蔬菜移栽机气吹振动复合式取苗机构设计与试验

袁 挺 王 栋 文永双 祝嗣朔 陈 英 谭豫之

(中国农业大学工学院， 北京 100083)

0 引言

移栽是蔬菜生产中的重要环节，育苗移栽的机械化生产是减轻劳动强度、提高劳动生产率和保证作业质量的关键[1]。目前我国蔬菜仍然以半自动移栽为主，取苗、投苗过程主要靠人工完成，存在效率低、劳动强度大等问题，严重制约我国蔬菜产业发展[2-3]。取苗作业、投苗作业的机械化与自动化能够提高移栽效率、降低劳动强度、提高经济效益，是全自动蔬菜移栽机械发展的必然趋势[4]。

发达国家对育苗移栽技术的研究起步较早，研制的全自动蔬菜移栽机以大型、多行为主，整体结构复杂，价格昂贵，且国内蔬菜种植地块面积相对较小，没有与之配套的穴盘和育苗技术，因此国外机型难以在我国推广应用及批量生产[5-6]。国内的全自动移栽技术发展相对落后，主要以半自动移栽机为主。取苗机构作为全自动移栽机的关键部件，近年来被国内学者广泛研究，提出插入夹取结合式[7-17]、顶出式[18-19]、顶出夹取结合式[20-22]、气吸式[23]、气吹式[24]以及其他形式的取苗机构方案[25-29]，目前多以插入夹取结合式和顶出夹取结合式研究为主，但这两种取苗方式的取苗机构复杂，行程轨迹规划困难，容易造成钵苗的机械损伤，因此，未能在此基础上研制出相应的成熟机型并大规模推广使用[30]。

气吹等取苗方式具有结构简单、伤苗率低、取苗效率高等特点。现有的气吹式取苗机构，一般配套特制的苗盘，通过压缩空气产生的气吹力，将钵苗从苗盘吹出。但研究发现，只通过气吹的方式，并不能很好地取出钵苗，存在取苗成功率低、能耗巨大、对钵苗基质损伤率高等问题。为此，部分学者采用气吹与顶出相结合的取苗方式，先用顶出力打破钵苗与穴盘间的粘结力，然后用气吹将钵苗吹出，但此方式也存在定位困难、取苗成功率低等问题。

本文以甘蓝苗为移栽对象，设计一种振动与气吹相结合的蔬菜移栽机取苗机构，通过理论与试验分析，完成机构的优化设计与参数优选。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

气吹式取苗机构主要由送苗装置、振动装置、气吹装置等部件组成，整机结构如图1所示。与机器配套使用的苗盘由穴苗盘、无纺布育苗袋、钵苗组成，苗盘整体结构如图2所示。穴苗盘的苗穴为上下通透的中空圆柱，育苗基质与种子放入无纺布育苗袋置于苗穴中进行育苗。振动器固接在振动板下方中心位置，振动板4个边角下方由4个弹簧固定支撑在机架上，振动过程使钵苗产生一定惯性力，克服一部分钵苗与苗盘之间的摩擦力，穴孔移动到落苗管上方时，气吹装置将钵苗吹落至落苗管，振动装置与气吹装置相结合，共同完成自动取苗投苗工作。

图1 整机结构示意图Fig.1 Structure diagrams of seedlings unloading mechanism1.机架 2.落苗管支架 3.吹气管支架 4.丝杠驱动电机 5.吹气管 6.链条驱动电机 7.滑轨 8.侧板 9.振动板 10.带拨杆链条 11.落苗管 12.底板 13.穴苗盘 14.弹簧 15.支架 16.振动器

图2 苗盘示意图Fig.2 Schematic of modified seedling tray1.穴苗盘 2.无纺布育苗袋 3.钵苗

图3 取苗原理图Fig.3 Principle of seedlings unloading1.振动板 2.待取钵苗 3.吹气管 4.拨杆 5.穴苗盘 6.底板 7.无纺布包裹钵苗 8.导苗管 9.带拨杆链条 10.振动器 11.弹簧

