育苗穴盘自动清洗装置的设计

高原源，王 秀,舒象兴，赵春江

(1.北京农业智能装备工程技术研究中心，北京 100097；2.国家农业智能装备工程技术研究中心，北京 100097；3.农业部农业信息技术重点实验室，北京 100081；4.农业智能装备技术北京市重点实验室，北京100097；5.西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100)



育苗穴盘自动清洗装置的设计

高原源1,2,4,5，王 秀1,2,4,舒象兴1,2,4，赵春江3,5

(1.北京农业智能装备工程技术研究中心，北京 100097；2.国家农业智能装备工程技术研究中心，北京 100097；3.农业部农业信息技术重点实验室，北京 100081；4.农业智能装备技术北京市重点实验室，北京100097；5.西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100)

工厂化育苗过程中，使用过的穴盘中常含有有害病原菌，影响种子出苗质量，重复使用前需进行清洗消毒处理。针对传统手工清洗方式劳动强度大、效率低、易伤盘，且部分穴盘基质固结不易洗净的问题，提出了清水浸泡-水压冲洗-风力干燥的方式，即浸泡后的穴盘竖直送入清洗舱，两侧对称喷头多次冲洗，后续风力干燥，最终设计了一种育苗穴盘自动清洗装置。该装置主要由清洗系统、干燥系统和控制系统组成，通过控制系统实现清洗水压和清洗速度可调，并利用压力变送器和变频器的PID控制稳定清洗压力，同时清洗用水可循环利用。该设计有效地提高了穴盘清洗效率和作业性能，避免了穴盘损伤，满足了育苗穴盘重复利用清洗需求。

工厂化育苗；穴盘；自动清洗；水压

0 引言

工厂化育苗以规模化、机械化、自动化等特点成为现代农业的重要组成部分，具有省时省力、育苗质量好及成功率高的优点[1-4]。对于工厂化育苗必备的育苗穴盘，我国目前多采用PS吸塑盘[5-6]，这种穴盘常温下不可降解。为节约资源、保护环境，穴盘的重复利用成为育苗企业的必然选择。已使用过的穴盘残留基质中可能含有一些有害的病原菌或虫卵等[7-8]，需对其进行清洗消毒，以免影响种子的出苗质量。传统穴盘清洗方式为人工毛刷清洗，劳动强度大、效率低，且不易掌握刷洗力度，容易损坏穴盘，而物理水压冲洗是目前公认的最科学、经济和环保的方法[9-11]。

国外的穴盘育苗技术因其起源早、发展时间长，相应的技术及配套设施发展的较为成熟[12-13]，研发的穴盘清洗装置，技术成熟，自动化程度较高，且可满足穴盘清洗、消毒和干燥不同需求。如澳大利亚WASHTECH公司参照自动洗碗机的原理，设计制造了AL8柜式清洗机。整个清洗机械分为上下两层，上层是装有旋转喷头的清洗舱，下层是供水箱。旋转喷头与清洗管路和消毒管路连接，通过程序控制分别单独接通，达到清洗、消毒同批依次进行的目的。同时，清洗舱内也可对穴盘风力干燥，实现整个过程自动化无人操作。美国INSINGER公司研制的TRAC系列穴盘清洗机，根据水箱数量划分不同规格，搭配TD系列穴盘干燥机，最高清洗效率可达878盘/h，满足了不同清洗效率需求。此外，德国MOBA公司生产的托盘清洗机，主要用于清洗蛋盘。工作时，使用过的蛋盘被自动分开，以水平放置形式送入清洗机，经过水压清洗后自动堆叠，然后高速旋转甩干。其效率高，干燥速度快，但对穴盘品质要求较高，且价格昂贵。

相较而言，国内在育苗产业化和商业化方面发展落后，配套的穴盘清洗方面研究较少，相应的成套装置缺乏。禹振军和刘建福研制了一种隧道式穴盘清洗机[14]。工作时，将穴盘水平放置输送至清洗舱，上下左右4个方向交错排列的喷嘴在水泵作用下对穴盘进行清洗，清洗效果稳定性好；但水平放置清洗时，冲洗掉的基质不易流出，影响清洗性能，且对基质固结的穴盘清洗效果欠佳。为此，提出一种先浸泡、后水压清洗干燥的方式，采用竖直送盘、对称多次冲洗、循环水箱的设计，并研发了相应的育苗穴盘自动清洗装置，清洗效率高、性能好。

