一种草莓基质槽装填上料机设计与试验.pdf

中 南 农 业 科 技 2 0 2 4 年 第 4 5 卷 第 1 2 期 2 0 2 4 年 1 2 月 中 南 农 业 科 技 S o u t h C e n t r a l A g r i c u l t u r a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y V o l 4 5 N o 1 2 D e c 2 0 2 4 谢 敬 波 卢 泽 民 高 星 星 等 一 种 草 莓 基 质 槽 装 填 上 料 机 设 计 与 试 验 J 中 南 农 业 科 技 2 0 2 4 4 5 1 2 1 0 0 1 0 2 1 2 3 草 莓 F r a g a r i a a n a n a s s a D u c h 素 有 早 春 第 一 果 的 美 称 含 有 较 高 的 钙 磷 铁 多 种 维 生 素 及 众 多 活 性 物 质 具 有 较 高 的 营 养 价 值 医 疗 价 值 和 生 态 价 值 草 莓 喜 温 凉 气 候 根 系 生 长 适 宜 温 度 为 1 5 2 2 茎 叶 生 长 适 温 为 2 0 3 0 花 芽 分 化 期 温 度 须 保 持 在 5 1 5 开 花 结 果 期 温 度 应 为 4 4 0 草 莓 工 厂 化 立 体 栽 培 生 长 环 境 条 件 可 控 且 能 提 高 温 室 空 间 利 用 率 基 质 栽 培 能 够 避 免 土 壤 连 作 障 碍 提 高 草 莓 的 产 量 和 品 质 且 采 摘 方 便 观 赏 性 强 1 草 莓 基 质 槽 装 填 上 料 机 主 要 功 能 是 完 成 草 莓 工 厂 化 栽 培 基 质 槽 内 的 基 质 装 填 是 草 莓 工 厂 化 栽 培 的 重 要 设 备 对 节 省 劳 动 力 和 减 轻 劳 动 强 度 有 较 大 影 响 同 时 为 降 低 病 虫 害 发 生 和 定 植 根 系 的 快 速 生 长 创 造 良 好 的 前 提 条 件 为 此 本 研 究 设 计 一 种 草 莓 基 质 槽 装 填 上 料 机 实 现 基 质 槽 内 的 基 质 装 填 研 究 基 质 的 物 理 特 性 对 螺 旋 输 送 的 影 响 因 素 1 装 填 基 质 物 理 特 性 草 莓 栽 培 基 质 由 捷 菲 播 种 土 珍 珠 岩 和 蚯 蚓 土 按 照 体 积 比 1 5 5 2 混 合 均 匀 而 成 基 质 物 料 的 物 理 特 性 主 要 包 括 容 重 总 孔 隙 度 通 气 孔 隙 度 持 水 孔 隙 度 和 气 水 比 等 指 标 采 用 A b a d 等 2 和 郭 世 荣 3 的 方 法 测 定 上 述 物 理 特 性 指 标 3 次 以 上 重 复 检 测 取 多 次 测 试 的 平 均 值 作 为 最 终 测 试 数 据 测 试 结 果 见 表 1 研 究 基 质 的 物 理 特 性 是 装 填 上 料 机 的 料 斗 及 螺 旋 输 送 的 直 径 螺 距 等 参 数 设 计 和 物 料 运 动 分 析 的 先 决 条 件 2 机 具 结 构 设 计 与 工 作 原 理 2 1 总 体 结 构 为 充 分 利 用 农 业 设 施 内 的 有 效 空 间 提 高 单 位 面 积 内 的 植 株 数 国 内 外 常 见 的 立 体 栽 培 方 式 有 H 形 A 形 墙 体 柱 式 和 悬 吊 式 等 其 中 悬 吊 式 栽 培 结 构 能 够 通 过 电 动 控 制 调 节 栽 培 槽 悬 吊 高 度 和 坡 度 提 高 太 阳 光 照 利 用 率 便 于 管 理 采 摘 及 多 余 营 养 液 的 回 