何林， 蔣杰， 李家操， 張福凱，易時(shí)來(lái)， 鄭永強(qiáng)， 呂強(qiáng)

1. 西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715；2. 西南大學(xué) 柑桔研究所，重慶 400712

柑橘是我國(guó)產(chǎn)量第一大水果, 種植面積廣, 苗木需求量大[1-2]． 工廠化育苗是實(shí)現(xiàn)柑橘苗木大規(guī)模生產(chǎn)的有效途徑, 已得到廣泛推廣和應(yīng)用． 相對(duì)于傳統(tǒng)露地育苗, 容器育苗病蟲(chóng)害少, 育苗周期短, 且易于精準(zhǔn)管理, 更適合工廠化培育[3-5]． 柑橘砧木苗移栽是容器育苗過(guò)程中的重要一環(huán), 為滿足營(yíng)養(yǎng)與生長(zhǎng)空間需求, 需要將生長(zhǎng)至一定程度的砧木苗移栽至育苗缽中培養(yǎng)[6]． 早期采用苗床培育裸根砧木苗, 向育苗缽移栽時(shí)操作復(fù)雜且優(yōu)苗率較低． 對(duì)于大規(guī)模工廠化容器育苗, 通常采用穴盤(pán)或苗杯培育帶基質(zhì)砧木苗, 不僅在培育時(shí)易于管理、 長(zhǎng)勢(shì)更好, 移栽時(shí)操作也更簡(jiǎn)單, 移栽后成活壯苗率高[7-8]． 柑橘帶基質(zhì)砧木苗移栽過(guò)程中, 育苗缽裝填和移栽穴成型是工作量最大的環(huán)節(jié), 在我國(guó)仍靠人工作業(yè)完成, 勞動(dòng)強(qiáng)度大, 生產(chǎn)效率低, 且作業(yè)質(zhì)量不穩(wěn)定． 為提高裝填成穴的效率與質(zhì)量, 亟需研制滿足工廠化育苗的高效裝填成穴設(shè)備．

我國(guó)柑橘容器育苗常采用薄壁塑料育苗缽, 具有口小、 袋深、 質(zhì)軟的特點(diǎn), 與蔬菜、 花卉、 林木容器育苗常用的硬質(zhì)容器相比, 其裝填與成穴機(jī)械化作業(yè)難度更大; 小口限制了裝填流量, 使進(jìn)入育苗缽內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)土動(dòng)能較小, 不利于緊實(shí)裝填, 容易產(chǎn)生沉降, 而較大的袋深會(huì)進(jìn)一步加大沉降導(dǎo)致的土面高度下降, 因此需要設(shè)計(jì)合理卸料方式增加營(yíng)養(yǎng)土的動(dòng)能; 此外, 苗缽形狀不規(guī)則且質(zhì)地較軟, 在裝填成穴作業(yè)時(shí)需要輔助支撐, 且裝填時(shí)需要采用一定的措施防止被下落的營(yíng)養(yǎng)土壓塌． 目前, 國(guó)外關(guān)于硬質(zhì)容器的裝填成穴設(shè)備已較成熟, 且部分機(jī)型實(shí)現(xiàn)了與后續(xù)自動(dòng)移栽環(huán)節(jié)的對(duì)接[9-12]． 德國(guó)Mayer公司的TM2700、 比利時(shí)Demtec公司的Evo2-D、 荷蘭Visser公司的FF Filler等花盆裝填機(jī), 均采用流水線方式作業(yè), 使用擋板提升機(jī)裝填, 采用旋轉(zhuǎn)提斗旋土或沖穴柱沖壓方式成穴[13-14], 但有關(guān)薄壁質(zhì)軟容器的相關(guān)設(shè)備研發(fā)未見(jiàn)報(bào)道． 國(guó)內(nèi)對(duì)兩種容器裝填成穴的相關(guān)設(shè)備均有所研究, 但仍處于起步階段[15-17]． 杭州賽得林公司的2YB-P10盆栽裝土機(jī)和胡建平等[18]設(shè)計(jì)的溫室缽苗移栽機(jī)采用流水線方式作業(yè), 適用于花盆裝填與成穴; 徐勤超等[19]設(shè)計(jì)的柑橘育苗缽間歇式裝填轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)和張鑒[20]設(shè)計(jì)的自走式育苗缽裝填擺碼機(jī)適用于柑橘育苗缽裝填, 沒(méi)有成穴功能, 且采用間歇式作業(yè), 難以滿足工廠化育苗連續(xù)作業(yè)需求．

總之, 現(xiàn)有的裝填成穴設(shè)備不能滿足柑橘工廠化容器育苗高效裝填成穴需求． 為此, 本研究設(shè)計(jì)了一種基于流水線作業(yè)方式的柑橘育苗缽裝填成穴設(shè)備, 確定了關(guān)鍵部件和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì), 結(jié)合理論分析與樣機(jī)正交試驗(yàn), 優(yōu)化了整機(jī)關(guān)鍵參數(shù), 初步實(shí)現(xiàn)了柑橘育苗缽裝填與移栽穴成型的自動(dòng)化作業(yè)．