1 总体机构设计

1.1 主要技术参数

外形尺寸(长×宽×高)/m：3.2×1.0×1.3

工作电压/V：380

运行功率/kW：5.78

作业速度/盘·h-1：500～1 200

清洗压力/bar：0～5

水箱容量/L：330

清洗洁净率/%：≥98

1.2 总体结构

育苗穴盘自动清洗装置主要由清洗系统、干燥系统和控制系统组成，结构如图1所示。清洗系统由机架、循环水箱、水泵、直立喷管组、清洗喷嘴组、防水罩和传送机构等组成。其中，水箱固定在机架上，在其上方凹形槽内放置传送机构；循环水箱、水泵、直立喷管组等通过管道连接，并固定在机架上，实现了清洗过程中水的循环利用。传送机构由减速电机、传送带、扶持导轨及导轨调节支架等组成，扶持导轨作用在于保持穴盘传送方向和冲洗过程中的受力平衡；干燥系统由风机、软管、吹风喷嘴及喷嘴调节支架等组成；控制系统由变频器、空气开关、旋钮开关、继电器、压力变送器及开关电源等组成，控制着水泵、电机和风机的启停，以及水泵输出压力和传送带速度。

1.循环水箱 2.机架 3.水泵 4.过滤器 5.压力变送器 6.控制机构 7.风机 8.吹风喷嘴 9.减速电机 10.防水罩 11.直立喷管 12.穴盘 13.扶持导轨 14.传送带

1.3 工作过程

实际工作时，打开传送带和风机开关，调节变频器控制清洗压力和清洗速度，待装置运行稳定后，将浸泡过后的穴盘竖直放置在传送带上；在拨片推动下，穴盘沿着扶持导轨进入防水罩，而集水箱中水经过过滤网进入净水箱，在水泵作用下以一定压力，经过过滤器和压力变送器进入清洗管路，通过清洗喷嘴组以扇形喷雾形式冲洗穴盘。其中，清洗过后的污水会流入集水箱，经过过滤后再次进入净水箱，达到清洗水的循环利用。穴盘经过6道清洗后到达穴盘干燥系统，在风机输出风力干燥后，最终完成整个穴盘清洗过程。

2 关键部件设计

2.1 清洗系统

2.1.1 传送机构

穴盘在传送带上的常见放置方式有3种：水平、倾斜和垂直。水平放置时要求传送带较宽，倾斜时受力不均，不利于传送，垂直放置时，清洗受力面大且均匀，对传送带宽度要求较低，故本设计采用垂直放置方式。传送机构由传送槽、减速电机、张紧机构、传送带、扶持导轨和导轨调节支架组成，如图2所示。3组导轨调节支架对称布置在传送槽两侧，可以实现对导轨上下、前后的调节，适应不同规格穴盘要求。为满足清洗过后基质顺利落入集水箱中，传送带选用塑料网格传送带。为避免穴盘在传送过程中因受力不均或其他原因卡在导轨上的情况，参照穴盘尺寸为L×W=540mm×280mm，在传送带上每隔600mm设置1个50mm高的拨片，推动穴盘与传送带同步运动。传送电机功率选型参照传送带[15]，最终选择三相电机功率P=0.18kW，减速器减速比i=20。传送槽尺寸包括清洗部分与干燥部分，设计时保证同时有5个穴盘在清洗干燥，最终尺寸长×宽×高=3 200mm×260mm×270mm。

1.张紧机构 2.传送槽 3.导轨调节支架 4.拨片 5.传送带 6.扶持导轨 7.减速电机

2.1.2 清洗管路

净水箱中水经管路依此通过水泵、过滤器、压力变送器，然后分成两路，进入对称布置的直立喷管组，最终由清洗喷嘴喷出，清洗穴盘。过滤器采用200目滤网，作用在于两次过滤，防止清洗喷嘴堵塞；在水泵出水口安装有压力变送器，控制水泵输出压力，使其保持较稳定状态[16]，防止水压突变损伤穴盘。

