蔬菜移栽机气动下压式高速取苗装置设计与试验

王 超 刘彩玲 李永磊 宋建农 王继承 董向前

(中国农业大学工学院，北京 100083)

0 引言

目前，我国蔬菜移栽机仍由人工完成取苗作业，其劳动强度大且作业效率低，受限于人工取苗速度，移栽频率仅为25～40株/min[1]，这制约了蔬菜产业的快速发展。

国内外学者对取苗装置进行了广泛研究，提出并设计了插入夹取式[2-7]、顶出式[8-9]、顶出夹取式[10-12]、气力式[13-15]和其他形式[16-18]的取苗机构，以及相应取苗末端执行器[19-20]。基于向上取苗原理的插入夹取式取苗机构，其取苗频率多为40～90株/min[2-6]，当取苗频率大于70株/min时，机构的变速转动或摆动使苗针冲击振动和惯性力显著增大，钵体破损率增大，夹苗稳定性降低，从而出现脱苗或甩苗等取苗失败现象，导致取苗成功率降低[3]。基于向上取苗原理的机构因取苗、投苗运动方向和空间位置不一致，苗针必须按特殊轨迹变速运转，经过迎穴扎苗、拔苗取出、携苗转运和推苗投出等繁琐步骤才能完成单次取投苗作业[21-22]，因此很难提高取苗频率。研究者在同类取苗机构上进行了动力学研究和优化改进[23-26]，冲击振动和惯性力略有改善，但依然很难突破。

高速移栽机移栽频率不小于90株/min[27]，取苗作业高速化是实现高速移栽的关键和前提[28]。因此，研究结构合理、取苗效果良好的高速取苗装置对提高蔬菜移栽机作业效率、减轻劳动强度和促进蔬菜产业发展具有重要意义[7]。本文基于向下取苗原理设计一种气动下压式高速取苗装置及配套组合式穴盘。通过理论与试验分析，对关键部件进行设计与参数优选，以辣椒苗为试验对象进行取苗试验，以验证装置的取苗原理和该机构高速取苗的可行性，为开发轻简型高速取苗装置提供参考。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

本文设计的气动下压式高速取苗装置如图1所示，主要由机架、供盘机构、送苗机构、气动取苗机构、投苗锥斗和控制系统等组成。供盘机构通过供盘链驱动电机驱动供盘链，对称安装的供盘链上各有一个加长销轴，与最上方托盘层侧边铰接，托盘层由吊线串联成多层结构；送苗机构通过送苗链驱动电机传动对称布置的送苗链，送苗链整周上均布加长销轴作为送苗拨杆，送苗底板紧固在送苗链之间，前端有配合下压取苗镂空处；气动取苗机构安装在送苗底板镂空处上方；控制柜通过电气连接控制供盘机构和送苗机构，通过气动连接控制推盘气缸和气动取苗机构。

与装置配套使用的组合式穴盘如图2所示。组合式穴盘穴孔为上下通透的正四棱台形，幼苗生长在6×6的36孔组合式穴盘内。为避免茎叶穿过穴孔时下落不畅或损伤，经落苗通过率试验，穴孔设计如图2所示，相邻穴孔中心距是45 mm。无底穴盘两侧有6个间距45 mm的侧筋，用于被送苗链送苗拨杆驱动和取苗位置传感器检测第1取苗时序。

1.2 工作原理

气动取苗机构是整个装置核心部件，穴盘具有成行成列等距穴孔，采用成排取苗单体可以避免使用限制作业效率提升的横向移箱机构，能显著提高取苗频率。气动取苗机构结构如图3所示，包括安装板和与无底穴盘各行穴孔对应的6个取苗机构单体(以下简称取苗单体)。取苗单体包括取苗气缸和安装在活塞杆上的顶苗器。

