基質(zhì)塊苗移栽機送取苗裝置的設(shè)計與試驗*

徐陶，崔志超，管春松，陳永生，肖體瓊

(1. 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所，南京市，210014；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

我國蔬菜種植面積和產(chǎn)量分別占據(jù)世界總量的40%和50%以上，長期穩(wěn)居世界前列，但機械化覆蓋率較低，尤其移栽作為蔬菜種植的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，受育苗方式和育苗質(zhì)量的制約，自動化移栽程度并不高[1]。隨著育苗工藝的創(chuàng)新，基質(zhì)塊育苗因緩苗期短、移栽成活率高、育苗成本低等優(yōu)點逐漸得到關(guān)注，并且可實現(xiàn)成排取苗、單株分苗，有助于提高移栽效率[2-7]，因此，基質(zhì)塊育苗移栽技術(shù)的探索將有助于拓展蔬菜移栽研究方向。

國外對基質(zhì)塊育苗移栽技術(shù)的研究起步較早，技術(shù)較為成熟，部分成熟機型已推廣應(yīng)用。意大利Ferrari公司和Hortech公司各自研制了Automatica Fast Block型移栽機與TRE TREMATIC型移栽機、法國CM REGERO公司研制了R2010型氣動式基質(zhì)塊苗移栽機、荷蘭Chrysant Arcadia公司的溫室內(nèi)固定道式基質(zhì)塊苗移栽機等，上述機型均已實現(xiàn)了自動化作業(yè)，相比穴盤苗移栽機作業(yè)效率提高3～6倍。國內(nèi)對基質(zhì)塊育苗移栽的研究還處于前期階段，少數(shù)學(xué)者對基質(zhì)塊苗力學(xué)特性和生物學(xué)特性進(jìn)行研究并開發(fā)了一些結(jié)構(gòu)簡單、功能單一的基質(zhì)塊苗移栽機。胡喬磊等[2]針對油菜基質(zhì)塊苗力學(xué)和生物學(xué)特性進(jìn)行了相關(guān)研究，并開發(fā)了油菜基質(zhì)塊苗自動移栽機，臺架試驗分苗及取苗頻率為40株/min時，送取苗成功率僅90%左右，栽植效率和質(zhì)量均有較大提升空間；山東某公司研制了2ZS-4型基質(zhì)塊帶式移栽機，一次作業(yè)4行，株、行距可調(diào)，但用工量與現(xiàn)有半自動穴盤苗移栽機相差無幾；韓長杰等[8]針對西瓜育苗移栽研發(fā)了一種半壓縮基質(zhì)型移栽機，試驗結(jié)果倒伏率略高。

綜上可知，國內(nèi)現(xiàn)有研究成果在省工、增效、提質(zhì)方面還有較大進(jìn)步空間，國外雖有成熟機型借鑒，但作業(yè)環(huán)境和種植農(nóng)藝與國內(nèi)有別，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、保養(yǎng)維護(hù)成本高。故通過結(jié)構(gòu)設(shè)計與理論分析相結(jié)合，研制了一種基質(zhì)塊苗移栽機自動送取苗裝置，并通過田間試驗驗證工作原理可行性，本文為基質(zhì)塊苗移栽機的研究提供參考。

1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

基質(zhì)塊苗送取裝置主要由支撐架、鏈輪、空心套筒滾子鏈條、滑道、取苗爪、送苗裝置等組成。其中，支撐架、主(從)鏈輪、空心套筒滾子鏈條、滑道和取苗爪組成取苗裝置，主、從鏈輪之間繞裝空心套筒滾子鏈條，鏈條一側(cè)圓周均勻布置多個取苗爪，取苗爪與鏈條鉸接，另一側(cè)設(shè)置兩股滑道與取苗爪的滑銷形成滑動約束。送苗裝置與取苗裝置垂直交錯布置，取苗爪與送苗裝置內(nèi)的送苗輥相互交錯，便于取苗爪穿過送苗裝置取走基質(zhì)塊苗，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 送取裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of delivery device structure1.支撐架 2.主動軸 3.主動鏈輪 4.空心套筒滾子鏈條5.從動鏈輪 6.取苗爪 7.送苗裝置 8.基質(zhì)塊苗

