穴苗移栽機(jī)雙旋轉(zhuǎn)式分苗裝置設(shè)計

任 玲，趙斌棟，曹衛(wèi)彬，王吉奎，王 寧，宋文彬

穴苗移栽機(jī)雙旋轉(zhuǎn)式分苗裝置設(shè)計

任 玲，趙斌棟，曹衛(wèi)彬※，王吉奎，王 寧，宋文彬

（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)裝備重點實驗室，石河子 832003）

為了解決移栽機(jī)整排取苗后投苗不連續(xù)、作業(yè)效率不高、穴苗易破損的問題，該研究設(shè)計了一種整排放苗的分苗裝置，運(yùn)用2排投苗臺交替運(yùn)動實現(xiàn)無間斷投苗。通過臺架試驗，依據(jù)實際作業(yè)狀態(tài)對投苗過程進(jìn)行分析，確定影響投苗效果的主要因素為投苗高度、投苗速度和穴苗傾角。以投苗成功率和基質(zhì)破損率為評價指標(biāo)進(jìn)行單因素試驗，確定各影響因素的參數(shù)范圍。并進(jìn)行正交試驗，通過方差分析得出影響成功率和破損率的主要因素分別為穴苗傾角和投苗高度。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行響應(yīng)面分析，分析各因素交互作用對投苗效果的影響。運(yùn)用MINITAB優(yōu)化模塊對工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果得到最佳工作參數(shù)組合為：投苗高度150 mm，投苗速度65株/min，穴苗傾角85°± 5°。驗證試驗結(jié)果表明，最佳工作參數(shù)下投苗成功率為96.41%，基質(zhì)破損率為1.65%。該裝置可實現(xiàn)分苗投苗作業(yè)，研究結(jié)果可為全自動移栽機(jī)設(shè)計提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；自動化；試驗；穴苗移栽機(jī)；分苗機(jī)構(gòu)；雙旋轉(zhuǎn)式

0 引 言

采用整排取苗方式能有效提高移栽機(jī)取苗效率，整排取苗后如何實現(xiàn)分苗、投苗成為影響移栽效率的關(guān)鍵問題。其中分苗機(jī)構(gòu)是移栽機(jī)的核心部件，可實現(xiàn)穴苗的逐個分離，分苗機(jī)構(gòu)應(yīng)保證分苗過程快速連續(xù)、投苗精準(zhǔn)、喂苗無損傷，投苗機(jī)構(gòu)的優(yōu)劣直接影響穴苗機(jī)械化移栽的質(zhì)量[1-3]。

目前移栽機(jī)采用的分苗方式有2種：苗杯回形轉(zhuǎn)動，依次落入栽植器中完成栽植[4-8]；另一種將穴苗放入接苗帶的柵格中，依靠傳送帶拋入接苗斗中完成栽植[9-10]。胡建平等[11]設(shè)計了一種適用于整排取苗的投苗裝置，該裝置可實現(xiàn)整排取苗間隔投苗，但是苗杯需要等待苗爪完成一次取放動作，此過程存在時間間隔，導(dǎo)致苗杯閑置，不利于提升投苗效率。胡先朋[12]采用帶式輸送、合頁擋板式分苗裝置，該裝置依靠合頁的開閉達(dá)到分苗的目的。但是該裝置會對缽苗的基質(zhì)和葉片造成損傷，沒有解決穴苗易破損的問題。馬銳[13]采用接苗帶柵格放苗，依靠傳送帶拋入栽植口的分苗方式，但是接苗帶需要等待苗爪再次取送穴苗，此分苗過程存在時間間隔，導(dǎo)致分苗動作不連續(xù)，移栽效率提高不明顯。

本文通過增加一個工作臺的方式，實現(xiàn)2個分苗機(jī)構(gòu)交替運(yùn)動，以適應(yīng)移栽機(jī)單行移栽。此種分苗方式可以實現(xiàn)快速無間隔分苗，保證分苗過程的連續(xù)性。通過對穴苗的運(yùn)動過程分析確定影響投苗效果的主要因素。通過臺架試驗得到主要參數(shù)工作范圍，以期為全自動穴盤苗移栽機(jī)設(shè)計提供參考。

