王 超 劉彩玲 李永磊 宋建農(nóng) 王繼承 董向前

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

0 引言

目前，我國蔬菜移栽機仍由人工完成取苗作業(yè)，其勞動強度大且作業(yè)效率低，受限于人工取苗速度，移栽頻率僅為25～40株/min[1]，這制約了蔬菜產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

國內(nèi)外學(xué)者對取苗裝置進行了廣泛研究，提出并設(shè)計了插入夾取式[2-7]、頂出式[8-9]、頂出夾取式[10-12]、氣力式[13-15]和其他形式[16-18]的取苗機構(gòu)，以及相應(yīng)取苗末端執(zhí)行器[19-20]。基于向上取苗原理的插入夾取式取苗機構(gòu)，其取苗頻率多為40～90株/min[2-6]，當(dāng)取苗頻率大于70株/min時，機構(gòu)的變速轉(zhuǎn)動或擺動使苗針沖擊振動和慣性力顯著增大，缽體破損率增大，夾苗穩(wěn)定性降低，從而出現(xiàn)脫苗或甩苗等取苗失敗現(xiàn)象，導(dǎo)致取苗成功率降低[3]?；谙蛏先∶缭淼臋C構(gòu)因取苗、投苗運動方向和空間位置不一致，苗針必須按特殊軌跡變速運轉(zhuǎn)，經(jīng)過迎穴扎苗、拔苗取出、攜苗轉(zhuǎn)運和推苗投出等繁瑣步驟才能完成單次取投苗作業(yè)[21-22]，因此很難提高取苗頻率。研究者在同類取苗機構(gòu)上進行了動力學(xué)研究和優(yōu)化改進[23-26]，沖擊振動和慣性力略有改善，但依然很難突破。

高速移栽機移栽頻率不小于90株/min[27]，取苗作業(yè)高速化是實現(xiàn)高速移栽的關(guān)鍵和前提[28]。因此，研究結(jié)構(gòu)合理、取苗效果良好的高速取苗裝置對提高蔬菜移栽機作業(yè)效率、減輕勞動強度和促進蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義[7]。本文基于向下取苗原理設(shè)計一種氣動下壓式高速取苗裝置及配套組合式穴盤。通過理論與試驗分析，對關(guān)鍵部件進行設(shè)計與參數(shù)優(yōu)選，以辣椒苗為試驗對象進行取苗試驗，以驗證裝置的取苗原理和該機構(gòu)高速取苗的可行性，為開發(fā)輕簡型高速取苗裝置提供參考。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的氣動下壓式高速取苗裝置如圖1所示，主要由機架、供盤機構(gòu)、送苗機構(gòu)、氣動取苗機構(gòu)、投苗錐斗和控制系統(tǒng)等組成。供盤機構(gòu)通過供盤鏈驅(qū)動電機驅(qū)動供盤鏈，對稱安裝的供盤鏈上各有一個加長銷軸，與最上方托盤層側(cè)邊鉸接，托盤層由吊線串聯(lián)成多層結(jié)構(gòu)；送苗機構(gòu)通過送苗鏈驅(qū)動電機傳動對稱布置的送苗鏈，送苗鏈整周上均布加長銷軸作為送苗撥桿，送苗底板緊固在送苗鏈之間，前端有配合下壓取苗鏤空處；氣動取苗機構(gòu)安裝在送苗底板鏤空處上方；控制柜通過電氣連接控制供盤機構(gòu)和送苗機構(gòu)，通過氣動連接控制推盤氣缸和氣動取苗機構(gòu)。

與裝置配套使用的組合式穴盤如圖2所示。組合式穴盤穴孔為上下通透的正四棱臺形，幼苗生長在6×6的36孔組合式穴盤內(nèi)。為避免莖葉穿過穴孔時下落不暢或損傷，經(jīng)落苗通過率試驗，穴孔設(shè)計如圖2所示，相鄰穴孔中心距是45 mm。無底穴盤兩側(cè)有6個間距45 mm的側(cè)筋，用于被送苗鏈送苗撥桿驅(qū)動和取苗位置傳感器檢測第1取苗時序。

