蔬菜穴盘育苗底部气吹式钵体松脱装置设计

韩绿化，毛罕平，赵慧敏，刘 洋，胡建平，马国鑫



蔬菜穴盘育苗底部气吹式钵体松脱装置设计

韩绿化1,2，毛罕平1,2※，赵慧敏1,2，刘 洋1,3，胡建平1,2，马国鑫1,2

（1. 江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室，镇江 212013；2. 江苏省农业装备与智能化高技术研究重点实验室，镇江 212013；3. 新疆农垦科学院机械装备研究所，石河子 832000）

针对蔬菜穴盘苗直接拔苗费力又损伤大的问题，设计了一种有助于穴盘苗移栽的气吹式钵体松脱装置。利用直线模组移位单元和双联气缸升降单元组合成输送系统，驱动气嘴排从穴盘底部的穴孔排水口逐排顶吹穴盘苗钵体，实现穴盘苗钵体与穴孔壁之间非机械接触式放松，利于移栽时人工轻松拔苗或机械快速夹取。对关键部件进行设计，使用排气孔直径为5 mm的气嘴，能确保气体射流从128穴孔排水口有效顶吹穴盘苗钵体而不顶盘，根据亚声速自由气体射流动力学原理计算表明：当气嘴口空气射流压力大于0.098 MPa，不超过0.235 MPa时，所设计的气嘴能将穴盘苗吹松而不破坏苗钵根土结构。开展气力顶钵松脱多因素试验研究，结果表明气流喷射压力高度显著影响苗钵完整率，钵体含水率对完整率影响显著，其他苗龄、气流回路流量、气嘴头有无海绵密封等试验因素没有统计学显著性影响。当气嘴回路中气流喷射压力控制为0.2 MPa，钵体含水率为55%～60%，黄瓜苗龄为25 d，气流回路全开，气嘴没有海绵头铺垫时，对穴盘苗顶吹作用达到既能将穴盘苗钵体顶松脱离穴孔壁粘附，又最大程度保证钵体完整度的效果。开展验证性试验，苗钵气力松脱完整率达到96%以上，完成整盘苗放松约48 s，满足实际需要。该研究可为开发省力的穴盘苗钵放松装置和边松脱边取苗的高效无损自动取苗机构提供参考。

机械化；设计；优化；穴盘苗；钵体；气吹；松脱；正交试验

0 引 言

蔬菜集约化育苗技术快速发展，中国年产商品苗达800多亿株以上[1]，每年面临巨大的移栽任务。随着农业有效劳动力减少和用工成本增大的加剧，激发了蔬菜机械化移栽技术发展，多种型式由人工喂苗的半自动移栽机已小规模推广应用。近年来，国内高校、科研院所开始了自动移栽技术的研究，研究出非圆齿轮行星轮系式[2]、齿轮-五杆式[3]等纯机械取苗机构，机械-气动式整排取苗机构[4-5]，以及相应取苗末端执行器[6-7]和整机部件[8-10]，并开展相关的栽植[11]和力学试验[12]，但目前还没有成熟的产品应用在生产上。

穴盘幼苗规整地生长在狭小空间内，受穴孔尺寸和形状的限制，到一定苗龄幼苗根系以穴孔壁为边界盘绕育苗基质体，形成的钵体与穴孔壁建立了粘附力作用[13]。移栽时需人工从穴盘里拔苗或者利用机械装置自动夹取苗钵，对穴盘苗的拔取是牵动苗钵脱离穴孔壁粘附的过程[14]。如果幼苗盘根不良，或者拔取不当，都会造成断钵等取苗不完整现象，达不到育苗移栽的综合效益。Yang等[13]测试预先放松和未被放松的穴盘苗，发现预先放松的穴盘苗有较好的取苗效果，取苗成功率最高可达96.3%，而未被放松的穴盘苗取苗成功率仅为50.9%，可见对待移栽的穴盘苗提前放松能显著提高成功率。意大利法拉利公司开发的FUTURA全自动移栽机[15]，基于顶出松脱易于抓取思想，创制了整排冲顶分离式取苗系统，生产效率较高，钵体损伤小，取苗效率高。

