蔬菜育苗基质块成型机设计与试验_赵威.pdf

第 期 赵威 等 蔬菜育苗基质块成型机设计与试验 蔬菜育苗基质块成型机设计与试验 赵威 崔志超 管春松 陈永生 杨雅婷 高庆生 农业农村部南京农业机械化研究所 南京市 江苏现代园艺工程技术中心 江苏镇江 摘要 基质块育苗移栽具有护根护苗 缓苗期短 成活率高等优点 相比穴盘钵苗 基质块苗市场保有量仍相对较少 主要 受限于基质块成型加工设备配套不足 因此本文设计了一种蔬菜育苗基质块成型机 实现自动铺土 压块 投块 输送等功 能为一体 通过对整机结构和传动系统 钵盘机构 压块及投块机构等关键部件进行设计 以蚯蚓粪 土壤为原料对影响 基质块成型的 个因素进行正交试验 得出优选参数组合为蚯蚓粪 土壤混合配比 压缩比 含水率 此时 尺寸稳定性为 抗压力为 散坨率为 可极大地满足基质块育苗移栽的要求 从而为基质块成型 加工的研发提供理论参考 关键词 基质块 成型机 蔬菜 移栽 压块 制钵 中图分类号 文献标识码 文章编号 赵威 崔志超 管春松 陈永生 杨雅婷 高庆生 蔬菜育苗基质块成型机设计与试验 中国农机化学报 收稿日期 年 月 日 修回日期 年 月 日 基金项目 江苏省农业科技自主创新资金项目 中国农业科学研究院基本科研业务费项目 江苏省现代农 机装备与技术示范推广项目 第一作者 赵威 男 年生 山东单县人 硕士研究生 研究方向为农业工程与信息技术 通讯作者 管春松 男 年生 江苏盐城人 博士研究生 助理研究员 研究方向为蔬菜机械化生产技术装备 引言 育苗移栽作为蔬菜生产中的关键环节 是提高蔬 菜生产综合效益的关键技术措施之一 随着我国育苗 产业的不断发展 形成了多种育苗方法和培育壮苗的 技术 基质块育苗相比穴盘苗育苗 裸苗育苗等能 更好的保护根系 提供更多的营养 并且基质块体态相 对规则 更适用于快速移栽 国外对于育苗的研究始于 世纪 年代 设备 先进 配套设施完善 到 世纪 年代 已经形成了 完整的机械化育苗体系 如美国 公司开发 出用于蔬菜和花卉室内育苗系统 美国 公司 生产的育苗播种生产线 日本蔬菜育苗 型 营养制钵机 可以实现上料制钵 播种一体化 最后送 入育苗箱培育 我国对于基质块成型机械的研究始于 世纪 年代 随着科技进步 基质块成型机械有所发展 大 大降低了育苗过程中人工劳动强度 但仍存在机械化 水平低 压制过程中压力难以控制 钵体不均匀 硬度 差 秧苗种类适应性差等问题 不能很好的适应生产作 业需求 近些年来 育苗制块技术逐渐向机械化 工厂化及标准化方向发展 形成流水线式的育苗工厂 故而更加需要能够稳定作业 成型效果佳的基质块成 型机械 为此 本文针对目前基质块加工用工量大 人工作 业质量差及设备配套不足等现状问题 设计并研制一 种方体基质块成型机 同时开展试验研究 以期为基质 块成型加工流水线研发或优化提供参考 整机结构与原理 结构组成 以立方体的基质块 棱长尺寸为 为研究对 象 开发一种半自动式蔬菜育苗基质块成型机 实现自 动铺土 压块 投块 输送等功能 整机结构组成如图 所示 主要由机架 传动杆 料斗 压块杆 投块杆 钵 盘 输送带等组成 整机由电机提供动力 其中机架坐 落于可移动的支撑轮上 机架内部安装有电机和齿轮 箱 齿轮箱上方安装料斗 料斗下方安装针轮及钵盘 钵盘上方安装压块杆及投块杆 最后由输送带将压好 的基质块输出 第 卷 第 期 年 月 中国农机化学报 中国农机化学报 年 图 蔬菜育苗基质块成型机结构简图 机架 料斗 传动杆 压块杆 投块杆 钵盘 输送带 工作原理 整机工作时 料斗内的基质随着搅拌杆的转动落 入钵盘钵孔内 同时与搅拌杆同轴上的针轮拨动钵盘 上的星轮作间歇转动 将基质转到压块杆和投块杆对 应钵盘的工作位置 压块杆和投块杆位于同一平面与 钵盘垂直 传动杆带动压块杆和投块杆沿着轨道上下 运动 