蔬菜穴盘苗插入顶出式取苗装置设计与试验.pdf

第 36 卷 第 22 期 农 业 工 程 学 报 Vol 36 No 22 96 2020 年 11月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Nov 2020 蔬菜穴盘苗插入顶出式取苗装置设计与试验 文永双 张俊雄 张 宇 田金元 袁 挺 谭豫之 李 伟 中国农业大学工学院 北京 100083 摘 要 针对蔬菜穴盘苗自动取苗装置结构复杂 取苗性能差等问题 该研究综合顶出式取苗与插入夹持式取苗的优缺 点 设计了一种插入顶出式取苗装置 首先对钵苗顶出过程进行受力分析 对抛出后的钵苗进行运动过程分析 得出造 成顶出式取苗的钵苗翻滚的影响因素 提出插入顶出式取苗结构的优化目标 然后对送盘机构 插入顶出式取苗机构进 行受力分析和参数优化 以辣椒钵苗为试验对象 选取苗龄 钵体含水率和取苗频率为影响因素 以取苗合格率 基质 损失率和伤苗率为指标进行正交试验 试验结果表明 苗龄 30 d 基质含水率 60 取苗频率 120 株 min 时 取苗成功 率为 97 22 基质损失率为 18 06 伤苗率为 1 39 取苗效果最佳 以苗龄 25 d 的甘蓝和花椰菜苗进行不同蔬菜作 物取苗验证试验 取苗合格率分别为 93 75 和 95 14 基质损失率分别为 17 21 和 16 67 伤苗率分别为 4 17 和 3 47 满足蔬菜穴盘苗全自动移栽机取苗作业要求 研究结果可为蔬菜穴盘苗全自动移栽机的设计和作业参数优化提供 参考 关键词 农业机械 设计 试验 蔬菜钵苗 插入顶出 取苗装置 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 22 011 中图分类号 S223 92 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2020 22 0096 09 文永双 张俊雄 张 宇 等 蔬菜穴盘苗插入顶出式取苗装置设计与试验 J 农业工程学报 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 中国是世界蔬菜生产和消费第一大国 根据国家统 计局数据 2019 年中国蔬菜种植面积达到 20 863 khm 2 产量 7 21 亿 t 大部分蔬菜采用育苗移栽的种植模式 移 栽环节以人工移栽和半自动移栽为主 存在劳动强度大 移栽效率低 成本高等问题 1 4 全自动移栽机在半自动 移栽机的基础上增加了自动送盘 取苗 送苗 投苗等 机构 单行移栽频率可达 70 140 株 min 5 7 日本 美国 荷兰等国对育苗移栽技术研究较早 根据本国作物 地理特点和蔬菜种植农艺设计了不同类 型的自动移栽机 已得到推广应用 8 11 意大利 Ferrari 公司研制的牵引式多行宽幅全自动移栽机 配套使用特 制的硬质穴盘 采用顶夹式取苗 移栽效率较高 日本 洋马研制的 PF2R 型乘坐式全自动蔬菜移栽机 配套使用 挠性软穴盘 采用单行回转臂驱动 2 个插入夹持式取苗 机械手进行取苗 性能稳定可靠 国外机型不能完全适 合中国蔬菜种植农艺 且结构复杂 价格昂贵 12 13 国 内对全自动移栽机也进行了相关研究 杨传华等 14 利用 高速伺服电动缸驱动推杆将整排钵苗顶出 实现高速精 收稿日期 2020 08 07 修回日期 2020 11 04 基金项目 国家重点研发计划项目 2017YFD0701303 作者简介 文永双 博士生 主要从事蔬菜穴盘苗自动移栽技术研究 Email wysh66123 通信作者 张俊雄 副教授 博士生导师 主要从事农业机器人 智能农 业装备研究 Email cau2007 准取苗 