王 超 劉彩玲 李永磊 宋建農(nóng) 王繼承 董向前

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

0 引言

目前，我國蔬菜移栽機(jī)仍由人工完成取苗作業(yè)，其勞動(dòng)強(qiáng)度大且作業(yè)效率低，受限于人工取苗速度，移栽頻率僅為25～40株/min[1]，這制約了蔬菜產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)取苗裝置進(jìn)行了廣泛研究，提出并設(shè)計(jì)了插入夾取式[2-7]、頂出式[8-9]、頂出夾取式[10-12]、氣力式[13-15]和其他形式[16-18]的取苗機(jī)構(gòu)，以及相應(yīng)取苗末端執(zhí)行器[19-20]?；谙蛏先∶缭淼牟迦電A取式取苗機(jī)構(gòu)，其取苗頻率多為40～90株/min[2-6]，當(dāng)取苗頻率大于70株/min時(shí)，機(jī)構(gòu)的變速轉(zhuǎn)動(dòng)或擺動(dòng)使苗針沖擊振動(dòng)和慣性力顯著增大，缽體破損率增大，夾苗穩(wěn)定性降低，從而出現(xiàn)脫苗或甩苗等取苗失敗現(xiàn)象，導(dǎo)致取苗成功率降低[3]。基于向上取苗原理的機(jī)構(gòu)因取苗、投苗運(yùn)動(dòng)方向和空間位置不一致，苗針必須按特殊軌跡變速運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)過迎穴扎苗、拔苗取出、攜苗轉(zhuǎn)運(yùn)和推苗投出等繁瑣步驟才能完成單次取投苗作業(yè)[21-22]，因此很難提高取苗頻率。研究者在同類取苗機(jī)構(gòu)上進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)研究和優(yōu)化改進(jìn)[23-26]，沖擊振動(dòng)和慣性力略有改善，但依然很難突破。

高速移栽機(jī)移栽頻率不小于90株/min[27]，取苗作業(yè)高速化是實(shí)現(xiàn)高速移栽的關(guān)鍵和前提[28]。因此，研究結(jié)構(gòu)合理、取苗效果良好的高速取苗裝置對(duì)提高蔬菜移栽機(jī)作業(yè)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度和促進(jìn)蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義[7]。本文基于向下取苗原理設(shè)計(jì)一種氣動(dòng)下壓式高速取苗裝置及配套組合式穴盤。通過理論與試驗(yàn)分析，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)選，以辣椒苗為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行取苗試驗(yàn)，以驗(yàn)證裝置的取苗原理和該機(jī)構(gòu)高速取苗的可行性，為開發(fā)輕簡型高速取苗裝置提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的氣動(dòng)下壓式高速取苗裝置如圖1所示，主要由機(jī)架、供盤機(jī)構(gòu)、送苗機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)、投苗錐斗和控制系統(tǒng)等組成。供盤機(jī)構(gòu)通過供盤鏈驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)供盤鏈，對(duì)稱安裝的供盤鏈上各有一個(gè)加長銷軸，與最上方托盤層側(cè)邊鉸接，托盤層由吊線串聯(lián)成多層結(jié)構(gòu)；送苗機(jī)構(gòu)通過送苗鏈驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)對(duì)稱布置的送苗鏈，送苗鏈整周上均布加長銷軸作為送苗撥桿，送苗底板緊固在送苗鏈之間，前端有配合下壓取苗鏤空處；氣動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)安裝在送苗底板鏤空處上方；控制柜通過電氣連接控制供盤機(jī)構(gòu)和送苗機(jī)構(gòu)，通過氣動(dòng)連接控制推盤氣缸和氣動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)。

與裝置配套使用的組合式穴盤如圖2所示。組合式穴盤穴孔為上下通透的正四棱臺(tái)形，幼苗生長在6×6的36孔組合式穴盤內(nèi)。為避免莖葉穿過穴孔時(shí)下落不暢或損傷，經(jīng)落苗通過率試驗(yàn)，穴孔設(shè)計(jì)如圖2所示，相鄰穴孔中心距是45 mm。無底穴盤兩側(cè)有6個(gè)間距45 mm的側(cè)筋，用于被送苗鏈送苗撥桿驅(qū)動(dòng)和取苗位置傳感器檢測(cè)第1取苗時(shí)序。

