高原源，王 秀，馮青春，范鵬飛，趙學(xué)觀

(1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(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)智能裝備技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100097；4.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

穴盤育苗包括填土、壓穴、播種及覆土等環(huán)節(jié)[1-2]。其中，種子覆土對幼苗的生長影響較大，適宜的覆土厚度可以保證幼苗出苗整齊、發(fā)育健壯，對整個育苗成敗起著重要作用[3-4]。不同種子品種、播種季節(jié)、基質(zhì)性狀等所需的種子覆土厚度也不相同，生產(chǎn)中不當(dāng)?shù)母餐练椒ㄈ菀自斐煞N子出苗不齊、“帶帽”出土及幼苗瘦弱等問題[5]，直接影響著幼苗素質(zhì)及后續(xù)果實的產(chǎn)量與品質(zhì)。因此，覆土工序是種子出苗率和出苗質(zhì)量的重要保證，對整個穴盤育苗系統(tǒng)而言有著重要的作用。

穴盤基質(zhì)覆土裝置解決了現(xiàn)有人工覆土作業(yè)強度大、效率低、覆土均勻性差等問題，實現(xiàn)了自動化、高效均勻穴盤覆土。根據(jù)覆土結(jié)構(gòu)形式，可以分為輥式覆土、帶式覆土和機械槽式覆土。輥式覆土是在料斗出口設(shè)置一表面有凸齒的覆土輥，通過電機帶動覆土輥轉(zhuǎn)動，將料斗中基質(zhì)刮出。帶式覆土主要是在料斗底部設(shè)置一個平膠帶輸送機構(gòu)，通過輸送帶運動帶動基質(zhì)覆蓋。由于輸送帶運行平穩(wěn)，同時對料斗外形尺寸要求較小，顯著增大了料斗尺寸和每次基質(zhì)添加量，適于大規(guī)模高效率作業(yè)需要。但這兩種形式主要應(yīng)用于蛭石的覆蓋，對基質(zhì)干濕度和細密度要求較高，由于蛭石成本較高，國內(nèi)大多采用普通床土覆蓋，當(dāng)基質(zhì)成團狀或濕度較大時，易發(fā)生覆土輥堵塞或覆土帶“帶土打滑”，影響覆土均勻性和覆土量。為此，國內(nèi)相關(guān)研究單位開發(fā)了機械槽式覆土裝置[6-8]，可對基質(zhì)進行攪拌，解決基質(zhì)成團問題；但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，粘黏基質(zhì)不易清理。因此，有必要開發(fā)一款覆土均勻，對基質(zhì)干濕度適應(yīng)較好、粘黏基質(zhì)易清理的覆土裝置，促進國內(nèi)穴盤育苗技術(shù)的推廣應(yīng)用。

針對國內(nèi)種植戶覆土基質(zhì)濕度大、顆粒粗糙的特點，本文提出一種角鋼鏈條式基質(zhì)覆土結(jié)構(gòu)，通過焊接在鏈條上的角鋼將料斗中基質(zhì)刮出，改變履帶和覆土速度差實現(xiàn)覆土厚度調(diào)節(jié)，并采用光電傳感器，通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)穴盤的自動覆土。

1 總體機構(gòu)設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)

作為穴盤育苗流水線之一的基質(zhì)覆土單元，其主要由3個部分組成，即上半部分的基質(zhì)覆土部分、下半部分的穴盤傳送平臺和平臺正面安裝的控制系統(tǒng)，如圖1所示。覆土部分主要由料斗、升降機構(gòu)、覆土機構(gòu)及配套覆土電機組成；傳送平臺主要由板刷、傳送帶、履帶電機、導(dǎo)向機構(gòu)和平臺支架等組成；控制系統(tǒng)安裝在控制箱中，主要包括PLC、穴盤位置光電傳感器、變頻器、繼電器和觸摸屏等。整個覆土裝置尺寸為長×寬×高=1.4m×0.82m×1.45m，料斗容積70L。

1.料斗 2.覆土機構(gòu) 3.板刷 4.輸送帶 5.履帶電機 6.導(dǎo)向機構(gòu) 7.平臺支架 8.控制箱 9.光電傳感器 10.穴盤 11.升降機構(gòu)圖1 基質(zhì)覆土裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure scheme of covering device of seedling substrates

