高原源，王 秀,舒象興，趙春江

(1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097；2.國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；4.農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100097；5.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

?

育苗穴盤自動(dòng)清洗裝置的設(shè)計(jì)

高原源1,2,4,5，王 秀1,2,4,舒象興1,2,4，趙春江3,5

(1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097；2.國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；4.農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100097；5.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

工廠化育苗過程中，使用過的穴盤中常含有有害病原菌，影響種子出苗質(zhì)量，重復(fù)使用前需進(jìn)行清洗消毒處理。針對(duì)傳統(tǒng)手工清洗方式勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、易傷盤，且部分穴盤基質(zhì)固結(jié)不易洗凈的問題，提出了清水浸泡-水壓沖洗-風(fēng)力干燥的方式，即浸泡后的穴盤豎直送入清洗艙，兩側(cè)對(duì)稱噴頭多次沖洗，后續(xù)風(fēng)力干燥，最終設(shè)計(jì)了一種育苗穴盤自動(dòng)清洗裝置。該裝置主要由清洗系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)清洗水壓和清洗速度可調(diào)，并利用壓力變送器和變頻器的PID控制穩(wěn)定清洗壓力，同時(shí)清洗用水可循環(huán)利用。該設(shè)計(jì)有效地提高了穴盤清洗效率和作業(yè)性能，避免了穴盤損傷，滿足了育苗穴盤重復(fù)利用清洗需求。

工廠化育苗；穴盤；自動(dòng)清洗；水壓

0 引言

工廠化育苗以規(guī)?；C(jī)械化、自動(dòng)化等特點(diǎn)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，具有省時(shí)省力、育苗質(zhì)量好及成功率高的優(yōu)點(diǎn)[1-4]。對(duì)于工廠化育苗必備的育苗穴盤，我國目前多采用PS吸塑盤[5-6]，這種穴盤常溫下不可降解。為節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境，穴盤的重復(fù)利用成為育苗企業(yè)的必然選擇。已使用過的穴盤殘留基質(zhì)中可能含有一些有害的病原菌或蟲卵等[7-8]，需對(duì)其進(jìn)行清洗消毒，以免影響種子的出苗質(zhì)量。傳統(tǒng)穴盤清洗方式為人工毛刷清洗，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，且不易掌握刷洗力度，容易損壞穴盤，而物理水壓沖洗是目前公認(rèn)的最科學(xué)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的方法[9-11]。

國外的穴盤育苗技術(shù)因其起源早、發(fā)展時(shí)間長，相應(yīng)的技術(shù)及配套設(shè)施發(fā)展的較為成熟[12-13]，研發(fā)的穴盤清洗裝置，技術(shù)成熟，自動(dòng)化程度較高，且可滿足穴盤清洗、消毒和干燥不同需求。如澳大利亞WASHTECH公司參照自動(dòng)洗碗機(jī)的原理，設(shè)計(jì)制造了AL8柜式清洗機(jī)。整個(gè)清洗機(jī)械分為上下兩層，上層是裝有旋轉(zhuǎn)噴頭的清洗艙，下層是供水箱。旋轉(zhuǎn)噴頭與清洗管路和消毒管路連接，通過程序控制分別單獨(dú)接通，達(dá)到清洗、消毒同批依次進(jìn)行的目的。同時(shí)，清洗艙內(nèi)也可對(duì)穴盤風(fēng)力干燥，實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程自動(dòng)化無人操作。美國INSINGER公司研制的TRAC系列穴盤清洗機(jī)，根據(jù)水箱數(shù)量劃分不同規(guī)格，搭配TD系列穴盤干燥機(jī)，最高清洗效率可達(dá)878盤/h，滿足了不同清洗效率需求。此外，德國MOBA公司生產(chǎn)的托盤清洗機(jī)，主要用于清洗蛋盤。工作時(shí)，使用過的蛋盤被自動(dòng)分開，以水平放置形式送入清洗機(jī)，經(jīng)過水壓清洗后自動(dòng)堆疊，然后高速旋轉(zhuǎn)甩干。其效率高，干燥速度快，但對(duì)穴盤品質(zhì)要求較高，且價(jià)格昂貴。

