开沟式植苗机构钵体低损接苗机理与试验研究*

杨伟，唐涛，俞高红，2，杜成成，叶秉良，2

(1. 浙江理工大学机械与自动控制学院,杭州市,310018; 2. 浙江省种植装备技术重点实验室,杭州市,310018)

0 引言

我国蔬菜种植的面积和产量分别占全世界的40%和50%以上,是世界上最大的蔬菜生产国和消费国[1]。蔬菜钵苗移栽具有提高蔬菜苗存活率、缩短生长周期和增产增收等优势[2],因此,大力推进蔬菜钵苗移栽机的研发是提高蔬菜生产规模和效益的重要途径。

开沟式植苗机构是蔬菜钵苗移栽机的最终执行机构,与移栽机的取苗机构配套进行移栽作业[3]。在机构植苗过程中,钵苗离开接苗管下落时会与植苗机构的杆件或开沟器底部发生碰撞而造成钵体破损,导致钵苗推苗困难、直立度差等问题,影响植苗质量[4-7]。目前国内外主要对取苗过程钵苗的物理机械特性和损伤机理进行了研究[8-12],如韩绿化等用质地分析仪对黄瓜钵苗进行平板压缩试验,研究了压缩量与抗压力之间的关系,认为取苗爪夹取苗钵的变形量应超过生物屈服点[11];Choi等[12]以夹针插入苗钵深度和取苗速度为因素进行试验,得出在取苗速度为30株/min,夹针插入苗钵深度为41 mm时,钵苗质量损失最少,取苗成功率最高。因此,鉴于尚未有文献从钵苗和机构互作的角度对植苗过程的钵苗损伤影响机理进行研究的现状,本文提出一种多杆式开沟式植苗机构,并以降低植苗过程钵体破损率为目标,分析蔬菜钵苗与机构互作机理,开展在机构底部平面碰撞和楔形侧面护钵两种接苗方式下蔬菜钵苗钵体碰撞的受力分析以及仿真验证和相关试验,为确定能够有效降低钵体破损率的植苗机构接苗方式及机构设计提供理论和试验依据。

1 开沟式植苗机构的组成和工作原理

多杆式开沟式植苗机构主要由推苗机构、扶苗机构、仿形开沟器、接苗管和覆土轮组成,其中推苗机构由主动曲柄盘组件、接苗板、连杆、拉簧和接苗板构成的凸轮五杆机构;扶苗机构由扶苗板、从动曲柄构成的曲柄滑块机构,其机构简图如图1所示。

图1 开沟式植苗机构简图Fig. 1 Schematic diagram of ditch-type seedling planting mechanism1.开沟器 2.拉簧 3.连杆 4.接苗板 5.主动曲柄盘组件 6.接苗管 7.从动曲柄 8.扶苗板 9.覆土轮 10.蔬菜钵苗 11.接苗板

该植苗机构在植苗作业时,钵苗由接苗管接苗处下落至开沟器底部后,主动曲柄盘组件在移栽机传动轴提供的动力驱动下逆时针转动,带动接苗板摆动,推苗块向开沟器左侧运动,同时通过链传动带动从动曲柄驱动扶苗板向上运动,钵苗被顺利地推入开沟器已开好的苗沟中,在覆土轮的滚动镇压下,土壤回流至苗沟内实现对钵苗的覆土和填压,完成对钵苗的植苗作业[13]。该植苗机构的技术参数如表1所示。

表1 植苗机构技术参数Tab. 1 Related parameter values

2 钵体碰撞力学分析

根据上述开沟式植苗机构的工作原理可知,机构工作空间要求钵苗从接苗管接苗处开始到开沟器底部的运动高度较高。图2(a)和图2(b)所示分别为钵苗直接掉落至开沟器底部的平面碰撞接苗方式和楔形侧面护钵接苗方式示意图(其中部件仅包含图1机构简图的接苗管、接苗板、扶苗板和开沟器)。

(a) 底部平面碰撞

(b) 楔形侧面护钵图2 两种不同接苗方式示意图Fig. 2 Schematic diagram of two different ways of receiving seedling1.开沟器 2.扶苗板 3.接苗板 4.接苗管