收 是 中 国 草 莓 立 体 栽 培 的 主 流 趋 势 总 体 结 构 设 计 时 以 悬 吊 式 栽 培 为 主 要 研 究 对 象 同 时 也 兼 顾 其 他 类 型 基 质 槽 的 装 填 上 料 草 莓 工 厂 化 立 体 栽 培 基 质 槽 之 间 的 间 距 一 般 较 小 因 此 上 料 机 设 计 时 的 宽 度 和 高 度 应 尽 可 能 小 避 免 干 涉 为 便 于 种 植 管 理 和 采 摘 栽 培 槽 的 离 地 高 度 一 般 在 0 5 1 5 m 草 莓 基 质 槽 装 填 上 料 机 结 构 如 图 1 所 示 该 设 备 由 驱 动 电 机 减 速 器 料 斗 螺 旋 输 送 机 和 机 架 等 组 成 上 料 机 的 总 体 结 构 尺 寸 为 1 1 m 长 0 8 m 宽 2 5 m 高 螺 旋 输 送 机 倾 斜 角 度 收 稿 日 期 2 0 2 4 0 9 1 4 基 金 项 目 湖 北 省 重 点 研 发 计 划 项 目 2 0 2 3 B B B 0 4 1 作 者 简 介 谢 敬 波 1 9 8 5 男 湖 北 天 门 人 高 级 工 程 师 硕 士 主 要 从 事 农 业 设 施 装 备 研 究 与 开 发 工 作 电 子 信 箱 2 7 3 0 0 9 6 6 4 q q c o m 通 信 作 者 廖 剑 1 9 8 5 男 湖 北 荆 门 人 高 级 工 程 师 硕 士 主 要 从 事 农 业 设 施 装 备 研 究 与 开 发 工 作 电 子 信 箱 l i a o j i a n 8 5 5 5 1 6 3 c o m 一 种 草 莓 基 质 槽 装 填 上 料 机 设 计 与 试 验 谢 敬 波 卢 泽 民 高 星 星 庞 雄 斌 万 乾 程 王 锐 廖 剑 武 汉 市 农 业 科 学 院 武 汉 4 3 0 0 6 5 摘 要 针 对 草 莓 F r a g a r i a a n a n a s s a D u c h 工 厂 化 立 体 栽 培 发 展 趋 势 设 计 了 一 种 草 莓 基 质 槽 装 填 上 料 机 阐 述 了 整 机 结 构 与 工 作 原 理 对 输 送 过 程 中 的 物 料 基 质 进 行 运 动 分 析 建 立 了 基 质 槽 装 填 上 料 机 设 计 参 数 与 能 耗 效 率 之 间 的 关 系 试 验 结 果 表 明 研 制 的 草 莓 基 质 槽 装 填 上 料 机 操 基 本 满 足 草 莓 工 厂 化 立 体 栽 培 的 种 植 要 求 有 利 于 实 现 草 莓 工 厂 化 栽 培 的 机 械 化 作 业 关 键 词 草 莓 F r a g a r i a a n a n a s s a D u c h 基 质 槽 装 填 上 料 机 螺 旋 输 送 设 计 中 图 分 类 号 S 2 3 8 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 2 0 9 7 2 0 8 3 2 0 2 4 1 2 0 1 0 0 0 3 表 1 装 填 基 质 的 物 理 特 性 项 目 测 定 平 均 值 容 重 g c m 3 0 2 1 1 总 孔 隙 度 3 6 9 6 5 通 气 孔 隙 度 0 7 1 4 持 水 孔 隙 度 3 6 2 5 1 气 水 比 1 9 7 0第 1 2 期 为 6 0 提 升 高 度 为 2 m 4 1 2 3 4 5 1 驱 动 电 机 2 减 速 器 3 料 斗 4 螺 旋 输 送 机 5 机 架 图 1 草 莓 基 质 槽 装 填 上 料 机 结 构 2 2 螺 旋 输 送 机 螺 旋 输 送 机 是 一 种 无 挠 