番茄缽苗移栽機(jī)自動(dòng)取苗裝置作業(yè)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

馬曉曉，李 華，曹衛(wèi)彬，余思遙，李樹(shù)峰

番茄缽苗移栽機(jī)自動(dòng)取苗裝置作業(yè)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

馬曉曉，李 華※，曹衛(wèi)彬，余思遙，李樹(shù)峰

（1. 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子 832003；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石河子 832003）

針對(duì)新疆地區(qū)番茄移栽機(jī)械自動(dòng)化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低等問(wèn)題，該文分析了一種番茄缽苗自動(dòng)取苗裝置的夾苗器凸輪運(yùn)動(dòng)過(guò)程，得到了凸輪運(yùn)動(dòng)過(guò)程參數(shù)，結(jié)合缽苗取苗作業(yè)要求搭建取苗試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)自動(dòng)取苗裝置主要工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。以適栽期番茄缽苗為試驗(yàn)對(duì)象，利用自動(dòng)取苗試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行單因素試驗(yàn)。進(jìn)一步結(jié)合理論分析及單因素試驗(yàn)，選取苗針長(zhǎng)度、苗針開(kāi)度、取苗頻率為影響因素，以傷苗率、漏苗率和取苗成功率為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行三因素三水平二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)，通過(guò)Design-Expert.V8.0.6軟件，得到理論最優(yōu)參數(shù)組合：苗針長(zhǎng)度198 mm，苗針開(kāi)度19 mm，取苗頻率57株/min，此參數(shù)組合下傷苗率為3.91%，漏苗率為1.56%，取苗成功率為94.69%。在自動(dòng)取苗試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，取苗裝置傷苗率為3.44%，漏苗率為1.72%，取苗成功率為94.38%，與優(yōu)化結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了所建模型與優(yōu)化參數(shù)的合理性。田間取苗試驗(yàn)傷苗率為3.65%，漏苗率為2.08%，取苗成功率為94.27%。田間試驗(yàn)取苗成功率與優(yōu)化結(jié)果的誤差為0.44%，表明取苗裝置抗干擾能力較強(qiáng)。該研究結(jié)果可為番茄全自動(dòng)移栽機(jī)取苗裝置的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和作業(yè)參數(shù)控制提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；優(yōu)化；試驗(yàn)；番茄缽苗；取苗裝置；響應(yīng)曲面

0 引 言

新疆是中國(guó)加工番茄的主產(chǎn)區(qū)，番茄產(chǎn)業(yè)在新疆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有非常重要的地位[1-2]。近年來(lái)，新疆番茄種植多采用育苗移栽技術(shù)，隨著種植規(guī)模的不斷擴(kuò)大，每年春季對(duì)移栽機(jī)械的需求量也日益增大[3]。而目前使用的移栽機(jī)械多為半自動(dòng)移栽機(jī)，取投苗作業(yè)均需人工完成，自動(dòng)化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、作業(yè)成本高，嚴(yán)重制約了育苗移栽技術(shù)的發(fā)展[4-6]。因此，全自動(dòng)移栽機(jī)成為新疆地區(qū)實(shí)現(xiàn)作物高效、大規(guī)模移植的發(fā)展趨勢(shì)和必然，開(kāi)展具有自動(dòng)取苗和投苗功能的全自動(dòng)移栽機(jī)的研發(fā)勢(shì)在必行。

全自動(dòng)移栽機(jī)研發(fā)的核心在于自動(dòng)取苗技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于全自動(dòng)移栽機(jī)機(jī)械自動(dòng)取苗方式的研究主要有夾取式和頂出式，以這兩種取苗方式研制的全自動(dòng)移栽機(jī)在國(guó)外已有應(yīng)用[7-9]，此類(lèi)全自動(dòng)移栽機(jī)雖然作業(yè)效率高，自動(dòng)化程度高，但價(jià)格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且主要針對(duì)裸地移栽，不適應(yīng)于新疆膜上移栽的農(nóng)藝要求，因此，無(wú)法引進(jìn)和推廣[10]。國(guó)內(nèi)對(duì)移栽機(jī)械研究起步較晚，目前部分半自動(dòng)移栽機(jī)機(jī)型已得到應(yīng)用與推廣[11-12]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)部分高校與科研院所針對(duì)蔬菜全自動(dòng)移栽機(jī)的核心部件－自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)開(kāi)展了大量研究工作，對(duì)缽苗力學(xué)特性[13-14]、取苗爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[15-17]、取苗機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真分析[18-19]以及關(guān)鍵參數(shù)試驗(yàn)研究[20-22]進(jìn)行了重點(diǎn)研究，但目前還沒(méi)有成熟的技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。

