韓綠化，毛罕平，趙慧敏，劉 洋，胡建平，馬國鑫

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蔬菜穴盤育苗底部氣吹式缽體松脫裝置設(shè)計(jì)

韓綠化1,2，毛罕平1,2※，趙慧敏1,2，劉 洋1,3，胡建平1,2，馬國鑫1,2

（1. 江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鎮(zhèn)江 212013；2. 江蘇省農(nóng)業(yè)裝備與智能化高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鎮(zhèn)江 212013；3. 新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，石河子 832000）

針對蔬菜穴盤苗直接拔苗費(fèi)力又損傷大的問題，設(shè)計(jì)了一種有助于穴盤苗移栽的氣吹式缽體松脫裝置。利用直線模組移位單元和雙聯(lián)氣缸升降單元組合成輸送系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)氣嘴排從穴盤底部的穴孔排水口逐排頂吹穴盤苗缽體，實(shí)現(xiàn)穴盤苗缽體與穴孔壁之間非機(jī)械接觸式放松，利于移栽時(shí)人工輕松拔苗或機(jī)械快速夾取。對關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用排氣孔直徑為5 mm的氣嘴，能確保氣體射流從128穴孔排水口有效頂吹穴盤苗缽體而不頂盤，根據(jù)亞聲速自由氣體射流動(dòng)力學(xué)原理計(jì)算表明：當(dāng)氣嘴口空氣射流壓力大于0.098 MPa，不超過0.235 MPa時(shí)，所設(shè)計(jì)的氣嘴能將穴盤苗吹松而不破壞苗缽根土結(jié)構(gòu)。開展氣力頂缽松脫多因素試驗(yàn)研究，結(jié)果表明氣流噴射壓力高度顯著影響苗缽?fù)暾剩忬w含水率對完整率影響顯著，其他苗齡、氣流回路流量、氣嘴頭有無海綿密封等試驗(yàn)因素沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性影響。當(dāng)氣嘴回路中氣流噴射壓力控制為0.2 MPa，缽體含水率為55%～60%，黃瓜苗齡為25 d，氣流回路全開，氣嘴沒有海綿頭鋪墊時(shí)，對穴盤苗頂吹作用達(dá)到既能將穴盤苗缽體頂松脫離穴孔壁粘附，又最大程度保證缽體完整度的效果。開展驗(yàn)證性試驗(yàn)，苗缽氣力松脫完整率達(dá)到96%以上，完成整盤苗放松約48 s，滿足實(shí)際需要。該研究可為開發(fā)省力的穴盤苗缽放松裝置和邊松脫邊取苗的高效無損自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)提供參考。

機(jī)械化；設(shè)計(jì)；優(yōu)化；穴盤苗；缽體；氣吹；松脫；正交試驗(yàn)

0 引 言

蔬菜集約化育苗技術(shù)快速發(fā)展，中國年產(chǎn)商品苗達(dá)800多億株以上[1]，每年面臨巨大的移栽任務(wù)。隨著農(nóng)業(yè)有效勞動(dòng)力減少和用工成本增大的加劇，激發(fā)了蔬菜機(jī)械化移栽技術(shù)發(fā)展，多種型式由人工喂苗的半自動(dòng)移栽機(jī)已小規(guī)模推廣應(yīng)用。近年來，國內(nèi)高校、科研院所開始了自動(dòng)移栽技術(shù)的研究，研究出非圓齒輪行星輪系式[2]、齒輪-五桿式[3]等純機(jī)械取苗機(jī)構(gòu)，機(jī)械-氣動(dòng)式整排取苗機(jī)構(gòu)[4-5]，以及相應(yīng)取苗末端執(zhí)行器[6-7]和整機(jī)部件[8-10]，并開展相關(guān)的栽植[11]和力學(xué)試驗(yàn)[12]，但目前還沒有成熟的產(chǎn)品應(yīng)用在生產(chǎn)上。

穴盤幼苗規(guī)整地生長在狹小空間內(nèi)，受穴孔尺寸和形狀的限制，到一定苗齡幼苗根系以穴孔壁為邊界盤繞育苗基質(zhì)體，形成的缽體與穴孔壁建立了粘附力作用[13]。移栽時(shí)需人工從穴盤里拔苗或者利用機(jī)械裝置自動(dòng)夾取苗缽，對穴盤苗的拔取是牽動(dòng)苗缽脫離穴孔壁粘附的過程[14]。如果幼苗盤根不良，或者拔取不當(dāng)，都會造成斷缽等取苗不完整現(xiàn)象，達(dá)不到育苗移栽的綜合效益。Yang等[13]測試預(yù)先放松和未被放松的穴盤苗，發(fā)現(xiàn)預(yù)先放松的穴盤苗有較好的取苗效果，取苗成功率最高可達(dá)96.3%，而未被放松的穴盤苗取苗成功率僅為50.9%，可見對待移栽的穴盤苗提前放松能顯著提高成功率。意大利法拉利公司開發(fā)的FUTURA全自動(dòng)移栽機(jī)[15]，基于頂出松脫易于抓取思想，創(chuàng)制了整排沖頂分離式取苗系統(tǒng)，生產(chǎn)效率較高，缽體損傷小，取苗效率高。

