柑橘育苗缽裝填轉運機設計與試驗

徐勤超，李善軍，張衍林，孟 亮，盧紅安，謝 林

柑橘育苗缽裝填轉運機設計與試驗

徐勤超，李善軍※，張衍林，孟 亮，盧紅安，謝 林

（華中農業大學工學院，農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室，武漢 430070）

目前國內柑橘育苗缽裝填轉運基本靠人工作業，生產效率低下。為了解決這一問題，該研究提出了一種可一次裝填105缽的間歇式柑橘育苗缽機械裝填轉運機，采用EDEM對裝填轉運機基質分流過程進行分析，確定了基質分流部件分流板偏移量及高度的參數組合，設計了卸料機構的連桿傳動方案，計算了各桿長度，分析了車架結構的強度，確定了車架結構的尺寸參數，并設計了整機的控制電路。加工試驗樣機，在攪拌機設定轉速下，重復裝填轉運試驗10次。試驗結果表明，樣機運行穩定，單次基質裝填平均量330.5 kg，單次裝填缽數105缽，平均裝填時間約60 s，轉運裝置行走速度可達1.2 m/s，苗缽卸載下落可靠，排列整齊；單個育苗缽的平均最大裝填量3.23 kg，最小裝填量3.03 kg，平均裝填量3.15 kg。樣機結構設計合理，裝填效率高，能夠實現均勻裝填、穩定轉運的作業要求。研究結果可為后續柑橘苗缽裝填轉運設備的研制和優化提供參考。

農業機械；設計；試驗；柑橘；育苗缽；裝填；轉運；EDEM

0 引 言

柑橘容器育苗具有緩苗快、成活率高等優點，正逐步成為一種主要的育苗栽培方式[1-3]。目前，中國的柑橘容器育苗機械化作業程度很低，主要依靠人工作業，特別是苗缽裝填環節，勞動強度大，生產效率低，已成為產業發展的主要障礙。為了解決這一問題，亟需研制柑橘育苗缽機械化裝填轉運設備，以提高容器育苗的整體效率。

目前，荷蘭、比利時、德國、美國等國家已有成熟的基質裝填裝備，工作效率高、適用范圍較廣，部分機型已完成了與定植移栽裝備的無縫對接[4-10]。而國內基質裝填裝備的研發還處于起步階段，相關設備缺乏[11-17]。荷蘭JAVO公司生產的Standard型花盆基質裝填機采用撥叉式機構來實現自動落盆，裝填效率高且能適應質量較大、質地粗糙的砂以及含水率高的黏濕基質。比利時Demtec公司開發的SMART花盆基質裝填機，結構緊湊，動力需求小，但是裝填過程中需要人工協助落盆，適用于小規模的生產需求[11]。德國Mayer公司的TM2600花盆基質裝填機工作效率最高，最大工作效率高達每小時8 000盆。臺灣亦祥公司開發的花盆基質裝盆機將花盆放入落料盤上的定位孔里進行裝填，可以同時適用于軟質和硬質的容器，但該設備需人工來輔助完成落盆，且設備體積較大，結構冗雜?？傮w而言，因已有機器體積龐大、價格昂貴、動力要求大、維修困難。柑橘育苗缽分軟質和硬質2種，不論是軟質育苗袋還是硬質育苗缽都不能穩定地豎直裝填，需要輔助的定位和撐開裝置，目前還沒有與柑橘苗缽裝填工藝匹配的裝填轉運機械[18-24]。

基于此，本文提出了一種一次裝填105缽的間歇式育苗缽機械裝填轉運機，確定了關鍵部件的結構參數，設計了整機的控制電路，并加工了試驗樣機進行作業性能試驗，以驗證裝填轉運結構設計的合理性及裝填效率，為后續柑橘苗缽裝填轉運設備的研制和優化提供參考。

1 裝填轉運機結構與工作原理

1.1 整機結構

柑橘育苗缽裝填轉運機由裝填裝置和轉運裝置2個獨立的部分組成。裝填裝置包括機架、刮板機構、驅動機構；轉運裝置包括車架、動力系統、行走機構和轉向機構，具體結構如圖1。

