韓 豹 申大帥 郭 暢 劉 俏 王 欣 宋春波

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

甘藍(lán)是我國(guó)主要蔬菜品種之一，其播種面積已超過25.3萬hm2，在我國(guó)蔬菜種植面積中位列第3位[1]。而我國(guó)蔬菜機(jī)械化水平較低，嚴(yán)重影響著蔬菜種植業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。當(dāng)前，育苗移栽依然是蔬菜產(chǎn)業(yè)的主要種植方式，應(yīng)用于全球約60%的蔬菜種類[3]，但移栽機(jī)械的用苗要求與缽苗育苗工藝之間的結(jié)合尚不完善。甘藍(lán)以穴盤育苗為主要育苗方式，文獻(xiàn)[4-5]針對(duì)不同穴盤規(guī)格與基質(zhì)對(duì)甘藍(lán)育苗的影響進(jìn)行了研究，但目前針對(duì)甘藍(lán)缽苗配套的自動(dòng)移栽機(jī)械及其末端執(zhí)行器的研究報(bào)道較少。

取苗末端執(zhí)行器是育苗移栽機(jī)械的關(guān)鍵部件，是實(shí)現(xiàn)缽苗全自動(dòng)移栽的重要組成部分[6-7]。美國(guó)、日本、荷蘭等國(guó)家缽苗移栽裝備較為成熟[8]。文獻(xiàn)[9-12]開發(fā)了應(yīng)用于不同蔬菜及花卉移栽的取苗末端執(zhí)行器。國(guó)內(nèi)學(xué)者近年來也進(jìn)行了針對(duì)性的研究[13-17]。以上取苗末端執(zhí)行器主要針對(duì)某種特定穴盤規(guī)格進(jìn)行應(yīng)用。當(dāng)前我國(guó)甘藍(lán)育苗常用秧盤有72穴、128穴和200穴3種規(guī)格，其缽苗栽植主要應(yīng)用半自動(dòng)移栽機(jī)械完成，即通過人工將缽苗由育秧盤內(nèi)逐個(gè)取出并投放到移栽機(jī)栽植器內(nèi)，然后再由機(jī)械完成后續(xù)栽植和鎮(zhèn)壓等工作，人工喂苗勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)環(huán)境差。為此，本文結(jié)合甘藍(lán)穴盤苗的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種插入針間距可調(diào)的針式缽苗末端執(zhí)行器，對(duì)甘藍(lán)育苗常用的3種規(guī)格穴盤所育缽苗開展取苗試驗(yàn)研究，以期提升甘藍(lán)缽苗半自動(dòng)移栽機(jī)技術(shù)水平，解決人工喂苗勞動(dòng)強(qiáng)度大問題。

1 取苗末端執(zhí)行器總體結(jié)構(gòu)與工作原理

取苗末端執(zhí)行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，該執(zhí)行器主要由電動(dòng)推桿、安裝架、調(diào)節(jié)滑塊、針座、彈簧、取苗針和推板等組成。其中，安裝架可在固定板四角的矩形管中豎直上下移動(dòng)，根據(jù)缽苗的高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的取苗空間，然后通過緊定螺釘進(jìn)行限位固定，以適應(yīng)不同苗高的取苗要求。調(diào)節(jié)滑塊也可在安裝架下端傾斜部分沿傾斜角度上下移動(dòng)，通過改變調(diào)節(jié)滑塊與推板之間距離，對(duì)彈簧進(jìn)行預(yù)緊，保證投苗時(shí)取苗針在根缽中能夠順利拔出。同時(shí)，針座安裝在調(diào)節(jié)滑塊的卡槽中，并可沿卡槽方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)入土寬度的調(diào)節(jié)，以滿足大、中、小根缽取苗要求。該末端執(zhí)行器取苗工作原理是通過電動(dòng)推桿的伸出，帶動(dòng)推板下壓，彈簧壓縮，軸承在滑軌中滑移，使4根取苗針傾斜插入根缽，在取苗機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下取出缽苗，電動(dòng)推桿回縮，取苗針在彈簧的作用下回縮直至脫離根缽，完成取苗放苗的過程。