性 牵 引 构 件 的 连 续 输 送 设 备 主 要 用 于 散 装 物 料 的 输 送 由 壳 体 旋 转 轴 螺 旋 叶 片 轴 承 及 端 盖 等 组 成 如 图 2 所 示 该 输 送 机 为 单 螺 旋 输 送 机 不 设 中 间 吊 轴 承 主 要 技 术 参 数 螺 旋 公 称 直 径 D 为 2 0 0 m m 螺 距 S 为 2 0 0 m m 输 送 机 长 度 L 为 2 5 0 0 m m 1 2 3 4 5 6 7 1 进 料 口 2 轴 承 3 端 盖 4 旋 转 轴 5 螺 旋 叶 片 6 壳 体 7 出 料 口 图 2 螺 旋 输 送 机 结 构 3 基 质 物 料 的 运 动 分 析 螺 旋 输 送 时 基 质 物 料 受 到 螺 旋 叶 片 的 法 向 推 力 和 切 向 摩 擦 力 作 用 在 封 闭 槽 内 随 螺 旋 叶 片 一 起 做 螺 旋 运 动 由 于 基 质 物 料 具 有 较 低 流 动 性 低 黏 聚 性 和 高 混 杂 度 等 特 性 基 质 物 料 在 螺 旋 输 送 装 置 内 的 运 动 特 性 非 常 复 杂 其 物 料 特 性 系 数 如 表 1 所 示 为 便 于 分 析 计 算 有 必 要 对 基 质 物 料 及 其 输 送 工 作 过 程 做 出 如 下 假 设 在 输 送 过 程 中 基 质 物 料 为 可 压 缩 密 度 可 变 的 连 续 运 动 体 任 意 半 径 的 微 元 体 中 构 成 基 质 物 料 各 成 分 之 间 的 运 动 相 互 接 触 不 存 在 相 对 滑 移 忽 略 螺 旋 叶 片 与 机 壳 之 间 间 隙 和 制 造 误 差 的 影 响 5 6 取 一 个 螺 距 内 某 一 时 刻 运 动 的 基 质 物 料 单 元 为 分 析 对 象 以 螺 旋 叶 片 的 法 向 为 X 轴 垂 直 于 截 面 方 向 为 Y 轴 沿 螺 旋 叶 片 的 切 线 方 向 为 Z 轴 建 立 三 维 坐 标 系 和 力 学 模 型 如 图 3 所 示 F 2 F 4 F 3 F 1 s X Z Y D d 输 送 方 向 F 1 为 物 料 单 元 重 力 N F 2 为 输 送 方 向 后 方 物 料 的 推 力 N F 3 为 输 送 方 向 前 方 物 料 的 阻 力 N F 4 为 物 料 单 元 之 间 的 摩 擦 力 N 图 3 基 质 物 料 的 受 力 分 析 基 质 物 料 在 输 送 过 程 中 受 到 螺 旋 叶 片 的 轴 向 推 力 和 切 向 摩 擦 力 作 用 沿 输 送 方 向 运 动 选 取 某 一 时 刻 运 动 基 质 物 料 单 元 微 元 体 进 行 受 力 分 析 该 混 凝 土 单 元 受 到 重 力 F 1 输 送 方 向 后 方 物 料 的 推 力 F 2 输 送 方 向 前 方 物 料 的 阻 力 F 3 物 料 单 元 之 间 的 摩 擦 力 F 4 根 据 螺 旋 叶 片 槽 内 基 质 物 料 受 力 分 析 可 得 基 质 物 料 微 元 体 自 身 的 重 力 F 1 力 的 方 向 垂 直 向 下 其 计 算 式 为 F 1 g d s d h d z 1 后 方 物 料 对 微 元 体 发 生 挤 压 产 生 推 力 F 2 力 的 方 向 与 物 料 运 动 方 向 相 同 其 计 算 式 为 F 2 P d s d h 2 前 方 物 料 对 微 元 体 施 加 的 阻 力 F 3 力 的 方 向 与 物 料 运 动 方 向 相 反 其 计 算 式 为 F 3 P P Z d z d s d h 3 微 元 体 受 到 物 料 施 加 的 摩 擦 力 F 4 其 