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).pdf

第36卷 第10期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol 36 No 10 46 2020年 5月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering May 2020 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 摘 要 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 關(guān)鍵詞 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 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 10 006 中圖分類號(hào) S223 92 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1002 6819 2020 10 0046 10 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 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 收稿日期 2019 11 25 修訂日期 2020 05 07 基金項(xiàng)目 國(guó)家自然科學(xué)基金 51765059 新疆兵團(tuán)重大科技項(xiàng)目 2018AA010 作者簡(jiǎn)介 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 通信作者 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 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 第10期 馬曉曉等 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) 47 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 1 Planet gear box 2 Planet shaft 3 Cam 4 Seedling needle 5 Seedling pushing ring 6 Seedling needle support 7 Dial bar 8 Slider 9 Slide 10 Slide connecting plate 11 Transmission box 圖1 番茄缽苗自動(dòng)取苗裝置示意圖 Fig 1 Schematic diagram of automatic seedling picking device for tomato seedlings 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 滑桿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AB 撥桿從A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BD 撥桿運(yùn)動(dòng)到凸輪輪廓B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)C 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DE 撥桿運(yùn)動(dòng) 到凸輪輪廓D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CBA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E 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EA 撥桿從E點(diǎn)進(jìn)入凸輪回程段 沿凸輪輪 廓EA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A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 Note A is the end point of seedling pushing B is the starting point of seedling picking C is the starting point of seedling clamping D is the end point of seedling clamping E is the starting point of seedling pushing xoy is the coordinate system Arrow represent the direction of cam rotation 圖2 凸輪工作段劃分示意圖 Fig 2 Division diagram of cam work sections 表1 凸輪運(yùn)動(dòng)過(guò)程參數(shù) Table 1 Parameters of cam motion process 工作階段 Working stage 起始升程Initial lift mm 終止升程Terminating lift mm 起始角度Initial angle 終止角度 Termination angle 推程段AB Push segment AB 5 8 5 0 190 近休止段BC Near rest segment BC 8 5 8 5 190 220 推程段CD Push segment CD 8 5 13 220 245 遠(yuǎn)休止段DE Far end segmented 13 13 245 345 回程段EA Return segment EA 13 5 345 360 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 1 Frame 2 Motor 3 Seedling picking device 4 Seedling clamper 5 Carrier rack 6 Longitudinal tray feeding device 7 Lateral tray feeding device 8 Control box 圖3 自動(dòng)取苗試驗(yàn)臺(tái)示意圖 Fig 3 Schematic diagram of automatic seedling picking test bed 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 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2020年 48 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 a 主視圖 a Front view b 俯視圖 b Top view 圖4 育苗穴盤(pán)結(jié)構(gòu)圖 Fig 4 Structural diagram of seedling plug tray 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) Table 2 Morphological parameters of tomato seedlings 項(xiàng)目Items 數(shù)值Values 缽苗苗高Height of seedling mm 153 2 188 4 缽苗莖粗Stem thickness of seedlings mm 2 4 3 0 真葉數(shù)Number of true leaf 5 7 葉面展幅Foliar spread mm 72 6 97 8 缽苗質(zhì)量Seedling weight g 13 6 15 4 缽體上邊長(zhǎng)Length of bowl top mm 28 4 31 2 缽體下邊長(zhǎng)Length of bowl bottom mm 13 5 15 9 缽體高度Height of bowl mm 38 0 39 9 基質(zhì)含水率Moisture content of matrix 61 4 68 8 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 1 Frame 2 Seedling picking device 3 Tray feeding device 4 Control box 圖5 自動(dòng)取苗試驗(yàn)臺(tái) Fig 5 Test bed of automatic seedling picking 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Y1 漏苗率Y2和取苗成功率Y3作為取苗 效果評(píng)價(jià)指標(biāo) 分別由式 1 3 計(jì)算 11 100 SY S 1 22 100 SY S 2 33 100 SY S 3 式中S1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 S2為缽苗在取 苗過(guò)程中 未被苗針夾取出的缽苗株數(shù) S3為取苗裝置 成功取出缽苗的株數(shù) S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 1 2 1 2 0sin sin sin sin2 2 F F N N F 4 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)稱分布 故F1 F2 將式 4 化 簡(jiǎn)可得 1 02 sin 2 F F 5 由式 5 可知 苗針對(duì)缽體夾持力豎直分力須克服 拉拔力F0 拉拔力的值可通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得 苗針夾持角度 第10期 馬曉曉等 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) 49 越小 夾持力F1越大 兩苗針回轉(zhuǎn)中心距離d1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 1sin2 2d dl 6 式中l(wèi)為苗針長(zhǎng)度 mm 由式 6 可知 l值一定時(shí) 苗針開(kāi)度d隨夾持角 度 的增大而減小 聯(lián)立式 5 式 6 可得 0 1 1 F d d F l 7 由式 7 可知 夾持力F1一定時(shí) 苗針開(kāi)度d越大 