劉繼展 彭海軍 李 男 江世界 居 錦

(江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室， 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

高架無土栽培作為省力化栽培的新型模式而受到了推崇，并得到了快速推廣和普及[1-4]。在高架無土栽培中，為避免連作障礙等問題而需要進(jìn)行架上基質(zhì)的定期更換和攤填，每公頃栽培高架的基質(zhì)攤填量達(dá)150～180 m3，架間搬運(yùn)、抬升、倒料和攤平環(huán)節(jié)眾多，人工作業(yè)勞動強(qiáng)度極大，成為影響高架栽培模式進(jìn)一步推廣的障礙之一。因此，基質(zhì)攤鋪的機(jī)械化作業(yè)成為推動高架栽培快速發(fā)展的客觀要求。

發(fā)達(dá)國家的基質(zhì)自動填充技術(shù)和裝備已經(jīng)成熟，如文獻(xiàn)[5-6]分別提出了不同花盆的基質(zhì)或土壤自動裝填裝備方案，PARISH等[7]開發(fā)了自動基質(zhì)裝填和定量肥料添加設(shè)備等。國內(nèi)陳翊棟[8]、渠聚鑫等[9]、楊雅婷等[10]也先后開發(fā)了適應(yīng)穴盤與花盆的基質(zhì)裝填機(jī)，武斌[11]、熊同全[12]研制了針對飼料作物的袋裝裝填機(jī)，但上述物料填充設(shè)備均為固定的大型臺架式結(jié)構(gòu)，無法滿足高架間移動攤鋪作業(yè)的需要。針對物料的均勻攤填，寧國鵬等[13]進(jìn)行了帶式干燥機(jī)上均勻布料器的設(shè)計，但其僅解決散粒物料的均勻下布問題，而不具備物料的獲取和移動作業(yè)能力。而于槐三[14]、張新榮等[15]、索建平[16]、趙國普[17]分別設(shè)計了攤鋪機(jī)熨平裝置，KIMURA[18]設(shè)計了砂漿機(jī)的液壓平整裝置，李維維等[19]設(shè)計了車轍攤鋪設(shè)備等，則均為針對漿體物料，利用其自身重力以過量填充和平土回收方式完成攤鋪作業(yè)，其原理和結(jié)構(gòu)亦無法滿足面對高架的基質(zhì)向上輸送和精量填充作業(yè)需求。

本文進(jìn)行高架栽培配套的架上自動移動攤鋪機(jī)的設(shè)計與試驗，以期為解決高架栽培的基質(zhì)機(jī)械化攤填問題提供技術(shù)方案。

1 栽培高架與基質(zhì)特征

1.1 栽培高架結(jié)構(gòu)特征

栽培高架設(shè)施通常由無紡布或塑料膜等鋪設(shè)成寬300～400 mm的W型或?qū)捈s200 mm的V型栽培槽[20]，W型與V型栽培槽架臺高度一般在800～1 200 mm之間，相鄰架間寬度在650～800 mm之間，規(guī)范的高架設(shè)施在架間鋪有硬質(zhì)路面以方便作業(yè)(圖1)。

以江蘇省農(nóng)科院溧水植物科學(xué)實驗基地的W型高架栽培設(shè)施為例，對其進(jìn)行50點隨機(jī)取樣測量和統(tǒng)計的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示。

由圖2知，W型栽培槽截面呈半圓形狀，槽內(nèi)基質(zhì)通常低于骨架10～20 mm，根據(jù)測量的槽寬深尺寸計算，每米W型槽約需28～30 L基質(zhì)。為了避免基質(zhì)“不足量”或“溢槽”現(xiàn)象，設(shè)計的攤鋪機(jī)應(yīng)具有精量填充作業(yè)能力。其次，攤鋪機(jī)為實現(xiàn)雙側(cè)高架移動攤鋪作業(yè)，基質(zhì)箱裝載能力應(yīng)滿足

Q0≥60L0

(1)

式中Q0——基質(zhì)箱容積，LL0——對雙側(cè)高架單次攤鋪作業(yè)長度，m

架間過道寬度僅有645～675 mm，顯然人工駕駛的作業(yè)方式無法在狹窄架間作業(yè)。而全無人自主作業(yè)模式尚難以滿足實際應(yīng)用需要，全程遙控作業(yè)方式也難以實現(xiàn)多環(huán)節(jié)頻繁作業(yè)下的人工持續(xù)切換操控，故必須建立適合架間作業(yè)的操控方式。