裝填裝置和轉運裝置配合使用，整機參數如表1。

1.2 工作原理

裝料前，操作解鎖轉動裝置至解鎖狀態，將連桿機構的操作桿運動到解鎖裝置并鎖緊。此時，連桿機構的翻板運動到水平裝填狀態。將育苗缽撐開并放入隔間內，蓋上蓋板。啟動轉運裝置，控制轉運裝置行駛到裝填裝置下方，通過轉運裝置的導向輪與裝填裝置的導軌配合，引導轉運裝置運動到裝料位置。裝料時，打開控制開關，裝填轉運機啟動，攪拌罐輸送基質到裝填裝置，經基質分流裝置分流后，刮土機構將基質均勻裝滿育苗缽，裝料完成，關閉開關。裝料后，啟動轉運裝置，控制其運動到卸料位置后停止，打開解鎖裝置，操作連桿機構的操作桿運動至卸料狀態，翻板在連桿機構的作用下運動到豎直位置，隔間內的育苗缽在重力作用下下落。

圖1 裝填轉運機結構示意圖

表1 柑橘育苗缽裝填轉運機主要參數

2 裝填轉運機關鍵部件設計

2.1 裝填裝置基質分流部件設計

基質分流部件對攪拌口的出料進行分流，確?；|被刮板刮入育苗缽前是均勻分布的，具體結構如圖2?；|沿著攪拌罐內部的導流板流出，具有一定的切向速度，并不會落在基質導流板的中線位置，而是有一定的偏移。由于分流板的存在，適量的基質越過分流板，保證分流板正后方區域的基質流量。因此，在其他結構參數確定的情況下，適當的分流板中間位置距基質導流板中線的偏移量及分流板高度可以保證基質被刮入育苗缽前是均勻分布的。本文采用EDEM建立裝填轉運機出料分流模型進行仿真分析，以獲得分流板偏移量及高度的最佳參數組合。

注：oo’為基質導流板中線；f為分流板中間位置距離基質導流板中線的偏移量，mm；h為分流板高度，mm。

2.1.1 EDEM仿真參數設置

基質從攪拌罐中流出及分流的過程實質是攪拌罐及基質分流部件與顆粒以及顆粒與顆粒之間的接觸碰撞過程。為描述碰撞過程，采用Hert-Mindlin無滑移模型。攪拌機及裝填轉運機材料為鋼，基質參考華南地區沙質土壤，各材料的力學特性參數[25]見表2、表3。

表2 材料參數

表3 材料接觸系數

基質顆粒為添加了一定量有機質的土壤，其粒徑主要分布在0.5～3.5 mm。通過統計分析，粒徑在2.5～3.5、1.5～2.5、0.5～1.5 mm三個區間的比例為1∶5∶10。因此，不同粒徑的基質顆粒按照1∶5∶10比例建立球形顆粒模型。根據配套使用的JZC-300攪拌機參數（外形尺寸：2 260 mm×1 900 mm×2 750 mm；出料容量：300 L），建立簡化攪拌機模型。根據基質導流板尺寸，取分流板2條邊長為200 mm，夾角為90°，基質分流機構離散元模型如圖3。

圖3 基質分流機構的離散元模型

2.1.2 EDEM仿真結果分析

為了分析基質顆粒在經過分流板分流后橫向分布的均勻性，將分流板后的導流區域劃分為8個均勻的計算域，從左到右依次編號為1～8，對每個計算域中包含的顆粒數量進行統計，如圖4所示。

注：1～8表示計算區域編號。

JZC-300攪拌機實際額定轉速為14.57 r/min，出料量300 L/min。因此，仿真時設置攪拌機轉動角速度1.5 rad/s (14.57 r/min)，根據出料量大小，初步設定分流板高度為210 mm，分析不同分流板偏移量時基質顆粒的流動情況，仿真結果如圖5a。

由圖5a可知，1號和8號計算域內顆粒數量基本為0，這是由于1號和8號計算域為兩側擋板區域，理論上基質顆粒數應為0；處于中間位置的4號和5號計算域的顆粒數量始終低于其他區域，說明分流板的高度過高，阻擋了基質顆粒越過分流板，基質顆粒大多流向左右兩側；當分流板的偏移量為75 mm時，2、3、6、7號計算域內顆粒數量基本一致，因此初步確定分流板的偏移量為75 mm。