1.2 工作原理

氣動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)是整個(gè)裝置核心部件，穴盤具有成行成列等距穴孔，采用成排取苗單體可以避免使用限制作業(yè)效率提升的橫向移箱機(jī)構(gòu)，能顯著提高取苗頻率。氣動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括安裝板和與無底穴盤各行穴孔對(duì)應(yīng)的6個(gè)取苗機(jī)構(gòu)單體(以下簡稱取苗單體)。取苗單體包括取苗氣缸和安裝在活塞桿上的頂苗器。

作業(yè)時(shí)將載苗無底穴盤(以下簡稱苗盤)放置到托盤層上，裝置按如下作業(yè)工序進(jìn)行高速取苗作業(yè)：①有序供盤：供盤鏈間歇向下移送托盤層，托盤層與送苗底板平齊時(shí)，推盤氣缸將苗盤向送苗底板方向推出合適距離。②連續(xù)送苗：送苗鏈送苗撥桿撥動(dòng)苗盤穴盤側(cè)筋，勻速輸送苗盤經(jīng)過氣動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)下方，運(yùn)動(dòng)方向如圖4a箭頭所示。③氣動(dòng)下壓取苗：高速取苗時(shí)序控制系統(tǒng)控制氣動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)各行取苗單體頂苗器依次對(duì)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)穴孔，下壓缽苗后復(fù)位，完成取苗(圖4b)。④自由投苗：被壓出缽苗按時(shí)序落入投苗錐斗，在重力作用下沿投苗錐斗傾斜側(cè)壁下滑至出口自由投苗。

每行取苗單體在苗盤輸送方向上等距間隔，呈斜線布置(圖5)。當(dāng)苗盤某行第1行穴孔對(duì)齊第1行取苗單體頂苗器時(shí)，穴盤側(cè)筋觸發(fā)取苗位置傳感器到達(dá)第1取苗時(shí)序(圖5a)。在1個(gè)取苗時(shí)序間隔內(nèi)，控制系統(tǒng)控制第1行取苗單體頂苗器下壓取苗并復(fù)位，同時(shí)苗盤前進(jìn)一段距離，第2行穴孔與第2行取苗單體對(duì)齊，到達(dá)第2取苗時(shí)序(圖5b)；剩余4行穴孔按相同規(guī)律依次與對(duì)應(yīng)行取苗單體動(dòng)態(tài)對(duì)準(zhǔn)，到達(dá)后續(xù)4個(gè)取苗時(shí)序并完成下壓取苗。連續(xù)6個(gè)取苗時(shí)序和下壓取苗后，為了消除送苗鏈累積運(yùn)動(dòng)誤差，由下一個(gè)穴盤側(cè)筋觸發(fā)取苗位置傳感器正時(shí)下一行第1取苗時(shí)序，開始下一行高速取苗時(shí)序和下壓取苗。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 缽體力學(xué)模型

缽體與穴孔壁之間存在粘附力和摩擦力作用，下壓缽苗是驅(qū)動(dòng)缽體脫離穴孔壁粘附力以及摩擦力的過程[29]。頂苗器壓出過程中缽體受力如圖6所示，圖中θ為苗缽側(cè)邊角，0.95°。

缽體在4個(gè)側(cè)面上受到的摩擦力Ffi、粘附力Fni和正壓力Ni可認(rèn)為相等。若為了使缽體脫離穴孔壁并保持缽體完好，則頂苗器作用在缽體上表面的取苗力F應(yīng)滿足

4(Fficosθ+Fnisinθ-Nisinθ)-Gs≤F≤Fσ

(1)

式中Gs——缽苗重力，N

Fσ——缽體上表面抗穿刺屈服力，N

缽體脫盤力一定程度上反映為：缽體4個(gè)側(cè)面受到穴孔壁摩擦力Ffi、粘附力Fni和正壓力Ni在豎直方向的綜合作用與缽苗重力之差，即

FT≈4(Fficosθ+Fnisinθ-Nisinθ)-Gs

(2)

式中FT——缽體脫盤力，N

對(duì)苗盤中缽苗進(jìn)行缽體脫盤力學(xué)試驗(yàn)，測(cè)出缽體脫盤力FT為(15.8±3.8)N；為了保證可靠壓出，F(xiàn)T取19.6 N。缽體上表面抗穿刺屈服力Fσ等于頂苗器末端作用面積與缽體上表面許用抗穿刺屈服強(qiáng)度乘積。

根據(jù)式(1)和式(2)可得取苗力F范圍為

FT≤F≤Fσ

(3)