高架栽培設(shè)施不可避免存在建設(shè)誤差，其骨架的離地高度尺寸波動高達(dá)80 mm，且相鄰高架的高度起伏不一，給機(jī)械化移動攤鋪作業(yè)帶來極大難度。

1.2 栽培基質(zhì)流動特性

1.2.1 試驗對象

為測得不同條件和堆放時間下基質(zhì)的特性，試驗時取袋裝的草炭、蛭石、珍珠巖按照3∶1∶1均勻混合(圖3)，并按現(xiàn)配基質(zhì)和配好自然堆放7 d的基質(zhì)分為高含水率和低含水率兩組。利用Sartorius BS210S型稱量儀和干燥箱對兩組基質(zhì)堆各隨機(jī)取樣10次測得兩組試驗基質(zhì)的含水率區(qū)間分別為13.14%～14.05%、27.86%～29.54%，堆積密度分別為110、190 kg/m3。

圖3 靜堆積角測定現(xiàn)場圖Fig.3 Test picture of static repose angle1.載料平臺 2.基質(zhì) 3.高度調(diào)節(jié)螺絲 4.塑料漏斗

1.2.2 流動特性主要參數(shù)

基質(zhì)流動特性決定了基質(zhì)裝箱時在箱內(nèi)的堆積形態(tài)和出料順暢程度，表征物料流動、摩擦等特性的主要參數(shù)為堆積角和滑動角[21]。其中堆積角是指散體物料自由堆積在水平面上、且保持穩(wěn)定的錐形料堆的最大堆角，分為底平面保持靜止時的靜堆積角(圖3)和運(yùn)動時的動堆積角?；瑒咏菫樗缮⑽镔|(zhì)開始滑動的最小斜坡角(圖4)。

圖4 基質(zhì)滑動角測定Fig.4 Test of sliding angle of substrate1.量角器 2.移動滑塊 3.平臺 4.直線模組

1.2.3 試驗方法

(1)堆積角的測定

堆積角的測試根據(jù)JB/T 9014.7—1999《連續(xù)輸送設(shè)備散粒物料堆積角的測定》 的固定漏斗法來測定[22-23]。如圖3所示，將基質(zhì)從塑料漏斗上方均勻加料直至其在平臺上形成直徑約200 mm的穩(wěn)定錐角的料堆為止，用游標(biāo)卡尺測量并記錄料堆的高度及底徑。重復(fù)試驗3次，取平均值。

基質(zhì)的靜堆積角可根據(jù)料堆的堆積高度與堆積半徑的正切計算得到，其測定式[24]如下

(2)

式中δ——基質(zhì)測量堆積角，(°)h——料堆測量高度，mmd——料堆測量底徑，mm

基質(zhì)動堆積角[25-26]可取

δ1=0.7δ0

(3)

式中δ0——栽培基質(zhì)的靜堆積角，(°)δ1——栽培基質(zhì)的動態(tài)堆積角，(°)

(2)滑動角的測定

滑動角試驗測定裝置如圖4所示，在400 mm×500 mm的平臺上分別放置304不銹鋼板和6063鋁合金板，2種材料表面自然鋪放約5 L的基質(zhì)，伺服電機(jī)驅(qū)動直線模組上的滑塊以2 mm/s速度勻速前進(jìn)，使平臺傾斜角隨架臺緩慢地抬升逐漸變大，直至表面料堆開始下滑，關(guān)閉電機(jī)，讀取并記錄此刻附在平臺底側(cè)的量角器的水平傾角[27]。每個參數(shù)進(jìn)行3次重復(fù)試驗，取其平均值。

1.2.4 結(jié)果與分析

(1)堆積角

測試結(jié)果可知，在鋁合金材料表面高含水率的基質(zhì)靜態(tài)堆積角可達(dá)37.05°，而常見料倉機(jī)構(gòu)所儲存物料的堆積角一般小于30°(小麥23°、油菜籽22°、煤灰20°)，基質(zhì)堆積角過大將造成裝箱時容易呈錐狀堆積，不能有效充滿料箱，在出料過程中，基質(zhì)則容易起拱(圖5)，所以移動攤鋪設(shè)備應(yīng)能有效避免基質(zhì)成錐堆積和結(jié)拱現(xiàn)象的發(fā)生。