实现钵盘内基质的压实和投出 被投出的基质 块 落到间歇运动的输送带上 将基质块间歇输出 表 结构参数及工作参数 项目 参数 外形尺寸 长 宽 高 整机质量 基质块规格 长 宽 高 作业效率 块 电动机功率 关键部件设计 传动系统的设计 由图 所示 传动路线主要分为两路 但并非独立 的分支 需要相互的配合 图 传动路线图 钵盘圆周均匀分布 组模孔 每组钵孔有 个 钵盘每转 周压块 个 为达到设计工作效率 块 以上 钵盘的转速应该达到 所以选取 针轮每转动 周 带动钵盘转动 转 则针轮的转速为 因为钵盘和压块杆相互配合 钵盘每转动 一次压块杆下压一次 则下压杆驱动曲柄转速 钵盘机构设计 如图 所示 钵盘机构主要由针轮 星轮组成 主 动针轮上有四个针齿和一段锁止凸圆弧 从动星轮上 有八个锁止凹圆弧 两个之间有三个齿廓摆线和两个 过渡线 星轮上平均分布着八对模孔 当主动针轮旋 转一周 从动星轮旋转 周 停歇次数 为 同时 为了配合冲压机构 设置针轮动程角 停程角 则动停比为 针轮和星轮反 向旋转运动 每次转动 间歇运动一次 星轮开 始啮合时逐渐加速 中间变成等速 结束啮合逐渐 减速 图 钵盘机构简图 针轮 星轮 针轮起始啮合角 星轮起始啮合位置角和齿底啮合位置角分别为 烅 烄 烆 星轮起始啮合半径 式中 节圆半径比 中心距 由式 式 计算得 第 期 赵威 等 蔬菜育苗基质块成型机设计与试验 压 投块机构设计 运动分析 如图 所示 压 投块机构可以简化为一个曲柄滑 块机构 传动杆通过连杆带动滑块上下往复运动 滑 块上连接压 投杆从而完成对基质块的压实和投块 曲柄 以等角速度 其长度 转角 和 不断改变 连杆 的长度为 图 压 投块机构简图 曲柄回转中心与滑块导路中心都处于 轴上 所 以该机构为对心曲柄滑块机构 本设计输出杆为冲压 杆 机构的极位夹角为 所以整个机构没有急回 特性 压投往复机构正常工作的前提条件是 曲柄的长 度应该小于等于连杆的长度 设计时一般取较小的压 力角 取较大的传动角 因为传动角较大机构工作越稳 定 选择传动角 为 连杆长度 满足 经计算满足曲柄滑块机构的正常工作条件 位移速度分析 根据各构件的尺寸分析曲柄滑块机构的运动行 程 确定滑块极限距离 从而更好地控制压缩比 同时 也防止滑块带动的压块杆尺寸过长导致压块过程中将 钵盘损坏 位移复数表示形式 按照欧拉公式展开 由式 对时间求导 同时两边乘以 得 滑块速度随着角度变化而变化 根据三角函数的 特性 当曲柄与连杆垂直时速度达到极限 此时速度极 限 为 试验分析 试验条件与因素 试验于 年 月在江苏省常熟市横塘蔬菜合 作社进行 图 试验前将蚯蚓粪和土壤混合 形成 基质混合物 并用土壤筛过筛处理 图 样机试验现场 通过前期预试验可知 影响压块质量和稳定性的因 素主要有蚯蚓粪 土壤混合配比 压缩比和含水率 压 缩比通过调节压杆的长度来控制 具体计算如式 所示 式中 基质块的压缩比 未经压制的基质的体积 压制成型的基质块体积 含水率使用 型土壤水分温度测定仪 测量 根据预试验每个因素确定以下三个水平 所以选 用 正交表 各项试验共进行 组测试 每组测试 随机抽取 个样本 取 次测试结果的平均值作为该 组测试结果 利用 对试验数据进行处理 各试验因素水平如表 所示 试验图如图 所示 表 试验因素与水平 水平 蚯蚓粪 土壤 混合配比 压缩比 含水率 图 水平组合试验 中国农机化学报 年 试验指标与方法 通过检测基质块的抗压力 尺寸稳定性 散坨率来 表达基质块的成型质量 抗压力的测定方法 采用电子万能试验机 型 进行动作模拟测试 图 与被测基 质块侧向面作为基准面 选定试验机量程为 进给速度为 执行加载程序基质 块被压坏后自动卸载 电脑显示的块体压缩变形与受 力关系曲线出现一个峰值 该峰值即为抗压力 图 抗压力试验 