蔬菜育苗基质块成型机设计与试验

发布时间：2021-09-30

　　摘要：基质块育苗移栽具有护根护苗、缓苗期短、成活率高等优点，相比穴盘钵苗，基质块苗市场保有量仍相对较少，主要受限于基质块成型加工设备配套不足，因此本文设计了一种蔬菜育苗基质块成型机，实现自动铺土、压块、投块、输送等功能为一体，通过对整机结构和传动系统、钵盘机构、压块及投块机构等关键部件进行设计，以蚯蚓粪—土壤为原料对影响基质块成型的3个因素进行正交试验，得出优选参数组合为蚯蚓粪—土壤混合配比1∶3、压缩比0.65、含水率10%，此时尺寸稳定性为98.96%，抗压力为246.86N，散坨率为4.15%，可极大地满足基质块育苗移栽的要求，从而为基质块成型加工的研发提供理论参考。

　　关键词：基质块;成型机;蔬菜;移栽;压块;制钵

　　0引言

　　育苗移栽作为蔬菜生产中的关键环节，是提高蔬菜生产综合效益的关键技术措施之一。随着我国育苗产业的不断发展，形成了多种育苗方法和培育壮苗的技术[12]。基质块育苗相比穴盘苗育苗、裸苗育苗等能更好的保护根系、提供更多的营养、并且基质块体态相对规则，更适用于快速移栽[3]。

　　国外对于育苗的研究始于20世纪50年代，设备先进，配套设施完善;到20世纪80年代，已经形成了完整的机械化育苗体系，如美国Blackmore公司开发出用于蔬菜和花卉室内育苗系统，美国Venture公司生产的育苗播种生产线;日本蔬菜育苗SBM-550S型营养制钵机，可以实现上料制钵、播种一体化，最后送入育苗箱培育[4]。

　　我国对于基质块成型机械的研究始于20世纪70年代[5]，随着科技进步，基质块成型机械有所发展，大大降低了育苗过程中人工劳动强度，但仍存在机械化水平低，压制过程中压力难以控制，钵体不均匀、硬度差，秧苗种类适应性差等问题，不能很好的适应生产作业需求[68]。近些年来，育苗制块技术逐渐向机械化、工厂化及标准化方向发展，形成流水线式的育苗工厂，故而更加需要能够稳定作业、成型效果佳的基质块成型机械。

　　为此，本文针对目前基质块加工用工量大、人工作业质量差及设备配套不足等现状问题，设计并研制一种方体基质块成型机，同时开展试验研究，以期为基质块成型加工流水线研发或优化提供参考。

　　1整机结构与原理

　　1.1结构组成

　　以立方体的基质块(棱长尺寸为40mm)为研究对象，开发一种半自动式蔬菜育苗基质块成型机，实现自动铺土、压块、投块、输送等功能。整机结构组成如图1所示，主要由机架、传动杆、料斗、压块杆、投块杆、钵盘、输送带等组成，整机由电机提供动力，其中机架坐落于可移动的支撑轮上，机架内部安装有电机和齿轮箱，齿轮箱上方安装料斗，料斗下方安装针轮及钵盘，钵盘上方安装压块杆及投块杆，最后由输送带将压好的基质块输出。

　　1.2工作原理

　　整机工作时，料斗内的基质随着搅拌杆的转动落入钵盘钵孔内，同时与搅拌杆同轴上的针轮拨动钵盘上的星轮作间歇转动，将基质转到压块杆和投块杆对应钵盘的工作位置;压块杆和投块杆位于同一平面与钵盘垂直，传动杆带动压块杆和投块杆沿着轨道上下运动，实现钵盘内基质的压实和投出，被投出的基质块，落到间歇运动的输送带上，将基质块间歇输出。

　　2关键部件设计

　　2.1传动系统的设计

　　由图2所示，传动路线主要分为两路，但并非独立的分支，需要相互的配合。

　　钵盘圆周均匀分布8组模孔，每组钵孔有2个，钵盘每转1周压块16个，为达到设计工作效率Q≥3000块/h以上，钵盘的转速应该达到nm=Q/960≥3.12r/min，所以选取nm=4r/min，针轮每转动1周带动钵盘转动1/8转，则针轮的转速为na=8nm=32r/min。因为钵盘和压块杆相互配合，钵盘每转动一次压块杆下压一次，则下压杆驱动曲柄转速nd=na=32r/min。