倪有亮等 15 16 设计了纵 横向移盘机构 顶夹式 取苗机构等 完成钵苗的隔穴顶出和夹取 通过理论分 析和建模仿真 获得关键部件参数 文献 17 20 设计了 非圆齿轮行星轮系取苗机构 建立机构动力学模型 进 行了机构动力学仿真分析和台架试验 减小了机构振动 改善了其动力学性能 文献 21 24 设计了滑道式插入夹 持取苗装置 采用整排取苗间隔投苗和整排取苗再分苗 的方式进行取投苗 提高了取苗效率和稳定性 王蒙蒙 25 提出了气动柔性下压式取苗 对压钵头进行优化 该机 构取苗频率较高 但仅适于展宽较小的钵苗 袁挺等 26 提出气吹振动复合式取苗 振动打破钵苗与穴盘的粘结 力 气吹辅助取苗 取苗性能稳定 该取苗方式同样仅 适于展宽较小的钵苗 而现有取投苗装置也存在结构复 杂 伤苗率高等问题 27 29 顶出式取苗结构简单 取苗效率较高 但钵苗与穴 盘粘结力不同 抛出后的钵苗存在翻滚 落苗轨迹不可 控 落苗位置一致性差等问题 插入夹持式取苗工作性 能稳定 但机械手结构复杂 取苗轨迹规划困难 本文 结合顶出式和插入夹持式取苗特点 根据钵苗盘根由下 向上逐渐稀疏的特点和基质 根系复合特性 30 设计一种 插入顶出式取苗装置 并通过理论分析与取苗试验 完 成装置的结构优化和参数优选 1 整机结构与工作原理 1 1 整机结构 72 穴穴盘 6 12 钵苗疏密适中 适用于多种蔬菜 第 22 期 文永双等 蔬菜穴盘苗插入顶出式取苗装置设计与试验 97 作物育苗 应用广泛 本文以 72 穴蔬菜穴盘苗为移栽对 象 采用机 电 气相结合的驱动方式实现自动送盘 取 苗 送苗 投苗 空盘回收等作业过程 包括穴盘和钵 苗的间歇有序输送 穴盘苗的插入顶出 空盘的回收和 码垛等动作 蔬菜穴盘苗插入顶出式取苗装置由机架 送盘机构 顶苗机构 翻板机构 梳理板 送苗机构 空盘回收机构等组成 如图 1 所示 1 送盘机构 2 穴盘苗 3 梳理板 4 送苗机构 5 空盘回收机构 6 投苗漏 斗 7 翻板机构 8 插入顶出机构 9 码垛机构 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 图1 插入顶出式取苗装置结构图 Fig 1 Structure diagram of insertion and ejection type seedling taking device 送盘机构由侧板 带固定块的同步带 仿形杆等组 成 通过侧板倾斜安装在空盘回收机构上方 固定在两 侧同步带上的仿形杆卡住穴盘 步进电机驱动穴盘间歇 移动 梳理板位于送盘机构前方 送苗机构上方 起梳 理穴盘苗和固定穴盘的作用 插入顶出机构设置在送盘 机构内部 由气缸驱动整排顶针沿直线导轨前后滑动 翻板机构由旋转气缸驱动翻板往复转动 送苗机构由步 进电机驱动 钵苗位于输送带隔板内 实现精确间歇有 序送苗 通过投苗漏斗将钵苗竖直投入到栽植机构 取 苗完成后的空盘 由空盘回收输送带送至码垛机构完成 空盘码垛 触摸屏 PLC 控制系统控制各机构协调配合 共同完成自动取苗作业 取苗装置总功率 800 W 供电电 压为直流 24 V 穴盘规格 72 穴 整体尺寸 长 宽 高 1 45 m 1 37 m 1 22 m 最高取苗频率 160 株 min 取苗 合格率 90 1 2 工作原理 插入顶出式取苗装置工作原理如图 2 所示 送盘机 构通过仿形杆拨动穴盘供苗 使穴盘底孔逐行对准取苗 孔 在顶苗气缸驱动下 顶针穿过穴盘底部排水口 将 整排钵苗从穴盘顶出输送带上方 翻板机构翻转 顶针 收回 钵苗落入输送带苗格内 取苗后的空盘脱离送盘 机构后 落到下方空盘回收输送带 空盘回收输送带的 挡块驱动空盘移动 并将空盘推入码垛机构 码垛气缸 将穴盘顶起 止落板由水平转动至倾斜 