花卉苗木容器基质装填机研发现状与展望.pdf

37 农业装备农业开发与装备 2023年第10期 花卉苗木容器基质装填机研发现状与展望 王 涛 费 焱 楼婷婷 刘 丹 金华市农业科学研究院 浙江金华 321017 摘要 花卉苗木容器基质装填环节作业量大 劳动强 度高 实现容器基质机械化装填十分迫切 基于国内 外花卉苗木容器基质装填机研发现状分析 剖析了其 机械结构和工作原理 针对我国特点提出了容器标准 化 上下游工序匹配融合 关键作业部件结构优化设 计 整机智能化水平提升和整机作业可靠性提高等下 一步研发建议 为我国花卉苗木容器基质机械化装填 技术与装备的研制提供参考 关键词 花卉苗木 容器 基质装填 0 引言 我国花卉苗木产业商品化至今已有40多年的发展 史 目前种植面积和产量均处于世界首位 1 2 产业结 构日趋合理 区域特色明显 已成为乡村振兴的支柱 产业之一 近年来 国家省市各级相继提出了 美丽 中国 城市彩化 和 彩色浙江 等建设内容 这 些建设的提出大大增加了花卉苗木的市场需求空间 产业迎来发展黄金期 然而 当下我国的花卉苗木产 业还存在生产方式落后 技术水平较低 人工成本高 等现实问题 降低生产成本 实现机械化生产是必然 趋势 3 近年来 因育苗移栽技术可以显著提高花卉苗木 成活率和品质 缩短生长周期 育苗移栽技术被广泛 应用于花卉苗木生产中 4 容器基质装填作为育苗移 栽技术的首个关键环节 是花卉苗木机械化生产的基 础 然而与之矛盾的是容器基质装填装备有效供给严重 不足 大大制约了花卉苗木产业的发展 因此 本文基 于国内外花卉苗木容器基质装填机的研发现状分析 针 对国内花卉苗木产业特点提出下一步研发建议 对加快 花卉苗木基质装填机械化发展具有重要意义 1 国外容器基质装填机研发现状 容器基质装填机一般包括叠摞容器分落和基质装 填两个环节 是花卉苗木生产机械化的首个基础性作 业装备 国外对硬质容器基质装填机进行了较多的研 究 形成了多种多样的自动化装备并实现产业化 如荷兰JAVO公司 比利时 Demtec公司 德国 Mayer公 司 澳大利亚JPH公司等企业 5 Standard型容器基质装填机作为荷兰JAVO公司较成 熟的基质装填机之一 图1 主要由基质提升装置 拨叉式自动分落装置 容器移位装置和滚筒式压平装 置等组成 工作可靠 适应性强 其独特的驱动技术 使得容器可以在输送带上平稳移动 进一步增加运行 平稳性 整机配套动力3 1 kW 适合直径5 35 cm的 容器 装填效率可达1 560 6 000个 h 其基质提升装 置采用链板提升方式 可以装填黏湿基质和高密度砂 土 基质适应性较强 图1 Standard型容器基质装填机 SMART型容器基质装填机为比利时Demtec公司 开发的一款半自动基质装填机型 图2 整机配套 2 2 kW的电机 装填过程中需要人工协助分落容器 动力需求较小 结构紧凑 占地面积小 适应直径 7 23 cm的容器 工作效率高达 4 500个 h 适用于中小 规模主体生产的需求 Mayer TM 2020F型容器基质装填机为德国 Mayer公 司研发的一款高度自动化与智能化基质装填机型 图 3 适应直径12 40 cm的容器 可自动分落容器 自 动装填基质 自动将容器送入移栽环节 工作效率可 达2 000个 h 工作时 叠摞容器被容器抓取机构取下 后 落入下方转盘内 转盘按照设定好的参数旋转 当容器随转盘转动到出料口下方后 自动进行基质精 