本文針對(duì)課題組研制的一種番茄缽苗自動(dòng)取苗裝置，搭建取苗試驗(yàn)臺(tái)，取苗裝置利用行星輪系-連桿機(jī)構(gòu)與不規(guī)則滑道驅(qū)動(dòng)，控制夾苗器運(yùn)動(dòng)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取苗所需的軌跡姿態(tài)，并利用凸輪撥桿機(jī)構(gòu)控制夾苗器苗針開(kāi)合，實(shí)現(xiàn)夾苗與投苗動(dòng)作。借助自動(dòng)取苗裝置試驗(yàn)臺(tái)，結(jié)合響應(yīng)面法對(duì)其主要工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高作業(yè)質(zhì)量，為自動(dòng)取苗裝置的優(yōu)化與改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考。

1 番茄缽苗自動(dòng)取苗裝置工作原理與試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

1.1 自動(dòng)取苗裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

取苗裝置為自動(dòng)取苗試驗(yàn)臺(tái)核心部件，主要由行星齒輪盒、連桿、凸輪、苗針、推苗環(huán)、撥桿、滑道以及傳動(dòng)箱體等組成，如圖1所示。

1.行星齒輪盒 2.行星軸 3.凸輪 4.苗針 5.推苗環(huán) 6.苗針支座 7.撥桿 8.滑桿 9.滑道 10.滑道連接板 11.傳動(dòng)箱體

取苗裝置的主要作用是模擬人工取投苗動(dòng)作，將穴盤(pán)中的缽苗取出并移送到投苗位置投苗。取苗裝置動(dòng)力由步進(jìn)電機(jī)提供，通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)將動(dòng)力傳遞到行星輪系。取苗初始位置苗針豎直向下，行星軸位于滑道直線段與圓弧段相切處，行星輪繞太陽(yáng)輪逆時(shí)針回轉(zhuǎn)一周時(shí)，行星軸在滑道內(nèi)沿直線先向下運(yùn)動(dòng)，待苗針夾苗后回到初始位置?；瑮U隨行星軸在滑道圓弧段內(nèi)運(yùn)動(dòng)，用于調(diào)整苗針姿態(tài)。凸輪安裝在行星軸上，用于控制苗針開(kāi)合。當(dāng)行星軸位于滑道直線段末端時(shí)，凸輪位于推程段（缽苗夾取段），推動(dòng)撥桿控制苗針完成夾苗動(dòng)作；當(dāng)行星軸位于滑道直線段與圓弧段相切處時(shí)，凸輪位于回程段（缽苗釋放段），撥桿回位控制苗針打開(kāi)，同時(shí)帶動(dòng)推苗環(huán)向下運(yùn)動(dòng)，完成推苗動(dòng)作。

根據(jù)取投苗作業(yè)要求[23-24]，將凸輪的工作行程劃分為準(zhǔn)備取苗、缽苗夾取、持苗運(yùn)行以及缽苗釋放4個(gè)工作階段（圖2a）。準(zhǔn)備夾苗段：撥桿從點(diǎn)進(jìn)入凸輪推程段1，兩苗針完全張開(kāi)且保持平行，推苗環(huán)在凸輪與撥桿的共同作用下沿苗針向上滑動(dòng)，苗針以固定角度靠近穴孔。缽苗夾取段：撥桿運(yùn)動(dòng)到凸輪輪廓點(diǎn)時(shí)，凸輪進(jìn)入近休止段，苗針以固定的張角插入穴孔，到達(dá)點(diǎn)時(shí)，凸輪進(jìn)入推程段2，推苗環(huán)在撥桿的帶動(dòng)下逐漸向上滑動(dòng)，兩苗針尖點(diǎn)間距逐漸減小以?shī)A持缽體，夾緊缽體后苗針尖點(diǎn)間距保持不變。持苗運(yùn)行段：撥桿運(yùn)動(dòng)到凸輪輪廓點(diǎn)時(shí)，凸輪進(jìn)入遠(yuǎn)休止段，苗針從穴孔中垂直拔出缽苗，并沿取苗軌跡運(yùn)動(dòng)（圖2b）。此階段撥桿和推苗環(huán)保持相對(duì)靜止，撥桿運(yùn)動(dòng)到凸輪輪廓點(diǎn)時(shí)，持苗運(yùn)行段結(jié)束，此時(shí)缽苗姿態(tài)轉(zhuǎn)換為豎直向下。缽苗釋放段：撥桿從點(diǎn)進(jìn)入凸輪回程段，沿凸輪輪廓下落，同時(shí)帶動(dòng)推苗環(huán)沿苗針向下滑動(dòng)，當(dāng)撥桿運(yùn)動(dòng)至點(diǎn)時(shí)，推苗環(huán)到達(dá)推苗行程極限，豎直向下推落缽苗，同時(shí)苗針張開(kāi)復(fù)原至初始開(kāi)合角度，撥桿重新進(jìn)入凸輪推程段1，完成一次缽苗取投苗過(guò)程。凸輪對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程參數(shù)如表1所示。

注：A為推苗結(jié)束點(diǎn)；B為取苗開(kāi)始點(diǎn)；C為夾苗開(kāi)始點(diǎn)；D為夾苗結(jié)束點(diǎn)；E為推苗開(kāi)始點(diǎn)。xoy為坐標(biāo)系；箭頭方向?yàn)橥馆嗈D(zhuǎn)動(dòng)方向。