本设计中，比较矩形喷嘴、椭圆形喷嘴和扇形喷嘴冲洗性能[17-18]，选用冲洗打击能力较强的扇形喷嘴，即液体离开喷嘴后形成的喷雾呈扇形。这种喷嘴喷射角度越小，冲洗打击能力越强，相应冲洗范围越小。一般而言，冲洗水压越大、冲洗次数越多，穴盘冲洗就越干净，但冲洗水压过高或冲洗次数过多易造成对穴盘的损伤。前期预实验发现，6bar水压下冲洗时已会造成对穴盘的损坏。因此，综合考虑较强冲洗能力和不伤穴盘等因素，选用北京洋鑫利源公司定制了14PZ2060B2扇形喷嘴，其喷射角度为60°，流量为2L/min，工作压力为5bar。

清洗喷嘴距离穴盘表面的距离影响着穴盘的清洗效果：距穴盘越近，清洗效果越好，但限于其喷射角度，相应清洗范围越小，单侧清洗时所需喷头数量越多；距穴盘越远，则清洗效果不佳。因此，实际清洗时以50～150mm为宜。由于扇形喷嘴的喷雾覆盖范围的两端部分喷雾分布较少[19]，为了保证整个喷雾的均匀性和范围，设计相邻喷嘴在穴盘的冲洗喷射范围应至少有1/4部分重叠且清洗范围远大于穴盘尺寸。由于扇形喷嘴喷射角度为60°，则喷嘴的布置应满足

(1)

式中X—喷嘴端面与穴盘间距(mm)；

Y—单个喷嘴清洗覆盖范围(mm)；

Z—单侧喷嘴垂直间距(mm)。

根据50mm

X.喷嘴端面与穴盘间距 Y.单个喷嘴清洗覆盖范围Z.单侧喷嘴垂直间距

如图3所示，设计穴盘每侧布置3个喷嘴时，喷嘴端面距穴盘间距X≈120mm，即两侧喷嘴端面间距为240mm，单个喷嘴覆盖范围Y=140mm，单侧喷嘴垂直间距Z=105mm，满足最佳清洗距离及最佳喷射角度的要求。为避免相邻喷嘴喷雾间的干涉，喷嘴扇形喷雾面应偏离直立喷管轴线方向6°左右，使得各个喷雾面倾斜平行。

直立喷管组的设计中，首要问题是在保证清洗效果的同时不损伤穴盘。如图4所示，水平管道选用30mm×30mm不锈钢矩形管，其上焊接六道直立喷管，间距330mm，两条水平管道对称布置传送带两侧。其中，直立喷管选用20mm×20mm不锈钢矩形管，每个直立喷管上等间距安装3个扇形清洗喷嘴。

1.水泵 2.过滤器 3.压力变送器 4.水平管道 5.直立喷管 6.清洗喷嘴

对水泵选型上，应根据喷嘴喷淋流量计算，水泵额定流量Q计算公式为

(2)

式中n—喷嘴个数；

q—喷嘴流量(L/min)；

λ—水泵流量余量(%)；

Q—水泵额定流量(m3/h)。

由此可知：清洗喷嘴流量为2L/min，工作水压为5bar，数量36个，水泵的流量余量一般为10%～50%[20]，考虑到管路的压力损失，取最大λ=50%，即设计水泵的额定流量Q约为8.64 m3/h，出水压力约为喷嘴出水压力的2倍，即10bar。查阅相关资料，选择杭州南方特种泵业有限公司生产的CDLF8-10轻型立式多级离心泵，扬程92m，流量8m3/h，功率4.0kW，转速2 900r/min。

2.1.3 循环水箱

为节约用水，满足穴盘清洗过程中水的循环利用，将水箱内部分为集水箱和净水箱两部分，两者之间加入150目的过滤网。穴盘清洗过后的污水首先进入集水箱，然后经过滤网进入净水箱，最后经净水箱流向水泵。考虑到清洗过后污泥沉淀，将过滤网安装在距离箱底一定距离上，为满足排水排污需求，在两水箱底部均设有1寸2分球型排水阀，同时在集水箱一侧设有溢流阀，以便控制水箱注水量。此外，由于传送机构安置在水箱上，因此在水箱上部边缘处开设凹槽，以便传送机构垂直卡入。水箱设计结构如图5所示，容积为330L。

