穴盘育苗基质覆土装置的设计与试验

2018-06-06高原源冯青春范鹏飞赵学观

农机化研究 2018年5期

高原源，王秀，冯青春，范鹏飞，赵学观

(1.北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097；2.国家农业智能装备工程技术研究中心，北京 100097；3.农业智能装备技术北京市重点实验室，北京 100097；4.中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083)

0 引言

穴盘育苗包括填土、压穴、播种及覆土等环节[1-2]。其中，种子覆土对幼苗的生长影响较大，适宜的覆土厚度可以保证幼苗出苗整齐、发育健壮，对整个育苗成败起着重要作用[3-4]。不同种子品种、播种季节、基质性状等所需的种子覆土厚度也不相同，生产中不当的覆土方法容易造成种子出苗不齐、“带帽”出土及幼苗瘦弱等问题[5]，直接影响着幼苗素质及后续果实的产量与品质。因此，覆土工序是种子出苗率和出苗质量的重要保证，对整个穴盘育苗系统而言有着重要的作用。

穴盘基质覆土装置解决了现有人工覆土作业强度大、效率低、覆土均匀性差等问题，实现了自动化、高效均匀穴盘覆土。根据覆土结构形式，可以分为辊式覆土、带式覆土和机械槽式覆土。辊式覆土是在料斗出口设置一表面有凸齿的覆土辊，通过电机带动覆土辊转动，将料斗中基质刮出。带式覆土主要是在料斗底部设置一个平胶带输送机构，通过输送带运动带动基质覆盖。由于输送带运行平稳，同时对料斗外形尺寸要求较小，显著增大了料斗尺寸和每次基质添加量，适于大规模高效率作业需要。但这两种形式主要应用于蛭石的覆盖，对基质干湿度和细密度要求较高，由于蛭石成本较高，国内大多采用普通床土覆盖，当基质成团状或湿度较大时，易发生覆土辊堵塞或覆土带“带土打滑”，影响覆土均匀性和覆土量。为此，国内相关研究单位开发了机械槽式覆土装置[6-8]，可对基质进行搅拌，解决基质成团问题；但结构较复杂，粘黏基质不易清理。因此，有必要开发一款覆土均匀，对基质干湿度适应较好、粘黏基质易清理的覆土装置，促进国内穴盘育苗技术的推广应用。

针对国内种植户覆土基质湿度大、颗粒粗糙的特点，本文提出一种角钢链条式基质覆土结构，通过焊接在链条上的角钢将料斗中基质刮出，改变履带和覆土速度差实现覆土厚度调节，并采用光电传感器，通过控制系统实现穴盘的自动覆土。

1 总体机构设计

1.1 总体结构

作为穴盘育苗流水线之一的基质覆土单元，其主要由3个部分组成，即上半部分的基质覆土部分、下半部分的穴盘传送平台和平台正面安装的控制系统，如图1所示。覆土部分主要由料斗、升降机构、覆土机构及配套覆土电机组成；传送平台主要由板刷、传送带、履带电机、导向机构和平台支架等组成；控制系统安装在控制箱中，主要包括PLC、穴盘位置光电传感器、变频器、继电器和触摸屏等。整个覆土装置尺寸为长×宽×高=1.4m×0.82m×1.45m，料斗容积70L。

1.料斗 2.覆土机构 3.板刷 4.输送带 5.履带电机 6.导向机构 7.平台支架 8.控制箱 9.光电传感器 10.穴盘 11.升降机构图1 基质覆土装置结构示意图Fig.1 Structure scheme of covering device of seedling substrates