表1 凸輪運(yùn)動(dòng)過(guò)程參數(shù)

1.2 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)組成及工作過(guò)程

為測(cè)試取苗裝置工作性能，搭建番茄缽苗自動(dòng)取苗試驗(yàn)臺(tái)如圖3所示。試驗(yàn)臺(tái)由機(jī)架、取苗裝置、夾苗器、載盤(pán)架等組成。機(jī)架支撐整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)，載盤(pán)架由縱向送盤(pán)裝置與橫向送盤(pán)裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，控制箱掛接在機(jī)架。

1.機(jī)架 2.電機(jī) 3.取苗裝置 4.夾苗器 5.載盤(pán)架 6.縱向送盤(pán)裝置 7.橫向送盤(pán)裝置 8.控制箱

番茄缽苗自動(dòng)取苗裝置試驗(yàn)臺(tái)作業(yè)時(shí)，送盤(pán)裝置將番茄缽苗精準(zhǔn)移送至取苗裝置自動(dòng)取苗位置處，通過(guò)取苗裝置夾苗器實(shí)現(xiàn)缽苗與穴盤(pán)的分離。夾苗器持苗至豎直位置，苗針打開(kāi)，推苗環(huán)推苗，從而完成投苗作業(yè)。送盤(pán)裝置橫向每進(jìn)給7次，縱向進(jìn)給1次，配合取苗裝置完成整盤(pán)缽苗的夾取。送盤(pán)速度與取苗頻率均可通過(guò)調(diào)整控制器參數(shù)改變步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)對(duì)象為新疆大面積種植的“石番36號(hào)”番茄缽苗。育苗穴盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖4所示，番茄幼苗生長(zhǎng)在8×16的128穴倒四棱臺(tái)形狀穴孔的苗盤(pán)中，育苗穴盤(pán)材質(zhì)為聚氯乙烯塑料，可折彎一定弧度而不出現(xiàn)破損。穴盤(pán)規(guī)格為510 mm×280 mm×40 mm，穴孔上邊尺寸為32 mm×32 mm，下邊尺寸為16 mm×16 mm，相鄰穴孔中心距為32 mm，穴盤(pán)兩側(cè)邊緣分別開(kāi)有16個(gè)矩形卡槽，尺寸為9 mm×3 mm。

圖4 育苗穴盤(pán)結(jié)構(gòu)圖

番茄缽苗采用有機(jī)營(yíng)養(yǎng)育苗基質(zhì)培育，配方比為泥炭∶蛭石∶珍珠巖=1∶1∶1，適合移栽的苗齡為45 d左右[25]，此時(shí)根系在基質(zhì)里穿插、纏繞、網(wǎng)絡(luò)，充分包裹缽體基質(zhì)。隨機(jī)選取20株番茄缽苗，利用游標(biāo)卡尺測(cè)量其形態(tài)特性參數(shù)，基質(zhì)含水率采用干濕質(zhì)量法測(cè)量，結(jié)果如表2所示。番茄缽苗自動(dòng)取苗性能試驗(yàn)于2019年8月20日在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

表2 番茄缽苗形態(tài)特性參數(shù)

2.2 試驗(yàn)儀器

番茄缽苗自動(dòng)取苗試驗(yàn)臺(tái)（圖5），電子游標(biāo)卡尺（上海工具廠有限公司，量程0～300 mm，精度0.02 mm），SPS402F精密電子天平（美國(guó)Ohaus Scout Pro，量程0～400 g，精度0.01 g），DT-2234C數(shù)字式轉(zhuǎn)速表（中國(guó)TondaJ，量程：2.5～99 999 r/min，分辨率：0.1 r/min）。

1.機(jī)架 2.取苗裝置 3.送盤(pán)裝置 4.控制箱

2.3 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

依據(jù)NY/T 1924-2010《油菜移栽機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》和JB-T 10291-2013《旱地栽植機(jī)械》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[26-27]，結(jié)合番茄缽苗自動(dòng)移栽機(jī)取苗裝置工作性能要求[28]，本試驗(yàn)選用傷苗率1、漏苗率2和取苗成功率3作為取苗效果評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別由式（1）～（3）計(jì)算。

式中1為缽苗莖稈被苗針損傷、葉片被扯斷以及基質(zhì)破損大的缽苗株數(shù)與穴盤(pán)穴格破損數(shù)總和；2為缽苗在取苗過(guò)程中，未被苗針夾取出的缽苗株數(shù)；3為取苗裝置成功取出缽苗的株數(shù)；為試驗(yàn)所用缽苗總株數(shù)。

3 取苗性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)因素分析

取苗裝置取苗時(shí)，兩苗針以一定角度插入穴盤(pán)苗缽體，苗針尖點(diǎn)到達(dá)缽體一定深度后，缽體在兩苗針間的受力情況如圖6所示，其受力平衡方程為