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

柑橘育苗缽裝填成穴生產(chǎn)線主要由裝填模塊、 澆灌模塊和沖穴模塊3部分組成． 裝填模塊主要包括擋板提升機(jī)、 皮帶輸送帶、 育苗缽轉(zhuǎn)運(yùn)框、 分流-刮土裝置; 澆灌模塊主要包括鏈網(wǎng)輸送帶、 供水裝置; 沖穴模塊主要包括鏈板輸送帶、 沖穴裝置． 整機(jī)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示, 主要技術(shù)參數(shù)如表1所示．

1為擋板提升機(jī); 2, 8, 12, 16為電機(jī); 3為編碼器; 4為反射式光電開(kāi)關(guān); 5為控制箱; 6為料斗; 7為育苗缽轉(zhuǎn)運(yùn)框; 9為分流-刮土裝置; 10, 14, 18為接近開(kāi)關(guān); 11為皮帶輸送帶; 13為供水裝置; 15為鏈網(wǎng)輸送帶; 17為沖穴裝置; 19為鏈板輸送帶; 20為無(wú)動(dòng)力輸送帶．圖1 柑橘育苗缽裝填成穴生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)示意圖

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1.2 工作原理

首先, 將營(yíng)養(yǎng)土裝入提升機(jī)的料斗內(nèi), 將育苗缽放入轉(zhuǎn)運(yùn)框隔間內(nèi)． 啟動(dòng)生產(chǎn)線后, 提升機(jī)將營(yíng)養(yǎng)土提升至上部卸料口, 觸發(fā)反射式光電開(kāi)關(guān)感應(yīng)后停止． 然后, 各輸送帶將轉(zhuǎn)運(yùn)框輸送至不同的工位進(jìn)行裝填、 澆灌和沖穴等操作, 期間由接近開(kāi)關(guān)感應(yīng)轉(zhuǎn)運(yùn)框到位并制動(dòng)輸送帶． 在裝填工位, 分流-刮土裝置下降蓋住轉(zhuǎn)運(yùn)框, 使?fàn)I養(yǎng)土從分流蓋板的導(dǎo)流孔均勻地落入各育苗缽中, 并由編碼器記錄提升機(jī)電機(jī)的圈數(shù)來(lái)控制營(yíng)養(yǎng)土的裝填量, 部分營(yíng)養(yǎng)土從分流蓋板兩側(cè)掉落在輸送皮帶上． 提升機(jī)卸料完成后, 刮板刮除分流蓋板上的浮土, 分流-刮土裝置上升釋放轉(zhuǎn)運(yùn)框, 落土隨轉(zhuǎn)運(yùn)框至兩輸送帶間隙處掉落收集． 在澆灌工位, 供水裝置開(kāi)啟并按設(shè)定流量和總量向各育苗缽中注入水流, 使?fàn)I養(yǎng)土浸潤(rùn)并增加其可塑性． 在沖穴工位, 沖穴柱先下降后上升, 在育苗缽中擠壓出移栽穴． 最后, 在無(wú)動(dòng)力輸送帶處進(jìn)行帶基質(zhì)砧木苗移栽, 并在轉(zhuǎn)運(yùn)框內(nèi)將育苗缽卸載后放入空苗缽, 進(jìn)行下一輪作業(yè)．

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

2.1 裝填模塊

2.1.1 轉(zhuǎn)運(yùn)框設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)運(yùn)框是裝填成穴生產(chǎn)線的關(guān)鍵部件之一, 用于裝填成穴過(guò)程中對(duì)薄壁塑料育苗缽的支撐, 以及在完成裝填成穴與后續(xù)砧木苗移入后, 實(shí)現(xiàn)育苗缽的卸載． 育苗缽的放置和卸載由轉(zhuǎn)運(yùn)框卸料機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn), 該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)由滑塊槽銷(xiāo)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn), 卸料機(jī)構(gòu)如圖2所示． 裝入育苗缽時(shí), 動(dòng)提手移至最上端位置, 翻板旋轉(zhuǎn)至水平位置, 處于放置狀態(tài), 裝入育苗缽后抓握動(dòng)提手搬運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)框． 卸載育苗缽時(shí), 使用靜提手提起轉(zhuǎn)運(yùn)框, 翻板在重力作用下旋轉(zhuǎn)至豎直位置, 處于卸載狀態(tài), 釋放育苗缽, 同時(shí)動(dòng)提手滑落至最下端位置．

為確定卸料機(jī)構(gòu)參數(shù), 對(duì)滑塊槽銷(xiāo)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析, 滑塊槽銷(xiāo)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖、 機(jī)構(gòu)位置示意如圖3所示． 根據(jù)滑塊槽銷(xiāo)機(jī)構(gòu)中動(dòng)提手和翻板的空間位置要求, 確定動(dòng)提手豎直移動(dòng)范圍h<120 mm,D,E兩點(diǎn)間距k=206 mm, 放置或卸載狀態(tài)下?lián)u桿DB水平投影長(zhǎng)度l>51 mm, 兩搖桿軌跡最近間距n>30 mm; 搖桿BD與固連的翻板DI夾角∠IDB=45°, 搖桿BD的軌跡極限轉(zhuǎn)動(dòng)夾角∠BDB′=90°, 且由此可得∠BDI′=90°． 為確定搖桿長(zhǎng)度p和滑槽長(zhǎng)度q的取值, 由圖3b, 可得幾何關(guān)系如式(1)所示．