1 分苗裝置與工作原理

1.1 分苗裝置

分苗裝置是移栽機(jī)的重要部件之一，其功能是接收來自取苗器取出的穴苗，并將其投入栽植器完成栽植作業(yè)[14-16]。其主要構(gòu)成包括機(jī)械部件（底座、工作臺等）與動作部件（步進(jìn)電機(jī)、氣缸等），各部件參數(shù)如表1示。

表1 分苗裝置各部件參數(shù)

如圖1所示，工作臺1與工作臺2依靠軸承固定于底座上，通過氣缸推動可在接苗位和投苗位之間切換。放苗完成之后，切換至投苗位，進(jìn)行依次投苗。投苗工作臺固定于投苗架底座上，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動傳送帶旋轉(zhuǎn)，使得傳送帶上的穴苗依次拋入接苗斗完成投苗。

1.2 工作原理

圖2為分苗過程的工作狀態(tài)，圖2a為整排取苗手將8顆穴苗放入工作臺1，工作臺1轉(zhuǎn)動進(jìn)行投苗動作。此時整排取苗手回至取苗位取苗，等待送至工作臺2。圖 2b為整排取苗手將8顆穴苗放入工作臺2，工作臺2轉(zhuǎn)動進(jìn)行投苗動作，此時整排取苗手又回到取苗位取苗，等待送至工作臺1。圖2c為工作臺2即將完成投苗，此時苗爪已回拾取位置，工作臺1等待作業(yè)。

圖3為1次分苗作業(yè)流程示意圖，取苗爪與工作臺1、工作臺2交替動作。初始時工作臺1與工作臺2處于平行位置，通過氣缸作用，2個工作臺交替切換至投苗位置，在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動下依次完成投苗作業(yè)，實現(xiàn)連續(xù)分苗。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 底座支架及氣缸組件

2.1.1 底座

圖4為投苗裝置的底座，其上裝有軸承組件、氣缸組件、接苗斗組件。底座外形尺寸為450 mm× 650 mm，由3條長度為650 mm與4條長度為450 mm的不銹鋼中空方形管鋼管焊接而成。底座左上角與右上角為氣缸組件安裝的位置，中間鋼管焊接處為軸承安裝位置。

2.1.2 氣缸

圖5為工作臺1切換過程簡圖，投苗時，工作臺AB在氣缸作用下旋轉(zhuǎn)角度切換至投苗位，將苗投入E處的接苗斗。工作臺旋轉(zhuǎn)時，氣缸行程應(yīng)滿足如下條件：①NE的距離盡可能小，使接苗斗靠近底座，②F點應(yīng)在C點與M點之間，符合氣缸實際動作。

注：α為投苗工作臺AB在氣缸收縮狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)過的角度，(°)；MF為氣缸伸縮長度，mm；O為旋轉(zhuǎn)中心，CDNQ為底座，E為落苗位置。下同。

當(dāng)AB旋轉(zhuǎn)至與E處于同一直線時，MF的距離為134.16 mm，因此選用行程150 mm的SC63150型氣缸，圖6a、圖6b分別為其收縮與伸出狀態(tài)。

2.2 投苗工作臺

2.2.1 支架

工作臺結(jié)構(gòu)為雙層長方體，外形尺寸：400 mm× 200 mm×80 mm，支架外側(cè)有合頁，受氣缸驅(qū)動可切換至投苗位。如圖7所示，工作臺的從動帶輪處為投苗側(cè)，另一側(cè)安裝步進(jìn)電機(jī)。

2.2.2 傳送帶與柵格

圖8a為工作臺總體裝配圖，圖8b為一總長860 mm的傳送帶，傳送帶外側(cè)有等距的8個柵格，用于盛放取苗爪釋放的穴苗。傳送帶材質(zhì)為軟質(zhì)橡膠，可在轉(zhuǎn)角處隨苗帶一起繞電機(jī)轉(zhuǎn)動。

傳送帶轉(zhuǎn)速為

·（1）

式中為傳送帶轉(zhuǎn)速，mm/s，當(dāng)為60株/min時，得到傳送帶轉(zhuǎn)動速度為50 mm/s。

3 投苗運(yùn)動分析

為了確定影響投苗效果的因素，并確定投苗試驗的評價指標(biāo)，對垂直方向運(yùn)動過程分析，確定落苗高度對投苗的效果的影響；對缽苗下落過程中水平方向的運(yùn)動過程分析，確定投苗速率對投苗效果的影響；對投苗過程穴苗的運(yùn)動分析，確定分苗過程中穴苗傾角對投苗效果的影響。

