基質塊苗移栽機送取苗裝置的設計與試驗*

徐陶，崔志超，管春松，陳永生，肖體瓊

(1. 江蘇省農業科學院農業設施與裝備研究所，南京市，210014；2. 農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

我國蔬菜種植面積和產量分別占據世界總量的40%和50%以上，長期穩居世界前列，但機械化覆蓋率較低，尤其移栽作為蔬菜種植的關鍵環節，受育苗方式和育苗質量的制約，自動化移栽程度并不高[1]。隨著育苗工藝的創新，基質塊育苗因緩苗期短、移栽成活率高、育苗成本低等優點逐漸得到關注，并且可實現成排取苗、單株分苗，有助于提高移栽效率[2-7]，因此，基質塊育苗移栽技術的探索將有助于拓展蔬菜移栽研究方向。

國外對基質塊育苗移栽技術的研究起步較早，技術較為成熟，部分成熟機型已推廣應用。意大利Ferrari公司和Hortech公司各自研制了Automatica Fast Block型移栽機與TRE TREMATIC型移栽機、法國CM REGERO公司研制了R2010型氣動式基質塊苗移栽機、荷蘭Chrysant Arcadia公司的溫室內固定道式基質塊苗移栽機等，上述機型均已實現了自動化作業，相比穴盤苗移栽機作業效率提高3～6倍。國內對基質塊育苗移栽的研究還處于前期階段，少數學者對基質塊苗力學特性和生物學特性進行研究并開發了一些結構簡單、功能單一的基質塊苗移栽機。胡喬磊等[2]針對油菜基質塊苗力學和生物學特性進行了相關研究，并開發了油菜基質塊苗自動移栽機，臺架試驗分苗及取苗頻率為40株/min時，送取苗成功率僅90%左右，栽植效率和質量均有較大提升空間；山東某公司研制了2ZS-4型基質塊帶式移栽機，一次作業4行，株、行距可調，但用工量與現有半自動穴盤苗移栽機相差無幾；韓長杰等[8]針對西瓜育苗移栽研發了一種半壓縮基質型移栽機，試驗結果倒伏率略高。

綜上可知，國內現有研究成果在省工、增效、提質方面還有較大進步空間，國外雖有成熟機型借鑒，但作業環境和種植農藝與國內有別，且結構復雜、保養維護成本高。故通過結構設計與理論分析相結合，研制了一種基質塊苗移栽機自動送取苗裝置，并通過田間試驗驗證工作原理可行性，本文為基質塊苗移栽機的研究提供參考。

1 結構組成與工作原理

1.1 結構組成

基質塊苗送取裝置主要由支撐架、鏈輪、空心套筒滾子鏈條、滑道、取苗爪、送苗裝置等組成。其中，支撐架、主(從)鏈輪、空心套筒滾子鏈條、滑道和取苗爪組成取苗裝置，主、從鏈輪之間繞裝空心套筒滾子鏈條，鏈條一側圓周均勻布置多個取苗爪，取苗爪與鏈條鉸接，另一側設置兩股滑道與取苗爪的滑銷形成滑動約束。送苗裝置與取苗裝置垂直交錯布置，取苗爪與送苗裝置內的送苗輥相互交錯，便于取苗爪穿過送苗裝置取走基質塊苗，結構如圖1所示。

圖1 送取裝置結構示意圖Fig. 1 Schematic diagram of delivery device structure1.支撐架 2.主動軸 3.主動鏈輪 4.空心套筒滾子鏈條5.從動鏈輪 6.取苗爪 7.送苗裝置 8.基質塊苗

1.2 工作原理

取苗爪經滑銷被約束在支撐架滑道內，其作用是保證取苗爪隨鏈條運轉過程中始終保持水平狀態，從而使基質塊苗按照一定株距直立的栽入土壤中。

工作時，基質塊苗被成排放入送苗裝置的輸送帶上，輸送帶帶動基質塊苗成排向前輸送，前苗在后苗的推力作用下被推至送苗輥呈待取狀態；取苗裝置的主動鏈輪在主動軸的帶動下轉動，驅動鏈條上的取苗爪作逆時針運動，當運動至送苗裝置的送苗輥正下方時，取苗爪的托爪從送苗輥間隙交錯穿過(如圖2)。