1.2 工作原理

工作时，穴盘传送部分接收由播种单元传来的穴盘，通过导向机构进入覆土部分，当安装在传送平台上的光电传感器感应到穴盘时，覆土电机开始转动，覆土部分开始工作，通过调节履带电机和覆土电机转速差，或者料斗出口的挡板高度，可以实现覆土厚度的实时调节。此时，覆土部分的覆土机构将料斗内的基质刮出，在穴盘经过覆土部分的时候，使基质形成“土帘”覆盖在穴盘内的种子上方，而后由接下来的板刷将穴盘上多余的基质刷掉以使土层均匀并防止“串苗”，多余的基质在传送带上传送至下方的基质回收；箱穴盘则进入流水线下一个浇水单元，而覆土电机经过一定时间延迟停止工作，直到下一穴盘触发信号启动。

2 关键部件设计

对整体单元分析，其整体长度应满足穴盘传送带上至少有两个穴盘在传送以保证效率；同时，料斗的高度应满足操作人可在自然状态下向其中添料；覆土的宽度应根据前一播种单元传送来的穴盘行进方式确定，即纵向或横向行进，穴盘传送带的速度及支撑框架的宽高度应与前一播种单元匹配。

2.1 料斗结构设计

料斗结构采用“镂空式”，即料斗上盖与底板均不保留，整个料斗内基质由其底部单设托板承重，在料斗与托板之间留有间隙，便于刮土机构安装与运动，如图2所示。料斗宽度选择时，应与覆盖穴盘宽度相同，避免工作时造成基质浪费，料斗长度可适当增大以提高基质装填量。

综合覆土单元整体高度和操作人身高关系，以及穴盘宽度的因素，决定将料斗尺寸定为长×宽×高=500mm×270mm×500mm，计算其容积得

V料=L料×B料×H料=0.0675m3

(1)

考虑到实际工作时料斗内的基质剩余量会因为无法看见而影响基质的添加，在料斗侧面上开两个可视窗，通过有机玻璃可实时观察。在料斗出口方向，设一挡板，通过调节挡板高度可随时改变覆土厚度。

1.箱体 2.可视窗 3.挡板 4.旋转把手图2 料斗结构示意图Fig.2 Structure scheme of hopper

2.2 覆土机构设计与分析

覆土机构主要由角钢链条、链轮、链条张紧装置、底部的托板及覆土电机等组成，通过型材连接起来，并由型材固定件固定在料斗上，如图3所示。

1.链轮 2.带座轴承 3.张紧片 4.张紧块 5.型材固定件 6.覆土电机 7.角钢链条 8.型材图3 覆土机构示意图Fig.3 Structure scheme of covering mechanism

根据上述种子覆土特点及农艺上5～20mm覆土厚度要求，最终确定角钢为等边角钢10×3类型。由于覆土厚度为10mm左右，由穴盘的宽度和料斗尺寸确定角钢的长度为260mm，并依次焊接在滚子链的链节上。根据链传动相关知识[9]，链速一定时，为降低动载荷对链传动稳定性的影响，应采用大齿数链轮和小节距链条。为此，综合考虑，选用06B单排链，与此对应，在满足焊接角钢不相互干涉刮擦的前提下，选用B型链轮，链轮齿数Z=28。

对链传动中心距的选择上，考虑到刮土结构要求链轮在料斗外侧，而链轮齿顶圆直径d=88.8mm，即中心距为

a>L料+da=588.8mm

(2)

故取a=63p=600mm。其中，p为06B滚子链节距。

链节数为

(3)

链条长度为

(4)

由于料斗长度限制使得链传动的中心距较大，故需要对链传动采用张紧装置，由张紧片与张紧支撑块组成，通过对张紧片与支撑块之间的螺栓的松紧来调节链传动的轴间距，进而达到张紧的效果。此外，底部托板则起到负载整个料斗基质及角钢链条的作用。

角钢链条式覆土机构实际工作中，料斗中的基质覆盖在覆土机构上。对于与覆土机构接触的部分基质，不仅受自身重力作用，还受到上部基质对其的压力。为此，当角钢作用在基质上的推力大于基质由于所受重力和压力产生的摩擦力时，即发生基质的剪切破坏。基于此原理，根据Mohr-Coulomb定律，若使基质发生剪切破坏，角钢所需的剪切力[10-11]为

F=τA=(C+σtgφ)A

(5)