1.2 工作原理

图3为气吹振动复合式取苗机构的取苗原理图。钵苗在钵体与穴孔内壁的摩擦力作用下留在上下通透的穴孔中，将钵苗连同穴盘一起放到链条下方的振动板上，每个穴孔位于链条上两个相邻拨杆之间，在步进电机的带动下，链条顺时针旋转，拨杆带动苗盘向前进给，滚珠丝杠在步进电机的驱动下间歇正反转，带动振动板连同穴苗盘一起左右移动，方向如图1a所示。通过间歇匀速前进和间歇左右移动，机构可将每株钵苗精确运送到落苗管的正上方。振动板在振动器的带动下，依靠4个支撑弹簧，不断做简谐振动，带动苗盘上下振动，钵苗在振动过程中产生惯性力，用以抵消一部分钵体与穴孔内壁的摩擦力。当钵苗被运送到导苗管正上方时，吹气管中有向下的气流吹出，对钵体上表面施加向下的吹力，当吹力与振动过程中产生的惯性力与钵苗自身重力的合力大于钵体与穴孔内壁的摩擦力时，钵苗即可脱离苗盘竖直落入落苗管中，进而落入栽植机构进行移栽。

2 振动过程中苗盘与钵苗力学模型

以振动板左下角为原点O，水平方向为x轴，竖直方向为y轴，对苗盘单振动周期建立动力学分析模型，如图4所示。苗盘整体在振动板的作用下不断做简谐振动且受到水平方向链条拨杆的均速推力。

图4 苗盘动力学模型Fig.4 Dynamic model of seedling tray

振动器带动整个底板做简谐振动，不断带动苗盘上下振动，位移方程为

y=Asin(ωt)

(1)

对式(1)求导得其速度方程为

(2)

式中A——振动器振幅,mm

ω——振动器角速度，rad/s

t——时间，s

当苗盘与振动板的接触力FN为0时，苗盘被抛起，假设此时t=B。则此时苗盘竖直向上的速度为vy=Aωcos(ωB)。

以苗盘整体为研究对象，由于振动时间间隔较小，故忽略水平方向所受链拨杆推力而产生的均速运动，苗盘整体被抛起后，在较小的时间间隔内做以水平方向速度为v0、竖直方向速度为vy的抛体运动，建立如图5所示直角坐标系。考虑空气阻力，假设空气对抛体的阻力与速度成正比，即

F=-μv

(3)

式中F——空气阻力, N

μ——空气阻力系数

v——抛体速度，mm/s

图5 苗盘运动轨迹Fig.5 Trajectory of seedling tray

苗盘整体在做考虑空气阻力的抛体运动时，在任意时刻H均受到重力Mg和空气阻力F的作用。

由此建立苗盘整体的运动微分方程：

水平方向

(4)

竖直方向

(5)

其中

式中M——苗盘与钵苗总质量, g

m——苗盘质量，g

mi——单株钵苗质量，g

vx——苗盘水平方向速度,mm/s

根据理论分析，当时间t=B时，苗盘与振动板分离，此时苗盘水平方向速度为：vx=v0，竖直方向速度为：vy=Aωcos(ωB)。

通过对式(5)进行定积分

(6)

求得竖直方向苗盘速度随时间变化规律为

(7)

苗盘整体被抛起后会在较短的时间内落到振动板上，设钵苗与苗盘在与振动板碰撞前整体速度为v1,碰撞后苗盘速度为v3，苗盘的速度变为0，即v3=0，钵苗的速度为v2。

由于钵苗与苗盘分离前后，在y轴上没有受到外力的作用，故沿y轴动量守恒有

Mv1=mv3+(m0+m1+m2+…+m14)v2

(8)

解得钵苗碰撞后的速度v2为

(9)

其中

v1=vy

最终求得钵苗碰撞后的速度v2为

(10)

对式(10)求导，得出碰撞时刻钵苗加速度为

(11)

此时单株钵苗的受力分析如图6所示。在与振动板碰撞的一瞬间，钵苗与苗盘脱离之前，钵苗受力平衡，由牛顿第二定律得

mig+mia2=Ff

(12)

式中Ff——钵苗与苗盘间的摩擦力,N

图6 钵苗受力分析Fig.6 Force analysis of seedling

通过受力分析可知，钵苗要想脱离苗盘，要满足

mig+mia2>Ff

(13)