圖5 堆積角對基質(zhì)裝箱和出料的影響Fig.5 Effect of repose angle on packing and discharging of substrate

(2)滑動角

基質(zhì)滑動角影響基質(zhì)斜向上輸送能力，含水率越大，則滑動角越大，流動性越弱?；瑒咏瞧?，會導(dǎo)致斜向上輸送的部分基質(zhì)滑回至底部，且在排料時還易出現(xiàn)基質(zhì)瞬間排空的現(xiàn)象；滑動角偏大，基質(zhì)則無法沿材料表面下滑，導(dǎo)致出料口堵塞。

散粒物料而言，滑動角在30°～35°時，屬能自由流動、稍有粘附型物料，在35°～45°時，屬不易流動、易粘附型物料，由表1可知，含水率高時，基質(zhì)鋁合金材料表面的滑動角可達(dá)42.3°，流動性較差易粘附，移動攤鋪設(shè)備可較好地向上輸送，但必須解決出料口堵塞與精量排料問題。

表1 基質(zhì)物理特性試驗結(jié)果Tab.1 Experiment results of physical properties of substrate (°)

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作過程

高架栽培配套基質(zhì)自動攤鋪機(jī)主要包括移動小車、料箱、箱內(nèi)折彎式上料機(jī)構(gòu)、基質(zhì)隔板、雙側(cè)落料機(jī)構(gòu)、架上仿形攤鋪機(jī)構(gòu)、抬升機(jī)構(gòu)等，如圖6所示。

圖6 高架栽培配套基質(zhì)自動攤鋪機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Three-dimensional structure diagrams of automatic substrate paver for elevated cultivation1.移動小車 2.箱內(nèi)折彎式上料機(jī)構(gòu) 3.基質(zhì)隔板 4.基質(zhì)箱側(cè)板 5.雙側(cè)落料機(jī)構(gòu) 6.架上仿形攤鋪機(jī)構(gòu) 7.W型栽培槽8.抬升機(jī)構(gòu) 9.高架 10.水泥路面 11.擴(kuò)散輸送器 12.栽培槽骨沿 13.軌道輪 14.三角架

工作時，遙控攤鋪機(jī)進(jìn)入高架行間啟動作業(yè)鍵，抬升機(jī)構(gòu)將架上仿形攤鋪機(jī)構(gòu)下降直至攤鋪機(jī)構(gòu)的軌道輪落在高架栽培槽骨沿上，箱內(nèi)折彎式出料機(jī)構(gòu)自動將箱內(nèi)基質(zhì)向上輸送，基質(zhì)經(jīng)雙側(cè)落料機(jī)構(gòu)內(nèi)部分料板4等分后，向兩側(cè)落料，再經(jīng)架上仿形攤鋪機(jī)構(gòu)實現(xiàn)將基質(zhì)均勻攤鋪至槽內(nèi)，待架上攤鋪作業(yè)完畢，抬升機(jī)構(gòu)將架上仿形攤鋪機(jī)構(gòu)回位，保證攤鋪機(jī)進(jìn)出高架時不會存在干涉。該機(jī)通過雙側(cè)的水平、豎直2獨立自由度浮動，使左、右架上仿形攤鋪機(jī)構(gòu)各自具備對高架寬度和高度誤差的補(bǔ)償作業(yè)能力，特別是對高架豎直方向上大誤差狀況下的仿形作業(yè)能力，實現(xiàn)對高架高度及間距誤差的同步自適應(yīng)，使架上仿形攤鋪機(jī)構(gòu)的軌道輪壓在兩側(cè)高架栽培槽骨沿上，并在行進(jìn)中沿骨沿滾動帶動落料攤鋪機(jī)構(gòu)的擴(kuò)散輸送器轉(zhuǎn)動將基質(zhì)均勻攤?cè)朐耘嗖郏M(jìn)而平整。通過多機(jī)構(gòu)配合解決了基質(zhì)運(yùn)輸和移動攤鋪一體作業(yè)問題。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 方案設(shè)計