(1)

將已知量帶入式(1)計(jì)算得72.1 mm92.9 mm, 取p=80 mm,q=95 mm, 即搖桿長(zhǎng)度為80 mm, 滑槽長(zhǎng)度為95 mm．

1為靜提手; 2為轉(zhuǎn)運(yùn)框主體; 3為動(dòng)提手; 4為動(dòng)提手約束扣; 5為銷(xiāo)軸; 6為翻板; 7為合頁(yè)．圖2 轉(zhuǎn)運(yùn)框卸料機(jī)構(gòu)圖

1為動(dòng)提手; 2, 3為搖桿; 4, 5為翻板．圖3 滑塊槽銷(xiāo)機(jī)構(gòu)圖

1為機(jī)架; 2為分流蓋板; 3為導(dǎo)流孔; 4為倒“V”形梁; 5為刮土板; 6為刮土板支架; 7為分流蓋板支架; 8為直線模組; 9為電動(dòng)推桿; 10為直線導(dǎo)軌; 11為育苗缽轉(zhuǎn)運(yùn)框．圖4 分流刮土裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 分流-刮土裝置設(shè)計(jì)

提升機(jī)卸料過(guò)程中, 分流-刮土裝置能確保轉(zhuǎn)運(yùn)框內(nèi)各育苗缽中裝填量均勻一致, 同時(shí)保護(hù)育苗缽不被落下的營(yíng)養(yǎng)土壓塌; 卸料結(jié)束后, 能實(shí)現(xiàn)分流蓋板上方堆積營(yíng)養(yǎng)土的刮除, 以免其在分流蓋板升起時(shí)落入育苗缽影響裝填效果． 分流-刮土裝置結(jié)構(gòu)示意如圖4所示, 包括刮板機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)兩部分． 刮板機(jī)構(gòu)主要由刮土板、 刮土板支架和直線模組組成, 直線模組的滑臺(tái)與刮土板支架固連, 帶動(dòng)刮土板做直線運(yùn)動(dòng), 實(shí)現(xiàn)刮土功能; 刮土板俯視呈“U”形, 開(kāi)口一側(cè)朝向浮土, 在刮土過(guò)程中具有聚攏作用, 確保將浮土順利刮至前方, 減少在轉(zhuǎn)運(yùn)框兩側(cè)的泄漏． 升降機(jī)構(gòu)主要由分流蓋板、 分流蓋板支架、 直線導(dǎo)軌、 刮板機(jī)構(gòu)、 直線模組和電動(dòng)推桿組成, 分流蓋板支架同時(shí)與直線導(dǎo)軌的滑塊和直線模組的導(dǎo)軌固連, 直線模組的導(dǎo)軌中部與電動(dòng)推桿的輸出桿固連, 使電動(dòng)推桿帶動(dòng)分流-刮土裝置整體升降．

裝填前, 分流蓋板下降蓋住轉(zhuǎn)運(yùn)框中的育苗缽, 其上呈2×4排列的倒四棱臺(tái)形導(dǎo)流孔深入育苗缽內(nèi)部, 保護(hù)育苗缽不被壓塌; 裝填過(guò)程中, 分流蓋板的導(dǎo)流孔和倒“V”形梁將下落的營(yíng)養(yǎng)土流均勻分流落入8個(gè)育苗缽, 實(shí)現(xiàn)均勻裝填; 裝填和刮土結(jié)束后, 分流蓋板上升, 釋放轉(zhuǎn)運(yùn)框．

2.2 澆灌模塊

2.2.1 供水裝置設(shè)計(jì)

供水裝置以設(shè)定的流量與總量對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)框內(nèi)8個(gè)育苗缽均勻澆灌, 原理示意如圖5所示． 澆灌作業(yè)時(shí), 控制器打開(kāi)電磁閥, 水流依次流經(jīng)手動(dòng)閥門(mén)、 過(guò)濾器、 穩(wěn)壓閥、 流量計(jì)、 水錘消除器、 電動(dòng)閥和電磁閥, 進(jìn)入分水器, 經(jīng)分水器各出水口均勻流入下方轉(zhuǎn)運(yùn)框內(nèi)的育苗缽, 各出水口水流大小由分水器上對(duì)應(yīng)旋鈕調(diào)節(jié)． 經(jīng)實(shí)測(cè), 調(diào)節(jié)后各流量下8個(gè)出水口出水量的變異系數(shù)均小于1.3%, 滿足均勻性要求． 澆灌過(guò)程中, 控制器由流量計(jì)獲取脈沖信號(hào)實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前流量與總量, 用PID算法調(diào)節(jié)電動(dòng)球閥的開(kāi)度,保持澆灌流量在目標(biāo)值位置穩(wěn)定, 待總量到達(dá)設(shè)定值后關(guān)閉電磁閥, 完成澆灌作業(yè)．

