穴盤育苗基質覆土裝置的設計與試驗

高原源，王 秀，馮青春，范鵬飛，趙學觀

(1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術研究中心，北京 100097；2.國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術研究中心，北京 100097；3.農(nóng)業(yè)智能裝備技術北京市重點實驗室，北京 100097；4.中國農(nóng)業(yè)大學 信息與電氣工程學院，北京 100083)

0 引言

穴盤育苗包括填土、壓穴、播種及覆土等環(huán)節(jié)[1-2]。其中，種子覆土對幼苗的生長影響較大，適宜的覆土厚度可以保證幼苗出苗整齊、發(fā)育健壯，對整個育苗成敗起著重要作用[3-4]。不同種子品種、播種季節(jié)、基質性狀等所需的種子覆土厚度也不相同，生產(chǎn)中不當?shù)母餐练椒ㄈ菀自斐煞N子出苗不齊、“帶帽”出土及幼苗瘦弱等問題[5]，直接影響著幼苗素質及后續(xù)果實的產(chǎn)量與品質。因此，覆土工序是種子出苗率和出苗質量的重要保證，對整個穴盤育苗系統(tǒng)而言有著重要的作用。

穴盤基質覆土裝置解決了現(xiàn)有人工覆土作業(yè)強度大、效率低、覆土均勻性差等問題，實現(xiàn)了自動化、高效均勻穴盤覆土。根據(jù)覆土結構形式，可以分為輥式覆土、帶式覆土和機械槽式覆土。輥式覆土是在料斗出口設置一表面有凸齒的覆土輥，通過電機帶動覆土輥轉動，將料斗中基質刮出。帶式覆土主要是在料斗底部設置一個平膠帶輸送機構，通過輸送帶運動帶動基質覆蓋。由于輸送帶運行平穩(wěn)，同時對料斗外形尺寸要求較小，顯著增大了料斗尺寸和每次基質添加量，適于大規(guī)模高效率作業(yè)需要。但這兩種形式主要應用于蛭石的覆蓋，對基質干濕度和細密度要求較高，由于蛭石成本較高，國內大多采用普通床土覆蓋，當基質成團狀或濕度較大時，易發(fā)生覆土輥堵塞或覆土帶“帶土打滑”，影響覆土均勻性和覆土量。為此，國內相關研究單位開發(fā)了機械槽式覆土裝置[6-8]，可對基質進行攪拌，解決基質成團問題；但結構較復雜，粘黏基質不易清理。因此，有必要開發(fā)一款覆土均勻，對基質干濕度適應較好、粘黏基質易清理的覆土裝置，促進國內穴盤育苗技術的推廣應用。

針對國內種植戶覆土基質濕度大、顆粒粗糙的特點，本文提出一種角鋼鏈條式基質覆土結構，通過焊接在鏈條上的角鋼將料斗中基質刮出，改變履帶和覆土速度差實現(xiàn)覆土厚度調節(jié)，并采用光電傳感器，通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)穴盤的自動覆土。

1 總體機構設計

1.1 總體結構

作為穴盤育苗流水線之一的基質覆土單元，其主要由3個部分組成，即上半部分的基質覆土部分、下半部分的穴盤傳送平臺和平臺正面安裝的控制系統(tǒng)，如圖1所示。覆土部分主要由料斗、升降機構、覆土機構及配套覆土電機組成；傳送平臺主要由板刷、傳送帶、履帶電機、導向機構和平臺支架等組成；控制系統(tǒng)安裝在控制箱中，主要包括PLC、穴盤位置光電傳感器、變頻器、繼電器和觸摸屏等。整個覆土裝置尺寸為長×寬×高=1.4m×0.82m×1.45m，料斗容積70L。

1.料斗 2.覆土機構 3.板刷 4.輸送帶 5.履帶電機 6.導向機構 7.平臺支架 8.控制箱 9.光電傳感器 10.穴盤 11.升降機構圖1 基質覆土裝置結構示意圖Fig.1 Structure scheme of covering device of seedling substrates

1.2 工作原理

工作時，穴盤傳送部分接收由播種單元傳來的穴盤，通過導向機構進入覆土部分，當安裝在傳送平臺上的光電傳感器感應到穴盤時，覆土電機開始轉動，覆土部分開始工作，通過調節(jié)履帶電機和覆土電機轉速差，或者料斗出口的擋板高度，可以實現(xiàn)覆土厚度的實時調節(jié)。此時，覆土部分的覆土機構將料斗內的基質刮出，在穴盤經(jīng)過覆土部分的時候，使基質形成“土簾”覆蓋在穴盤內的種子上方，而后由接下來的板刷將穴盤上多余的基質刷掉以使土層均勻并防止“串苗”，多余的基質在傳送帶上傳送至下方的基質回收；箱穴盤則進入流水線下一個澆水單元，而覆土電機經(jīng)過一定時間延遲停止工作，直到下一穴盤觸發(fā)信號啟動。