圖9為分苗過程側(cè)視圖，以投苗工作臺AB所在直線為軸；豎直方向為軸，向下為正方向，建立直角坐標(biāo)系，穴苗拋出后落入E點（接苗斗安裝位置）。

投苗作業(yè)時穴苗傾斜角越小所受空氣阻力越大，已知空氣對穴苗的阻力與其運(yùn)動速度成正比[17]：

F=·V（2）

式中F為空氣阻力，N；為空氣阻力系數(shù)，V為穴苗速度，mm/s。

投苗作業(yè)時穴苗受力如圖10所示，在投苗運(yùn)動的某一時刻，穴苗受到重力和空氣阻力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，建立穴苗的運(yùn)動微分方程，對投苗影響因素進(jìn)行探究。

3.1 水平方向投苗運(yùn)動分析

通過穴苗下落過程中水平方向的運(yùn)動過程分析，探究投苗速度對投苗效果的影響。

注：BE為投苗路徑；Ff為空氣阻力，N；Ffx、Ffy分別為空氣阻力的水平與垂直分量，N；G為穴苗重力，N；Vm為穴苗運(yùn)動速度，mm·s-1。

式中為穴苗質(zhì)量，g；a為穴苗水平加速度，mm/s2。通過對式（3）積分，可得穴苗水平方向運(yùn)動速度為

式中V為穴苗水平方向運(yùn)動速度，mm/s；o為穴苗拋出速度，mm/s；為運(yùn)動時間，s。將式（4）再次積分，可得穴苗水平位移為

式中為穴苗水平位移，mm。

3.2 垂直方向投苗運(yùn)動分析

通過對垂直方向運(yùn)動過程分析，探究落苗高度對投苗的效果的影響。

式中a為穴苗垂直加速度，mm/s2。對式（6）進(jìn)行積分得穴苗垂直方向運(yùn)動速度為

式中V為穴苗垂直方向運(yùn)動速度，mm/s。將式（7）再次積分，得穴苗垂直方向位移為

式中為穴苗垂直方向位移，mm。不考慮對投苗效果影響時，垂直方向位移為

4 投苗性能試驗

4.1 設(shè)備與材料

試驗設(shè)備包括番茄穴苗分苗投苗試驗裝置（自制），電子式游標(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（Ohaus ScoutPRO，0～400 g，精度0.01 g），MA45水分測定儀（Sartorius，0～45 g，精度0.001 g）[18]。

試驗材料為新疆北疆地區(qū)主要種植品種“里格爾87-5”加工番茄苗，整盤128穴育苗，苗齡33 d。試驗前對其物理參數(shù)進(jìn)行測定，結(jié)果如表2所示：

表2 穴苗特征參數(shù)

4.2 評價指標(biāo)

式中為穴苗動能，J。由式（4）與式（7）可知，對于單個穴苗，質(zhì)量不變，拋出速度0、空氣阻力系數(shù)值、運(yùn)動時間會影響穴苗速度，從而影響基質(zhì)破損率。

由式（5）與式（8）可知，落苗點C的坐標(biāo)為

對于單個穴苗（值不變），拋出速度0、空氣阻力系數(shù)值、運(yùn)動時間對落苗點水平位置有影響，因此需要根據(jù)落苗點的位置確定接苗斗的安裝位置，以保證投苗成功。

運(yùn)動時間受投苗高度影響，拋出速度0為傳送帶速度，空氣阻力系數(shù)受穴苗傾角影響。綜合式（10）與式（11）可知：投苗高度、投苗速度、穴苗傾角會對基質(zhì)破損率與投苗成功率產(chǎn)生影響。

根據(jù)NY/T 1924—2010[19]和JB/T 10291—2013[20]，結(jié)合缽苗自動移栽機(jī)投苗裝置工作性能要求[21-23]，本試驗選取投苗成功率1、基質(zhì)破損率2作為試驗評價指標(biāo)，其計算公式如下：