当空盘到达止 落板上方时 止落板回转至水平位 码垛气缸收回 止 落板托住空盘 完成空盘码垛 1 穴盘苗 2 顶苗气缸 3 送苗输送带 4 空盘回收输送带 5 空盘 6 码垛机构 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 为送盘速度 m s 1 v 2 为空盘回收速度 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 图2 取苗原理 Fig 2 Principle of plug seedling taking 2 取苗过程的钵苗力学模型 为研究取苗过程钵苗翻滚机理 消除或减轻钵苗翻 滚现象 对取苗过程钵苗力学模型进行分析 2 1 钵苗顶出过程动力学分析 从钵苗脱离穴盘到钵苗脱离顶针为钵苗加速过程 穴盘对钵苗有支持作用 且顶杆作用于钵苗的行程及时 间较短 因此 假设此过程钵苗为直线运动 以顶杆和 钵苗接触中心点为原点 钵苗运动方向为横坐标正方向 建立直角坐标系 oxy 钵苗受力分析如图 3 所示 注 a 为钵苗加速度 m s 2 f dg 为钵体与顶杆的摩擦力 N f xp 为钵体与穴 盘的摩擦力 N F nj 为钵体与穴盘的粘结力 N F n1 为穴盘上侧面对钵体 的支持力 N F n2 为穴盘下侧面对钵体的支持力 N G 为钵苗重力 N N dg 为顶杆对钵苗的作用力 N F I 为钵苗惯性力 N 为钵苗中心线与水 平面的夹角 为钵苗中线与顶杆顶出方向夹角 为钵体锥角 s 为钵体质心到底部距离 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 图3 顶出过程钵苗受力析 Fig 3 Force analysis of plug seedlings during ejection 钵苗所受的惯性力 F I ma N F x F y 为惯性力 系在 x y 轴的投影 N M o 为惯性力系对点 o 的主矩 N m 由达朗贝尔原理列平衡方程有 农业工程学报 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 取苗过程钵苗做匀加速直线运动且钵苗不发生翻滚 需满足式 1 因此 钵苗不发生翻滚必备条件是 需 满足式 3 2 2 钵苗斜抛过程运动学分析 钵苗脱离穴盘但未脱离顶杆时 顶杆和钵体存在摩 擦力 钵苗底部受力点和顶杆相对静止 而钵苗茎叶和 钵体由于重力作用向下运动 因此 钵苗脱离顶杆时存 在一定翻滚角速度 顶出后的钵苗做斜抛运动 最终 落入接苗装置或送苗装置 抛出轨迹如图 4 所示 注 v 为钵苗脱离顶杆时的初始速度 m s 1 为钵苗翻转的角速度 rad s 1 为斜抛角度 H 为钵苗下落垂直高度 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 图4 钵苗斜抛轨迹 Fig 4 Oblique throwing track of plug seedlings 钵苗水平方向位移为 cosXv t 4 式中 t 为钵苗在空中运行的时间 s 竖直方向位移为 2 1 sin 2 YHv t gt 5 钵苗翻滚角度 为 t 6 由式 4 5 可得钵苗斜抛运行轨迹方程为 2 22 tan 2cos gx YHX v 7 令 Y 0 可得钵苗的水平位移为 2 22 sin 2 cos sin 2 2 vv X vgH gg 8 式 8 对 求导得 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 可得最远抛射距离对应斜抛角度 0 为 1 0 2 sin 22 v vgH 10 将 0 代入式 8 则最远水平抛苗距离为 