3.1.1 L型折彎式出料機(jī)構(gòu)

為解決箱內(nèi)基質(zhì)的順利均勻出料、雙側(cè)高架的精量落料和架上仿形攤鋪問題，提出刮板取料、折彎出料和隔板隔料的組合式機(jī)構(gòu)方案：

(1)置于料箱底部的刮板可插入料堆，不但能克服基質(zhì)在機(jī)槽中被輸送時與殼體之間產(chǎn)生的外摩擦阻力和基質(zhì)自身的重力，還能對刮板上部的基質(zhì)給予不斷推移力，實現(xiàn)自行取料，達(dá)到預(yù)防起拱和破拱作用。

(2)圖7a所示的垂直出料方式，刮板能將箱內(nèi)基質(zhì)不斷向箱外刮取，但由于基質(zhì)堆積角的影響，會導(dǎo)致箱內(nèi)遠(yuǎn)離刮板的大部分基質(zhì)不能被有效刮取利用而滯留在箱體內(nèi)。圖7b所示傾斜出料方式，雖然保證箱內(nèi)基質(zhì)能被刮取至箱外，但箱體有效容積小，單次可裝載的基質(zhì)量較少。而圖7c所示折彎出料方式，不但具有較大的裝載量，也保證了箱體底部基質(zhì)被前一只料斗刮取所形成的空處能被其他基質(zhì)及時充填，實現(xiàn)基質(zhì)的連續(xù)穩(wěn)定輸送。

圖7 基質(zhì)不同出料方案Fig.7 Possible schemes of substrate feeding

(3)為了實現(xiàn)每個刮板每次刮取量相等且分布平均，在箱內(nèi)增設(shè)了一張基質(zhì)隔板(圖6)，從而將L型折彎機(jī)構(gòu)合理的分為刮取基質(zhì)的水平段和負(fù)責(zé)輸送的傾斜段。水平段與基質(zhì)直接接觸，對料箱底部基質(zhì)連續(xù)均勻刮取，運(yùn)送至傾斜段時，在自身重力和流動特性的影響下，相鄰刮板間基質(zhì)都能保持穩(wěn)定的形態(tài)被送向料口。

3.1.2 雙側(cè)落料與架上仿形攤鋪機(jī)構(gòu)設(shè)計

為了實現(xiàn)箱內(nèi)上料拋出基質(zhì)的雙側(cè)四槽均勻分料和落料，并有效適應(yīng)高架的水平和較大的高度誤差，采用分體式人字形浮動落料結(jié)構(gòu)。如圖8所示，人字形槽體固定于基質(zhì)箱側(cè)面，承接L型折彎式出料機(jī)構(gòu)拋出的基質(zhì)，通過分料板4等分并沿人字形槽體落入兩側(cè)斜料槽。

圖8 雙側(cè)落料與架上仿形攤鋪機(jī)構(gòu)簡圖Fig.8 Diagram of floating blanking and leveling unit1.擴(kuò)散輸送器 2.軌道輪 3.斜料槽 4.人字形槽體 5.分料板 6.水平滑軌 7.豎直滑軌 8.三角架 9.抬升機(jī)構(gòu)

兩側(cè)斜料槽都具有X和Y方向的2個獨立自由度，可獨立適應(yīng)高架水平和高度誤差，并通過水平和豎直滑軌固定在三角架上；每個斜料槽與人字形槽體有一定間隙，因此斜料槽沿人字形槽體上下滑動時不會發(fā)生卡死現(xiàn)象，實現(xiàn)對高架獨立仿形作業(yè)需要。非作業(yè)狀態(tài)下，抬升機(jī)構(gòu)可將斜料槽沿人字形槽體向上收攏，使設(shè)備進(jìn)出高架時不會與高架發(fā)生干涉，進(jìn)入高架行間作業(yè)時，抬升機(jī)構(gòu)將斜料槽放至兩側(cè)高架槽沿上，進(jìn)行仿形攤鋪作業(yè)。