2.2.2 澆灌過(guò)程分析

澆灌工序以定流量與總量方式澆灌, 由于水流在營(yíng)養(yǎng)土中浸潤(rùn)速度有限, 為保證澆灌工序效率與整機(jī)效率匹配, 同時(shí)避免澆灌時(shí)水流溢出育苗缽, 并確保澆灌后水流浸潤(rùn)時(shí)間足夠, 對(duì)澆灌過(guò)程進(jìn)行分析, 如圖6所示． 作業(yè)時(shí), 鏈網(wǎng)輸送帶帶動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)框進(jìn)入澆灌工位進(jìn)行定量澆灌, 此時(shí)上一轉(zhuǎn)運(yùn)框處于靜置位置; 澆灌完成后, 鏈網(wǎng)輸送帶帶動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)框到達(dá)靜置位置, 同時(shí)上一轉(zhuǎn)運(yùn)框脫離鏈網(wǎng)輸送帶進(jìn)入下一工序, 下一轉(zhuǎn)運(yùn)框進(jìn)入澆灌工位．

1為入水口接頭; 2為手動(dòng)閥門(mén); 3為過(guò)濾器; 4為穩(wěn)壓閥; 5為壓力表; 6為渦輪流量計(jì); 7為水錘消除器; 8為電動(dòng)球閥; 9為電磁閥; 10為分水器．圖5 供水裝置原理示意圖

圖6 澆灌工序分析

對(duì)澆灌工序效率進(jìn)行分析, 設(shè)裝填工序效率為η1, 為保證整機(jī)效率匹配, 澆灌工序效率η2的計(jì)算公式如式(2)所示．

(2)

其中n為轉(zhuǎn)運(yùn)框容量, 設(shè)計(jì)為8缽;t2為澆灌工序單框耗時(shí), 單位為s;L1為轉(zhuǎn)運(yùn)框入位位移, 取L1=0.48 m;v3為鏈網(wǎng)輸送帶速度, 取v3=0.15 m/s;S為澆灌總量, 單位為mL;Q為澆灌流量, 單位為L(zhǎng)/min．

由上式可知, 為提升澆灌效率, 需要在保證成穴效果的前提下盡量減小澆灌總量S, 同時(shí)采用不至于溢出的最大澆灌流量Q． 經(jīng)試驗(yàn), 對(duì)于體積含水率3%的營(yíng)養(yǎng)土, 澆灌量大于400 mL時(shí)成穴基本穩(wěn)定, 同時(shí)考慮澆灌效率限制, 由上述分析確定澆灌總量S范圍為400～500 mL, 對(duì)應(yīng)最大澆灌流量Q范圍為3.5～2.6 L/min．

對(duì)澆灌后水流浸潤(rùn)時(shí)間進(jìn)行分析, 浸潤(rùn)時(shí)間t3由到達(dá)靜置位置時(shí)下一轉(zhuǎn)運(yùn)框的澆灌工序耗時(shí)、 脫離靜置位置時(shí)間和進(jìn)入沖穴工位時(shí)間3部分組成, 計(jì)算公式如式(3)所示．

(3)

其中L2為鏈網(wǎng)輸送帶靜置位置后段距離, 單位為m;L3為鏈板輸送帶沖穴工位前段距離, 單位為m;v4為鏈板輸送帶速度, 取v4=0.15 m/s．

已知所需浸潤(rùn)時(shí)間時(shí), 可根據(jù)上式確定所需要的L2和L3． 為了保證靜置位置的轉(zhuǎn)運(yùn)框在下一澆灌周期順利進(jìn)入鏈板輸送帶, 同時(shí)避免過(guò)早進(jìn)入鏈板輸送帶(即保證靜置位置處于鏈網(wǎng)輸送帶上),L2還應(yīng)滿足關(guān)系如式(4)所示．

(4)

2.3 沖穴模塊

2.3.1 沖穴裝置設(shè)計(jì)

沖穴裝置能同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)框內(nèi)8個(gè)育苗缽中營(yíng)養(yǎng)土沖穴, 主要由伺服電動(dòng)缸、 沖穴柱和擋板組成, 結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示． 沖穴柱通過(guò)安裝板與電動(dòng)缸輸出桿連接, 擋板由安裝桿固連于機(jī)架, 能在一定范圍上下調(diào)節(jié)． 沖穴柱側(cè)面外形需要與砧木苗杯內(nèi)腔相配合, 本研究基于已研發(fā)的砧木苗杯生產(chǎn)的帶基質(zhì)砧木苗根土形狀與尺寸[21], 設(shè)計(jì)沖穴柱外形為上部圓柱形、 中部圓臺(tái)形、 下部圓錐形． 沖穴時(shí), 伺服電動(dòng)缸帶動(dòng)沖穴柱升降, 沖穴柱下降時(shí), 營(yíng)養(yǎng)土受擠壓形成移栽穴; 上升時(shí), 沖穴柱與營(yíng)養(yǎng)土間未釋放的壓力產(chǎn)生的摩擦力會(huì)帶出育苗缽, 此時(shí)由擋板阻止育苗缽被帶出．