2 關鍵部件設計

對整體單元分析，其整體長度應滿足穴盤傳送帶上至少有兩個穴盤在傳送以保證效率；同時，料斗的高度應滿足操作人可在自然狀態(tài)下向其中添料；覆土的寬度應根據(jù)前一播種單元傳送來的穴盤行進方式確定，即縱向或橫向行進，穴盤傳送帶的速度及支撐框架的寬高度應與前一播種單元匹配。

2.1 料斗結構設計

料斗結構采用“鏤空式”，即料斗上蓋與底板均不保留，整個料斗內基質由其底部單設托板承重，在料斗與托板之間留有間隙，便于刮土機構安裝與運動，如圖2所示。料斗寬度選擇時，應與覆蓋穴盤寬度相同，避免工作時造成基質浪費，料斗長度可適當增大以提高基質裝填量。

綜合覆土單元整體高度和操作人身高關系，以及穴盤寬度的因素，決定將料斗尺寸定為長×寬×高=500mm×270mm×500mm，計算其容積得

V料=L料×B料×H料=0.0675m3

(1)

考慮到實際工作時料斗內的基質剩余量會因為無法看見而影響基質的添加，在料斗側面上開兩個可視窗，通過有機玻璃可實時觀察。在料斗出口方向，設一擋板，通過調節(jié)擋板高度可隨時改變覆土厚度。

1.箱體 2.可視窗 3.擋板 4.旋轉把手圖2 料斗結構示意圖Fig.2 Structure scheme of hopper

2.2 覆土機構設計與分析

覆土機構主要由角鋼鏈條、鏈輪、鏈條張緊裝置、底部的托板及覆土電機等組成，通過型材連接起來，并由型材固定件固定在料斗上，如圖3所示。

1.鏈輪 2.帶座軸承 3.張緊片 4.張緊塊 5.型材固定件 6.覆土電機 7.角鋼鏈條 8.型材圖3 覆土機構示意圖Fig.3 Structure scheme of covering mechanism

根據(jù)上述種子覆土特點及農(nóng)藝上5～20mm覆土厚度要求，最終確定角鋼為等邊角鋼10×3類型。由于覆土厚度為10mm左右，由穴盤的寬度和料斗尺寸確定角鋼的長度為260mm，并依次焊接在滾子鏈的鏈節(jié)上。根據(jù)鏈傳動相關知識[9]，鏈速一定時，為降低動載荷對鏈傳動穩(wěn)定性的影響，應采用大齒數(shù)鏈輪和小節(jié)距鏈條。為此，綜合考慮，選用06B單排鏈，與此對應，在滿足焊接角鋼不相互干涉刮擦的前提下，選用B型鏈輪，鏈輪齒數(shù)Z=28。

對鏈傳動中心距的選擇上，考慮到刮土結構要求鏈輪在料斗外側，而鏈輪齒頂圓直徑d=88.8mm，即中心距為

a>L料+da=588.8mm

(2)

故取a=63p=600mm。其中，p為06B滾子鏈節(jié)距。

鏈節(jié)數(shù)為

(3)

鏈條長度為

(4)

由于料斗長度限制使得鏈傳動的中心距較大，故需要對鏈傳動采用張緊裝置，由張緊片與張緊支撐塊組成，通過對張緊片與支撐塊之間的螺栓的松緊來調節(jié)鏈傳動的軸間距，進而達到張緊的效果。此外，底部托板則起到負載整個料斗基質及角鋼鏈條的作用。

角鋼鏈條式覆土機構實際工作中，料斗中的基質覆蓋在覆土機構上。對于與覆土機構接觸的部分基質，不僅受自身重力作用，還受到上部基質對其的壓力。為此，當角鋼作用在基質上的推力大于基質由于所受重力和壓力產(chǎn)生的摩擦力時，即發(fā)生基質的剪切破壞。基于此原理，根據(jù)Mohr-Coulomb定律，若使基質發(fā)生剪切破壞，角鋼所需的剪切力[10-11]為

F=τA=(C+σtgφ)A

(5)

其中，C為基質的粘結力(一般為常數(shù))；σ為料斗中基質所受正應力；φ為基質的內摩擦角；A為角鋼厚度與寬度的乘積。

由于角鋼的推力主要有滾子鏈條牽引產(chǎn)生，因此在對刮土機構動力選配時，應在料斗盛滿基質后，測出傳動軸所需力矩和轉速。最終，本覆土機構選用0.18kW的NMRV蝸輪減速機，覆土速度設計為460盤/h。