為了將人字形滑落的基質(zhì)均勻攤至兩側(cè)栽培槽，并解決分體后攤鋪動作驅(qū)動難題，在分體式人字形浮動落料結(jié)構(gòu)下部安裝擴(kuò)散輸送器，在車體行進(jìn)中，通過軸端的軌道輪沿槽沿的滾動帶動擴(kuò)散輸送器的轉(zhuǎn)動，因此無需配備額外的動力，便可將斜料槽內(nèi)的基質(zhì)均勻攤鋪栽培槽。

3.2 參數(shù)設(shè)計

3.2.1 料箱基質(zhì)成拱條件

如圖9所示，箱體由2.5 mm厚的304不銹鋼板和50 mm×30 mm×1.8 mm型固定角鋼組裝而成，基質(zhì)隔板為6063鋁合金，為當(dāng)料箱內(nèi)基質(zhì)形成穩(wěn)定料拱時，基質(zhì)內(nèi)部無彎矩和剪力，只能作沿拱體中面內(nèi)的壓力傳遞，且與拱線相切的面上應(yīng)力為零，否則無法成拱。料拱越大，拱的垂直面上的壓力越大。

圖9 箱內(nèi)基質(zhì)結(jié)拱效果示意圖Fig.9 Diagram of arching of substrate inside workbin1.折彎式出料機(jī)構(gòu) 2.基質(zhì) 3.基質(zhì)隔板 4.水平排料區(qū)

對于矩形排料區(qū)，物料能夠形成穩(wěn)定料拱時[28]滿足

(4)

式中 [Rg]——穩(wěn)定成拱的矩形排料口寬度，mmτ0——基質(zhì)的初始抗剪強(qiáng)度，取170 Paφ——基質(zhì)滑動角，取38.86°ξ——排料口長與寬的比例系數(shù)γ——基質(zhì)容重，根據(jù)測量取190 kg/m3

所以，出料口尺寸的正確選擇是防止基質(zhì)結(jié)拱的基本方法，防止基質(zhì)成拱時，料箱矩形排料口寬度大于[Rg]。

3.2.2 出料參數(shù)確定

相鄰刮板間的基質(zhì)量是均勻送料可行性方案設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。

在折彎出料機(jī)構(gòu)的傾斜段，相鄰不銹鋼刮板間基質(zhì)量出料狀態(tài)根據(jù)相鄰刮板間距離的大小分為下面兩種情況：

(δ∈(19.63°，26.15°))

(5)

式中B1——刮板長度，mmL1——相鄰刮板間距，mmH1——刮板高度，mm

圖10 折彎機(jī)構(gòu)基質(zhì)出料狀態(tài)比較Fig.10 Comparison of substrate upward discharging of L-type mechanism1.出料刮板 2.輸送帶傾斜段

(δ∈(19.63°，26.15°))

(6)

式中B——刮板安裝寬度，mm

折彎式出料機(jī)構(gòu)單位時間的出料量Q0與刮板鏈速度和相鄰刮板間距有關(guān)

(7)

式中k——斜向上送料時刮板上基質(zhì)滑落系數(shù)，根據(jù)前期試驗，約為0.05

v1——刮板鏈速度，m/s

3.2.3 雙側(cè)落料機(jī)構(gòu)的水平傾角

由圖11可知，為了實現(xiàn)高架水平與高度誤差下的分體仿形落料，由幾何關(guān)系有

圖11 雙側(cè)浮動落料與架上仿形攤平機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.11 Structure of double-sided floating blanking and paving unit

求得

(8)

式中D0——相鄰架間最小寬度，由表1統(tǒng)計結(jié)果取682 mm

W0——斜料槽口長，mm

β——分料機(jī)構(gòu)的水平傾角，rad

HY——人字形槽體離架最小距離，mm

εX、εY——高架水平、豎直最大誤差，由表1統(tǒng)計結(jié)果，分別取59、74 mm

3.2.4 基質(zhì)出料量和攤鋪量的協(xié)調(diào)

如圖12所示，架上仿形攤鋪機(jī)構(gòu)主要由擴(kuò)散輸送器、軸承座、軌道輪、斜料槽、固定板等組成，出料口的基質(zhì)由自身的重力特性經(jīng)分料板4等分后沿內(nèi)槽壁下滑至底部的架上仿形攤鋪機(jī)構(gòu)內(nèi)。

