王 濤，費 焱，樓婷婷，劉 丹

（金華市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，浙江金華 321017）

0 引言

我國花卉苗木產(chǎn)業(yè)商品化至今已有40多年的發(fā)展史，目前種植面積和產(chǎn)量均處于世界首位[1-2]，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)日趨合理，區(qū)域特色明顯，已成為鄉(xiāng)村振興的支柱產(chǎn)業(yè)之一。近年來，國家省市各級相繼提出了“美麗中國”“城市彩化”和“彩色浙江”等建設(shè)內(nèi)容，這些建設(shè)的提出大大增加了花卉苗木的市場需求空間，產(chǎn)業(yè)迎來發(fā)展黃金期。然而，當(dāng)下我國的花卉苗木產(chǎn)業(yè)還存在生產(chǎn)方式落后、技術(shù)水平較低、人工成本高等現(xiàn)實問題，降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)機械化生產(chǎn)是必然趨勢[3]。

近年來，因育苗移栽技術(shù)可以顯著提高花卉苗木成活率和品質(zhì)，縮短生長周期，育苗移栽技術(shù)被廣泛應(yīng)用于花卉苗木生產(chǎn)中[4]。容器基質(zhì)裝填作為育苗移栽技術(shù)的首個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是花卉苗木機械化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，然而與之矛盾的是容器基質(zhì)裝填裝備有效供給嚴重不足，大大制約了花卉苗木產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，本文基于國內(nèi)外花卉苗木容器基質(zhì)裝填機的研發(fā)現(xiàn)狀分析，針對國內(nèi)花卉苗木產(chǎn)業(yè)特點提出下一步研發(fā)建議，對加快花卉苗木基質(zhì)裝填機械化發(fā)展具有重要意義。

1 國外容器基質(zhì)裝填機研發(fā)現(xiàn)狀

容器基質(zhì)裝填機一般包括疊摞容器分落和基質(zhì)裝填兩個環(huán)節(jié)，是花卉苗木生產(chǎn)機械化的首個基礎(chǔ)性作業(yè)裝備，國外對硬質(zhì)容器基質(zhì)裝填機進行了較多的研究，形成了多種多樣的自動化裝備并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，如荷蘭JAVO公司、比利時Demtec公司、德國Mayer公司、澳大利亞JPH公司等企業(yè)[5]。

Standard型容器基質(zhì)裝填機作為荷蘭JAVO公司較成熟的基質(zhì)裝填機之一（圖1），主要由基質(zhì)提升裝置、撥叉式自動分落裝置、容器移位裝置和滾筒式壓平裝置等組成，工作可靠、適應(yīng)性強，其獨特的驅(qū)動技術(shù)使得容器可以在輸送帶上平穩(wěn)移動，進一步增加運行平穩(wěn)性，整機配套動力3.1 kW，適合直徑5～35 cm的容器，裝填效率可達1560～6000個/h。其基質(zhì)提升裝置采用鏈板提升方式，可以裝填黏濕基質(zhì)和高密度砂土，基質(zhì)適應(yīng)性較強。

圖1 Standard型容器基質(zhì)裝填機

SMART型容器基質(zhì)裝填機為比利時Demtec公司開發(fā)的一款半自動基質(zhì)裝填機型（圖2），整機配套2.2 kW的電機，裝填過程中需要人工協(xié)助分落容器，動力需求較小，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，適應(yīng)直徑7～23 cm的容器，工作效率高達4500個/h，適用于中小規(guī)模主體生產(chǎn)的需求。

圖2 SMART型容器基質(zhì)裝填機

Mayer TM 2020F型容器基質(zhì)裝填機為德國Mayer公司研發(fā)的一款高度自動化與智能化基質(zhì)裝填機型（圖3），適應(yīng)直徑12～40 cm的容器，可自動分落容器、自動裝填基質(zhì)、自動將容器送入移栽環(huán)節(jié)，工作效率可達2000個/h。工作時，疊摞容器被容器抓取機構(gòu)取下后，落入下方轉(zhuǎn)盤內(nèi)，轉(zhuǎn)盤按照設(shè)定好的參數(shù)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)容器隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動到出料口下方后，自動進行基質(zhì)精準(zhǔn)裝填，裝填完成后轉(zhuǎn)盤將容器轉(zhuǎn)至壓穴機構(gòu)進行打穴，打穴后容器自動送入運輸帶，進入下一環(huán)節(jié)，完成基質(zhì)填裝作業(yè)。