綜合考慮取苗效率和質(zhì)量，中國學(xué)者積極研究頂出松脫再夾取式全自動(dòng)移栽技術(shù)[16]，在前期已開發(fā)自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加機(jī)械頂苗機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)頂夾組合式快速低損取苗[17-18]，也利用EDEM軟件仿真分析鋼針頂起穴盤苗的工作過程[19]。但是中國育苗穴盤一般用聚苯乙烯材料經(jīng)注塑加工制成，0.6～1 mm厚[5]，屬于軟質(zhì)穴盤。筆者調(diào)研發(fā)現(xiàn)，由于制造工藝差異，穴盤外形尺寸標(biāo)準(zhǔn)，但穴孔大小和排水口尺寸不統(tǒng)一，利用機(jī)械頂桿從穴盤底部較小的排水口頂缽需要較高的定位精度，否則容易頂不出苗缽而發(fā)生頂盤現(xiàn)象。此外，蔬菜品種繁多，其生長特性和盤根性差異大，對于盤根性較差的穴盤苗，利用機(jī)械頂桿直接沖頂容易刺入缽體里，破壞根土結(jié)構(gòu)，并不能整齊的頂出苗缽。因此，需要探討適合軟塑穴盤育苗頂缽松脫的方法，以配合取苗機(jī)構(gòu)完成高效低損取苗作業(yè)[20]。

在水稻氣力有序拋秧機(jī)[21-22]上，利用空壓機(jī)產(chǎn)生的噴射氣流作用于水稻塑盤缽苗底部，將缽苗吹入導(dǎo)苗管并經(jīng)其導(dǎo)向后實(shí)現(xiàn)成行有序栽植，該拋秧方式取代機(jī)械式夾取、頂出等方法，具有不易傷秧、簡化工作機(jī)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。借鑒水稻氣力拋秧思想，本文利用空氣噴射原理設(shè)計(jì)一種穴盤育苗底部氣吹式缽體松脫裝置，借助壓縮空氣瞬間釋放的沖擊力沖頂苗缽，以期實(shí)現(xiàn)穴盤苗與穴孔壁之間非機(jī)械接觸式放松，開展氣力頂缽松脫多因素試驗(yàn)，分析影響實(shí)際效能的因素。該研究和設(shè)計(jì)可為開發(fā)省力的穴盤苗缽放松裝置和邊松脫邊取苗的高效無損自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)架、穴盤支撐定位單元、直線模組移位單元、雙聯(lián)氣缸升降單元、氣嘴排、控制系統(tǒng)等組成。穴盤支撐定位單元配置與穴孔陣列格局相同的開有卡槽的支撐板，壓盤條分兩側(cè)壓緊固定住穴盤；直線模組移位單元通過電機(jī)連通同步帶輸送機(jī)構(gòu)，雙聯(lián)氣缸升降單元豎直緊固在直線模組移位單元的滑塊上，具有整排頂缽功能的氣嘴排與雙聯(lián)氣缸升降單元的滑桿平直連接；控制系統(tǒng)通過電氣連接控制直線模組移位單元，通過氣動(dòng)連接控制雙聯(lián)氣缸升降單元和氣嘴排。

1.機(jī)架 2.電機(jī) 3.聯(lián)軸器 4.直線模組 5.滑塊 6.支撐板 7.壓盤條 8.連接桿 9.穴盤 10.幼苗 11.雙聯(lián)氣缸 12.氣嘴排 13.控制系統(tǒng)

1.2 工作原理

如圖1b所示，將待移栽的整盤穴盤苗平整放進(jìn)穴盤支撐定位單元里，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)直線模組移位單元，輸送氣嘴排到穴盤底部排水口正下方，再控制雙聯(lián)氣缸升降單元提升氣嘴排，使氣嘴排緊密接觸穴盤底部的穴孔排水口，最后控制氣動(dòng)回路從氣嘴排里瞬間噴射高壓空氣，由此產(chǎn)生的氣流沖擊力頂吹穴盤苗，完成整排穴盤苗放松后，升降單元下放氣嘴排，控制系統(tǒng)再次驅(qū)動(dòng)移位單元，輸送氣嘴排到下一排穴盤底部排水口正下方，繼續(xù)執(zhí)行氣力頂缽松脫任務(wù)，直到完成整盤穴盤苗放松工作。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 氣嘴排設(shè)計(jì)

氣嘴排作為整個(gè)機(jī)構(gòu)的核心部件，其設(shè)計(jì)直接影響機(jī)構(gòu)工作性能。由于穴盤具有成行成列的等距穴孔，采用成排氣力頂桿一次性頂松整排苗缽，這樣可與成排取苗機(jī)構(gòu)[4,23]相配套，使取苗有儲備，能顯著提高取苗效率。氣嘴排整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括安裝板和與穴盤整排苗對應(yīng)一致的若干個(gè)氣力頂桿，每個(gè)氣力頂桿正對著一個(gè)穴孔位，緊固在安裝板上。氣力頂桿為柔動(dòng)伸縮桿，主要由硅膠材料特性的氣嘴、尾端進(jìn)氣的中空的氣桿、壓簧、支座和鎖緊螺母等組成。氣嘴是柔性硅膠材料制成，與穴盤底部端面尺寸一致，緊密嵌套在氣桿頂端，氣桿以間隙配合方式貫穿在支座中，壓簧環(huán)繞氣桿，并彈性連接氣桿和支座，支座貫穿在安裝板上，由螺母鎖緊。當(dāng)支座推動(dòng)氣嘴頂住穴孔排水口底部時(shí)，氣桿柔動(dòng)縮進(jìn)支座里，壓簧產(chǎn)生彈力反推氣桿，使氣桿頂端的氣嘴緊密接觸穴孔排水口，確保工作時(shí)不漏氣。

