第 期 趙威 等 蔬菜育苗基質(zhì)塊成型機設(shè)計與試驗 蔬菜育苗基質(zhì)塊成型機設(shè)計與試驗 趙威 崔志超 管春松 陳永生 楊雅婷 高慶生 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所 南京市 江蘇現(xiàn)代園藝工程技術(shù)中心 江蘇鎮(zhèn)江 摘要 基質(zhì)塊育苗移栽具有護根護苗 緩苗期短 成活率高等優(yōu)點 相比穴盤缽苗 基質(zhì)塊苗市場保有量仍相對較少 主要 受限于基質(zhì)塊成型加工設(shè)備配套不足 因此本文設(shè)計了一種蔬菜育苗基質(zhì)塊成型機 實現(xiàn)自動鋪土 壓塊 投塊 輸送等功 能為一體 通過對整機結(jié)構(gòu)和傳動系統(tǒng) 缽盤機構(gòu) 壓塊及投塊機構(gòu)等關(guān)鍵部件進行設(shè)計 以蚯蚓糞 土壤為原料對影響 基質(zhì)塊成型的 個因素進行正交試驗 得出優(yōu)選參數(shù)組合為蚯蚓糞 土壤混合配比 壓縮比 含水率 此時 尺寸穩(wěn)定性為 抗壓力為 散坨率為 可極大地滿足基質(zhì)塊育苗移栽的要求 從而為基質(zhì)塊成型 加工的研發(fā)提供理論參考 關(guān)鍵詞 基質(zhì)塊 成型機 蔬菜 移栽 壓塊 制缽 中圖分類號 文獻標(biāo)識碼 文章編號 趙威 崔志超 管春松 陳永生 楊雅婷 高慶生 蔬菜育苗基質(zhì)塊成型機設(shè)計與試驗 中國農(nóng)機化學(xué)報 收稿日期 年 月 日 修回日期 年 月 日 基金項目 江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項目 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費項目 江蘇省現(xiàn)代農(nóng) 機裝備與技術(shù)示范推廣項目 第一作者 趙威 男 年生 山東單縣人 碩士研究生 研究方向為農(nóng)業(yè)工程與信息技術(shù) 通訊作者 管春松 男 年生 江蘇鹽城人 博士研究生 助理研究員 研究方向為蔬菜機械化生產(chǎn)技術(shù)裝備 引言 育苗移栽作為蔬菜生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 是提高蔬 菜生產(chǎn)綜合效益的關(guān)鍵技術(shù)措施之一 隨著我國育苗 產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展 形成了多種育苗方法和培育壯苗的 技術(shù) 基質(zhì)塊育苗相比穴盤苗育苗 裸苗育苗等能 更好的保護根系 提供更多的營養(yǎng) 并且基質(zhì)塊體態(tài)相 對規(guī)則 更適用于快速移栽 國外對于育苗的研究始于 世紀(jì) 年代 設(shè)備 先進 配套設(shè)施完善 到 世紀(jì) 年代 已經(jīng)形成了 完整的機械化育苗體系 如美國 公司開發(fā) 出用于蔬菜和花卉室內(nèi)育苗系統(tǒng) 美國 公司 生產(chǎn)的育苗播種生產(chǎn)線 日本蔬菜育苗 型 營養(yǎng)制缽機 可以實現(xiàn)上料制缽 播種一體化 最后送 入育苗箱培育 我國對于基質(zhì)塊成型機械的研究始于 世紀(jì) 年代 隨著科技進步 基質(zhì)塊成型機械有所發(fā)展 大 大降低了育苗過程中人工勞動強度 但仍存在機械化 水平低 壓制過程中壓力難以控制 缽體不均勻 硬度 差 秧苗種類適應(yīng)性差等問題 不能很好的適應(yīng)生產(chǎn)作 業(yè)需求 近些年來 育苗制塊技術(shù)逐漸向機械化 工廠化及標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展 形成流水線式的育苗工廠 故而更加需要能夠穩(wěn)定作業(yè) 