1.2 工作原理

氣動取苗機構(gòu)是整個裝置核心部件，穴盤具有成行成列等距穴孔，采用成排取苗單體可以避免使用限制作業(yè)效率提升的橫向移箱機構(gòu)，能顯著提高取苗頻率。氣動取苗機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括安裝板和與無底穴盤各行穴孔對應(yīng)的6個取苗機構(gòu)單體(以下簡稱取苗單體)。取苗單體包括取苗氣缸和安裝在活塞桿上的頂苗器。

作業(yè)時將載苗無底穴盤(以下簡稱苗盤)放置到托盤層上，裝置按如下作業(yè)工序進行高速取苗作業(yè)：①有序供盤：供盤鏈間歇向下移送托盤層，托盤層與送苗底板平齊時，推盤氣缸將苗盤向送苗底板方向推出合適距離。②連續(xù)送苗：送苗鏈送苗撥桿撥動苗盤穴盤側(cè)筋，勻速輸送苗盤經(jīng)過氣動取苗機構(gòu)下方，運動方向如圖4a箭頭所示。③氣動下壓取苗：高速取苗時序控制系統(tǒng)控制氣動取苗機構(gòu)各行取苗單體頂苗器依次對準(zhǔn)動態(tài)運動穴孔，下壓缽苗后復(fù)位，完成取苗(圖4b)。④自由投苗：被壓出缽苗按時序落入投苗錐斗，在重力作用下沿投苗錐斗傾斜側(cè)壁下滑至出口自由投苗。

每行取苗單體在苗盤輸送方向上等距間隔，呈斜線布置(圖5)。當(dāng)苗盤某行第1行穴孔對齊第1行取苗單體頂苗器時，穴盤側(cè)筋觸發(fā)取苗位置傳感器到達第1取苗時序(圖5a)。在1個取苗時序間隔內(nèi)，控制系統(tǒng)控制第1行取苗單體頂苗器下壓取苗并復(fù)位，同時苗盤前進一段距離，第2行穴孔與第2行取苗單體對齊，到達第2取苗時序(圖5b)；剩余4行穴孔按相同規(guī)律依次與對應(yīng)行取苗單體動態(tài)對準(zhǔn)，到達后續(xù)4個取苗時序并完成下壓取苗。連續(xù)6個取苗時序和下壓取苗后，為了消除送苗鏈累積運動誤差，由下一個穴盤側(cè)筋觸發(fā)取苗位置傳感器正時下一行第1取苗時序，開始下一行高速取苗時序和下壓取苗。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 缽體力學(xué)模型

缽體與穴孔壁之間存在粘附力和摩擦力作用，下壓缽苗是驅(qū)動缽體脫離穴孔壁粘附力以及摩擦力的過程[29]。頂苗器壓出過程中缽體受力如圖6所示，圖中θ為苗缽側(cè)邊角，0.95°。

缽體在4個側(cè)面上受到的摩擦力Ffi、粘附力Fni和正壓力Ni可認為相等。若為了使缽體脫離穴孔壁并保持缽體完好，則頂苗器作用在缽體上表面的取苗力F應(yīng)滿足

4(Fficosθ+Fnisinθ-Nisinθ)-Gs≤F≤Fσ

(1)

式中Gs——缽苗重力，N

Fσ——缽體上表面抗穿刺屈服力，N

缽體脫盤力一定程度上反映為：缽體4個側(cè)面受到穴孔壁摩擦力Ffi、粘附力Fni和正壓力Ni在豎直方向的綜合作用與缽苗重力之差，即

FT≈4(Fficosθ+Fnisinθ-Nisinθ)-Gs

(2)

式中FT——缽體脫盤力，N

對苗盤中缽苗進行缽體脫盤力學(xué)試驗，測出缽體脫盤力FT為(15.8±3.8)N；為了保證可靠壓出，F(xiàn)T取19.6 N。缽體上表面抗穿刺屈服力Fσ等于頂苗器末端作用面積與缽體上表面許用抗穿刺屈服強度乘積。

根據(jù)式(1)和式(2)可得取苗力F范圍為

FT≤F≤Fσ

(3)