由于穴盤(pán)對(duì)缽體反作用力對(duì)計(jì)算結(jié)果影響小[29-30]，故將其忽略。兩苗針對(duì)稱(chēng)分布，故1=2，將式（4）化簡(jiǎn)可得

由式（5）可知，苗針對(duì)缽體夾持力豎直分力須克服拉拔力0，拉拔力的值可通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得，苗針夾持角度越小，夾持力1越大。兩苗針回轉(zhuǎn)中心距離1為定值，苗針夾持缽體取苗時(shí)，夾持角度與苗針開(kāi)度滿足：

式中為苗針長(zhǎng)度，mm。

由式（6）可知，值一定時(shí)，苗針開(kāi)度隨夾持角度的增大而減小，聯(lián)立式（5）、式（6）可得：

由式（7）可知，夾持力1一定時(shí)，苗針開(kāi)度越大，苗針長(zhǎng)度越小。為防止苗針插入缽體造成缽體大面積損傷，苗針開(kāi)度越大越好，其最小值應(yīng)當(dāng)大于穴孔下邊長(zhǎng)；為防止苗針與穴孔產(chǎn)生干涉，且保證苗針插入穴孔的深度足夠深，苗針開(kāi)度最大值應(yīng)當(dāng)小于穴孔上邊長(zhǎng)。由此確定苗針開(kāi)度的理論值范圍為16～32 mm，夾苗時(shí)苗針最佳夾持開(kāi)度與對(duì)應(yīng)苗針長(zhǎng)度需通過(guò)試驗(yàn)確定。

注：1、2為苗針對(duì)缽體夾持力，N；1、2為穴盤(pán)對(duì)缽體反作用力，N；為苗針夾持角度，(°)；為缽體側(cè)邊角，(°)；0為穴盤(pán)苗所受拉拔力，N；1為兩苗針回轉(zhuǎn)中心距離，mm；為苗針開(kāi)度，mm。

Note:1and2are the clamping reaction forces of the seedling needle on the seedling bowl, N;1and2are the reaction force of the plug tray on the bowl, N;is the clamping angle of the seedling needle, (°);is the side angle of the bowl, (°);0is the pulling force acting on the plug seedling, N;1is the rotation center distance between two seedling needles, mm;is the opening size of seedling needle, mm.

圖6 缽體受力示意圖

Fig.6 Schematic diagram of force analysis for seedling bowl

3.2 單因素試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述理論分析，結(jié)合新疆地區(qū)膜上移栽農(nóng)藝作業(yè)要求，以苗針長(zhǎng)度、苗針開(kāi)度及取苗頻率為影響因素，為明確各工作參數(shù)對(duì)取苗裝置性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律，對(duì)其分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1）苗針長(zhǎng)度

設(shè)定取苗裝置的試驗(yàn)工作參數(shù)為取苗頻率50株/min、苗針開(kāi)度20 mm。苗針長(zhǎng)度設(shè)定為180、190、200、210、220 mm共5個(gè)水平。各性能評(píng)價(jià)指標(biāo)與苗針長(zhǎng)度的關(guān)系曲線如圖7所示。

由圖7可知，隨著苗針長(zhǎng)度的增大，傷苗率先緩慢下降后急劇上升；漏苗率急劇下降趨于穩(wěn)定后緩慢上升；取苗成功率急劇上升趨于穩(wěn)定后急劇下降。當(dāng)苗針長(zhǎng)度較小時(shí)，苗針插入缽體時(shí)夾苗器其他部件與缽苗莖葉接觸，造成傷苗率較大，且漏苗現(xiàn)象嚴(yán)重，取苗成功率較低；當(dāng)苗針長(zhǎng)度增大為190～210 mm時(shí)，苗針插入缽體后與缽體充分接觸，漏苗情況得到較大改善，取苗裝置達(dá)到一個(gè)相對(duì)適宜的取苗狀態(tài)，取苗成功率均能達(dá)到90%以上，在苗針長(zhǎng)度為200 mm時(shí)達(dá)到最大值93.75%，漏苗率為1.25%；隨著苗針長(zhǎng)度的繼續(xù)增大，苗針插入缽體深度過(guò)大，夾苗時(shí)增加了缽體破損的幾率，且苗針長(zhǎng)度過(guò)大會(huì)與穴孔產(chǎn)生干涉，致使苗針變形，導(dǎo)致傷苗率急劇上升，取苗成功率急劇下降。

圖7 試驗(yàn)指標(biāo)與苗針長(zhǎng)度的關(guān)系

確定苗針工作行程時(shí)，要綜合考慮苗針長(zhǎng)度、缽苗高度以及穴孔深度等各方面因素。在Adams軟件中建立取苗機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖8所示。結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果，創(chuàng)建不同長(zhǎng)度苗針其尖點(diǎn)軌跡曲線，苗針尖點(diǎn)運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果表明，隨著苗針變長(zhǎng)，取苗軌跡高度降低，苗針插入缽體深度越深，與缽體接觸面積越大。

