趙威，崔志超，管春松，陳永生, 2，楊雅婷，高慶生

(1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014； 2. 江蘇現(xiàn)代園藝工程技術(shù)中心，江蘇鎮(zhèn)江，212400)

0 引言

育苗移栽作為蔬菜生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是提高蔬菜生產(chǎn)綜合效益的關(guān)鍵技術(shù)措施之一。隨著我國(guó)育苗產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，形成了多種育苗方法和培育壯苗的技術(shù)[1-2]。基質(zhì)塊育苗相比穴盤(pán)苗育苗、裸苗育苗等能更好的保護(hù)根系、提供更多的營(yíng)養(yǎng)、并且基質(zhì)塊體態(tài)相對(duì)規(guī)則，更適用于快速移栽[3]。

國(guó)外對(duì)于育苗的研究始于20世紀(jì)50年代，設(shè)備先進(jìn)，配套設(shè)施完善；到20世紀(jì)80年代，已經(jīng)形成了完整的機(jī)械化育苗體系，如美國(guó)Blackmore公司開(kāi)發(fā)出用于蔬菜和花卉室內(nèi)育苗系統(tǒng)，美國(guó)Venture公司生產(chǎn)的育苗播種生產(chǎn)線；日本蔬菜育苗SBM-550S型營(yíng)養(yǎng)制缽機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)上料制缽、播種一體化，最后送入育苗箱培育[4]。

我國(guó)對(duì)于基質(zhì)塊成型機(jī)械的研究始于20世紀(jì)70年代[5]，隨著科技進(jìn)步，基質(zhì)塊成型機(jī)械有所發(fā)展，大大降低了育苗過(guò)程中人工勞動(dòng)強(qiáng)度，但仍存在機(jī)械化水平低，壓制過(guò)程中壓力難以控制，缽體不均勻、硬度差，秧苗種類(lèi)適應(yīng)性差等問(wèn)題，不能很好的適應(yīng)生產(chǎn)作業(yè)需求[6-8]。近些年來(lái)，育苗制塊技術(shù)逐漸向機(jī)械化、工廠化及標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，形成流水線式的育苗工廠，故而更加需要能夠穩(wěn)定作業(yè)、成型效果佳的基質(zhì)塊成型機(jī)械。

為此，本文針對(duì)目前基質(zhì)塊加工用工量大、人工作業(yè)質(zhì)量差及設(shè)備配套不足等現(xiàn)狀問(wèn)題，設(shè)計(jì)并研制一種方體基質(zhì)塊成型機(jī)，同時(shí)開(kāi)展試驗(yàn)研究，以期為基質(zhì)塊成型加工流水線研發(fā)或優(yōu)化提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

以立方體的基質(zhì)塊(棱長(zhǎng)尺寸為40 mm)為研究對(duì)象，開(kāi)發(fā)一種半自動(dòng)式蔬菜育苗基質(zhì)塊成型機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鋪土、壓塊、投塊、輸送等功能。整機(jī)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，主要由機(jī)架、傳動(dòng)桿、料斗、壓塊桿、投塊桿、缽盤(pán)、輸送帶等組成，整機(jī)由電機(jī)提供動(dòng)力，其中機(jī)架坐落于可移動(dòng)的支撐輪上，機(jī)架內(nèi)部安裝有電機(jī)和齒輪箱，齒輪箱上方安裝料斗，料斗下方安裝針輪及缽盤(pán)，缽盤(pán)上方安裝壓塊桿及投塊桿，最后由輸送帶將壓好的基質(zhì)塊輸出。

圖1 蔬菜育苗基質(zhì)塊成型機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 工作原理

整機(jī)工作時(shí)，料斗內(nèi)的基質(zhì)隨著攪拌桿的轉(zhuǎn)動(dòng)落入缽盤(pán)缽孔內(nèi)，同時(shí)與攪拌桿同軸上的針輪撥動(dòng)缽盤(pán)上的星輪作間歇轉(zhuǎn)動(dòng)，將基質(zhì)轉(zhuǎn)到壓塊桿和投塊桿對(duì)應(yīng)缽盤(pán)的工作位置；壓塊桿和投塊桿位于同一平面與缽盤(pán)垂直，傳動(dòng)桿帶動(dòng)壓塊桿和投塊桿沿著軌道上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)缽盤(pán)內(nèi)基質(zhì)的壓實(shí)和投出，被投出的基質(zhì)塊，落到間歇運(yùn)動(dòng)的輸送帶上，將基質(zhì)塊間歇輸出。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作參數(shù)Tab. 1 Structure and working parameters