2.2 氣動取苗機構(gòu)參數(shù)設(shè)計

2.2.1取苗氣缸選型與工作壓力

為實現(xiàn)成功取苗，下壓取苗有效行程應(yīng)大于穴孔深度即30 mm，頂苗器末端距缽體上表面的位置不應(yīng)超過最低莖葉生長點，綜合各因素選用工作行程為50 mm，缸徑為10 mm，CDJ2KB10-50型雙作用不回轉(zhuǎn)氣缸，最大工作氣壓0.7 MPa，最大下壓力54.98 N。

將氣缸活塞桿和頂苗器視為一個剛體進行受力分析，活塞桿伸出時頂苗器向下合力即為取苗力F，即

F=pSp+Gp-Ffc

(4)

根據(jù)式(3)和式(4)得到不等式

(5)

式中p——取苗氣缸工作壓力，MPa

Sp——活塞有效作用面積，約7.85×10-5m2

Gp——活塞、活塞桿與頂苗器重力，為0.2 N

Ffc——取苗氣缸壁對活塞桿的摩擦力，約為1 N

根據(jù)式(5)計算得到頂苗器壓出缽苗所需取苗氣缸工作壓力p最小為0.26 MPa。

2.2.2取苗單體斜線布置

取苗單體的橫向間距等于穴孔間距B=45 mm；取苗單體的縱向間距C應(yīng)滿足：第6取苗時序開始一個取苗時序間隔內(nèi)，苗盤前進距離使下一行第1列穴孔與第1列取苗單體對準(zhǔn)(或與取苗位置傳感器檢測下1行第1取苗時序同時發(fā)生)。故6次取苗時序總時長內(nèi)，送苗鏈以線速度vc移送苗盤位移等于穴孔間距B。送苗鏈速度vc計算式為

(6)

其中

式中tp——取苗時序間隔，s

f——取苗頻率，為120株/min

通過計算取苗時序間隔tp為0.5 s，取苗單體縱向間距C為7.5 mm，送苗鏈線速度vc為0.015 m/s。

2.2.3頂苗器運動學(xué)分析

苗盤連續(xù)輸送使得頂苗器在下壓取苗作業(yè)時與穴孔有水平相對位移，包括下壓取苗相對運動位移和復(fù)位相對位移。需對頂苗器進行運動學(xué)分析，研究其與穴孔之間的相對運動軌跡，為頂苗器末端結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計提供參考，防止兩者發(fā)生運動干涉。

頂苗器下壓取苗階段頂苗器和穴孔運動關(guān)系為

(7)

式中H——取苗氣缸工作行程，為50 mm

g——重力加速度，取9.8 m/s2

t1——頂苗器下壓行程時間，s

x1——t1時間內(nèi)穴孔位移，mm

頂苗器復(fù)位階段頂苗器和穴孔運動關(guān)系為

(8)

式中Sr——活塞桿面積，約為1.39×10-5m2

t2——頂苗器復(fù)位行程時間，s

x2——t2時間內(nèi)穴孔位移，mm

頂苗器下壓取苗和復(fù)位階段穴孔位移為

(9)

式中x——t1和t2時間內(nèi)穴孔位移，mm

按式(9)計算頂苗器在一次下壓和復(fù)位中，與穴孔水平相對位移x約為0.32 mm，在Matlab中繪制其相對穴孔運動軌跡，如圖7所示，x軸為頂苗器相對于穴孔水平方向位移，y軸為頂苗器位移，以復(fù)位時頂苗器末端所在位置為坐標(biāo)原點。

2.2.4頂苗器末端結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)確定

為了減小下壓取苗過程中缽體受力不平衡及莖葉損傷，應(yīng)在缽體上表面靠近穴孔處施加取苗力。由于送苗鏈連續(xù)移送苗盤，頂苗器與秧苗在苗盤前進方向有相對運動，需要防止頂苗器直接碰撞秧苗莖稈，造成壓彎折斷等硬性損傷，應(yīng)保證頂苗器避開穴孔中央莖稈生長點集中區(qū)域，因此頂苗器末端設(shè)計為U型，如圖8所示。U型末端的側(cè)邊Ⅰ/Ⅱ作用取苗力于缽體上表面靠近3個側(cè)邊處，缽體受力較為平衡，變形較??；U型末端中空腔容納莖稈進入，同時U型末端側(cè)邊Ⅱ上邊沿設(shè)計為向下斜線并對棱邊倒角，降低莖葉下降過程中與側(cè)邊Ⅱ接觸時通過阻力和接觸壓強，實現(xiàn)低損快速下落。