取分流板偏移量為75 mm，對不同的分流板高度進行計算，仿真結果如圖5b。

由圖5b可知，隨著分流板高度逐漸降低，左右兩側的2、3、6、7號計算域內的顆粒數量逐漸減少，而中間4、5號計算域內的顆粒數量逐漸增多；當分流板的偏移量為75 mm，高度195 mm時，各計算域內顆粒數量基本一致。因此，確定分流板相對基質導流板中線的偏移量為75 mm、高度為195 mm。

圖5 EDEM仿真結果

2.2 轉運裝置卸料機構設計

轉運裝置卸料機構主要實現育苗缽的放置和卸載。該機構的運動由連桿機構實現（圖6）。裝填狀態下，連桿機構的操作桿由解鎖裝置鎖定在機架上，翻板旋轉到水平位置；卸料狀態下，解鎖裝置打開，操作桿運動到初始操作位置，翻板旋轉到豎直狀態。

圖6 卸料機構示意圖

為確定卸料機構參數，對連桿機構的運動進行分析，連桿機構的運動簡圖如圖7a。原動件1在初始位置時，連架桿4、5處于豎直的卸料狀態；原動件1運動到水平鎖定位置時，連架桿4、5運動到水平的裝填狀態，連桿3保持平動。圖7b為連桿機構在裝填和卸載狀態的位置示意圖，為原動件，為連桿，為翻板，實線表示裝填狀態位置，虛線表示各桿件卸載狀態位置。

圖7 連桿機構圖

考慮連桿機構連架桿的初始位置要求及空間布置要求，初步確定長度=17 mm、長度=30 mm、長度=183 mm、長度=15 mm、=90 mm、=350 mm。由圖7b的幾何關系確定各桿桿長：

連桿機構要運動到卸載狀態，桿長必須滿足條件：

+>（2）

其中

且=+，=。

經過計算，250.1 mm，'=286 mm>，各桿件尺寸滿足圖7b所示的幾何關系。

2.3 轉運裝置車架結構設計

在柑橘育苗大棚內，一壟一般按每排7個放置育苗缽，而轉運裝置由于運動的要求不能設計過長，因此設計一次轉運15排，每排7個育苗缽。在內框中設計15×7個育苗缽隔間，為方便卸料，隔間長寬略大于裝填完基質的育苗缽的尺寸，因此內框尺寸為1 599 mm×824 mm× 220 mm（長×寬×深），內框置于支撐架上，具體結構如圖8。

圖8 車架結構圖

Fig. 8 Diagram of frame structure

轉運裝置的支撐架是設備承重部分，上支撐柱主要承受育苗缽隔間的質量，下支撐柱承受整機和基質的質量，因此支撐架上下框架采用不同強度的Q235方鋼，以減輕總體質量。

支撐柱承受的壓強為

式中0為接觸位置所受的壓力，N；為接觸面積，m2；0為方鋼的外邊長，m；為方鋼的內邊長，m。

根據理論計算，上支撐架上框選用30 mm×3 mm的方鋼，下框選用50 mm×5 mm的方鋼，支撐架上框約為86.3 kg，裝填裝置整體質量約為234 kg，基質質量約為315 kg，計算可得支撐架應力為1.5 MPa，遠小于材料的屈服極限235 MPa，符合使用強度要求。

3 控制電路設計

裝填轉運機一次裝填要求105缽，由于裝填過程的間歇特性，單次裝填基質量要求基本一致，因此需要控制攪拌機出料時間來控制出料量。設備的主要用戶為果農，控制電路必須安裝簡單、運行穩定、成本低廉。因此，裝填轉運設備主要采用三相交流接觸器（型號CJX2-1810，額定電流20 A）與時間繼電器（型號JS14P-M，延時范圍0.1～99.9 s）分別控制2臺電機實現基質的喂入、攪拌和出料，具體控制流程如圖9。