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由圖2所示，傳動(dòng)路線主要分為兩路，但并非獨(dú)立的分支，需要相互的配合。

圖2 傳動(dòng)路線圖

缽盤(pán)圓周均勻分布8組?？?，每組缽孔有2個(gè)，缽盤(pán)每轉(zhuǎn)1周壓塊16個(gè)，為達(dá)到設(shè)計(jì)工作效率Q≥3 000 塊/h以上，缽盤(pán)的轉(zhuǎn)速應(yīng)該達(dá)到nm=Q/960≥3.12 r/min，所以選取nm=4 r/min，針輪每轉(zhuǎn)動(dòng)1周帶動(dòng)缽盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)1/8轉(zhuǎn)，則針輪的轉(zhuǎn)速為na=8nm=32 r/min。因?yàn)槔彵P(pán)和壓塊桿相互配合，缽盤(pán)每轉(zhuǎn)動(dòng)一次壓塊桿下壓一次，則下壓桿驅(qū)動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)速nd=na=32 r/min。

2.2 缽盤(pán)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖3所示，缽盤(pán)機(jī)構(gòu)主要由針輪、星輪組成，主動(dòng)針輪上有四個(gè)針齒和一段鎖止凸圓弧，從動(dòng)星輪上有八個(gè)鎖止凹圓弧，兩個(gè)之間有三個(gè)齒廓擺線和兩個(gè)過(guò)渡線，星輪上平均分布著八對(duì)模孔。當(dāng)主動(dòng)針輪旋轉(zhuǎn)一周，從動(dòng)星輪旋轉(zhuǎn)1/8周，停歇次數(shù)N為8。同時(shí)為了配合沖壓機(jī)構(gòu)，設(shè)置針輪動(dòng)程角θd=90°，停程角θj=270°，則動(dòng)停比為k=θd/θj=1/3。針輪和星輪反向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，每次轉(zhuǎn)動(dòng)Φd=45°間歇運(yùn)動(dòng)一次。星輪開(kāi)始嚙合時(shí)逐漸加速，中間變成等速，結(jié)束嚙合逐漸減速。

圖3 缽盤(pán)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

針輪起始嚙合角

(1)

星輪起始嚙合位置角和齒底嚙合位置角分別為

(2)

星輪起始嚙合半徑

(3)

式中：u——節(jié)圓半徑比，u=2；

L——中心距，L=300 mm。

由式(1)～式(3)計(jì)算得，θ0=40°，β0=11°，δ0=14°，ρ0=238 mm。

2.3 壓、投塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 運(yùn)動(dòng)分析

如圖4所示，壓、投塊機(jī)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)桿通過(guò)連桿帶動(dòng)滑塊上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，滑塊上連接壓、投桿從而完成對(duì)基質(zhì)塊的壓實(shí)和投塊。曲柄l1以等角速度ω1=π r/min，其長(zhǎng)度l1=100 mm，轉(zhuǎn)角θ1和θ2不斷改變，連桿l2的長(zhǎng)度為l2=900 mm。

圖4 壓、投塊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

曲柄回轉(zhuǎn)中心與滑塊導(dǎo)路中心都處于y軸上，所以該機(jī)構(gòu)為對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)輸出桿為沖壓桿，機(jī)構(gòu)的極位夾角為0°，所以整個(gè)機(jī)構(gòu)沒(méi)有急回特性。

壓投往復(fù)機(jī)構(gòu)正常工作的前提條件是：曲柄的長(zhǎng)度應(yīng)該小于等于連桿的長(zhǎng)度。設(shè)計(jì)時(shí)一般取較小的壓力角，取較大的傳動(dòng)角，因?yàn)閭鲃?dòng)角較大機(jī)構(gòu)工作越穩(wěn)定，選擇傳動(dòng)角γmin為70°，連桿長(zhǎng)度l2滿足

(4)

經(jīng)計(jì)算滿足曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的正常工作條件。

2.3.2 位移速度分析

根據(jù)各構(gòu)件的尺寸分析曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)行程，確定滑塊極限距離，從而更好地控制壓縮比，同時(shí)也防止滑塊帶動(dòng)的壓塊桿尺寸過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致壓塊過(guò)程中將缽盤(pán)損壞。