1.安裝板 2.氣力頂桿 3.穴盤 4.幼苗 5.基質(zhì) 6.根系 201.氣嘴 202.氣桿 203.壓簧 204.支座 205.螺母

2.1.1 氣嘴結(jié)構(gòu)尺寸的確定

由于氣嘴排按照穴孔間隔距離移位頂缽，不能自適應(yīng)穴孔排水口變化，為確保氣嘴能從穴孔排水口有效頂吹穴盤苗缽體而不頂盤，測量整個(gè)穴盤內(nèi)每一個(gè)穴孔上從穴孔對稱中心點(diǎn)到穴孔底部排水口圓心點(diǎn)的距離，計(jì)算確定從穴孔對稱中心點(diǎn)到穴孔底部排水口邊緣的最小內(nèi)切圓直徑為氣體射流管徑。

如圖3a所示，為穴孔排水口直徑，在極坐標(biāo)系內(nèi)第個(gè)穴孔排水口的中心坐標(biāo)為（ρ,θ），則氣嘴排氣孔的內(nèi)孔直徑0可計(jì)算為

式中0為氣嘴排氣孔的內(nèi)孔直徑，m；為穴盤底部排水口直徑，m；ρ為第個(gè)穴孔排水口中心與穴孔對稱中心的偏離距離，m；MIN函數(shù)為求最小值函數(shù)。

注：為穴孔底部邊長，m；ρ為第個(gè)穴孔排水口中心與穴孔對稱中心的偏離距離，m；θ為第個(gè)穴孔排水口中心與穴孔對稱中心之間的極角，(o)；為穴盤底部排水口直徑，m。

Note:is bottom length of tray cell, m;ρis distance from the center of its drain hole to the symcenter of No.tray cell, m;θis polar angle between the center of its drain hole and the symcenter of No.tray cell, (o);is diameter of drain hole of tray cell, m.

圖3 氣嘴結(jié)構(gòu)分析示意圖

Fig.3 Schematic diagram of structural analysis of air jet

實(shí)際應(yīng)用中，由于穴盤穴孔是整排模壓沖孔成型，同一排穴孔的排水口相似，采用逐排隨機(jī)抽樣法測定穴孔排水口偏距。選用浙江臺州盛世金農(nóng)優(yōu)質(zhì)PS128孔穴盤，通過在穴孔排水口作十字標(biāo)記線，使用激光投線儀標(biāo)刻每一個(gè)穴孔底部排水口中心，經(jīng)測量得到以穴孔對稱中心為中心點(diǎn)的與穴盤底部排水口邊緣內(nèi)切的最小圓直徑為5.09 mm，圓整后作為氣嘴排氣孔的尺寸。為了使氣嘴緊密接觸穴孔排水口，確保工作時(shí)不漏氣，將氣嘴設(shè)計(jì)成兩層寶塔結(jié)構(gòu)，寶塔外圓直徑與穴孔底部邊長一致，這樣在外力作用下寶塔構(gòu)造的硅膠氣嘴受壓收縮，氣嘴上端面能緊貼穴孔底部。

2.1.2 氣嘴工作壓力的計(jì)算

采用氣力頂缽松脫，實(shí)際上是運(yùn)用氣體射流沖擊力作用穴盤苗缽體，使其擺脫穴盤孔穴的粘附。為了簡化計(jì)算，假設(shè)氣流為均勻流場，并且忽略穴盤苗之間枝葉糾纏、缽體與穴孔壁松脫瞬間摩擦等影響。對單個(gè)氣嘴的射流壓力條件進(jìn)行計(jì)算，射流結(jié)構(gòu)如圖4所示。

注：FQ1，F(xiàn)Q2分別為穴盤苗缽體與穴孔壁側(cè)向、底部的粘附力，N；D0為氣嘴氣孔的內(nèi)孔直徑，m；v0為射流速度，m·s-1；h為穴孔壁厚，m。

若要將穴盤苗松脫穴孔壁，并保持缽體完整，則氣嘴排氣孔的氣流壓力需滿足以下力學(xué)條件

式中為穴盤苗重力，N；[F1,F2]為穴盤苗缽體與穴孔壁側(cè)向和底部的粘附力在豎直方向綜合表現(xiàn)，N；為氣嘴口處氣體射流產(chǎn)生的壓力，Pa；為氣嘴口處空氣射流對穴盤苗缽體的作用面積，m2；F為穴盤苗缽體底部的抗破壞強(qiáng)度力，N。

根據(jù)亞聲速自由氣體射流動(dòng)力學(xué)原理[24]，射流核心區(qū)（）內(nèi)軸心線上（）以及全區(qū)內(nèi)的氣流速度均為0，由于穴孔壁很薄，從氣嘴排氣孔到缽體底面的距離很短，使得這段區(qū)域內(nèi)氣體射流非核心區(qū)的空間很小，這里只考慮射流核心區(qū)（）氣流射流壓力0對穴盤苗缽體底部的作用。

對射流結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行分析，得到頂缽段氣嘴射流核心區(qū)的作用面積為

式中0為氣嘴射流核心區(qū)對穴盤苗缽體的作用面積，m2；為氣嘴射流核心區(qū)對穴盤苗缽體的作用半徑，m；為氣嘴射流初始段長度，m；為穴盤穴孔壁厚，m；為湍流系數(shù)，圓柱形均勻分布噴管取0.08。

早期對粘附現(xiàn)象的研究發(fā)現(xiàn)，土壤粘附是一種界面現(xiàn)象，是觸土部件與土壤發(fā)生物理、化學(xué)及機(jī)械相互作用的結(jié)果[25]，而苗木根系主要起增強(qiáng)作用，并具有生物吸附作用[26]。育苗基質(zhì)是泥炭土、蛭石、珍珠巖等混合的特殊土壤材料，對穴孔壁的粘附力主要是基質(zhì)顆粒分子與外物之間通過水分子吸引而產(chǎn)生的力，幼苗根系的粘附力主要是生物作用力。穴盤苗自由生長在穴孔狹小空間里，難以準(zhǔn)確測出育苗基質(zhì)-根系復(fù)合而成的缽體與穴孔壁側(cè)向和底部的粘附力。但對于達(dá)到移栽要求的穴盤苗，通過拔苗[27]或者頂缽力學(xué)試驗(yàn)[18]能測出脫盤力F，在不考慮拔苗或者頂缽過程擾動(dòng)影響的情況下，脫盤力一定程度上反應(yīng)穴盤苗缽體與穴孔壁的粘附作用大小，即