圖1 甘藍(lán)缽苗取苗末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of end-effector of cabbage seedlings1.電動(dòng)推桿 2.固定板 3.緊定螺釘 4.推板 5.滑軌 6.轉(zhuǎn)向軸承 7.彈簧 8.安裝架 9.螺栓 10.調(diào)節(jié)滑塊 11.針座 12.取苗針 13.擋苗板 14.卡槽

該執(zhí)行器用于甘藍(lán)缽苗的稀植作業(yè)，取苗過程如圖2所示，具體操作過程如下：

(1)在一個(gè)取苗過程的起始點(diǎn)(圖2a)，為了減少末端執(zhí)行器對(duì)缽苗莖葉的損傷，從缽苗的一側(cè)沿垂直穴盤的方向進(jìn)給，到達(dá)取苗高度后，穴盤在進(jìn)給機(jī)構(gòu)的控制下把缽苗送到取苗點(diǎn)(圖2b)。

(2)缽苗到達(dá)取苗點(diǎn)后，4根取苗針下端針尖處與根缽四角相對(duì)，此時(shí)缽上植株部分處于機(jī)構(gòu)內(nèi)部空間的中心位置，不會(huì)受到擠壓碰撞。并根據(jù)根缽規(guī)格對(duì)取苗針的入土寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足根缽取苗要求。

(3)電動(dòng)推桿伸出，帶動(dòng)推板向下運(yùn)動(dòng)，在傾斜滑軌與轉(zhuǎn)向軸承的作用下，彈簧被壓縮，取苗針從根缽四角處以最大深度傾斜插入根缽內(nèi)(圖2c)。

(4)取苗末端執(zhí)行器在取苗裝置的帶動(dòng)下沿垂直于穴盤方向上移，根缽在取苗針的作用下脫離穴盤，從而將缽苗從穴孔中取出(圖2d)。

(5)末端執(zhí)行器把取出的缽苗移送到放苗位置(圖2e)，電動(dòng)推桿向上縮回，帶動(dòng)推板上升，彈簧復(fù)位，取苗針回縮，在擋苗板的反推作用下，取苗針從根缽中拔出，完成投苗過程(圖2f、2g)。

圖2 甘藍(lán)缽苗取苗末端執(zhí)行器取苗投苗過程示意圖Fig.2 Schematics of seedling process of end-effector for cabbage seedlings

2 取苗末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)確定

取苗末端執(zhí)行器主要用于全自動(dòng)蔬菜缽苗移栽機(jī)自動(dòng)取苗投苗作業(yè)。常見的取苗末端執(zhí)行器按驅(qū)動(dòng)方式可分為氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)3種形式[7]。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于控制，但控制方式單一，難以實(shí)現(xiàn)速度的準(zhǔn)確控制和位置的精準(zhǔn)定位，且不便于移動(dòng)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器可以實(shí)現(xiàn)位置和速度的精確控制，但控制相對(duì)復(fù)雜；電磁驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器通過給線圈勵(lì)磁使鐵心做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)前應(yīng)用較少。本研究采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，以保證對(duì)取苗速度的準(zhǔn)確控制。電機(jī)選用永磁直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)推桿，額定功率30 W，額定推力150 N，行程100 mm，速度60 mm/s，自帶機(jī)鎖和限位開關(guān)，通過調(diào)節(jié)外部控制器來滿足行程要求的正負(fù)極轉(zhuǎn)換。

取苗針是末端執(zhí)行器關(guān)鍵的部件。一般有2針、3針、4針，針數(shù)越多取苗越穩(wěn)定[7, 13]，本研究選用4根取苗針。由于在取苗過程中根缽的四角阻力最大，則使取苗針采用向心式從根缽的四角插入，利用傾角取出缽苗。為確定取苗針的直徑，選取1～4 mm不同直徑的取苗針以0.5 mm為間隔分別對(duì)72穴、128穴、200穴缽苗進(jìn)行探究試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，1～2 mm的取苗針直徑較小，取苗針的剛性較差，易彎曲，且與基質(zhì)接觸受力面積較小，取苗穩(wěn)定性差；3.5 mm和4 mm的取苗針直徑較大，取苗針在插入根缽過程中缽體容易破裂且增大對(duì)根系的損傷。綜上所述，由于不同規(guī)格穴盤的缽苗質(zhì)量與體積不同，72穴缽苗選用直徑3 mm取苗針，128穴和200穴缽苗均選用直徑2.5 mm取苗針。取苗針材料為不銹鋼。