圖12 架上仿形攤鋪機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)簡圖Fig.12 Structure sketch of bed-edge profiling paving unit 1.擴(kuò)散輸送器 2.軸承座 3.軌道輪 4.斜料槽 5.固定板

擴(kuò)散輸送器的排料速度同時取決于其尺寸、槽寬和軌道輪半徑，由圖12可得

(9)

式中ω——擴(kuò)散輸送器的轉(zhuǎn)動角速度，rad/sR——軌道輪半徑，mmv2——架間攤鋪作業(yè)速度，m/sW——擴(kuò)散輸送器的長度，mmλ——泄漏系數(shù)，考慮擴(kuò)散輸送器攤鋪過程中基質(zhì)會沿縫隙泄漏，根據(jù)前期試驗，為3%～5%

R1——擴(kuò)散輸送器內(nèi)徑，mm

R2——擴(kuò)散輸送器外徑，mm

4 攤鋪作業(yè)協(xié)調(diào)運(yùn)動流程

為了使蔬農(nóng)們能夠輕簡作業(yè)和滿足無人駕駛作業(yè)需要，從而達(dá)到機(jī)械化移動攤鋪作業(yè)，提出了自動控制為主少量人工介入的人機(jī)協(xié)作控制模式，使攤鋪設(shè)備在架間作業(yè)時可以全程自動攤鋪、非架間作業(yè)時可以人工遠(yuǎn)程遙控設(shè)備的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向和停止等功能效果，主要操控流程如圖13所示。

圖13 基質(zhì)自動移動攤鋪機(jī)作業(yè)流程Fig.13 Operation flow of automatic mobile substrate paver

首先，通過遙控器上的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向和停止等功能按鈕，人工遙控小車行進(jìn)至基質(zhì)堆旁，待裝料完畢后，此時通過遙控按鈕控制電機(jī)，使抬升機(jī)構(gòu)將雙側(cè)落料機(jī)構(gòu)自動頂至最高點，遙控小車向高架行進(jìn)。

其次，待小車進(jìn)入高架行間，人工按動“作業(yè)”按鈕，電機(jī)控制抬升機(jī)構(gòu)將架上仿形攤鋪機(jī)構(gòu)放至兩側(cè)栽培槽骨架上、箱內(nèi)折彎出料機(jī)構(gòu)開始輸料作業(yè)；系統(tǒng)采集折彎出料機(jī)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)速，計算出料速度v1，從而確定移動小車的行走速度v2，小車開始沿邊自動前進(jìn)；折彎出料機(jī)構(gòu)則根據(jù)小車行進(jìn)速度將箱內(nèi)基質(zhì)向外精量輸送至落料機(jī)構(gòu)，經(jīng)攪勻后攤鋪至栽培槽內(nèi)；攤鋪攪勻機(jī)構(gòu)隨架仿形作業(yè)。

待箱內(nèi)基質(zhì)攤鋪完畢或人工想強(qiáng)制停止設(shè)備自動作業(yè)，則人工再次按壓“作業(yè)”按鈕，小車停止自動作業(yè)，抬升機(jī)構(gòu)自動回位，等待遙控命令。單趟攤鋪作業(yè)周期結(jié)束，準(zhǔn)備開始下個作業(yè)周期。

5 整機(jī)開發(fā)與試驗

5.1 參數(shù)定型與樣機(jī)開發(fā)

給料箱裝填500 L基質(zhì)，根據(jù)前期試驗，折彎出料機(jī)構(gòu)受電機(jī)功率的限制，當(dāng)刮板鏈速超過5.1～5.2 m/s時，機(jī)構(gòu)無法正常作業(yè)；受軌道輪沿高架骨沿要保持無摩擦滾動作業(yè)需要，架間行進(jìn)速度不宜超過0.15 m/s；同時受設(shè)備自身尺寸和高架設(shè)施參數(shù)限制，計算確定的設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 設(shè)計參數(shù)Tab.2 Design parameters mm

