穴盤育苗輥式同步壓穴裝置的設計

高原源，蔡吉晨，趙學觀，范鵬飛，王 秀

(1.中國農業大學 信息與電氣工程學院，北京 100083；2.北京農業智能裝備技術研究中心，北京 100097)

0 引言

隨著現代農業的發展，規模化、自動化和機械化成為蔬菜育苗的必然趨勢，工廠化穴盤育苗以其省時省力、育苗質量好、成活率高的優勢成為育苗企業的優先選擇[1-5]。育苗生產中，均勻適宜的出苗間距有利于減少幼苗間對光、養分等的競爭，保證幼苗健康生長，提高壯苗率[6-7]；同時，在后續自動育苗移栽中，便于移栽手爪移動，減少不當操作帶來的夾持損傷[8]。作為穴盤育苗環節之一[9-10]，壓穴環節決定著種子的播深和覆土厚度，其壓穴對中性直接影響種子出苗后偏離穴孔中心程度，最終影響種子的出苗狀況。因此，壓穴環節的研究，對于保證出苗效果、提高移栽質量和生產效率具有重要意義。

目前，壓穴環節的研究主要集中在壓穴深度對不同種子出苗狀況的影響上，對壓穴裝置本身研究較少。早期育苗壓穴多由手工完成，勞動強度大，壓穴深度不一致，種子出苗不整齊。隨著育苗產業化的發展，出現了一批機械壓穴裝置，主要分為板式壓穴和輥式壓穴[11-15]。其中，板式壓穴是在壓穴板上安裝壓穴針，在氣壓或液壓驅動下，垂直穴盤壓穴，壓穴成型和對中性好；但效率偏低，無法滿足大面積工廠化作業需求，且壓穴針之間堵塞基質不易清理，影響壓穴成型效果。輥式壓穴是采用圓輥上安裝壓穴針，通過圓輥旋轉實現壓穴，由于可實現圓輥不停歇轉動，壓穴效率高。國內常見采用的輥式壓穴，依靠傳送帶上穴盤推動壓穴輥轉動壓穴，結構簡單實用，同時在圓輥旋轉方向上安裝固定式板刷，可快速清理壓穴針上粘滯基質；由于無動力驅動，圓輥轉動僅依靠穴孔邊緣推動，壓穴對中性不穩定，傳送帶帶面光滑時還易出現“卡盤”現象，且單純的固定式板刷對壓穴針間隙的清掃效果有待改進。針對上訴問題，本文在對輥式壓穴運動軌跡理論分析基礎上，開發了輥式同步壓穴裝置，并對裝置進行性能試驗，旨在提高穴盤育苗壓穴質量，并為后續種子出苗狀況研究提供參考。

1 總體機構設計

1.1 主要技術參數

外形尺寸(長×寬×高)/m：1.9×0.52×1.1

工作電壓/V：220

運行功率/kW：0.4

最大作業速度/盤·h-1：750

壓穴深度/mm：0～30

1.2 總體結構

穴盤育苗輥式同步壓穴裝置主要由傳送平臺、壓穴平臺、電控系統和平臺支架組成，如圖1所示。傳送平臺與壓穴平臺水平固定在平臺支架上，兩者通過平臺連接片連接，電控系統固定在平臺支架前面，靠近傳送平臺一側。傳送平臺包括傳送帶、導向桿和1#步進電機等，作用在于傳送穴盤進入壓穴平臺并控制傳送速度，保證穴盤之間有一定間距，避免后續環節穴盤過于密集造成堵塞的狀況。壓穴平臺包括壓穴輥、升降器、2#步進電機、輸送鏈和刷土機構等，通過設計一定傳動比使得穴盤前進與壓穴輥轉動同步，實現同步壓穴。電控系統由可編程邏輯控制器(PLC)、光電傳感器、霍爾傳感器、24V開關電源、步進電機驅動器和觸摸屏等組成，平臺支架由型材及腳輪等搭建而成。

1.電控系統 2.1#步進電機 3.平臺連接片 4.光電傳感器 5.霍爾傳感器 6.平臺支架 7.2#步進電機 8.輸送鏈 9.導向桿 10.推桿 11.轉向齒輪 12.鏈盒 13.鏈條張緊器 14.升降器 15.壓穴輥 16.刷土機構 17.穴盤 18.傳送帶圖1 穴盤育苗同步壓穴裝置結構示意圖Fig.1 Structure scheme of synchronous digging device of plug seedling