為減小末端執(zhí)行器的質(zhì)量，調(diào)節(jié)滑塊與針座選用尼龍材料，固定板、推板和安裝架均使用鋁合金材料，取苗末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示。

圖3 取苗末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Schematics of structure of end-effector1.伸縮桿 2.推板 3.滑軌 4.彈簧 5.安裝架 6.針座 7.調(diào)節(jié)滑塊 8.取苗針 9.甘藍(lán)幼苗 10.擋苗板 11.缽體

(1)取苗針插入傾角α

取苗針從根缽四角插入，其在穴孔底面的投影與下口徑邊線的夾角呈45°，為避免插入傾角過小而刺到孔壁，應(yīng)使α略大于穴孔4條棱線的傾角，即

(1)

式中b——穴孔上口徑邊長(zhǎng)

c——穴孔下口徑邊長(zhǎng)

h——穴孔高度

經(jīng)測(cè)量72穴、128穴和200穴3種規(guī)格穴盤穴孔棱線的傾角均約17.5°，故本文對(duì)取苗針插入傾角取18°。

(2)取苗針入土長(zhǎng)度Lh

取苗針入土長(zhǎng)度取決于伸縮桿伸出長(zhǎng)度，即

(2)

其幾何約束條件為

(3)

式中Dp——伸縮桿伸出長(zhǎng)度

ε——取苗針入土之前針尖與穴盤表面的初始距離，取10 mm

(3)伸縮桿行程[Dp]

伸縮桿的行程需滿足取苗針在作業(yè)過程中的最大伸縮長(zhǎng)度，即

(4)

其中穴孔高度h為最大穴盤規(guī)格72穴盤尺寸，取45 mm。故伸縮桿行程取100 mm。

(4)調(diào)節(jié)滑塊卡槽長(zhǎng)度D1

卡槽長(zhǎng)度決定了取苗針間距調(diào)節(jié)范圍，需同時(shí)滿足3種規(guī)格穴盤的穴孔尺寸與插入邊距。

(5)

式中δ——取苗針插入點(diǎn)到穴孔上邊線的距離

Δb——不同穴盤規(guī)格之間最大與最小上口徑邊長(zhǎng)之差，為15 mm

η——安裝架沿垂直方向調(diào)節(jié)安裝位置時(shí)所造成沿卡槽方向位置變化的極限誤差

(5)滑軌長(zhǎng)度D2

伸縮桿下壓位移通過轉(zhuǎn)向軸承可分解為沿滑軌方向位移和沿取苗針方向位移，故

Lp=Dpsinα

(6)

D2≥Lp+D1+η

(7)

式中Lp——實(shí)際取苗過程中轉(zhuǎn)向軸承沿滑軌運(yùn)動(dòng)位移

(6)取苗針長(zhǎng)度Lz

取苗針長(zhǎng)度需同時(shí)滿足彈簧自由長(zhǎng)度、針座長(zhǎng)度、針座到擋苗板的長(zhǎng)度與取苗針入土長(zhǎng)度，即

(8)

為了減輕調(diào)節(jié)滑塊與針座對(duì)甘藍(lán)幼苗莖葉的碰撞損傷，針座與擋苗板之間的垂直高度應(yīng)高于甘藍(lán)幼苗莖葉，即

D4≥Zh-ε

(9)

式中H0——彈簧自由長(zhǎng)度，取140 mm

D3——針座長(zhǎng)度

D4——針座與擋苗板之間的垂直高度

Zh——甘藍(lán)缽苗株高

(7)取苗末端執(zhí)行器內(nèi)部空間高度H

內(nèi)部空間高度H取決于取苗針的安放高度、伸縮桿實(shí)際工作長(zhǎng)度以及甘藍(lán)缽苗株高，即

H=Lzcosα+D2sinα+D5

(10)

式中D5——滑軌末端高度

(8)推板寬度B

推板的寬度決定了取苗末端執(zhí)行器內(nèi)部空間的大小，需同時(shí)滿足取苗針、調(diào)節(jié)滑塊及針座的正常工作需求和取苗作業(yè)空間要求，故

B=Lb+2Lzsinαcos45°+εtanαcos45°

(11)