将式(11)代入整理得

(14)

通过对苗盘进行单周期振动动力学分析可知，在振动过程中影响苗盘取苗成功率的主要因素为振动器振幅与振动器频率；通过对苗盘与振动板碰撞分析可知，影响取苗成功率的另一因素为钵苗与苗盘间的摩擦力，而摩擦力是由钵苗基质含水率决定的，不同的含水率，钵苗与苗盘之间的摩擦力不同，整体向下的合力也不同，所以基质含水率是影响取苗成功率的另一因素。

3 试验与结果分析

根据移栽机构取苗原理分析可知，气吹是影响取苗成功率的重要因素之一，是本文重点研究内容。由上述理论模型可知，取苗成功率与钵苗基质含水率、振动器振幅和频率、吹气气压等因素相关。试验所选用的振动器为常用的小型工业振动器，振幅不可调，恒定为2 mm，所以本试验只讨论振动器的频率与取苗成功率的关系，对振幅不作讨论。

将钵苗基质含水率、振动频率和吹气气压作为本次试验的试验因素，取苗成功率与基质破损率为试验指标。

3.1 试验条件

2018年9月21日至11月21日在中国农业大学工学院土槽实验室进行气吹振动复合式取苗机构取苗试验。试验苗为甘蓝苗，品种为中甘21，产自北京通州科技农场，育苗盘采用5×3规格的自制苗盘，苗龄31 d，含水率为17.64%～67.75%。钵苗平均株高98 mm，钵苗展宽79 mm，钵体为圆柱体，直径为40 mm，钵体高度40 mm。图7a为试验钵苗，图7b为试验样机。

图7 试验材料与样机Fig.7 Experimental materials and prototype

试验设备为：气吹振动复合式取苗机构；土壤温湿度仪(型号：科顺达TR-6，工作环境：-40～80℃，含水率量程：0～100%，精度：±3%)；气泵空压机(品牌：奥突斯，功率：800 W，排气量：60 L/min,容积：18 L，气压可调)；小型振动器(品牌：欣恒星，型号：TB-0.28，电压：220 V/110 V，电流：0.23 A/0.45 A,功率：50 W，振幅：2 mm，频率：0～60 Hz可调)等。

3.2 试验评价指标

试验选择取苗成功率、基质破损率为试验评价指标。取苗成功率是指取苗装置将钵苗从穴盘中取出的株数占穴盘苗总数的百分比。基质破损率是指取苗装置对钵苗进行取苗操作后，在此过程中钵苗散落的基质质量占总质量的百分比。

其中取苗成功率

(15)

基质破损率[31]

(16)

式中D——取苗成功钵苗数量，株

W——钵苗总数量，株

H——单个钵苗基质总质量，g

N——吹落之后单个钵苗基质总质量，g

3.3 单因素试验

3.3.1不同含水率钵苗的基质破损率与吹气气压关系试验

在取苗过程中，当喷嘴直径一定时，气压决定气吹力。本文描述的取苗机构要求气压提供的气吹力越大越好，但气压过高，气吹力过大时，基质破损率也就越大。

为了探究不同含水率钵苗的基质破损率与吹气气压之间的关系，进行不同含水率的气压吹苗与基质破损率关系单因素试验。在喷嘴直径为4 mm时，对吹气气压取8个水平分别进行试验，对基质的含水率(通过控制钵苗的灌溉水量实现)取6个水平进行试验。分别用不同的气压对不同含水率的钵苗进行吹苗试验，每个水平重复试验15次，共48组720次试验，得到基质破损率与吹气气压关系如图8所示。

图8 基质破损率与气压关系曲线Fig.8 Relationship curves between damage rate of substrate and air pressure

由图8可知，不同的基质含水率在相同的吹气气压下，基质破损率不同，整体上随着吹气气压的增大而增大。在钵苗基质含水率为45.40%时，在不同气压下，基质破损率整体较低，此时，当气压小于等于0.55 MPa时，随着气压增加，基质破损率未明显增加，当气压大于0.55 MPa后，基质破损率明显增加。为了确保基质低破损率，当喷嘴直径为4 mm时，选取钵苗基质含水率为45.40%、吹气气压为0.55 MPa，此时效果较好。

