高　捷，馬亞朋，胡　斌，任　萍，馬　振

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子　832000)

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基于射流沖擊的穴盤立式取苗器取苗過程的分析研究

高捷，馬亞朋，胡斌，任萍，馬振

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832000)

摘要：為了提高番茄移栽的自動(dòng)化水平及無損取苗的效率，以穴盤立式取苗器為載體，對(duì)于其射流沖擊取苗過程中的苗缽的受力情況及空間流場(chǎng)參數(shù)變化進(jìn)行分析研究，得到理想狀態(tài)的射流沖擊模型，解析出投苗初速度的影響因素。同時(shí)，分析了各因素水平的主次關(guān)系，證明了零速投苗的可行性，并通過物理試驗(yàn)驗(yàn)證了分析結(jié)論。

關(guān)鍵詞：移栽；取苗；射流沖擊；流場(chǎng)分析；零速投苗

0引言

新疆番茄的生產(chǎn)能力約占全國的90%、出口量已占世界貿(mào)易總量的 1/4，已經(jīng)成為了繼美國、意大利之后的世界第三大番茄制品生產(chǎn)和出口基地。年季熱量資源不穩(wěn)定的氣候特征是制約新疆作物產(chǎn)量的一個(gè)重要因素，在終霜后進(jìn)行穴盤苗移栽，可減少自然災(zāi)害的影響，對(duì)氣候具有補(bǔ)償作用。手工作業(yè)的大田移栽農(nóng)藝過程勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、難以實(shí)現(xiàn)大面積作業(yè)。因此，實(shí)現(xiàn)穴盤苗作物移栽的機(jī)械化及自動(dòng)化成為必然的發(fā)展趨勢(shì)[1-2]。

取苗是番茄移栽作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是影響番茄種植作業(yè)質(zhì)量和效果的關(guān)鍵技術(shù)。國內(nèi)外學(xué)者非常重視自動(dòng)移栽機(jī)取苗裝置的研發(fā)，在氣吸式取苗和機(jī)械夾持取苗等方面取得了一定成果；但前者對(duì)于秧苗根莖形狀尺寸的適應(yīng)性差，后者存在取苗結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對(duì)基質(zhì)土壤有一定傷害及無法解決振動(dòng)等慣性問題[3]。針對(duì)以上問題，本文以穴盤立式取苗器為載體，提出了基于射流沖擊的取苗方式，以期為提高番茄移栽作業(yè)自動(dòng)化水平及無損取苗的效率提供一種新的思路和方法。

1取苗器結(jié)構(gòu)及工作原理

結(jié)合穴盤立式取苗器的工作原理和性能要求，其結(jié)構(gòu)主要分為凸輪裝置、滾子推桿、復(fù)位彈簧、頂桿氣嘴及落盤機(jī)構(gòu)等。工作過程中，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)凸輪軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，滾子推桿在凸輪的作用下聯(lián)接頂桿氣嘴向穴盤底部小孔運(yùn)動(dòng)，頂進(jìn)穴盤底部小孔，打破穴盤與缽苗之間的粘結(jié)力；同時(shí)，中空頂桿通過軟管與氣動(dòng)裝置連接，末端噴嘴噴射出氣體，沖擊秧苗底部，使秧苗投苗至輸送帶，完成整套取苗投苗過程；隨后，在彈簧作用下，頂桿復(fù)位，凸輪軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行下一次的取苗動(dòng)作。

1.機(jī)架2.凸輪3.凸輪軸4.滾子推桿5.接氣軟管6.頂桿氣嘴

7.復(fù)位彈簧8.穴盤9.穴盤滑軌10.落盤機(jī)構(gòu)11.電磁鐵

圖1取苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)整排缽苗被取出后，電磁鐵通電吸引落盤機(jī)構(gòu)位移，使穴盤整排下降一格；隨后通電截止，落盤機(jī)構(gòu)在彈簧作用下復(fù)位，限制穴盤的下降趨勢(shì)，為再次取苗做準(zhǔn)備。