式中Lb——取苗針入土寬度

為了解取苗針對(duì)甘藍(lán)缽苗取苗時(shí)的受力情況，對(duì)缽苗剛要脫離穴盤的瞬間進(jìn)行受力分析，如圖3b所示。G為根缽自身重力，F(xiàn)N為根缽對(duì)單根取苗針的正壓力，F(xiàn)N在空間上產(chǎn)生3個(gè)方向分力，其中2個(gè)水平方向分力為F1和F2，1個(gè)垂直方向分力為F3，F(xiàn)1和F2分別作用于相鄰取苗針之間，將根缽向中心擠壓，F(xiàn)3將根缽向上提升。Ff為取苗針與根缽之間的摩擦力，主要是由根缽與取苗針在提取瞬間的相對(duì)滑移趨勢(shì)所引起的，其大小由根缽與取苗針之間的粘附力和摩擦因數(shù)所決定，由于根缽與取苗針實(shí)際接觸受力面積很小，可以忽略不計(jì)[14]。F為取苗針對(duì)根缽產(chǎn)生的瞬間沖擊合力，由缽苗的質(zhì)量與取苗加速度所決定。f為穴孔壁對(duì)根缽的粘附力，其通常受穴盤與基質(zhì)材料、接觸面積、根缽含水率等因素影響[16]。當(dāng)取苗針插入點(diǎn)到穴孔上邊線的距離δ較大時(shí)，4根取苗針包裹下的受力基質(zhì)區(qū)域的體積較小，應(yīng)力集中較大。

3 試驗(yàn)材料與分析

在育苗過程中不同的穴盤規(guī)格與苗齡對(duì)甘藍(lán)幼苗的生長(zhǎng)和生理狀況有很大的影響[5]，進(jìn)而影響取苗效果。本文所用甘藍(lán)品種為京豐一號(hào)，3種育苗穴盤分別為72穴、128穴、200穴，穴盤外形尺寸均為540 mm×280 mm，穴孔橫截面呈正方形，尺寸如表1所示。育苗選用無土栽培育苗基質(zhì)，主要成分為草炭、蛭石、珍珠巖、腐熟中藥渣、腐熟蘑菇渣、酒渣等，其中草炭、蛭石、珍珠巖的配比為6∶3∶1，N、P、K總質(zhì)量比大于等于12 g/kg，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于40%，硅質(zhì)量比大于等于0.3 g/kg。

表1 3種穴盤規(guī)格穴孔尺寸Tab.1 Hole size of three types of plugs

為觀察甘藍(lán)種苗的大苗、中苗、小苗的幾何參數(shù)，分別用72穴、128穴、200穴塑料穴盤進(jìn)行育苗，并在苗齡20、30、40 d時(shí)分別抽取3盤隨機(jī)取樣研究，甘藍(lán)穴盤育苗如圖4a所示。根缽是一種根系-基質(zhì)結(jié)合體，缽苗的根系對(duì)缽體有聚攏作用，其覆蓋程度對(duì)取苗效果有較大影響[13,16]，本文通過根缽側(cè)面根系覆蓋面積與側(cè)面總面積的比值計(jì)算根系覆蓋率[13]，覆蓋率超過80%以上定義為根缽形成，如圖4b所示。

如圖5所示，各個(gè)穴盤規(guī)格的幼苗隨著苗齡的增長(zhǎng)，株高、莖粗均增大，根缽也是逐漸形成。對(duì)于20 d小苗，200穴盤幼苗與其他穴盤幼苗相比，株高相差不大，莖粗較小，形成根缽；對(duì)于30 d中苗，128穴盤與200穴盤幼苗均形成根缽，在株高與莖粗上差異不大，但與72穴盤幼苗差異較大；對(duì)于40 d大苗，各穴盤幼苗均已形成根缽，72穴盤幼苗在株高與莖粗上遠(yuǎn)大于其他穴盤幼苗。由此可知，穴孔規(guī)格對(duì)幼苗生長(zhǎng)有明顯的限制作用，對(duì)根缽的形成程度也有很大的影響，大穴孔小苗齡不易形成根缽，小穴孔大苗齡根缽形成較好，但易出現(xiàn)盤外盤根現(xiàn)象而影響取苗效果[18]，且株高、莖粗較小。綜上，本文選用試驗(yàn)用苗為72穴盤幼苗，苗齡40 d；128穴盤幼苗，苗齡30 d；200穴盤幼苗，苗齡20 d，在均已形成根缽的前提下進(jìn)行取苗試驗(yàn)研究。