1.净水箱 2.过滤网 3.集水箱 4.排水阀 5.溢流阀

2.2 干燥系统

干燥系统主要由风机、软管、吹风喷嘴及喷嘴调节支架等组成，两个倒漏斗型吹风喷嘴分别固定在两个喷嘴调节支架上，分列在传送带两侧。在风机选型上，考虑到穴盘材质耐热性差的特点，选用的是常温风机，型号为德冠2DG-730-H06，风量是420m3/h，功率1.6kW。吹风喷嘴设计为扇面倒漏斗形状，出风口为一窄长矩形。为保证吹风均匀性，在吹风喷嘴内部焊接4个分风片，如图6所示。

1.进风口 2.分风片 3.出风口

2.3 控制系统

控制系统由变频器、空气开关QF、熔断器FU、急停按钮SBes、旋钮开关SB、继电器KM、压力变送器PT、开关电源U及运行指示灯HL等组成，控制着水泵、电机和风机的启停，以及水泵输出压力和传送带速度。在水泵出水口、过滤器后面安装压力变送器，通过压力变送器与水泵变频器PID控制，实现清洗水压的稳定可调。根据水泵输出压力，选择量程1.2MPa的数显压力变送器，输出信号4～20mA，输入电压24V。水泵控制变频器根据水泵功率，选择台达VFD-055M变频器，额定功率5.5kW，传送电机变频器选择上海欧频生产的OPI9000A 0.75/4变频器，功率0.75kW，两者输入电压均为三相380V。控制系统线路图如图7所示。

实际工作中，打开空气开关QF，依次打开传送电机开关SB1、水泵开关SB2和风机开关SB3，继电器KM和运行指示灯HL接通，相应继电器触点闭合，变频器对应的启动端口接通，装置开始工作。工作运行中，通过调节变频器频率调节旋钮，可实时调节清洗压力和清洗速度，与变频器接通的压力变送器PT通过PID控制调节变频器频率，进而稳定水泵出口水压。

图7 控制系统线路图

3 结论

1)针对人力清洗穴盘劳动强度大、效率低且固结基质不易洗净的问题，提出了先浸泡、后水压清洗干燥的方式，开发了一款基于物理水压冲洗的育苗穴盘自动清洗装置。

2)采用竖直送盘、对称多次冲洗和循环水箱的设计，实现了对穴盘的自动清洗，清洗效率高，工作稳定；同时，水泵变频器与压力变送器的PID控制，避免了人工毛刷清洗时造成的穴盘损伤，满足了育苗穴盘重复利用清洗需求，有效减轻了人工清洗劳动强度。

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Design of Auto-washing Device for Seedling Tray

Gao Yuanyuan1,2,4,5, Wang Xiu1,2,4, Shu Xiangxing1,2,4, Zhao Chunjiang3,5

(1.Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097, China;2. National Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097, China；3. Key Laboratory of Agri-informatics, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China;4. Beijing Key Laboratory of Intelligent Equipment Technology for Agriculture, Beijing 100097, China；5. College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

As there may be some harmful pathogenic bacteria or eggs in the used trays and it’s harmful to the plug seedling growth, the trays must be washed out and sterilized before reusing. As the main part, the traditional manual washing way has some problems of high labor intensity and low efficiency. In addition, some trays are hard to wash and easily damaged because of the fixed substrate in the holes. In order to solve these problems, a method was put forward, in which the trays soaked for a quarter before washing, then they were placed vertically on the conveyor belt and washed by the nozzles symmetrically one by one in the washing tunnel, finally they were wind-dried. Based on this method, an auto-washing device was designed. This device is mainly composed of three parts: washing system, drying system and control system. The control system was used to adjust the washing pressure and washing speed. The pressure transmitter of the system was used to stabilize the washing pressure by PID control, and the design of a circulating water tank made the sewage recycling. The design effectively improved the washing efficiency, improved the washing performance and avoided damage to the trays, which met the washing requirements of plug seedling growth.

factory seedling; tray; auto-washing; hydraulic pressure

2015-11-27

北京市科技创新能力建设专项(KJCX20151410)

高原源(1989-)，男，河南信阳人，硕士研究生，(E-mail)gaoyy0910@foxmail.com。

王 秀(1965-)，男，河北万全人，研究员，(E-mail)xiuwang@263.net。

S233.1

A

1003-188X(2017)01-0063-05