圖3 Mayer TM 2020F型容器基質(zhì)裝填機

Batch型容器基質(zhì)裝填機為澳大利亞JPH公司開發(fā)的一款半自動基質(zhì)裝填機型（圖4），主要由料倉、工作臺、傳送帶、腳踩開關(guān)等組成，最大容器適應(yīng)直徑40 cm，裝填效率可達300個/h。工作時，料倉將土壤和肥料進行充分混合后，操作人員將容器放在出料口正下方，隨后踩下腳踩開關(guān)，料倉中的基質(zhì)由傳送帶運送至出料口，基質(zhì)精量落入容器中，完成基質(zhì)裝填作業(yè)。

圖4 Batch型容器基質(zhì)裝填機

綜上，國外容器基質(zhì)裝填機發(fā)達，形成了系列化的自動化裝備，具有工作效率高、裝填效果好、適用范圍廣、與上下流環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)性好等優(yōu)點，但與此同時，裝備價格昂貴、維修保養(yǎng)繁瑣、與我國花卉苗木種植農(nóng)藝不匹配等缺點明顯，目前只有在部分大型生產(chǎn)主體進行演示示范，尚未大量推廣應(yīng)用。

2 國內(nèi)容器基質(zhì)裝填機研發(fā)現(xiàn)狀

國內(nèi)對容器基質(zhì)裝填機的研發(fā)起步較晚，只有部分科研單位和企業(yè)開展研發(fā)初探，應(yīng)用普及率相對較低。

沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)[6]開發(fā)了一種氣吸式容器自動分離裝置，主要由鋁型框架、容器保持架、負壓吸盤組、伸縮氣缸、導(dǎo)向滑塊等部分組成。工作時將疊摞的容器放入保持架中，負壓吸盤將底層容器吸住后伸縮氣缸將吸盤組推下，到達位置后負壓消失容器受重力落下，完成分離作業(yè)，伸縮氣缸帶動負壓吸盤組復(fù)位回到伸出前位置，準(zhǔn)備重復(fù)工作（圖5）。

圖5 氣吸式容器自動分離裝置結(jié)構(gòu)圖

北京工業(yè)大學(xué)[7]開發(fā)了一種自動化容器分離定位裝置，主要由機架、聯(lián)排容器桶、擋塊、電機、轉(zhuǎn)動裝置、輸送帶、輔助板等組成。工作時，將容器放置在聯(lián)排容器桶內(nèi)，桶內(nèi)的擋塊將容器卡在桶中間位置，電機帶動轉(zhuǎn)動裝置轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動裝置上的撥動塊下壓容器邊緣，使得單個容器從桶中掉落在輸送帶上，輸送帶兩側(cè)輔助板將容器適當(dāng)夾緊保障容器平衡移動，完成分離定位作業(yè)（圖6）。

圖6 自動化容器分離定位裝置結(jié)構(gòu)圖

北京工業(yè)大學(xué)[8]開發(fā)了一種自動落盆機構(gòu)，主要由機架、落盆箱體、氣缸、安裝板、止擋楔塊、落盆楔塊、擋板等組成。工作時，人工將5排花盆碼放整齊依次放入落盆箱體導(dǎo)向筒中；卡盆氣缸帶動安裝板移動進而帶動止擋楔塊和落盆楔塊發(fā)生移動，花盆落在擋板上；卡盆氣缸換向安裝板反向移動，止擋楔塊和落盆楔塊將花盆抱住，且止擋楔塊和落盆楔塊下端的凸起插入花盆垛最底層與次底層的花盆盆口之間的位置；托盆氣缸將擋板從花盆垛下抽出，最底層花盆處于懸垂?fàn)顟B(tài)；下推氣缸推動落盆楔塊向下運動，推動最底層花盆落下，止擋楔塊托住上方花盆，保證機器每動作一次，只有一個花盆落下；平推氣缸將花盆推到主傳送帶上，完成落盆動作（圖7）。