圖8 苗針長(zhǎng)度與取苗軌跡

2）苗針開(kāi)度

苗針開(kāi)度大小直接影響苗針對(duì)缽體的夾持效果。設(shè)定取苗裝置的試驗(yàn)工作參數(shù)為取苗頻率50 株/min、苗針長(zhǎng)度200 mm。苗針開(kāi)度設(shè)定為16、20、24、28、32 mm共5個(gè)水平。各性能評(píng)價(jià)指標(biāo)與苗針開(kāi)度的關(guān)系曲線如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)指標(biāo)與苗針開(kāi)度的關(guān)系

由圖9可知，隨著苗針開(kāi)度的增大，漏苗率緩慢增加后急劇增大；傷苗率急劇減小后緩慢增大；苗針開(kāi)度小于24 mm時(shí)，取苗成功率先緩慢增加，后緩慢減小，隨著苗針開(kāi)度繼續(xù)增大，取苗成功率急劇減小。當(dāng)苗針開(kāi)度較小時(shí)，缽體所受苗針夾持力較小，苗針與缽體充分接觸，夾持效果較好，漏苗率較低，取苗成功率較高，但對(duì)缽體損傷較高；當(dāng)苗針開(kāi)度增大到20 mm時(shí)，各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)效果較好，傷苗率得到較大改善，此時(shí)取苗成功率達(dá)到最大值93.75%，傷苗率降到最低值4.69%；隨著苗針開(kāi)度的繼續(xù)增大，作用在缽體上的夾持力越大，但苗針與缽體接觸面積減小，取苗時(shí)缽體所受摩擦力減小，缽體損傷率降低，但漏苗率增加，同時(shí)開(kāi)度過(guò)大造成苗針與穴孔干涉增強(qiáng)，導(dǎo)致苗針對(duì)苗盤(pán)的損傷增大，取苗成功率下降。

3）取苗頻率

新疆地區(qū)普遍采用膜上移栽作業(yè)方式，為保證栽植鴨嘴植苗作業(yè)的穩(wěn)定性，其植苗頻率一般低于70株/min[30-31]，取苗裝置取苗頻率應(yīng)與栽植鴨嘴植苗頻率相適應(yīng)。設(shè)定苗針長(zhǎng)度為200 mm、苗針開(kāi)度為20 mm，取苗頻率設(shè)定為40、50、60、70、80株/min共5個(gè)水平。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)取苗頻率大于70株/min時(shí)，夾苗過(guò)程中苗針端點(diǎn)振動(dòng)明顯，缽體破損率大，持苗過(guò)程中由于速度過(guò)快會(huì)出現(xiàn)甩苗現(xiàn)象，無(wú)法將缽苗運(yùn)送至投苗點(diǎn)投苗，造成取苗失敗；當(dāng)取苗頻率小于等于60株/min時(shí)，取苗裝置作業(yè)穩(wěn)定，各項(xiàng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)無(wú)明顯變化。

3.3 多因素優(yōu)化試驗(yàn)

3.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由單因素試驗(yàn)結(jié)果可知：苗針長(zhǎng)度、苗針開(kāi)度以及取苗頻率對(duì)傷苗率、漏苗率以及取苗成功率的影響顯著。為探究上述3個(gè)影響因素對(duì)取苗裝置性能的影響規(guī)律及最佳參數(shù)組合，以傷苗率、漏苗率以及取苗成功率為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，開(kāi)展三因素三水平二次旋轉(zhuǎn)正交組合優(yōu)化試驗(yàn)[32]。根據(jù)單因素試驗(yàn)分析結(jié)果，取苗頻率分別設(shè)置為50、60、70株/min，苗針長(zhǎng)度分別設(shè)置為190、200、210 mm，苗針開(kāi)度分別設(shè)置為16、20、24 mm。因素水平編碼表如表3所示。

表3 試驗(yàn)因素水平編碼表

根據(jù)試驗(yàn)因素水平編碼表，設(shè)計(jì)二次旋轉(zhuǎn)正交組合方案，進(jìn)行20組自動(dòng)取苗裝置取苗性能試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取3次測(cè)試結(jié)果的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。利用Design-Expert.V8.0.6軟件進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及結(jié)果分析，如表4所示。

表4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

分別建立苗針長(zhǎng)度、苗針開(kāi)度、取苗頻率與傷苗率、漏苗率以及取苗成功率之間的二次多項(xiàng)式回歸模型，剔除不顯著因素后得到的回歸方程分別為

1=4.54+2.981?2.432+2.323?0.7812+0.9813?

0.5923+1.5612+1.9822+1.4332（8）

2=2.08?0.631+2.132+1.473?0.7812+0.3913?

0.7823+1.3512+1.3522+1.0732（9）

3=93.10?1.861?1.932?4.843+1.8612?1.4613?