综合考虑取苗效率和质量，中国学者积极研究顶出松脱再夹取式全自动移栽技术[16]，在前期已开发自动取苗机构的基础上，增加机械顶苗机构，实现顶夹组合式快速低损取苗[17-18]，也利用EDEM软件仿真分析钢针顶起穴盘苗的工作过程[19]。但是中国育苗穴盘一般用聚苯乙烯材料经注塑加工制成，0.6～1 mm厚[5]，属于软质穴盘。笔者调研发现，由于制造工艺差异，穴盘外形尺寸标准，但穴孔大小和排水口尺寸不统一，利用机械顶杆从穴盘底部较小的排水口顶钵需要较高的定位精度，否则容易顶不出苗钵而发生顶盘现象。此外，蔬菜品种繁多，其生长特性和盘根性差异大，对于盘根性较差的穴盘苗，利用机械顶杆直接冲顶容易刺入钵体里，破坏根土结构，并不能整齐的顶出苗钵。因此，需要探讨适合软塑穴盘育苗顶钵松脱的方法，以配合取苗机构完成高效低损取苗作业[20]。

在水稻气力有序抛秧机[21-22]上，利用空压机产生的喷射气流作用于水稻塑盘钵苗底部，将钵苗吹入导苗管并经其导向后实现成行有序栽植，该抛秧方式取代机械式夹取、顶出等方法，具有不易伤秧、简化工作机构等优点。借鉴水稻气力抛秧思想，本文利用空气喷射原理设计一种穴盘育苗底部气吹式钵体松脱装置，借助压缩空气瞬间释放的冲击力冲顶苗钵，以期实现穴盘苗与穴孔壁之间非机械接触式放松，开展气力顶钵松脱多因素试验，分析影响实际效能的因素。该研究和设计可为开发省力的穴盘苗钵放松装置和边松脱边取苗的高效无损自动取苗机构提供参考。

1 整机结构与工作原理

1.1 结构参数

整机结构如图1所示，主要由机架、穴盘支撑定位单元、直线模组移位单元、双联气缸升降单元、气嘴排、控制系统等组成。穴盘支撑定位单元配置与穴孔阵列格局相同的开有卡槽的支撑板，压盘条分两侧压紧固定住穴盘；直线模组移位单元通过电机连通同步带输送机构，双联气缸升降单元竖直紧固在直线模组移位单元的滑块上，具有整排顶钵功能的气嘴排与双联气缸升降单元的滑杆平直连接；控制系统通过电气连接控制直线模组移位单元，通过气动连接控制双联气缸升降单元和气嘴排。

1.机架 2.电机 3.联轴器 4.直线模组 5.滑块 6.支撑板 7.压盘条 8.连接杆 9.穴盘 10.幼苗 11.双联气缸 12.气嘴排 13.控制系统

1.2 工作原理

如图1b所示，将待移栽的整盘穴盘苗平整放进穴盘支撑定位单元里，控制系统驱动直线模组移位单元，输送气嘴排到穴盘底部排水口正下方，再控制双联气缸升降单元提升气嘴排，使气嘴排紧密接触穴盘底部的穴孔排水口，最后控制气动回路从气嘴排里瞬间喷射高压空气，由此产生的气流冲击力顶吹穴盘苗，完成整排穴盘苗放松后，升降单元下放气嘴排，控制系统再次驱动移位单元，输送气嘴排到下一排穴盘底部排水口正下方，继续执行气力顶钵松脱任务，直到完成整盘穴盘苗放松工作。

2 关键部件设计

2.1 气嘴排设计

气嘴排作为整个机构的核心部件，其设计直接影响机构工作性能。由于穴盘具有成行成列的等距穴孔，采用成排气力顶杆一次性顶松整排苗钵，这样可与成排取苗机构[4,23]相配套，使取苗有储备，能显著提高取苗效率。气嘴排整体结构如图2所示，包括安装板和与穴盘整排苗对应一致的若干个气力顶杆，每个气力顶杆正对着一个穴孔位，紧固在安装板上。气力顶杆为柔动伸缩杆，主要由硅胶材料特性的气嘴、尾端进气的中空的气杆、压簧、支座和锁紧螺母等组成。气嘴是柔性硅胶材料制成，与穴盘底部端面尺寸一致，紧密嵌套在气杆顶端，气杆以间隙配合方式贯穿在支座中，压簧环绕气杆，并弹性连接气杆和支座，支座贯穿在安装板上，由螺母锁紧。当支座推动气嘴顶住穴孔排水口底部时，气杆柔动缩进支座里，压簧产生弹力反推气杆，使气杆顶端的气嘴紧密接触穴孔排水口，确保工作时不漏气。

1.安装板 2.气力顶杆 3.穴盘 4.幼苗 5.基质 6.根系 201.气嘴 202.气杆 203.压簧 204.支座 205.螺母

2.1.1 气嘴结构尺寸的确定

由于气嘴排按照穴孔间隔距离移位顶钵，不能自适应穴孔排水口变化，为确保气嘴能从穴孔排水口有效顶吹穴盘苗钵体而不顶盘，测量整个穴盘内每一个穴孔上从穴孔对称中心点到穴孔底部排水口圆心点的距离，计算确定从穴孔对称中心点到穴孔底部排水口边缘的最小内切圆直径为气体射流管径。