圖7 自動落盆機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)[9]開發(fā)了一種多組疊摞容器同時自動分離裝置，由機架、容器導(dǎo)向固定架、吸盤組件、升降氣缸、頂出機構(gòu)、滑軌滑塊、真空發(fā)生器和控制系統(tǒng)等組成。工作時，多組疊摞容器放入容器導(dǎo)向固定架，最底端容器與限位孔接觸并對疊摞容器進行限位，防治掉落；吸盤負壓將每組最底端待分離容器吸附固定，頂出機構(gòu)將疊摞容器頂起，最底端待分離容器與其上方疊摞容器分離；隨后升降氣缸將頂出機構(gòu)和吸盤組件推下，最底端待分離容器通過限位孔，未分離疊摞容器受重力落回限位孔，呈初始狀態(tài)；最后頂出氣缸桿回位，容器受重力落到容器承托架中，完成分離作業(yè)（圖8）。

圖8 多組疊摞容器同時自動分離裝置結(jié)構(gòu)圖

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所[10]開發(fā)了一種容器基質(zhì)裝填機，主要由容器自動分落裝置、基質(zhì)供料裝置、多工位轉(zhuǎn)盤裝置、容器輸送裝置、料倉等組成。工作時，將多層疊摞容器放置在自動分落裝置上，料倉裝滿基質(zhì)，容器分離下落至多工位轉(zhuǎn)盤裝置上，轉(zhuǎn)盤裝置將空容器轉(zhuǎn)到料倉下方進行基質(zhì)裝填，裝填好的容器由容器輸送裝置輸出擺放（圖9）。

圖9 容器基質(zhì)裝填機結(jié)構(gòu)圖

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)[11]開發(fā)了一種自走式育苗缽裝填擺碼機，主要由運料 小車、機架、上料機構(gòu)、裝填機構(gòu)和育苗框等組成。工作時，人工將機器推至待作業(yè)苗圃后將育苗缽整齊擺放在育苗框架內(nèi)，育苗缽底部與地面接觸；然后人工將裝滿基質(zhì)的運料小車推動至上料機構(gòu)連接架平臺上固定后沿著上料軌道向上運動，當(dāng)車頭面呈向下傾斜60°以上時，基質(zhì)在自身重力的作用下，全部掉落在裝填機構(gòu)料倉內(nèi)，上料小車和連接架復(fù)位；隨后攪拌桿攪拌基質(zhì)，料倉底部擋板打開，同時料倉沿落料軌道移動基質(zhì)掉入育苗缽內(nèi)，攪拌速度和料倉移動速度可調(diào)以滿足不同規(guī)格育苗缽均勻裝填需求，填裝完成后料倉回到初始狀態(tài)；最后，育苗框抬升至育苗缽與育苗框完全脫離的高度，裝填好的育苗缽由于重力的作用擺放在地面上，人工推動機器將育苗框移動到鄰側(cè)待擺碼位置，重復(fù)裝填碼放作業(yè)（圖10）。

圖10 自走式育苗缽裝填擺碼機結(jié)構(gòu)圖

順意科技[12]開發(fā)了一種半自動容器基質(zhì)裝填機，主要由料倉、臺架、吸盤裝置、旋轉(zhuǎn)機械爪、傳送帶等結(jié)構(gòu)組成，由人工進行上料，裝填效率可達1500個/h。工作時，塑料容器放置在臺架上，容器下方的吸盤裝置將容器吸出，旋轉(zhuǎn)機械爪夾取容器后旋轉(zhuǎn)180度將其放置在傳送帶上，傳送帶將容器送至料倉正下方進行基質(zhì)裝填，完成裝填作業(yè)。該裝填機由于結(jié)構(gòu)原因，只能適用一類型的容器，存在通用性相對較低的問題（圖11）。

圖11 半自動容器裝填機

臺灣亦祥公司[13]開發(fā)了一種可裝填軟質(zhì)容器的基質(zhì)裝填機，根據(jù)容器直徑不同可一次裝填8～20個容器。工作時，人工將容器放入分落盤上的定位孔里，可移動式小料倉移動至分落盤上方進行基質(zhì)裝填并回位，最后由輸送帶將容器送出，完成基質(zhì)裝填作業(yè)（圖12）。

圖12 可裝填軟質(zhì)容器的基質(zhì)裝填機

綜上，國內(nèi)容器基質(zhì)裝填機有一定的發(fā)展，具有使用方便、價格便宜等優(yōu)點，但同時自動化程度不高、功能單一等缺點明顯，且大部分為固定式裝填機，只適用硬質(zhì)規(guī)則容器，通用性相對較差。