式中F為穴盤苗拉拔力學(xué)測試的脫盤力，N；[F1,F2]為穴盤苗缽體與穴孔壁側(cè)向和底部的粘附力在豎直方向綜合表現(xiàn)，N。

綜合式（2）、式（3）和式（4），得到滿足穴盤苗松脫穴孔壁粘附需要的氣嘴口射流壓力條件約為

式中0為氣嘴口處空氣射流產(chǎn)生的壓力，Pa；F為穴盤苗缽體底部的抗破壞強(qiáng)度力，N；[]為穴盤苗缽體底部許用的抗破壞強(qiáng)度，Pa；0為氣嘴排氣孔的內(nèi)孔直徑，m。

從式（5）可知，在穴盤苗質(zhì)量和脫盤力一定的情況下，增大氣嘴排氣孔的內(nèi)孔直徑，減小穴盤穴孔壁厚，能減小氣力頂缽松脫對氣嘴口氣流射流壓力的要求。

穴盤苗缽體為根土復(fù)合體，對于其抗破壞強(qiáng)度，借助食品學(xué)常用的穿刺試驗(yàn)進(jìn)行探測[28]，計(jì)算為

式中max為測試探頭最大破壞壓力，N；為接觸面積，m2；為安全系數(shù)，一般取1.2～1.5。

前人研究得出[6,27]，128孔黃瓜穴盤苗拉拔的脫盤力均值為（1.63±0.29）N，標(biāo)準(zhǔn)差為0.27，穴盤苗重力約為0.12 N，氣嘴排氣孔直徑按理論設(shè)計(jì)值，穴盤穴孔壁厚取1 mm，根據(jù)式（5）計(jì)算得到穴盤苗松脫穴孔壁粘附需要的氣嘴口空氣射流壓力應(yīng)大于0.098 MPa。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮粘附力為拉拔脫盤力近似代替、不同穴盤苗盤結(jié)力度差異和氣動(dòng)回路壓力損失等，所提供到氣嘴口處空氣射流壓力應(yīng)大于理論設(shè)計(jì)值。通過直徑5 mm平探頭穿刺測試穴盤苗缽體底部，達(dá)到最大屈服破壞力為（3.08±0.56）N，標(biāo)準(zhǔn)差為0.47，于是可以求出穴盤苗缽體的抗破壞平均強(qiáng)度約為0.235 MPa，這里安全系數(shù)取1.5。穴盤苗缽體由于根系的盤結(jié)作用，內(nèi)聚力顯著增強(qiáng)，雖然利用頂桿刺破，但只是局部破壞，表現(xiàn)為基質(zhì)顆粒體凹陷，整體抗頂壓強(qiáng)度實(shí)際上還要大于測算值。

2.2 移位和升降單元設(shè)計(jì)

圖5為移位和升降單元設(shè)計(jì)分析圖。如圖5a所示，設(shè)定相鄰兩排穴孔間隔距離為，沿移位方向穴孔排列數(shù)為，則直線模組上滑塊步進(jìn)移位的行程滿足以下條件

式中為滑塊步進(jìn)移位的行程，m；為沿移位方向穴孔排列數(shù)；為相鄰兩排穴孔間隔距離，m。

注：為相鄰兩排穴孔間隔距離，m；0為氣嘴口上端面到穴孔底部的距離，m；?為壓簧的壓縮變形量，m；為滑塊步進(jìn)移位的行程，m；0為氣嘴和氣桿的重力，N；F為壓簧對氣桿的反推力，N。

Note:is space distance of two adjacent rows of tray cells, m;0is distance of from the top of air jet to the bottom of tray cell, m；?is compression deformation of spring, m;is stroke distance of step transmission of slide, m;0is gravity force of air jet and rod, N;Fis thrust force of air rod applied by spring, N.

圖5 移位和升降單元設(shè)計(jì)分析圖

Fig.5 Schematic diagrams of step transmission and lifting system

為使氣桿頂端的氣嘴能逐排移位，且緊密接觸穴孔排水口，確保工作時(shí)不漏氣，則氣嘴能對穴孔底部產(chǎn)生有效氣力頂缽作用的幾何約束條件為

式中0為氣嘴口上端面到穴盤底部的距離，m；1為雙聯(lián)氣缸的行程，m；?max為氣力頂桿壓簧的最大壓縮變形量，m。

對氣嘴緊密接觸穴孔排水口產(chǎn)生的反推力，依靠氣力頂桿壓簧變形，設(shè)定穴孔排水口在對稱中心位，氣嘴硅膠寶塔結(jié)構(gòu)被壓扁，氣孔管徑與排氣孔內(nèi)徑一致，根據(jù)氣體射流動(dòng)力學(xué)分析，在氣流沖擊力未頂松穴盤苗缽體時(shí)，壓簧的反推力應(yīng)大于氣體射流對氣嘴結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的下壓力（圖5b），可計(jì)算為

式中F為壓簧對氣桿的反推力，N；0為氣嘴和氣桿的重力，N；為氣體射流對氣嘴結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的下壓力，Pa；為壓簧的勁度系數(shù)，N/m；?為壓簧的壓縮變形量，m。