计 算 式 为 F 4 f P d s d h f P d s d z f P d z d h 4 式 中 为 基 质 物 料 单 元 体 的 密 度 g 为 重 力 加 速 度 取 值 为 9 8 m s 2 s 为 基 质 物 料 单 元 体 的 长 度 h 为 基 质 物 料 单 元 体 的 高 度 z 为 基 质 物 料 单 元 体 的 宽 度 P 为 基 质 物 料 所 受 压 强 P Z 为 基 质 物 料 单 元 体 谢 敬 波 等 一 种 草 莓 基 质 槽 装 填 上 料 机 设 计 与 试 验 1 0 1中 南 农 业 科 技 2 0 2 4 年 所 受 压 强 在 宽 度 方 向 的 偏 导 数 f 为 基 质 物 料 单 元 体 之 间 的 摩 擦 系 数 对 螺 旋 槽 内 的 基 质 物 料 微 元 体 进 行 运 动 分 析 如 图 4 所 示 V t s X Z Y D d 输 送 方 向 n V V V r V t 为 微 元 体 牵 连 运 动 速 度 m s V r 为 微 元 体 相 对 运 动 速 度 m s V 为 微 元 体 绝 对 运 动 速 度 m s V 为 微 元 体 轴 向 运 动 速 度 m s 图 4 基 质 物 料 的 运 动 分 析 模 型 螺 旋 轴 的 转 速 为 n 物 料 微 元 体 的 牵 连 运 动 是 沿 旋 转 轴 定 轴 转 动 的 圆 周 运 动 在 基 质 物 料 运 动 过 程 中 螺 旋 叶 片 发 生 转 动 带 动 基 质 物 料 做 圆 周 运 动 该 运 动 使 基 质 物 料 微 元 体 发 生 牵 连 运 动 V t V t r n 3 0 5 基 质 物 料 微 元 体 相 对 于 螺 旋 叶 片 切 线 方 向 发 生 相 对 滑 动 可 得 相 对 速 度 V r V r V t s i n s i n 6 将 基 质 物 料 单 元 的 相 对 运 动 和 牵 连 运 动 进 行 合 成 得 到 绝 对 运 动 V V V t s i n s i n 7 将 混 凝 土 物 料 单 元 的 绝 对 速 度 沿 轴 向 进 行 分 解 得 到 物 料 单 元 的 轴 向 运 动 V V V r s i n 8 式 中 r 为 微 元 体 到 旋 转 轴 线 的 距 离 n 为 螺 旋 轴 的 转 速 为 螺 旋 升 角 a r c t a n S 2 r 为 基 质 物 料 运 动 牵 引 角 基 质 物 料 微 元 体 沿 X Z 方 向 建 立 运 动 方 程 沿 X 方 向 的 运 动 方 程 为 F 2 F 3 s i n F 4 s i n 0 9 沿 Z 方 向 的 运 动 方 程 为 F 2 F 3 F 4 c o s F 1 c o s d s d h d z d v d t 1 0 式 中 d v d t 为 基 质 物 料 微 元 体 沿 Z 方 向 的 加 速 度 基 于 所 建 立 的 基 质 物 料 螺 旋 输 送 过 程 力 学 分 析 和 速 度 分 析 建 立 基 质 槽 装 填 上 料 机 设 计 参 数 与 能 耗 效 率 之 间 的 影 响 关 系 为 便 于 分 析 计 算 输 送 物 料 时 克 服 各 种 阻 力 所 做 的 功 在 此 忽 略 电 机 的 能 量 损 失 及 支 撑 轴 承 的 运 动 摩 擦 损 耗 建 立 物 料 单 元 之 间 摩 擦 力 能 耗 关 系 式 E K 0 L 0 D 0 r F 4 V t d h d z d s 1 1 基 质 各 物 料 之 间 在 其 螺 旋 输 送 运 动 过 程 中 会 产 生 摩 擦 搅 拌 翻 滚 等 运 动 