徐陶，崔志超，管春松，陳永生，肖體瓊

(1. 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所，南京市，210014；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014)

0 引言

我國蔬菜種植面積和產(chǎn)量分別占據(jù)世界總量的40%和50%以上，長期穩(wěn)居世界前列，但機(jī)械化覆蓋率較低，尤其移栽作為蔬菜種植的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，受育苗方式和育苗質(zhì)量的制約，自動化移栽程度并不高[1]。隨著育苗工藝的創(chuàng)新，基質(zhì)塊育苗因緩苗期短、移栽成活率高、育苗成本低等優(yōu)點(diǎn)逐漸得到關(guān)注，并且可實(shí)現(xiàn)成排取苗、單株分苗，有助于提高移栽效率[2-7]，因此，基質(zhì)塊育苗移栽技術(shù)的探索將有助于拓展蔬菜移栽研究方向。

國外對基質(zhì)塊育苗移栽技術(shù)的研究起步較早，技術(shù)較為成熟，部分成熟機(jī)型已推廣應(yīng)用。意大利Ferrari公司和Hortech公司各自研制了Automatica Fast Block型移栽機(jī)與TRE TREMATIC型移栽機(jī)、法國CM REGERO公司研制了R2010型氣動式基質(zhì)塊苗移栽機(jī)、荷蘭Chrysant Arcadia公司的溫室內(nèi)固定道式基質(zhì)塊苗移栽機(jī)等，上述機(jī)型均已實(shí)現(xiàn)了自動化作業(yè)，相比穴盤苗移栽機(jī)作業(yè)效率提高3～6倍。國內(nèi)對基質(zhì)塊育苗移栽的研究還處于前期階段，少數(shù)學(xué)者對基質(zhì)塊苗力學(xué)特性和生物學(xué)特性進(jìn)行研究并開發(fā)了一些結(jié)構(gòu)簡單、功能單一的基質(zhì)塊苗移栽機(jī)。胡喬磊等[2]針對油菜基質(zhì)塊苗力學(xué)和生物學(xué)特性進(jìn)行了相關(guān)研究，并開發(fā)了油菜基質(zhì)塊苗自動移栽機(jī)，臺架試驗(yàn)分苗及取苗頻率為40株/min時，送取苗成功率僅90%左右，栽植效率和質(zhì)量均有較大提升空間；山東某公司研制了2ZS-4型基質(zhì)塊帶式移栽機(jī)，一次作業(yè)4行，株、行距可調(diào)，但用工量與現(xiàn)有半自動穴盤苗移栽機(jī)相差無幾；韓長杰等[8]針對西瓜育苗移栽研發(fā)了一種半壓縮基質(zhì)型移栽機(jī)，試驗(yàn)結(jié)果倒伏率略高。

綜上可知，國內(nèi)現(xiàn)有研究成果在省工、增效、提質(zhì)方面還有較大進(jìn)步空間，國外雖有成熟機(jī)型借鑒，但作業(yè)環(huán)境和種植農(nóng)藝與國內(nèi)有別，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、保養(yǎng)維護(hù)成本高。故通過結(jié)構(gòu)設(shè)計與理論分析相結(jié)合，研制了一種基質(zhì)塊苗移栽機(jī)自動送取苗裝置，并通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證工作原理可行性，本文為基質(zhì)塊苗移栽機(jī)的研究提供參考。

1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

基質(zhì)塊苗送取裝置主要由支撐架、鏈輪、空心套筒滾子鏈條、滑道、取苗爪、送苗裝置等組成。其中，支撐架、主(從)鏈輪、空心套筒滾子鏈條、滑道和取苗爪組成取苗裝置，主、從鏈輪之間繞裝空心套筒滾子鏈條，鏈條一側(cè)圓周均勻布置多個取苗爪，取苗爪與鏈條鉸接，另一側(cè)設(shè)置兩股滑道與取苗爪的滑銷形成滑動約束。送苗裝置與取苗裝置垂直交錯布置，取苗爪與送苗裝置內(nèi)的送苗輥相互交錯，便于取苗爪穿過送苗裝置取走基質(zhì)塊苗，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 送取裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of delivery device structure1.支撐架 2.主動軸 3.主動鏈輪 4.空心套筒滾子鏈條5.從動鏈輪 6.取苗爪 7.送苗裝置 8.基質(zhì)塊苗