中國常用育苗穴盤外形尺寸為540 mm×280 mm，設(shè)定沿穴盤長度方向逐排頂松穴盤苗，當(dāng)直線模組上滑塊步進(jìn)移位的行程超過540 mm，就能滿足頂松整盤穴盤苗要求。為了使氣桿頂端的氣嘴緊密接觸穴孔排水口，工作時(shí)不漏氣，可以調(diào)整氣嘴口上端面到穴盤底部的距離，使雙聯(lián)氣缸緊推壓緊氣嘴。在雙聯(lián)氣缸行程一定的情況下，增大壓簧的勁度系數(shù)，也能產(chǎn)生較大彈力反推氣桿。以理論計(jì)算得到的穴盤苗松脫穴孔壁粘附需要的氣嘴口空氣射流壓力為氣體射流對氣嘴結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的下壓力，穴盤苗重力取0.12 N，壓簧的勁度系數(shù)為18 N/m，按式（9）計(jì)算得到氣嘴工作時(shí)不漏氣所需氣力頂桿壓簧變形量應(yīng)不低于10.9 mm。因此，在安裝時(shí)預(yù)留氣嘴口上端面到穴盤底部的間隙，通過設(shè)計(jì)合理的升降高度，使氣力頂桿壓簧變形量應(yīng)不低于設(shè)計(jì)量，氣嘴頂缽工作時(shí)不漏氣。這為升降單元安裝設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

2.3 穴盤支撐定位單元設(shè)計(jì)

由于穴盤為柔性塑料盤，使用過程中出現(xiàn)的變形、翹曲等現(xiàn)象會引起定位不準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)中支撐板上開有與穴孔間隔距離相當(dāng)?shù)目ú劢Y(jié)構(gòu)，整個(gè)穴盤的穴孔小半截嵌入到支撐板卡槽里，從而露出穴孔底部的排水口，并通過增加橫板條壓住穴盤，這樣最大程度上保證每一排穴孔限位平整，利于氣嘴排頂缽作業(yè)。

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對所設(shè)計(jì)的穴盤苗移栽氣力頂缽松脫裝置，氣嘴排逐排頂缽移位采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)控制系統(tǒng)，使用激光光電開關(guān)檢查起始與終點(diǎn)頂缽松脫位，氣嘴排升降的氣動(dòng)回路控制采用兩路磁性開關(guān)狀態(tài)檢測與電磁閥通斷控制結(jié)構(gòu)，氣嘴噴射高壓射流空氣的氣動(dòng)回路控制采用電磁閥通斷控制結(jié)構(gòu)。其系統(tǒng)硬件配置結(jié)構(gòu)如圖6a所示。

根據(jù)控制主體設(shè)計(jì)，選用北京多普康自動(dòng)化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的TC5510型單軸運(yùn)動(dòng)控制器，該控制器采用32位專用運(yùn)動(dòng)控制芯片，I/O口可任意配置，以差分式輸出脈沖確保定位精度，采用中文引導(dǎo)式編程，利于控制系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用。在具體使用中，對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)移動(dòng)系統(tǒng)采用S形加減速曲線控制，根據(jù)所用步進(jìn)電機(jī)特性和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定啟動(dòng)頻率、啟動(dòng)時(shí)間、啟動(dòng)速度等參數(shù)[29]，保證移位的精準(zhǔn)度。整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)原理如圖6b所示。雙聯(lián)氣缸為雙作用氣動(dòng)執(zhí)行元件，利用兩位五通電磁換向閥（X0）控制氣動(dòng)回路，采用磁性開關(guān)檢測雙聯(lián)氣缸滑桿的位置信息。對氣嘴瞬間噴射高壓空氣流的控制，類似單作用氣缸，每一個(gè)氣嘴（Q1~Q8）利用兩位三通電磁換向閥（X1～X8）進(jìn)行開關(guān)量控制充放氣。對每一個(gè)工作氣動(dòng)回路，由減壓閥調(diào)節(jié)工作壓力，用排氣節(jié)流調(diào)節(jié)工作速度和氣體流量。氣動(dòng)執(zhí)行元件所需動(dòng)力壓縮空氣來自空壓機(jī)，利用氣動(dòng)三聯(lián)件對壓縮空氣進(jìn)行過濾、調(diào)壓、油潤滑等處理。最終，根據(jù)逐排頂缽松脫工作要求，編制控制軟件，實(shí)現(xiàn)氣嘴排自動(dòng)移位、升降以及瞬間噴射高壓空氣流。

注：圖6b中，1、2、3、4和5分別表示換向閥排氣孔。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 材料和試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于2018年3月至5月在江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。育苗穴盤為浙江臺州盛世金農(nóng)優(yōu)質(zhì)PS128孔穴盤，厚度為1.0 mm，育苗基質(zhì)為江蘇淮安中諾農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的精裝通用型有機(jī)基質(zhì)營養(yǎng)土，穴盤苗生產(chǎn)管理參照中國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)－蔬菜穴盤育苗通則（NY/T 2119-2012）進(jìn)行。

所用氣動(dòng)回路中調(diào)壓閥為SMC公司AR30-03B型，調(diào)壓范圍為0.05～0.85 MPa，節(jié)流閥為SMC公司ASV510F-02型，出口有效截面積為27 mm2，電磁閥為SMC公司SY-7220-5g-02型，操作壓力范圍為0.1～0.7 MPa，最大動(dòng)作頻率為5 Hz。氣嘴排移位驅(qū)動(dòng)的直線模組為東莞遠(yuǎn)程科技公司CCM-W45-15 kg型，運(yùn)動(dòng)精度達(dá)0.05 mm，升降驅(qū)動(dòng)的雙聯(lián)氣缸為SMC公司CXSJM10-30，有效行程為30 mm。