2.2 氣動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1取苗氣缸選型與工作壓力

為實(shí)現(xiàn)成功取苗，下壓取苗有效行程應(yīng)大于穴孔深度即30 mm，頂苗器末端距缽體上表面的位置不應(yīng)超過最低莖葉生長點(diǎn)，綜合各因素選用工作行程為50 mm，缸徑為10 mm，CDJ2KB10-50型雙作用不回轉(zhuǎn)氣缸，最大工作氣壓0.7 MPa，最大下壓力54.98 N。

將氣缸活塞桿和頂苗器視為一個(gè)剛體進(jìn)行受力分析，活塞桿伸出時(shí)頂苗器向下合力即為取苗力F，即

F=pSp+Gp-Ffc

(4)

根據(jù)式(3)和式(4)得到不等式

(5)

式中p——取苗氣缸工作壓力，MPa

Sp——活塞有效作用面積，約7.85×10-5m2

Gp——活塞、活塞桿與頂苗器重力，為0.2 N

Ffc——取苗氣缸壁對(duì)活塞桿的摩擦力，約為1 N

根據(jù)式(5)計(jì)算得到頂苗器壓出缽苗所需取苗氣缸工作壓力p最小為0.26 MPa。

2.2.2取苗單體斜線布置

取苗單體的橫向間距等于穴孔間距B=45 mm；取苗單體的縱向間距C應(yīng)滿足：第6取苗時(shí)序開始一個(gè)取苗時(shí)序間隔內(nèi)，苗盤前進(jìn)距離使下一行第1列穴孔與第1列取苗單體對(duì)準(zhǔn)(或與取苗位置傳感器檢測(cè)下1行第1取苗時(shí)序同時(shí)發(fā)生)。故6次取苗時(shí)序總時(shí)長內(nèi)，送苗鏈以線速度vc移送苗盤位移等于穴孔間距B。送苗鏈速度vc計(jì)算式為

(6)

其中

式中tp——取苗時(shí)序間隔，s

f——取苗頻率，為120株/min

通過計(jì)算取苗時(shí)序間隔tp為0.5 s，取苗單體縱向間距C為7.5 mm，送苗鏈線速度vc為0.015 m/s。

2.2.3頂苗器運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

苗盤連續(xù)輸送使得頂苗器在下壓取苗作業(yè)時(shí)與穴孔有水平相對(duì)位移，包括下壓取苗相對(duì)運(yùn)動(dòng)位移和復(fù)位相對(duì)位移。需對(duì)頂苗器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，研究其與穴孔之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，為頂苗器末端結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)提供參考，防止兩者發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉。

頂苗器下壓取苗階段頂苗器和穴孔運(yùn)動(dòng)關(guān)系為

(7)

式中H——取苗氣缸工作行程，為50 mm

g——重力加速度，取9.8 m/s2

t1——頂苗器下壓行程時(shí)間，s

x1——t1時(shí)間內(nèi)穴孔位移，mm

頂苗器復(fù)位階段頂苗器和穴孔運(yùn)動(dòng)關(guān)系為

(8)

式中Sr——活塞桿面積，約為1.39×10-5m2

t2——頂苗器復(fù)位行程時(shí)間，s

x2——t2時(shí)間內(nèi)穴孔位移，mm

頂苗器下壓取苗和復(fù)位階段穴孔位移為

(9)

式中x——t1和t2時(shí)間內(nèi)穴孔位移，mm

按式(9)計(jì)算頂苗器在一次下壓和復(fù)位中，與穴孔水平相對(duì)位移x約為0.32 mm，在Matlab中繪制其相對(duì)穴孔運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖7所示，x軸為頂苗器相對(duì)于穴孔水平方向位移，y軸為頂苗器位移，以復(fù)位時(shí)頂苗器末端所在位置為坐標(biāo)原點(diǎn)。

2.2.4頂苗器末端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)確定

為了減小下壓取苗過程中缽體受力不平衡及莖葉損傷，應(yīng)在缽體上表面靠近穴孔處施加取苗力。由于送苗鏈連續(xù)移送苗盤，頂苗器與秧苗在苗盤前進(jìn)方向有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，需要防止頂苗器直接碰撞秧苗莖稈，造成壓彎折斷等硬性損傷，應(yīng)保證頂苗器避開穴孔中央莖稈生長點(diǎn)集中區(qū)域，因此頂苗器末端設(shè)計(jì)為U型，如圖8所示。U型末端的側(cè)邊Ⅰ/Ⅱ作用取苗力于缽體上表面靠近3個(gè)側(cè)邊處，缽體受力較為平衡，變形較??；U型末端中空腔容納莖稈進(jìn)入，同時(shí)U型末端側(cè)邊Ⅱ上邊沿設(shè)計(jì)為向下斜線并對(duì)棱邊倒角，降低莖葉下降過程中與側(cè)邊Ⅱ接觸時(shí)通過阻力和接觸壓強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)低損快速下落。