这两种不同接苗方式下钵体所受到的碰撞力不同,而钵体破损率与其所受到的碰撞力成正相关关系,因此对不同接苗方式下钵苗钵体所受到的碰撞力进行分析。

2.1 钵体碰撞力学模型

为便于取苗机构从育苗穴盘里取出钵苗及防止钵体棱边的破损,育苗穴盘的孔穴设计成倒四棱台形状,且棱边为圆角[14]。由于钵苗生长的不对称性,钵苗的重心并不一定在钵体的几何对称线上,导致钵苗在下落的过程中可能会发生倾斜。因此钵体与植苗机构杆件和开沟器底面碰撞时可视为两个球体碰撞(其中一个球体半径无限大,即一个平面)[15]。钵苗从取苗机构下落瞬时,垂直速度为零,水平速度较小忽略不计[16-17],则可将钵苗从取苗机构下落到第一次碰撞阶段视为自由落体运动,同时假设钵体与植苗机构发生的碰撞为完全弹性碰撞[14]。

当钵苗与机构构件发生碰撞时,钵苗在碰撞过程中所受到的最大碰撞力[18]

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:vN——碰撞接触点的法向速度,mm/s;

μ1、μ2——钵苗和机构构件泊松比,分别为0.36,0.3;

m1、m2——钵苗和机构构件质量,分别为6.6×10-3kg,2 kg;

R1、R2——钵苗和机构构件碰撞时的接触半径;

E1、E2——钵苗和机构构件弹性模量,mm;

E——等效弹性模量,MPa;

m——等效质量,kg;

R——等效半径,mm。

钵苗跌落过程中与机构发生碰撞时,碰撞机构构件均为板件(即机构构件接触半径R2无限大),为了防止钵体棱边破损,在育苗盘的穴口棱边进行半径为3 mm的倒圆角处理,即钵苗接触半径R1取3 mm。

由式(1)可知,钵苗碰撞时所受接触力与钵苗的泊松比与弹性模量有关,其中钵苗的泊松比没有相关文献,根据文献[19-20]可知黏土泊松比为0.3～0.42,因此假定钵苗钵体(根土复合体)泊松比在0.3～0.42,分别取钵体泊松比为0.3、0.42代入式中计算钵苗所受碰撞力,得出碰撞力相差较小,据此本文用中间值0.36作为钵体泊松比。钵体与机构构件弹性模量[14]分别为3×106MPa和2.1×1011MPa。

2.1.1 底部平面碰撞接苗方式

如图2(a)所示,钵体做高度为h的自由落体运动,则钵苗与开沟器底部碰撞时钵苗在碰撞接触点的法向速度

(5)

式中:g——重力加速度,9.8 m/s2;

h——接苗口到开沟器底部的距离,435 mm。

将式(5)代入式(1),得到底部平面碰撞接苗方式下钵体所受到的最大碰撞力

(6)

因此,在底部平面碰撞接苗方式下,钵体与开沟器底部碰撞所受到的最大碰撞力Fmax1为29.27 N。

2.1.2 楔形侧面护钵接苗方式

在图2(b)所示的楔形侧面护钵接苗方式下,当接苗板运行到左极限位置时,接苗口处的钵苗开始下落,与接苗板与扶苗板所形成的楔形发生碰撞(图3),然后钵苗沿着慢速回程的接苗板下滑,在楔形底部的间隙宽度大于钵苗钵体上边长时,再次下落并与开沟器底部发生碰撞。因此,该接苗方式下钵苗运动过程可分为三个阶段:(1)钵苗从接苗处下落至楔形底部与接苗板和扶苗板发生第一次碰撞;(2)钵苗沿着慢速回程的接苗板下滑;(3)钵苗从楔形底部间隙下落与开沟器底部发生第二次碰撞。

(a) 第一次碰撞

(b) 滑行

(c) 第二次碰撞图3 楔形侧面护钵接苗方式下钵苗运动过程Fig. 3 Movement process of seedlings in the way of receving seedlings with wedge-shaped side pot-guard

如图3(a)所示,在接苗板与扶苗板形成楔形进行接苗时,两杆件刚好不发生干涉,则根据几何关系可得

(7)

式中:k——扶苗板的长度,170 mm;

S1——扶苗板与接苗板铰链点水平距离,40 mm;

S2——接苗板直角拐臂长度,36 mm;

β0——楔形侧面护钵接苗的楔形角。

由式(7)可求出楔形角β0为25.21°,则钵苗与接苗板碰撞时下落的高度

(8)

式中:L——接苗口到接苗板铰链点垂直距离,130 mm。

钵苗钵体与接苗板和扶苗板碰撞时的法向速度

(9)

(10)

将式(8)～式(10)分别代入式(1),得到钵体与接苗板和扶苗板碰撞时所受到的最大碰撞力

(11)