其中，C为基质的粘结力(一般为常数)；σ为料斗中基质所受正应力；φ为基质的内摩擦角；A为角钢厚度与宽度的乘积。

由于角钢的推力主要有滚子链条牵引产生，因此在对刮土机构动力选配时，应在料斗盛满基质后，测出传动轴所需力矩和转速。最终，本覆土机构选用0.18kW的NMRV蜗轮减速机，覆土速度设计为460盘/h。

2.3 料斗升降机构设计

料斗升降机构的主要目的是为了支撑覆土机构和料斗及料斗中盛装的基质，同时起到调节覆土机构高度的作用，以此满足对不同高度穴盘的作业需求。本设计主要采用螺旋传动，实际工作时，即通过旋转螺杆带动料斗进行升降运动，达到调节高度目的。因此，根据螺旋传动运动方式及特点，参照实际工作需求，本设计最终选择螺母固定、螺杆转动和移动的方式，设计结构如图4所示。

1.支撑架 2.手轮 3.推力球轴承 4.螺杆 5.螺杆座 6.支座图4 支撑升降机构组成Fig.4 The parts of elevating mechanism

支撑升降机构主要由支撑架、螺杆、手轮及螺杆座等组成。其中，支撑架主要由40mm×40mm和35mm×35mm规格方钢套接组成，在35方钢横梁上固定螺杆座，并与螺杆连接，螺杆上部支撑40方钢横梁。为避免横梁与螺杆间的旋转磨损，特在螺杆轴肩上加入一推力球轴承以减小旋转摩擦，轴承另一面与40方钢横梁接触。为保证覆土机构工作稳定性，两个如图4所示升降机构固定在料斗相对两侧。

根据设计，整个覆土机构重量通过方钢转嫁到螺杆上，需对螺杆进行设计校核。螺杆工作时，承受来自于料斗、基质、下部覆土机构和配套减速机的质量，通过查相关材料密度及产品规格[12]，并在三维绘图软件SolidWorks中估算出螺杆总承重质量约为160kg，考虑到实际超负荷作业，取螺杆承重质量m=300kg，即支撑机构单侧受力为

F=mg/2=1500 N

(6)

螺杆工作时，考虑到料斗对其的力学作用，因此将其计算近似为紧螺栓连接计算公式以求得螺纹小径，即

(7)

选用35钢螺纹杆，查询材料手册，得σS=315N/mm2，取[σ]=75N/mm2，则

(8)

最终选用M12螺纹杆，螺纹小径d1=11.1mm>5.75mm。对其进行强度校核，结果表明设计满足要求，装置可以稳定工作。此外，螺杆设计长度为250mm，适应穴盘高度可调范围为0～90mm。

2.4 控制系统设计

控制系统主要由工控触摸屏、继电器、PLC、光电传感器、变频器和24V开关电源等组成，作用在于控制履带电机和覆土电机的启停，以及两个电机的工作转速，从而实现作业效率和覆土厚度的调节。其中，PLC和触摸屏部分可以和前述压穴部分控制系统共用，以达到集成目的。实际作业时，为保证作业效率和覆土厚度的单独调节，本设计采用两个变频器分别控制履带电机和覆土电机，通过调节输出频率调节电机转速，为了避免作业基质的浪费，在穴盘进口方向安装有对射式光电传感器，通过检测穴盘位置控制覆土作业启停，最终控制结构如图5所示。

图5 控制系统结构组成Fig.5 Structure of control system

作业时，在PLC控制下，履带电机工作，履带运动。当光电传感器感应到穴盘时，覆土电机开始转动，覆土部分开始工作；在此过程中，可以通过调节履带电机和覆土电机转速差，或者料斗出口的挡板高度，实时调节覆土厚度。覆盖在穴盘上的基质经过后续刷土机构实现基质刮平，未覆盖上穴盘的基质则在传送带上传送至下方的基质回收箱。经过一定时间延迟，PLC控制覆土电机停止，穴盘完成覆土并进入流水线下一单元，直到下一穴盘触发信号启动。