位移復(fù)數(shù)表示形式

l1eiθ1+l2eiθ2=xc

(5)

按照歐拉公式展開(kāi)

l1(cosθ1+isinθ1)+l2(cosθ2+isinθ2)=xc

(6)

由式(6)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，同時(shí)兩邊乘以e-iθ1，得

vc=[-l1ω1sin(θ2-θ1)]/cosθ2

(7)

滑塊速度隨著角度變化而變化，根據(jù)三角函數(shù)的特性，當(dāng)曲柄與連桿垂直時(shí)速度達(dá)到極限，此時(shí)速度極限vc為3.16 m/s。

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)條件與因素

試驗(yàn)于2020年10月在江蘇省常熟市橫塘蔬菜合作社進(jìn)行(圖5)。試驗(yàn)前將蚯蚓糞和土壤混合，形成基質(zhì)混合物，并用土壤篩過(guò)篩處理。

圖5 樣機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

通過(guò)前期預(yù)試驗(yàn)可知，影響壓塊質(zhì)量和穩(wěn)定性的因素主要有蚯蚓糞—土壤混合配比、壓縮比和含水率。壓縮比通過(guò)調(diào)節(jié)壓桿的長(zhǎng)度來(lái)控制，具體計(jì)算如式(8)所示。

(8)

式中：A——基質(zhì)塊的壓縮比；

V0——未經(jīng)壓制的基質(zhì)的體積，m3；

Vt——壓制成型的基質(zhì)塊體積，m3。

根據(jù)預(yù)試驗(yàn)每個(gè)因素確定以下三個(gè)水平，所以選用L9(34)正交表，各項(xiàng)試驗(yàn)共進(jìn)行9組測(cè)試，每組測(cè)試隨機(jī)抽取8個(gè)樣本，取8次測(cè)試結(jié)果的平均值作為該組測(cè)試結(jié)果，利用SPSS20.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。各試驗(yàn)因素水平如表2所示。試驗(yàn)圖如圖6所示。

表2 試驗(yàn)因素與水平Tab. 2 Test factors and levels

圖6 水平組合試驗(yàn)

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)與方法

通過(guò)檢測(cè)基質(zhì)塊的抗壓力、尺寸穩(wěn)定性、散坨率來(lái)表達(dá)基質(zhì)塊的成型質(zhì)量。

1) 抗壓力的測(cè)定方法：采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(UTM6503型)進(jìn)行動(dòng)作模擬測(cè)試(圖7)。與被測(cè)基質(zhì)塊側(cè)向面作為基準(zhǔn)面，選定試驗(yàn)機(jī)量程為0～50 mm，進(jìn)給速度為100 mm/min。執(zhí)行加載程序基質(zhì)塊被壓壞后自動(dòng)卸載。電腦顯示的塊體壓縮變形與受力關(guān)系曲線出現(xiàn)一個(gè)峰值，該峰值即為抗壓力Fn。

圖7 抗壓力試驗(yàn)

2) 基質(zhì)塊的尺寸影響移栽機(jī)作業(yè)的效果，本試驗(yàn)中基質(zhì)塊為正方體結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)、寬、高方向的尺寸皆為40 mm，在塊體的正上方中間位置壓有種穴，基質(zhì)塊的三維尺寸穩(wěn)定性

(9)

式中：Y1——基質(zhì)塊三維尺寸穩(wěn)定性，%；

V2——靜置48 h后基質(zhì)塊體積，cm3；

V1——基質(zhì)塊理論體積，此處為64 cm3。

3) 試驗(yàn)中，基質(zhì)塊從50 cm高處豎直放置自由落于地面，即所測(cè)跌落破損率為50 cm高跌落散坨率[9-10]。試驗(yàn)基質(zhì)塊使用天平對(duì)基質(zhì)塊進(jìn)行稱(chēng)重，將基質(zhì)塊豎直置于離地面50 cm高處使其自由落下，使用天平稱(chēng)量基質(zhì)塊跌落破損之后剩余質(zhì)量并記錄，計(jì)算基質(zhì)塊的散坨率