1.2 工作原理

工作時，穴盤傳送部分接收由播種單元傳來的穴盤，通過導(dǎo)向機構(gòu)進入覆土部分，當(dāng)安裝在傳送平臺上的光電傳感器感應(yīng)到穴盤時，覆土電機開始轉(zhuǎn)動，覆土部分開始工作，通過調(diào)節(jié)履帶電機和覆土電機轉(zhuǎn)速差，或者料斗出口的擋板高度，可以實現(xiàn)覆土厚度的實時調(diào)節(jié)。此時，覆土部分的覆土機構(gòu)將料斗內(nèi)的基質(zhì)刮出，在穴盤經(jīng)過覆土部分的時候，使基質(zhì)形成“土簾”覆蓋在穴盤內(nèi)的種子上方，而后由接下來的板刷將穴盤上多余的基質(zhì)刷掉以使土層均勻并防止“串苗”，多余的基質(zhì)在傳送帶上傳送至下方的基質(zhì)回收；箱穴盤則進入流水線下一個澆水單元，而覆土電機經(jīng)過一定時間延遲停止工作，直到下一穴盤觸發(fā)信號啟動。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

對整體單元分析，其整體長度應(yīng)滿足穴盤傳送帶上至少有兩個穴盤在傳送以保證效率；同時，料斗的高度應(yīng)滿足操作人可在自然狀態(tài)下向其中添料；覆土的寬度應(yīng)根據(jù)前一播種單元傳送來的穴盤行進方式確定，即縱向或橫向行進，穴盤傳送帶的速度及支撐框架的寬高度應(yīng)與前一播種單元匹配。

2.1 料斗結(jié)構(gòu)設(shè)計

料斗結(jié)構(gòu)采用“鏤空式”，即料斗上蓋與底板均不保留，整個料斗內(nèi)基質(zhì)由其底部單設(shè)托板承重，在料斗與托板之間留有間隙，便于刮土機構(gòu)安裝與運動，如圖2所示。料斗寬度選擇時，應(yīng)與覆蓋穴盤寬度相同，避免工作時造成基質(zhì)浪費，料斗長度可適當(dāng)增大以提高基質(zhì)裝填量。

綜合覆土單元整體高度和操作人身高關(guān)系，以及穴盤寬度的因素，決定將料斗尺寸定為長×寬×高=500mm×270mm×500mm，計算其容積得

V料=L料×B料×H料=0.0675m3

(1)

考慮到實際工作時料斗內(nèi)的基質(zhì)剩余量會因為無法看見而影響基質(zhì)的添加，在料斗側(cè)面上開兩個可視窗，通過有機玻璃可實時觀察。在料斗出口方向，設(shè)一擋板，通過調(diào)節(jié)擋板高度可隨時改變覆土厚度。

1.箱體 2.可視窗 3.擋板 4.旋轉(zhuǎn)把手圖2 料斗結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure scheme of hopper

2.2 覆土機構(gòu)設(shè)計與分析

覆土機構(gòu)主要由角鋼鏈條、鏈輪、鏈條張緊裝置、底部的托板及覆土電機等組成，通過型材連接起來，并由型材固定件固定在料斗上，如圖3所示。

1.鏈輪 2.帶座軸承 3.張緊片 4.張緊塊 5.型材固定件 6.覆土電機 7.角鋼鏈條 8.型材圖3 覆土機構(gòu)示意圖Fig.3 Structure scheme of covering mechanism

根據(jù)上述種子覆土特點及農(nóng)藝上5～20mm覆土厚度要求，最終確定角鋼為等邊角鋼10×3類型。由于覆土厚度為10mm左右，由穴盤的寬度和料斗尺寸確定角鋼的長度為260mm，并依次焊接在滾子鏈的鏈節(jié)上。根據(jù)鏈傳動相關(guān)知識[9]，鏈速一定時，為降低動載荷對鏈傳動穩(wěn)定性的影響，應(yīng)采用大齒數(shù)鏈輪和小節(jié)距鏈條。為此，綜合考慮，選用06B單排鏈，與此對應(yīng)，在滿足焊接角鋼不相互干涉刮擦的前提下，選用B型鏈輪，鏈輪齒數(shù)Z=28。

對鏈傳動中心距的選擇上，考慮到刮土結(jié)構(gòu)要求鏈輪在料斗外側(cè)，而鏈輪齒頂圓直徑d=88.8mm，即中心距為

a>L料+da=588.8mm

(2)