圖2 取苗原理示意圖Fig. 2 Schematic diagram of seedling picking principle1.取苗爪 2.送苗裝置 3.送苗輥

從而將送苗輥上的基質塊苗取走；基質塊苗隨取苗爪繼續逆時針運動，在滑道對取苗爪作用下始終保持直立狀態，當取苗爪繼續運動直至接觸地面時，取苗爪穿入土中，基質塊苗則在取苗爪水平方向運動趨勢及土壤阻力作用下停留在土地表層，覆土器緊隨其后進行掩埋，完成栽植過程。

2 關鍵部件設計

2.1 取苗爪

取苗爪的作用是取苗后將基質塊苗立直的送入土壤，其運動是由自身回轉運動和機器前進運動復合而成的合成運動[9]，因取苗爪的運動軌跡為“跑道形”，存在直線運動和變向運動，以圓周內均勻布置的任一取苗爪為研究對象，其運動方程

(1)

(2)

式中：V——移栽機前進速度，km/h；

V′——取苗爪轉動線速度，km/h；

ω——取苗爪轉動角速度，(°)/s；

t——時間，s。

圖3 取苗爪結構示意圖Fig. 3 Structure of seedling picking claw1.托爪 2.立板 3.空心套筒滾子鏈條 4.滑銷Ⅱ5.連接桿 6.滑銷Ⅰ

目前，常用的育苗基質塊形狀多為立方體，棱長為40 mm[10]。為防止基質塊苗位置偏斜造成取苗爪與基質塊非完全接觸，從而使基質塊苗傾倒，因此取苗爪總體寬度B設置為55 mm，為增加取苗穩定性，托爪與基質塊接觸面積應盡可能大，因此托爪在滿足基質塊質量的前提下單條直徑設計為6 mm，托爪之間尺寸b設計為10 mm，立板高度H設計為40 mm。

2.2 取苗爪運動路徑規劃

取苗爪在運動過程中需保證基質塊苗始終直立不傾倒，因此取苗爪運動路徑的設計也是該結構的難點和重點。當位于初始a狀態時，滑銷Ⅱ位于滑道Ⅳ內，滑銷Ⅰ位于滑道Ⅲ內，由于取苗爪整體與鏈條鉸接，在取苗爪自重以及其滑銷Ⅰ、Ⅱ在滑道Ⅲ、Ⅳ的約束作用下，取苗爪始終呈豎直狀態且不會出現擺動現象；滑銷Ⅰ和Ⅱ沿滑道ω方向順時針旋轉運動由a狀態逐步運動至第二跑道形端部b狀態時，滑銷Ⅰ和Ⅱ逐漸先后進入滑道Ⅲ和Ⅳ的合股滑道內，滑銷Ⅰ先進入合股滑道內時由于其直徑小于合股滑道所以不受合股滑道約束，但滑銷Ⅱ尚未離開滑道Ⅳ仍然受到約束，因此取苗爪仍然保持豎直狀態；當滑銷Ⅰ、Ⅱ繼續繞ω方向旋轉由b狀態逐步運動至c狀態時，滑銷Ⅱ和Ⅰ逐步先后脫離上述的合股滑道并發生換道，此時滑銷Ⅱ進入滑道Ⅲ內，滑銷Ⅰ進入滑道Ⅳ內，由于滑銷Ⅱ直徑小于合股滑道所以不受合股滑道約束，但滑銷Ⅰ已經先進入合股滑道內受到約束，因此取苗爪仍然保持豎直狀態。鏈條帶動取苗爪的整個運動過程中，滑銷Ⅰ和Ⅱ始終處于水平狀態(即保持水平于地面狀態)，因此取苗爪可始終保持豎直狀態。

圖4 取苗爪運動路徑Fig. 4 Movement path of seedling picking claw1.滑道Ⅲ 2.滑道Ⅳ 3.合股滑道 4.滑銷Ⅰ 5.滑銷Ⅱ