圖4 甘藍(lán)缽苗Fig.4 Cabbage seedlings

圖5 甘藍(lán)幼苗生長(zhǎng)趨勢(shì)Fig.5 Growth trend of cabbage seedlings

4 試驗(yàn)指標(biāo)與因素的確定

4.1 試驗(yàn)指標(biāo)

甘藍(lán)缽苗取苗試驗(yàn)從根缽?fù)暾屎腿∶缡÷蕛煞矫婵疾烊∶缧Ч鸞16,19]。

取苗針在提取出甘藍(lán)根缽的過程中，會(huì)出現(xiàn)部分基質(zhì)從根缽上脫落現(xiàn)象，脫落質(zhì)量過多對(duì)甘藍(lán)缽苗栽植效果和栽植成活率均有較大影響[16]，結(jié)合前期試驗(yàn)和參考文獻(xiàn)[20]，根缽?fù)暾市∮?0%時(shí)就會(huì)嚴(yán)重降低缽苗栽植的直立度與栽植成活率。故將從穴盤中取出的甘藍(lán)缽苗的根缽?fù)暾市∮?0%視為取苗失敗。其計(jì)算公式為

(12)

式中Rs——根缽?fù)暾剩?

mr——取出根缽的質(zhì)量，g

md——遺留和脫落的根缽質(zhì)量，g

取苗結(jié)束后，剪去甘藍(lán)幼苗，把遺留在穴孔和脫落在外的根缽收集后使用JD1000-2型電子天平進(jìn)行稱量。

取苗針在提取出甘藍(lán)缽苗的過程中，將缽苗未被取出、中途掉落以及取出后的缽苗根缽?fù)暾市∮?0%均視為取苗失敗，取苗失敗率Sf計(jì)算公式為

(13)

式中Ynf——缽苗未取出、中途掉落和根缽?fù)暾市∮?0%的缽苗數(shù)量，個(gè)

Yni——主莖折斷數(shù)，個(gè)

Ynt——取苗穴孔總數(shù)，個(gè)

Ynh——空穴數(shù)，個(gè)

對(duì)于甘藍(lán)缽苗來說，苗葉的損傷或者單個(gè)苗葉折斷脫落對(duì)于甘藍(lán)的生長(zhǎng)發(fā)育不會(huì)有明顯的影響，而主莖的折斷代表著甘藍(lán)生長(zhǎng)發(fā)育的停止[19]，因此把主莖折斷數(shù)Yni作為取苗失敗的一個(gè)統(tǒng)計(jì)量?？昭〝?shù)Ynh是指穴盤中未生長(zhǎng)甘藍(lán)幼苗的穴孔數(shù)量，其與育苗過程中出苗率相關(guān)，與末端執(zhí)行器作業(yè)性能無關(guān)，不作為取苗失敗的統(tǒng)計(jì)量。

4.2 試驗(yàn)因素

4.2.1取苗加速度

在取苗過程中，從根缽的力學(xué)角度進(jìn)行考慮，根據(jù)牛頓第二定律取苗針對(duì)根缽的沖擊合力F為

F=ma

(14)

式中m——缽苗的質(zhì)量，g

a——取苗加速度，m/s2

由缽苗取苗瞬間受力分析可知，在取苗針的帶動(dòng)下，根缽剛要脫離穴孔的瞬間將會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)加速度，當(dāng)缽苗的質(zhì)量不變時(shí)，瞬時(shí)加速度越大，取苗針對(duì)根缽的沖擊力也就越大。

4.2.2穴盤規(guī)格

不同規(guī)格穴盤的甘藍(lán)缽苗的質(zhì)量不同，體積不同，由受力分析可知根缽與穴孔接觸面積不同，則根缽與穴孔之間的粘附力不同。當(dāng)取苗加速度一定時(shí)，因缽苗的質(zhì)量不同，所受沖擊合力F也有所不同。甘藍(lán)根系呈放射狀分布，對(duì)基質(zhì)塊具有聚攏作用，越靠近根源根系越密集，越向外放射根系密度越小，即穴盤規(guī)格不同的根缽根系分布密度不同，對(duì)基質(zhì)的聚攏效果也不一樣。選用穴盤3個(gè)水平為72穴、128穴、200穴。