1.3 工作原理

實際工作中，設定好工作效率，按下觸摸屏上啟動按鈕，同步壓穴裝置工作。在PLC控制下，完成復位操作，即2#步進電機轉動，帶動壓穴輥和輸送鏈同步運動，直至霍爾傳感器給出信號停止，此時壓穴輥和輸送鏈均回歸初始位置。同時，1#步進電機轉動，傳送帶上穴盤經導向桿傳送至壓穴平臺，觸發光電傳感器輸出開關信號，此時PLC控制傳送平臺停止、壓穴平臺啟動，輸送鏈推動穴盤與壓穴輥同步運動；經過一段時間延遲后，傳送平臺再次工作，當霍爾傳感器再次觸發，即壓穴輥和輸送鏈回歸初始位置時，PLC控制壓穴平臺停止、傳送平臺啟動，直至下一個穴盤觸發光電開關信號后啟動壓穴平臺、停止傳送平臺，完成單個流程并開始下一循環。工作過程中，觸摸屏按下停止按鈕，裝置立即停止運作并返回初始狀態，直至重新按下啟動按鈕。

1.4 理論分析

穴盤育苗過程中，受基質種類、含水量等因素影響，穴孔中落入基質不均勻，易造成種子不發芽或長勢差，需在播種環節前將穴孔基質壓實，并形成一定深度穴坑，保證基質汲取水分的連續性。傳統采用壓穴板手工垂直壓入，穴孔成型較好，但深度不一致，影響出苗整齊度。依據此原理，穴盤壓穴應盡量保證壓穴針與穴盤水平方向無相對運動、垂直壓入且受力均勻，如此孔型較好，深度均勻，同時滿足后續移栽穴孔對中性和規模化種植的效率要求。

觀察現有輥式壓穴裝置工作過程可以發現：壓穴輥做旋轉運動，穴盤做水平直線運動。為簡化分析過程，假設穴盤靜止，壓穴輥同時做旋轉運動與水平直線運動，即對壓穴針而言，其實際運動為兩種運動合成，運動軌跡為一擺線，如圖2所示。假設M、S兩點為擺線最大橫弦處，根據余擺線理論[16-18]，其寬度為

(1)

式中r—壓穴輥壓穴針回轉半徑(mm)；

λ—壓穴針旋轉速度與直線速度之比。

由于壓穴針上各點λ不同，相應的運動軌跡也不同，壓穴成孔形狀即為壓穴針上各點運動軌跡包絡線。對被動式壓穴輥而言，壓穴輥在傳送帶上穴盤水平運動帶動下做圓周運動。設壓穴深度為h，壓穴輥角速度為ω，則壓穴輥水平速度v=ω(r-h)，λ=r/(r-h)>1，即軌跡為帶繞扣余擺線，代入式(1)得

(2)

式中h—壓穴深度(mm)。

即在最大橫弦下部，壓穴針絕對水平速度與前進方向相反，壓穴針發生“挑土”現象，破壞壓穴效果，影響壓穴深度。因此，若使壓穴針與穴盤之間水平方向無相對運動，壓穴針在基質上壓出一個穴孔而不會破壞穴孔形狀，最大橫弦寬度b=0，也即λ=1；此時，壓穴針上其它各點λ<1，軌跡為短擺線，絕對水平速度與前進方向一致，起到擴大孔徑作用。同時，為保證壓穴針與穴盤穴孔不發生干涉，壓穴針直徑應小于穴孔尺寸的1/2。

本文為滿足要求，設計同步驅動式壓穴輥，即壓穴針圓周速度與穴盤水平速度大小相等。

M、S兩點為擺線最大橫弦處圖2 壓穴針運動軌跡圖Fig.2 The pathway of digging pins

2 關鍵部件設計

2.1 傳送平臺設計

實際工作中，穴盤經過填土后進入壓穴環節，國內育苗流水線在填土環節前多采用人工放盤，無法保證穴盤之間一定的間距，容易造成壓穴環節出現卡盤現象，影響生產。為此，本設計在填土與壓穴環節之間，加設一個傳送平臺，通過PLC控制平臺的啟停，達到間隔開穴盤的目的。

傳送平臺由傳送帶、1#步進電機、導向桿和張緊機構組成，如圖3所示。傳送帶選用草帶花紋款式帶面，厚度5mm，有效保證傳送帶帶面摩擦力，避免穴盤打滑；同時，帶面內側粘貼導條，與傳送帶軸配合，避免傳送帶軸向滑動。導向桿作用在于保證穴盤與壓穴輥軸向對齊。

1.張緊機構 2.導向桿 3.傳送帶 4.1#步進電機圖3 傳送平臺結構示意圖Fig.3 Structure scheme of delivery platform