相較而言，國內(nèi)在育苗產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化方面發(fā)展落后，配套的穴盤清洗方面研究較少，相應(yīng)的成套裝置缺乏。禹振軍和劉建福研制了一種隧道式穴盤清洗機(jī)[14]。工作時(shí)，將穴盤水平放置輸送至清洗艙，上下左右4個(gè)方向交錯(cuò)排列的噴嘴在水泵作用下對(duì)穴盤進(jìn)行清洗，清洗效果穩(wěn)定性好；但水平放置清洗時(shí)，沖洗掉的基質(zhì)不易流出，影響清洗性能，且對(duì)基質(zhì)固結(jié)的穴盤清洗效果欠佳。為此，提出一種先浸泡、后水壓清洗干燥的方式，采用豎直送盤、對(duì)稱多次沖洗、循環(huán)水箱的設(shè)計(jì)，并研發(fā)了相應(yīng)的育苗穴盤自動(dòng)清洗裝置，清洗效率高、性能好。

1 總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

外形尺寸(長×寬×高)/m：3.2×1.0×1.3

工作電壓/V：380

運(yùn)行功率/kW：5.78

作業(yè)速度/盤·h-1：500～1 200

清洗壓力/bar：0～5

水箱容量/L：330

清洗潔凈率/%：≥98

1.2 總體結(jié)構(gòu)

育苗穴盤自動(dòng)清洗裝置主要由清洗系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。清洗系統(tǒng)由機(jī)架、循環(huán)水箱、水泵、直立噴管組、清洗噴嘴組、防水罩和傳送機(jī)構(gòu)等組成。其中，水箱固定在機(jī)架上，在其上方凹形槽內(nèi)放置傳送機(jī)構(gòu)；循環(huán)水箱、水泵、直立噴管組等通過管道連接，并固定在機(jī)架上，實(shí)現(xiàn)了清洗過程中水的循環(huán)利用。傳送機(jī)構(gòu)由減速電機(jī)、傳送帶、扶持導(dǎo)軌及導(dǎo)軌調(diào)節(jié)支架等組成，扶持導(dǎo)軌作用在于保持穴盤傳送方向和沖洗過程中的受力平衡；干燥系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、軟管、吹風(fēng)噴嘴及噴嘴調(diào)節(jié)支架等組成；控制系統(tǒng)由變頻器、空氣開關(guān)、旋鈕開關(guān)、繼電器、壓力變送器及開關(guān)電源等組成，控制著水泵、電機(jī)和風(fēng)機(jī)的啟停，以及水泵輸出壓力和傳送帶速度。

1.循環(huán)水箱 2.機(jī)架 3.水泵 4.過濾器 5.壓力變送器 6.控制機(jī)構(gòu) 7.風(fēng)機(jī) 8.吹風(fēng)噴嘴 9.減速電機(jī) 10.防水罩 11.直立噴管 12.穴盤 13.扶持導(dǎo)軌 14.傳送帶

1.3 工作過程

實(shí)際工作時(shí)，打開傳送帶和風(fēng)機(jī)開關(guān)，調(diào)節(jié)變頻器控制清洗壓力和清洗速度，待裝置運(yùn)行穩(wěn)定后，將浸泡過后的穴盤豎直放置在傳送帶上；在撥片推動(dòng)下，穴盤沿著扶持導(dǎo)軌進(jìn)入防水罩，而集水箱中水經(jīng)過過濾網(wǎng)進(jìn)入凈水箱，在水泵作用下以一定壓力，經(jīng)過過濾器和壓力變送器進(jìn)入清洗管路，通過清洗噴嘴組以扇形噴霧形式?jīng)_洗穴盤。其中，清洗過后的污水會(huì)流入集水箱，經(jīng)過過濾后再次進(jìn)入凈水箱，達(dá)到清洗水的循環(huán)利用。穴盤經(jīng)過6道清洗后到達(dá)穴盤干燥系統(tǒng)，在風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)力干燥后，最終完成整個(gè)穴盤清洗過程。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 清洗系統(tǒng)

2.1.1 傳送機(jī)構(gòu)