2.3 送苗裝置

送苗裝置由輸送帶、側擋板、送苗輥、端面擋板、驅動器等組成，如圖5所示。輸送帶一端設置多個輥子形成送苗輥，輥子懸臂固定在側擋板上，另一側擋板與端面擋板之間設置缺口，取苗爪上的拖抓空隙與送苗輥空隙彼此形成位置交錯。端面擋板用于擋住輥子上的基質塊苗防止被推落，側擋板用于防止基質塊苗輸送過程從側面滑落。

送苗裝置與取苗爪配合工作，基質塊苗在輸送槽內為連續輸送，當取苗爪將送苗輥上的基質塊苗取走后，在輸送帶的作用下一基質塊苗進行補位。為保證基質塊苗在輸送槽內減少側邊摩擦，同時防止苗塊輸送時擺動，以槽寬B′大于基質塊尺寸±10%的設計原則進行微調；送苗輥缺口B″應滿足取苗爪寬度B并保留運動誤差余量，此處設計為60 mm。

圖5 送苗裝置結構簡圖Fig. 5 Structure diagram of the seedling delivery device1.輸送帶 2.側擋板 3.送苗輥 4.端面擋板 5.驅動器

3 性能分析

3.1 取苗爪栽苗過程分析

栽苗過程中取苗爪會劃入土壤淺層，利用土壤對基質塊苗的阻力使其停留在土壤表層，因此為保證基質塊苗覆土充分，移栽作業前需提前對壟畦進行開溝，使溝深略深于基質塊高度。

(a)臨界入土 (b)入土中 (c)出土后圖6 栽苗過程示意圖Fig. 6 Schematic diagram of the planting process1.基質塊苗 2.取苗爪

取苗爪劃入土壤過程可分為3種理想狀態，如圖6所示。取苗爪臨界入土時與地面接觸，在鏈輪及鏈條驅動下繼續向下運動，當運動至極限位置時與地平面形成最大距離h，然后取苗爪越過最低點開始向上運動，直至離開地平面。為保證取苗爪的運動不干涉基質塊苗栽植效果，取苗爪入土后的水平位移應大于取苗爪寬度與基質塊寬度和，此時取苗爪入土最大深度h如式(5)所示。

(3)

(4)

由式(1)、式(2)得

(5)

式中：t——取苗爪入土時間，s；

φ——取苗爪入土時與水平面夾角，(°)；

食堂從業人員資質觸發的安全風險。高校食堂被承包后，承包方來自全國各地，生產、銷售、加工、采購人員來源更加寬泛；各種地方特色美食和小吃開始進入食堂，各地區、各民族飲食的專技人員大量到食堂就業，成分更趨復雜；承包方更迭愈加頻繁，管理經營、銷售、生產、加工、采購人員流動性加大。為追求超額利潤，降低人力成本成為必然選項，這就導致食品安全的風險增加。再加上從業人員文化層次不高、工資待遇不高，食品安全工作經驗和食品安全責任意識不足，就更加導致風險的存在。在實際情況中，多數從業人員未取得從業資格證，更有甚者連健康證都不具備，因此，這就需要對食堂從業人員的資質進行重點審核和把關。

a——基質塊棱長，mm；

B——取苗爪寬度，mm。

3.2 基質塊苗臨界入土時受力分析

基質塊苗由水平狀態入土瞬間土壤會對其產生反向作用力，由于慣性會有向取苗爪轉動相反方向傾倒的趨勢。為防止基質塊苗發生傾倒，對其臨界入土瞬間進行受力分析，圖7為基質塊苗隨取苗爪轉動至臨界入土點時受力圖。

圖7 基質塊苗臨界入土受力分析Fig. 7 Analysis of critical soil penetration force ofsubstrate block seedlings

此時假設基質塊苗沿O點轉動，與地面形成的夾角β，則在臨界狀態下基質塊苗不發生傾倒的條件為

(6)

(7)