2 max 2 v X vgH g 11 由式 4 8 可得落苗时间为 22 sin 1 sin 2 v tvgH gg 12 当 0 即钵苗做平抛运动时 由式 13 可得最短 抛苗距离的时间为 min 2H t g 13 将 t 代入式 6 可得钵苗斜抛翻滚角度为 22 sin 1 sin 2 v vgH gg 14 由式 14 可知 减小钵苗斜抛初始角速度 斜抛 角度和钵苗下落垂直高度可减小 从而减轻钵苗斜抛过 程的翻滚 钵苗最小翻滚角度为 min 2 H g 15 通过设定 减小 H 可减轻钵苗翻滚 但固 定参数 无法适应各种钵苗 顶杆须作用在钵体的中心位 置 钵苗斜抛过程仍可能因相邻钵苗的茎叶缠绕 茎叶 和梳理板的摩擦发生翻转 造成落苗不整齐 3 关键机构设计 3 1 优化目标 根据上文分析 针对顶出式取苗送盘定位精度要求 高 顶出后的钵苗易发生翻滚 容易受梳理板和相邻钵 苗干扰造成落苗不整齐等问题 对插入顶出式取苗进行 以下优化 1 设置钵苗中线与顶杆顶出方向夹角为 以减轻取苗时钵苗翻滚 2 在顶杆末端设置一体式扁平 针尖 取苗过程中针尖先插入钵体 固定钵苗姿态 再 将钵苗顶出 顶出过程钵苗保持固定姿态 3 增加顶杆 长度 将钵苗从穴盘一直顶至输送带上方 顶针提供恒 定推力和支持力 以克服梳理板或其他钵苗的干扰 并 避免顶杆瞬间冲撞钵体造成散坨 4 增加翻板机构 顶 针顶出钵苗 翻板翻转后再收回顶针 翻板限制顶针回 带钵苗 提高落苗整齐度 5 使用气缸加导轨的方式直 接顶苗 以简化结构提高顶苗精度 6 使用仿形杆送盘 消除送盘间隙 通过闭环控制 消除连续送盘产生的累 积误差 实现穴盘精准定位 使穴盘底孔精确对准顶针 第 22 期 文永双等 蔬菜穴盘苗插入顶出式取苗装置设计与试验 99 3 2 送盘机构 为使穴盘可靠定位和均匀受力 根据穴盘底部锥形 间隙设计截面为圆角梯形的仿形杆 间隔布置在穴盘底 部间隙 穴盘横向放置 每个穴盘用 3 条仿形杆拨动 由于穴盘四周存在边沿 增大了相邻穴盘之间拨杆距 离 实现连续送盘 主动轴 从动轴和张紧轴将 2 条圆 弧同步带 型号 5M 宽 30 mm 长 1 195 mm 支撑为 三角形 同步带上设置有固定块 仿形杆两端固定在两 侧同步带固定块上 固定块 3 个为 1 组 共 7 组 由于 72 穴穴盘中钵苗株距为 43 mm 穴盘四周存在 9 5 mm 的边沿 固定块组内间距为 86 mm 组间间距为 105 mm 取苗孔间距均为 43 mm 左右同步带限制穴 盘左右移动 根据穴盘横向尺寸 同步带内侧间距为 503 mm 步进电机 型号 86BYG250H 6N 驱动主动 轴间歇转动 根据取苗频率 160 株 min 的供苗要求 送盘速度为 0 05 m s 根据穴盘中钵苗株距和穴盘边沿 尺寸 同盘苗间歇送盘距离为 43 mm 两穴盘衔接时送 盘距离为 62 mm 实现穴盘底孔逐行对准取苗孔 送盘 机构如图 5 所示 1 从动轴 2 底板 3 仿形杆 4 取苗孔 5 主动轴 6 送盘电机 7 张紧轴 8 张紧轴承座 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 为仿形杆组内间距 mm L 2 为仿形杆组间间距 mm L 3 为同步带 内侧间距 mm L 4 为两端取苗孔间距 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 图5 送盘机构 Fig 5 Plug seedling tray conveying mechanism 输送穴盘苗时 为防止穴盘脱离仿形杆 倾覆或钵 苗提前脱落 底板应为倾斜面 31 根据穴盘和钵苗受力 情况确定底板与水平面夹角 分别以穴盘和钵苗质心为原点 