頂苗器為3D打印而成，根據(jù)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，將U型末端側(cè)邊Ⅰ厚度h設(shè)為5 mm；根據(jù)預(yù)試驗(yàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行精度，將U型末端側(cè)邊Ⅰ/Ⅱ外側(cè)與穴孔邊緣間隙j設(shè)為2 mm，則側(cè)邊Ⅱ外寬b為37 mm；隨機(jī)選取一盤苗測(cè)得秧苗莖稈生長點(diǎn)集中區(qū)域直徑d為20 mm，U型末端不壓倒莖稈的條件為

a≥d

(10)

式中a——U型末端側(cè)邊Ⅱ開口端內(nèi)寬，mm

在復(fù)位過程中U型末端側(cè)邊Ⅱ與莖葉相對(duì)高速接觸，經(jīng)試驗(yàn)，較薄的側(cè)邊Ⅱ會(huì)對(duì)莖葉產(chǎn)生“切割”效應(yīng)造成莖葉損傷，U型末端側(cè)邊Ⅱ的壁厚宜選為5 mm，此時(shí)可顯著減輕側(cè)邊Ⅱ?qū)ηo葉的“切割”效應(yīng)。則側(cè)邊Ⅱ內(nèi)寬a=b-2×5=27 mm。

U型末端縱向長度c計(jì)算式為

c=E-j-e

(11)

其中

e=j+x

式中e——U型末端側(cè)邊Ⅱ前端與穴孔邊緣間隙，mm

E——穴孔內(nèi)寬，mm

按式(11)計(jì)算，e取整為3 mm，則c為36 mm。

為最大限度保證缽體根土結(jié)構(gòu)完整性和根系不受損傷，U型末端對(duì)缽體上表面作用壓力應(yīng)小于缽體上表面許用抗穿刺屈服強(qiáng)度[σ]，穴盤苗缽為根土復(fù)合體，借助穿刺試驗(yàn)測(cè)得其許用抗穿刺屈服強(qiáng)度，計(jì)算公式為

(12)

式中k——安全系數(shù)，取1.2～1.5

FQ——缽體上表面平探頭穿刺屈服壓力，N

Sσ——平探頭接觸面積，m2

穿刺試驗(yàn)用苗為“國福419”辣椒品種，育苗基質(zhì)中泥炭、珍珠巖、蛭石體積比為3∶1∶1，苗齡66 d，平均苗高145 mm，平均葉展為118 mm，平均莖粗為3.87 mm。試驗(yàn)前用剪刀沿缽體上表面將秧苗剪去。在TMS-Touch型質(zhì)構(gòu)儀上使用直徑2 mm平探頭P2(圖9a)，在頂苗器U型末端側(cè)邊Ⅰ/Ⅱ作用區(qū)域內(nèi)選取穿刺試驗(yàn)位置(圖9b)，進(jìn)行缽體上表面穿刺試驗(yàn)。測(cè)得缽體上表面平探頭穿刺屈服壓力為(0.47±0.09)N，安全系數(shù)設(shè)為1.5，求得缽體上表面許用抗穿刺屈服強(qiáng)度約為0.226 MPa。穿刺試驗(yàn)后測(cè)得缽體基質(zhì)含水率為67.51%～69.54%。缽體內(nèi)部由于根系盤結(jié)和加筋作用，內(nèi)部抗穿刺及抗壓屈服強(qiáng)度增強(qiáng)。雖然表層基質(zhì)被平探頭穿刺破壞，表現(xiàn)為表層局部基質(zhì)顆粒壓縮凹陷屈服和剪切破壞，苗缽主體抗穿刺屈服強(qiáng)度大于測(cè)試值。

U型末端與缽體間作用力和缽體脫盤力FT相等，U型末端在缽體上表面作用面積SU和作用壓力σ計(jì)算式為

SU=(c-5)(b-a)+5b

(13)

(14)

經(jīng)式(14)計(jì)算校核，U型末端在缽體上表面作用壓力小于缽體上表面許用抗穿刺屈服強(qiáng)度，不會(huì)對(duì)缽體造成破壞。

缽體上表面抗穿刺屈服力計(jì)算式為

Fσ=[σ]SU

(15)