4.2.3根缽含水率

水是基質(zhì)顆粒之間、根系與基質(zhì)顆粒之間的一種介質(zhì)，使根缽的內(nèi)部產(chǎn)生一種粘結(jié)力，同時(shí)含水率對(duì)根缽與穴孔壁之間粘附力有影響[16]。由于根缽含水率是通過鼓風(fēng)干燥箱將根缽干燥后進(jìn)行測(cè)試，不能即時(shí)所得，于是采用先試驗(yàn)后測(cè)試的方法，提前把根缽澆透，然后控制間隔時(shí)間進(jìn)行取苗試驗(yàn)，取苗后剪去甘藍(lán)幼苗，只留根缽以干濕質(zhì)量法進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算公式為

(15)

式中θm——根缽含水率，%

m1——干燥前根缽質(zhì)量，g

m2——干燥后根缽質(zhì)量，g

以實(shí)際測(cè)量為準(zhǔn)，對(duì)每種穴盤的缽苗分別測(cè)定根缽含水率取平均值，選取3個(gè)平均含水率水平為42.3%、56.2%、69.1%。

4.2.4插入邊距比λb

插入邊距比λb為插入點(diǎn)到穴孔上邊線的距離δ與穴孔上口徑邊長(zhǎng)b的百分比，即

(16)

由圖3可知，為適應(yīng)3種常用甘藍(lán)穴盤取苗需要，取苗針入土寬度設(shè)計(jì)成可調(diào)，即插入邊距δ可調(diào)節(jié)。而δ過大，4根取苗針?biāo)氖芰Ψ秶鷥?nèi)的基質(zhì)體積過小，應(yīng)力集中過大，且插入?yún)^(qū)域靠近根系密集區(qū)和甘藍(lán)幼苗莖葉區(qū)，易造成幼苗損傷；δ過小，取苗針離根缽邊緣太近，易破壞根缽邊緣區(qū)域，造成基質(zhì)脫落，并且易發(fā)生取苗針與根缽的錯(cuò)位。

5 離散元模擬仿真

5.1 穴孔仿真模型

采用72穴、128穴、200穴盤尺寸數(shù)據(jù)，利用SolidWorks 2016對(duì)穴孔進(jìn)行建模，并導(dǎo)入EDEM 2.7軟件內(nèi)，創(chuàng)建模塊的幾何體(Geometry)，如圖6所示，仿真參數(shù)如表2所示。

圖6 穴孔3D模型Fig.6 3D model of hole1.穴缽 2.取苗針 3.擋苗板

參數(shù)材料穴盤基質(zhì)取苗針泊松比0.380.40.3剪切模量/MPa8661075800密度/(kg·m-3)14007507910

5.2 缽體顆粒模型

為方便模擬和減少計(jì)算量，缽體基質(zhì)顆粒模型為球形，半徑為0.4～0.7 mm，根據(jù)不同的穴盤規(guī)格設(shè)置相適應(yīng)的Total Mass，由Factory生成缽體顆粒并使其在重力作用下達(dá)到穩(wěn)定后，對(duì)模型進(jìn)行壓縮，最終得到缽體顆粒模型如圖7所示。

圖7 缽體仿真模型Fig.7 Simulation model of bowl

在取苗過程中，會(huì)產(chǎn)生基質(zhì)部分脫落的現(xiàn)象，影響取苗效果。實(shí)際上是在取苗針的作用下基質(zhì)顆粒間的粘結(jié)產(chǎn)生破裂，發(fā)生相對(duì)位移，造成顆粒下落。而接觸模型Hertz-Mindlin with bonding用于模擬破碎、斷裂等問題，采用小顆粒粘結(jié)成大塊物料，外力作用下顆粒間粘結(jié)力會(huì)發(fā)生破壞，從而產(chǎn)生破碎及斷裂效果[21]。

5.3 缽體模型提取仿真試驗(yàn)

為了分析加速度、穴盤規(guī)格、邊距比對(duì)基質(zhì)顆粒脫落的影響，利用EDEM求解器對(duì)建立的缽體模型進(jìn)行提取仿真，在基質(zhì)顆粒生成、壓縮后，使顆粒間產(chǎn)生粘結(jié)，并使取苗針以固定角度插入缽體模型中，且對(duì)取苗針施加向上的加速度，完成對(duì)缽體的提取，如圖8所示。在提取過程中伴隨著顆粒的脫落，為了計(jì)算缽體模型的完整率，利用EDEM后處理模塊中Grid Bin Group對(duì)脫落在穴孔內(nèi)的顆粒進(jìn)行質(zhì)量統(tǒng)計(jì)，即