如图3a所示，为穴孔排水口直径，在极坐标系内第个穴孔排水口的中心坐标为（ρ,θ），则气嘴排气孔的内孔直径0可计算为

式中0为气嘴排气孔的内孔直径，m；为穴盘底部排水口直径，m；ρ为第个穴孔排水口中心与穴孔对称中心的偏离距离，m；MIN函数为求最小值函数。

注：为穴孔底部边长，m；ρ为第个穴孔排水口中心与穴孔对称中心的偏离距离，m；θ为第个穴孔排水口中心与穴孔对称中心之间的极角，(º)；为穴盘底部排水口直径，m。

Note:is bottom length of tray cell, m;ρis distance from the center of its drain hole to the symcenter of No.tray cell, m;θis polar angle between the center of its drain hole and the symcenter of No.tray cell, (º);is diameter of drain hole of tray cell, m.

图3 气嘴结构分析示意图

Fig.3 Schematic diagram of structural analysis of air jet

实际应用中，由于穴盘穴孔是整排模压冲孔成型，同一排穴孔的排水口相似，采用逐排随机抽样法测定穴孔排水口偏距。选用浙江台州盛世金农优质PS128孔穴盘，通过在穴孔排水口作十字标记线，使用激光投线仪标刻每一个穴孔底部排水口中心，经测量得到以穴孔对称中心为中心点的与穴盘底部排水口边缘内切的最小圆直径为5.09 mm，圆整后作为气嘴排气孔的尺寸。为了使气嘴紧密接触穴孔排水口，确保工作时不漏气，将气嘴设计成两层宝塔结构，宝塔外圆直径与穴孔底部边长一致，这样在外力作用下宝塔构造的硅胶气嘴受压收缩，气嘴上端面能紧贴穴孔底部。

2.1.2 气嘴工作压力的计算

采用气力顶钵松脱，实际上是运用气体射流冲击力作用穴盘苗钵体，使其摆脱穴盘孔穴的粘附。为了简化计算，假设气流为均匀流场，并且忽略穴盘苗之间枝叶纠缠、钵体与穴孔壁松脱瞬间摩擦等影响。对单个气嘴的射流压力条件进行计算，射流结构如图4所示。

注：FQ1，FQ2分别为穴盘苗钵体与穴孔壁侧向、底部的粘附力，N；D0为气嘴气孔的内孔直径，m；v0为射流速度，m·s-1；h为穴孔壁厚，m。

若要将穴盘苗松脱穴孔壁，并保持钵体完整，则气嘴排气孔的气流压力需满足以下力学条件

式中为穴盘苗重力，N；[F1,F2]为穴盘苗钵体与穴孔壁侧向和底部的粘附力在竖直方向综合表现，N；为气嘴口处气体射流产生的压力，Pa；为气嘴口处空气射流对穴盘苗钵体的作用面积，m2；F为穴盘苗钵体底部的抗破坏强度力，N。

根据亚声速自由气体射流动力学原理[24]，射流核心区（）内轴心线上（）以及全区内的气流速度均为0，由于穴孔壁很薄，从气嘴排气孔到钵体底面的距离很短，使得这段区域内气体射流非核心区的空间很小，这里只考虑射流核心区（）气流射流压力0对穴盘苗钵体底部的作用。

对射流结构图进行分析，得到顶钵段气嘴射流核心区的作用面积为

式中0为气嘴射流核心区对穴盘苗钵体的作用面积，m2；为气嘴射流核心区对穴盘苗钵体的作用半径，m；为气嘴射流初始段长度，m；为穴盘穴孔壁厚，m；为湍流系数，圆柱形均匀分布喷管取0.08。

早期对粘附现象的研究发现，土壤粘附是一种界面现象，是触土部件与土壤发生物理、化学及机械相互作用的结果[25]，而苗木根系主要起增强作用，并具有生物吸附作用[26]。育苗基质是泥炭土、蛭石、珍珠岩等混合的特殊土壤材料，对穴孔壁的粘附力主要是基质颗粒分子与外物之间通过水分子吸引而产生的力，幼苗根系的粘附力主要是生物作用力。穴盘苗自由生长在穴孔狭小空间里，难以准确测出育苗基质-根系复合而成的钵体与穴孔壁侧向和底部的粘附力。但对于达到移栽要求的穴盘苗，通过拔苗[27]或者顶钵力学试验[18]能测出脱盘力F，在不考虑拔苗或者顶钵过程扰动影响的情况下，脱盘力一定程度上反应穴盘苗钵体与穴孔壁的粘附作用大小，即