提升電機控制電路通過雙接觸器控制攪拌電機正反轉實現基質料斗的提升與下降；攪拌電機控制電路通過接觸器控制攪拌電機的正反轉實現攪拌和出料，時間繼電器控制電機的反轉時間。將攪拌電機控制電路與提升電機控制電路并聯接入總開關與電源線。

圖9 控制流程圖

4 樣機試驗

根據裝填轉運機關鍵部件及控制系統設計結果加工試驗樣機，如圖10。通過實際的裝填轉運試驗，考核裝填轉運過程的可靠性和穩定性，并用電子稱（測量精度1 g；量程30 kg）分別稱量一次裝填完成后各苗缽的質量，測試裝填的均勻性。

圖10 樣機試驗

試驗采用規格為15 cm×25 cm（口徑×高）、厚度為0.02的塑料育苗缽。試驗基質為華南地區沙質土壤（土壤參數見表2）。出料裝置為JZC-300攪拌機（轉速14.57 r/min，平均出料量300 L/min，最大單次出料量為平均出料量的1.5倍）

試驗由同一人操作，將基質裝入攪拌車，育苗缽放入苗缽隔間，操作轉運裝置運動到裝填裝置下方對應位置，打開控制開關，開始試驗。裝填完成后，關閉控制開關，操作轉運裝置運動到指定地點卸料，試驗結束，并稱量單個育苗缽裝填后的質量。

當攪拌機轉速達到設定轉速的1/2即基質喂入速度為設定值1/2時進行試驗。試驗過程中，由于喂入速度較低，基本沒有越過基質分流部件流入裝填區域的基質，裝填區域前端中間部分靠近分流板的苗缽裝填速度明顯低于兩邊的苗缽，基質損失量75 kg。

當攪拌機轉速達到設定轉速的3/2即基質喂入速度為設定值3/2時進行試驗。越過基質分流部件流入的基質較多，整車苗缽均能正常裝滿，且中間苗缽裝填速度明顯高于兩邊，基質損失量68 kg。

攪拌機設定轉速下，重復裝填轉運試驗10次，平均單次基質裝填量平均值330.5 kg，損失量平均值36 kg，損失率9.8%，各缽裝填量最大變異系數0.6%，單次裝填缽數105缽，不考慮放置空缽等準備時間，單次平均裝填時間約60 s，轉運裝置行走速度可達到1.2 m/s，育苗缽的裝料、卸載狀態良好，育苗缽排列整齊，10次試驗各育苗缽平均質量如表4。

表4 10次試驗各育苗缽平均質量

注：表中第一行數字1～7表示育苗缽所在列。

Note: The number 1-7 in the first row of table indicates the column where the seedling pot is located.

由表4可知，第1行各育苗缽基質質量占流入第1行總基質質量的百分比分別為14.25%、14.29%、14.29%、14.25%、14.34%、14.29%和14.25%，圖5所示的仿真曲線中（分流板偏移量為75 mm、高度為195 mm），區域2至區域7流入基質質量占基質總量的百分比分別為16.99%、16.56%、16.56%、16.13%、16.87%、16.91%，而仿真區域的寬度為苗缽寬度的7/6倍，按照苗缽寬度等效，流入質量占比在13.83%～14.56%之間，與試驗值基本一致，驗證了基質分流部件結構設計的合理性。

隨著行數的增加，基質裝填量少量降低，這是由于采用刮板的裝填方式，靠近裝填開始位置的育苗缽基質受上方刮過的基質壓力作用，基質更為緊實，裝填量略大，且各缽裝填量大于理論裝填量。10次試驗中，單個育苗缽平均裝填量最大值為3.23 kg，偏離平均值（3.15 kg）80 g，占2.5%，偏離理論裝填量（3 kg）230 g，占7.6%，最小值為3.03 kg，偏離平均值3.8%，偏離理論裝填量1%。裝填量偏離均值范圍為-3.8%～2.5%之間，滿足苗缽裝填均勻性要求。

攪拌機設定轉速下，裝填過程中機器運轉平穩，不考慮放置空缽等準備時間，單次裝填時間約60 s，裝填缽數105缽，而人工裝填速度每人每小時60～80個，裝填效率大大提高。