穴盤在傳送帶上的常見放置方式有3種：水平、傾斜和垂直。水平放置時(shí)要求傳送帶較寬，傾斜時(shí)受力不均，不利于傳送，垂直放置時(shí)，清洗受力面大且均勻，對(duì)傳送帶寬度要求較低，故本設(shè)計(jì)采用垂直放置方式。傳送機(jī)構(gòu)由傳送槽、減速電機(jī)、張緊機(jī)構(gòu)、傳送帶、扶持導(dǎo)軌和導(dǎo)軌調(diào)節(jié)支架組成，如圖2所示。3組導(dǎo)軌調(diào)節(jié)支架對(duì)稱布置在傳送槽兩側(cè)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)軌上下、前后的調(diào)節(jié)，適應(yīng)不同規(guī)格穴盤要求。為滿足清洗過后基質(zhì)順利落入集水箱中，傳送帶選用塑料網(wǎng)格傳送帶。為避免穴盤在傳送過程中因受力不均或其他原因卡在導(dǎo)軌上的情況，參照穴盤尺寸為L×W=540mm×280mm，在傳送帶上每隔600mm設(shè)置1個(gè)50mm高的撥片，推動(dòng)穴盤與傳送帶同步運(yùn)動(dòng)。傳送電機(jī)功率選型參照傳送帶[15]，最終選擇三相電機(jī)功率P=0.18kW，減速器減速比i=20。傳送槽尺寸包括清洗部分與干燥部分，設(shè)計(jì)時(shí)保證同時(shí)有5個(gè)穴盤在清洗干燥，最終尺寸長×寬×高=3 200mm×260mm×270mm。

1.張緊機(jī)構(gòu) 2.傳送槽 3.導(dǎo)軌調(diào)節(jié)支架 4.撥片 5.傳送帶 6.扶持導(dǎo)軌 7.減速電機(jī)

2.1.2 清洗管路

凈水箱中水經(jīng)管路依此通過水泵、過濾器、壓力變送器，然后分成兩路，進(jìn)入對(duì)稱布置的直立噴管組，最終由清洗噴嘴噴出，清洗穴盤。過濾器采用200目濾網(wǎng)，作用在于兩次過濾，防止清洗噴嘴堵塞；在水泵出水口安裝有壓力變送器，控制水泵輸出壓力，使其保持較穩(wěn)定狀態(tài)[16]，防止水壓突變損傷穴盤。

本設(shè)計(jì)中，比較矩形噴嘴、橢圓形噴嘴和扇形噴嘴沖洗性能[17-18]，選用沖洗打擊能力較強(qiáng)的扇形噴嘴，即液體離開噴嘴后形成的噴霧呈扇形。這種噴嘴噴射角度越小，沖洗打擊能力越強(qiáng)，相應(yīng)沖洗范圍越小。一般而言，沖洗水壓越大、沖洗次數(shù)越多，穴盤沖洗就越干凈，但沖洗水壓過高或沖洗次數(shù)過多易造成對(duì)穴盤的損傷。前期預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，6bar水壓下沖洗時(shí)已會(huì)造成對(duì)穴盤的損壞。因此，綜合考慮較強(qiáng)沖洗能力和不傷穴盤等因素，選用北京洋鑫利源公司定制了14PZ2060B2扇形噴嘴，其噴射角度為60°，流量為2L/min，工作壓力為5bar。

清洗噴嘴距離穴盤表面的距離影響著穴盤的清洗效果：距穴盤越近，清洗效果越好，但限于其噴射角度，相應(yīng)清洗范圍越小，單側(cè)清洗時(shí)所需噴頭數(shù)量越多；距穴盤越遠(yuǎn)，則清洗效果不佳。因此，實(shí)際清洗時(shí)以50～150mm為宜。由于扇形噴嘴的噴霧覆蓋范圍的兩端部分噴霧分布較少[19]，為了保證整個(gè)噴霧的均勻性和范圍，設(shè)計(jì)相鄰噴嘴在穴盤的沖洗噴射范圍應(yīng)至少有1/4部分重疊且清洗范圍遠(yuǎn)大于穴盤尺寸。由于扇形噴嘴噴射角度為60°，則噴嘴的布置應(yīng)滿足

(1)