成型效果佳的基質(zhì)塊成 型機械 為此 本文針對目前基質(zhì)塊加工用工量大 人工作 業(yè)質(zhì)量差及設(shè)備配套不足等現(xiàn)狀問題 設(shè)計并研制一 種方體基質(zhì)塊成型機 同時開展試驗研究 以期為基質(zhì) 塊成型加工流水線研發(fā)或優(yōu)化提供參考 整機結(jié)構(gòu)與原理 結(jié)構(gòu)組成 以立方體的基質(zhì)塊 棱長尺寸為 為研究對 象 開發(fā)一種半自動式蔬菜育苗基質(zhì)塊成型機 實現(xiàn)自 動鋪土 壓塊 投塊 輸送等功能 整機結(jié)構(gòu)組成如圖 所示 主要由機架 傳動桿 料斗 壓塊桿 投塊桿 缽 盤 輸送帶等組成 整機由電機提供動力 其中機架坐 落于可移動的支撐輪上 機架內(nèi)部安裝有電機和齒輪 箱 齒輪箱上方安裝料斗 料斗下方安裝針輪及缽盤 缽盤上方安裝壓塊桿及投塊桿 最后由輸送帶將壓好 的基質(zhì)塊輸出 第 卷 第 期 年 月 中國農(nóng)機化學(xué)報 中國農(nóng)機化學(xué)報 年 圖 蔬菜育苗基質(zhì)塊成型機結(jié)構(gòu)簡圖 機架 料斗 傳動桿 壓塊桿 投塊桿 缽盤 輸送帶 工作原理 整機工作時 料斗內(nèi)的基質(zhì)隨著攪拌桿的轉(zhuǎn)動落 入缽盤缽孔內(nèi) 同時與攪拌桿同軸上的針輪撥動缽盤 上的星輪作間歇轉(zhuǎn)動 將基質(zhì)轉(zhuǎn)到壓塊桿和投塊桿對 應(yīng)缽盤的工作位置 壓塊桿和投塊桿位于同一平面與 缽盤垂直 傳動桿帶動壓塊桿和投塊桿沿著軌道上下 運動 實現(xiàn)缽盤內(nèi)基質(zhì)的壓實和投出 被投出的基質(zhì) 塊 落到間歇運動的輸送帶上 將基質(zhì)塊間歇輸出 表 結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作參數(shù) 項目 參數(shù) 外形尺寸 長 寬 高 整機質(zhì)量 基質(zhì)塊規(guī)格 長 寬 高 作業(yè)效率 塊 電動機功率 關(guān)鍵部件設(shè)計 傳動系統(tǒng)的設(shè)計 由圖 所示 傳動路線主要分為兩路 但并非獨立 的分支 需要相互的配合 圖 傳動路線圖 缽盤圓周均勻分布 組?？?每組缽孔有 個 缽盤每轉(zhuǎn) 周壓塊 個 為達到設(shè)計工作效率 塊 以上 缽盤的轉(zhuǎn)速應(yīng)該達到 所以選取 針輪每轉(zhuǎn)動 周 帶動缽盤轉(zhuǎn)動 轉(zhuǎn) 則針輪的轉(zhuǎn)速為 因為缽盤和壓塊桿相互配合 缽盤每轉(zhuǎn)動 一次壓塊桿下壓一次 則下壓桿驅(qū)動曲柄轉(zhuǎn)速 缽盤機構(gòu)設(shè)計 如圖 所示 缽盤機構(gòu)主要由針輪 星輪組成 主 動針輪上有四個針齒和一段鎖止凸圓弧 從動星輪上 有八個鎖止凹圓弧 兩個之間有三個齒廓擺線和兩個 過渡線 星輪上平均分布著八對模孔 當(dāng)主動針輪旋 轉(zhuǎn)一周 從動星輪旋轉(zhuǎn) 周 停歇次數(shù) 為 同時 為了配合沖壓機構(gòu) 設(shè)置針輪動程角 停程角 則動停比為 針輪和星輪反 向旋轉(zhuǎn)運動 每次轉(zhuǎn)動 間歇運動一次 星輪開 始嚙合時逐漸加速 中間變成等速 結(jié)束嚙合逐漸 減速 圖 缽盤機構(gòu)簡圖 針輪 星輪 針輪起始嚙合角 星輪起始嚙合位置角和齒底嚙合位置角分別為 烅 烄 烆 星輪起始嚙合半徑 式中 節(jié)圓半徑比 中心距 由式 式 計算得 第 期 趙威 等 蔬菜育苗基質(zhì)塊成型機設(shè)計與試驗 壓 投塊機構(gòu)設(shè)計 運動分析 如圖 所示 壓 投塊機構(gòu)可以簡化為一個曲柄滑 塊機構(gòu) 傳動桿通過連桿帶動滑塊上下往復(fù)運動 滑 塊上連接壓 投桿從而完成對基質(zhì)塊的壓實和投塊 曲柄 以等角速度 其長度 轉(zhuǎn)角 