2.3.2 沖穴過(guò)程分析

對(duì)沖穴柱入土過(guò)程分析, 如圖8a所示, 錐尖為主要觸土部位, 其角度α1直接影響對(duì)孔穴側(cè)壁和底部營(yíng)養(yǎng)土的壓縮程度, 壓縮過(guò)小時(shí)穴壁不穩(wěn)定, 壓縮過(guò)大時(shí)營(yíng)養(yǎng)土過(guò)于緊實(shí), 不利于苗木生長(zhǎng)[22], 因此需試驗(yàn)研究合適的沖穴柱錐尖角度α1; 根據(jù)帶基質(zhì)砧木苗根土外形尺寸,α1應(yīng)在35°以上． 同時(shí), 入土過(guò)程中成穴尺寸與沖穴柱入土深度h相關(guān), 理想孔穴直徑d2計(jì)算公式如式(5)所示．

(5)

其中d1為沖穴柱小徑, 取d1=44 mm;α2為沖穴柱側(cè)面角度, 取α2=4.4°．

沖穴結(jié)束沖穴柱上升時(shí), 孔穴內(nèi)腔壓力釋放, 直徑會(huì)收縮, 同時(shí)完成沖穴后的育苗缽會(huì)變形, 缽內(nèi)營(yíng)養(yǎng)土?xí)两? 如圖8b所示． 孔穴直徑收縮過(guò)多會(huì)導(dǎo)致帶基質(zhì)苗無(wú)法正常移入, 采用孔徑收縮率Rs表征收縮程度, 計(jì)算公式如式(6)所示．

(6)

其中Da為沖穴后實(shí)際孔穴直徑, 單位為mm;Dt為沖穴后理想孔穴直徑, 單位為mm．

沖穴結(jié)束后,d2取值為Dt,h取值為孔穴有效深度he, 帶入式(5), 與式(6)聯(lián)立得式(7)．

(7)

澆灌與沖穴兩過(guò)程都會(huì)導(dǎo)致育苗缽的形變和營(yíng)養(yǎng)土的沉降, 分別由育苗缽塌陷高度hc和營(yíng)養(yǎng)土沉降高度hs表征, 計(jì)算公式如式(8)所示．

(8)

其中h1為澆灌前育苗缽與隔間上邊沿間距, 單位為mm;h2為澆灌前土面與隔間上邊沿間距, 單位為mm;h3為沖穴后育苗缽與隔間上邊沿間距, 單位為mm;h4為沖穴后土面與隔間上邊沿間距, 單位為mm．

1為伺服電動(dòng)缸; 2為機(jī)架; 3為安裝板; 4為沖穴柱; 5為安裝桿; 6為擋板; 7為轉(zhuǎn)運(yùn)框．圖7 沖穴裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1為沖穴柱; 2為育苗缽; 3為轉(zhuǎn)運(yùn)框隔間; 4為移栽孔穴; 5為未變形育苗缽(虛線); 6為變形后育苗缽; 7為澆灌前土面位置; 8為沖穴后土面位置．圖8 沖穴過(guò)程分析示意圖

2.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包括硬件和軟件部分, 硬件部分主要由STM32控制器、 傳感器、 驅(qū)動(dòng)器、 變頻調(diào)速器、 串口屏等組成, 如圖9所示． 工作時(shí), 整機(jī)按程序運(yùn)行, 實(shí)現(xiàn)各模塊相應(yīng)功能, 同時(shí)串口屏顯示工作數(shù)據(jù), 且運(yùn)行過(guò)程中能通過(guò)串口屏設(shè)置運(yùn)行參數(shù)． 軟件部分采用freeRTOS系統(tǒng), 對(duì)裝填、 澆灌、 沖穴、 數(shù)據(jù)交互等4個(gè)子任務(wù)進(jìn)行調(diào)度, 保證各模塊工作的實(shí)時(shí)性．

3 樣機(jī)試驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果加工并裝配了柑橘育苗缽裝填成穴生產(chǎn)線試驗(yàn)樣機(jī), 如圖10a所示． 試驗(yàn)采用規(guī)格為10.5 cm×34 cm(口徑×高)、 厚度為0.5 mm的塑料育苗缽． 試驗(yàn)營(yíng)養(yǎng)土為草炭營(yíng)養(yǎng)土, 按草炭∶谷殼∶河沙體積比1∶1∶1混拌而成[23-24]．

3.1 育苗缽裝填試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

裝填時(shí), 育苗缽裝填量越大越好, 各營(yíng)養(yǎng)缽間裝填量越均勻越好． 為排除不同含水率營(yíng)養(yǎng)土中水分所占的質(zhì)量的影響, 以等效平均裝填量me作為裝填量評(píng)價(jià)指標(biāo), 以裝填量相對(duì)極差Rr作為裝填均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)． 等效平均裝填量me計(jì)算公式如式(9)所示．

(9)

圖9 控制系統(tǒng)硬件組成

其中W為營(yíng)養(yǎng)土重量含水率, 單位為%;ma為平均裝填量, 單位為g;mk為同組試驗(yàn)內(nèi)第k號(hào)育苗缽內(nèi)裝填量, 單位為g;n為同組試驗(yàn)育苗缽總數(shù)． 裝填量相對(duì)極差Rr計(jì)算公式如式(10)所示．

(10)

其中mmax為同組試驗(yàn)內(nèi)育苗缽最大裝填量, 單位為g;mmin為同組試驗(yàn)內(nèi)育苗缽最小裝填量, 單位為g．

1為穴壁采樣環(huán)刀; 2為穴底采樣環(huán)刀．圖10 柑橘育苗缽裝填成穴生產(chǎn)線樣機(jī)試驗(yàn)