1.2 工作原理

取苗爪經(jīng)滑銷被約束在支撐架滑道內(nèi)，其作用是保證取苗爪隨鏈條運轉(zhuǎn)過程中始終保持水平狀態(tài)，從而使基質(zhì)塊苗按照一定株距直立的栽入土壤中。

工作時，基質(zhì)塊苗被成排放入送苗裝置的輸送帶上，輸送帶帶動基質(zhì)塊苗成排向前輸送，前苗在后苗的推力作用下被推至送苗輥呈待取狀態(tài)；取苗裝置的主動鏈輪在主動軸的帶動下轉(zhuǎn)動，驅(qū)動鏈條上的取苗爪作逆時針運動，當(dāng)運動至送苗裝置的送苗輥正下方時，取苗爪的托爪從送苗輥間隙交錯穿過(如圖2)。

圖2 取苗原理示意圖Fig. 2 Schematic diagram of seedling picking principle1.取苗爪 2.送苗裝置 3.送苗輥

從而將送苗輥上的基質(zhì)塊苗取走；基質(zhì)塊苗隨取苗爪繼續(xù)逆時針運動，在滑道對取苗爪作用下始終保持直立狀態(tài)，當(dāng)取苗爪繼續(xù)運動直至接觸地面時，取苗爪穿入土中，基質(zhì)塊苗則在取苗爪水平方向運動趨勢及土壤阻力作用下停留在土地表層，覆土器緊隨其后進(jìn)行掩埋，完成栽植過程。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 取苗爪

取苗爪的作用是取苗后將基質(zhì)塊苗立直的送入土壤，其運動是由自身回轉(zhuǎn)運動和機器前進(jìn)運動復(fù)合而成的合成運動[9]，因取苗爪的運動軌跡為“跑道形”，存在直線運動和變向運動，以圓周內(nèi)均勻布置的任一取苗爪為研究對象，其運動方程

(1)

(2)

式中：V——移栽機前進(jìn)速度，km/h；

V′——取苗爪轉(zhuǎn)動線速度，km/h；

ω——取苗爪轉(zhuǎn)動角速度，(°)/s；

t——時間，s。

圖3 取苗爪結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Structure of seedling picking claw1.托爪 2.立板 3.空心套筒滾子鏈條 4.滑銷Ⅱ5.連接桿 6.滑銷Ⅰ

目前，常用的育苗基質(zhì)塊形狀多為立方體，棱長為40 mm[10]。為防止基質(zhì)塊苗位置偏斜造成取苗爪與基質(zhì)塊非完全接觸，從而使基質(zhì)塊苗傾倒，因此取苗爪總體寬度B設(shè)置為55 mm，為增加取苗穩(wěn)定性，托爪與基質(zhì)塊接觸面積應(yīng)盡可能大，因此托爪在滿足基質(zhì)塊質(zhì)量的前提下單條直徑設(shè)計為6 mm，托爪之間尺寸b設(shè)計為10 mm，立板高度H設(shè)計為40 mm。