2取苗過程分析研究

取苗過程分為3個(gè)階段：第1階段為破結(jié)，頂蓋頂入穴盤小孔，打破缽苗與穴盤內(nèi)壁之間的粘結(jié)力；第2階段為滑動(dòng)，缽苗在射流氣體的沖擊力作用下眼穴盤腔壁滑出穴盤；第3階段為脫落，缽苗滑出后做拋體運(yùn)動(dòng)，落入投苗輸送帶，完成取苗。

為了探究影響缽苗投苗初速度的影響因素，本文將第2階段作為重點(diǎn)研究對(duì)象進(jìn)行分析。

2.1射流氣體的沖擊原理[3]

從氣嘴噴出的射流氣體到達(dá)穴盤的底部，通過穴盤底部的圓形透氣口將秧苗從穴盤中吹出，其工作原理圖如圖2所示。本研究所用氣嘴為圓柱形管，因此以圓斷面紊流射流為例，來討論射流運(yùn)動(dòng)[4]。

在距噴嘴距離為s處的射流半徑為

(1)

其中，r0為噴嘴半徑，a為紊流系數(shù)，R為穴盤底孔的半徑。

圖2　射流氣體工作原理圖

2.2秧苗滑動(dòng)瞬間的動(dòng)力學(xué)分析[4]

假設(shè)取苗第2階段秧苗與穴盤之間的粘結(jié)力已完全打破，這是氣體和秧苗、秧苗和穴盤之間以及秧苗自身重力相互作用的一個(gè)過程。這時(shí)秧苗受到射流氣體的沖擊產(chǎn)生與穴盤壁相對(duì)滑動(dòng)，對(duì)該瞬間缽苗的受力進(jìn)行分析，建立秧苗的力學(xué)模型，如圖3所示。

其中，穴盤單一苗孔軸線與水平面的夾角為?(即穴盤傾角?)，單穴體側(cè)壁與Y軸夾角為β，秧苗在被氣體吹出的瞬間受到的射流沖擊力為F，穴盤對(duì)苗的支持力為P，秧苗自重為G，秧苗和穴盤之間的摩擦力為f。最初，f由兩部分組成，秧苗基質(zhì)與單穴體側(cè)壁間相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的滑移摩擦力及因基質(zhì)材料而產(chǎn)生的與穴盤的粘附力。此刻，由于頂桿機(jī)構(gòu)已將粘結(jié)力打破，分析時(shí)可將后者忽略不計(jì)。

圖3　射流沖擊瞬間秧苗力學(xué)模型

列出Y軸上的平衡力方程為

Pcosβ+fsinβ=Gsin?

(2)

摩擦力f的表達(dá)式為

f=μP

(3)

忽略氣體黏性、分子碰撞間能量損耗及與外界的熱交換，視其為不可壓縮的理想狀態(tài)，射流沖擊作用于沿邊界層假想的管道中，由伯努利方程得

(4)

作用于秧苗底部的氣體推力為

F=P1·πR2

(5)

沿X軸秧苗加速度為

(6)

沿X軸初速度為

v初=a·Δt

(7)

聯(lián)立上述方程，解得

(8)

其中，Δt為射流持續(xù)時(shí)間，v1是氣體射流沖擊核心段橫斷面平均流速[5]。則有

(9)

由此可知，影響投苗初速度的因素有：紊流系數(shù)a、噴射距離s、噴嘴半徑r0、噴嘴氣流初壓強(qiáng)P0、噴嘴氣流初速度v0、穴盤苗孔軸線與水平面夾角?，射流時(shí)間為Δt。β由穴盤制造工藝決定，在此認(rèn)為其為定值；μ是秧苗基質(zhì)和穴盤的摩擦因數(shù)，雖然此因數(shù)會(huì)因基質(zhì)材料和含水率的不同而略有不同，但其在移栽農(nóng)藝條件的限定下是不會(huì)有太大改變，亦認(rèn)為其為定值；m與G由調(diào)研得到的秧苗植株平均質(zhì)量賦值并參與計(jì)算；ρ取空氣平均密度；P大氣取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的空氣壓強(qiáng)。