1.2 工作原理

取苗爪經(jīng)滑銷被約束在支撐架滑道內(nèi)，其作用是保證取苗爪隨鏈條運(yùn)轉(zhuǎn)過程中始終保持水平狀態(tài)，從而使基質(zhì)塊苗按照一定株距直立的栽入土壤中。

工作時，基質(zhì)塊苗被成排放入送苗裝置的輸送帶上，輸送帶帶動基質(zhì)塊苗成排向前輸送，前苗在后苗的推力作用下被推至送苗輥呈待取狀態(tài)；取苗裝置的主動鏈輪在主動軸的帶動下轉(zhuǎn)動，驅(qū)動鏈條上的取苗爪作逆時針運(yùn)動，當(dāng)運(yùn)動至送苗裝置的送苗輥正下方時，取苗爪的托爪從送苗輥間隙交錯穿過(如圖2)。

圖2 取苗原理示意圖Fig. 2 Schematic diagram of seedling picking principle1.取苗爪 2.送苗裝置 3.送苗輥

從而將送苗輥上的基質(zhì)塊苗取走；基質(zhì)塊苗隨取苗爪繼續(xù)逆時針運(yùn)動，在滑道對取苗爪作用下始終保持直立狀態(tài)，當(dāng)取苗爪繼續(xù)運(yùn)動直至接觸地面時，取苗爪穿入土中，基質(zhì)塊苗則在取苗爪水平方向運(yùn)動趨勢及土壤阻力作用下停留在土地表層，覆土器緊隨其后進(jìn)行掩埋，完成栽植過程。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 取苗爪

取苗爪的作用是取苗后將基質(zhì)塊苗立直的送入土壤，其運(yùn)動是由自身回轉(zhuǎn)運(yùn)動和機(jī)器前進(jìn)運(yùn)動復(fù)合而成的合成運(yùn)動[9]，因取苗爪的運(yùn)動軌跡為“跑道形”，存在直線運(yùn)動和變向運(yùn)動，以圓周內(nèi)均勻布置的任一取苗爪為研究對象，其運(yùn)動方程

(1)

(2)

式中：V——移栽機(jī)前進(jìn)速度，km/h；

V′——取苗爪轉(zhuǎn)動線速度，km/h；

ω——取苗爪轉(zhuǎn)動角速度，(°)/s；

t——時間，s。

圖3 取苗爪結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Structure of seedling picking claw1.托爪 2.立板 3.空心套筒滾子鏈條 4.滑銷Ⅱ5.連接桿 6.滑銷Ⅰ

目前，常用的育苗基質(zhì)塊形狀多為立方體，棱長為40 mm[10]。為防止基質(zhì)塊苗位置偏斜造成取苗爪與基質(zhì)塊非完全接觸，從而使基質(zhì)塊苗傾倒，因此取苗爪總體寬度B設(shè)置為55 mm，為增加取苗穩(wěn)定性，托爪與基質(zhì)塊接觸面積應(yīng)盡可能大，因此托爪在滿足基質(zhì)塊質(zhì)量的前提下單條直徑設(shè)計為6 mm，托爪之間尺寸b設(shè)計為10 mm，立板高度H設(shè)計為40 mm。