基金项目 浙江省金华市农业类重点项目 2020 2 032 38 农业装备 农业开发与装备 2023年第10期 准装填 装填完成后转盘将容器转至压穴机构进行打 穴 打穴后容器自动送入运输带 进入下一环节 完 成基质填装作业 图2 SMART型容器基质装填机 图3 Mayer TM 2020F型容器基质装填机 Batch型容器基质装填机为澳大利亚JPH公司开发 的一款半自动基质装填机型 图4 主要由料仓 工 作台 传送带 脚踩开关等组成 最大容器适应直径 40 cm 装填效率可达300个 h 工作时 料仓将土壤和 肥料进行充分混合后 操作人员将容器放在出料口正下 方 随后踩下脚踩开关 料仓中的基质由传送带运送至 出料口 基质精量落入容器中 完成基质装填作业 图4 Batch型容器基质装填机 综上 国外容器基质装填机发达 形成了系列化 的自动化装备 具有工作效率高 装填效果好 适用 范围广 与上下流环节协调性好等优点 但与此同 时 装备价格昂贵 维修保养繁琐 与我国花卉苗木 种植农艺不匹配等缺点明显 目前只有在部分大型生 产主体进行演示示范 尚未大量推广应用 2 国内容器基质装填机研发现状 国内对容器基质装填机的研发起步较晚 只有部分 科研单位和企业开展研发初探 应用普及率相对较低 沈阳农业大学 6 开发了一种气吸式容器自动分离 装置 主要由铝型框架 容器保持架 负压吸盘组 伸缩气缸 导向滑块等部分组成 工作时将叠摞的容 器放入保持架中 负压吸盘将底层容器吸住后伸缩气 缸将吸盘组推下 到达位置后负压消失容器受重力落 下 完成分离作业 伸缩气缸带动负压吸盘组复位回 到伸出前位置 准备重复工作 图5 图 5 气吸式容器自动分离装置结构图 北京工业大学 7 开发了一种自动化容器分离定位装 置 主要由机架 联排容器桶 挡块 电机 转动装 置 输送带 辅助板等组成 工作时 将容器放置在 联排容器桶内 桶内的挡块将容器卡在桶中间位置 电机带动转动装置转动 转动装置上的拨动块下压容 器边缘 使得单个容器从桶中掉落在输送带上 输送 带两侧辅助板将容器适当夹紧保障容器平衡移动 完 成分离定位作业 图6 图 6 自动化容器分离定位装置结构图 39 农业装备农业开发与装备 2023年第10期 北京工业大学 8 开发了一种自动落盆机构 主要由 机架 落盆箱体 气缸 安装板 止挡楔块 落盆楔 块 挡板等组成 工作时 人工将5排花盆码放整齐 依次放入落盆箱体导向筒中 卡盆气缸带动安装板移 动进而带动止挡楔块和落盆楔块发生移动 花盆落在 挡板上 卡盆气缸换向安装板反向移动 止挡楔块和 落盆楔块将花盆抱住 且止挡楔块和落盆楔块下端的 凸起插入花盆垛最底层与次底层的花盆盆口之间的位 置 托盆气缸将挡板从花盆垛下抽出 最底层花盆处 于悬垂状态 下推气缸推动落盆楔块向下运动 推动 最底层花盆落下 止挡楔块托住上方花盆 保证机器 每动作一次 只有一个花盆落下 平推气缸将花盆推 到主传送带上 完成落盆动作 图7 图7 自动落盆机构结构图 沈阳农业大学 9 开发了一种多组叠摞容器同时自 动分离装置 由机架 容器导向固定架 吸盘组件 升降气缸 顶出机构 滑轨滑块 真空发生器和控制 系统等组成 工作时 多组叠摞容器放入容器导向固 定架 最底端容器与限位孔接触并对叠摞容器进行限 位 防治掉落 吸盘负压将每组最底端待分离容器吸 附固定 顶出机构将叠摞容器顶起 最底端待分离容 器与其上方叠摞容器分离 随后升降气缸将顶出机构 和吸盘组件推下 