故取a=63p=600mm。其中，p為06B滾子鏈節(jié)距。

鏈節(jié)數(shù)為

(3)

鏈條長度為

(4)

由于料斗長度限制使得鏈傳動的中心距較大，故需要對鏈傳動采用張緊裝置，由張緊片與張緊支撐塊組成，通過對張緊片與支撐塊之間的螺栓的松緊來調(diào)節(jié)鏈傳動的軸間距，進而達到張緊的效果。此外，底部托板則起到負載整個料斗基質(zhì)及角鋼鏈條的作用。

角鋼鏈條式覆土機構(gòu)實際工作中，料斗中的基質(zhì)覆蓋在覆土機構(gòu)上。對于與覆土機構(gòu)接觸的部分基質(zhì)，不僅受自身重力作用，還受到上部基質(zhì)對其的壓力。為此，當(dāng)角鋼作用在基質(zhì)上的推力大于基質(zhì)由于所受重力和壓力產(chǎn)生的摩擦力時，即發(fā)生基質(zhì)的剪切破壞?；诖嗽?，根據(jù)Mohr-Coulomb定律，若使基質(zhì)發(fā)生剪切破壞，角鋼所需的剪切力[10-11]為

F=τA=(C+σtgφ)A

(5)

其中，C為基質(zhì)的粘結(jié)力(一般為常數(shù))；σ為料斗中基質(zhì)所受正應(yīng)力；φ為基質(zhì)的內(nèi)摩擦角；A為角鋼厚度與寬度的乘積。

由于角鋼的推力主要有滾子鏈條牽引產(chǎn)生，因此在對刮土機構(gòu)動力選配時，應(yīng)在料斗盛滿基質(zhì)后，測出傳動軸所需力矩和轉(zhuǎn)速。最終，本覆土機構(gòu)選用0.18kW的NMRV蝸輪減速機，覆土速度設(shè)計為460盤/h。

2.3 料斗升降機構(gòu)設(shè)計

料斗升降機構(gòu)的主要目的是為了支撐覆土機構(gòu)和料斗及料斗中盛裝的基質(zhì)，同時起到調(diào)節(jié)覆土機構(gòu)高度的作用，以此滿足對不同高度穴盤的作業(yè)需求。本設(shè)計主要采用螺旋傳動，實際工作時，即通過旋轉(zhuǎn)螺桿帶動料斗進行升降運動，達到調(diào)節(jié)高度目的。因此，根據(jù)螺旋傳動運動方式及特點，參照實際工作需求，本設(shè)計最終選擇螺母固定、螺桿轉(zhuǎn)動和移動的方式，設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.支撐架 2.手輪 3.推力球軸承 4.螺桿 5.螺桿座 6.支座圖4 支撐升降機構(gòu)組成Fig.4 The parts of elevating mechanism

支撐升降機構(gòu)主要由支撐架、螺桿、手輪及螺桿座等組成。其中，支撐架主要由40mm×40mm和35mm×35mm規(guī)格方鋼套接組成，在35方鋼橫梁上固定螺桿座，并與螺桿連接，螺桿上部支撐40方鋼橫梁。為避免橫梁與螺桿間的旋轉(zhuǎn)磨損，特在螺桿軸肩上加入一推力球軸承以減小旋轉(zhuǎn)摩擦，軸承另一面與40方鋼橫梁接觸。為保證覆土機構(gòu)工作穩(wěn)定性，兩個如圖4所示升降機構(gòu)固定在料斗相對兩側(cè)。

根據(jù)設(shè)計，整個覆土機構(gòu)重量通過方鋼轉(zhuǎn)嫁到螺桿上，需對螺桿進行設(shè)計校核。螺桿工作時，承受來自于料斗、基質(zhì)、下部覆土機構(gòu)和配套減速機的質(zhì)量，通過查相關(guān)材料密度及產(chǎn)品規(guī)格[12]，并在三維繪圖軟件SolidWorks中估算出螺桿總承重質(zhì)量約為160kg，考慮到實際超負荷作業(yè)，取螺桿承重質(zhì)量m=300kg，即支撐機構(gòu)單側(cè)受力為

F=mg/2=1500 N

(6)

螺桿工作時，考慮到料斗對其的力學(xué)作用，因此將其計算近似為緊螺栓連接計算公式以求得螺紋小徑，即

(7)