3 下一步研發(fā)建議

3.1 容器標(biāo)準(zhǔn)化和上下游工序匹配融合研究

容器形狀規(guī)格材質(zhì)及基質(zhì)物料特性與基質(zhì)裝填機作業(yè)性能有很大的關(guān)系，此外，在基質(zhì)裝填過程中，上下游工序之間是否配套也影響裝填機的作業(yè)性能。因此，在今后的研究中，促進容器形狀和材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)范基質(zhì)配方及其含水率，加強上下游工序匹配融合，提高各工序環(huán)節(jié)機具配套程度，最終形成花卉苗木容器基質(zhì)機械化裝填作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提高作業(yè)效率和質(zhì)量。

3.2 關(guān)鍵作業(yè)部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

容器自動分離、基質(zhì)精準(zhǔn)裝填等關(guān)鍵作業(yè)部件的性能直接影響裝填機作業(yè)性能，運用CAD、SolidWorks、ANSYS等現(xiàn)代機械設(shè)計軟件建立模型，對基質(zhì)裝填機關(guān)鍵作業(yè)部件開展運動學(xué)、動力學(xué)仿真，優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)參數(shù)和作業(yè)參數(shù)；同時，在滿足整機工作性能的前提下，采用小型化、模塊化的設(shè)計思想，設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、通用性好的基質(zhì)裝填機型，最大限度地降低制造成本，減輕花卉苗木種植戶購買和使用成本壓力，從而提高種植戶的購買意愿，進而提高裝填機企業(yè)生產(chǎn)積極性。

3.3 整機智能化水平提升

容器基質(zhì)裝填機作業(yè)環(huán)境和工序較為復(fù)雜，單一的機械結(jié)構(gòu)形式和較低的智能化程度無法滿足作業(yè)要求。近年來，隨著微電子等高新技術(shù)的興起，機電一體化技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)、機器視覺技術(shù)都得到了快速發(fā)展，將傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)、氣動控制系統(tǒng)有效結(jié)合起來，大大提升基質(zhì)裝填機自動化和智能化水平，進而提高裝填質(zhì)量和效率。

3.4 整機作業(yè)可靠性提高

基質(zhì)裝填環(huán)節(jié)作業(yè)工況復(fù)雜，對裝填機可靠性有較高的要求，可靠性是裝填機經(jīng)濟效益提高顯著因素之一。因此，應(yīng)該加快推進基質(zhì)裝填機產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定，建立健全相對性的檢驗檢測方法和技術(shù)體系，提高關(guān)鍵作業(yè)部件及整機的安全性、可靠性及穩(wěn)定性的檢測能力水平；同時，加強裝填機試驗示范基地建立，完善示范基地的問題反饋機制，動態(tài)追蹤機器應(yīng)用情況，充分了解其運行狀態(tài)，根據(jù)反饋的信息及時對機器出現(xiàn)的問題進行匯總分析和解決，從而對裝填機進行再優(yōu)化、再提升。

4 結(jié)語

花卉苗木在城市廣場美化、道路環(huán)境美化、家庭環(huán)境改善中應(yīng)用廣泛，市場需求不斷增大，呈現(xiàn)出規(guī)?；七M的良好勢頭，種植效益明顯。容器基質(zhì)裝填作為花卉苗木種植的首個環(huán)節(jié)，勞動強度大，且季節(jié)性強，隨著花卉苗木產(chǎn)業(yè)規(guī)?；潭炔粩鄶U大和勞動力短缺問題日益凸顯，容器基質(zhì)機械化裝填迫在眉睫。當(dāng)前，國內(nèi)對容器基質(zhì)裝填機進行了初探性研究和示范應(yīng)用，但離廣泛應(yīng)用還存在較大的差距。依據(jù)國內(nèi)花卉苗木容器種植模式和基質(zhì)機械化裝填現(xiàn)狀，結(jié)合上下游工序匹配融合、容器標(biāo)準(zhǔn)化、關(guān)鍵作業(yè)部件優(yōu)化設(shè)計、智能化水平提升和整機作業(yè)可靠性提高，研制出適應(yīng)我國種植模式下的輕簡化、智能化容器基質(zhì)裝填機，對促進花卉苗木產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。