和 不斷改變 連桿 的長度為 圖 壓 投塊機構(gòu)簡圖 曲柄回轉(zhuǎn)中心與滑塊導(dǎo)路中心都處于 軸上 所 以該機構(gòu)為對心曲柄滑塊機構(gòu) 本設(shè)計輸出桿為沖壓 桿 機構(gòu)的極位夾角為 所以整個機構(gòu)沒有急回 特性 壓投往復(fù)機構(gòu)正常工作的前提條件是 曲柄的長 度應(yīng)該小于等于連桿的長度 設(shè)計時一般取較小的壓 力角 取較大的傳動角 因為傳動角較大機構(gòu)工作越穩(wěn) 定 選擇傳動角 為 連桿長度 滿足 經(jīng)計算滿足曲柄滑塊機構(gòu)的正常工作條件 位移速度分析 根據(jù)各構(gòu)件的尺寸分析曲柄滑塊機構(gòu)的運動行 程 確定滑塊極限距離 從而更好地控制壓縮比 同時 也防止滑塊帶動的壓塊桿尺寸過長導(dǎo)致壓塊過程中將 缽盤損壞 位移復(fù)數(shù)表示形式 按照歐拉公式展開 由式 對時間求導(dǎo) 同時兩邊乘以 得 滑塊速度隨著角度變化而變化 根據(jù)三角函數(shù)的 特性 當(dāng)曲柄與連桿垂直時速度達到極限 此時速度極 限 為 試驗分析 試驗條件與因素 試驗于 年 月在江蘇省常熟市橫塘蔬菜合 作社進行 圖 試驗前將蚯蚓糞和土壤混合 形成 基質(zhì)混合物 并用土壤篩過篩處理 圖 樣機試驗現(xiàn)場 通過前期預(yù)試驗可知 影響壓塊質(zhì)量和穩(wěn)定性的因 素主要有蚯蚓糞 土壤混合配比 壓縮比和含水率 壓 縮比通過調(diào)節(jié)壓桿的長度來控制 具體計算如式 所示 式中 基質(zhì)塊的壓縮比 未經(jīng)壓制的基質(zhì)的體積 壓制成型的基質(zhì)塊體積 含水率使用 型土壤水分溫度測定儀 測量 根據(jù)預(yù)試驗每個因素確定以下三個水平 所以選 用 正交表 各項試驗共進行 組測試 每組測試 隨機抽取 個樣本 取 次測試結(jié)果的平均值作為該 組測試結(jié)果 利用 對試驗數(shù)據(jù)進行處理 各試驗因素水平如表 所示 試驗圖如圖 所示 表 試驗因素與水平 水平 蚯蚓糞 土壤 混合配比 壓縮比 含水率 圖 水平組合試驗 中國農(nóng)機化學(xué)報 年 試驗指標(biāo)與方法 通過檢測基質(zhì)塊的抗壓力 尺寸穩(wěn)定性 散坨率來 表達基質(zhì)塊的成型質(zhì)量 抗壓力的測定方法 采用電子萬能試驗機 型 進行動作模擬測試 圖 與被測基 質(zhì)塊側(cè)向面作為基準(zhǔn)面 選定試驗機量程為 進給速度為 執(zhí)行加載程序基質(zhì) 塊被壓壞后自動卸載 電腦顯示的塊體壓縮變形與受 力關(guān)系曲線出現(xiàn)一個峰值 該峰值即為抗壓力 圖 抗壓力試驗 基質(zhì)塊的尺寸影響移栽機作業(yè)的效果 本試驗 中基質(zhì)塊為正方體結(jié)構(gòu) 其長 寬 高方向的尺寸皆為 在塊體的正上方中間位置壓有種穴 基質(zhì)塊的 三維尺寸穩(wěn)定性 式中 基質(zhì)塊三維尺寸穩(wěn)定性 靜置 后基質(zhì)塊體積 基質(zhì)塊理論體積 此處為 試驗中 基質(zhì)塊從 高處豎直放置自由落 于地面 即所測跌落破損率為 高跌落散坨 率 試驗基質(zhì)塊使用天平對基質(zhì)塊進行稱重 將 基質(zhì)塊豎直置于離地面 高處使其自由落下 使 用天平稱量基質(zhì)塊跌落破損之后剩余質(zhì)量并記錄 計 算基質(zhì)塊的散坨率 式中 跌落前的質(zhì)量 跌落后的質(zhì)量 試驗結(jié)果與分析 正交試驗 采用正交試驗和方差分析對采集的數(shù)據(jù)進行處理 分析 結(jié)果見表 和表 由表 可知隨著基質(zhì)混合物中土壤含量的增加和 壓縮比的提高 尺寸穩(wěn)定性和抗壓力提高 散坨率降 低 這是由于土壤相對于蚯蚓糞更為緊實 提高壓縮 比可以有效減小基質(zhì)顆粒間的距離 減小基質(zhì)塊孔隙 度 