選用35鋼螺紋桿，查詢材料手冊，得σS=315N/mm2，取[σ]=75N/mm2，則

(8)

最終選用M12螺紋桿，螺紋小徑d1=11.1mm>5.75mm。對其進行強度校核，結(jié)果表明設(shè)計滿足要求，裝置可以穩(wěn)定工作。此外，螺桿設(shè)計長度為250mm，適應(yīng)穴盤高度可調(diào)范圍為0～90mm。

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)主要由工控觸摸屏、繼電器、PLC、光電傳感器、變頻器和24V開關(guān)電源等組成，作用在于控制履帶電機和覆土電機的啟停，以及兩個電機的工作轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)作業(yè)效率和覆土厚度的調(diào)節(jié)。其中，PLC和觸摸屏部分可以和前述壓穴部分控制系統(tǒng)共用，以達到集成目的。實際作業(yè)時，為保證作業(yè)效率和覆土厚度的單獨調(diào)節(jié)，本設(shè)計采用兩個變頻器分別控制履帶電機和覆土電機，通過調(diào)節(jié)輸出頻率調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，為了避免作業(yè)基質(zhì)的浪費，在穴盤進口方向安裝有對射式光電傳感器，通過檢測穴盤位置控制覆土作業(yè)啟停，最終控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成Fig.5 Structure of control system

作業(yè)時，在PLC控制下，履帶電機工作，履帶運動。當(dāng)光電傳感器感應(yīng)到穴盤時，覆土電機開始轉(zhuǎn)動，覆土部分開始工作；在此過程中，可以通過調(diào)節(jié)履帶電機和覆土電機轉(zhuǎn)速差，或者料斗出口的擋板高度，實時調(diào)節(jié)覆土厚度。覆蓋在穴盤上的基質(zhì)經(jīng)過后續(xù)刷土機構(gòu)實現(xiàn)基質(zhì)刮平，未覆蓋上穴盤的基質(zhì)則在傳送帶上傳送至下方的基質(zhì)回收箱。經(jīng)過一定時間延遲，PLC控制覆土電機停止，穴盤完成覆土并進入流水線下一單元，直到下一穴盤觸發(fā)信號啟動。

3 覆土性能試驗

3.1 材料與設(shè)備

為測試本設(shè)計中的基質(zhì)覆土機構(gòu)工作性能，特對裝置進行覆土性能試驗。試驗地點為北京精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究示范基地，試驗樣機如圖6所示。

所用基質(zhì)為蛭石和草炭混合土，比例為蛭石:草炭=1∶3，濕度原則上達到濕而不粘，手抓成團、手松散開為準(zhǔn)[13]，并用游標(biāo)卡尺測其覆土厚度。為排除草紋履帶面對試驗指標(biāo)的影響，本試驗中在履帶上放置一塊平整塑料板，通過測試塑料板上覆土厚度獲取試驗數(shù)據(jù)。由于履帶電機和覆土電機速度由兩個變頻器控制，實際調(diào)節(jié)時，自變量為變頻器調(diào)節(jié)頻率，而非電機轉(zhuǎn)速。為獲得較直觀的試驗因素，需要對實際電機轉(zhuǎn)速進行測量，并通過換算求得履帶與覆土速度。本試驗選用速為DT2234數(shù)字光電轉(zhuǎn)速表，測試范圍為2.5～99 999r/min。其中，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于2.5r/min，小于999.9r/min時，轉(zhuǎn)速表分辨為0.1r/min，測量準(zhǔn)確度：±(0.05%+1)個字。

圖6 覆土試驗樣機Fig.6 Device of covering test

3.2 試驗方案設(shè)計

為獲得變頻器輸出頻率與電機轉(zhuǎn)速之間關(guān)系，首先用光電轉(zhuǎn)速表測量不同頻率對應(yīng)的電機輸出轉(zhuǎn)速，即在履帶電機和覆土電機輸出軸上粘貼一小片反光片，用轉(zhuǎn)速表發(fā)射光持續(xù)照射反光片，最終轉(zhuǎn)速測量結(jié)果如表1所示，并由此得到如圖7所示轉(zhuǎn)速頻率關(guān)系圖。由擬合確定系數(shù)R2≈1可知，兩條擬合線完全正相關(guān)。