3.1.2 試驗(yàn)因素及方案

選取營(yíng)養(yǎng)土含水率、 提升機(jī)速度、 卸料高度作為試驗(yàn)因素, 其中含水率采用體積含水率, 使用HM-WSYP土壤水分測(cè)定儀快速測(cè)量． 對(duì)各因素水平編碼如表2所示, 其中體積含水率各水平對(duì)應(yīng)質(zhì)量含水率W由烘干法[25]測(cè)定, 分別為6.58%, 16.68%, 29.84%． 采用L9(34)正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案, 每組試驗(yàn)重復(fù)裝填5次, 每次裝填單框8個(gè)育苗缽, 因此每組試驗(yàn)包含40個(gè)育苗缽, 即式(9)中n取值為40．

表2 裝填試驗(yàn)因素與水平

3.1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

各評(píng)價(jià)指標(biāo)測(cè)量計(jì)算結(jié)果與極差分析如表3所示, 用SPSS 26.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)做方差分析, 結(jié)果如表4所示． 結(jié)合表3和表4可知, 營(yíng)養(yǎng)土含水率對(duì)等效平均裝填量me影響極顯著, 卸料高度對(duì)me影響顯著, 各因素影響主次為A, C, B, 最優(yōu)組合為A1B3C3; 營(yíng)養(yǎng)土含水率、 卸料高度對(duì)裝填量相對(duì)極差Rr影響顯著, 各因素影響主次為C, A, B, 最優(yōu)組合為A1B3C3． 由于各因素對(duì)各指標(biāo)影響的最優(yōu)組合相同, 因此選取營(yíng)養(yǎng)土含水率3%、 提升機(jī)速度0.25 m/s、 卸料高度580 mm為最優(yōu)參數(shù)組合． 最優(yōu)組合下, 實(shí)測(cè)裝填工序單框平均耗時(shí)12.4 s, 因此裝填工序最大效率η1約為2 322缽/h．

營(yíng)養(yǎng)土含水率增加時(shí), 裝填量減小, 裝填均勻性變差． 因?yàn)楹试酱? 干質(zhì)量占比越小, 同時(shí)營(yíng)養(yǎng)土結(jié)團(tuán)越嚴(yán)重, 孔隙度越大, 使得干質(zhì)量進(jìn)一步減小; 并且孔隙在各育苗缽內(nèi)生成隨機(jī), 孔隙越多時(shí)各缽內(nèi)分布越不均勻, 導(dǎo)致裝填均勻性越差． 同時(shí), 含水率越大附著于分流蓋板上的營(yíng)養(yǎng)土越多, 對(duì)下落營(yíng)養(yǎng)土阻力越大, 裝填緊實(shí)程度降低; 而蓋板各導(dǎo)流孔處附著量不一致, 進(jìn)一步加劇落入各缽內(nèi)營(yíng)養(yǎng)土的不均勻性; 但過(guò)低的含水率會(huì)導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)土卸料過(guò)程中揚(yáng)塵過(guò)大, 作業(yè)環(huán)境惡劣．

表3 裝填試驗(yàn)結(jié)果與極差分析

表4 裝填試驗(yàn)方差分析

卸料高度增加時(shí), 裝填量變大, 裝填均勻性變好． 因?yàn)樾读细叨仍礁? 營(yíng)養(yǎng)土顆粒末端動(dòng)能越大, 裝填越緊實(shí); 同時(shí), 卸料高度越高, 末端營(yíng)養(yǎng)土散開(kāi)程度越大, 分流蓋板的倒“V”形梁與營(yíng)養(yǎng)土層中性面顆粒落點(diǎn)對(duì)齊度越好, 轉(zhuǎn)運(yùn)框前后兩排裝填越均勻． 但卸料高度過(guò)高也會(huì)導(dǎo)致提升機(jī)尺寸過(guò)大, 制造成本與使用能耗都相應(yīng)增加．

3.2 澆灌沖穴試驗(yàn)

由于澆灌后水分浸潤(rùn)是一個(gè)漸變過(guò)程, 難以直接觀察與測(cè)量, 但對(duì)后續(xù)沖穴過(guò)程有較大影響, 可以通過(guò)沖穴效果來(lái)評(píng)價(jià)． 因此, 本研究采用澆灌-沖穴聯(lián)合試驗(yàn)．

3.2.1 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

成穴過(guò)程中, 缽內(nèi)營(yíng)養(yǎng)土被壓縮, 過(guò)于緊實(shí)透氣透水性差, 不利于根系生長(zhǎng); 而過(guò)于疏松會(huì)造成營(yíng)養(yǎng)土在后期進(jìn)一步沉降, 也不利于植物根系生長(zhǎng)與固定． 結(jié)合前文分析, 本研究選取孔徑收縮率Rs、 育苗缽塌陷高度hc、 營(yíng)養(yǎng)土沉降高度hs、 穴壁孔隙度Pw和穴底孔隙度Pb作為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)．