(12)

如图3(b)所示,由于钵苗沿着推杆下滑过程未与机构构件发生碰撞,其钵体的损伤较小,故不分析钵体在滑行阶段的受力情况。根据图3(b)所示的几何关系可得

S1-a+S2cosβ1=psinβ1

(13)

h2=h-L-S2sinβ1-pcosβ1-b

(14)

式中:a——钵苗钵体上端边长,32 mm;

b——钵苗钵体高度,35 mm;

p——接苗板长臂的长度,230 mm;

β1——楔形底部空隙宽度为a时接苗板与扶苗板的夹角。

由式(13)可求出楔形角β1为11.46°,钵苗与开沟器底部碰撞时的法向速度

(15)

式中:v0——钵苗离开接苗板时的速度,mm/s。

通过对钵苗在接苗板上滑行建立运动微分方程,可求出钵苗离开接苗板时的速度v0为0.13 m/s。

将式(14)和式(15)代入式(1),得到第三阶段钵体所受到的最大碰撞力

(16)

将数值代入式(11)～式(16),可得出楔形侧面护钵接苗方式下,钵体与接苗板、扶苗板和开沟器碰撞所受到的最大碰撞力Fmax21、Fmax22、Fmax23分别为7.66 N,6.80 N,6.81 N。

2.2 钵体碰撞力分析

通过对比两种接苗方式下求出的碰撞力可知,楔形侧面护钵接苗方式下钵苗钵体与机构构件碰撞所受到的最大碰撞力7.66 N远小于底部平面碰撞接苗方式的最大碰撞力29.27 N。由于钵体与机构构件发生碰撞后的破损程度与钵体所受的碰撞力成正比[14],因此,楔形侧面护钵接苗方式能有效降低钵苗钵体在植苗过程中的损伤,有利于提升钵苗植苗质量。

3 钵体碰撞离散元仿真

应用SolidWorks软件建立钵体和机构的仿真模型,再应用离散元仿真软件EDEM对两种不同接苗方式下钵体与机构构件碰撞进行仿真,得到钵体与机构构件发生碰撞时所受到的最大碰撞力,并与理论计算结果进行比较,验证钵苗碰撞力学模型的可靠性和理论结果的正确性。

3.1 机构与钵体仿真模型

在理论分析中,已知钵苗钵体(根土复合体)的泊松比和弹性模量,本文将根系与基质用同一种颗粒模型建立钵体模型进行仿真,钵体颗粒间仿真接触参数参考相关文献[21-22];设定植苗机构所用材料为Q235钢,则仿真模型参数如表2所示。

表2 钵体模型基本参数Tab. 2 Basic parameters of seedling pot model

钵体仿真模型尺寸为常用的128穴育苗盘穴口尺寸,应用SolidWorks软件对育苗穴口进行三维建模,将模型另存为IGS格式文件并导入到EDEM软件中生成模块的几何体[21]。为提高软件的计算效率,钵体颗粒模型为单个球形,半径为1 mm。钵体颗粒间的接触模型为Hertz-Mindlin with bonding模型,各颗粒间通过bond键连接来代替钵体内部的粘结力[21-22]。通过颗粒工Factory生成颗粒并由重力掉入育苗盘模型内,在颗粒稳定的情况下对模型进行适当压缩,最后得到钵苗仿真模型如图4所示。同时在SolidWorks中建立开沟式植苗机构的三维模型并另存为IGS格式文件,再将其导入EDEM软件中得到开沟式植苗机构仿真模型,如图5所示。

(a) 钵体颗粒模型

(b) 钵体模型 图4 钵体仿真模型Fig. 4 Simulation model of seedling pot

图5 开沟式植苗机构仿真模型Fig. 5 Simulation model of the ditch-type seedling planting mechanism

3.2 钵体碰撞仿真分析

调整好钵体模型与开沟式植苗机构模型的相对位置,开始进行仿真试验[22]。钵苗在自身重力作用下作自由落体运动,与机构发生碰撞。对底部平面碰撞和楔形侧面护钵两种不同接苗方式进行钵体碰撞仿真分析。利用EDEM后处理模块求解得到钵体与机构构件碰撞所受到的碰撞力。

3.2.1 底部平面碰撞接苗仿真

钵苗从接苗处自由下落与开沟器底部直接碰撞(图6),钵体所受到的碰撞力如图7所示。

(a) 初始

(b) 掉落图6 底部平面碰撞接苗仿真Fig. 6 Simulation of the bottom plane collision seedling receiving