式中1為成功投苗株數(shù)；表示總投苗株數(shù)；1為掉落的基質(zhì)質(zhì)量，g；為基質(zhì)總質(zhì)量，g。

4.3 單因素試驗

由理論分析可知，影響投苗成功率與基質(zhì)破損率的因素為投苗速度、投苗高度和穴苗傾角，本文通過單因素試驗探究每個因素對投苗效果的影響。

根據(jù)前期落苗高度試驗可知工作臺投苗作業(yè)的高度范圍在125～265 mm內(nèi)，落苗高度設(shè)置5個水平：125、160、195、230和265 mm。依據(jù)目前移栽機(jī)移栽速率范圍在40～120 株/min，投苗速率設(shè)置成5個水平：40、60、80、100和120 株/min；取苗爪取出穴苗釋放后，落在傳送帶柵格內(nèi)的穴苗傾斜角度不同。式（11）可知，不同傾斜角度的穴苗在下落過程中受到空氣阻力不同，從而影響落苗位置。依據(jù)穴苗拋落過程中，可能出現(xiàn)的傾斜程度，將穴苗傾斜角設(shè)置3個水平：15°± 15°、45°± 15°和75°± 15°。每組試驗測試128株穴苗，重復(fù)5次，試驗結(jié)果如圖11所示。

采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，其中手術(shù)指標(biāo)等計量資料用（±s）表示，采用 t檢驗，臨床療效等計數(shù)資料用[n(%)]表示，采用χ2卡方檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

由圖11a可知，投苗高度為160 mm時，投苗成功率最高，投苗高度大于160 mm時，基質(zhì)破損率上升明顯，因此選取投苗高度為160 mm；由圖11b可知投苗速率為60 株/min時，投苗成功率較高，同時基質(zhì)破損率在較低水平，因此選取投苗速率為60 株/min；由圖11c可知，穴苗傾角為75°± 15°時，投苗成功率最高，且基質(zhì)破損率在移栽允許范圍內(nèi)，因此選取穴苗傾角為75°± 15°。綜上，投苗高度為160 mm，投苗速率為60 株/min，穴苗傾斜角為75°± 15°時，有較好投苗效果。

4.4 正交試驗

4.4.1 試驗設(shè)計

為驗證以上3個因素的交互作用對分苗裝置投苗效果的影響，使用Box-Benhken響應(yīng)曲面分析法，設(shè)計15組正交試驗[24-26]，每組試驗選取64棵苗，進(jìn)行回歸試驗分析。

根據(jù)單因素實驗結(jié)果選取投苗高度為160 mm，投苗速率為60 株/min作為基準(zhǔn)參數(shù)，在75°± 15°穴苗傾角范圍內(nèi)進(jìn)行等值細(xì)分并設(shè)計正交試驗。表3為正交試驗因素水平編碼表。

表3 試驗因素水平編碼

4.4.2 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果如表4，在Mintab17中分別建立投苗高度、投苗速率、穴苗傾角與投苗成功率1、基質(zhì)破損率2之間的回歸模型，進(jìn)行響應(yīng)曲面分析。

表5為回歸模型的方差結(jié)果，從表5可知，對投苗成功率1影響順序從大到小依次為穴苗傾角、投苗速率和投苗高度。穴苗傾角的值為0，對投苗成功率影響極顯著。

表4 正交試驗結(jié)果

Note:1,2and3is the level value of experimental factors.

對于基質(zhì)破損率2，3個因素的值從小到大為投苗高度、投苗速率、穴苗傾角。其中，1與2的值均小于0.05，說明這2個因素對基質(zhì)破損率影響顯著。

表5 方差分析結(jié)果

注：＜0.05表示差異顯著；＜0.01表示差異極顯著。

Note:<0.05 means the difference is significant;<0.01 means the difference is extremely significant.

4.4.3 交互作用結(jié)果分析

圖12為各因素兩兩交互作用對投苗成功率的響應(yīng)曲面圖。由圖12a可知，當(dāng)投苗高度和投苗速率變化時，投苗成功率均為90%～95%，變化不明顯，說明這2個因素對投苗效果影響不顯著。由圖12b可知，投苗成功率隨穴苗傾角增大方向變化較明顯，而隨投苗高度的變化不明顯，說明穴苗傾角是影響投苗成功率的重要因素，穴苗傾角的值為85°± 5°時投苗高度為170 mm。由圖12c可知，當(dāng)穴苗傾角變化時，投苗成功率有明顯變化，而投苗速率變化時成功率變化不明顯，說明穴苗傾角對成功率影響顯著。