按式(5)計(jì)算取苗氣缸工作壓力p范圍為

0.26 MPa≤p≤1.44 MPa

(16)

為了減小頂苗器下壓對(duì)缽體的損傷和降低作業(yè)能耗，取苗氣缸工作壓力p優(yōu)選為0.26 MPa。

2.3 高速取苗時(shí)序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)高速取苗，設(shè)計(jì)了送盤鏈以線速度vc連續(xù)移送苗盤、整排取苗單體依次對(duì)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)穴孔下壓取苗的高速取苗時(shí)序，由送苗鏈、氣動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)和取苗位置傳感器等配合實(shí)現(xiàn)，送苗鏈采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；氣動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)6個(gè)取苗單體雙作用氣缸利用二位五通電磁換向閥控制氣動(dòng)回路，整個(gè)氣動(dòng)回路由減壓閥調(diào)節(jié)工作壓力，氣源為空壓機(jī)；取苗位置傳感器使用微動(dòng)行程開關(guān)檢測(cè)穴盤側(cè)筋正時(shí)第1取苗時(shí)序。其系統(tǒng)硬件組成如圖10所示。

根據(jù)控制性能要求和硬件匹配，控制器選用16 MHz的Arduino Mega 2560微控制器。高速取苗時(shí)序控制流程如圖11所示，實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸送苗盤、檢測(cè)第1取苗時(shí)序和高速下壓取苗。

3 臺(tái)架試驗(yàn)

3.1 高速取苗時(shí)序驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證頂苗器U型末端接觸缽體上表面實(shí)際瞬時(shí)位置是否與高速取苗時(shí)序理論位置相符，開展驗(yàn)證試驗(yàn)。

試驗(yàn)所需設(shè)備：高速攝像機(jī)(Phantom V9.1型)、補(bǔ)光燈(JINBEI EF-200型)、氣動(dòng)下壓式高速取苗裝置試驗(yàn)臺(tái)如圖12所示。

首先將無底穴盤放置到送苗底板上，架設(shè)高速攝像機(jī)，開啟補(bǔ)燈光照射，設(shè)置采樣頻率為1 000 f/s，然后設(shè)置裝置取苗頻率為120株/min，送苗鏈線速度0.015 m/s，啟動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，開始拍攝。通過PCC軟件對(duì)視頻進(jìn)行解析，獲得實(shí)際6個(gè)高速取苗時(shí)序?qū)?yīng)頂苗器U型末端與缽體上表面接觸實(shí)際瞬時(shí)位置。在PCC中軟件使用“Measurement”下的“Calibrate”和“Instant Measurement”測(cè)量功能，測(cè)得6個(gè)實(shí)際瞬時(shí)位置U型末端側(cè)邊Ⅰ與穴孔內(nèi)側(cè)邊緣距離j1～j6(圖8b)見圖13，取苗位置傳感器觸發(fā)正時(shí)第1取苗時(shí)序時(shí)刻t為0 ms。

6個(gè)高速取苗時(shí)序j1～j6平均值為2.50 mm，與設(shè)計(jì)的邊緣距離j基本一致，可知送苗鏈、氣動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)和取苗位置傳感器等在控制系統(tǒng)作用下實(shí)現(xiàn)高速取苗時(shí)序精度較好，具有高速取苗作業(yè)可行性。

3.2 取苗試驗(yàn)

3.2.1試驗(yàn)條件與指標(biāo)

氣動(dòng)下壓式取苗裝置取苗試驗(yàn)于2020年11月在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院進(jìn)行。試驗(yàn)對(duì)象為“國福419”辣椒苗，采用有機(jī)營養(yǎng)育苗基質(zhì)培育，泥炭、珍珠巖、蛭石體積比為3∶1∶1，苗齡60 d，平均苗高為145 mm，平均展寬為133 mm，平均莖粗為3.49 mm，如圖14所示。測(cè)得缽體基質(zhì)含水率為66.69%～76.35%。

依據(jù)JB/T 10291—2013《旱地栽植機(jī)械》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[28]，結(jié)合氣動(dòng)下壓式取苗裝置作業(yè)性能要求，本試驗(yàn)以取苗成功率Y1、基質(zhì)破碎率Y2和莖葉損傷率Y3作為取苗效果評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算式為

(17)

(18)

(19)