2.2 取苗爪運動路徑規(guī)劃

取苗爪在運動過程中需保證基質(zhì)塊苗始終直立不傾倒，因此取苗爪運動路徑的設(shè)計也是該結(jié)構(gòu)的難點和重點。當(dāng)位于初始a狀態(tài)時，滑銷Ⅱ位于滑道Ⅳ內(nèi)，滑銷Ⅰ位于滑道Ⅲ內(nèi)，由于取苗爪整體與鏈條鉸接，在取苗爪自重以及其滑銷Ⅰ、Ⅱ在滑道Ⅲ、Ⅳ的約束作用下，取苗爪始終呈豎直狀態(tài)且不會出現(xiàn)擺動現(xiàn)象；滑銷Ⅰ和Ⅱ沿滑道ω方向順時針旋轉(zhuǎn)運動由a狀態(tài)逐步運動至第二跑道形端部b狀態(tài)時，滑銷Ⅰ和Ⅱ逐漸先后進(jìn)入滑道Ⅲ和Ⅳ的合股滑道內(nèi)，滑銷Ⅰ先進(jìn)入合股滑道內(nèi)時由于其直徑小于合股滑道所以不受合股滑道約束，但滑銷Ⅱ尚未離開滑道Ⅳ仍然受到約束，因此取苗爪仍然保持豎直狀態(tài)；當(dāng)滑銷Ⅰ、Ⅱ繼續(xù)繞ω方向旋轉(zhuǎn)由b狀態(tài)逐步運動至c狀態(tài)時，滑銷Ⅱ和Ⅰ逐步先后脫離上述的合股滑道并發(fā)生換道，此時滑銷Ⅱ進(jìn)入滑道Ⅲ內(nèi)，滑銷Ⅰ進(jìn)入滑道Ⅳ內(nèi)，由于滑銷Ⅱ直徑小于合股滑道所以不受合股滑道約束，但滑銷Ⅰ已經(jīng)先進(jìn)入合股滑道內(nèi)受到約束，因此取苗爪仍然保持豎直狀態(tài)。鏈條帶動取苗爪的整個運動過程中，滑銷Ⅰ和Ⅱ始終處于水平狀態(tài)(即保持水平于地面狀態(tài))，因此取苗爪可始終保持豎直狀態(tài)。

圖4 取苗爪運動路徑Fig. 4 Movement path of seedling picking claw1.滑道Ⅲ 2.滑道Ⅳ 3.合股滑道 4.滑銷Ⅰ 5.滑銷Ⅱ

2.3 送苗裝置

送苗裝置由輸送帶、側(cè)擋板、送苗輥、端面擋板、驅(qū)動器等組成，如圖5所示。輸送帶一端設(shè)置多個輥子形成送苗輥，輥子懸臂固定在側(cè)擋板上，另一側(cè)擋板與端面擋板之間設(shè)置缺口，取苗爪上的拖抓空隙與送苗輥空隙彼此形成位置交錯。端面擋板用于擋住輥子上的基質(zhì)塊苗防止被推落，側(cè)擋板用于防止基質(zhì)塊苗輸送過程從側(cè)面滑落。

送苗裝置與取苗爪配合工作，基質(zhì)塊苗在輸送槽內(nèi)為連續(xù)輸送，當(dāng)取苗爪將送苗輥上的基質(zhì)塊苗取走后，在輸送帶的作用下一基質(zhì)塊苗進(jìn)行補位。為保證基質(zhì)塊苗在輸送槽內(nèi)減少側(cè)邊摩擦，同時防止苗塊輸送時擺動，以槽寬B′大于基質(zhì)塊尺寸±10%的設(shè)計原則進(jìn)行微調(diào)；送苗輥缺口B″應(yīng)滿足取苗爪寬度B并保留運動誤差余量，此處設(shè)計為60 mm。

圖5 送苗裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig. 5 Structure diagram of the seedling delivery device1.輸送帶 2.側(cè)擋板 3.送苗輥 4.端面擋板 5.驅(qū)動器

3 性能分析

3.1 取苗爪栽苗過程分析

栽苗過程中取苗爪會劃入土壤淺層，利用土壤對基質(zhì)塊苗的阻力使其停留在土壤表層，因此為保證基質(zhì)塊苗覆土充分，移栽作業(yè)前需提前對壟畦進(jìn)行開溝，使溝深略深于基質(zhì)塊高度。

(a)臨界入土 (b)入土中 (c)出土后圖6 栽苗過程示意圖Fig. 6 Schematic diagram of the planting process1.基質(zhì)塊苗 2.取苗爪