同 时 受 到 螺 旋 输 送 装 置 的 螺 距 转 速 等 影 响 且 基 质 物 料 运 动 过 程 中 的 能 耗 演 变 特 性 复 杂 还 难 以 建 立 精 确 的 数 学 模 型 通 常 采 用 添 加 修 正 系 数 K 的 方 法 来 预 估 计 算 7 1 1 4 试 验 研 究 上 料 机 实 物 如 图 5 所 示 基 质 装 填 作 业 后 基 质 槽 内 物 料 及 草 莓 的 生 长 情 况 如 图 6 所 示 可 以 看 出 装 填 上 料 机 的 基 质 装 填 质 量 能 够 满 足 草 莓 工 厂 化 种 植 的 基 本 要 求 图 5 上 料 机 实 物 图 6 基 质 装 填 及 草 莓 生 长 情 况 5 结 论 1 针 对 草 莓 工 厂 化 立 体 栽 培 槽 基 质 人 工 装 填 下 转 第 1 2 3 页 1 0 2第 1 2 期 2 2 刘 小 妮 鞠 琴 鞠 晓 晗 等 基 于 C A M a r k o v 模 型 的 渭 河 中 下 游 干 流 土 地 利 用 变 化 模 拟 及 预 测 J 节 水 灌 溉 2 0 2 2 1 1 1 8 2 3 潘 璐 阳 鹿 琳 琳 束 磊 等 基 于 计 算 机 软 件 技 术 C A M a r k o v 模 型 的 土 地 利 用 变 化 模 拟 与 预 测 J 软 件 2 0 2 2 4 3 1 0 4 2 4 5 2 4 康 俊 锋 李 爽 方 雷 云 环 境 下 基 于 C A M a r k o v 的 土 地 利 用 变 化 预 测 方 法 J 武 汉 大 学 学 报 信 息 科 学 版 2 0 2 0 4 5 7 1 0 2 1 1 0 2 6 1 0 3 4 2 5 高 凤 杰 韩 文 文 单 培 明 等 基 于 C A M a r k o v 的 农 林 交 错 区 土 地 利 用 变 化 分 析 及 预 测 J 中 国 农 业 大 学 学 报 2 0 1 7 2 2 9 1 4 5 1 5 3 2 6 高 星 杨 刘 婉 青 李 晨 曦 等 模 拟 多 情 景 下 白 洋 淀 流 域 土 地 利 用 变 化 及 生 态 系 统 服 务 价 值 的 空 间 响 应 J 生 态 学 报 2 0 2 1 4 1 2 0 7 9 7 4 7 9 8 8 2 7 郑 燕 凤 基 于 G I S 的 C A M A R K O V 模 型 的 土 地 利 用 变 化 研 究 以 招 远 市 为 例 D 山 东 泰 安 山 东 农 业 大 学 2 0 0 9 2 8 王 兆 林 牙 升 业 蒲 海 霞 等 基 于 改 进 C A M a r k o v 模 型 的 山 地 城 市 边 缘 区 土 地 利 用 变 化 模 拟 英 文 J 农 业 工 程 学 报 2 0 2 0 3 6 1 6 2 3 9 2 4 8 2 9 陈 昆 鹏 基 于 C A M a r k o v 模 型 的 新 沂 市 土 地 利 用 变 化 D 江 苏 徐 州 江 苏 师 范 大 学 2 0 1 8 3 0 黄 鹏 袁 艳 斌 董 恒 C A M a r k o v 模 型 的 清 江 土 地 利 用 变 化 研 究 J 测 绘 科 学 2 0 1 7 4 2 1 0 1 0 2 1 0 9 效 率 低 劳 动 强 度 大 等 问 题 及 发 展 趋 势 设 计 了 一 种 草 莓 基 质 槽 装 填 上 料 机 可 实 现 草 莓 立 体 栽 培 槽 基 质 的 装 填 2 阐 述 了 整 机 结 构 和 工 作 原 理 根 据 基 质 物 料 的 物 理 特 性 对 螺 旋 输 送 机 进 行 结 构 设 计 得 出 该 设 备 的 