式中n1——裝置取苗成功缽苗株數(shù)，株

n——試驗(yàn)用有效缽苗總株數(shù)，株

m1——破碎基質(zhì)總質(zhì)量，g

m——取苗成功缽苗總質(zhì)量，g

m2——取苗成功缽苗莖葉總質(zhì)量，g

m3——取苗成功后扯斷損傷莖葉總質(zhì)量，g

試驗(yàn)時(shí)取苗氣缸工作氣壓p=0.26 MPa，取苗頻率為120株/min。選取6盤生長一致缽苗進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)前去除無苗缽體，避免無苗缽體對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。每次試驗(yàn)后沿缽體上表面將幼苗剪去稱取苗成功缽苗莖葉總質(zhì)量m2。缽苗取苗成功率平均值為100%，基質(zhì)破碎率平均值為22.46%，莖葉損傷率平均值為3.54%，試驗(yàn)后部分缽苗狀況如圖15所示。

表1 取苗試驗(yàn)結(jié)果

3.2.2結(jié)果分析

基質(zhì)破碎率較高原因?yàn)椋豪忬w尺寸較大，根系比例和根系包裹纏繞程度比常規(guī)缽苗稍弱，但破碎基質(zhì)來源于缽體邊角表層松散基質(zhì)，缽體主體內(nèi)部和根系未見損傷；即使個(gè)體差異部分缽苗根系不發(fā)達(dá)出現(xiàn)基質(zhì)破碎率偏高，未對(duì)其造成根系及莖葉嚴(yán)重?fù)p傷。所有缽體主體及根系仍完好(圖15)，不影響后期移栽成活。個(gè)別葉片扯斷損傷，損傷程度較小，不影響移栽后成活和生長發(fā)育，未發(fā)生因莖葉互相纏繞導(dǎo)致缽體壓出而未下落情況。

試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)頂苗器下壓取苗過程中，缽苗以一定速度下落，莖葉在迎風(fēng)阻力作用下向中心彎曲收攏(圖16)，更有利于穿過穴孔低損高速下落。

通過試驗(yàn)可知，裝置各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)、按高速取苗時(shí)序完成取苗作業(yè)循環(huán)，滿足高速低損取苗作業(yè)要求；與基于向上取苗原理插入夾取式取苗機(jī)構(gòu)相比，取苗頻率和取苗成功率都得到了提高；同時(shí)該裝置提高取苗頻率只需改變送苗鏈線速度和高速取苗時(shí)序間隔，并不會(huì)改變?nèi)∶鐨飧坠ぷ鲏毫凸ぷ餍谐蹋粫?huì)增加頂苗器振動(dòng)和慣性力，故該裝置下壓式取苗原理與結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高速低損取苗。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了氣動(dòng)下壓式高速取苗裝置，該裝置將快速往復(fù)氣缸和無底穴盤結(jié)合，實(shí)現(xiàn)下壓式高速取投苗一體化作業(yè)，簡化了取苗機(jī)構(gòu)、優(yōu)化了作業(yè)軌跡。綜合考慮缽體受力、莖葉損傷、作用壓力、與穴孔邊緣間隙和相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡等因素，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行分析和計(jì)算；在當(dāng)前穴盤和頂苗器參數(shù)條件下，取苗氣缸工作氣壓范圍為0.26～1.44 MPa。所設(shè)計(jì)的頂苗器在氣缸工作氣壓范圍內(nèi)不會(huì)對(duì)缽體根土結(jié)構(gòu)和莖葉造成破壞或損傷。同時(shí)，在下壓取苗過程中，莖葉受迎風(fēng)阻力而收攏，有利于快速低損下落，實(shí)現(xiàn)低損取苗作業(yè)。

(2)設(shè)計(jì)了高速取苗時(shí)序及控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，送苗鏈、氣動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)和取苗位置傳感器等在控制系統(tǒng)作用下能夠協(xié)調(diào)工作，高速取苗時(shí)序精度較高，該取苗機(jī)構(gòu)具有高速取苗作業(yè)的可行性。

(3)進(jìn)行了樣機(jī)取苗試驗(yàn)，當(dāng)取苗氣缸工作氣壓優(yōu)選為0.26 MPa、取苗頻率為120株/min時(shí)，缽苗取苗成功率平均值為100%，基質(zhì)破碎率平均值為22.46%，莖葉損傷率平均值為3.54%，未發(fā)現(xiàn)缽體主體結(jié)構(gòu)、根系和莖葉的嚴(yán)重?fù)p傷，取苗效果穩(wěn)定，能夠滿足蔬菜高速移栽的取苗作業(yè)要求。