式中X—噴嘴端面與穴盤間距(mm)；

Y—單個(gè)噴嘴清洗覆蓋范圍(mm)；

Z—單側(cè)噴嘴垂直間距(mm)。

根據(jù)50mm

X.噴嘴端面與穴盤間距 Y.單個(gè)噴嘴清洗覆蓋范圍Z.單側(cè)噴嘴垂直間距

如圖3所示，設(shè)計(jì)穴盤每側(cè)布置3個(gè)噴嘴時(shí)，噴嘴端面距穴盤間距X≈120mm，即兩側(cè)噴嘴端面間距為240mm，單個(gè)噴嘴覆蓋范圍Y=140mm，單側(cè)噴嘴垂直間距Z=105mm，滿足最佳清洗距離及最佳噴射角度的要求。為避免相鄰噴嘴噴霧間的干涉，噴嘴扇形噴霧面應(yīng)偏離直立噴管軸線方向6°左右，使得各個(gè)噴霧面傾斜平行。

直立噴管組的設(shè)計(jì)中，首要問題是在保證清洗效果的同時(shí)不損傷穴盤。如圖4所示，水平管道選用30mm×30mm不銹鋼矩形管，其上焊接六道直立噴管，間距330mm，兩條水平管道對(duì)稱布置傳送帶兩側(cè)。其中，直立噴管選用20mm×20mm不銹鋼矩形管，每個(gè)直立噴管上等間距安裝3個(gè)扇形清洗噴嘴。

1.水泵 2.過濾器 3.壓力變送器 4.水平管道 5.直立噴管 6.清洗噴嘴

對(duì)水泵選型上，應(yīng)根據(jù)噴嘴噴淋流量計(jì)算，水泵額定流量Q計(jì)算公式為

(2)

式中n—噴嘴個(gè)數(shù)；

q—噴嘴流量(L/min)；

λ—水泵流量余量(%)；

Q—水泵額定流量(m3/h)。

由此可知：清洗噴嘴流量為2L/min，工作水壓為5bar，數(shù)量36個(gè)，水泵的流量余量一般為10%～50%[20]，考慮到管路的壓力損失，取最大λ=50%，即設(shè)計(jì)水泵的額定流量Q約為8.64 m3/h，出水壓力約為噴嘴出水壓力的2倍，即10bar。查閱相關(guān)資料，選擇杭州南方特種泵業(yè)有限公司生產(chǎn)的CDLF8-10輕型立式多級(jí)離心泵，揚(yáng)程92m，流量8m3/h，功率4.0kW，轉(zhuǎn)速2 900r/min。

2.1.3 循環(huán)水箱

為節(jié)約用水，滿足穴盤清洗過程中水的循環(huán)利用，將水箱內(nèi)部分為集水箱和凈水箱兩部分，兩者之間加入150目的過濾網(wǎng)。穴盤清洗過后的污水首先進(jìn)入集水箱，然后經(jīng)過濾網(wǎng)進(jìn)入凈水箱，最后經(jīng)凈水箱流向水泵?？紤]到清洗過后污泥沉淀，將過濾網(wǎng)安裝在距離箱底一定距離上，為滿足排水排污需求，在兩水箱底部均設(shè)有1寸2分球型排水閥，同時(shí)在集水箱一側(cè)設(shè)有溢流閥，以便控制水箱注水量。此外，由于傳送機(jī)構(gòu)安置在水箱上，因此在水箱上部邊緣處開設(shè)凹槽，以便傳送機(jī)構(gòu)垂直卡入。水箱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5所示，容積為330L。

1.凈水箱 2.過濾網(wǎng) 3.集水箱 4.排水閥 5.溢流閥

2.2 干燥系統(tǒng)

干燥系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、軟管、吹風(fēng)噴嘴及噴嘴調(diào)節(jié)支架等組成，兩個(gè)倒漏斗型吹風(fēng)噴嘴分別固定在兩個(gè)噴嘴調(diào)節(jié)支架上，分列在傳送帶兩側(cè)。在風(fēng)機(jī)選型上，考慮到穴盤材質(zhì)耐熱性差的特點(diǎn)，選用的是常溫風(fēng)機(jī)，型號(hào)為德冠2DG-730-H06，風(fēng)量是420m3/h，功率1.6kW。吹風(fēng)噴嘴設(shè)計(jì)為扇面倒漏斗形狀，出風(fēng)口為一窄長矩形。為保證吹風(fēng)均勻性，在吹風(fēng)噴嘴內(nèi)部焊接4個(gè)分風(fēng)片，如圖6所示。

