為集水箱和凈水箱兩部分，兩者之間加入150目的過濾網。穴盤清洗過后的污水首先進入集水箱，然后經過濾網進入凈水箱，最后經凈水箱流向水泵。考慮到清洗過后污泥沉淀，將過濾網安裝在距離箱底一定距離上，為滿足排水排污需求，在兩水箱底部均設有1寸2分球型排水閥，同時在集水箱一側設有溢流閥，以便控制水箱注水量。此外，由于傳送機構安置在水箱上，因此在水箱上部邊緣處開設凹槽，以便傳送機構垂直卡入。水箱設計結構如圖5所示，容積為330L。

1.凈水箱 2.過濾網 3.集水箱 4.排水閥 5.溢流閥

2.2 干燥系統

干燥系統主要由風機、軟管、吹風噴嘴及噴嘴調節支架等組成，兩個倒漏斗型吹風噴嘴分別固定在兩個噴嘴調節支架上，分列在傳送帶兩側。在風機選型上，考慮到穴盤材質耐熱性差的特點，選用的是常溫風機，型號為德冠2DG-730-H06，風量是420m3/h，功率1.6kW。吹風噴嘴設計為扇面倒漏斗形狀，出風口為一窄長矩形。為保證吹風均勻性，在吹風噴嘴內部焊接4個分風片，如圖6所示。

1.進風口 2.分風片 3.出風口

2.3 控制系統

控制系統由變頻器、空氣開關QF、熔斷器FU、急停按鈕SBes、旋鈕開關SB、繼電器KM、壓力變送器PT、開關電源U及運行指示燈HL等組成，控制著水泵、電機和風機的啟停，以及水泵輸出壓力和傳送帶速度。在水泵出水口、過濾器后面安裝壓力變送器，通過壓力變送器與水泵變頻器PID控制，實現清洗水壓的穩定可調。根據水泵輸出壓力，選擇量程1.2MPa的數顯壓力變送器，輸出信號4～20mA，輸入電壓24V。水泵控制變頻器根據水泵功率，選擇臺達VFD-055M變頻器，額定功率5.5kW，傳送電機變頻器選擇上海歐頻生產的OPI9000A 0.75/4變頻器，功率0.75kW，兩者輸入電壓均為三相380V。控制系統線路圖如圖7所示。

實際工作中，打開空氣開關QF，依次打開傳送電機開關SB1、水泵開關SB2和風機開關SB3，繼電器KM和運行指示燈HL接通，相應繼電器觸點閉合，變頻器對應的啟動端口接通，裝置開始工作。工作運行中，通過調節變頻器頻率調節旋鈕，可實時調節清洗壓力和清洗速度，與變頻器接通的壓力變送器PT通過PID控制調節變頻器頻率，進而穩定水泵出口水壓。

圖7 控制系統線路圖

3 結論

1)針對人力清洗穴盤勞動強度大、效率低且固結基質不易洗凈的問題，提出了先浸泡、后水壓清洗干燥的方式，開發了一款基于物理水壓沖洗的育苗穴盤自動清洗裝置。

2)采用豎直送盤、對稱多次沖洗和循環水箱的設計，實現了對穴盤的自動清洗，清洗效率高，工作穩定；同時，水泵變頻器與壓力變送器的PID控制，避免了人工毛刷清洗時造成的穴盤損傷，滿足了育苗穴盤重復利用清洗需求，有效減輕了人工清洗勞動強度。

[1] 郝金魁，張西群，齊新，等.工廠化育苗技術現狀與發展對策[J].江蘇農業科學，2012,40(1):349-351.

[2] 郭孟報，楊明金，劉斌，等.我國蔬菜育苗產業現狀及發展動態[J].農機化研究，2015，37(1):250-253.

[3] 周海波，馬旭，姚亞利.水稻秧盤育秧播種技術與裝備的研究現狀及發展趨勢[J].農業工程學報，2008(4): 301-306.

[4] 王俊，杜冬冬，胡金冰，等.蔬菜機械化收獲技術及其發展[J].農業機械學報，2014(2): 81-87.