(17)

式中Rm——缽體模型完整率，%

mt——顆粒模型總質(zhì)量，g

ml——脫落顆粒質(zhì)量，g

圖9 各種試驗(yàn)條件下的仿真試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Simulation experiment results under various conditions

對(duì)穴盤規(guī)格128穴，插入邊距比15%，加速度0.1、0.3、0.5、0.7、0.9 m/s2進(jìn)行仿真模擬，試驗(yàn)結(jié)果如圖9a所示，加速度0.1、0.3 m/s2模型完整率差異不大，但隨著加速度的逐漸增大，模型完整率迅速減小，最優(yōu)加速度范圍為0.1～0.5 m/s2。

圖8 模擬仿真試驗(yàn)Fig.8 Simulation experiment

對(duì)加速度0.3 m/s2，插入邊距比15%，穴盤規(guī)格72、128、200穴進(jìn)行仿真模擬，試驗(yàn)結(jié)果如圖9b所示，模型完整率優(yōu)選順序?yàn)?28、72、200穴，128穴最優(yōu)，但總體水平差異不大。

對(duì)加速度0.3 m/s2，穴盤規(guī)格128穴，插入邊距比5%、10%、15%、20%、25%進(jìn)行仿真模擬，試驗(yàn)結(jié)果如圖9c所示，隨著插入邊距比的增加，模型完整率先增大后減小，在邊距比15%時(shí)達(dá)到最高，最優(yōu)水平范圍為10%～20%。

6 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

6.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

取苗試驗(yàn)在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，設(shè)計(jì)取苗試驗(yàn)裝置如圖10所示，把取苗末端執(zhí)行器掛接于絲杠滑臺(tái)安裝架上進(jìn)行取苗試驗(yàn)，有效行程800 mm，通過外接電機(jī)控制器對(duì)作業(yè)位移和速度進(jìn)行控制，以滿足對(duì)取苗加速度因素水平要求。

圖10 甘藍(lán)缽苗取苗末端執(zhí)行器試驗(yàn)裝置Fig.10 Experiment device of end-effector picking up cabbage seedlings1.絲杠滑臺(tái) 2.安裝架 3.卡箍 4.取苗末端執(zhí)行器 5.缽苗 6.穴盤 7.針座 8.調(diào)節(jié)滑塊 9.取苗針 10.甘藍(lán)主莖 11.甘藍(lán)根缽

針對(duì)取苗效果，結(jié)合仿真分析結(jié)果，影響因素穴盤規(guī)格取72穴、128穴、200穴，加速度a取0.1、0.3、0.5 m/s2，取苗針插入邊距比λb取10%、15%、20%，根缽含水率取42.3%、56.2%、69.1%。試驗(yàn)采用L9(34)正交表，對(duì)每個(gè)試驗(yàn)組合取40株甘藍(lán)缽苗，試驗(yàn)重復(fù)3次，計(jì)算其平均值作為每組試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，因素水平依次為A、B、C、D，試驗(yàn)因素水平如表3所示。

6.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

6.2.1試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響

正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析如表4所示。

通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果極差分析，得到影響根缽?fù)暾实闹鞔雾樞驗(yàn)锽、C、D、A，各因素的最優(yōu)水平分別為A1、B1、C2、D2，則最優(yōu)組合為A1B1C2D2。同理，影響取苗失敗率因素的主次順序?yàn)锳、B、D、C，各因素的最優(yōu)水平分別為A2、B1、C1、D2，則最優(yōu)組合為A2B1C1D2。

表3 正交試驗(yàn)因素水平Tab.3 Orthogonal experiment factors and levels

通過方差分析，對(duì)各因素影響根缽?fù)暾屎腿∶缡÷蔬M(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表5和表6所示。