式中F为穴盘苗拉拔力学测试的脱盘力，N；[F1,F2]为穴盘苗钵体与穴孔壁侧向和底部的粘附力在竖直方向综合表现，N。

综合式（2）、式（3）和式（4），得到满足穴盘苗松脱穴孔壁粘附需要的气嘴口射流压力条件约为

式中0为气嘴口处空气射流产生的压力，Pa；F为穴盘苗钵体底部的抗破坏强度力，N；[]为穴盘苗钵体底部许用的抗破坏强度，Pa；0为气嘴排气孔的内孔直径，m。

从式（5）可知，在穴盘苗质量和脱盘力一定的情况下，增大气嘴排气孔的内孔直径，减小穴盘穴孔壁厚，能减小气力顶钵松脱对气嘴口气流射流压力的要求。

穴盘苗钵体为根土复合体，对于其抗破坏强度，借助食品学常用的穿刺试验进行探测[28]，计算为

式中max为测试探头最大破坏压力，N；为接触面积，m2；为安全系数，一般取1.2～1.5。

前人研究得出[6,27]，128孔黄瓜穴盘苗拉拔的脱盘力均值为（1.63±0.29）N，标准差为0.27，穴盘苗重力约为0.12 N，气嘴排气孔直径按理论设计值，穴盘穴孔壁厚取1 mm，根据式（5）计算得到穴盘苗松脱穴孔壁粘附需要的气嘴口空气射流压力应大于0.098 MPa。在实际应用中，考虑粘附力为拉拔脱盘力近似代替、不同穴盘苗盘结力度差异和气动回路压力损失等，所提供到气嘴口处空气射流压力应大于理论设计值。通过直径5 mm平探头穿刺测试穴盘苗钵体底部，达到最大屈服破坏力为（3.08±0.56）N，标准差为0.47，于是可以求出穴盘苗钵体的抗破坏平均强度约为0.235 MPa，这里安全系数取1.5。穴盘苗钵体由于根系的盘结作用，内聚力显著增强，虽然利用顶杆刺破，但只是局部破坏，表现为基质颗粒体凹陷，整体抗顶压强度实际上还要大于测算值。

2.2 移位和升降单元设计

图5为移位和升降单元设计分析图。如图5a所示，设定相邻两排穴孔间隔距离为，沿移位方向穴孔排列数为，则直线模组上滑块步进移位的行程满足以下条件

式中为滑块步进移位的行程，m；为沿移位方向穴孔排列数；为相邻两排穴孔间隔距离，m。

注：为相邻两排穴孔间隔距离，m；0为气嘴口上端面到穴孔底部的距离，m；∆为压簧的压缩变形量，m；为滑块步进移位的行程，m；0为气嘴和气杆的重力，N；F为压簧对气杆的反推力，N。

Note:is space distance of two adjacent rows of tray cells, m;0is distance of from the top of air jet to the bottom of tray cell, m；∆is compression deformation of spring, m;is stroke distance of step transmission of slide, m;0is gravity force of air jet and rod, N;Fis thrust force of air rod applied by spring, N.

图5 移位和升降单元设计分析图

Fig.5 Schematic diagrams of step transmission and lifting system

为使气杆顶端的气嘴能逐排移位，且紧密接触穴孔排水口，确保工作时不漏气，则气嘴能对穴孔底部产生有效气力顶钵作用的几何约束条件为

式中0为气嘴口上端面到穴盘底部的距离，m；1为双联气缸的行程，m；∆max为气力顶杆压簧的最大压缩变形量，m。

对气嘴紧密接触穴孔排水口产生的反推力，依靠气力顶杆压簧变形，设定穴孔排水口在对称中心位，气嘴硅胶宝塔结构被压扁，气孔管径与排气孔内径一致，根据气体射流动力学分析，在气流冲击力未顶松穴盘苗钵体时，压簧的反推力应大于气体射流对气嘴结构产生的下压力（图5b），可计算为