1.進(jìn)風(fēng)口 2.分風(fēng)片 3.出風(fēng)口

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由變頻器、空氣開關(guān)QF、熔斷器FU、急停按鈕SBes、旋鈕開關(guān)SB、繼電器KM、壓力變送器PT、開關(guān)電源U及運(yùn)行指示燈HL等組成，控制著水泵、電機(jī)和風(fēng)機(jī)的啟停，以及水泵輸出壓力和傳送帶速度。在水泵出水口、過濾器后面安裝壓力變送器，通過壓力變送器與水泵變頻器PID控制，實(shí)現(xiàn)清洗水壓的穩(wěn)定可調(diào)。根據(jù)水泵輸出壓力，選擇量程1.2MPa的數(shù)顯壓力變送器，輸出信號(hào)4～20mA，輸入電壓24V。水泵控制變頻器根據(jù)水泵功率，選擇臺(tái)達(dá)VFD-055M變頻器，額定功率5.5kW，傳送電機(jī)變頻器選擇上海歐頻生產(chǎn)的OPI9000A 0.75/4變頻器，功率0.75kW，兩者輸入電壓均為三相380V?？刂葡到y(tǒng)線路圖如圖7所示。

實(shí)際工作中，打開空氣開關(guān)QF，依次打開傳送電機(jī)開關(guān)SB1、水泵開關(guān)SB2和風(fēng)機(jī)開關(guān)SB3，繼電器KM和運(yùn)行指示燈HL接通，相應(yīng)繼電器觸點(diǎn)閉合，變頻器對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)端口接通，裝置開始工作。工作運(yùn)行中，通過調(diào)節(jié)變頻器頻率調(diào)節(jié)旋鈕，可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)清洗壓力和清洗速度，與變頻器接通的壓力變送器PT通過PID控制調(diào)節(jié)變頻器頻率，進(jìn)而穩(wěn)定水泵出口水壓。

圖7 控制系統(tǒng)線路圖

3 結(jié)論

1)針對(duì)人力清洗穴盤勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低且固結(jié)基質(zhì)不易洗凈的問題，提出了先浸泡、后水壓清洗干燥的方式，開發(fā)了一款基于物理水壓沖洗的育苗穴盤自動(dòng)清洗裝置。

2)采用豎直送盤、對(duì)稱多次沖洗和循環(huán)水箱的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)穴盤的自動(dòng)清洗，清洗效率高，工作穩(wěn)定；同時(shí)，水泵變頻器與壓力變送器的PID控制，避免了人工毛刷清洗時(shí)造成的穴盤損傷，滿足了育苗穴盤重復(fù)利用清洗需求，有效減輕了人工清洗勞動(dòng)強(qiáng)度。

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Design of Auto-washing Device for Seedling Tray

Gao Yuanyuan1,2,4,5, Wang Xiu1,2,4, Shu Xiangxing1,2,4, Zhao Chunjiang3,5

(1.Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097, China;2. National Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097, China；3. Key Laboratory of Agri-informatics, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China;4. Beijing Key Laboratory of Intelligent Equipment Technology for Agriculture, Beijing 100097, China；5. College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

As there may be some harmful pathogenic bacteria or eggs in the used trays and it’s harmful to the plug seedling growth, the trays must be washed out and sterilized before reusing. As the main part, the traditional manual washing way has some problems of high labor intensity and low efficiency. In addition, some trays are hard to wash and easily damaged because of the fixed substrate in the holes. In order to solve these problems, a method was put forward, in which the trays soaked for a quarter before washing, then they were placed vertically on the conveyor belt and washed by the nozzles symmetrically one by one in the washing tunnel, finally they were wind-dried. Based on this method, an auto-washing device was designed. This device is mainly composed of three parts: washing system, drying system and control system. The control system was used to adjust the washing pressure and washing speed. The pressure transmitter of the system was used to stabilize the washing pressure by PID control, and the design of a circulating water tank made the sewage recycling. The design effectively improved the washing efficiency, improved the washing performance and avoided damage to the trays, which met the washing requirements of plug seedling growth.

factory seedling; tray; auto-washing; hydraulic pressure

2015-11-27

北京市科技創(chuàng)新能力建設(shè)專項(xiàng)(KJCX20151410)

高原源(1989-)，男，河南信陽人，碩士研究生，(E-mail)gaoyy0910@foxmail.com。

王 秀(1965-)，男，河北萬全人，研究員，(E-mail)xiuwang@263.net。

S233.1

A

1003-188X(2017)01-0063-05