取苗爪劃入土壤過程可分為3種理想狀態(tài)，如圖6所示。取苗爪臨界入土?xí)r與地面接觸，在鏈輪及鏈條驅(qū)動下繼續(xù)向下運動，當(dāng)運動至極限位置時與地平面形成最大距離h，然后取苗爪越過最低點開始向上運動，直至離開地平面。為保證取苗爪的運動不干涉基質(zhì)塊苗栽植效果，取苗爪入土后的水平位移應(yīng)大于取苗爪寬度與基質(zhì)塊寬度和，此時取苗爪入土最大深度h如式(5)所示。

(3)

(4)

由式(1)、式(2)得

(5)

式中：t——取苗爪入土?xí)r間，s；

φ——取苗爪入土?xí)r與水平面夾角，(°)；

食堂從業(yè)人員資質(zhì)觸發(fā)的安全風(fēng)險。高校食堂被承包后，承包方來自全國各地，生產(chǎn)、銷售、加工、采購人員來源更加寬泛；各種地方特色美食和小吃開始進(jìn)入食堂，各地區(qū)、各民族飲食的專技人員大量到食堂就業(yè)，成分更趨復(fù)雜；承包方更迭愈加頻繁，管理經(jīng)營、銷售、生產(chǎn)、加工、采購人員流動性加大。為追求超額利潤，降低人力成本成為必然選項，這就導(dǎo)致食品安全的風(fēng)險增加。再加上從業(yè)人員文化層次不高、工資待遇不高，食品安全工作經(jīng)驗和食品安全責(zé)任意識不足，就更加導(dǎo)致風(fēng)險的存在。在實際情況中，多數(shù)從業(yè)人員未取得從業(yè)資格證，更有甚者連健康證都不具備，因此，這就需要對食堂從業(yè)人員的資質(zhì)進(jìn)行重點審核和把關(guān)。

a——基質(zhì)塊棱長，mm；

B——取苗爪寬度，mm。

3.2 基質(zhì)塊苗臨界入土?xí)r受力分析

基質(zhì)塊苗由水平狀態(tài)入土瞬間土壤會對其產(chǎn)生反向作用力，由于慣性會有向取苗爪轉(zhuǎn)動相反方向傾倒的趨勢。為防止基質(zhì)塊苗發(fā)生傾倒，對其臨界入土瞬間進(jìn)行受力分析，圖7為基質(zhì)塊苗隨取苗爪轉(zhuǎn)動至臨界入土點時受力圖。

圖7 基質(zhì)塊苗臨界入土受力分析Fig. 7 Analysis of critical soil penetration force ofsubstrate block seedlings

此時假設(shè)基質(zhì)塊苗沿O點轉(zhuǎn)動，與地面形成的夾角β，則在臨界狀態(tài)下基質(zhì)塊苗不發(fā)生傾倒的條件為

(6)

(7)

式中：FN1——地面對基質(zhì)塊苗的支撐力，N；

Ff1——地面對基質(zhì)塊苗與運動趨勢相反的摩擦力，N；

a——基質(zhì)塊棱長，mm；

β——基質(zhì)塊苗的傾翻角，(°)。

4 試驗分析

4.1 試驗條件

(a) 試驗效果

(b) 試驗對象圖8 田間試驗Fig. 8 Field test

試驗前采用旋耕起壟機對地塊進(jìn)行旋耕起壟，土壤含水率在20%左右，土壤類型為壤土。試驗對象為40 mm×40 mm×40 mm方體基質(zhì)塊甘藍(lán)苗，如圖8(b)所示。配套動力為John Deere 1204型輪式拖拉機，測試儀器有ECA-SW1土壤水分快速測定儀、05系列纖維卷尺。

4.2 試驗方法

經(jīng)初步研究得知，影響移栽質(zhì)量的主要因素為機器前進(jìn)速度和取苗爪工作頻率。為此，以機器前進(jìn)速度和取苗爪工作頻率為試驗因素，以漏栽率和倒伏率為試驗指標(biāo)進(jìn)行試驗。