圖13為各因素兩兩交互作用對基質(zhì)破損率的響應(yīng)曲面圖。由圖13a可知，基質(zhì)破損率隨投苗高度減小而明顯減小，投苗速率減小時，基質(zhì)破損率也隨之變化，但其變化程度不如前者明顯，說明投苗高度是影響基質(zhì)破損率的主要因素，同時投苗速率也會對基質(zhì)破損率有影響。投苗高度為150 mm時投苗速率為65 株/min。由圖13b可知，基質(zhì)破損率隨投苗高度的下降明顯減小，而穴苗傾角變化對基質(zhì)破損率影響不大，說明投苗高度是影響基質(zhì)破損率的主要因素。投苗高度為150 mm時穴苗傾角為85°± 5°。由圖13c可知，當(dāng)投苗速率減小時，基質(zhì)破損率隨之減小，但變化不明顯，說明投苗速率對基質(zhì)破損率有影響，而穴苗傾角變化對基質(zhì)破損率沒有影響。對比圖13可知，投苗高度與投苗速率是影響基質(zhì)破損率的主要因素，而穴苗傾角對破損率影響不顯著。

4.5 參數(shù)優(yōu)化與驗證

為使分苗裝置具有更好的投苗效果，以投苗成功率最高、基質(zhì)破損率最低為優(yōu)化目標(biāo)，利用Mintab17[27]進(jìn)行優(yōu)化求解，目標(biāo)函數(shù)與約束條件為

優(yōu)化后的投苗作業(yè)參數(shù)為：投苗高度150 mm，投苗速率65 株/min，穴苗傾角為85°± 5°。在該作業(yè)參數(shù)下，投苗成功率的擬合值為97.33%，基質(zhì)破損率的擬合值為1.58%。

結(jié)合優(yōu)化后的最佳參數(shù)和相關(guān)規(guī)范[28-30]對分苗裝置作業(yè)性能進(jìn)行驗證試驗，試驗采用苗齡33 d的“里格爾87-5”番茄穴苗，在石河子大學(xué)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)試驗室進(jìn)行，圖14為分苗試驗裝置。共進(jìn)行5次試驗，每次試驗128株穴苗，試驗結(jié)果如表6所示。

表6 作業(yè)性能驗證試驗結(jié)果

5次試驗的投苗成功率平均值為96.41%，基質(zhì)破損率平均值為1.65%，該分苗裝置可以實現(xiàn)自動投苗作業(yè)。

5 結(jié) 論

1）根據(jù)單行移栽的移栽機(jī)作業(yè)方式，設(shè)計了一種新型分苗裝置，該裝置由2個工作臺構(gòu)成，在氣缸推動下交替切換至投苗位，實現(xiàn)連續(xù)分苗，無間斷投苗作業(yè)，可以有效提升分苗投苗環(huán)節(jié)的工作效率。

2）建立分苗裝置投苗運(yùn)動的微分方程，分別得出水平和豎直兩方向的速度和位移函數(shù)。分析落苗位置與落苗動能，將投苗成功率和基質(zhì)破損率作為評價指標(biāo)，得到影響分苗投苗作業(yè)的主要因素：投苗高度、投苗速率和穴苗傾角。

3）通過單因素試驗，得到分苗作業(yè)的最佳參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行正交試驗，從方差分析的結(jié)果可知：影響投苗成功率因素的順序依次為穴苗傾角、投苗速率和投苗高度，影響基質(zhì)破損率因素的順序依次為投苗高度、投苗速率和穴苗傾角。根據(jù)響應(yīng)曲面分析結(jié)果，得出穴苗傾角和投苗高度分別是影響成功率和破損率的主要因素。在優(yōu)化參數(shù)條件下進(jìn)行試驗，當(dāng)投苗高度為150 mm，投苗速率為65 株/min，穴苗傾角85°± 5°時，平均投苗成功率為96.41%，平均基質(zhì)破損率為1.65%。臺架試驗結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果基本一致，分苗裝置能夠滿足分苗投苗作業(yè)需求，可為全自動穴苗移栽機(jī)分苗裝置設(shè)計提供參考。

[1]王帥. 育苗移栽機(jī)具的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J]. 農(nóng)業(yè)科技與裝備，2019(2)：58-59.

Wang Shuai. Development situation and trend of seedling transplanting machine[J]. Agriculture Science & Technology and Equipment, 2019(2): 58-59. (in Chinese with English abstract)

[2]毛燦，羅海峰，朱毅，等. 缽苗移栽機(jī)械研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報，2020，41(1)：215-222.