另外噴嘴處氣流壓強(qiáng)和速度有相應(yīng)關(guān)系為

(10)

P=P0-P大氣

(11)

其中，φ為流速系數(shù)，以圓柱形管口為例，φ=0.96[6]。

3影響投苗初速度的各因素的分析

3.1紊流系數(shù)a

紊流系數(shù)由試驗(yàn)決定，是表示射流流動(dòng)結(jié)構(gòu)的特征系數(shù)，與出口斷面上紊流強(qiáng)度及斷面上速度分布的均勻性有關(guān)。本文以圓柱形管口為例進(jìn)行計(jì)算，a=0.076[6]。

3.2噴嘴氣流初壓強(qiáng)P0

取s=0.01m，r0=0.002m，?=90°。另外，經(jīng)過調(diào)研測(cè)量取平局值或查閱參考文獻(xiàn)得到以下定值：m=0.011 2kg，G=0.112N，β=9.65°，μ=0.6，ρ=1.293kg/m3，P大氣=0.1MPa，φ=0.96，Δt=0.2s。代入式(8)～式(11)得到投苗初速度v初與噴嘴氣流初壓強(qiáng)P0之間的線性關(guān)系式為

v初=2 180P0-217.4

(12)

由圖4可見：改變噴嘴壓強(qiáng)能夠明顯改變缽苗的投苗初速度，故P0為影響投苗初速度的最關(guān)鍵因素之一，可以通過控制噴嘴壓強(qiáng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)于初速度的控制，證明了實(shí)現(xiàn)零速投苗的可行性。

圖4　投苗初速度隨壓強(qiáng)變化曲線

3.3穴盤傾角?

取s=0.01m、r0=0.002m、P0=0.11MPa，計(jì)算可得v0=119m/s，得到v初與?間的關(guān)系式為

v初=17.5-0.78sin?-2cos?

(13)

由圖5可知：穴盤傾角?對(duì)于秧苗沿軸線投出初速度的影響呈周期性變化，但變化幅度較小，屬于影響投苗初速度的非關(guān)鍵因素。

圖5　投苗初速度隨穴盤傾角變化曲線

3.4噴射距離s

取?=90°、r0=0.002m、P0=0.11MPa，得到v初與s間的關(guān)系式為

(14)

由于空氣阻力的存在，噴射距離需控制在一定范圍之內(nèi)。圖6表明當(dāng)噴射距離s在取值0～4cm之間，秧苗的射出初速度的變化情況：v初隨s增大而增大，在1.5cm處增加趨勢(shì)明顯減緩并趨向于定值；由于增幅偏小，故噴射距離s屬于影響投苗初速度的非關(guān)鍵因素。

圖6　投苗初速度隨噴射距離變化曲線

3.5噴嘴半徑r0

取?=90°、s =0.01m、P0=0.11MPa，得到v初與噴嘴半徑r0之間的關(guān)系式為

v初=21.43-

(15)

噴嘴半徑不應(yīng)小于穴盤底孔，圖7表明當(dāng)噴嘴半徑在0～4mm之間變化時(shí)，投苗初速度隨其增大而減小。因變化幅度較小，故噴嘴半徑亦認(rèn)為是影響投苗初速度的非關(guān)鍵因素。

圖7　投苗初速度隨噴嘴半徑變化曲線

4試驗(yàn)

為了驗(yàn)證射流沖擊取苗理論分析的正確性，搭建物理實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)[7]。

4.1試驗(yàn)對(duì)象與指標(biāo)