2.2 取苗爪運(yùn)動路徑規(guī)劃

取苗爪在運(yùn)動過程中需保證基質(zhì)塊苗始終直立不傾倒，因此取苗爪運(yùn)動路徑的設(shè)計也是該結(jié)構(gòu)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。當(dāng)位于初始a狀態(tài)時，滑銷Ⅱ位于滑道Ⅳ內(nèi)，滑銷Ⅰ位于滑道Ⅲ內(nèi)，由于取苗爪整體與鏈條鉸接，在取苗爪自重以及其滑銷Ⅰ、Ⅱ在滑道Ⅲ、Ⅳ的約束作用下，取苗爪始終呈豎直狀態(tài)且不會出現(xiàn)擺動現(xiàn)象；滑銷Ⅰ和Ⅱ沿滑道ω方向順時針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動由a狀態(tài)逐步運(yùn)動至第二跑道形端部b狀態(tài)時，滑銷Ⅰ和Ⅱ逐漸先后進(jìn)入滑道Ⅲ和Ⅳ的合股滑道內(nèi)，滑銷Ⅰ先進(jìn)入合股滑道內(nèi)時由于其直徑小于合股滑道所以不受合股滑道約束，但滑銷Ⅱ尚未離開滑道Ⅳ仍然受到約束，因此取苗爪仍然保持豎直狀態(tài)；當(dāng)滑銷Ⅰ、Ⅱ繼續(xù)繞ω方向旋轉(zhuǎn)由b狀態(tài)逐步運(yùn)動至c狀態(tài)時，滑銷Ⅱ和Ⅰ逐步先后脫離上述的合股滑道并發(fā)生換道，此時滑銷Ⅱ進(jìn)入滑道Ⅲ內(nèi)，滑銷Ⅰ進(jìn)入滑道Ⅳ內(nèi)，由于滑銷Ⅱ直徑小于合股滑道所以不受合股滑道約束，但滑銷Ⅰ已經(jīng)先進(jìn)入合股滑道內(nèi)受到約束，因此取苗爪仍然保持豎直狀態(tài)。鏈條帶動取苗爪的整個運(yùn)動過程中，滑銷Ⅰ和Ⅱ始終處于水平狀態(tài)(即保持水平于地面狀態(tài))，因此取苗爪可始終保持豎直狀態(tài)。

圖4 取苗爪運(yùn)動路徑Fig. 4 Movement path of seedling picking claw1.滑道Ⅲ 2.滑道Ⅳ 3.合股滑道 4.滑銷Ⅰ 5.滑銷Ⅱ

2.3 送苗裝置

送苗裝置由輸送帶、側(cè)擋板、送苗輥、端面擋板、驅(qū)動器等組成，如圖5所示。輸送帶一端設(shè)置多個輥?zhàn)有纬伤兔巛?，輥?zhàn)討冶酃潭ㄔ趥?cè)擋板上，另一側(cè)擋板與端面擋板之間設(shè)置缺口，取苗爪上的拖抓空隙與送苗輥空隙彼此形成位置交錯。端面擋板用于擋住輥?zhàn)由系幕|(zhì)塊苗防止被推落，側(cè)擋板用于防止基質(zhì)塊苗輸送過程從側(cè)面滑落。

送苗裝置與取苗爪配合工作，基質(zhì)塊苗在輸送槽內(nèi)為連續(xù)輸送，當(dāng)取苗爪將送苗輥上的基質(zhì)塊苗取走后，在輸送帶的作用下一基質(zhì)塊苗進(jìn)行補(bǔ)位。為保證基質(zhì)塊苗在輸送槽內(nèi)減少側(cè)邊摩擦，同時防止苗塊輸送時擺動，以槽寬B′大于基質(zhì)塊尺寸±10%的設(shè)計原則進(jìn)行微調(diào)；送苗輥缺口B″應(yīng)滿足取苗爪寬度B并保留運(yùn)動誤差余量，此處設(shè)計為60 mm。

圖5 送苗裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig. 5 Structure diagram of the seedling delivery device1.輸送帶 2.側(cè)擋板 3.送苗輥 4.端面擋板 5.驅(qū)動器

3 性能分析

3.1 取苗爪栽苗過程分析

栽苗過程中取苗爪會劃入土壤淺層，利用土壤對基質(zhì)塊苗的阻力使其停留在土壤表層，因此為保證基質(zhì)塊苗覆土充分，移栽作業(yè)前需提前對壟畦進(jìn)行開溝，使溝深略深于基質(zhì)塊高度。

(a)臨界入土 (b)入土中 (c)出土后圖6 栽苗過程示意圖Fig. 6 Schematic diagram of the planting process1.基質(zhì)塊苗 2.取苗爪