最底端待分离容器通过限位孔 未 分离叠摞容器受重力落回限位孔 呈初始状态 最后 顶出气缸杆回位 容器受重力落到容器承托架中 完 成分离作业 图8 图 8 多组叠摞容器同时自动分离装置结构图 农业农村部南京农业机械化研究所 10 开发了一 种容器基质装填机 主要由容器自动分落装置 基 质供料装置 多工位转盘装置 容器输送装置 料 仓等组成 工作时 将多层叠摞容器放置在自动分 落装置上 料仓装满基质 容器分离下落至多工位 转盘装置上 转盘装置将空容器转到料仓下方进行 基质装填 装填好的容器由容器输送装置输出摆放 图9 图 9 容器基质装填机结构图 华中农业大学 11 开发了一种自走式育苗钵装填摆码 机 主要由运料 小车 机架 上料机构 装填机构和 育苗框等组成 工作时 人工将机器推至待作业苗圃 后将育苗钵整齐摆放在育苗框架内 育苗钵底部与地 面接触 然后人工将装满基质的运料小车推动至上料 机构连接架平台上固定后沿着上料轨道向上运动 当 车头面呈向下倾斜 60 以上时 基质在自身重力的作 用下 全部掉落在装填机构料仓内 上料小车和连接 架复位 随后搅拌杆搅拌基质 料仓底部挡板打开 同时料仓沿落料轨道移动基质掉入育苗钵内 搅拌速 度和料仓移动速度可调以满足不同规格育苗钵均匀装 填需求 填装完成后料仓回到初始状态 最后 育苗 框抬升至育苗钵与育苗框完全脱离的高度 装填好的 40 农业装备 农业开发与装备 2023年第10期 育苗钵由于重力的作用摆放在地面上 人工推动机器 将育苗框移动到邻侧待摆码位置 重复装填码放作业 图10 图10 自走式育苗钵装填摆码机结构图 顺意科技 12 开发了一种半自动容器基质装填机 主要由料仓 台架 吸盘装置 旋转机械爪 传送带 等结构组成 由人工进行上料 装填效率可达1 500个 h 工作时 塑料容器放置在台架上 容器下方的吸 盘装置将容器吸出 旋转机械爪夹取容器后旋转180度 将其放置在传送带上 传送带将容器送至料仓正下方 进行基质装填 完成装填作业 该装填机由于结构原 因 只能适用一类型的容器 存在通用性相对较低的 问题 图11 图 11 半自动容器装填机 台湾亦祥公司 13 开发了一种可装填软质容器的基质 装填机 根据容器直径不同可一次装填8 20个容器 工 作时 人工将容器放入分落盘上的定位孔里 可移动式 小料仓移动至分落盘上方进行基质装填并回位 最后由 输送带将容器送出 完成基质装填作业 图12 综上 国内容器基质装填机有一定的发展 具有 使用方便 价格便宜等优点 但同时自动化程度不 高 功能单一等缺点明显 且大部分为固定式装填 机 只适用硬质规则容器 通用性相对较差 图 12 可装填软质容器的基质装填机 3 下一步研发建议 3 1 容器标准化和上下游工序匹配融合研究 容器形状规格材质及基质物料特性与基质装填机 作业性能有很大的关系 此外 在基质装填过程中 上下游工序之间是否配套也影响装填机的作业性能 因此 在今后的研究中 促进容器形状和材质的标准 化 规范基质配方及其含水率 加强上下游工序匹配 融合 提高各工序环节机具配套程度 最终形成花卉 苗木容器基质机械化装填作业的标准化技术标准 提 高作业效率和质量 3 2 关键作业部件结构优化设计 容器自动分离 基质精准装填等关键作业部 件的性能直接影响装填机作业性能 运用CAD SolidWorks ANSYS等现代机械设计软件建立模型 对 基质装填机关键作业部件开展运动学 动力学仿真 优化机械结构参数和作业参数 