將已知參數(shù)代入式(5)、(7)、(8)可得，攤鋪效率為330 m2/h時，刮板鏈速v1約為2.4 m/s。

根據(jù)理論設(shè)計結(jié)果，開發(fā)了高架栽培配套基質(zhì)自動攤鋪機(jī)(圖14)。整機(jī)質(zhì)量和最大基質(zhì)攜帶量分別為220 kg和80 kg。機(jī)身配備48 V、20 A·h直流電源，移動小車沿邊行走速度0.05 m/s下，移動攤鋪設(shè)備可持續(xù)攤鋪作業(yè)約1.5 h。其他技術(shù)參數(shù)如表3所示。

圖14 基質(zhì)自動移動攤鋪機(jī)樣機(jī)Fig.14 Prototype of automatic mobile substrate paver for elevated cultivation

參數(shù)數(shù)值外形尺寸(長×寬×高)/(mm×mm×mm)1200×600×1800結(jié)構(gòu)質(zhì)量/kg220配套動力/kW1.2攤鋪效率/(m2·h-1)≥330豎直補(bǔ)償尺寸/mm100水平補(bǔ)償尺寸/mm40基質(zhì)箱容積/L520

5.2 試驗及分析

5.2.1 試驗材料和方法

為了考察設(shè)備對高度誤差適應(yīng)仿形能力，以及排除自然環(huán)境和地面因素干擾，設(shè)計了與高架設(shè)施同尺寸長2 m的可滑動高架，高架兩端皆有伸縮套筒，兩端皆可獨立的在850～950 mm高度調(diào)節(jié)。試驗材料取草炭、珍珠巖、蛭石按3∶1∶1配比在室內(nèi)均勻混合完成的基質(zhì)。試驗用數(shù)顯游標(biāo)卡尺精度為0.01 mm；皮尺精度為0.1 mm；量筒精度為50 mL；秒表精度為0.01 s。

圖15 試驗現(xiàn)場圖Fig.15 Photo of experiment1.栽培高架 2.攤鋪機(jī)構(gòu) 3.移動小車

2017年3月10日在江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院實驗室進(jìn)行攤鋪機(jī)的性能試驗(圖15)。選取長度大于4 m、寬度大于2 m的平坦路面，攤鋪機(jī)居中放置，將高架對稱放置在折彎出料機(jī)構(gòu)兩側(cè)，間距為700 mm，將攤鋪機(jī)構(gòu)放置于高架上。

根據(jù)式(7)、(8)計算分析結(jié)果，折彎鏈速為2.4 m/s，移動小車行進(jìn)速度定為0.05 m/s，并開展以下2組試驗：

試驗A：為了驗證攤鋪機(jī)對高度相同的設(shè)施高架作業(yè)效果，左右高架皆離地900 mm。

試驗B：為了驗證設(shè)備對高度誤差仿形適應(yīng)能力，左側(cè)高架前后端離地分別調(diào)為850、950 mm；右側(cè)高架前后端離地高度分別調(diào)為950、850 mm。

上述2組試驗的每個高架側(cè)邊均粘有皮尺，待作業(yè)完畢，用游標(biāo)卡尺對雙側(cè)W型栽培槽4個分槽內(nèi)基質(zhì)距離槽沿的深度進(jìn)行測量(圖16)，沿高架長度方向每50 mm間隔測量一次，取樣50個；每個槽內(nèi)每20 mm橫向間隔測量一次，取樣12個。進(jìn)而將基質(zhì)距離槽沿的深度換算為基質(zhì)深度(圖16)

d=dB-dA

(9)

式中d——槽內(nèi)基質(zhì)深度，mmdB——栽培槽深度，mmdA——基質(zhì)距離槽沿的深度，mm

其中根據(jù)栽培高架參數(shù)多點測量的均值，栽培槽深度dB取為23.00 mm。

圖16 基質(zhì)攤鋪效果Fig.16 Effect of substrate paving 1.栽培槽 2.卷尺 3.定位直板 4.數(shù)顯游標(biāo)卡尺

5.2.2 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果證實，樣機(jī)能夠通過遙控順利進(jìn)入架間通道，并使架上仿形攤鋪機(jī)構(gòu)落架，自動實現(xiàn)架間的基質(zhì)移動攤鋪作業(yè)。

試驗A和試驗B中，基質(zhì)出料過程均未出現(xiàn)結(jié)拱現(xiàn)象，基質(zhì)能夠勻速出料并分配給雙側(cè)栽培槽，各動作協(xié)調(diào)一致，對兩側(cè)高架基質(zhì)平分效果突出，性能測試結(jié)果如表4所示。