1)試驗(yàn)對(duì)象：含水率30%、苗齡58天的里格87-5番茄苗，所用穴盤為128穴黑色育苗盤，缽苗與穴盤之間的粘結(jié)力均已打破。

2)試驗(yàn)指標(biāo)：改變氣嘴噴射壓力，測(cè)量缽苗拋投水平距離d，由此可計(jì)算出缽苗投苗初速度。其中，噴嘴距傳送帶垂直距離為0.2m，傳送帶距離穴盤水平距離0.1m，傳送帶寬0.3m。

4.2試驗(yàn)因素及方法

1)通過調(diào)整凸輪軸和滾子頂桿的安裝初始位置，進(jìn)行移栽機(jī)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)試驗(yàn)，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)間時(shí)序分配的合理性。

2)試驗(yàn)時(shí)，選用2mm半徑的頂桿噴嘴，噴射時(shí)間0.2s，噴射距離3mm，穴盤傾角90°；噴嘴壓力分別取0.16、0.18、0.2、0.22、0.24、0.26MPa。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明: 取苗機(jī)構(gòu)的整個(gè)時(shí)序分配合理，各機(jī)構(gòu)間運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)可靠，可實(shí)現(xiàn)整排取苗間隔放苗的作業(yè)要求；噴嘴壓力對(duì)于投苗初速度產(chǎn)生較大影響，投苗初速度與噴嘴壓力近似成線性關(guān)系。

表1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5結(jié)論

1)基于射流沖擊的穴盤立式取苗器結(jié)構(gòu)簡單、方案合理，實(shí)現(xiàn)高效快速無損取苗，為移栽機(jī)取苗器的研制提供了一種新思路。

2)對(duì)于射流沖擊取苗過程中的苗缽的受力情況以及空間流場(chǎng)參數(shù)變化進(jìn)行分析研究，得到理想狀態(tài)的射流沖擊模型，解析出投苗初速度的表達(dá)式。

3)由表達(dá)式找出影響投苗速度因素，對(duì)于各因素的分析研究得出結(jié)論：可通過環(huán)境變量及氣動(dòng)參數(shù)的控制來實(shí)現(xiàn)零速投苗的理想狀態(tài)。

4)以番茄苗為對(duì)象，進(jìn)行樣機(jī)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)匹配試驗(yàn)和最佳取苗工作參數(shù)試驗(yàn)，結(jié)果表明：整排取苗間隔放苗機(jī)構(gòu)時(shí)序分配合理，各機(jī)構(gòu)間運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)可靠，投苗初速度與噴嘴壓力近似成線性關(guān)系，驗(yàn)證了理論分析得出的結(jié)論。

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Abstract ID:1003-188X(2016)03-0047-EA

The Analysis and Research on Pick-up Plug Seedlings Process of Aperture Disk Vertical Pick-up Pevice Based on the Jet Impingement

Gao Jie, Ma Yapeng, Hu Bin, Ren Ping, Ma Zhen

(Machinery and Electricity Engineering College，Shihezi University，Shihezi 832000，China)

Abstract：In order to improve the automation level of tomato transplanting and the efficiency of nondestructive pick-up seedlings, the paper takes aperture disk vertical pick-up device as an example,takes a research on the forces of the seedling pot and the parameters variation of the the flow field during the jet impingement, gets the ideal model of jet impingement, parses out the influence factors about seedlings initial velocity, analyzes the relationship between each factor, proved the feasibility of zero speed off seedling, and verified those conclusion by the physical experiment.

Key words：transplant; seedling; jet impingement; flow field analysis

文章編號(hào)：1003-188X(2016)03-0047-04

中圖分類號(hào)：S223.9；S220.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：高捷(1989-),男，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，(E-mail) gaojie8902@163.com。通訊作者：胡斌( 1968- ) ，男，湖北英山人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail) hb_mac@shzu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51365047)

收稿日期：2015-03-11