0.4923?3.6512?4.7622?2.5432（10）

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，如表5所示，結(jié)果表明，傷苗率、漏苗率以及取苗成功率的回歸方程模型<0.000 1，說(shuō)明3個(gè)回歸方程模型顯著，表明回歸模型在試驗(yàn)范圍內(nèi)擬合程度較好。

表5 回歸模型方差分析

注：<0.01表示極顯著。

Note:<0.01 means extremely significant.

3.3.3 影響因素對(duì)響應(yīng)指標(biāo)的影響

1）各因素交互作用對(duì)傷苗率的影響

傷苗率的響應(yīng)曲面如圖10，由圖10a可知，當(dāng)取苗頻率為60株/min時(shí)，傷苗率隨苗針開(kāi)度的增大先減小后增大，隨苗針長(zhǎng)度的增大而增大。響應(yīng)曲面沿苗針長(zhǎng)度的方向變化較快，沿苗針開(kāi)度的方向變化相對(duì)較慢。在取苗頻率一定的情況下，苗針長(zhǎng)度對(duì)傷苗率的影響要比苗針開(kāi)度的影響顯著。苗針長(zhǎng)度在200 mm左右，苗針開(kāi)度在20 mm左右時(shí)，傷苗率較低。

由圖10b可知，當(dāng)苗針開(kāi)度為20 mm時(shí)，傷苗率隨苗針長(zhǎng)度的增大而增大，取苗頻率在60株/min之前變化對(duì)傷苗率影響不大，在60株/min之后傷苗率隨取苗頻率的增大而增大。由響應(yīng)曲面可知，傷苗率沿苗針長(zhǎng)度的方向變化較快，沿取苗頻率的方向變化相對(duì)較慢。由圖10c可知，當(dāng)苗針長(zhǎng)度為200 mm時(shí)，傷苗率隨取苗頻率的增大而增大，隨苗針開(kāi)度的增大先減小后增大。響應(yīng)曲面沿取苗頻率的方向變化較快，沿苗針開(kāi)度的方向變化相對(duì)較慢。在苗針長(zhǎng)度一定的情況下，取苗頻率對(duì)傷苗率的影響要比苗針開(kāi)度的影響顯著。

圖10 交互因素對(duì)傷苗率的影響

2）各因素交互作用對(duì)漏苗率的影響

漏苗率的響應(yīng)曲面如圖11，由圖11a可知，當(dāng)取苗頻率為60株/min時(shí)，漏苗率隨苗針開(kāi)度的增大而增大，隨苗針長(zhǎng)度的增大先減小后增大。從響應(yīng)曲面可以看出漏苗率沿苗針長(zhǎng)度的方向變化較慢，沿苗針開(kāi)度的方向變化相對(duì)較快。在取苗頻率一定的情況下，苗針開(kāi)度對(duì)漏苗率的影響要比苗針長(zhǎng)度的影響顯著。

由圖11b可知，當(dāng)苗針開(kāi)度為20 mm時(shí)，漏苗率隨苗針長(zhǎng)度的增大先減小后增大，取苗頻率在60株/min之前變化對(duì)漏苗率基本無(wú)影響，在60株/min之后漏苗率隨取苗頻率的增大而增大。響應(yīng)曲面在取苗頻率為60株/min之后沿取苗頻率的方向變化較快，苗針開(kāi)度在20 mm左右，苗針長(zhǎng)度在200 mm左右時(shí)，漏苗率較低。

圖11 交互因素對(duì)漏苗率的影響

由圖11c可知，當(dāng)苗針長(zhǎng)度為200 mm時(shí)，漏苗率隨取苗頻率的增大而增大，隨苗針開(kāi)度的增大而增大。由響應(yīng)曲面可知，漏苗率沿苗針開(kāi)度的方向變化較快，沿取苗頻率的方向變化相對(duì)較慢。在苗針長(zhǎng)度一定的情況下，苗針開(kāi)度對(duì)漏苗率的影響要比取苗頻率的影響顯著。

3）各因素交互作用對(duì)取苗成功率的影響

取苗成功率的響應(yīng)曲面如圖12，由圖12a可知，當(dāng)取苗頻率為60株/min時(shí)，取苗成功率隨苗針開(kāi)度的增大先增大后減小，隨苗針長(zhǎng)度的增大也先增大后減小。由響應(yīng)曲面可知，取苗成功率沿苗針開(kāi)度和苗針長(zhǎng)度的方向變化較快，苗針開(kāi)度和苗針長(zhǎng)度對(duì)取苗成功率的影響基本一致。當(dāng)取苗頻率為60株/min，苗針開(kāi)度在20 mm左右，苗針長(zhǎng)度在200 mm左右時(shí)，取苗成功率較高。

由圖12b可知，當(dāng)苗針開(kāi)度為20 mm時(shí)，取苗成功率隨苗針長(zhǎng)度的增大先增大后減小，取苗頻率在60株/min之前變化對(duì)取苗成功率的影響較小，在60株/min之后取苗成功率隨取苗頻率的增大而減小。響應(yīng)曲面沿苗針長(zhǎng)度的方向變化較快，沿取苗頻率的方向變化相對(duì)較慢。