取苗爪劃入土壤過程可分為3種理想狀態(tài)，如圖6所示。取苗爪臨界入土?xí)r與地面接觸，在鏈輪及鏈條驅(qū)動下繼續(xù)向下運(yùn)動，當(dāng)運(yùn)動至極限位置時與地平面形成最大距離h，然后取苗爪越過最低點(diǎn)開始向上運(yùn)動，直至離開地平面。為保證取苗爪的運(yùn)動不干涉基質(zhì)塊苗栽植效果，取苗爪入土后的水平位移應(yīng)大于取苗爪寬度與基質(zhì)塊寬度和，此時取苗爪入土最大深度h如式(5)所示。

(3)

(4)

由式(1)、式(2)得

(5)

式中：t——取苗爪入土?xí)r間，s；

φ——取苗爪入土?xí)r與水平面夾角，(°)；

食堂從業(yè)人員資質(zhì)觸發(fā)的安全風(fēng)險。高校食堂被承包后，承包方來自全國各地，生產(chǎn)、銷售、加工、采購人員來源更加寬泛；各種地方特色美食和小吃開始進(jìn)入食堂，各地區(qū)、各民族飲食的專技人員大量到食堂就業(yè)，成分更趨復(fù)雜；承包方更迭愈加頻繁，管理經(jīng)營、銷售、生產(chǎn)、加工、采購人員流動性加大。為追求超額利潤，降低人力成本成為必然選項(xiàng)，這就導(dǎo)致食品安全的風(fēng)險增加。再加上從業(yè)人員文化層次不高、工資待遇不高，食品安全工作經(jīng)驗(yàn)和食品安全責(zé)任意識不足，就更加導(dǎo)致風(fēng)險的存在。在實(shí)際情況中，多數(shù)從業(yè)人員未取得從業(yè)資格證，更有甚者連健康證都不具備，因此，這就需要對食堂從業(yè)人員的資質(zhì)進(jìn)行重點(diǎn)審核和把關(guān)。

a——基質(zhì)塊棱長，mm；

B——取苗爪寬度，mm。

3.2 基質(zhì)塊苗臨界入土?xí)r受力分析

基質(zhì)塊苗由水平狀態(tài)入土瞬間土壤會對其產(chǎn)生反向作用力，由于慣性會有向取苗爪轉(zhuǎn)動相反方向傾倒的趨勢。為防止基質(zhì)塊苗發(fā)生傾倒，對其臨界入土瞬間進(jìn)行受力分析，圖7為基質(zhì)塊苗隨取苗爪轉(zhuǎn)動至臨界入土點(diǎn)時受力圖。

圖7 基質(zhì)塊苗臨界入土受力分析Fig. 7 Analysis of critical soil penetration force ofsubstrate block seedlings

此時假設(shè)基質(zhì)塊苗沿O點(diǎn)轉(zhuǎn)動，與地面形成的夾角β，則在臨界狀態(tài)下基質(zhì)塊苗不發(fā)生傾倒的條件為

(6)

(7)

式中：FN1——地面對基質(zhì)塊苗的支撐力，N；

Ff1——地面對基質(zhì)塊苗與運(yùn)動趨勢相反的摩擦力，N；

a——基質(zhì)塊棱長，mm；

β——基質(zhì)塊苗的傾翻角，(°)。

4 試驗(yàn)分析

4.1 試驗(yàn)條件

(a) 試驗(yàn)效果

(b) 試驗(yàn)對象圖8 田間試驗(yàn)Fig. 8 Field test

試驗(yàn)前采用旋耕起壟機(jī)對地塊進(jìn)行旋耕起壟，土壤含水率在20%左右，土壤類型為壤土。試驗(yàn)對象為40 mm×40 mm×40 mm方體基質(zhì)塊甘藍(lán)苗，如圖8(b)所示。配套動力為John Deere 1204型輪式拖拉機(jī)，測試儀器有ECA-SW1土壤水分快速測定儀、05系列纖維卷尺。