作业时将载苗无底穴盘(以下简称苗盘)放置到托盘层上，装置按如下作业工序进行高速取苗作业：①有序供盘：供盘链间歇向下移送托盘层，托盘层与送苗底板平齐时，推盘气缸将苗盘向送苗底板方向推出合适距离。②连续送苗：送苗链送苗拨杆拨动苗盘穴盘侧筋，匀速输送苗盘经过气动取苗机构下方，运动方向如图4a箭头所示。③气动下压取苗：高速取苗时序控制系统控制气动取苗机构各行取苗单体顶苗器依次对准动态运动穴孔，下压钵苗后复位，完成取苗(图4b)。④自由投苗：被压出钵苗按时序落入投苗锥斗，在重力作用下沿投苗锥斗倾斜侧壁下滑至出口自由投苗。

每行取苗单体在苗盘输送方向上等距间隔，呈斜线布置(图5)。当苗盘某行第1行穴孔对齐第1行取苗单体顶苗器时，穴盘侧筋触发取苗位置传感器到达第1取苗时序(图5a)。在1个取苗时序间隔内，控制系统控制第1行取苗单体顶苗器下压取苗并复位，同时苗盘前进一段距离，第2行穴孔与第2行取苗单体对齐，到达第2取苗时序(图5b)；剩余4行穴孔按相同规律依次与对应行取苗单体动态对准，到达后续4个取苗时序并完成下压取苗。连续6个取苗时序和下压取苗后，为了消除送苗链累积运动误差，由下一个穴盘侧筋触发取苗位置传感器正时下一行第1取苗时序，开始下一行高速取苗时序和下压取苗。

2 关键部件设计

2.1 钵体力学模型

钵体与穴孔壁之间存在粘附力和摩擦力作用，下压钵苗是驱动钵体脱离穴孔壁粘附力以及摩擦力的过程[29]。顶苗器压出过程中钵体受力如图6所示，图中θ为苗钵侧边角，0.95°。

钵体在4个侧面上受到的摩擦力Ffi、粘附力Fni和正压力Ni可认为相等。若为了使钵体脱离穴孔壁并保持钵体完好，则顶苗器作用在钵体上表面的取苗力F应满足

4(Fficosθ+Fnisinθ-Nisinθ)-Gs≤F≤Fσ

(1)

式中Gs——钵苗重力，N

Fσ——钵体上表面抗穿刺屈服力，N

钵体脱盘力一定程度上反映为：钵体4个侧面受到穴孔壁摩擦力Ffi、粘附力Fni和正压力Ni在竖直方向的综合作用与钵苗重力之差，即

FT≈4(Fficosθ+Fnisinθ-Nisinθ)-Gs

(2)

式中FT——钵体脱盘力，N

对苗盘中钵苗进行钵体脱盘力学试验，测出钵体脱盘力FT为(15.8±3.8)N；为了保证可靠压出，FT取19.6 N。钵体上表面抗穿刺屈服力Fσ等于顶苗器末端作用面积与钵体上表面许用抗穿刺屈服强度乘积。

根据式(1)和式(2)可得取苗力F范围为

FT≤F≤Fσ

(3)

2.2 气动取苗机构参数设计

2.2.1取苗气缸选型与工作压力

为实现成功取苗，下压取苗有效行程应大于穴孔深度即30 mm，顶苗器末端距钵体上表面的位置不应超过最低茎叶生长点，综合各因素选用工作行程为50 mm，缸径为10 mm，CDJ2KB10-50型双作用不回转气缸，最大工作气压0.7 MPa，最大下压力54.98 N。

将气缸活塞杆和顶苗器视为一个刚体进行受力分析，活塞杆伸出时顶苗器向下合力即为取苗力F，即

F=pSp+Gp-Ffc

(4)

根据式(3)和式(4)得到不等式

(5)

式中p——取苗气缸工作压力，MPa

Sp——活塞有效作用面积，约7.85×10-5m2

Gp——活塞、活塞杆与顶苗器重力，为0.2 N

Ffc——取苗气缸壁对活塞杆的摩擦力，约为1 N

根据式(5)计算得到顶苗器压出钵苗所需取苗气缸工作压力p最小为0.26 MPa。

2.2.2取苗单体斜线布置

取苗单体的横向间距等于穴孔间距B=45 mm；取苗单体的纵向间距C应满足：第6取苗时序开始一个取苗时序间隔内，苗盘前进距离使下一行第1列穴孔与第1列取苗单体对准(或与取苗位置传感器检测下1行第1取苗时序同时发生)。故6次取苗时序总时长内，送苗链以线速度vc移送苗盘位移等于穴孔间距B。送苗链速度vc计算式为