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)

氣力頂缽松脫試驗(yàn)，主要考察頂缽松脫質(zhì)量，既要保證將穴盤苗缽體頂松脫離穴孔粘附，又要保持缽體完整度，這里以頂松后苗缽?fù)暾首髟囼?yàn)指標(biāo)，其定義如下

式中IR為苗缽?fù)暾剩?；ES為松脫后保持整體完整性的苗缽質(zhì)量，g；SD為殘留粘結(jié)在穴孔里和氣流沖擊破碎散落的基質(zhì)質(zhì)量，g。

具體操作時(shí)，使用奧豪斯（上海）儀器有限公司生產(chǎn)的AR1530電子天平（儀器分度值：0.001 g）分別對每一個(gè)頂松后苗缽整體以及殘留粘結(jié)在穴孔里和氣流沖擊破碎散落的基質(zhì)等稱質(zhì)量，以此求出頂松后苗缽?fù)暾省Ｔ跉饬斃徦擅撛囼?yàn)中，穴盤苗缽體未被頂松，此時(shí)松脫后保持整體完整性的苗缽質(zhì)量為零，認(rèn)為苗缽全部殘留粘結(jié)在穴孔里，以此標(biāo)記不成功頂缽松脫效果。

3.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

穴盤苗缽體與穴孔壁的粘附主要是苗缽盤根造成的[14]，本文考察2個(gè)生長階段的黃瓜幼苗。Yang等[13]報(bào)道苗缽含水率可能有助于減輕粘附，研究中調(diào)查4種含水率水平下氣力頂缽松脫效果，分別為45%～50%，50%～55%，55%～60%，60%～65%。缽體含水率的測定，先對試驗(yàn)苗缽澆透水，分時(shí)段剪去幼苗后采用干濕質(zhì)量法測缽體的含水率，從而得到4種含水率水平下試驗(yàn)樣品。氣壓作為驅(qū)動(dòng)力，前面理論計(jì)算得到穴盤苗松脫穴孔壁需要的氣嘴口空氣射流壓力應(yīng)大于0.098 MPa，考慮調(diào)壓設(shè)置在氣動(dòng)回路前端，氣動(dòng)回路中壓力損失，這里設(shè)計(jì)0.1、0.2、0.3 MPa 3個(gè)水平，氣動(dòng)回路中氣嘴噴射氣流頂推缽體，其流量標(biāo)準(zhǔn)通過節(jié)流閥開度調(diào)節(jié)，設(shè)定全開、半開2個(gè)流量控制。根據(jù)所用穴盤穴孔底部尺寸為11 mm×11 mm見方，選用DP15型雙層吸嘴，出氣口直徑為7 mm，能有效包圍穴孔底部，分別測試分析有海綿和無海綿兩種吸嘴頂噴缽體。

綜合以上分析，對夾缽取苗試驗(yàn)因素水平編碼，如表1所示。采用L24(31×41×24)正交表，末列作誤差列分析。共有24組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)樣本量為128株整盤苗，測算頂松后每株苗缽?fù)暾?，取其平均值作為每組試驗(yàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)。為了確保壓力和流量穩(wěn)定，試驗(yàn)時(shí)采用一次移位，逐個(gè)控制氣嘴噴射氣流頂缽松脫，電磁閥通斷時(shí)間設(shè)為0.3 s，有足夠時(shí)間噴射氣流。氣力頂缽松脫測試如圖7所示。

試驗(yàn)后采用SPSS 18.0軟件對所獲數(shù)據(jù)做統(tǒng)計(jì)方差分析，多重比較方法為Duncan新復(fù)極差法，設(shè)顯著性水平為=0.05。

表1 試驗(yàn)因素水平

注：*表示氣嘴有無海綿。

Note: * indicates whether the air jet has a sponge.

圖7 氣力頂缽松脫測試

3.4 結(jié)果與分析

試驗(yàn)方案與結(jié)果極差分析如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果極差分析

根據(jù)頂缽松脫后苗缽?fù)暾实闹荡笮〈_定優(yōu)組合為23212，即當(dāng)氣動(dòng)回路中氣流噴射壓力設(shè)定為0.2 MPa，缽體含水率為55%～60%，黃瓜苗齡為25 d，氣流回路全開，氣嘴沒有海綿頭時(shí)，對穴盤苗頂松作用達(dá)到既能將穴盤苗缽體頂松脫離穴孔粘附，又最大程度保持缽體完整的效果，此時(shí)苗缽?fù)暾蕿?6.36%。據(jù)極差分析的值確定試驗(yàn)因素的主次順序是。對所獲試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)方差分析，分析結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明對于氣力頂缽松脫穴盤苗與孔穴粘附，氣流噴射壓力高度顯著影響苗缽?fù)暾剩?0.003），缽體含水率對完整率影響顯著（=0.016），苗齡、氣流回路流量、氣嘴頭有無海綿密封等試驗(yàn)因素沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性影響（>0.05）。

表3 方差分析結(jié)果

注：*，0.01<<0.05時(shí)顯著水平；**，< 0.01時(shí)顯著水平。

Note: *, significant level at 0.01<<0.05; ** significant level at<0.01.