圖12 交互因素對(duì)取苗成功率的影響

由圖12c可知，當(dāng)苗針長(zhǎng)度為200 mm時(shí)，取苗成功率隨取苗頻率的增大而減小，隨苗針開(kāi)度的增大先增大后減小。由響應(yīng)曲面可看出取苗成功率沿苗針開(kāi)度的方向變化較慢，沿取苗頻率的方向變化相對(duì)較快。在苗針長(zhǎng)度一定的情況下，取苗頻率對(duì)取苗成功率的影響要比苗針開(kāi)度的影響顯著，苗針開(kāi)度在20 mm左右，取苗頻率在60株/min左右時(shí)，取苗成功率較高。

3.3.4 參數(shù)優(yōu)化

為確保取苗裝置具有更好的工作性能，以低傷苗率、低漏苗率以及高取苗成功率為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行取苗裝置工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，利用Design-Expert.V8.0.6數(shù)據(jù)分析軟件中的Optimization-Numerical模塊進(jìn)行優(yōu)化求解，其目標(biāo)函數(shù)與約束條件為：

優(yōu)化后得到影響因素最佳組合區(qū)域?yàn)殛幱案采w區(qū)域，如圖13所示。通過(guò)軟件Design-Expert.V8.0.6選取最佳參數(shù)組合為：苗針長(zhǎng)度198 mm，苗針開(kāi)度19 mm，取苗頻率57株/min，模型預(yù)測(cè)的傷苗率為3.91%，漏苗率為1.56%，取苗成功率為94.69%。

3.3.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

利用優(yōu)化參數(shù)（苗針長(zhǎng)度198 mm，苗針開(kāi)度19 mm，取苗頻率57株/min）在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)取苗裝置性能試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行模型的驗(yàn)證試驗(yàn)，如圖14所示。

圖13 參數(shù)優(yōu)化分析圖

1.推苗環(huán) 2.苗針 3.番茄缽苗

為消除隨機(jī)誤差，進(jìn)行5次重復(fù)性試驗(yàn)取平均值，每次試驗(yàn)均測(cè)試整盤(pán)128株苗取出效果，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。分析可知，所得傷苗率、漏苗率以及取苗成功率的試驗(yàn)平均值分別為3.44%、1.72%、94.38%，取苗成功率臺(tái)架試驗(yàn)值與軟件優(yōu)化參數(shù)值的誤差為0.33%，表明取苗質(zhì)量影響因素選擇合理。因此，所建立的自動(dòng)取苗裝置性能優(yōu)化模型正確，得到的工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足番茄缽苗機(jī)械自動(dòng)取苗要求。

表6 優(yōu)化條件下取苗試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果

4 田間試驗(yàn)

為檢驗(yàn)取苗裝置田間實(shí)際取苗質(zhì)量，將取苗裝置安裝于蔬菜穴盤(pán)苗鋪膜移栽機(jī)上，采用約翰迪爾904輪式拖拉機(jī)為牽引動(dòng)力，課題組于2019年9月15日，在石河子大學(xué)試驗(yàn)田開(kāi)展田間取苗試驗(yàn)（圖15）。

1.拖拉機(jī) 2.滴灌帶 3.取苗裝置 4.番茄缽苗 5.送盤(pán)裝置 6.栽植裝置 7.地膜

試驗(yàn)前將田塊土壤進(jìn)行耕整，使其細(xì)碎平整。試驗(yàn)時(shí)整機(jī)前進(jìn)速度為1 km/h，取苗裝置動(dòng)力由電機(jī)提供。田間試驗(yàn)選取參數(shù)組合為：苗針長(zhǎng)度198 mm，苗針開(kāi)度19 mm，取苗頻率57株/min。開(kāi)展3次重復(fù)試驗(yàn)，每次試驗(yàn)均測(cè)試整盤(pán)128株苗取出效果。田間取苗試驗(yàn)指標(biāo)的平均值分別為傷苗率3.65%、漏苗率2.08%、取苗成功率94.27%，取苗成功率田間試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果的誤差為0.44%。表明取苗裝置抗干擾能力較強(qiáng)，該研究結(jié)果可為全自動(dòng)移栽機(jī)取苗裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn)和作業(yè)參數(shù)控制提供參考。

5 結(jié)論與討論

1）通過(guò)分析一種番茄缽苗自動(dòng)取苗裝置的夾苗器凸輪運(yùn)動(dòng)過(guò)程，得到了凸輪運(yùn)動(dòng)參數(shù)。對(duì)取苗過(guò)程缽體受力情況進(jìn)行了理論分析，結(jié)合栽植鴨嘴植苗頻率，進(jìn)行了以苗針長(zhǎng)度、苗針開(kāi)度以及取苗頻率為變量的單因素試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：苗針長(zhǎng)度、苗針開(kāi)度以及取苗頻率對(duì)傷苗率、漏苗率以及取苗成功率的影響規(guī)律顯著。