頂苗器為3D打印而成，根據(jù)其結(jié)構(gòu)強度，將U型末端側(cè)邊Ⅰ厚度h設(shè)為5 mm；根據(jù)預(yù)試驗機構(gòu)運行精度，將U型末端側(cè)邊Ⅰ/Ⅱ外側(cè)與穴孔邊緣間隙j設(shè)為2 mm，則側(cè)邊Ⅱ外寬b為37 mm；隨機選取一盤苗測得秧苗莖稈生長點集中區(qū)域直徑d為20 mm，U型末端不壓倒莖稈的條件為

a≥d

(10)

式中a——U型末端側(cè)邊Ⅱ開口端內(nèi)寬，mm

在復(fù)位過程中U型末端側(cè)邊Ⅱ與莖葉相對高速接觸，經(jīng)試驗，較薄的側(cè)邊Ⅱ會對莖葉產(chǎn)生“切割”效應(yīng)造成莖葉損傷，U型末端側(cè)邊Ⅱ的壁厚宜選為5 mm，此時可顯著減輕側(cè)邊Ⅱ?qū)ηo葉的“切割”效應(yīng)。則側(cè)邊Ⅱ內(nèi)寬a=b-2×5=27 mm。

U型末端縱向長度c計算式為

c=E-j-e

(11)

其中

e=j+x

式中e——U型末端側(cè)邊Ⅱ前端與穴孔邊緣間隙，mm

E——穴孔內(nèi)寬，mm

按式(11)計算，e取整為3 mm，則c為36 mm。

為最大限度保證缽體根土結(jié)構(gòu)完整性和根系不受損傷，U型末端對缽體上表面作用壓力應(yīng)小于缽體上表面許用抗穿刺屈服強度[σ]，穴盤苗缽為根土復(fù)合體，借助穿刺試驗測得其許用抗穿刺屈服強度，計算公式為

(12)

式中k——安全系數(shù)，取1.2～1.5

FQ——缽體上表面平探頭穿刺屈服壓力，N

Sσ——平探頭接觸面積，m2

穿刺試驗用苗為“國福419”辣椒品種，育苗基質(zhì)中泥炭、珍珠巖、蛭石體積比為3∶1∶1，苗齡66 d，平均苗高145 mm，平均葉展為118 mm，平均莖粗為3.87 mm。試驗前用剪刀沿缽體上表面將秧苗剪去。在TMS-Touch型質(zhì)構(gòu)儀上使用直徑2 mm平探頭P2(圖9a)，在頂苗器U型末端側(cè)邊Ⅰ/Ⅱ作用區(qū)域內(nèi)選取穿刺試驗位置(圖9b)，進行缽體上表面穿刺試驗。測得缽體上表面平探頭穿刺屈服壓力為(0.47±0.09)N，安全系數(shù)設(shè)為1.5，求得缽體上表面許用抗穿刺屈服強度約為0.226 MPa。穿刺試驗后測得缽體基質(zhì)含水率為67.51%～69.54%。缽體內(nèi)部由于根系盤結(jié)和加筋作用，內(nèi)部抗穿刺及抗壓屈服強度增強。雖然表層基質(zhì)被平探頭穿刺破壞，表現(xiàn)為表層局部基質(zhì)顆粒壓縮凹陷屈服和剪切破壞，苗缽主體抗穿刺屈服強度大于測試值。

U型末端與缽體間作用力和缽體脫盤力FT相等，U型末端在缽體上表面作用面積SU和作用壓力σ計算式為

SU=(c-5)(b-a)+5b

(13)

(14)

經(jīng)式(14)計算校核，U型末端在缽體上表面作用壓力小于缽體上表面許用抗穿刺屈服強度，不會對缽體造成破壞。

缽體上表面抗穿刺屈服力計算式為

Fσ=[σ]SU

(15)