基质块的尺寸影响移栽机作业的效果 本试验 中基质块为正方体结构 其长 宽 高方向的尺寸皆为 在块体的正上方中间位置压有种穴 基质块的 三维尺寸稳定性 式中 基质块三维尺寸稳定性 静置 后基质块体积 基质块理论体积 此处为 试验中 基质块从 高处竖直放置自由落 于地面 即所测跌落破损率为 高跌落散坨 率 试验基质块使用天平对基质块进行称重 将 基质块竖直置于离地面 高处使其自由落下 使 用天平称量基质块跌落破损之后剩余质量并记录 计 算基质块的散坨率 式中 跌落前的质量 跌落后的质量 试验结果与分析 正交试验 采用正交试验和方差分析对采集的数据进行处理 分析 结果见表 和表 由表 可知随着基质混合物中土壤含量的增加和 压缩比的提高 尺寸稳定性和抗压力提高 散坨率降 低 这是由于土壤相对于蚯蚓粪更为紧实 提高压缩 比可以有效减小基质颗粒间的距离 减小基质块孔隙 度 使基质颗粒间的接触更为紧密 提高了基质颗粒团 度 使基质块在跌落时不宜松散 降低散坨率 表 正交试验结果 序号 蚯蚓粪 土壤混合配比 压缩比 含水率 尺寸稳定性 抗压力 散坨率 第 期 赵威 等 蔬菜育苗基质块成型机设计与试验 表 方差分析表 因变量 方差来源 离差平方和 自由度 均方 误差 误差 误差 注 极显著 显著 不显著 由表 可知配比对尺寸稳定性影响显著 压缩比 和含水率对尺寸稳定性影响不显著 基质配比对抗压 力影响极显著 对散坨率影响显著 压缩比对抗压力 和散坨率影响均显著 含水率对抗压力和散坨率影响 均不显著 综合评分法 为满足较优育苗要求 尺寸稳定性和抗压力应达 到最大值 其归一化方程 式中 各指标各组归一化值 各指标各组试验值 各指标各组试验中最大值 各指标各组试验中最小值 散坨率应达到最小值 其归一化方程 式中 各组归一化值 各组试验值 各组试验中最大值 各组试验中最小值 根据基质块成型 个性能指标的重要性 确定本 试验尺寸稳定性和抗压力和散坨率权重分别为 综合评分 计算公式为如式 所示 式中 尺寸稳定性归一化值 抗压力归一化值 散坨率归一化值 表 综合评分表 序号 尺寸稳定性 归一化值 抗压力 归一化值 散坨率 归一化值 综合评分 表 综合评分极差分析 项目 蚯蚓粪 土壤 混合配比 压缩比 含水率 因素主次 综合评分结果见表 对综合评分极差分析见表 分析结果表明 综合影响成型质量指标的主次因素 为 最优参数组合为 即配比为 压缩比为 含水率为 结论 本文设计了一种蔬菜育苗基质块成型机 阐述 中国农机化学报 年 整机结构组成和原理 并对关键部件进行设计和参数 计算 可实现自动铺土 压块 投块 输送等功能 工作 效率达到 块 压制基质块为棱长尺寸 的立方体 为蔬菜基质块育苗方式提供技术装备支撑 以蚯蚓粪 土壤的混合物为原料进行三因素三 水平正交试验 试验结果表明当蚯蚓粪 土壤混合配比 为 压缩比为 含水率为 时 成型质量最 佳 此时尺寸稳定性为 抗压力为 散 坨率为 较好地满足了基质块育苗移栽的要求 参 考 文 献 崔志超 管春松 杨雅婷 等 蔬菜机械化移栽技术与装备 研究现状 中国农机化学报 谢诗妍 纪敏 沈嵘枫 等 育苗容器及其成型机的发展趋 势 现代园艺 胡乔磊 廖庆喜 王洋 油菜机械移栽载苗基质块力学与生 物学特性分析 农业工程学报 张海龙 陈海涛 北方土壤制钵成型机研究 农村牧区 机械化 李薪 张志民 我国育苗块成型机研究进展 新农业 尹国洪 闸建文 宋景玲 等 机械化制钵机的 研制 粮油加工与食品机械 吴宝华 黄东明 刘丽敏 多功能 制钵机的改进设 计 中国农机化 王慧杰 冯瑞云 刘跃鹏 等 秸秆育苗钵旋压成型制钵机 的研制 中国农机化学报 刘明池 季延海 武占会 等 我国蔬菜育苗产业现状与发 展趋势 中国蔬菜 杨龙元 袁巧霞 刘志刚 等 牛粪好氧和蚯蚓堆肥腐熟 料成型基质块制备及育苗试验 农业工程学报