使基質(zhì)顆粒間的接觸更為緊密 提高了基質(zhì)顆粒團 度 使基質(zhì)塊在跌落時不宜松散 降低散坨率 表 正交試驗結(jié)果 序號 蚯蚓糞 土壤混合配比 壓縮比 含水率 尺寸穩(wěn)定性 抗壓力 散坨率 第 期 趙威 等 蔬菜育苗基質(zhì)塊成型機設(shè)計與試驗 表 方差分析表 因變量 方差來源 離差平方和 自由度 均方 誤差 誤差 誤差 注 極顯著 顯著 不顯著 由表 可知配比對尺寸穩(wěn)定性影響顯著 壓縮比 和含水率對尺寸穩(wěn)定性影響不顯著 基質(zhì)配比對抗壓 力影響極顯著 對散坨率影響顯著 壓縮比對抗壓力 和散坨率影響均顯著 含水率對抗壓力和散坨率影響 均不顯著 綜合評分法 為滿足較優(yōu)育苗要求 尺寸穩(wěn)定性和抗壓力應(yīng)達 到最大值 其歸一化方程 式中 各指標(biāo)各組歸一化值 各指標(biāo)各組試驗值 各指標(biāo)各組試驗中最大值 各指標(biāo)各組試驗中最小值 散坨率應(yīng)達到最小值 其歸一化方程 式中 各組歸一化值 各組試驗值 各組試驗中最大值 各組試驗中最小值 根據(jù)基質(zhì)塊成型 個性能指標(biāo)的重要性 確定本 試驗尺寸穩(wěn)定性和抗壓力和散坨率權(quán)重分別為 綜合評分 計算公式為如式 所示 式中 尺寸穩(wěn)定性歸一化值 抗壓力歸一化值 散坨率歸一化值 表 綜合評分表 序號 尺寸穩(wěn)定性 歸一化值 抗壓力 歸一化值 散坨率 歸一化值 綜合評分 表 綜合評分極差分析 項目 蚯蚓糞 土壤 混合配比 壓縮比 含水率 因素主次 綜合評分結(jié)果見表 對綜合評分極差分析見表 分析結(jié)果表明 綜合影響成型質(zhì)量指標(biāo)的主次因素 為 最優(yōu)參數(shù)組合為 即配比為 壓縮比為 含水率為 結(jié)論 本文設(shè)計了一種蔬菜育苗基質(zhì)塊成型機 闡述 中國農(nóng)機化學(xué)報 年 整機結(jié)構(gòu)組成和原理 并對關(guān)鍵部件進行設(shè)計和參數(shù) 計算 可實現(xiàn)自動鋪土 壓塊 投塊 輸送等功能 工作 效率達到 塊 壓制基質(zhì)塊為棱長尺寸 的立方體 為蔬菜基質(zhì)塊育苗方式提供技術(shù)裝備支撐 以蚯蚓糞 土壤的混合物為原料進行三因素三 水平正交試驗 試驗結(jié)果表明當(dāng)蚯蚓糞 土壤混合配比 為 壓縮比為 含水率為 時 成型質(zhì)量最 佳 此時尺寸穩(wěn)定性為 抗壓力為 散 坨率為 較好地滿足了基質(zhì)塊育苗移栽的要求 參 考 文 獻 崔志超 管春松 楊雅婷 等 蔬菜機械化移栽技術(shù)與裝備 研究現(xiàn)狀 中國農(nóng)機化學(xué)報 謝詩妍 紀(jì)敏 沈嶸楓 等 育苗容器及其成型機的發(fā)展趨 勢 現(xiàn)代園藝 胡喬磊 廖慶喜 王洋 油菜機械移栽載苗基質(zhì)塊力學(xué)與生 物學(xué)特性分析 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 張海龍 陳海濤 北方土壤制缽成型機研究 農(nóng)村牧區(qū) 機械化 李薪 張志民 我國育苗塊成型機研究進展 新農(nóng)業(yè) 尹國洪 閘建文 宋景玲 等 機械化制缽機的 研制 糧油加工與食品機械 吳寶華 黃東明 劉麗敏 多功能 制缽機的改進設(shè) 計 中國農(nóng)機化 王慧杰 馮瑞云 劉躍鵬 等 秸稈育苗缽旋壓成型制缽機 的研制 中國農(nóng)機化學(xué)報 劉明池 季延海 武占會 等 我國蔬菜育苗產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā) 展趨勢 中國蔬菜 楊龍元 袁巧霞 劉志剛 等 牛糞好氧和蚯蚓堆肥腐熟 料成型基質(zhì)塊制備及育苗試驗 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報