式中F为压簧对气杆的反推力，N；0为气嘴和气杆的重力，N；为气体射流对气嘴结构产生的下压力，Pa；为压簧的劲度系数，N/m；∆为压簧的压缩变形量，m。

中国常用育苗穴盘外形尺寸为540 mm×280 mm，设定沿穴盘长度方向逐排顶松穴盘苗，当直线模组上滑块步进移位的行程超过540 mm，就能满足顶松整盘穴盘苗要求。为了使气杆顶端的气嘴紧密接触穴孔排水口，工作时不漏气，可以调整气嘴口上端面到穴盘底部的距离，使双联气缸紧推压紧气嘴。在双联气缸行程一定的情况下，增大压簧的劲度系数，也能产生较大弹力反推气杆。以理论计算得到的穴盘苗松脱穴孔壁粘附需要的气嘴口空气射流压力为气体射流对气嘴结构产生的下压力，穴盘苗重力取0.12 N，压簧的劲度系数为18 N/m，按式（9）计算得到气嘴工作时不漏气所需气力顶杆压簧变形量应不低于10.9 mm。因此，在安装时预留气嘴口上端面到穴盘底部的间隙，通过设计合理的升降高度，使气力顶杆压簧变形量应不低于设计量，气嘴顶钵工作时不漏气。这为升降单元安装设计提供了依据。

2.3 穴盘支撑定位单元设计

由于穴盘为柔性塑料盘，使用过程中出现的变形、翘曲等现象会引起定位不准，在设计中支撑板上开有与穴孔间隔距离相当的卡槽结构，整个穴盘的穴孔小半截嵌入到支撑板卡槽里，从而露出穴孔底部的排水口，并通过增加横板条压住穴盘，这样最大程度上保证每一排穴孔限位平整，利于气嘴排顶钵作业。

2.4 控制系统设计

针对所设计的穴盘苗移栽气力顶钵松脱装置，气嘴排逐排顶钵移位采用步进电机驱动的开环控制系统，使用激光光电开关检查起始与终点顶钵松脱位，气嘴排升降的气动回路控制采用两路磁性开关状态检测与电磁阀通断控制结构，气嘴喷射高压射流空气的气动回路控制采用电磁阀通断控制结构。其系统硬件配置结构如图6a所示。

根据控制主体设计，选用北京多普康自动化技术有限公司生产的TC5510型单轴运动控制器，该控制器采用32位专用运动控制芯片，I/O口可任意配置，以差分式输出脉冲确保定位精度，采用中文引导式编程，利于控制系统开发应用。在具体使用中，对步进电动机移动系统采用S形加减速曲线控制，根据所用步进电机特性和驱动系统结构特点，确定启动频率、启动时间、启动速度等参数[29]，保证移位的精准度。整个气动系统原理如图6b所示。双联气缸为双作用气动执行元件，利用两位五通电磁换向阀（X0）控制气动回路，采用磁性开关检测双联气缸滑杆的位置信息。对气嘴瞬间喷射高压空气流的控制，类似单作用气缸，每一个气嘴（Q1~Q8）利用两位三通电磁换向阀（X1～X8）进行开关量控制充放气。对每一个工作气动回路，由减压阀调节工作压力，用排气节流调节工作速度和气体流量。气动执行元件所需动力压缩空气来自空压机，利用气动三联件对压缩空气进行过滤、调压、油润滑等处理。最终，根据逐排顶钵松脱工作要求，编制控制软件，实现气嘴排自动移位、升降以及瞬间喷射高压空气流。

注：图6b中，1、2、3、4和5分别表示换向阀排气孔。

3 试验与结果分析

3.1 材料和试验条件

试验于2018年3月至5月在江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室进行。育苗穴盘为浙江台州盛世金农优质PS128孔穴盘，厚度为1.0 mm，育苗基质为江苏淮安中诺农业科技发展有限公司生产的精装通用型有机基质营养土，穴盘苗生产管理参照中国农业行业标准－蔬菜穴盘育苗通则（NY/T 2119-2012）进行。

所用气动回路中调压阀为SMC公司AR30-03B型，调压范围为0.05～0.85 MPa，节流阀为SMC公司ASV510F-02型，出口有效截面积为27 mm2，电磁阀为SMC公司SY-7220-5g-02型，操作压力范围为0.1～0.7 MPa，最大动作频率为5 Hz。气嘴排移位驱动的直线模组为东莞远程科技公司CCM-W45-15 kg型，运动精度达0.05 mm，升降驱动的双联气缸为SMC公司CXSJM10-30，有效行程为30 mm。

3.2 试验指标

气力顶钵松脱试验，主要考察顶钵松脱质量，既要保证将穴盘苗钵体顶松脱离穴孔粘附，又要保持钵体完整度，这里以顶松后苗钵完整率作试验指标，其定义如下

式中IR为苗钵完整率，%；ES为松脱后保持整体完整性的苗钵质量，g；SD为残留粘结在穴孔里和气流冲击破碎散落的基质质量，g。

具体操作时，使用奥豪斯（上海）仪器有限公司生产的AR1530电子天平（仪器分度值：0.001 g）分别对每一个顶松后苗钵整体以及残留粘结在穴孔里和气流冲击破碎散落的基质等称质量，以此求出顶松后苗钵完整率。在气力顶钵松脱试验中，穴盘苗钵体未被顶松，此时松脱后保持整体完整性的苗钵质量为零，认为苗钵全部残留粘结在穴孔里，以此标记不成功顶钵松脱效果。