3 覆土性能试验

3.1 材料与设备

为测试本设计中的基质覆土机构工作性能，特对装置进行覆土性能试验。试验地点为北京精准农业研究示范基地，试验样机如图6所示。

所用基质为蛭石和草炭混合土，比例为蛭石:草炭=1∶3，湿度原则上达到湿而不粘，手抓成团、手松散开为准[13]，并用游标卡尺测其覆土厚度。为排除草纹履带面对试验指标的影响，本试验中在履带上放置一块平整塑料板，通过测试塑料板上覆土厚度获取试验数据。由于履带电机和覆土电机速度由两个变频器控制，实际调节时，自变量为变频器调节频率，而非电机转速。为获得较直观的试验因素，需要对实际电机转速进行测量，并通过换算求得履带与覆土速度。本试验选用速为DT2234数字光电转速表，测试范围为2.5～99 999r/min。其中，当转速大于2.5r/min，小于999.9r/min时，转速表分辨为0.1r/min，测量准确度：±(0.05%+1)个字。

图6 覆土试验样机Fig.6 Device of covering test

3.2 试验方案设计

为获得变频器输出频率与电机转速之间关系，首先用光电转速表测量不同频率对应的电机输出转速，即在履带电机和覆土电机输出轴上粘贴一小片反光片，用转速表发射光持续照射反光片，最终转速测量结果如表1所示，并由此得到如图7所示转速频率关系图。由拟合确定系数R2≈1可知，两条拟合线完全正相关。

表1 不同频率下电机输出转速

续表1 r/min

图7 转速频率图Fig.7 Relation chart of speed and frequency

带传动或链传动速度换算公式为

(9)

其中，n为电机转速(r/min)；d为传动带轴或链轮直径(mm)，传动带轴直径d1=76mm，传动链轮直径d2=85.07mm。

由数据趋势图得到电机转速和变频器频率的关系，根据上述式(9)即可算出履带速度(覆土速度)和变频器频率的关系。

履带速度为

(10)

覆土速度为

(11)

其中，f1和f2分别表示履带和覆土变频器输出频率。

根据覆土装置工作原理和上述分析可知：改变履带和覆土速度差可以实现对覆土厚度的调节。覆土均匀性试验时，将混合均匀基质填满料斗，根据上述分析结果，按一般育苗作业覆土效率600盘/h，也即0.1m/s(穴盘间隔60mm)。设定履带电机变频器频率，将塑料板放置在履带上，选定覆土电机频率后开始覆土作业。待作业稳定后，在塑料板上随机选择10个点测量覆土厚度。同时，为探究样机在不同覆土厚度工作下工作稳定性，本试验在上述试验基础上，选定4种不同覆土频率测量其覆土作业厚度，并对整个实验结果进行方差分析及不同覆土厚度作业下的变异系数。

3.3 结果与分析

试验数据结果如表2所示。由表2中可以看出：改变覆土电机速度可以实现覆土厚度的调节，且在固定履带速度前提下，提高覆土速度可以增大覆土厚度。从不同频率下覆土厚度变异系数可以看出：覆土厚度与覆土均匀性变异系数负相关，表明厚度增加有利于覆土均匀性的改善。

表2 履带速度600盘/h不同覆土频率下覆土厚度

此外，在平均覆土厚度大于9.59mm以后，变异系数均在10%范围内，表明此时实际工作的覆土厚度相差不大，覆土均匀性较好[14][图8(a)]，满足育苗作业覆土需求。同时，覆土厚度为5.63mm时，其变异系数显著高于其他各组，通过对试验过程观察可知，此时覆土面出现波浪形起伏[图8(b)]。这是由于覆土角钢之间存有一定间隙，当覆土速度较低时，角钢携带的基质从缝隙间漏出，较低覆土厚度下，覆土面高低起伏显著。因此，对于较低厚度覆土作业时，需调节大厚度，并在覆土后将多余基质刮除。