式中：FN1——地面對基質塊苗的支撐力，N；

Ff1——地面對基質塊苗與運動趨勢相反的摩擦力，N；

a——基質塊棱長，mm；

β——基質塊苗的傾翻角，(°)。

4 試驗分析

4.1 試驗條件

(a) 試驗效果

(b) 試驗對象圖8 田間試驗Fig. 8 Field test

試驗前采用旋耕起壟機對地塊進行旋耕起壟，土壤含水率在20%左右，土壤類型為壤土。試驗對象為40 mm×40 mm×40 mm方體基質塊甘藍苗，如圖8(b)所示。配套動力為John Deere 1204型輪式拖拉機，測試儀器有ECA-SW1土壤水分快速測定儀、05系列纖維卷尺。

4.2 試驗方法

經初步研究得知，影響移栽質量的主要因素為機器前進速度和取苗爪工作頻率。為此，以機器前進速度和取苗爪工作頻率為試驗因素，以漏栽率和倒伏率為試驗指標進行試驗。

試驗中通過變換拖拉機速度改變移栽機前進速度，通過變換移栽機傳動比改變取苗爪工作頻率。每組參數下完成栽植作業后連續測量120株秧苗，統計漏栽和倒伏株數，計算漏栽率、倒伏率和合格率。

(8)

(9)

Q=(1-E-T)×100%

(10)

式中：E——漏栽率，%；

NLZ——漏栽株數，株；

T——倒伏率，%；

NDF——倒伏株數，株；

N′——測量株數，株；

Q——合格率，%。

4.3 試驗結果與分析

試驗方案及試驗結果見表1。

表1 試驗結果Tab. 1 Test results

通過表1可以看出，當前進速度相同時，漏栽率隨取苗爪工作頻率遞增而增大，說明取苗裝置轉動越慢，取苗成功率越大，從而降低漏栽率；當前進速度為1～1.2 km/h、取苗爪工作頻率為55株/min時，倒伏率最低。為準確分析兩試驗因素對指標的影響，利用Design9.0軟件對試驗結果進行顯著性分析，分析結果見表2。

表2 方差分析Tab. 2 Analysis of variance

由表2方差分析表可得出，前進速度對漏栽率無顯著影響，對倒伏率影響顯著，因為送苗裝置前端始終保持一株基質塊苗續位，機器前進速度和取苗與否關聯性較小；取苗爪工作頻率對漏栽率和倒伏率均影響顯著，說明取苗爪工作頻率是影響栽植效果的重要參數；前進速度與取苗爪工作頻率的交互作用對倒伏率影響極顯著。

為進一步研究前進速度與取苗爪工作頻率對倒伏率的交互影響，獲取最佳參數，利用Origin9.0軟件繪制三維曲面，如圖9所示。

圖9 前進速度與取苗爪工作頻率對倒伏率影響Fig. 9 Influence of advancing speed and frequency ofseedling picking claw on lodging rate

通過圖9分析前進速度與取苗爪工作頻率交互作用結果綜合得出，當前進速度為1～1.2 km/h、取苗爪工作頻率為55株/min時，倒伏率最低為3.4%；結合試驗結果，此時漏栽率為1.3%，由式(10)計算得合格率為95.3%，該參數組合下移栽質量滿足旱地栽植機械行業標準(JB/T 1029—2013)[10]和蔬菜移栽機作業質量(NY/T 3486—2019)[11]內的相關指標(漏栽率≤50%，倒伏率≤7%，栽植合格率≥90%)。

5 結論

1) 設計了一種基質塊苗移栽機送取苗裝置，可實現基質塊苗成排輸送、自動取苗、單株定植等功能，該裝置結構輕簡，株行距調節方便，為基質塊苗移栽機的研究提供參考。

2) 對裝置整體結構和關鍵部件進行設計與參數確定，對栽苗過程和臨界入土時基質塊苗受力情況進行受力分析，得出取苗爪最大入土深度和基質塊苗臨界入土不發生傾倒的條件。田間試驗表明，當前進速度為1～1.2 km/h、取苗爪工作頻率為55株/min 時栽植效果最佳，漏栽率為1.3%，倒伏率為3.4%，栽植合格率為95.3%，滿足移栽機相關行業標準。