3.3.2振动频率与取苗成功率关系试验

取苗试验过程中，当钵苗基质含水率与吹气气压确定时，振动器振动频率直接影响最终取苗成功率。为了探究振动器振动频率对最终取苗成功率的影响，对振动器频率做单因素试验。试验所用的振动器振动频率为0～60 Hz，分为10挡可调，每次提升6 Hz。试验时，选取不同挡位所对应的频率作为试验水平。

选取钵苗基质含水率为45.40%左右的钵苗，喷嘴直径为4 mm，吹气气压固定为0.55 MPa时，对振动器振动频率选择8个水平进行试验，每个水平重复试验5次，结果如图9所示。

图9 取苗成功率与振动频率关系曲线Fig.9 Relationship curves between success rate of seedlings unloading and vibration frequency

由图9可知，随着振动器振动频率的增大，取苗成功率增大。当振动频率小于30 Hz时，随着振动频率增加，取苗成功率显著增加，当振动频率大于30 Hz后，取苗成功率未明显增加。所以当振动器振动频率为30 Hz时满足取苗要求，此时取苗成功率为86.67%。

3.4 多目标正交试验

3.4.1试验指标与试验结果

为了验证所设计的气吸振动复合式取苗机构的实际取苗效果，寻找最佳的参数组合，将取苗成功率与钵苗基质破损率设为试验指标，根据前文单因素试验测得的试验数据，选取钵苗基质含水率、吹气气压和振动器振动频率3个试验因素进行三因素三水平正交试验，即选用正交表L9(34)进行试验设计与分析，其因素与水平如表1所示。其中，钵苗基质含水率的水平通过控制钵苗的灌溉水量实现；吹气气压的水平通过控制气压表阀门实现；振动器振动频率的水平通过控制其自身挡位实现。试验结果如表2所示，A、B、C为因素编码值。

表1 试验因素水平Tab.1 Experimental factors and levels

3.4.2试验结果分析

根据试验结果进行相应的极差与方差分析，其中基质含水率、吹气气压和振动频率各水平对取苗质量的影响如图10所示。由图10可知，各考察因子的极差越大，说明该因子对试验指标的影响越大。这样确定了影响取苗成功率的因素主次为振动频率、基质含水率、吹气气压，对基质破损率影响因素的主次顺序为吹气气压、基质含水率、振动频率。

方差分析结果如表3所示，由方差分析结果可知振动频率与基质含水率对取苗成功率有显著影响，吹气气压对基质破损率有显著影响。

通过极差和方差的试验数据分析，综合各因素对取苗效果的影响及其优化组合，按照取苗成功率高、基质破损率低的原则，确定A3B1C3为较优组合，即钵苗基质含水率为55%、吹气气压力0.45 MPa、振动器振动频率为36 Hz时，综合取苗效果最佳，此时取苗成功率为92%，基质破损率为3.46%。

表2 试验结果Tab.2 Experimental results

图10 各指标对取苗效果的影响Fig.10 Effects of factors on seedling quality

表3 方差分析结果Tab.3 Variance analysis result

注：*表示影响显著。

4 结论

(1)设计了一种气吹振动复合式取苗机构，取苗机构主要由送苗装置、振动装置、气吹装置等组成，各部分配合完成自动取苗投苗工作。

(2)建立了苗盘在振动前进时单周期动力学模型，得出振动器频率、振幅和基质含水率是影响取苗成功率的主要因素。

(3)进行单因素试验，测得当钵苗基质含水率为45.40%、吹气气压为0.55 MPa、振动器振动频率为30 Hz时取苗效果较好。

(4)以取苗成功率和基质破损率为试验指标，以钵苗基质含水率、吹气气压和振动频率为试验因素，对取苗机构进行三因素三水平正交试验。结果表明，基质含水率、振动频率是影响取苗成功率的显著因素，吹气气压是影响基质破损率的显著因素。3个参数的最佳组合为：基质含水率55%，吹气气压0.45 MPa，振动频率36 Hz，在该组合条件下，取苗成功率为92%，基质破损率为3.46%，满足甘蓝苗取苗要求。