穴盘和钵苗滑落方 向为横坐标轴建立直角坐标系 整盘钵苗受力如图 6a 所 示 整盘钵苗所受主动力为穴盘苗重力 被动力有仿形 杆的支持力 穴盘与仿形杆的摩擦力 底板支持力 穴 盘与底板的摩擦力 单个钵苗受力如图 6b 所示 钵苗所 受主动力为钵苗重力 被动力有穴盘支持力 钵体与穴 盘的粘结力 钵体与穴盘的摩擦力 穴盘苗和钵苗主动力均为重力 滑动方向相同 滑 动临界角度相同 因此 仅对钵苗进行分析 钵苗沿穴 盘向外滑移的分力 G x 为 sin 90 22 x GG 16 当 2 0 钵苗沿穴盘向外滑动 当 0 时 90 2 G x 0 钵苗无滑动 当 0 90 2 时 0 90 2 G x 0 钵苗沿穴腔向内滑动 钵苗不发 生脱落 测得钵体锥角 29 4 为防止钵苗脱落 应小于 75 3 取 75 a 整盘钵苗受力 b 单个钵苗受力分析 a Force analysis of plug seedling tray b Force analysis of single plug seedling 注 P 为穴盘苗总重力 N P x P y 为 P 在 x 1 轴和 y 1 轴上的分力 N N b 为底板对穴盘的支持力 N f b 为底板与穴盘的摩擦力 N N g 为仿形杆对 穴盘的支持力 N f g 为仿形杆与穴盘的摩擦力 N G 为钵苗的重力 N G x G y 分别为 G 在 x 2 轴和 y 2 轴上的分力 N N p 为穴盘对钵苗的支持力 N f p 为穴盘与钵苗的摩擦力 N M z 为钵苗与穴盘的粘结力 N 为钵体 侧面法线与竖直方向夹角 为钵体锥角 o 1 x 1 y 1 o 2 x 2 y 2 为坐标系 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 图6 送盘过程受力分析 Fig 6 Force analysis of plug seedling tray conveying process 3 3 插入顶出式取苗机构 插入顶出机构和翻板机构配合完成取苗 取苗过程 为 送盘机构将穴盘底孔逐行对准取苗孔 顶苗气缸驱 动顶针顶出 顶针穿过取苗孔和穴盘底孔 将整排钵苗 顶入输送带上方 翻板顺时针转动 90 顶针收回 钵 苗掉落到输送带相应苗格内 翻板返回原位 完成 1 次 取苗 取苗机构如图 7 所示 顶针支架均匀安装 12 支顶针 顶针间距和取苗孔间距相同 根据送盘机构和送苗机构 相对位置尺寸 顶针总长为 142 mm 顶针由轴承钢光轴 经线切割加工而成 包括一体式顶杆和针尖 针尖与针 杆结合处有凸台 顶针直径大 则顶苗受力面积较大 有利于取苗 但对送盘机构定位精度要求高 顶针直径 过小 则顶针易刺穿钵体 根据送盘精度和钵体力学特 性 确定顶杆直径为 6 mm 顶针凸台与钵体底面平行 由取苗气缸 型号 MA20 125S 驱动整排顶针沿导轨 方向前后移动 顶苗行程为 125 mm 取苗时 针尖先插 入钵体 顶针凸台再将钵苗从穴盘顶出 钵苗到达输送 带上部时 翻板机构翻转 顶针收回 钵苗落入输送带 苗格内 农业工程学报 http www tcsae org 2020 年 100 1 导轨 2 顶苗气缸 3 压力传感器 4 顶针支架 5 顶针 6 旋转气缸 7 翻板 8 钵苗 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 为顶针支架两端的顶针间距 mm L 6 为顶针总长 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 图7 插入顶出机构和翻板机构 Fig 7 Insertion ejection mechanism and plate turning