孔徑收縮率Rs按式(7)計(jì)算, 孔穴直徑Da和有效深度he的測(cè)量采用較輕的塑料尺, 以盡量減小對(duì)營(yíng)養(yǎng)土的干擾, 并測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向取均值[26], 如圖10e所示． 育苗缽塌陷高度hc和營(yíng)養(yǎng)土沉降高度hs的測(cè)量與計(jì)算參照式(8)． 穴壁孔隙度Pw和穴底孔隙度Pb根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)測(cè)量與計(jì)算[27], 使用規(guī)格為φ24 mm×0.5 mm×30 mm(外徑×壁厚×長(zhǎng)度)的自制小環(huán)刀采樣, 如圖10f所示．

3.2.2 試驗(yàn)因素及方案

由前文分析, 并考慮沖穴速度(沖穴柱下降速度)對(duì)營(yíng)養(yǎng)土壓縮程度的影響, 以及孔穴定型時(shí)間對(duì)孔穴內(nèi)腔穩(wěn)定程度的影響, 選取單個(gè)育苗缽澆灌總量、 浸潤(rùn)時(shí)間、 沖穴柱錐尖角度、 沖穴速度、 穴底停留時(shí)間作為試驗(yàn)因素． 結(jié)合前文分析和前期單因素預(yù)試驗(yàn)研究, 確定各因素水平編碼如表5所示, 其中澆灌總量各水平對(duì)應(yīng)澆灌流量為3.5 L/min, 3.0 L/min, 2.6 L/min． 使用裝填試驗(yàn)優(yōu)選的體積含水率為3%的營(yíng)養(yǎng)土進(jìn)行試驗(yàn), 試驗(yàn)中保持沖穴柱初始高度一致, 每次試驗(yàn)沖穴柱行程均為270 mm． 采用L18(37)正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案, 每組試驗(yàn)重復(fù)3次, 取均值作為試驗(yàn)結(jié)果．

表5 澆灌沖穴試驗(yàn)因素與水平

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

各評(píng)價(jià)指標(biāo)測(cè)量計(jì)算結(jié)果與極差分析如表6所示, 試驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析結(jié)果如表7所示． 由表6可知, 所有試驗(yàn)組的穴壁孔隙度Pw和穴底孔隙度Pb均在54%～94%范圍內(nèi), 能夠滿足柑橘砧木苗的栽培需要[28], 因此不對(duì)其進(jìn)行極差與方差分析, 且穴壁孔隙度Pw總體小于穴底孔隙度Pb, 說(shuō)明沖穴過(guò)程對(duì)穴壁的壓縮作用大于穴底． 結(jié)合表6和表7可知, 澆灌總量對(duì)孔徑收縮率Rs影響極顯著, 浸潤(rùn)時(shí)間和穴底停留時(shí)間對(duì)Rs影響顯著, 各因素影響主次為A, E, B, D, C, 最優(yōu)組合為A1B3C3D2E2; 澆灌總量對(duì)育苗缽塌陷高度hc影響顯著, 沖穴柱錐尖角度對(duì)hc影響極顯著, 各因素影響主次為C,A,D,B,E, 最優(yōu)組合為A2B2C1D3E3; 沖穴柱錐尖角度對(duì)營(yíng)養(yǎng)土沉降高度hs影響極顯著, 各因素影響主次為C, D, A, E, B, 最優(yōu)組合為A2B3C1D3E1．

表6 澆灌沖穴試驗(yàn)結(jié)果與極差分析

表7 澆灌沖穴試驗(yàn)方差分析

對(duì)各因素以減小孔徑收縮率Rs、 育苗缽塌陷高度hc和營(yíng)養(yǎng)土沉降高度hs為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化． 澆灌總量對(duì)Rs和hc均影響顯著, 主要考慮減小育苗缽塌陷, 且澆灌量越大成穴效果越好, 澆灌總量應(yīng)為450 mL; 浸潤(rùn)時(shí)間對(duì)Rs影響顯著, 選取為19 s; 沖穴柱錐尖角度對(duì)hc和hs均影響顯著, 且最優(yōu)組合一致, 因此選取為35°; 沖穴速度對(duì)所有指標(biāo)均無(wú)顯著影響, 為盡量提高作業(yè)效率, 選取為200 mm/s; 穴底停留時(shí)間對(duì)Rs影響顯著, 選取為2 s． 綜上, 選取單缽澆灌總量450 mL(對(duì)應(yīng)澆灌流量為3.0 L/min)、 浸潤(rùn)時(shí)間19 s、 沖穴柱錐尖角度35°、 沖穴速度200 mm/s、 穴底停留時(shí)間2 s為最優(yōu)參數(shù)組合． 最優(yōu)組合下, 由式(2)算得澆灌工序最大效率η2約2 360缽/h, 略大于裝填工序的最大效率η1(2 322缽/h); 同理算得沖穴工序最大效率η3約3 428缽/h, 大于η1． 為實(shí)現(xiàn)裝填、 澆灌、 沖穴3個(gè)工序的效率匹配, 需以裝填工序效率為基準(zhǔn), 降低澆灌和沖穴工序的效率． 為保證澆灌工序的浸潤(rùn)時(shí)間與試驗(yàn)值一致, 降低澆灌工序效率的方式為在澆灌開(kāi)始之前增加等待時(shí)長(zhǎng), 降低沖穴工序效率的方式為在沖穴結(jié)束之后增加等待時(shí)長(zhǎng)． 此外, 為保證澆灌工序浸潤(rùn)時(shí)間, 需確定鏈網(wǎng)、 鏈板輸送帶的相關(guān)參數(shù)． 將浸潤(rùn)時(shí)間19 s和已知量帶入式(3)可得L2+L3=1.02, 結(jié)合式(4), 取L2為0.27 m,L3為0.75 m． 因此, 鏈網(wǎng)輸送帶靜置位置后段距離設(shè)計(jì)為0.27 m, 鏈板輸送帶沖穴工位前段距離設(shè)計(jì)為0.75 m．