采用氣力頂缽松脫穴盤苗缽體與穴孔粘附，氣流噴射壓力高度顯著影響頂缽質(zhì)量。雖然理論上推算得到穴盤苗松脫穴孔壁粘附需要的氣嘴口空氣射流壓力范圍為0.064～0.235 MPa，但在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)氣流噴射壓力為0.2 MPa時(shí)，多種測試條件下頂松后苗缽?fù)暾示C合水平為93.02%。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在氣流噴射壓力為0.1 MPa時(shí)，能將試驗(yàn)用90%以上的穴盤苗缽體頂松，但對根系極其發(fā)達(dá)的苗缽出現(xiàn)頂吹不松脫的情況，造成頂缽?fù)暾首畹?。對于氣流回路噴射壓力?.3 MPa，能較好地將穴盤苗缽體頂松，當(dāng)遇到苗缽盤根較差，特別是缽體底部根系盤結(jié)較少時(shí)，氣流吹散掉部分基質(zhì)體，傷缽未傷根。進(jìn)一步，對于質(zhì)量較輕的穴盤苗，在較大噴射氣流壓力頂吹下，穴盤苗有躍出穴孔格子的趨勢，超出頂缽松脫效果。由于氣動(dòng)回路壓力調(diào)節(jié)在前端，隨著氣流管路接口、管徑變化等對氣壓影響，選擇接近穴盤苗缽體破壞強(qiáng)度大小的氣流壓力頂吹缽體具有較高松脫質(zhì)量。

前期研究發(fā)現(xiàn)苗缽含水率水平顯著影響取苗質(zhì)量[6]，原因是缽體含水率水平保持在適中的范圍內(nèi)，自身有足夠的強(qiáng)度，同時(shí)含水率有助于減輕粘附[13]。頂松測試發(fā)現(xiàn)當(dāng)所用基質(zhì)育苗后缽體含水率水平保持在55%～60%范圍內(nèi)，具有較高頂缽松脫質(zhì)量，這與苗缽含水率水平對自動(dòng)取苗質(zhì)量的影響結(jié)果一致。當(dāng)苗缽含水率為50%～55%和60%～65% 2個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，氣力頂缽松脫完整率達(dá)90%以上，能夠最大限度保持根缽?fù)暾?。對于苗缽含水率?5%～50%中等水平根土含水率下，由于苗缽含水量較低，造成基質(zhì)體松散，較大的頂吹力就容易破壞根土結(jié)構(gòu)。對于非常干燥的穴盤苗缽體，缽體完全脫離穴孔，頂松很容易，但是這種情況下苗缽失水過多，影響根系活性，不利于移栽。整體上看，生產(chǎn)所用穴盤苗基質(zhì)為草本泥炭型，其持水力、孔隙度等物理特性有所差異，在穴盤苗成苗之后，嚴(yán)格控制苗缽含水率，使其含水率水平保持在適中范圍內(nèi)為宜。

對于穴盤育苗而言，穴孔限制了幼苗的發(fā)展。20 d的黃瓜苗缽體已成形，但根系不嚴(yán)密，多長5 d后，根系發(fā)達(dá)，雖然一定程度上較多根系增強(qiáng)粘附穴孔的力度，但缽體抗頂強(qiáng)度卻顯著增大，使得氣力頂壓作用下?lián)p傷很小，結(jié)果是氣力頂缽松脫相比短苗齡提高了1.23%苗缽?fù)暾省?yīng)當(dāng)看到隨著育苗期的延長，黃瓜苗枝葉也更茂盛，枝葉之間的相互糾纏也增大，由于黃瓜苗莖桿柔軟[25]，這對氣力頂缽影響作用小。氣動(dòng)回路里高壓氣流作用穴盤苗缽體底部，較多的空氣分子能持續(xù)產(chǎn)生較大的氣吹作用，因此當(dāng)所用節(jié)流閥全開時(shí)，穴盤苗缽體氣力頂松后苗缽?fù)暾蕿?1.48%。對于氣嘴而言，柔性硅膠上附一層海綿，能有效減少穴孔底部不平帶來的漏氣影響，但在彈簧預(yù)緊力作用下，海綿變形使得出氣口面積縮小，從而減小了氣力頂缽作用有效面積，在氣壓力較小時(shí)出現(xiàn)頂不松現(xiàn)象。

對最優(yōu)組合下氣力頂缽松脫參數(shù)應(yīng)用到待移栽的黃瓜穴盤苗放松作業(yè)中，開展驗(yàn)證性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，從實(shí)際效果來看，整盤逐排氣力頂缽放松完整率達(dá)到96%以上，完成整盤苗放松需要約48 s時(shí)間。較差的表現(xiàn)是穴盤苗太幼小，盤根性差，將缽體底部吹散坨。另外，空苗的存在，浪費(fèi)了氣力資源。圖8為氣力頂缽松脫和直接拔苗效果對比?？偟膩碚f，采用氣力頂缽松脫相比直接拔苗，即使有部分根土破壞，但不傷根，能取得非機(jī)械接觸低損傷取苗效果，這為高質(zhì)量穴盤苗夾取移栽提供了可能。

表4 氣力頂缽松脫性能試驗(yàn)結(jié)果

圖8 氣力頂缽松脫拔苗和直接拔苗效果對比

因此，本文所研究的蔬菜穴盤育苗底部氣吹式缽體松脫裝置，能有效頂松穴盤苗。整體裝置可與現(xiàn)有的半自動(dòng)移栽機(jī)配套使用，將整盤苗頂松后上苗給移栽機(jī)，喂苗員在機(jī)器上能輕松提苗分投，也可以將氣吹式缽體松脫原理結(jié)合現(xiàn)有的立式自動(dòng)取苗技術(shù)，實(shí)現(xiàn)邊松脫缽苗邊取苗操作，能顯著提高取苗成功率，又減輕自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)負(fù)擔(dān)。