[5] 閆實，張麗英，武占會，等.側開孔穴盤在番茄育苗中的應用效果[J].農業工程學報，2014(19): 250-256.

[6] 王波，董彩英，榮寶，等.育苗基質和穴盤規格對黃瓜幼苗生長的影響[J].安徽農業科學，2008(13):5378-5379.

[7] Manh V H, Wang C H.Vermicompost as an Important Component in Substrate: Effects on Seedling Quality and Growth of Muskmelon (Cucumis Melo L.)[J].APCBEE Procedia，2014(8): 32-40.

[8] 郭世榮.固體栽培基質研究、開發現狀及發展趨勢[J].農業工程學報，2005(S2):1-4.

[9] 高英武，劉毅君，任述光，等.振動噴淋式蔬菜清洗機的研究[J].農業工程學報，2000(6)：92-95.

[10] 楊紅兵，丁為民，陳坤杰，等.新型蔬菜清洗機的研制[J].農業工程學報，2005(1)：92-96.

[11] 王海鷗，胡志超，吳峰，等.超聲波臭氧組合果蔬清洗機設計與試驗[J].農業機械學報，2011(7).

[12] 辜松，楊艷麗，張躍峰，等.荷蘭蔬菜種苗生產裝備系統發展現狀及對中國的啟示[J].農業工程學報，2013(14): 185-194.

[13] 陳殿奎.發展穴盤育苗,推進蔬菜種植業現代化[C]//全國工廠農業可持續發展研討會，北京:2000：167-171.

[14] 禹振軍，劉建福.SDQXJ-Ⅰ型隧道式穴盤清洗機清洗系統設計[J].農業工程，2013(S2):37-39.

[15] 范鵬飛.設施蔬菜育苗機械化精準播種技術研究[D].保定:河北農業大學,2012.

[16] 劉永華，陳志明，王念春.PLC及變頻調速恒壓噴灌系統的設計[J].節水灌溉，2009(1)：44-45,49.

[17] 易燦，李根生.噴嘴結構對高壓射流特性影響研究[J].石油鉆采工藝，2005(1)：16-19.

[18] 黃中華，謝雅.圓錐形噴嘴結構參數設計研究[J].機械設計，2011(12)：62-65.

[19] 宋會江.扇形噴嘴的霧化特性研究[J].連鑄，2011(3)：31-33.

[20] 張霓.可編程控制水泵供水裝置的設計與實現[D].大連：大連理工大學,2013.

Design of Auto-washing Device for Seedling Tray

Gao Yuanyuan1,2,4,5, Wang Xiu1,2,4, Shu Xiangxing1,2,4, Zhao Chunjiang3,5

(1.Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097, China;2. National Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097, China；3. Key Laboratory of Agri-informatics, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China;4. Beijing Key Laboratory of Intelligent Equipment Technology for Agriculture, Beijing 100097, China；5. College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

As there may be some harmful pathogenic bacteria or eggs in the used trays and it’s harmful to the plug seedling growth, the trays must be washed out and sterilized before reusing. As the main part, the traditional manual washing way has some problems of high labor intensity and low efficiency. In addition, some trays are hard to wash and easily damaged because of the fixed substrate in the holes. In order to solve these problems, a method was put forward, in which the trays soaked for a quarter before washing, then they were placed vertically on the conveyor belt and washed by the nozzles symmetrically one by one in the washing tunnel, finally they were wind-dried. Based on this method, an auto-washing device was designed. This device is mainly composed of three parts: washing system, drying system and control system. The control system was used to adjust the washing pressure and washing speed. The pressure transmitter of the system was used to stabilize the washing pressure by PID control, and the design of a circulating water tank made the sewage recycling. The design effectively improved the washing efficiency, improved the washing performance and avoided damage to the trays, which met the washing requirements of plug seedling growth.

factory seedling; tray; auto-washing; hydraulic pressure

2015-11-27

北京市科技創新能力建設專項(KJCX20151410)

高原源(1989-)，男，河南信陽人，碩士研究生，(E-mail)gaoyy0910@foxmail.com。

王 秀(1965-)，男，河北萬全人，研究員，(E-mail)xiuwang@263.net。

S233.1

A

1003-188X(2017)01-0063-05