2.2 壓穴平臺設計

2.2.1 動力傳動系統設計

由前述理論分析可知：若使壓穴效果好，應控制壓穴針與穴盤接觸時水平方向速度相等，即只有相對垂直向下運動。為實現此功能，綜合考慮成本與對中穩定性，本設計選用一個步進電機同時驅動壓穴輥與穴盤同步運動。穴盤從傳送平臺到達壓穴平臺后，由壓穴平臺驅動其前進。常用驅動方式有帶傳動與鏈傳動兩種，本設計選用鏈傳動，由兩鏈條間推桿推動穴盤在光滑托板上滑動，既保證穴盤易于傳送，同時避免了壓穴過程中穴盤打滑造成的“卡盤”現象。

動力傳動系統設計如圖4所示。動力從2#步進電機經傳動軸輸出后，一方面經鏈輪Z1傳至輸送鏈，帶動鏈上推桿推動穴盤前進；另一方面經傳動鏈傳至壓穴輥，驅動壓穴輥轉動。由于鏈輪Z1轉動方向與壓穴輥轉動方面相反，需在動力傳至壓穴輥之前加設轉向機構，本設計選用齒輪轉向。同時，在傳動鏈上安裝鏈條張緊器，保證壓穴輥升降過程中傳動鏈的張緊度。此外，由于壓穴輥與動力軸之間鏈傳動，調節壓穴輥的壓穴深度，即壓穴輥高度，在鏈傳動影響下，勢必造成壓穴輥的輕微旋轉，進而影響壓穴對中性。為此，優化壓穴輥與壓穴輥端蓋之間為間隙配合，并通過頂絲緊固，這樣就可以在改變壓穴深度后通過旋轉壓穴輥消除對中誤差，達到更好對中效果。

1.2#步進電機 2.輸送鏈 3.鏈輪Z1 4.推桿 5.壓穴輥 6.鏈輪Z3 7.鏈條張緊器 8.傳動鏈 9.鏈輪Z2 10.轉向齒輪圖4 動力傳動系統設計簡圖Fig.4 Design diagram of power transmission system

2.2.2 動力傳動系統參數設計

鏈傳動速度公式為

(3)

式中n—鏈輪轉速(r/min)；

z—鏈輪齒數；

p—滾子鏈節距(mm)。

輸送鏈(穴盤前進)速度為

(4)

鏈輪Z2和Z3線速度為

(5)

壓穴針旋轉線速度為

(6)

式中D—壓穴針回轉直徑(mm)。

其中，鏈輪Z1與Z2經過齒輪轉向作用，兩者轉速大小相等，方向相反；而鏈輪Z2與Z3通過鏈傳動，鏈輪Z3與壓穴輥轉速相等。所以，n1=n2，p2=p3，n3=n4，即n2z2=n3z3。根據前述理論分析可知，若滿足設計要求，則v1=v4，即

z2·πD=z1z3p1

(7)

由于壓穴輥與輸送鏈同步，而壓穴輥旋轉1周完成1個穴盤壓穴，即輸送鏈同步前進距離與壓穴針回轉周長相等，也即輸送鏈上兩推桿間距與壓穴針回轉周長相等。最終，在滿足式(7)和不同規格穴盤適用通用性條件下，選擇12B規格不銹鋼輸送鏈，08B不銹鋼傳動鏈，轉向齒輪選擇模數m=2.5、齒數z=48直齒輪，其它各項規格參數如表1所示。

表1 傳動系統規格參數Table 1 Specifications of power transmission system

此時，由壓穴針回轉直徑知輸送鏈上兩推桿間距為z3=40個節距長。考慮到推桿間距與壓穴輥直徑的關系，輸送鏈鏈條長度設計為3倍推桿間距，即鏈長L=120p1=2 286mm，為減輕鏈條質量，選用C2060雙節距不銹鋼鏈條。對壓穴輥設計上，綜合考慮無縫鋼管尺寸與農藝上壓穴深度的需求，選用外徑180mm無縫鋼管制作壓穴輥，外徑加工為179mm；壓穴針選用尼龍棒料，外形設計為圓柱狀，針頭為圓錐面，便于入土，長度32mm；直徑參照理論分析和105穴盤穴孔尺寸，設計為16mm，通過螺接固定在鋼管上。2#步進電機選用北京惠斯通86BYGH801兩相混合式步進電機，步距角1.8°，靜力矩12N·m。

