育苗紙缽自動裝盤裝置的試驗研究

張 洋,范開鈞,初 麒,蘇穎欣,劉小耿,辜 松,夏紅梅

(1.華南農業大學 工程學院,廣州 510642;2.廣州實凱機電科技有限公司,廣州 510642)

0 引言

紙缽是由育苗專用紙將基質包裹而成的育苗基質塊,由于基質存在一定的填充密度,紙缽雖然兩頭無底但卻不容易散坨,是一種新興的育苗手段。傳統育苗中,由于苗床多次的反復使用、頻繁重茬,容易導致土壤根結等危害;后期間苗、分級工序頻繁拔出、移栽,極大影響種苗苗的存活率,且移栽后需要很長的緩苗期[1]。穴盤育苗在工廠化蔬菜生產中是最常見的一種栽培方式,但生長在穴盤中的種苗根系盤結,基質與穴盤附著力強,導致移栽難度大,使用紙缽育苗可起到固根作用,并為自動化種苗分級、嫁接、移植提供良好的技術基礎。

使用紙缽育苗后,幼苗根系生長快速且又健康,出圃時間短;與穴盤育苗相比,紙缽根系更加的多且粗壯,不窩根盤根,紙缽育苗的移栽效果要比穴盤育苗好得多;紙和根系同時包絡基質,成型效果好,可避免震動損失,方便運輸;最重要的是可以實現全自動化的生產,包括自動分級、移栽和嫁接等工序;對于大規模育苗企業,可以極大地降低勞動成本且提高種苗的一致性和質量[2-6]。

目前,國內市場上已經出現了數種生產育苗紙缽的機器,也有針對紙缽基質的播種機和針對紙缽苗的移栽機、嫁接機等。國內生產育苗紙缽機器的模式多為單頭生產,且不附帶自動紙缽裝盤裝置,采用人工將紙缽機生產出來的紙缽裝填進穴盤,如圖1所示。即使是生產速度并不太高的國產紙缽機型,也需要兩個人工配合裝填紙缽。大部分設施農業生產企業都采用紙缽機制缽,之后再經播種機播種的方式完成制缽播種,很少采用全自動流水線一次完成紙缽、裝盤及精量播種作業的機型[7]。丹麥ELLEPOT公司開發出了紙缽入盤機,但僅匹配適用于該公司紙缽機的機型。該公司的育苗設備構成一套較為完備的紙缽加工生產線,與國產紙缽機無法匹配使用[8-11]。

圖1 人工向穴盤裝填紙缽Fig.1 Put paper pots into the tray by manual loading

因此,亟需研究出適合國內生產情況的紙缽裝盤裝置,降低人工勞動強度,填補種苗自動化生產線中環節的缺失,連接紙缽生產機和播種機,整合后續種苗處理機械,完善種苗相關生產線。

1 整機結構及工作原理

1.1 作業條件

育苗紙缽自動裝盤裝置需要與紙缽機配合作業,將紙缽機生產出的紙缽連續不斷的輸出到穴盤當中。

本育苗紙缽自動裝盤裝置作業紙缽尺寸為高度50mm、直徑30mm,裝盤對象為72孔穴盤,穴盤外形尺寸規格為280mm×540mm。

1.2 整機結構

育苗紙缽自動裝盤裝置主要由裝填機構、驅動電機、推送機構、轉運機構及機架組成。

裝填機構主要功能為逐個將紙缽裝入轉運機構中,轉運機構主要功能為過渡裝載并輸送紙缽,推送機構主要功能為將6個紙缽為一組推送至穴盤的一列穴中。

該機器結構簡捷,加工成本低,整機結構如圖2所示。

1.裝填機構 2.驅動電機 3.推送機構 4.轉運機構 5.機架圖2 育苗紙缽自動裝盤裝置結構圖Fig.2 The structure of seedling paper-pot automatic feeding device for plug tray