3.3 试验方案设计

穴盘苗钵体与穴孔壁的粘附主要是苗钵盘根造成的[14]，本文考察2个生长阶段的黄瓜幼苗。Yang等[13]报道苗钵含水率可能有助于减轻粘附，研究中调查4种含水率水平下气力顶钵松脱效果，分别为45%～50%，50%～55%，55%～60%，60%～65%。钵体含水率的测定，先对试验苗钵浇透水，分时段剪去幼苗后采用干湿质量法测钵体的含水率，从而得到4种含水率水平下试验样品。气压作为驱动力，前面理论计算得到穴盘苗松脱穴孔壁需要的气嘴口空气射流压力应大于0.098 MPa，考虑调压设置在气动回路前端，气动回路中压力损失，这里设计0.1、0.2、0.3 MPa 3个水平，气动回路中气嘴喷射气流顶推钵体，其流量标准通过节流阀开度调节，设定全开、半开2个流量控制。根据所用穴盘穴孔底部尺寸为11 mm×11 mm见方，选用DP15型双层吸嘴，出气口直径为7 mm，能有效包围穴孔底部，分别测试分析有海绵和无海绵两种吸嘴顶喷钵体。

综合以上分析，对夹钵取苗试验因素水平编码，如表1所示。采用L24(31×41×24)正交表，末列作误差列分析。共有24组试验，每组试验样本量为128株整盘苗，测算顶松后每株苗钵完整率，取其平均值作为每组试验的结果数据。为了确保压力和流量稳定，试验时采用一次移位，逐个控制气嘴喷射气流顶钵松脱，电磁阀通断时间设为0.3 s，有足够时间喷射气流。气力顶钵松脱测试如图7所示。

试验后采用SPSS 18.0软件对所获数据做统计方差分析，多重比较方法为Duncan新复极差法，设显著性水平为=0.05。

表1 试验因素水平

注：*表示气嘴有无海绵。

Note: * indicates whether the air jet has a sponge.

图7 气力顶钵松脱测试

3.4 结果与分析

试验方案与结果极差分析如表2所示。

表2 试验方案与结果极差分析

根据顶钵松脱后苗钵完整率的值大小确定优组合为23212，即当气动回路中气流喷射压力设定为0.2 MPa，钵体含水率为55%～60%，黄瓜苗龄为25 d，气流回路全开，气嘴没有海绵头时，对穴盘苗顶松作用达到既能将穴盘苗钵体顶松脱离穴孔粘附，又最大程度保持钵体完整的效果，此时苗钵完整率为96.36%。据极差分析的值确定试验因素的主次顺序是。对所获试验结果进行统计方差分析，分析结果如表3所示。结果表明对于气力顶钵松脱穴盘苗与孔穴粘附，气流喷射压力高度显著影响苗钵完整率（=0.003），钵体含水率对完整率影响显著（=0.016），苗龄、气流回路流量、气嘴头有无海绵密封等试验因素没有统计学显著性影响（>0.05）。

表3 方差分析结果

注：*，0.01<<0.05时显著水平；**，< 0.01时显著水平。

Note: *, significant level at 0.01<<0.05; ** significant level at<0.01.

采用气力顶钵松脱穴盘苗钵体与穴孔粘附，气流喷射压力高度显著影响顶钵质量。虽然理论上推算得到穴盘苗松脱穴孔壁粘附需要的气嘴口空气射流压力范围为0.064～0.235 MPa，但在实际应用中，当气流喷射压力为0.2 MPa时，多种测试条件下顶松后苗钵完整率综合水平为93.02%。试验发现在气流喷射压力为0.1 MPa时，能将试验用90%以上的穴盘苗钵体顶松，但对根系极其发达的苗钵出现顶吹不松脱的情况，造成顶钵完整率最低。对于气流回路喷射压力为0.3 MPa，能较好地将穴盘苗钵体顶松，当遇到苗钵盘根较差，特别是钵体底部根系盘结较少时，气流吹散掉部分基质体，伤钵未伤根。进一步，对于质量较轻的穴盘苗，在较大喷射气流压力顶吹下，穴盘苗有跃出穴孔格子的趋势，超出顶钵松脱效果。由于气动回路压力调节在前端，随着气流管路接口、管径变化等对气压影响，选择接近穴盘苗钵体破坏强度大小的气流压力顶吹钵体具有较高松脱质量。