(1)試驗A中，4個分槽的基質(zhì)攤鋪平均深度在213.22～216.54 mm之間，各槽內(nèi)基質(zhì)深度相對誤差分別僅為6.93%、6.55%、10.07%和7.97%；

表4 攤鋪試驗后槽內(nèi)基質(zhì)的深度Tab.4 Test results of substrate depth after paving mm

試驗B中，4個分槽的基質(zhì)攤鋪平均深度在213.12～215.27 mm之間，基質(zhì)深度相對誤差分別僅為7.72%、6.75%、9.33%和9.66%。各槽內(nèi)的攤填均勻度較為理想，落料攤鋪的兩側(cè)分體獨立浮動結(jié)構(gòu)能夠良好適應(yīng)兩側(cè)高架的較大高度誤差，試驗B與試驗A相比，攤填誤差稍有增加。

圖17 試驗A攤鋪后槽1～4內(nèi)基質(zhì)橫向表面線Fig.17 Transverse profile of substrate surface in slot

(2)攤鋪后4個分槽內(nèi)沿高架方向的基質(zhì)表面線分布規(guī)律如圖17所示，槽向的深度相對誤差分別為4.92%、5.13%、8.12%和7.60%，表明達(dá)到了較好的移動均勻攤鋪效果。外側(cè)槽L1和槽R2內(nèi)的基質(zhì)量稍少于內(nèi)側(cè)槽L2和槽R1內(nèi)的基質(zhì)，但深度平均誤差僅2.01 mm，主要由于基質(zhì)在折彎出料過程中，分布在刮板兩端的部分基質(zhì)因振動散落至箱底；槽R2內(nèi)基質(zhì)量最少，主要由于圖6中電機(jī)布置于折彎機(jī)構(gòu)右端內(nèi)側(cè)位置而占據(jù)了部分空間，從而導(dǎo)致分槽R2在分料過程中分得的基質(zhì)相對較少。

圖18 試驗A各分槽內(nèi)基質(zhì)縱向表面線圖Fig.18 Profile of material in each slot in test A

(3)攤鋪后4個分槽內(nèi)基質(zhì)橫截面線見圖18，4個分槽內(nèi)的基質(zhì)橫向表面比較平整，每個槽內(nèi)基質(zhì)縱向高度的誤差都小于15 mm，92.2%測量點的基質(zhì)離高架骨沿深度分布在10～20 mm的區(qū)間內(nèi)。

6 結(jié)論

(1)根據(jù)高架設(shè)施規(guī)格和基質(zhì)架上移動攤鋪作業(yè)要求，設(shè)計開發(fā)了運(yùn)送、上架、落料、攤鋪多功能一體式高架栽培配套基質(zhì)自動攤鋪機(jī)，解決了高架間狹窄通道內(nèi)的基質(zhì)移動攤鋪作業(yè)難題。

(2)提出了箱內(nèi)L型折彎式出料方案和架上仿形攤鋪機(jī)構(gòu)并實現(xiàn)了參數(shù)優(yōu)化定型，有效避免了基質(zhì)在排料區(qū)結(jié)拱和出料口堵塞，能滿足起伏高架的仿形作業(yè)需要。

(3)性能試驗表明，該機(jī)實現(xiàn)了出料、落料和攤鋪的協(xié)調(diào)動作，能滿足高架100 mm高度誤差的雙側(cè)4槽基質(zhì)精量仿形攤鋪作業(yè)，作業(yè)效率達(dá)330 m2/h。4個槽內(nèi)基質(zhì)縱向和橫向深度誤差均小于20 mm，各槽內(nèi)基質(zhì)深度平均誤差僅2.01 mm，實現(xiàn)了4槽的基質(zhì)均分和均勻攤鋪。

(4)增大軌道輪與槽沿摩擦阻力將有助于進(jìn)一步提高基質(zhì)移動攤鋪的作業(yè)效率，同時需通過田間試驗來進(jìn)一步驗證該機(jī)在地面平整誤差、槽體骨架誤差等更復(fù)雜工況下的移動攤鋪作業(yè)性能。

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