(6)

其中

式中tp——取苗时序间隔，s

f——取苗频率，为120株/min

通过计算取苗时序间隔tp为0.5 s，取苗单体纵向间距C为7.5 mm，送苗链线速度vc为0.015 m/s。

2.2.3顶苗器运动学分析

苗盘连续输送使得顶苗器在下压取苗作业时与穴孔有水平相对位移，包括下压取苗相对运动位移和复位相对位移。需对顶苗器进行运动学分析，研究其与穴孔之间的相对运动轨迹，为顶苗器末端结构和尺寸设计提供参考，防止两者发生运动干涉。

顶苗器下压取苗阶段顶苗器和穴孔运动关系为

(7)

式中H——取苗气缸工作行程，为50 mm

g——重力加速度，取9.8 m/s2

t1——顶苗器下压行程时间，s

x1——t1时间内穴孔位移，mm

顶苗器复位阶段顶苗器和穴孔运动关系为

(8)

式中Sr——活塞杆面积，约为1.39×10-5m2

t2——顶苗器复位行程时间，s

x2——t2时间内穴孔位移，mm

顶苗器下压取苗和复位阶段穴孔位移为

(9)

式中x——t1和t2时间内穴孔位移，mm

按式(9)计算顶苗器在一次下压和复位中，与穴孔水平相对位移x约为0.32 mm，在Matlab中绘制其相对穴孔运动轨迹，如图7所示，x轴为顶苗器相对于穴孔水平方向位移，y轴为顶苗器位移，以复位时顶苗器末端所在位置为坐标原点。

2.2.4顶苗器末端结构设计和参数确定

为了减小下压取苗过程中钵体受力不平衡及茎叶损伤，应在钵体上表面靠近穴孔处施加取苗力。由于送苗链连续移送苗盘，顶苗器与秧苗在苗盘前进方向有相对运动，需要防止顶苗器直接碰撞秧苗茎秆，造成压弯折断等硬性损伤，应保证顶苗器避开穴孔中央茎秆生长点集中区域，因此顶苗器末端设计为U型，如图8所示。U型末端的侧边Ⅰ/Ⅱ作用取苗力于钵体上表面靠近3个侧边处，钵体受力较为平衡，变形较小；U型末端中空腔容纳茎秆进入，同时U型末端侧边Ⅱ上边沿设计为向下斜线并对棱边倒角，降低茎叶下降过程中与侧边Ⅱ接触时通过阻力和接触压强，实现低损快速下落。

顶苗器为3D打印而成，根据其结构强度，将U型末端侧边Ⅰ厚度h设为5 mm；根据预试验机构运行精度，将U型末端侧边Ⅰ/Ⅱ外侧与穴孔边缘间隙j设为2 mm，则侧边Ⅱ外宽b为37 mm；随机选取一盘苗测得秧苗茎秆生长点集中区域直径d为20 mm，U型末端不压倒茎秆的条件为

a≥d

(10)

式中a——U型末端侧边Ⅱ开口端内宽，mm

在复位过程中U型末端侧边Ⅱ与茎叶相对高速接触，经试验，较薄的侧边Ⅱ会对茎叶产生“切割”效应造成茎叶损伤，U型末端侧边Ⅱ的壁厚宜选为5 mm，此时可显著减轻侧边Ⅱ对茎叶的“切割”效应。则侧边Ⅱ内宽a=b-2×5=27 mm。

U型末端纵向长度c计算式为

c=E-j-e

(11)

其中

e=j+x

式中e——U型末端侧边Ⅱ前端与穴孔边缘间隙，mm

E——穴孔内宽，mm

按式(11)计算，e取整为3 mm，则c为36 mm。

为最大限度保证钵体根土结构完整性和根系不受损伤，U型末端对钵体上表面作用压力应小于钵体上表面许用抗穿刺屈服强度[σ]，穴盘苗钵为根土复合体，借助穿刺试验测得其许用抗穿刺屈服强度，计算公式为