前期研究发现苗钵含水率水平显著影响取苗质量[6]，原因是钵体含水率水平保持在适中的范围内，自身有足够的强度，同时含水率有助于减轻粘附[13]。顶松测试发现当所用基质育苗后钵体含水率水平保持在55%～60%范围内，具有较高顶钵松脱质量，这与苗钵含水率水平对自动取苗质量的影响结果一致。当苗钵含水率为50%～55%和60%～65% 2个范围内时，气力顶钵松脱完整率达90%以上，能够最大限度保持根钵完整性。对于苗钵含水率在45%～50%中等水平根土含水率下，由于苗钵含水量较低，造成基质体松散，较大的顶吹力就容易破坏根土结构。对于非常干燥的穴盘苗钵体，钵体完全脱离穴孔，顶松很容易，但是这种情况下苗钵失水过多，影响根系活性，不利于移栽。整体上看，生产所用穴盘苗基质为草本泥炭型，其持水力、孔隙度等物理特性有所差异，在穴盘苗成苗之后，严格控制苗钵含水率，使其含水率水平保持在适中范围内为宜。

对于穴盘育苗而言，穴孔限制了幼苗的发展。20 d的黄瓜苗钵体已成形，但根系不严密，多长5 d后，根系发达，虽然一定程度上较多根系增强粘附穴孔的力度，但钵体抗顶强度却显著增大，使得气力顶压作用下损伤很小，结果是气力顶钵松脱相比短苗龄提高了1.23%苗钵完整率。应当看到随着育苗期的延长，黄瓜苗枝叶也更茂盛，枝叶之间的相互纠缠也增大，由于黄瓜苗茎杆柔软[25]，这对气力顶钵影响作用小。气动回路里高压气流作用穴盘苗钵体底部，较多的空气分子能持续产生较大的气吹作用，因此当所用节流阀全开时，穴盘苗钵体气力顶松后苗钵完整率为91.48%。对于气嘴而言，柔性硅胶上附一层海绵，能有效减少穴孔底部不平带来的漏气影响，但在弹簧预紧力作用下，海绵变形使得出气口面积缩小，从而减小了气力顶钵作用有效面积，在气压力较小时出现顶不松现象。

对最优组合下气力顶钵松脱参数应用到待移栽的黄瓜穴盘苗放松作业中，开展验证性试验。试验结果如表4所示，从实际效果来看，整盘逐排气力顶钵放松完整率达到96%以上，完成整盘苗放松需要约48 s时间。较差的表现是穴盘苗太幼小，盘根性差，将钵体底部吹散坨。另外，空苗的存在，浪费了气力资源。图8为气力顶钵松脱和直接拔苗效果对比。总的来说，采用气力顶钵松脱相比直接拔苗，即使有部分根土破坏，但不伤根，能取得非机械接触低损伤取苗效果，这为高质量穴盘苗夹取移栽提供了可能。

表4 气力顶钵松脱性能试验结果

图8 气力顶钵松脱拔苗和直接拔苗效果对比

因此，本文所研究的蔬菜穴盘育苗底部气吹式钵体松脱装置，能有效顶松穴盘苗。整体装置可与现有的半自动移栽机配套使用，将整盘苗顶松后上苗给移栽机，喂苗员在机器上能轻松提苗分投，也可以将气吹式钵体松脱原理结合现有的立式自动取苗技术，实现边松脱钵苗边取苗操作，能显著提高取苗成功率，又减轻自动取苗机构负担。

4 结 论

1）设计了一种气力顶钵松脱装置。利用空气喷射原理，产生的高压气流冲击力从穴盘底部排水口顶吹穴盘苗，实现穴盘苗与孔穴之间非机械接触式放松，利于移栽时人工轻松拔苗或机械可靠夹取。对关键部件进行设计，使用排气孔直径为5 mm的气嘴，能确保气体射流从128穴孔排水口有效顶吹穴盘苗钵体而不顶盘。根据亚声速自由气体射流动力学原理计算表明：当气嘴口空气射流压力大于0.098 MPa，不超过0.235 MPa时，所设计的气嘴能将穴盘苗顶松而不破坏苗钵根土结构。