4 結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)了一種氣力頂缽松脫裝置。利用空氣噴射原理，產(chǎn)生的高壓氣流沖擊力從穴盤底部排水口頂吹穴盤苗，實(shí)現(xiàn)穴盤苗與孔穴之間非機(jī)械接觸式放松，利于移栽時(shí)人工輕松拔苗或機(jī)械可靠夾取。對關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用排氣孔直徑為5 mm的氣嘴，能確保氣體射流從128穴孔排水口有效頂吹穴盤苗缽體而不頂盤。根據(jù)亞聲速自由氣體射流動(dòng)力學(xué)原理計(jì)算表明：當(dāng)氣嘴口空氣射流壓力大于0.098 MPa，不超過0.235 MPa時(shí)，所設(shè)計(jì)的氣嘴能將穴盤苗頂松而不破壞苗缽根土結(jié)構(gòu)。

2）開展氣力頂缽多因素試驗(yàn)研究。發(fā)現(xiàn)氣流噴射壓力高度顯著影響苗缽?fù)暾?，缽體含水率對完整率顯著影響，其他苗齡、氣流回路流量多少、氣嘴頭有無海綿密封等試驗(yàn)因素沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性影響。在實(shí)際應(yīng)用中，選擇接近穴盤苗缽體破壞強(qiáng)度大小的氣流壓力頂吹缽體具有較高松脫質(zhì)量。在穴盤苗成苗之后，嚴(yán)格控制苗缽含水率，使其適中，含水率水平保持在適中范圍內(nèi)為宜。當(dāng)氣動(dòng)回路中氣流噴射壓力設(shè)定為0.2 MPa，缽體含水率為55%～60%，黃瓜苗齡為25 d，氣流回路全開，氣嘴沒有海綿頭時(shí)，對穴盤苗頂松作用達(dá)到既能將穴盤苗缽體頂松脫離穴孔粘附，又最大程度保持缽體完整度的效果。開展驗(yàn)證性試驗(yàn)，苗缽氣力松脫完整率達(dá)到96%以上，完成整盤苗放松約48 s，滿足實(shí)際需要。

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Design of root lump loosening mechanism using air jets to eject vegetable plug seedlings

Han Lühua1,2, Mao Hanping1,2※, Zhao Huimin1,2, Liu Yang1,3, Hu Jianping1,2, Ma Guoxin1,2

(1.,,,212013,;212013,; 3.,,832000,)

For transplanting vegetables plug seedlings, it is difficult to directly pick up seedlings from the tray cells. Damages of root lumps of plug seedling happen all the time in extracting. In this paper, a root lump loosening mechanism using air jets to eject vegetable plug seedlings making for transplanting was designed and evaluated. It consisted of air jets, a linear module, a double-rod cylinder, a control system and some other supporting parts. The step transmission of the air jet along the horizontal direction was performed using the linear module, which was a synchronous belt system. The air jet′ motion along the vertical direction up and down for ejecting plug seedlings was moved by the double-rod cylinder. For high blowing rates, wholes rows of air jets aiming for each drain hole was designed. In this arrangement, the seedlings could be loosened row by row. With a row of air jets blowing the seedling plugs from the drain holes of the tray cells, air pressures along with the force of the plungers effectively loosened seedlings. It would be good for manual pulling seedlings or automatically picking up seedlings from the tray cells. Based on the integrated design and analysis, the air pressure range of succeeding in loosening seedling plugs was 0.098-0.235 MPa using the air jet at the diameter of 5 mm. Under this condition, the seedlings appeared to be most effective in the loosening and not in destroy of the root soil. Meanwhile, the air jet could eject each drain hole at the bottom of the 128-cell tray. Being the first prototype, its optimal machine parameters were examined under various conditions. In the optimum tests, it was found that the air pressure of the air jet plungers exerted the greatest effect on the integrated ratio in loosening seedling plugs, and followed by the moisture content. Other factors such as the seedling age, the air flow rate and the air jet with sponges or not had no significant effects on the integrated ratio in loosening seedling plugs. In reality, it would probably be a moderate air blast for blowing of the plug seedlings from the tray. If the moisture content of root lumps of the plug seedlings was less than 55%, the cohesion forces between the roots and the tray cell walls would increase. In this case, wetting the roots might serve to reduce the adhesion making for blowing. For cucumbers seedlings, when the air pressure of the air jet plungers was 0.2 MPa, the root zone moisture was 55%-60%, the seedling age was 25 d, the airflow circuit was fully open at the outlet of 4 mm, and the air jet had no sponges, the best intact rate succeeding in loosening root lumps of plug seedlings was achieved. Finally, the overall loosening performance test was carried out. The intact rate of seedling and root lump in loosening root lumps by blowing was more than 96%. It needed about 48 s for finishing loosening the whole tray of plug seedling. The loosening mechanism using air jets to eject vegetable plug seedlings has a good performance, which can meet the actual requirements.

mechanization; design; optimization; plug seedling; root lump; air jet; loose; orthogonal experiment

韓綠化，毛罕平，趙慧敏，劉 洋，胡建平，馬國鑫. 蔬菜穴盤育苗底部氣吹式缽體松脫裝置設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(4)：37－45. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.005 http://www.tcsae.org

Han Lühua, Mao Hanping, Zhao Huimin, Liu Yang, Hu Jianping, Ma Guoxin. Design of root lump loosening mechanism using air jets to eject vegetable plug seedlings[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(4): 37－45. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.005 http://www.tcsae.org

2018-09-27

2019-02-14

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFD0700800）；江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（BE2017303）；江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（蘇財(cái)教（2014）37號）；江蘇大學(xué)第17批學(xué)生科研課題立項(xiàng)項(xiàng)目（17A326）

韓綠化，助理研究員，博士，主要從事移栽機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)研究。Email：hanlh@ujs.edu.cn

毛罕平，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制技術(shù)研究。Email：maohp@ujs.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.005

S223.92

A

1002-6819(2019)-04-0037-09