mechanism 钵苗顶出过程中 顶杆做匀速直线运动 顶针顶出 方向和钵体下侧面平行 顶针凸台中心与钵体底部中心 重合 以顶针凸台中点为原点 以顶杆顶出方向为 x 轴 建立坐标系 插入顶出式取苗过程钵苗受力如图 8 所示 注 N d 为顶杆凸台支持力 N N z 为针尖对钵苗的支持力 N f z 为针尖对 钵体的摩擦力 N 为针尖上侧和针尖到凸台中心点连线的夹角 为钵体底面与水平面间的夹角 l 为针尖长 mm s 为钵体中心至钵体 底部的距离 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 图8 插入顶出取苗过程钵体受力分析 Fig 8 Force analysis of plug seedling during the process of insertion and ejection type seedling taking 对钵苗进行受力分析 平面内任意力系的平衡方 程为 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 根据 29 4 8 05 f z 0 由式 19 可知 s l 钵体为倒锥体 上边长 37 mm 下边长 16 mm 高 38 mm 计算可得钵体质心到底部距离 s 23 75 mm 为防止钵苗 翻滚 l 应尽可能大 但针尖过长影响针尖强度 且钵体 顶部缺少根系包裹 力学性能较差 针尖应作用在钵体 底部的根系密集区 本文取 l 25 mm 3 4 翻板机构 顶针回程过程中顶针脱离钵苗时 由于针尖与钵体 存在摩擦力 并且摩擦力大小存在差异 造成落苗不整 齐 甚至钵苗落至输送带外侧 翻板机构可防止钵苗回 带 翻板机构由旋转气缸 型号 CRB2BW20 90S 通 过齿轮传动 驱动翻板往复转动 90 根据穴盘宽度 和单个钵苗钵体尺寸 设置翻板长 508 mm 宽 40 mm 为防止翻板与梳理板 顶针发生干涉 翻板设置有梳理 板槽 宽 长 8 mm 34 mm 和顶杆槽 宽 长 5 mm 29 mm 4 取苗试验 4 1 试验条件 为测试取苗装置性能 于 2020 年 5 月 4 10 日在山东 华龙农业装备股份有限公司实验室 山东青州 进行取苗 试验 图 9 试验用苗为 72 穴辣椒 中荷 5605 甘 蓝 泽鸿韩绿 花椰菜 松美 75 在青州双福农业科 技有限公司育苗 育苗基质成分为丹麦品氏泥炭土和珍珠 岩 体积比为 3 1 试验用苗长势均匀 壮苗率为 100 a 不同苗齢试验用苗 b 取苗装置 a Experiment plug seedlings with different seedling age b Seedlings taking device 图9 取苗试验 Fig 9 Experiment of seedlings taking 4 2 试验因素和指标 在标准育苗环境和苗期管理条件下 蔬菜穴盘育苗 通则 NY T 2119 2012 苗龄决定钵苗根系和茎叶的形 态 大苗龄钵苗根系发达 钵体具有良好的基质 根系复 合特性 针尖插入钵体和顶出钵苗时不易散坨 但大苗 龄钵苗展宽较大 茎叶易发生缠绕 穴盘苗在进入梳理 板过程中 梳理板将钵苗强行分离 容易造成茎叶损伤 小苗龄钵苗则相反 因此 苗龄是影响取苗性能的关键 因素 辣椒苗苗龄 30 d 时 钵苗已开始盘根 钵体具有 一定强度 茎叶基本没有交织重叠 具备取苗条件 36 d 时 钵苗根系更加发达 叶片相互交错遮挡 梳苗时易 第 22 期 文永双等 蔬菜穴盘苗插入顶出式取苗装置设计与试验 101 造成茎叶损伤 选取苗龄分别为 30 33 和 36 d 基质含 水率影响钵体力学特性 钵体与穴盘的粘结力 钵苗重 心等 32 从而影响取苗性能 