1.3 工作原理

育苗紙缽自動裝盤裝置的工作原理:該機由伺服電機提供轉運機構驅動鏈的旋轉動力,空氣壓縮機為裝填機構和推送機構提供氣力驅動,完成逐個落料及連續裝盤等工作。

驅動鏈上一共安裝有18個轉運杯,裝填機構將紙缽逐一喂入轉運杯中;推送機構每次推送6個紙缽,對應72孔穴盤中的一行。

工作時,穴盤放置于輸送帶上,紙缽機生產出的紙缽在輸送通道中排成1列,立于落缽擋板上,落缽擋板正下方有一個轉運杯等待。首先,阻擋氣缸伸出,將下數第2個紙缽阻擋在輸送通道上無法下落,從而也阻擋了通道上方的其他紙缽無法下落;這時落缽氣缸帶動落料板打開,1個紙缽落在轉運杯中,然后落缽擋板關閉,阻擋氣缸收回,通道中的紙缽下落到落缽擋板上,同時轉運杯步進1個距離,從而實現紙缽逐個落到轉運杯的目的(見圖3);裝載有紙缽的轉運杯旋轉到落缽工位時,在轉運杯和穴盤之間的阻擋插板打開,同時推缽桿下壓,將紙缽推入穴盤中的一列穴中(見圖4);然后,推缽桿收回,插板關閉,轉運杯繼續旋轉,同時穴盤向前步進一行,等待推送機構推送下一組紙缽,從而自動將紙缽連續不斷地裝入穴盤當中。

1.落缽擋板 2.阻擋氣缸 3.輸送通道 4.紙缽 5.轉運杯圖3 裝填機構工作原理圖Fig.3 The working principle diagram of feeding mechanism

1.阻擋插板 2.轉運杯 3.推缽桿 4.紙缽 5.穴盤圖4 推送機構工作原理圖Fig.4 The working principle diagram of pushing mechanism

2 裝盤性能試驗與結果分析

2.1 試驗材料

試驗設備為育苗紙缽自動裝盤裝置樣機,如圖5所示。轉運杯的直徑為34mm;供試紙缽的高度為50mm,直徑為分別為28、30、32mm。

圖5 育苗紙缽自動裝盤裝置試驗樣機Fig.5 The experimental prototype of seedling paper-pot automatic feeding device for plug tray

試驗時,采用調節紙缽含水量的方法,來保證不同直徑的紙缽質量相同。

2.2 試驗目的與內容

為了解紙缽裝盤裝置向穴盤裝填紙缽的作業性能,考察紙缽與轉運杯之間的間隙和紙缽質量對紙缽裝盤作業成功率的影響,設計了兩因素3水平正交試驗,紙缽與轉運杯之間的間隙(S)設有3個水平,分別為2、4、6mm;紙缽質量(W)有3個水平,分別為10、15、20g。

表1為裝盤性能試驗因素水平表。試驗因素與水平共構成9個水平組合,每個組合都進行3次重復試驗。

表1 裝盤性能試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of loading performance test

2.3 試驗結果與分析

裝盤性能試驗結果如表2所示,裝盤性能試驗結果方差分析如表3所示。由表3可知:紙缽與轉運杯之間的間隙(S)和紙缽質量(W)均對樣機的裝盤成功率影響高度顯著;紙缽與轉運杯之間的間隙(S)是影響裝盤成功率的主要因素,紙缽質量(W)為次要因素。

表2 裝盤性能試驗結果Table 2 The result of loading performance test

表3 裝盤性能試驗結果方差分析Table 3 The variance analysis of loading performance test

紙缽與轉運杯間隙對紙缽裝填成功率的影響如圖6所示。由圖6可知:紙缽與轉運杯之間的間隙為6mm、紙缽質量為20g是最優組合,此時裝盤成功率最高,可達94.44%,生產率可達到3 130穴/h。

圖6 紙缽與轉運杯間隙對紙缽裝填成功率的影響Fig.6 The impact of the gap between paper-pot and transporting cap on the success rate of paper-pot’s filling

3 結論

1)針對人工裝填紙缽成本高、效率低、勞動強度大的現狀,開發了一款適合國內生產現狀的紙缽入盤裝置,填補了國內相關機器的空白。

2)進行落料性能試驗,最優組合(質量20g、間隙6mm)時成功率可達94.44%,生產率可達3 130穴/h。

3)本裝置填補了國內育苗生產線中缺失的環節,為形成一套完整的育苗生產線提供了可能, 提高了自動化程度。