2016年沙溝泥石流為近期發(fā)生的規(guī)模最大的一次泥石流，對(duì)比斷面法計(jì)算結(jié)果，其流量相當(dāng)于P=5%的雨洪法計(jì)算的峰值流量，綜合確定泥石流峰值流量為15.99 m3/s；據(jù)訪問(wèn)，泥石流歷時(shí)約1.5h，即T=5400s；按上式計(jì)算的本次泥石流沖出量為Q=2.28×104 m3。

(10)

式中：m1——跌落前的質(zhì)量，g；

m2——跌落后的質(zhì)量，g。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1 正交試驗(yàn)

采用正交試驗(yàn)和方差分析對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

由表3可知隨著基質(zhì)混合物中土壤含量的增加和壓縮比的提高，尺寸穩(wěn)定性和抗壓力提高，散坨率降低。這是由于土壤相對(duì)于蚯蚓糞更為緊實(shí)，提高壓縮比可以有效減小基質(zhì)顆粒間的距離，減小基質(zhì)塊孔隙度，使基質(zhì)顆粒間的接觸更為緊密，提高了基質(zhì)顆粒團(tuán)度，使基質(zhì)塊在跌落時(shí)不宜松散，降低散坨率。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab. 3 Orthogonal test results

表4 方差分析表Tab. 4 Analysis of variances

由表4可知配比對(duì)尺寸穩(wěn)定性影響顯著，壓縮比和含水率對(duì)尺寸穩(wěn)定性影響不顯著?；|(zhì)配比對(duì)抗壓力影響極顯著，對(duì)散坨率影響顯著。壓縮比對(duì)抗壓力和散坨率影響均顯著，含水率對(duì)抗壓力和散坨率影響均不顯著。

3.3.2 綜合評(píng)分法

為滿足較優(yōu)育苗要求，尺寸穩(wěn)定性和抗壓力應(yīng)達(dá)到最大值，其歸一化方程

(11)

式中：XN*——各指標(biāo)各組歸一化值；

XN——各指標(biāo)各組試驗(yàn)值；

Xmax——各指標(biāo)各組試驗(yàn)中最大值；

Xmin——各指標(biāo)各組試驗(yàn)中最小值。

散坨率應(yīng)達(dá)到最小值，其歸一化方程

(12)

式中：YN*——各組歸一化值；

YN——各組試驗(yàn)值；

Ymax——各組試驗(yàn)中最大值；

Ymin——各組試驗(yàn)中最小值。

根據(jù)基質(zhì)塊成型3個(gè)性能指標(biāo)的重要性，確定本試驗(yàn)尺寸穩(wěn)定性和抗壓力和散坨率權(quán)重分別為0.3、0.4、0.3。

綜合評(píng)分Q計(jì)算公式為如式(13)所示。

Q=0.3×X1*+0.4×X2*+0.3×Y1*

(13)

式中：X1*——尺寸穩(wěn)定性歸一化值；

X2*——抗壓力歸一化值；

Y1*——散坨率歸一化值。

表5 綜合評(píng)分表Tab. 5 Results of comprehensive evaluation

表6 綜合評(píng)分極差分析Tab. 6 Range analysis of comprehensive evaluation

綜合評(píng)分結(jié)果見(jiàn)表5，對(duì)綜合評(píng)分極差分析見(jiàn)表6，分析結(jié)果表明，綜合影響成型質(zhì)量指標(biāo)的主次因素為：A>B>C。最優(yōu)參數(shù)組合為A3B3C2，即配比為1∶3，壓縮比為0.65，含水率為10%。

4 結(jié)論

1) 本文設(shè)計(jì)了一種蔬菜育苗基質(zhì)塊成型機(jī)，闡述整機(jī)結(jié)構(gòu)組成和原理，并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鋪土、壓塊、投塊、輸送等功能，工作效率達(dá)到3 000塊/h，壓制基質(zhì)塊為棱長(zhǎng)尺寸40 mm的立方體，為蔬菜基質(zhì)塊育苗方式提供技術(shù)裝備支撐。

2) 以蚯蚓糞—土壤的混合物為原料進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)蚯蚓糞—土壤混合配比為1∶3、壓縮比為0.65、含水率為10%時(shí)，成型質(zhì)量最佳，此時(shí)尺寸穩(wěn)定性為98.96%，抗壓力為246.86 N，散坨率為4.15%，較好地滿足了基質(zhì)塊育苗移栽的要求。