Mao Can, Luo Haifeng, Zhu Yi, et al. Research ststus and development trend of seedling transplanting machinery[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2020, 41(1): 215-222. (in Chinese with English abstract)

[3]何亞凱，顏華，崔巍，等. 蔬菜自動移栽技術(shù)研究現(xiàn)狀與分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程，2018，8(3)：1-7.

He Yakai, Yan Hua, Cui Wei, et al. Research situation and analysis on transplanting technology for vegetable seedling[J]. Agricultural Engineering, 2018, 8(3): 1-7. (in Chinese with English abstract)

[4]楊傳華，方憲法，楊學(xué)軍，等. 基于PLC的蔬菜缽苗移栽機(jī)自動輸送裝置[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2013，44(1)：19-23，18.

Yang Chuanhua, Fang Xianfa, Yang Xuejun, et al. Automatic delivery mechanism of potted-seedling for vegetable transplanter based on PLC[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery (Transactions of the CSAE), 2013, 44(1): 19-23, 18. (in Chinese with English abstract)

[5]韓長杰，楊宛章，張學(xué)軍，等. 穴盤苗移栽機(jī)自動取喂系統(tǒng)的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(8)：51-61.

Han Changjie, Yang Wanzhang, Zhang Xuejun, et al. Design and test of automatic feed system for tray seedlings transplanter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(8): 51-61. (in Chinese with English abstract)

[6]嚴(yán)宵月，胡建平，吳福華，等. 整排取苗間隔放苗移栽機(jī)設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2013，44(1)：7-13.

Yan Xiaoyue, Hu Jianping, Wu Fuhua, et al. Design and experiment of full-row-pick-up and single-dropping seedling transplanter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(1): 7-13. (in Chinese with English abstract)

[7]石新異，楊啟志，徐莉，等. 一種新型直動式缽苗分苗裝置的設(shè)計與試驗[J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2019，40(3)：301-306，312.

Shi Xinyi, Yang Qizhi, Xu Li, et al. Design and experiment of a new direct action pot seedling separating equipment[J]. Journal of Jiangsu University: Natural Science Edition, 2019, 40(3): 301-306, 312. (in Chinese with English abstract)

[8]倪有亮，金誠謙，劉基. 全自動移栽機(jī)取送苗系統(tǒng)的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(23)：10-19.

Ni Youliang, Jin Chengqian，Liu Ji. Design and experiment of system for picking up and delivering seedlings in automatic transplanter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(23): 10-19. (in Chinese with English abstract)

[9]崔財豪，曹衛(wèi)彬，李樹峰，等. 基于PLC的移栽機(jī)整排取送苗控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2019，41(4)：91-95.

Cui Caihao, Cao Weibin, Li Shufeng, et al. Design of picking seedling and feeding seedling control system for whole row of seedlings transplanting machine based on PLC[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2019, 41(4): 91-95. (in Chinese with English abstract)

[10]曹衛(wèi)彬，王僑，張振國. 穴盤苗自動取苗機(jī)構(gòu)的研究[C]中國農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會：2012中國農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會國際學(xué)術(shù)年會論文集，杭州，2012：229-232.

Cao Weibin, Wang Qiao, Zhang Zhenguo. The research on automatic pick-up plug seedlings mechanism[C]. Chinese Society for Agricultural Machinery: Proceedings of the 2012 China Agricultural Machinery Society International Academic Conference, Hangzhou,2012: 229-232. (in Chinese with English abstract)

[11]胡建平，常航，楊麗紅，等. 自動移栽機(jī)整排取苗間隔投苗控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2018，49(6)：78-84.

Hu Jianping, Chang Hang, Yang Lihong, et al. Design and experiment of control system for automatic transplanter picking up and spacing casting whole row of seedlings[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(6): 78-84. (in Chinese with English abstract)

[12]胡先朋. 油菜缽苗移栽機(jī)分苗裝置設(shè)計與試驗[D]. 武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

Hu Xianpeng. Design and Experiment on Seedling Detaching Device for Rape Pot Seedling Transplanter[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[13]馬銳. 穴盤苗整排自動取苗機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計研究[D]. 石河子：石河子大學(xué)，2018.