2.3 料斗升降機構設計

料斗升降機構的主要目的是為了支撐覆土機構和料斗及料斗中盛裝的基質，同時起到調節(jié)覆土機構高度的作用，以此滿足對不同高度穴盤的作業(yè)需求。本設計主要采用螺旋傳動，實際工作時，即通過旋轉螺桿帶動料斗進行升降運動，達到調節(jié)高度目的。因此，根據(jù)螺旋傳動運動方式及特點，參照實際工作需求，本設計最終選擇螺母固定、螺桿轉動和移動的方式，設計結構如圖4所示。

1.支撐架 2.手輪 3.推力球軸承 4.螺桿 5.螺桿座 6.支座圖4 支撐升降機構組成Fig.4 The parts of elevating mechanism

支撐升降機構主要由支撐架、螺桿、手輪及螺桿座等組成。其中，支撐架主要由40mm×40mm和35mm×35mm規(guī)格方鋼套接組成，在35方鋼橫梁上固定螺桿座，并與螺桿連接，螺桿上部支撐40方鋼橫梁。為避免橫梁與螺桿間的旋轉磨損，特在螺桿軸肩上加入一推力球軸承以減小旋轉摩擦，軸承另一面與40方鋼橫梁接觸。為保證覆土機構工作穩(wěn)定性，兩個如圖4所示升降機構固定在料斗相對兩側。

根據(jù)設計，整個覆土機構重量通過方鋼轉嫁到螺桿上，需對螺桿進行設計校核。螺桿工作時，承受來自于料斗、基質、下部覆土機構和配套減速機的質量，通過查相關材料密度及產(chǎn)品規(guī)格[12]，并在三維繪圖軟件SolidWorks中估算出螺桿總承重質量約為160kg，考慮到實際超負荷作業(yè)，取螺桿承重質量m=300kg，即支撐機構單側受力為

F=mg/2=1500 N

(6)

螺桿工作時，考慮到料斗對其的力學作用，因此將其計算近似為緊螺栓連接計算公式以求得螺紋小徑，即

(7)

選用35鋼螺紋桿，查詢材料手冊，得σS=315N/mm2，取[σ]=75N/mm2，則

(8)

最終選用M12螺紋桿，螺紋小徑d1=11.1mm>5.75mm。對其進行強度校核，結果表明設計滿足要求，裝置可以穩(wěn)定工作。此外，螺桿設計長度為250mm，適應穴盤高度可調范圍為0～90mm。

2.4 控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)主要由工控觸摸屏、繼電器、PLC、光電傳感器、變頻器和24V開關電源等組成，作用在于控制履帶電機和覆土電機的啟停，以及兩個電機的工作轉速，從而實現(xiàn)作業(yè)效率和覆土厚度的調節(jié)。其中，PLC和觸摸屏部分可以和前述壓穴部分控制系統(tǒng)共用，以達到集成目的。實際作業(yè)時，為保證作業(yè)效率和覆土厚度的單獨調節(jié)，本設計采用兩個變頻器分別控制履帶電機和覆土電機，通過調節(jié)輸出頻率調節(jié)電機轉速，為了避免作業(yè)基質的浪費，在穴盤進口方向安裝有對射式光電傳感器，通過檢測穴盤位置控制覆土作業(yè)啟停，最終控制結構如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)結構組成Fig.5 Structure of control system

作業(yè)時，在PLC控制下，履帶電機工作，履帶運動。當光電傳感器感應到穴盤時，覆土電機開始轉動，覆土部分開始工作；在此過程中，可以通過調節(jié)履帶電機和覆土電機轉速差，或者料斗出口的擋板高度，實時調節(jié)覆土厚度。覆蓋在穴盤上的基質經(jīng)過后續(xù)刷土機構實現(xiàn)基質刮平，未覆蓋上穴盤的基質則在傳送帶上傳送至下方的基質回收箱。經(jīng)過一定時間延遲，PLC控制覆土電機停止，穴盤完成覆土并進入流水線下一單元，直到下一穴盤觸發(fā)信號啟動。

3 覆土性能試驗

3.1 材料與設備

為測試本設計中的基質覆土機構工作性能，特對裝置進行覆土性能試驗。試驗地點為北京精準農(nóng)業(yè)研究示范基地，試驗樣機如圖6所示。

所用基質為蛭石和草炭混合土，比例為蛭石:草炭=1∶3，濕度原則上達到濕而不粘，手抓成團、手松散開為準[13]，并用游標卡尺測其覆土厚度。為排除草紋履帶面對試驗指標的影響，本試驗中在履帶上放置一塊平整塑料板，通過測試塑料板上覆土厚度獲取試驗數(shù)據(jù)。由于履帶電機和覆土電機速度由兩個變頻器控制，實際調節(jié)時，自變量為變頻器調節(jié)頻率，而非電機轉速。為獲得較直觀的試驗因素，需要對實際電機轉速進行測量，并通過換算求得履帶與覆土速度。本試驗選用速為DT2234數(shù)字光電轉速表，測試范圍為2.5～99 999r/min。其中，當轉速大于2.5r/min，小于999.9r/min時，轉速表分辨為0.1r/min，測量準確度：±(0.05%+1)個字。