基质含水率过低 60 时 钵体抗压能力降低 33 并且不便于包装 和运输 因此 选取基质含水率水平为 20 40 和 60 取苗频率是衡量取苗装置性能的关键技术参数 根据取苗 装置整体性能 设定取苗频率分别为 80 120 和 160 株 min 以辣椒苗为取苗对象 以基质含水率 苗龄和取苗 频率为影响因素 以取苗合格率 基质损失率和伤苗率为 考察指标进行三因素三水平三指标正交试验 研究不同参 数组合对取苗性能的影响 因素水平如表 1 所示 取苗合格率 1 为 1212 1 100 WW W V V W 20 基质损失率 2 为 2 100 PM N PM 21 伤苗率 3 为 12 3 100 VV W 22 式中 W 为每组试验钵苗总株数 W 1 为未顶出穴盘苗株数 W 2 为输送过程钵苗脱离原苗格株数 V 1 为茎叶破损或折 断株数 V 2 为散坨钵苗株数 根据企业标准 Q 3201 LL 2ZQ 2 PF2R 全自动移栽机作业技术规范 散坨质 量与原坨质量比 20 的植株为散坨苗 P 为取苗前穴 盘苗总质量 N 为取苗后钵苗质量和 M 为穴盘质量 表 1 因素水平表 Table 1 Factors and levels 水平 Levels 苗龄 Seedling age A d 基质含水率 Moisture cottent of substrates B 取苗频率 Frequency of seedling taking C 株 min 1 1 30 20 80 2 33 40 120 3 36 60 160 4 3 试验方法 在取苗装置控制软件中设定取苗频率分别为 80 120 和 160 株 min 送盘速度 0 05 m s 送苗速度 0 09 m s 翻板翻转时间 0 2 s 使用节流阀调整气缸顶苗速度 0 25 m s 使用稳压阀调整系统气压为 0 4 MPa 穴盘苗 均匀浇水后 放置在透风处 用水分测量仪检测钵体含 水率 当钵体含水率降至 60 40 和 20 时 分别进 行取苗试验 每组试验取苗 2 盘 144 株 10 组试验 共 20 盘穴盘苗 其中 9 组为正交试验 1 组为优选方 案验证试验 取苗时依次完成自动送盘 穴盘苗梳理 钵苗顶出 送苗等环节 每组试验完成后统计试验数据 选取 L 9 3 4 正交表进行试验 对试验结果进行极差分析和 方差分析 得出各因素对考察指标的影响主次顺序和显 著性 采用综合分析法确定最佳组合取苗方案 并进行 试验验证 4 4 试验结果与分析 试验过程取苗装置运行良好 送盘机构和送苗机构 工作平稳 定位精准 在 PLC 控制系统控制下 各机构 可高速协调运行 试验结果如表 2 所示 采用极差分析法对试验结果进行分析如表 3 所示 表 2 取苗正交试验方案和结果 Table 2 Orthogonal experiment scheme and results of seedling taking 序号 No A d B C 株 min 1 未顶出株数 Number of unremoved plants 脱离苗格株数 Number of separate from grid plants 伤茎叶株数 Number of stem leaf injury plants 散坨株数 Number of broken plug plants 取苗合格率 Qualified rate of seedling taking 1 基质损失率 Missing rate of substrates 2 伤苗率 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 极差分析和方差分析的各因素 对各指标影响的显著性顺序一致 采用综合平衡法对每 种因素