(12)

式中k——安全系数，取1.2～1.5

FQ——钵体上表面平探头穿刺屈服压力，N

Sσ——平探头接触面积，m2

穿刺试验用苗为“国福419”辣椒品种，育苗基质中泥炭、珍珠岩、蛭石体积比为3∶1∶1，苗龄66 d，平均苗高145 mm，平均叶展为118 mm，平均茎粗为3.87 mm。试验前用剪刀沿钵体上表面将秧苗剪去。在TMS-Touch型质构仪上使用直径2 mm平探头P2(图9a)，在顶苗器U型末端侧边Ⅰ/Ⅱ作用区域内选取穿刺试验位置(图9b)，进行钵体上表面穿刺试验。测得钵体上表面平探头穿刺屈服压力为(0.47±0.09)N，安全系数设为1.5，求得钵体上表面许用抗穿刺屈服强度约为0.226 MPa。穿刺试验后测得钵体基质含水率为67.51%～69.54%。钵体内部由于根系盘结和加筋作用，内部抗穿刺及抗压屈服强度增强。虽然表层基质被平探头穿刺破坏，表现为表层局部基质颗粒压缩凹陷屈服和剪切破坏，苗钵主体抗穿刺屈服强度大于测试值。

U型末端与钵体间作用力和钵体脱盘力FT相等，U型末端在钵体上表面作用面积SU和作用压力σ计算式为

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

(13)

(14)

经式(14)计算校核，U型末端在钵体上表面作用压力小于钵体上表面许用抗穿刺屈服强度，不会对钵体造成破坏。

钵体上表面抗穿刺屈服力计算式为

Fσ=[σ]SU

(15)

按式(5)计算取苗气缸工作压力p范围为

0.26 MPa≤p≤1.44 MPa

(16)

为了减小顶苗器下压对钵体的损伤和降低作业能耗，取苗气缸工作压力p优选为0.26 MPa。

2.3 高速取苗时序控制系统设计

为了实现高速取苗，设计了送盘链以线速度vc连续移送苗盘、整排取苗单体依次对准动态穴孔下压取苗的高速取苗时序，由送苗链、气动取苗机构和取苗位置传感器等配合实现，送苗链采用步进电机驱动；气动取苗机构6个取苗单体双作用气缸利用二位五通电磁换向阀控制气动回路，整个气动回路由减压阀调节工作压力，气源为空压机；取苗位置传感器使用微动行程开关检测穴盘侧筋正时第1取苗时序。其系统硬件组成如图10所示。

根据控制性能要求和硬件匹配，控制器选用16 MHz的Arduino Mega 2560微控制器。高速取苗时序控制流程如图11所示，实现连续输送苗盘、检测第1取苗时序和高速下压取苗。

3 台架试验

3.1 高速取苗时序验证试验

为验证顶苗器U型末端接触钵体上表面实际瞬时位置是否与高速取苗时序理论位置相符，开展验证试验。

试验所需设备：高速摄像机(Phantom V9.1型)、补光灯(JINBEI EF-200型)、气动下压式高速取苗装置试验台如图12所示。

首先将无底穴盘放置到送苗底板上，架设高速摄像机，开启补灯光照射，设置采样频率为1 000 f/s，然后设置装置取苗频率为120株/min，送苗链线速度0.015 m/s，启动试验台，开始拍摄。通过PCC软件对视频进行解析，获得实际6个高速取苗时序对应顶苗器U型末端与钵体上表面接触实际瞬时位置。在PCC中软件使用“Measurement”下的“Calibrate”和“Instant Measurement”测量功能，测得6个实际瞬时位置U型末端侧边Ⅰ与穴孔内侧边缘距离j1～j6(图8b)见图13，取苗位置传感器触发正时第1取苗时序时刻t为0 ms。

6个高速取苗时序j1～j6平均值为2.50 mm，与设计的边缘距离j基本一致，可知送苗链、气动取苗机构和取苗位置传感器等在控制系统作用下实现高速取苗时序精度较好，具有高速取苗作业可行性。