孔徑收縮率隨澆灌總量先增大后減小, 可能是營(yíng)養(yǎng)土含水較少時(shí), 水分對(duì)營(yíng)養(yǎng)土顆粒間的潤(rùn)滑作用大于黏合作用, 導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)土流動(dòng)性隨含水量增大而增大, 而含水較多時(shí)黏合作用更強(qiáng), 流動(dòng)性隨含水量增大而減?。?同時(shí), 浸潤(rùn)時(shí)間越長(zhǎng), 進(jìn)入營(yíng)養(yǎng)土的水分越多, 其平均含水量越大, 流動(dòng)性隨含水量先增大后減小的特點(diǎn), 也導(dǎo)致孔徑收縮率隨浸潤(rùn)時(shí)間先增大再減?。?孔徑收縮率隨穴底停留時(shí)間先減小再增大, 可能是停留時(shí)間太短時(shí)孔穴不足以定型, 而太長(zhǎng)時(shí)沖穴柱易與穴壁粘連, 在提升過(guò)程中粘連力的水平分力導(dǎo)致孔穴收縮． 育苗缽塌陷高度隨澆灌總量先減小后增大, 也可能是因?yàn)闋I(yíng)養(yǎng)土流動(dòng)性隨含水量先增大后減小, 使得沖穴柱所受阻力先減小后增大, 導(dǎo)致其對(duì)育苗缽壓縮程度相應(yīng)改變． 育苗缽塌陷高度和營(yíng)養(yǎng)土沉降高度均隨沖穴柱錐尖角度增大而增大, 可能的原因是沖穴柱越不尖銳, 沖穴柱頭部對(duì)營(yíng)養(yǎng)土作用力在豎直方向的分力越大, 對(duì)營(yíng)養(yǎng)土和育苗缽的壓縮程度越大．

3.2.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

由于正交試驗(yàn)表中未涉及最優(yōu)參數(shù)組合, 因此進(jìn)行最優(yōu)組合的作業(yè)效果驗(yàn)證試驗(yàn), 試驗(yàn)方法同前, 重復(fù)3次, 試驗(yàn)結(jié)果如表8所示． 由試驗(yàn)結(jié)果可知, 最優(yōu)參數(shù)組合下, 孔徑收縮率為8.98%, 育苗缽塌陷高度為16.3 mm, 營(yíng)養(yǎng)土沉降高度為33.8 mm, 穴壁和穴底孔隙度分別為56.66%和60.27%, 均滿足帶基質(zhì)砧木苗移栽需要．

表8 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

1) 研制了一種用于柑橘工廠化容器育苗的育苗缽裝填成穴生產(chǎn)線, 主要由裝填模塊、 澆灌模塊和沖穴模塊組成, 實(shí)現(xiàn)了育苗缽中營(yíng)養(yǎng)土的均勻裝填以及移栽穴的穩(wěn)定成型． 完成了生產(chǎn)線機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì), 分析了各模塊主要工作過(guò)程, 進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)選試驗(yàn)．

2) 育苗缽裝填正交試驗(yàn)表明, 裝填量和裝填均勻性均主要受營(yíng)養(yǎng)土含水率和卸料高度影響． 最優(yōu)裝填參數(shù)組合為: 營(yíng)養(yǎng)土體積含水率3%、 提升機(jī)速度0.25 m/s、 卸料高度580 mm． 澆灌-沖穴正交試驗(yàn)表明, 移栽穴孔徑收縮率主要受澆灌總量、 浸潤(rùn)時(shí)間和穴底停留時(shí)間影響, 育苗缽塌陷高度主要受澆灌總量和沖穴柱錐尖角度影響, 營(yíng)養(yǎng)土沉降高度主要受沖穴柱錐尖角度影響, 穴壁和穴底孔隙度均滿足砧木苗栽培需要; 最優(yōu)參數(shù)組合為澆灌總量450 mL(對(duì)應(yīng)澆灌流量3.0 L/min)、 浸潤(rùn)時(shí)間19 s、 沖穴柱錐尖角度35°、 沖穴速度200 mm/s、 穴底停留時(shí)間2 s．

3) 最優(yōu)參數(shù)組合下, 整機(jī)效率大于2 300缽/h, 且裝填成穴效果好, 作業(yè)過(guò)程對(duì)育苗缽保護(hù)到位, 滿足柑橘工廠化容器育苗的育苗缽裝填與移栽穴成型在線自動(dòng)化高效生產(chǎn)需求．