2）對(duì)取苗裝置進(jìn)行了二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)，建立了各個(gè)因素與指標(biāo)間的回歸模型，采用響應(yīng)面法對(duì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到番茄缽苗自動(dòng)取苗裝置的最佳參數(shù)組合為：苗針長(zhǎng)度198 mm，苗針開(kāi)度19 mm，取苗頻率57株/min。在該參數(shù)組合下，臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)的平均傷苗率為3.44%，平均漏苗率為1.72%，平均取苗成功率為94.38%。臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

3）田間取苗試驗(yàn)結(jié)果表明，取苗裝置能滿足番茄缽苗全自動(dòng)移栽機(jī)的一般取苗作業(yè)要求，平均傷苗率為3.65%、平均漏苗率為2.08%、平均取苗成功率為94.27%。

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Optimization and experiment of working parameters of automatic seedling picking device for tomato seedlings transplanting

Ma Xiaoxiao, Li Hua※, Cao Weibin, Yu Siyao, Li Shufeng

(1.,832003,;2.832003,)

Xinjiang is the main producing area for processing tomatoes in China because of its unique light and heat resources. The tomato industry occupies a very important position in Xinjiang's agricultural production and tomato planting mostly adopts seedling transplanting technology. In recent years, with the continuous expansion of planting scale, the demand for transplanting machinery increases sharply every spring. At present, most of the transplanting machines used are semi-automatic transplanters, and the seedling picking and throwing operations should be completed manually. The development of seedling transplanting technology is restricted by the low degree of automation, high labor intensity, low efficiency and high operation cost seriously. Therefore, the development of full-automatic transplanter has become eager and necessary to realize crop efficient large-scale transplanting in Xinjiang. The core of the research and development for the full-automatic transplanter is the automatic seedling picking technology. According to the full-automatic transplanter’s requirements of the automatic seedling picking and throwing operation, the automatic seedling picking device of tomato was designed in this study, and a performance test-bed for automatic seedling picking was built. The planet wheel train-link mechanism and the irregular sideways were used to control the movement process of the seedling clamper, and realize the required trajectory for automatic seedling picking. In addition,the cam lever mechanism is used to control the opening and closing of seedling needle to realize the action of seedling picking and throwing. In order to ensure the ideal working quality and success rate of the automatic seedling picking device, it is important to obtain the ideal working parameters and structural parameters of the automatic seedling picking device. With the help of the test-bed of the automatic seedling picking device, the main working parameters are optimized through experiments to improve the working quality. The single factor experiment was conducted with the length and opening size of seedling needle and the frequency of seedling picking as variables according to theoretical analysis and experimental research, combined with the requirements of transplanting on film in Xinjiang. The test results showed that each factor has influence on the injury rate, missing rate and success rate of seedling. Furthermore, quadratic rotation orthogonal combination experiments with three-factor three-level were conducted with the injury rate, the missing rate and the success rate of seedling picking as the evaluation indexes. The mathematical regression model between response indexes and influence factors was established by data optimization software Design-Expert 8.6.0. Response surface analysis was used to analyze the experimental results, and multi-objective optimization analysis was used to optimize each parameter. The regression model optimization results were the length of seedling needle 198 mm, the opening size of seedling needle 19 mm, and the frequency of seedling picking 57 plants/min. Under these parameters combination, the injury rate of seedling was 3.44%, the missing rate of seedling was 1.72%, and the success rate of seedling picking was 94.38%. In the field experiment, the injury rate of the seedling was 3.65%, themissing rate of seedling was 2.08%, the success rate of seedling picking was 94.27%, and the error between the experimental value of the success rate of seedling picking and the optimization result was 0.44%, which indicated that the automatic seedling picking device for tomato seedlings could meet the requirements of picking and the anti-interference ability of the device was strong. The study can supply certain references for the design of key components of the automatic transplanting machine and the improvement of working performance parameters.

agricultural machinery; optimization; experiment; tomato seedlings; seedling picking device; response surface

馬曉曉，李華，曹衛(wèi)彬，等. 番茄缽苗移栽機(jī)自動(dòng)取苗裝置作業(yè)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(10)：46-55.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.006 http://www.tcsae.org

Ma Xiaoxiao, Li Hua, Cao Weibin, et al. Optimization and experiment of working parameters of automatic seedling picking device for tomato seedlings transplanting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(10): 46-55. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.006 http://www.tcsae.org

2019-11-25

2020-05-07

國(guó)家自然科學(xué)基金（51765059）；新疆兵團(tuán)重大科技項(xiàng)目（2018AA010）

馬曉曉，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論的研究。Email：maxiaoxiao0425@126.com

李華，博士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化技術(shù)研究。Email：shzdxlh@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.006

S223.92

A

1002-6819(2020)-10-0046-10