表1 不同頻率下電機輸出轉(zhuǎn)速

續(xù)表1 r/min

圖7 轉(zhuǎn)速頻率圖Fig.7 Relation chart of speed and frequency

帶傳動或鏈傳動速度換算公式為

(9)

其中，n為電機轉(zhuǎn)速(r/min)；d為傳動帶軸或鏈輪直徑(mm)，傳動帶軸直徑d1=76mm，傳動鏈輪直徑d2=85.07mm。

由數(shù)據(jù)趨勢圖得到電機轉(zhuǎn)速和變頻器頻率的關(guān)系，根據(jù)上述式(9)即可算出履帶速度(覆土速度)和變頻器頻率的關(guān)系。

履帶速度為

(10)

覆土速度為

(11)

其中，f1和f2分別表示履帶和覆土變頻器輸出頻率。

根據(jù)覆土裝置工作原理和上述分析可知：改變履帶和覆土速度差可以實現(xiàn)對覆土厚度的調(diào)節(jié)。覆土均勻性試驗時，將混合均勻基質(zhì)填滿料斗，根據(jù)上述分析結(jié)果，按一般育苗作業(yè)覆土效率600盤/h，也即0.1m/s(穴盤間隔60mm)。設(shè)定履帶電機變頻器頻率，將塑料板放置在履帶上，選定覆土電機頻率后開始覆土作業(yè)。待作業(yè)穩(wěn)定后，在塑料板上隨機選擇10個點測量覆土厚度。同時，為探究樣機在不同覆土厚度工作下工作穩(wěn)定性，本試驗在上述試驗基礎(chǔ)上，選定4種不同覆土頻率測量其覆土作業(yè)厚度，并對整個實驗結(jié)果進行方差分析及不同覆土厚度作業(yè)下的變異系數(shù)。

3.3 結(jié)果與分析

試驗數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。由表2中可以看出：改變覆土電機速度可以實現(xiàn)覆土厚度的調(diào)節(jié)，且在固定履帶速度前提下，提高覆土速度可以增大覆土厚度。從不同頻率下覆土厚度變異系數(shù)可以看出：覆土厚度與覆土均勻性變異系數(shù)負相關(guān)，表明厚度增加有利于覆土均勻性的改善。

表2 履帶速度600盤/h不同覆土頻率下覆土厚度

此外，在平均覆土厚度大于9.59mm以后，變異系數(shù)均在10%范圍內(nèi)，表明此時實際工作的覆土厚度相差不大，覆土均勻性較好[14][圖8(a)]，滿足育苗作業(yè)覆土需求。同時，覆土厚度為5.63mm時，其變異系數(shù)顯著高于其他各組，通過對試驗過程觀察可知，此時覆土面出現(xiàn)波浪形起伏[圖8(b)]。這是由于覆土角鋼之間存有一定間隙，當(dāng)覆土速度較低時，角鋼攜帶的基質(zhì)從縫隙間漏出，較低覆土厚度下，覆土面高低起伏顯著。因此，對于較低厚度覆土作業(yè)時，需調(diào)節(jié)大厚度，并在覆土后將多余基質(zhì)刮除。

(a) 覆土均勻

(b) 覆土起伏圖8 覆土效果Fig.8 Effect of covering

4 結(jié)論

1)針對育苗種植戶覆土基質(zhì)濕度大、顆粒粗糙、現(xiàn)有覆土裝置對基質(zhì)干濕度適應(yīng)性較低、基質(zhì)覆蓋量較小，以及覆土輥齒粘結(jié)基質(zhì)易堵塞、難清理等問題，提出一種角鋼鏈條式基質(zhì)覆土裝置，通過焊接在鏈條上的角鋼將料斗中基質(zhì)刮出，改變履帶和覆土速度差實現(xiàn)覆土厚度調(diào)節(jié)，并采用光電傳感器，實現(xiàn)育苗播種時對穴盤的自動覆土。

2)對裝置進行覆土均勻性試驗， 結(jié)果表明： 裝置

對基質(zhì)干濕度適應(yīng)性較好，未發(fā)生堵塞現(xiàn)象。同時，當(dāng)覆土厚度大于9.59mm時，無需刮平裝置，覆土面較為平整，裝置覆土均勻性較好，覆土厚度變異系數(shù)小于10%，滿足育苗作業(yè)需求。

本試驗結(jié)果為后續(xù)裝置的改進提供了理論依據(jù)，且作為育苗流水線的一部分，可為整套設(shè)備的研究開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

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