图7 底部平面碰撞接苗仿真结果Fig. 7 Simulation results of the bottom plane collision seedling receiving

从图7可以看出,碰撞力峰值(即钵苗与开沟器底部碰撞时的碰撞力)为30.81 N,比理论计算值高0.75 N,两者误差为2.43%。

3.2.2 楔形侧面护钵接苗仿真

如图8所示,在楔形侧面护钵接苗方式下,钵苗从接苗处下落并与接苗板与扶苗板形成的楔形发生碰撞;随着接苗板逆时针慢速回程,钵苗沿接苗板下滑;最后下落与开沟器底部碰撞。

(a) 楔形底部碰撞

(b) 沿接苗板滑落

(c) 与开沟器底部碰撞图8 楔形侧面护钵接苗仿真Fig. 8 Simulation of the wedge side pot-guard seedling receiving

仿真得到钵苗钵体的碰撞力如图9所示。

图9 楔形侧面护钵接苗仿真结果 Fig. 9 Simulation results of the wedge side pot-guard seedling receiving

由仿真结果可知,钵体与接苗板和扶苗板碰撞的时间非常接近。钵体与接苗板碰撞时所受到的碰撞力为8.3 N(图9第①个峰值点),该值与理论计算值相差0.61 N,误差为7.96%;钵体与扶苗板碰撞时所受到的碰撞力为7.36 N(图9第②个峰值点),该值与理论计算值相差0.54 N,误差为7.94%;钵体与开沟器底部碰撞时所受到的碰撞力为7.38 N(图9第③个峰值点),该值与理论计算值相差0.57 N,误差为8.35%。

4 钵体碰撞试验

开展钵苗下落碰撞试验,研究底部平面碰撞和楔形侧面护钵两种不同接苗方式下钵体的破损情况,同时进一步验证钵体碰撞力学模型的可靠性。

试验用钵苗为浙江省杭州禾美健蔬菜专业合作社育苗基地培育的油菜苗(图10),苗龄50 d,苗高100～130 mm,含水率65%。

(a) 油菜钵苗

(b) 开沟式植苗机构图10 试验用钵苗与开沟式植苗机构Fig. 10 Seedlings and ditch-type seedling planting mechanism for test

试验台为初步设计的开沟式植苗机构样机。根据不同接苗方式将试验分为两组,每组试验钵苗总数均为40株。试验时,手动调整植苗机构接苗方式,钵苗从距开沟器底部435 mm的接苗管上端开始下落,用数字电子秤(精度为0.01 g)称量并记录每次试验前后的钵苗质量并统计出试验前后每组钵苗的平均质量,最后计算得到质量损失率,即为钵苗破损率。

(17)

式中:η——钵苗破损率;

M1——试验前钵苗平均质量,g;

M2——试验后钵苗平均质量,g。

两种接苗方式下钵体碰撞试验结果见表3。

表3 钵体碰撞试验结果Tab. 3 Results of the seedling pot collision tests

由表3可知,楔形侧面护钵接苗方式下钵体破损率为0.77%,明显低于底部平面碰撞接苗方式的1.69%。试验结果表明楔形侧面护钵接苗方式与底部平面碰撞接苗方式相比,具有大幅降低钵苗钵体损伤的优点,这与理论计算和仿真分析所得出的结论是一致的,同时也验证了钵体碰撞力学模型的可靠性。

5 结论

1) 提出了一种多杆式开沟式植苗机构,分析了蔬菜钵苗与植苗机构互作机理,建立了植苗机构底部平面碰撞与楔形侧面护钵两种接苗方式下钵体与机构的碰撞力学模型,计算得到两种接苗方式下钵体所受到的最大碰撞力分别为29.27 N和7.66 N。进行了钵体碰撞离散元仿真,钵体碰撞力的仿真分析与理论计算结果基本一致,验证了钵体碰撞力学模型的可靠性。

2) 开展了植苗机构底部平面碰撞与楔形侧面护钵两种不同接苗方式下钵苗跌落碰撞试验,楔形侧面护钵接苗方式下钵体破损率为0.77%,明显低于底部平面碰撞接苗方式下钵体破损率1.69%。

3) 蔬菜钵苗钵体与机构碰撞的理论分析、仿真和试验结果均表明,开沟式植苗机构采用楔形侧面护钵接苗方式,蔬菜钵苗钵体的损伤率低,有利于机构推苗和植苗作业,为植苗机构的设计提供依据。