2.2.3 刷土機構設計

針對現有固定式板刷清理壓穴輥時，清掃范圍有限，刷土效果不佳，本設計采用曲柄滑塊式運動來實現對壓穴輥的清掃，也即通過減速馬達的轉動，驅動板刷直線往復運動來實現清掃壓穴針間隙內基質的目的。因板刷水平方向做直線往復運動，壓穴輥做勻速圓周運動，使得板刷軌跡范圍覆蓋壓穴針所有間隙，清掃范圍增大，同時變被動刷土為主動刷土，清掃效果改善。刷土機構由減速馬達、偏心輪、關節軸承、導軌、滑塊和板刷等組成，板刷清掃高度可通過型材內滑槽調節；同時，連接桿兩端為不同旋向螺紋連接，可調節板刷直線往復運動范圍，如圖5所示。

1.型材 2.板刷 3.導軌 4.銷軸 5.關節軸承 6.減速馬達 7.偏心輪 8.連接桿 9.滑塊圖5 刷土機構結構示意圖Fig.5 Structure scheme of brush sweeper mechanism

2.3 電控系統設計

電控系統由可編程邏輯控制器(PLC)、光電傳感器、霍爾傳感器、24V開關電源、步進電機驅動器、調速板和觸摸屏等組成，如圖6所示。其中，PLC選用西門子S7-200CN，光電傳感器采用NPN型光電鏡面反射傳感器，觸摸屏為深圳市顯控自動化技術有限公司SA系列觸摸屏，步進電機驅動器為配套步進電機的HST-2872KF驅動器，調速板為配套減速馬達24V調速板，通過調節輸出電壓來達到調節減速馬達速度的目的。

圖6 電控系統結構圖Fig.6 Structure scheme of electronic control system

工作過程中，由觸摸屏控制整個系統的啟停，同時實現實時調節工作速度(盤/h)和記錄工作盤數的作用，如圖7所示。

整個系統流程圖如圖8所示。系統上電后，為滿足循環需求，先對1#步進電機進行停止控制；而后在觸摸屏上設置壓穴速度并按下啟動按鈕后，系統開始工作。為保證壓穴準確性，首先應對壓穴輥及輸送鏈復位，使其歸正到設定的初始位置，此過程由安裝在壓穴輥側邊的霍爾傳感器感應輸出，PLC控制2#步進電機和刷土馬達啟停。

圖7 觸控界面Fig.7 Touch control interface

M1、M2分別代表傳送平臺電機和壓穴平臺電機圖8 電控系統流程圖Fig.8 Flow chart of electronic control system

在感應到霍爾傳感器信號后，電機2和刷土馬達停止的同時，電機1啟動，放置在傳送帶上的穴盤傳送至壓穴平臺。當推送前進的穴盤觸發光電傳感器信號，也即穴盤運動到設定位置后，PLC控制電機2和刷土馬達啟動、電機1停止，輸送鏈上的推桿正好卡住穴盤底部，推動穴盤前進，并與壓穴輥轉動實現同步，完成壓穴。

在光電傳感器觸發控制電機2啟動、電機1停止后，為保證穴盤之間有效的間隔距離，同時錯開壓穴輥上空白部分，以便下一穴盤再次觸發光電傳感器之前，壓穴輥已回歸初始位置，應對電機1設置一個延時啟動。由于兩節推桿間距與壓穴針回轉周長相等，即間距L=762mm，而穴盤長度L’=540mm，所以空白部分L”=L-L’=222mm，因此設計穴盤間距250mm。電機1延遲啟動的時間應為穴盤前進250mm的時間，通過PLC讀取速度，計算得到延遲時間，即

(8)

式中t—延遲時間(s)；

v1—輸送鏈速度(m/s)；

n—壓穴速度(盤/h)。

電機1延時啟動同時，電機2仍在運行中，直至再次觸發霍爾傳感器，電機2停止，壓穴輥和輸送鏈回歸初始位置，同時PLC控制記錄壓穴盤數；傳送帶繼續輸送下一穴盤至觸發光電信號，完成單個流程并開始下一循環。在系統工作過程中，觸摸屏上按下停止按鈕后，系統立即停止并返回初始狀態，直至重新按下啟動按鈕。

3 結論

1) 針對現有輥式壓穴裝置壓穴對中性不穩定造成的穴孔中出苗不居中問題，在對現有壓穴輥運動軌跡理論分析基礎上，提出分段輥式同步壓穴方式，實現傳送平臺等間距輸送穴盤，壓穴輥轉動與穴盤前進同步，保證了壓穴對中性。同時，考慮壓穴滾筒上壓穴針粘黏基質清掃不凈影響成孔效果和播深現象，運用曲柄連桿方式，設計出直線往復式壓穴輥刷土機構，提高壓穴輥清掃效果。

2) 設計出相應的輥式同步壓穴裝置，并開發了基于PLC控制的電控系統，可通過觸控操作界面啟停裝置，并可實時調節壓穴速度和監測壓穴作業量，滿足不同作業需求。