Ma Rui. The Design and Research on the Full-Row-Pincette- Type Picking-Up Mechanism and Control System of Potted-Seedling Automatic Transplanter[D]. Shihezi: Shihezi University, 2018. (in Chinese with English abstract)

[14]王寧，李江全，任玲，等. 基于三菱觸摸屏的整排穴盤苗輸送控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2020，42(9)：50-57.

Wang Ning, Li Jiangquan, Ren Ling, et al. Design of whole row plug seedling delivery control system based on mitsubishi touch screen[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2020, 42(9): 50-57. (in Chinese with English abstract)

[15]任玲，曹衛(wèi)彬，馬銳，等. 基于LabVIEW的苗盤輸送控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2019，41(9)：104-109.

Ren Ling, Cao Weibin, Ma Rui, et al. Seedling tray conveying control system design based on LabVIEW[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2019, 41(9): 104-109. (in Chinese with English abstract)

[16]任玲，王寧，曹衛(wèi)彬，等. 番茄缽苗整排取苗機(jī)械手定位的模糊PID控制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(8)：21-30.

Ren Ling, Wang Ning, Cao Weibin, et al. Fuzzy PID control of manipulator positioning for taking the whole row seedlings of tomato plug seedlings[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(8): 21-30. (in Chinese with English abstract)

[17]袁挺，王棟，文永雙，等. 蔬菜移栽機(jī)氣吹振動復(fù)合式取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2019，50(10)：80-87.

Yuan Ting, Wang Dong, Wen Yongshuang, et al. Design and experiment of seedlings unloading mechanism based on methods of air-blowing and vibration for vegetable transplanter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(10): 80-87. (in Chinese with English abstract)

[18]馬曉曉，李華，曹衛(wèi)彬，等. 番茄缽苗移栽機(jī)自動取苗裝置作業(yè)參數(shù)優(yōu)化與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(10)：46-55.

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)

[19]中華人民共和國農(nóng)業(yè)部.油菜移栽機(jī)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范：NY/T 1924—2010 [S]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2010.

[20]中華人民共和國工業(yè)和信息化部.旱地栽植機(jī)械：JB/T 10291—2013 [S]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[21]廖慶喜，胡先朋，張照，等. 油菜移栽機(jī)分苗裝置分苗過程與缽苗缽體完整性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(16)：22-29.

Liao Qingxi, Hu Xianpeng, Zhang Zhao, et al. Analysis on detaching process of detaching device and seedling pot integrity about rape transplanter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(16): 22-29. (in Chinese with English abstract)

[22]劉姣娣，曹衛(wèi)彬，田東洋，等. 基于苗缽力學(xué)特性的自動移栽機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(16)：32-39.

Liu Jiaodi, Cao Weibin, Tian Dongyang, et al. Optimization experiment of transplanting actuator parameters based on mechanical property of seedling pot[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(16): 32-39. (in Chinese with English abstract)

[23]謝守勇，陽尚宏，劉軍，等. 蔬菜移栽機(jī)斜插夾缽式取投苗裝置研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(6)：1-10.

Xie Shouyong, Yang Shanghong, Liu Jun, et al. Development of the seedling taking and throwing device with oblique insertion and plug clipping for vegetable transplanters[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 36(6): 1-10. (in Chinese with English abstract).

[24]王立軍，張志恒，劉天華，等. 玉米收獲機(jī)割臺砍劈式莖稈粉碎裝置設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2020，51(7)：109-117.

Wang Lijun, Zhang Zhiheng, Liu Tianhua, et al. Design and experiment of device for chopping stalk of header of maize harvester[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(7): 109-117. (in Chinese with English abstract)

[25]肖名濤，肖仕雄，陳斌，等. 油菜缽苗開溝槽水平推苗栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2019，50(10)：56-63，71.

Xiao Mingtao, Xiao Shixiong, Chen Bin, et al. Design and experiment of horizontal push seedling transplanting mechanism for rapeseed seedling opening groove[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(10): 56-63, 71. (in Chinese with English abstract)

[26]王金武，關(guān)睿，高鵬翔，等. 胡蘿卜聯(lián)合收獲機(jī)單圓盤對頂切割裝置設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2020，51(9)：73-81.

Wang Jinwu, Guan Rui, Gao Pengxiang, et al. Design and experiment of single disc to top cutting device for carrot combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(9): 73-81. (in Chinese with English abstract).

[27]馬逢時，吳誠鷗，蔡霞，等. 基于MINITAB的現(xiàn)代實用統(tǒng)計[M]. 北京：中國人民大學(xué)出版社，2009.