4.2 試驗(yàn)方法

經(jīng)初步研究得知，影響移栽質(zhì)量的主要因素為機(jī)器前進(jìn)速度和取苗爪工作頻率。為此，以機(jī)器前進(jìn)速度和取苗爪工作頻率為試驗(yàn)因素，以漏栽率和倒伏率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)中通過變換拖拉機(jī)速度改變移栽機(jī)前進(jìn)速度，通過變換移栽機(jī)傳動比改變?nèi)∶缱ぷ黝l率。每組參數(shù)下完成栽植作業(yè)后連續(xù)測量120株秧苗，統(tǒng)計漏栽和倒伏株數(shù)，計算漏栽率、倒伏率和合格率。

(8)

(9)

Q=(1-E-T)×100%

(10)

式中：E——漏栽率，%；

NLZ——漏栽株數(shù)，株；

T——倒伏率，%；

NDF——倒伏株數(shù)，株；

N′——測量株數(shù)，株；

Q——合格率，%。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)果Tab. 1 Test results

通過表1可以看出，當(dāng)前進(jìn)速度相同時，漏栽率隨取苗爪工作頻率遞增而增大，說明取苗裝置轉(zhuǎn)動越慢，取苗成功率越大，從而降低漏栽率；當(dāng)前進(jìn)速度為1～1.2 km/h、取苗爪工作頻率為55株/min時，倒伏率最低。為準(zhǔn)確分析兩試驗(yàn)因素對指標(biāo)的影響，利用Design9.0軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行顯著性分析，分析結(jié)果見表2。

表2 方差分析Tab. 2 Analysis of variance

由表2方差分析表可得出，前進(jìn)速度對漏栽率無顯著影響，對倒伏率影響顯著，因?yàn)樗兔缪b置前端始終保持一株基質(zhì)塊苗續(xù)位，機(jī)器前進(jìn)速度和取苗與否關(guān)聯(lián)性較?。蝗∶缱ぷ黝l率對漏栽率和倒伏率均影響顯著，說明取苗爪工作頻率是影響栽植效果的重要參數(shù)；前進(jìn)速度與取苗爪工作頻率的交互作用對倒伏率影響極顯著。

為進(jìn)一步研究前進(jìn)速度與取苗爪工作頻率對倒伏率的交互影響，獲取最佳參數(shù)，利用Origin9.0軟件繪制三維曲面，如圖9所示。

圖9 前進(jìn)速度與取苗爪工作頻率對倒伏率影響Fig. 9 Influence of advancing speed and frequency ofseedling picking claw on lodging rate

通過圖9分析前進(jìn)速度與取苗爪工作頻率交互作用結(jié)果綜合得出，當(dāng)前進(jìn)速度為1～1.2 km/h、取苗爪工作頻率為55株/min時，倒伏率最低為3.4%；結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，此時漏栽率為1.3%，由式(10)計算得合格率為95.3%，該參數(shù)組合下移栽質(zhì)量滿足旱地栽植機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JB/T 1029—2013)[10]和蔬菜移栽機(jī)作業(yè)質(zhì)量(NY/T 3486—2019)[11]內(nèi)的相關(guān)指標(biāo)(漏栽率≤50%，倒伏率≤7%，栽植合格率≥90%)。

5 結(jié)論

1) 設(shè)計了一種基質(zhì)塊苗移栽機(jī)送取苗裝置，可實(shí)現(xiàn)基質(zhì)塊苗成排輸送、自動取苗、單株定植等功能，該裝置結(jié)構(gòu)輕簡，株行距調(diào)節(jié)方便，為基質(zhì)塊苗移栽機(jī)的研究提供參考。

2) 對裝置整體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計與參數(shù)確定，對栽苗過程和臨界入土?xí)r基質(zhì)塊苗受力情況進(jìn)行受力分析，得出取苗爪最大入土深度和基質(zhì)塊苗臨界入土不發(fā)生傾倒的條件。田間試驗(yàn)表明，當(dāng)前進(jìn)速度為1～1.2 km/h、取苗爪工作頻率為55株/min 時栽植效果最佳，漏栽率為1.3%，倒伏率為3.4%，栽植合格率為95.3%，滿足移栽機(jī)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。