注：** 代表極為顯著，*代表顯著，ns代表不顯著，下同。

表6 取苗失敗率方差分析Tab.6 Variance analysis of seedling failure rate

由表5、6可知，取苗加速度對(duì)根缽?fù)暾屎腿∶缡÷视绊懢鶚O為顯著；根缽含水率對(duì)根缽?fù)暾视绊憳O為顯著，而對(duì)取苗失敗率影響顯著；穴盤規(guī)格對(duì)根缽?fù)暾视绊懖伙@著，而對(duì)取苗失敗率影響極為顯著；取苗針插入邊距比對(duì)根缽?fù)暾视绊憳O為顯著，而對(duì)取苗失敗率影響不顯著，這與極差分析的主次因素結(jié)論一致。因此，對(duì)于根缽?fù)暾屎腿∶缡÷识?，取苗加速度和根缽含水率的選擇至關(guān)重要。

6.2.2最優(yōu)組合確定與驗(yàn)證

根據(jù)取苗末端執(zhí)行器作業(yè)性能要求，各試驗(yàn)指標(biāo)的優(yōu)水平組合各不相同，為了兼顧平衡各項(xiàng)指標(biāo)，采用綜合加權(quán)評(píng)分法進(jìn)行分析，盡可能選出令各項(xiàng)指標(biāo)都能達(dá)到最優(yōu)的組合[22]?？紤]到4個(gè)因素對(duì)參數(shù)指標(biāo)影響的重要程度，以100分作為總權(quán)重，根缽?fù)暾逝c取苗失敗率各為50分，試驗(yàn)的綜合加權(quán)結(jié)果如表7所示。

通過表7分析得出各試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)(根缽?fù)暾省⑷∶缡÷?影響的最優(yōu)組合，各因素主次順序?yàn)锽、D、A、C，各因素最佳水平組合為B1D2A2C2，即取苗加速度為0.1 m/s2，根缽含水率為56.2%，穴盤規(guī)格為128穴，插入邊距比為15%。采用最優(yōu)組合，對(duì)取苗末端執(zhí)行器進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，根缽?fù)暾蕿?7.93%，取苗失敗率為0.81%，且試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果與正交試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，取苗末端執(zhí)行器的作業(yè)性能最優(yōu)。并以末端執(zhí)行器取苗放苗為一個(gè)工作流程，對(duì)取苗效率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為12株/min。

表7 綜合加權(quán)結(jié)果Tab.7 Result of integrated weight

6.3 機(jī)構(gòu)優(yōu)化

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在末端執(zhí)行器針對(duì)200穴規(guī)格缽苗取苗過程中，由于穴孔較小，位于安裝架下部的擋苗板結(jié)構(gòu)偏大，出現(xiàn)相鄰甘藍(lán)缽苗受壓受損情況。為滿足對(duì)多規(guī)格穴盤的適應(yīng)性，避免擋苗板損傷幼苗，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，把安裝架易對(duì)相鄰缽苗碰撞區(qū)域進(jìn)行折彎處理，以減少對(duì)作業(yè)空間的占用，優(yōu)化結(jié)果如圖11所示。

7 結(jié)論

(1)針對(duì)甘藍(lán)缽苗的生理特性和3種常用穴盤結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種可調(diào)節(jié)式四針取苗末端執(zhí)行器，適用于72穴、128穴、200穴3種規(guī)格穴盤，通過調(diào)整安裝架、調(diào)節(jié)滑塊、針座的位置，可實(shí)現(xiàn)取苗針插入根缽邊距的調(diào)節(jié)，以適應(yīng)3種規(guī)格穴盤的取苗需要。

圖11 機(jī)構(gòu)優(yōu)化Fig.11 Mechanism optimization

(2)在甘藍(lán)缽苗根缽均形成的前提下，利用裝置的可調(diào)節(jié)性提取相關(guān)試驗(yàn)因素，并運(yùn)用EDEM對(duì)缽體提取進(jìn)行單因素仿真模擬。采用L9(34)正交表進(jìn)行取苗試驗(yàn)，通過極差分析、方差分析和綜合加權(quán)法得到影響取苗效果因素的主次順序?yàn)椋喝∶缂铀俣?、根缽含水率、穴盤規(guī)格、插入邊距比；最優(yōu)組合：取苗加速度為0.1 m/s2，根缽含水率為56.2%，穴盤規(guī)格為128穴，插入邊距比為15%，此時(shí)根缽?fù)暾蕿?7.93%，取苗失敗率為0.81%。