按式(5)計算取苗氣缸工作壓力p范圍為

0.26 MPa≤p≤1.44 MPa

(16)

為了減小頂苗器下壓對缽體的損傷和降低作業(yè)能耗，取苗氣缸工作壓力p優(yōu)選為0.26 MPa。

2.3 高速取苗時序控制系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)高速取苗，設(shè)計了送盤鏈以線速度vc連續(xù)移送苗盤、整排取苗單體依次對準(zhǔn)動態(tài)穴孔下壓取苗的高速取苗時序，由送苗鏈、氣動取苗機構(gòu)和取苗位置傳感器等配合實現(xiàn)，送苗鏈采用步進電機驅(qū)動；氣動取苗機構(gòu)6個取苗單體雙作用氣缸利用二位五通電磁換向閥控制氣動回路，整個氣動回路由減壓閥調(diào)節(jié)工作壓力，氣源為空壓機；取苗位置傳感器使用微動行程開關(guān)檢測穴盤側(cè)筋正時第1取苗時序。其系統(tǒng)硬件組成如圖10所示。

根據(jù)控制性能要求和硬件匹配，控制器選用16 MHz的Arduino Mega 2560微控制器。高速取苗時序控制流程如圖11所示，實現(xiàn)連續(xù)輸送苗盤、檢測第1取苗時序和高速下壓取苗。

3 臺架試驗

3.1 高速取苗時序驗證試驗

為驗證頂苗器U型末端接觸缽體上表面實際瞬時位置是否與高速取苗時序理論位置相符，開展驗證試驗。

試驗所需設(shè)備：高速攝像機(Phantom V9.1型)、補光燈(JINBEI EF-200型)、氣動下壓式高速取苗裝置試驗臺如圖12所示。

首先將無底穴盤放置到送苗底板上，架設(shè)高速攝像機，開啟補燈光照射，設(shè)置采樣頻率為1 000 f/s，然后設(shè)置裝置取苗頻率為120株/min，送苗鏈線速度0.015 m/s，啟動試驗臺，開始拍攝。通過PCC軟件對視頻進行解析，獲得實際6個高速取苗時序?qū)?yīng)頂苗器U型末端與缽體上表面接觸實際瞬時位置。在PCC中軟件使用“Measurement”下的“Calibrate”和“Instant Measurement”測量功能，測得6個實際瞬時位置U型末端側(cè)邊Ⅰ與穴孔內(nèi)側(cè)邊緣距離j1～j6(圖8b)見圖13，取苗位置傳感器觸發(fā)正時第1取苗時序時刻t為0 ms。

6個高速取苗時序j1～j6平均值為2.50 mm，與設(shè)計的邊緣距離j基本一致，可知送苗鏈、氣動取苗機構(gòu)和取苗位置傳感器等在控制系統(tǒng)作用下實現(xiàn)高速取苗時序精度較好，具有高速取苗作業(yè)可行性。

3.2 取苗試驗

3.2.1試驗條件與指標(biāo)

氣動下壓式取苗裝置取苗試驗于2020年11月在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院進行。試驗對象為“國福419”辣椒苗，采用有機營養(yǎng)育苗基質(zhì)培育，泥炭、珍珠巖、蛭石體積比為3∶1∶1，苗齡60 d，平均苗高為145 mm，平均展寬為133 mm，平均莖粗為3.49 mm，如圖14所示。測得缽體基質(zhì)含水率為66.69%～76.35%。

依據(jù)JB/T 10291—2013《旱地栽植機械》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[28]，結(jié)合氣動下壓式取苗裝置作業(yè)性能要求，本試驗以取苗成功率Y1、基質(zhì)破碎率Y2和莖葉損傷率Y3作為取苗效果評價指標(biāo)，計算式為

(17)

(18)

(19)