5 結 論

1）研制了一種柑橘育苗缽裝填轉運機械，能夠實現苗缽基質均勻裝填、穩定轉運的要求，裝填效率高。

2）樣機試驗表明，樣機結構設計合理，平均單次基質裝填量330.5 kg，苗缽裝填數105缽，不考慮放置空缽等準備時間，攪拌機設定轉速下，裝填時間約60 s，轉運裝置行走速度1.2 m/s，裝填均勻性滿足生產要求。

研究結果可為后續柑橘苗缽裝填轉運設備的研制和優化提供參考。

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Design and test of seedling pot filling and transporting machine for citrus

Xu Qinchao, Li Shanjun※, Zhang Yanlin, Meng Liang, Lu Hong’an, Xie Lin

(,,,,430070,)

Container seedling raising of citrus has the advantages of fast survival and high survival rate after transplanting, and is becoming the main way of citrus cultivation. At present, the level of mechanization of vitrus container seedling cultivation in China is very low, mainly relying on manual operation, especially seedling pot filling, with high labor intensity and low production efficiency, which has become the main obstacle of industrial development. In order to sole this problem, a mechanical solution of filling and transporting 105 pots at one time was proposed. The machine consists of two independent parts: filling device and transporting device. The filling device included frame, scraping mechanism and driving mechanism; the transporting device included frame, power system, driving mechanism and steering mechanism. Before filling, he unlocking device was set to unlocking state. Then, the operating rod of the linkage mechanism was moved to the unlocking device and locked. At the same time, the flaps of the linkage mechanism moved to the horizontal filling state. Secondly, opened the seedling pots, putted the pot into the compartment in turn and covered with covering plate. Thirdly, started the transporting device, and moved the transporting device to the filling position with the guidance of the guiding wheel on the transporting device and guiding rail on the filling device. Then, turned on the control switch, the filling and transporting machine started, the substrate was scraped into the seeding pots after separating by the splitter plate. After filling, started the transporting device and moved it to unloading position. Unlocked the unlocking device, and moveed the operating rod of the linkage mechanism to the unloading state. The flaps moved to the vertical position under the action of the linkage mechanism, and the seedling pots in the compartments falled under the action of gravity. The optimal offset and height of splitter plate were determined based on the analysis of the substrate flow process by EDEM software, the scheme of the unloading part was designed, the length of each rod was calculated, the strength of the frame was analyzed, and the parameters of the frame were determined. Based on this, the control circuit was designed and the test prototype was made. The experimental results showed that the prototype machine ran stable in 10 tests, the mean substrate filling amount was 330.5 kg, the filling number of seedling pots was 105, the filling time was about 60 s under the setting speed of mixer,, the speed of the transport device was 1.2 m/s, and the seedling pots were unloaded and aligned well. The maximum average filling amount of single seedling port in 10 tests was 3.23 kg, which was 2.5% higher than average filling amount, and the minimum average filling amount of single seedling port in 10 tests was 3.03 kg, which was 3.8% lower than average filling amount. The designed machine can provide reference for the development and optimization of the citrus seedling pot filling and transporting machine.

agricultural machinery; design; experiments; citrus; seedling pot; filling; transporting; EDEM

徐勤超，李善軍，張衍林，等. 柑橘育苗缽裝填轉運機設計與試驗[J]. 農業工程學報，2020，36(18)：66-72.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.009 http://www.tcsae.org

Xu Qinchao, Li Shanjun, Zhang Yanlin, et al. Design and test of seedling pot filling and transporting machine for citrus[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(18): 66-72. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.009 http://www.tcsae.org

2020-04-09

2020-07-28

重慶市技術創新與應用發展專項重點項目（cstc2019jscx-gksbX0095）；現代農業（柑橘）產業技術體系建設專項資金項目（CARS-26）；國家重點研發計劃（2017YFD0202001）；柑橘全程機械化科研基地建設項目（農計發[2017]19號）

徐勤超，博士，講師，主要從事水果生產機械化技術與裝備研究。Email：hlxqc@mail.hzau.edu.cn

李善軍，博士，副教授，博士生導師，主要從事水果生產機械化技術與裝備研究。Email：shanjunlee@mail.hzau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.009

TP241.3；S225.93

A

1002-6819(2020)-18-0066-07