主 要 技 术 参 数 对 输 送 过 程 中 的 物 料 基 质 进 行 受 力 分 析 建 立 了 基 质 槽 装 填 上 料 机 设 计 参 数 与 能 耗 效 率 之 间 的 影 响 关 系 3 试 验 结 果 表 明 研 制 的 草 莓 基 质 槽 装 填 上 料 机 基 本 满 足 草 莓 工 厂 化 立 体 栽 培 种 植 要 求 经 理 论 分 析 和 试 验 验 证 该 设 备 有 利 于 实 现 草 莓 工 厂 化 栽 培 的 机 械 化 作 业 参 考 文 献 1 吕 程 辉 廖 剑 陈 鸿 等 草 莓 立 体 栽 培 装 备 研 究 进 展 J 数 字 农 业 与 智 能 农 机 2 0 2 3 2 1 3 1 5 2 A B A D M N O G U E R A P P U C H A D E S R e t a l P h y s i c o c h e m i c a l a n d c h e m i c a l p r o p e r t i e s o f s o m e c o c o n u t c o i r d u s t s f o r u s e a s a p e a t s u b s t i t u t e f o r c o n t a i n e r i s e d o r n a m e n t a l p l a n t s J B i o r e s o u r c e t e c h n o l o g y 2 0 0 2 8 2 3 2 4 1 2 4 5 3 郭 世 荣 无 土 栽 培 学 M 北 京 中 国 农 业 出 版 社 2 0 0 5 1 3 0 1 5 0 4 李 玉 珏 一 种 玉 米 收 获 机 剥 皮 机 用 前 置 绞 龙 的 设 计 J 现 代 化 农 业 2 0 2 2 6 9 4 9 6 5 乌 兰 图 雅 王 春 光 祁 少 华 等 揉 碎 玉 米 秸 秆 螺 旋 输 送 理 论 模 型 分 析 与 试 验 J 农 业 工 程 学 报 2 0 1 6 3 2 2 2 1 8 2 6 6 王 洪 波 樊 志 鹏 乌 兰 图 雅 等 揉 碎 玉 米 秸 秆 螺 旋 输 送 仿 真 离 散 元 模 型 参 数 标 定 J 中 国 农 业 科 技 导 报 2 0 2 3 2 5 3 9 6 1 0 6 7 贾 宏 禹 吴 帮 雄 孙 文 斌 水 平 螺 旋 输 送 机 输 送 规 律 及 摩 擦 系 数 的 影 响 研 究 J 机 械 设 计 与 制 造 2 0 1 7 9 2 3 6 2 3 9 8 陈 媛 媛 王 红 英 管 清 学 等 肉 兔 养 殖 用 弹 簧 螺 旋 喂 料 机 输 送 性 能 试 验 研 究 J 中 国 农 业 大 学 学 报 2 0 2 1 2 6 5 1 7 5 1 8 5 9 李 丽 甘 镇 瑜 李 聪 波 等 面 向 高 效 节 能 的 螺 旋 输 送 机 设 计 参 数 优 化 方 法 J 计 算 机 集 成 制 造 系 统 2 0 2 3 2 9 8 2 5 8 5 2 5 9 4 1 0 孙 鸿 远 非 球 形 物 料 螺 旋 输 送 过 程 D E M 数 值 模 拟 研 究 D 杭 州 浙 江 大 学 2 0 2 2 1 1 杨 健 王 艳 芳 豆 昌 军 基 于 A n s y s W o r k b e n c h 的 特 殊 高 速 绞 龙 螺 旋 设 计 J 包 装 工 程 2 0 1 7 3 8 1 5 1 2 6 1 3 1 上 接 第 1 0 2 页 杨 顺 威 基 于 C A M a r k o v 模 型 的 焦 作 市 土 地 利 用 变 化 分 析 及 预 测 1 2 3