式中n1——裝置取苗成功缽苗株數(shù)，株

n——試驗用有效缽苗總株數(shù)，株

m1——破碎基質(zhì)總質(zhì)量，g

m——取苗成功缽苗總質(zhì)量，g

m2——取苗成功缽苗莖葉總質(zhì)量，g

m3——取苗成功后扯斷損傷莖葉總質(zhì)量，g

試驗時取苗氣缸工作氣壓p=0.26 MPa，取苗頻率為120株/min。選取6盤生長一致缽苗進行試驗，試驗前去除無苗缽體，避免無苗缽體對試驗指標(biāo)影響。試驗結(jié)果如表1所示。每次試驗后沿缽體上表面將幼苗剪去稱取苗成功缽苗莖葉總質(zhì)量m2。缽苗取苗成功率平均值為100%，基質(zhì)破碎率平均值為22.46%，莖葉損傷率平均值為3.54%，試驗后部分缽苗狀況如圖15所示。

表1 取苗試驗結(jié)果

3.2.2結(jié)果分析

基質(zhì)破碎率較高原因為：缽體尺寸較大，根系比例和根系包裹纏繞程度比常規(guī)缽苗稍弱，但破碎基質(zhì)來源于缽體邊角表層松散基質(zhì)，缽體主體內(nèi)部和根系未見損傷；即使個體差異部分缽苗根系不發(fā)達出現(xiàn)基質(zhì)破碎率偏高，未對其造成根系及莖葉嚴重損傷。所有缽體主體及根系仍完好(圖15)，不影響后期移栽成活。個別葉片扯斷損傷，損傷程度較小，不影響移栽后成活和生長發(fā)育，未發(fā)生因莖葉互相纏繞導(dǎo)致缽體壓出而未下落情況。

試驗中還發(fā)現(xiàn)頂苗器下壓取苗過程中，缽苗以一定速度下落，莖葉在迎風(fēng)阻力作用下向中心彎曲收攏(圖16)，更有利于穿過穴孔低損高速下落。

通過試驗可知，裝置各機構(gòu)運動協(xié)調(diào)、按高速取苗時序完成取苗作業(yè)循環(huán)，滿足高速低損取苗作業(yè)要求；與基于向上取苗原理插入夾取式取苗機構(gòu)相比，取苗頻率和取苗成功率都得到了提高；同時該裝置提高取苗頻率只需改變送苗鏈線速度和高速取苗時序間隔，并不會改變?nèi)∶鐨飧坠ぷ鲏毫凸ぷ餍谐?，不會增加頂苗器振動和慣性力，故該裝置下壓式取苗原理與結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)高速低損取苗。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了氣動下壓式高速取苗裝置，該裝置將快速往復(fù)氣缸和無底穴盤結(jié)合，實現(xiàn)下壓式高速取投苗一體化作業(yè)，簡化了取苗機構(gòu)、優(yōu)化了作業(yè)軌跡。綜合考慮缽體受力、莖葉損傷、作用壓力、與穴孔邊緣間隙和相對運動軌跡等因素，對關(guān)鍵部件進行分析和計算；在當(dāng)前穴盤和頂苗器參數(shù)條件下，取苗氣缸工作氣壓范圍為0.26～1.44 MPa。所設(shè)計的頂苗器在氣缸工作氣壓范圍內(nèi)不會對缽體根土結(jié)構(gòu)和莖葉造成破壞或損傷。同時，在下壓取苗過程中，莖葉受迎風(fēng)阻力而收攏，有利于快速低損下落，實現(xiàn)低損取苗作業(yè)。

(2)設(shè)計了高速取苗時序及控制系統(tǒng)，并進行了驗證試驗，試驗表明，送苗鏈、氣動取苗機構(gòu)和取苗位置傳感器等在控制系統(tǒng)作用下能夠協(xié)調(diào)工作，高速取苗時序精度較高，該取苗機構(gòu)具有高速取苗作業(yè)的可行性。

(3)進行了樣機取苗試驗，當(dāng)取苗氣缸工作氣壓優(yōu)選為0.26 MPa、取苗頻率為120株/min時，缽苗取苗成功率平均值為100%，基質(zhì)破碎率平均值為22.46%，莖葉損傷率平均值為3.54%，未發(fā)現(xiàn)缽體主體結(jié)構(gòu)、根系和莖葉的嚴重損傷，取苗效果穩(wěn)定，能夠滿足蔬菜高速移栽的取苗作業(yè)要求。