　　2.2钵盘机构设计

　　如图3所示，钵盘机构主要由针轮、星轮组成，主动针轮上有四个针齿和一段锁止凸圆弧，从动星轮上有八个锁止凹圆弧，两个之间有三个齿廓摆线和两个过渡线，星轮上平均分布着八对模孔。当主动针轮旋转一周，从动星轮旋转1/8周，停歇次数N为8。同时为了配合冲压机构，设置针轮动程角θd=90°，停程角θj=270°，则动停比为k=θd/θj=1/3。针轮和星轮反向旋转运动，每次转动Φd=45°间歇运动一次。星轮开始啮合时逐渐加速，中间变成等速，结束啮合逐渐减速。

　　2.3压、投块机构设计

　　2.3.1运动分析

　　如图4所示，压、投块机构可以简化为一个曲柄滑块机构。传动杆通过连杆带动滑块上下往复运动，滑块上连接压、投杆从而完成对基质块的压实和投块。曲柄l1以等角速度ω1=πr/min，其长度l1=100mm，转角θ1和θ2不断改变，连杆l2的长度为l2=900mm。

　　曲柄回转中心与滑块导路中心都处于y轴上，所以该机构为对心曲柄滑块机构。本设计输出杆为冲压杆，机构的极位夹角为0°，所以整个机构没有急回特性。

　　2.3.2位移速度分析

　　根据各构件的尺寸分析曲柄滑块机构的运动行程，确定滑块极限距离，从而更好地控制压缩比，同时也防止滑块带动的压块杆尺寸过长导致压块过程中将钵盘损坏。

　　3试验分析

　　3.1试验条件与因素

　　试验于2020年10月在江苏省常熟市横塘蔬菜合作社进行(图5)。试验前将蚯蚓粪和土壤混合，形成基质混合物，并用土壤筛过筛处理。

　　通过前期预试验可知，影响压块质量和稳定性的因素主要有蚯蚓粪—土壤混合配比、压缩比和含水率。压缩比通过调节压杆的长度来控制，具体计算如式(8)所示。

　　3.2试验指标与方法

　　通过检测基质块的抗压力、尺寸稳定性、散坨率来表达基质块的成型质量。

　　1)抗压力的测定方法：采用电子万能试验机(UTM6503型)进行动作模拟测试(图7)。与被测基质块侧向面作为基准面，选定试验机量程为0～50mm，进给速度为100mm/min。执行加载程序基质块被压坏后自动卸载。电脑显示的块体压缩变形与受力关系曲线出现一个峰值，该峰值即为抗压力Fn。

　　3.3试验结果与分析

　　3.3.1正交试验

　　采用正交试验和方差分析对采集的数据进行处理分析，结果见表3和表4。

　　由表3可知随着基质混合物中土壤含量的增加和压缩比的提高，尺寸稳定性和抗压力提高，散坨率降低。这是由于土壤相对于蚯蚓粪更为紧实，提高压缩比可以有效减小基质颗粒间的距离，减小基质块孔隙度，使基质颗粒间的接触更为紧密，提高了基质颗粒团度，使基质块在跌落时不宜松散，降低散坨率。

　　由表4可知配比对尺寸稳定性影响显著，压缩比和含水率对尺寸稳定性影响不显著。基质配比对抗压力影响极显著，对散坨率影响显著。压缩比对抗压力和散坨率影响均显著，含水率对抗压力和散坨率影响均不显著。

　　4结论

　　1)本文设计了一种蔬菜育苗基质块成型机，阐述整机结构组成和原理，并对关键部件进行设计和参数计算，可实现自动铺土、压块、投块、输送等功能，工作效率达到3000块/h，压制基质块为棱长尺寸40mm的立方体，为蔬菜基质块育苗方式提供技术装备支撑。

　　2)以蚯蚓粪—土壤的混合物为原料进行三因素三水平正交试验，试验结果表明当蚯蚓粪—土壤混合配比为1∶3、压缩比为0.65、含水率为10%时，成型质量最佳，此时尺寸稳定性为98.96%，抗压力为246.86N，散坨率为4.15%，较好地满足了基质块育苗移栽的要求。——论文作者：赵威1，崔志超1，管春松1，陈永生1，2，杨雅婷1，高庆生1

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