苗針長(zhǎng)度l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d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 F1 F2為苗針對(duì)缽體夾持力 N N1 N2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 F0為穴盤(pán)苗所受拉拔力 N d1為兩苗針回轉(zhuǎn)中心距離 mm d為苗針開(kāi)度 mm Note F 1 and F2 are the clamping reaction forces of the seedling needle on the seedling bowl N N 1 and N2 are 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 F0 is the pulling force acting on the plug seedling N d1 is the rotation center distance between two seedling needles mm d 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l 苗針開(kāi)度d及取苗頻率f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l 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 Fig 7 Relationship between experimental indexes and length of seedling needle 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 Fig 8 Length of seedling needle and track of seedling picking 2 苗針開(kāi)度d 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 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2020年 50 圖9 試驗(yàn)指標(biāo)與苗針開(kāi)度的關(guān)系 Fig 9 Relationship between experimental indexes and opening size of seedling needle 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f 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 Table 3 Test factor and level coding table 水平Level 苗針長(zhǎng)度 Length of seedling needle x 1 mm 苗針開(kāi)度 Opening size of seedling needle x 2 mm 取苗頻率 Frequency of seedling picking x3 株 min 1 1 682 216 828 26 727 2 76 817 9 1 210 24 70 0 200 20 60 1 190 16 50 1 682 183 182 13 272 8 43 182 1 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 Table 4 Experimental design and results 序號(hào) No X1 X2 X3 傷苗率Injury rate of seedling Y1 漏苗率Missing rate of seedling Y2 取苗成功率 Success rate of seedling pickingY 3 1 1 1 1 12 50 7 81 73 44 2 1 1 1 7 03 5 47 87 50 3 1 1 1 19 53 6 25 74 22 4 1 1 1 12 50 1 56 85 93 5 1 1 1 5 47 9 38 76 56 6 1 1 1 4 69 9 38 84 38 7 1 1 1 10 16 5 47 84 37 8 1 1 1 6 25 1 56 90 63 9 1 682 0 0 3 91 7 03 85 94 10 1 682 0 0 13 28 4 69 79 69 11 0 1 682 0 14 06 2 34 83 59 12 0 1 682 0 5 47 9 38 75 78 13 0 0 1 682 3 91 2 34 93 75 14 0 0 1 682 12 50 7 81 78 13 15 0 0 0 4 69 2 34 92 97 16 0 0 0 5 47 1 56 92 97 17 0 0 0 4 69 2 34 92 19 18 0 0 0 3 91 2 34 93 75 19 0 0 0 3 91 1 56 92 97 20 0 0 0 4 69 2 34 93 75 3 3 2 試驗(yàn)結(jié)果與分析 分別建立苗針長(zhǎng)度l 苗針開(kāi)度d 取苗頻率f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 Y1 4 54 2 98X1 2 43X2 2 32X3 0 78X1X2 0 98X1X3 0 59X2X3 1 56X12 1 98X22 1 43X32 8 Y2 2 08 0 63X1 2 13X2 1 47X3 0 78X1X2 0 39X1X3 0 78X2X3 1 35X12 1 35X22 1 07X32 9 Y3 93 10 1 86X1 1 93X2 4 84X3 1 86X1X2 1 46X1X3 0 49X2X3 3 65X12 4 76X22 2 54X32 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 P 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 第10期 馬曉曉等 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) 51 表5 回歸模型方差分析 Table 5 Variance analysis of regression models 指標(biāo) Indexs 方差來(lái)源 Variance source 平方和 Sum of squares 自由度 Degree of freedom 均方 Mean square F值 F value P值 P value 模型 392 35 9 43 59 97 90 0 000 1 殘差 4 45 10 0 45 失擬 2 73 5 0 55 1 58 0 313 2 Y1 誤差 1 72 5 0 34 模型 165 48 9 18 39 131 87 0 000 1 殘差 1 39 10 0 14 失擬 0 58 5 0 12 0 72 0 637 1 Y2 誤差 0 81 5 0 16 模型 984 41 9 109 38 299 82 0 000 1 殘差 3 65 10 0 36 失擬 1 92 5 0 38 1 12 0 4534 Y3 誤差 1 72 5 0 34 注 P 0 01表示極顯著 Note P 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 Fig 10 Influence of interactive factors on injury rate of seedling 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 Fig 11 Influence of interactive factors on missing rate of seedling 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2020年 52 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 Fig 12 Influence of interactive factors on success rate of seedling picking 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 1 2 3 1 2 3 min min max 1 1 1 1 1 1 Y Y Y X X X 11 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 Fig 13 Diagram of parameters optimization and analysis 1 推苗環(huán) 2 苗針 3 番茄缽苗 1 Seedling pushing ring 2 Seedling needle 3 Tomato seedlings 圖14 自動(dòng)取苗試驗(yàn) Fig 14 Experiment of automatic seedling picking 為消除隨機(jī)誤差 進(jìn)行5次重復(fù)性試驗(yàn)取平均值 第10期 馬曉曉等 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) 53 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 Table 6 Results of seedling picking experiment under optimized conditions 試驗(yàn)編號(hào) Test No 傷苗率 Injury rate of seedling 漏苗率 Missing rate of seedling 取苗成功率 Success rate of seedling picking 1 3 91 0 78 94 53 2 3 13 1 56 95 31 3 4 69 3 13 91 41 4 2 34 0 78 96 88 5 3 13 2 34 93 75 平均值 Average value 3 44 1 72 94 38 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 1 Tractor 2 Drip irrigation belt 3 Seedling picking device 4 Tomato seedlings 5 Tray feeding device 6 Planting device 7 Film 圖15 田間試驗(yàn) Fig 15 Field experiment 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