圖6 覆土試驗樣機Fig.6 Device of covering test

3.2 試驗方案設計

為獲得變頻器輸出頻率與電機轉速之間關系，首先用光電轉速表測量不同頻率對應的電機輸出轉速，即在履帶電機和覆土電機輸出軸上粘貼一小片反光片，用轉速表發(fā)射光持續(xù)照射反光片，最終轉速測量結果如表1所示，并由此得到如圖7所示轉速頻率關系圖。由擬合確定系數(shù)R2≈1可知，兩條擬合線完全正相關。

表1 不同頻率下電機輸出轉速

續(xù)表1 r/min

圖7 轉速頻率圖Fig.7 Relation chart of speed and frequency

帶傳動或鏈傳動速度換算公式為

(9)

其中，n為電機轉速(r/min)；d為傳動帶軸或鏈輪直徑(mm)，傳動帶軸直徑d1=76mm，傳動鏈輪直徑d2=85.07mm。

由數(shù)據(jù)趨勢圖得到電機轉速和變頻器頻率的關系，根據(jù)上述式(9)即可算出履帶速度(覆土速度)和變頻器頻率的關系。

履帶速度為

(10)

覆土速度為

(11)

其中，f1和f2分別表示履帶和覆土變頻器輸出頻率。

根據(jù)覆土裝置工作原理和上述分析可知：改變履帶和覆土速度差可以實現(xiàn)對覆土厚度的調節(jié)。覆土均勻性試驗時，將混合均勻基質填滿料斗，根據(jù)上述分析結果，按一般育苗作業(yè)覆土效率600盤/h，也即0.1m/s(穴盤間隔60mm)。設定履帶電機變頻器頻率，將塑料板放置在履帶上，選定覆土電機頻率后開始覆土作業(yè)。待作業(yè)穩(wěn)定后，在塑料板上隨機選擇10個點測量覆土厚度。同時，為探究樣機在不同覆土厚度工作下工作穩(wěn)定性，本試驗在上述試驗基礎上，選定4種不同覆土頻率測量其覆土作業(yè)厚度，并對整個實驗結果進行方差分析及不同覆土厚度作業(yè)下的變異系數(shù)。

3.3 結果與分析

試驗數(shù)據(jù)結果如表2所示。由表2中可以看出：改變覆土電機速度可以實現(xiàn)覆土厚度的調節(jié)，且在固定履帶速度前提下，提高覆土速度可以增大覆土厚度。從不同頻率下覆土厚度變異系數(shù)可以看出：覆土厚度與覆土均勻性變異系數(shù)負相關，表明厚度增加有利于覆土均勻性的改善。

表2 履帶速度600盤/h不同覆土頻率下覆土厚度

此外，在平均覆土厚度大于9.59mm以后，變異系數(shù)均在10%范圍內，表明此時實際工作的覆土厚度相差不大，覆土均勻性較好[14][圖8(a)]，滿足育苗作業(yè)覆土需求。同時，覆土厚度為5.63mm時，其變異系數(shù)顯著高于其他各組，通過對試驗過程觀察可知，此時覆土面出現(xiàn)波浪形起伏[圖8(b)]。這是由于覆土角鋼之間存有一定間隙，當覆土速度較低時，角鋼攜帶的基質從縫隙間漏出，較低覆土厚度下，覆土面高低起伏顯著。因此，對于較低厚度覆土作業(yè)時，需調節(jié)大厚度，并在覆土后將多余基質刮除。

(a) 覆土均勻

(b) 覆土起伏圖8 覆土效果Fig.8 Effect of covering

4 結論

1)針對育苗種植戶覆土基質濕度大、顆粒粗糙、現(xiàn)有覆土裝置對基質干濕度適應性較低、基質覆蓋量較小，以及覆土輥齒粘結基質易堵塞、難清理等問題，提出一種角鋼鏈條式基質覆土裝置，通過焊接在鏈條上的角鋼將料斗中基質刮出，改變履帶和覆土速度差實現(xiàn)覆土厚度調節(jié)，并采用光電傳感器，實現(xiàn)育苗播種時對穴盤的自動覆土。

2)對裝置進行覆土均勻性試驗， 結果表明： 裝置

對基質干濕度適應性較好，未發(fā)生堵塞現(xiàn)象。同時，當覆土厚度大于9.59mm時，無需刮平裝置，覆土面較為平整，裝置覆土均勻性較好，覆土厚度變異系數(shù)小于10%，滿足育苗作業(yè)需求。

本試驗結果為后續(xù)裝置的改進提供了理論依據(jù)，且作為育苗流水線的一部分，可為整套設備的研究開發(fā)奠定基礎。

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