同时 在满足整机工 作性能的前提下 采用小型化 模块化的设计思想 设计结构简单 紧凑 通用性好的基质装填机型 最 大限度地降低制造成本 减轻花卉苗木种植户购买和 使用成本压力 从而提高种植户的购买意愿 进而提 高装填机企业生产积极性 3 3 整机智能化水平提升 容器基质装填机作业环境和工序较为复杂 单一 的机械结构形式和较低的智能化程度无法满足作业要 求 近年来 随着微电子等高新技术的兴起 机电一 体化技术 多传感器融合技术 机器视觉技术都得到 了快速发展 将传统的机械系统和电气控制系统 气 动控制系统有效结合起来 大大提升基质装填机自动 41 农业装备农业开发与装备 2023年第10期 化和智能化水平 进而提高装填质量和效率 3 4 整机作业可靠性提高 基质装填环节作业工况复杂 对装填机可靠性有 较高的要求 可靠性是装填机经济效益提高显著因素 之一 因此 应该加快推进基质装填机产品技术标准 制定 建立健全相对性的检验检测方法和技术体系 提高关键作业部件及整机的安全性 可靠性及稳定性 的检测能力水平 同时 加强装填机试验示范基地建 立 完善示范基地的问题反馈机制 动态追踪机器应 用情况 充分了解其运行状态 根据反馈的信息及时 对机器出现的问题进行汇总分析和解决 从而对装填 机进行再优化 再提升 4 结语 花卉苗木在城市广场美化 道路环境美化 家庭 环境改善中应用广泛 市场需求不断增大 呈现出规 模化推进的良好势头 种植效益明显 容器基质装填 作为花卉苗木种植的首个环节 劳动强度大 且季节 性强 随着花卉苗木产业规模化程度不断扩大和劳动 力短缺问题日益凸显 容器基质机械化装填迫在眉 睫 当前 国内对容器基质装填机进行了初探性研究 和示范应用 但离广泛应用还存在较大的差距 依据 国内花卉苗木容器种植模式和基质机械化装填现状 结合上下游工序匹配融合 容器标准化 关键作业部 件优化设计 智能化水平提升和整机作业可靠性提 高 研制出适应我国种植模式下的轻简化 智能化容 器基质装填机 对促进花卉苗木产业可持续发展具有 重大意义 参考文献 1 连青龙 中国花卉产业的发展现状 趋势和战略 J 农业工 程技术 2018 38 13 28 35 2 路莹 宝鸡市苗木花卉产业发展战略研究 D 西北农林科 技大学 2019 3 杨园 中国花卉产业的发展现状 趋势和战略 J 现代园 艺 2019 11 44 45 4 周蒙 盆栽花卉穴盘苗自动移栽机移栽装置研制 D 沈阳 农业大学 2019 5 杨雅婷 陈永生 胡桧 等 国内外花盆基质装填机研发现 状 J 中国农机化学报 2013 34 01 47 50 6 刘威 自走式盆栽花卉自动移栽机钵盆分离输送装置研 制 D 沈阳农业大学 2019 7 高国华 任晗 联动式花盆分离填土装置 P 中国专利 CN106489587A 2017 8 杨行 盆栽花卉移栽机设计及关键机构研究 D 北京工业 大学 2013 9 胡熙 盆栽花卉高速自动移栽机关键部件设计及试验研 究 D 沈阳农业大学 2022 10 杨雅婷 胡桧 陈永生 等 花盆基质装填机的设计与试验 J 中国农机化学报 2014 35 1 170 174 179 11 徐勤超 李善军 张衍林 等 一种自走式育苗钵装填摆码 机 P 中国专利 CN113207488B 2023 12 张鉴 自走式育苗钵装填摆码机设计与试验 D 华中农业 大学 2022 13 亦祥公司 EB OL http tw 2023