試驗中通過變換拖拉機速度改變移栽機前進(jìn)速度，通過變換移栽機傳動比改變?nèi)∶缱ぷ黝l率。每組參數(shù)下完成栽植作業(yè)后連續(xù)測量120株秧苗，統(tǒng)計漏栽和倒伏株數(shù)，計算漏栽率、倒伏率和合格率。

(8)

(9)

Q=(1-E-T)×100%

(10)

式中：E——漏栽率，%；

NLZ——漏栽株數(shù)，株；

T——倒伏率，%；

NDF——倒伏株數(shù)，株；

N′——測量株數(shù)，株；

Q——合格率，%。

4.3 試驗結(jié)果與分析

試驗方案及試驗結(jié)果見表1。

表1 試驗結(jié)果Tab. 1 Test results

通過表1可以看出，當(dāng)前進(jìn)速度相同時，漏栽率隨取苗爪工作頻率遞增而增大，說明取苗裝置轉(zhuǎn)動越慢，取苗成功率越大，從而降低漏栽率；當(dāng)前進(jìn)速度為1～1.2 km/h、取苗爪工作頻率為55株/min時，倒伏率最低。為準(zhǔn)確分析兩試驗因素對指標(biāo)的影響，利用Design9.0軟件對試驗結(jié)果進(jìn)行顯著性分析，分析結(jié)果見表2。

表2 方差分析Tab. 2 Analysis of variance

由表2方差分析表可得出，前進(jìn)速度對漏栽率無顯著影響，對倒伏率影響顯著，因為送苗裝置前端始終保持一株基質(zhì)塊苗續(xù)位，機器前進(jìn)速度和取苗與否關(guān)聯(lián)性較小；取苗爪工作頻率對漏栽率和倒伏率均影響顯著，說明取苗爪工作頻率是影響栽植效果的重要參數(shù)；前進(jìn)速度與取苗爪工作頻率的交互作用對倒伏率影響極顯著。

為進(jìn)一步研究前進(jìn)速度與取苗爪工作頻率對倒伏率的交互影響，獲取最佳參數(shù)，利用Origin9.0軟件繪制三維曲面，如圖9所示。

圖9 前進(jìn)速度與取苗爪工作頻率對倒伏率影響Fig. 9 Influence of advancing speed and frequency ofseedling picking claw on lodging rate

通過圖9分析前進(jìn)速度與取苗爪工作頻率交互作用結(jié)果綜合得出，當(dāng)前進(jìn)速度為1～1.2 km/h、取苗爪工作頻率為55株/min時，倒伏率最低為3.4%；結(jié)合試驗結(jié)果，此時漏栽率為1.3%，由式(10)計算得合格率為95.3%，該參數(shù)組合下移栽質(zhì)量滿足旱地栽植機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JB/T 1029—2013)[10]和蔬菜移栽機作業(yè)質(zhì)量(NY/T 3486—2019)[11]內(nèi)的相關(guān)指標(biāo)(漏栽率≤50%，倒伏率≤7%，栽植合格率≥90%)。

5 結(jié)論

1) 設(shè)計了一種基質(zhì)塊苗移栽機送取苗裝置，可實現(xiàn)基質(zhì)塊苗成排輸送、自動取苗、單株定植等功能，該裝置結(jié)構(gòu)輕簡，株行距調(diào)節(jié)方便，為基質(zhì)塊苗移栽機的研究提供參考。

2) 對裝置整體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計與參數(shù)確定，對栽苗過程和臨界入土?xí)r基質(zhì)塊苗受力情況進(jìn)行受力分析，得出取苗爪最大入土深度和基質(zhì)塊苗臨界入土不發(fā)生傾倒的條件。田間試驗表明，當(dāng)前進(jìn)速度為1～1.2 km/h、取苗爪工作頻率為55株/min 時栽植效果最佳，漏栽率為1.3%，倒伏率為3.4%，栽植合格率為95.3%，滿足移栽機相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。