2）开展气力顶钵多因素试验研究。发现气流喷射压力高度显著影响苗钵完整率，钵体含水率对完整率显著影响，其他苗龄、气流回路流量多少、气嘴头有无海绵密封等试验因素没有统计学显著性影响。在实际应用中，选择接近穴盘苗钵体破坏强度大小的气流压力顶吹钵体具有较高松脱质量。在穴盘苗成苗之后，严格控制苗钵含水率，使其适中，含水率水平保持在适中范围内为宜。当气动回路中气流喷射压力设定为0.2 MPa，钵体含水率为55%～60%，黄瓜苗龄为25 d，气流回路全开，气嘴没有海绵头时，对穴盘苗顶松作用达到既能将穴盘苗钵体顶松脱离穴孔粘附，又最大程度保持钵体完整度的效果。开展验证性试验，苗钵气力松脱完整率达到96%以上，完成整盘苗放松约48 s，满足实际需要。

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Design of root lump loosening mechanism using air jets to eject vegetable plug seedlings

Han Lühua1,2, Mao Hanping1,2※, Zhao Huimin1,2, Liu Yang1,3, Hu Jianping1,2, Ma Guoxin1,2

(1.,,,212013,;212013,; 3.,,832000,)

For transplanting vegetables plug seedlings, it is difficult to directly pick up seedlings from the tray cells. Damages of root lumps of plug seedling happen all the time in extracting. In this paper, a root lump loosening mechanism using air jets to eject vegetable plug seedlings making for transplanting was designed and evaluated. It consisted of air jets, a linear module, a double-rod cylinder, a control system and some other supporting parts. The step transmission of the air jet along the horizontal direction was performed using the linear module, which was a synchronous belt system. The air jet′ motion along the vertical direction up and down for ejecting plug seedlings was moved by the double-rod cylinder. For high blowing rates, wholes rows of air jets aiming for each drain hole was designed. In this arrangement, the seedlings could be loosened row by row. With a row of air jets blowing the seedling plugs from the drain holes of the tray cells, air pressures along with the force of the plungers effectively loosened seedlings. It would be good for manual pulling seedlings or automatically picking up seedlings from the tray cells. Based on the integrated design and analysis, the air pressure range of succeeding in loosening seedling plugs was 0.098-0.235 MPa using the air jet at the diameter of 5 mm. Under this condition, the seedlings appeared to be most effective in the loosening and not in destroy of the root soil. Meanwhile, the air jet could eject each drain hole at the bottom of the 128-cell tray. Being the first prototype, its optimal machine parameters were examined under various conditions. In the optimum tests, it was found that the air pressure of the air jet plungers exerted the greatest effect on the integrated ratio in loosening seedling plugs, and followed by the moisture content. Other factors such as the seedling age, the air flow rate and the air jet with sponges or not had no significant effects on the integrated ratio in loosening seedling plugs. In reality, it would probably be a moderate air blast for blowing of the plug seedlings from the tray. If the moisture content of root lumps of the plug seedlings was less than 55%, the cohesion forces between the roots and the tray cell walls would increase. In this case, wetting the roots might serve to reduce the adhesion making for blowing. For cucumbers seedlings, when the air pressure of the air jet plungers was 0.2 MPa, the root zone moisture was 55%-60%, the seedling age was 25 d, the airflow circuit was fully open at the outlet of 4 mm, and the air jet had no sponges, the best intact rate succeeding in loosening root lumps of plug seedlings was achieved. Finally, the overall loosening performance test was carried out. The intact rate of seedling and root lump in loosening root lumps by blowing was more than 96%. It needed about 48 s for finishing loosening the whole tray of plug seedling. The loosening mechanism using air jets to eject vegetable plug seedlings has a good performance, which can meet the actual requirements.

mechanization; design; optimization; plug seedling; root lump; air jet; loose; orthogonal experiment

韩绿化，毛罕平，赵慧敏，刘 洋，胡建平，马国鑫. 蔬菜穴盘育苗底部气吹式钵体松脱装置设计[J]. 农业工程学报，2019，35(4)：37－45. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.005 http://www.tcsae.org

Han Lühua, Mao Hanping, Zhao Huimin, Liu Yang, Hu Jianping, Ma Guoxin. Design of root lump loosening mechanism using air jets to eject vegetable plug seedlings[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(4): 37－45. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.005 http://www.tcsae.org

2018-09-27

2019-02-14

国家重点研发计划项目（2017YFD0700800）；江苏省重点研发计划项目（BE2017303）；江苏省高校优势学科建设工程资助项目（苏财教（2014）37号）；江苏大学第17批学生科研课题立项项目（17A326）

韩绿化，助理研究员，博士，主要从事移栽机械关键技术研究。Email：hanlh@ujs.edu.cn

毛罕平，教授，博士生导师，主要从事现代农业装备与设施农业环境控制技术研究。Email：maohp@ujs.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.005

S223.92

A

1002-6819(2019)-04-0037-09