3.2 取苗试验

3.2.1试验条件与指标

气动下压式取苗装置取苗试验于2020年11月在中国农业大学工学院进行。试验对象为“国福419”辣椒苗，采用有机营养育苗基质培育，泥炭、珍珠岩、蛭石体积比为3∶1∶1，苗龄60 d，平均苗高为145 mm，平均展宽为133 mm，平均茎粗为3.49 mm，如图14所示。测得钵体基质含水率为66.69%～76.35%。

依据JB/T 10291—2013《旱地栽植机械》行业标准[28]，结合气动下压式取苗装置作业性能要求，本试验以取苗成功率Y1、基质破碎率Y2和茎叶损伤率Y3作为取苗效果评价指标，计算式为

(17)

(18)

(19)

式中n1——装置取苗成功钵苗株数，株

n——试验用有效钵苗总株数，株

m1——破碎基质总质量，g

m——取苗成功钵苗总质量，g

m2——取苗成功钵苗茎叶总质量，g

m3——取苗成功后扯断损伤茎叶总质量，g

试验时取苗气缸工作气压p=0.26 MPa，取苗频率为120株/min。选取6盘生长一致钵苗进行试验，试验前去除无苗钵体，避免无苗钵体对试验指标影响。试验结果如表1所示。每次试验后沿钵体上表面将幼苗剪去称取苗成功钵苗茎叶总质量m2。钵苗取苗成功率平均值为100%，基质破碎率平均值为22.46%，茎叶损伤率平均值为3.54%，试验后部分钵苗状况如图15所示。

表1 取苗试验结果

3.2.2结果分析

基质破碎率较高原因为：钵体尺寸较大，根系比例和根系包裹缠绕程度比常规钵苗稍弱，但破碎基质来源于钵体边角表层松散基质，钵体主体内部和根系未见损伤；即使个体差异部分钵苗根系不发达出现基质破碎率偏高，未对其造成根系及茎叶严重损伤。所有钵体主体及根系仍完好(图15)，不影响后期移栽成活。个别叶片扯断损伤，损伤程度较小，不影响移栽后成活和生长发育，未发生因茎叶互相缠绕导致钵体压出而未下落情况。

试验中还发现顶苗器下压取苗过程中，钵苗以一定速度下落，茎叶在迎风阻力作用下向中心弯曲收拢(图16)，更有利于穿过穴孔低损高速下落。

通过试验可知，装置各机构运动协调、按高速取苗时序完成取苗作业循环，满足高速低损取苗作业要求；与基于向上取苗原理插入夹取式取苗机构相比，取苗频率和取苗成功率都得到了提高；同时该装置提高取苗频率只需改变送苗链线速度和高速取苗时序间隔，并不会改变取苗气缸工作压力和工作行程，不会增加顶苗器振动和惯性力，故该装置下压式取苗原理与结构可以实现高速低损取苗。

4 结论

(1)设计了气动下压式高速取苗装置，该装置将快速往复气缸和无底穴盘结合，实现下压式高速取投苗一体化作业，简化了取苗机构、优化了作业轨迹。综合考虑钵体受力、茎叶损伤、作用压力、与穴孔边缘间隙和相对运动轨迹等因素，对关键部件进行分析和计算；在当前穴盘和顶苗器参数条件下，取苗气缸工作气压范围为0.26～1.44 MPa。所设计的顶苗器在气缸工作气压范围内不会对钵体根土结构和茎叶造成破坏或损伤。同时，在下压取苗过程中，茎叶受迎风阻力而收拢，有利于快速低损下落，实现低损取苗作业。

(2)设计了高速取苗时序及控制系统，并进行了验证试验，试验表明，送苗链、气动取苗机构和取苗位置传感器等在控制系统作用下能够协调工作，高速取苗时序精度较高，该取苗机构具有高速取苗作业的可行性。

(3)进行了样机取苗试验，当取苗气缸工作气压优选为0.26 MPa、取苗频率为120株/min时，钵苗取苗成功率平均值为100%，基质破碎率平均值为22.46%，茎叶损伤率平均值为3.54%，未发现钵体主体结构、根系和茎叶的严重损伤，取苗效果稳定，能够满足蔬菜高速移栽的取苗作业要求。