[28]任露泉. 試驗優(yōu)化設(shè)計與分析[M]. 北京：高等教育出版社，2003.

[29]韓長杰. 農(nóng)機(jī)試驗設(shè)計[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2018.

[30]金鑫，陳凱康，姬江濤，等. 基于模態(tài)置信度準(zhǔn)則的插秧機(jī)支撐臂模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(18)：93-101.

Jin Xin, Chen Kaikang, Ji Jiangtao, et al. Modal analysis and structure optimization of transplanter support arm based on modal assurance criterion[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(18): 93-101. (in Chinese with English abstract)

Design of double-rotation seedlings separating device for transplanters

Ren Ling, Zhao Bindong, Cao Weibin※, Wang Jikui, Wang Ning, Song Wenbin

(1.,,832003,; 2.,832003,)

Transplanting has become a common practice in tomato cultivation, where seedlings grown in doors are replanting into a final planting location for the growing season. Most tomato planting is distributed in Xinjiang of northwest China, due mainly to high difference in temperature, long sunshine, and less rainfall. Weather factors such as hail and cold in early spring seriously determined the survival of tomato seedlings. However, a combination of semi-automatic machine and manual transplanting was generally adopted in current tomato planting, indicating low transplanting efficiency and high labor intensity. Therefore, it is necessary to develop a high-speed automatic transplanter suitable for large-scale tomato planting. Since the picking speed can reach 120 plants per minute in previous automatic transplanters, the planting speed is not so high, the maximum of only 60 plants per minute. Furthermore, the planting speed also determined the transplanting speed of the automatic transplanting machine. In this study, a double-row seedling cast device was designed with high efficiency, continuity, and damage resistance in transplanting seedlings. The specific procedure was as follows: 1)Two workstations were alternately utilized to implement the continuous casting of seedlings. The assembled cylinder in front of the base was used to push the rotation of the cast around the bearing center that connected to the base. 2)A coordinate system was established from the side view of cast movement, considering the influence of air resistance on the motion. 3)Motion equations were set in two dimensions (the horizontal and vertical) to determine the main factors of seedling injection, including the inclination angle of seedling ,the height, and speed of the cast. A three-level single factor orthogonal test was carried out to evaluate the influence of each single factor. The experimental procedure was that: 1)Five height levels were taken as test variables, showing that the damage rate was low, whereas, the success rate was high, at the height between 125 mm to 160 mm. 2)Five cast speeds were chosen between 40 to 120 plants per minute, showing that the damage rate was going up as the cast speed increased. The best success rate was achieved, when the cast speed reached 60 plants per minute. 3)The success rate was found higher, as the inclination angle of seedlings was higher. The results showed that the influence of each factor on the success rate was ranked: the inclination angle, cast speed, and height. The order of damage rate was like this: cast height, cast speed, and inclination angle. Then, a Box-Benhken response surface method (RSM) was used to determine the interaction of three factors, indicating that the main factor of success rate was the inclination angle, whereas the damage rate was the cast height. Besides, an optimal combination of three factors was obtained after the working parameters were optimized in theMinitab platform. Finally, a field test was conducted to verify the operating parameters, where the success rate of seedling planting was 96.41%, while the matrix damage rate was 1.65%, meeting the requirements of the seedling throwing operation. The findings can provide a promising reference to develop high-speed automatic transplanters in tomato cultivation.

agricultural machinery; automation; experiments; seedlings transplanters; seedling dividing mechanism; double-rotation type

任玲，趙斌棟，曹衛(wèi)彬，等. 穴苗移栽機(jī)雙旋轉(zhuǎn)式分苗裝置設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(8)：10-18.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.002 http://www.tcsae.org

Ren Ling, Zhao Bindong, Cao Weibin, et al. Design of double-rotation seedlings separating device for transplanters[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(8): 10-18. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.002 http://www.tcsae.org

2020-10-16

2021-03-29

國家自然科學(xué)基金項目（51765059）；兵團(tuán)優(yōu)秀青年教師項目（CZ027213）

任玲，博士，教授，研究方向為農(nóng)業(yè)自動化與信息化。Email：2542958572@qq.com

曹衛(wèi)彬，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計及自動化技術(shù)。Email：Wbc828@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.002

S223.92

A

1002-6819(2021)-08-0010-09