第 37 卷 第 8 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報 Vol 37 No 8 10 2021 年 4月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Apr 2021 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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石河子 832003 摘 要 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(shí)現(xiàn)無間斷投苗 通過臺架試驗(yàn) 依據(jù)實(shí)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(yàn) 確定 各影響因素的參數(shù)范圍 并進(jìn)行正交試驗(yàn) 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(yàn)證試驗(yàn)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(shí)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 關(guān)鍵詞 農(nóng)業(yè)機(jī)械 自動化 試驗(yàn) 穴苗移栽機(jī) 分苗機(jī)構(gòu) 雙旋轉(zhuǎn)式 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 08 002 中圖分類號 S223 92 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號 1002 6819 2021 08 0010 09 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 1 0 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 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(shí)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(shí)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(shí)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 胡先朋等 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 馬銳等 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 收稿日期 2020 10 16 修訂日期 2021 03 29 基金項(xiàng)目 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 51765059 兵團(tuán)優(yōu)秀青年教師項(xiàng)目 CZ027213 作者簡介 任玲 博士 教授 研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)自動化與信息化 Email 2542958572 通信作者 曹衛(wèi)彬 教授 博士生導(dǎo)師 研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計及自動 化技術(shù) Email Wbc828 本文通過增加一個工作臺的方式 實(shí)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(shí)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(yàn)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) Table 1 Parameters of components in dividing device 參數(shù) Parameters 值 Values 底座尺寸 mm 450 650 氣缸伸縮量 mm 150 工作臺尺寸 mm 200 400 80 傳送帶長度 mm 860 電機(jī)扭矩 N m 2 3 接苗斗直徑 mm 10 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 第 8 期 任 玲等 穴苗移栽機(jī)雙旋轉(zhuǎn)式分苗裝置設(shè)計 11 1 底座固定架 2 底座軸承 3 傳送帶 4 步進(jìn)電機(jī) 5 氣缸固定件 6 氣 缸組件 7 柵格 8 傳送帶固定架 9 接苗斗 1 Base holder 2 Base bearing 3 Conveyor belt 4 Stepping motor 5 Cylinder fixing part 6 Cylinder components 7 Grid 8 Conveyor belt holder 9 Seedlings picking hopper 圖 1 分苗裝置結(jié)構(gòu)簡圖 Fig 1 Structure diagram of seedlings dividing device 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(shí)現(xiàn)連續(xù) 分苗 取苗爪返回取苗位置 工作臺 l 投苗 工作臺 2 等待 Seedling picking claws back to the seedlings pick position workbench 1 casting the seedlings and workbench 2 waiting 取苗爪傳送穴苗至工作臺 1 內(nèi) 工作臺 2 投苗 Seedling picking claws delivering seedlings into workbench 1 workbench 2 dropping the seedlings 取苗爪返回至取苗位置 工作臺 1 準(zhǔn)備投苗 工作臺 2 返回至初始位置 Seedling picking claws back to the seedlings pick position workbench 1 ready for seedlings dropping and workbench 2 back to the initial position 圖 2 分苗過程示意圖 Fig 2 Schematic diagram of seedlings dividing procedure 注 s 表示傳感器響應(yīng)時間 s a 時刻表示苗爪返回 工作臺 1 投苗 b 時刻表示苗爪送苗 工作臺 2 投苗 c 時刻表示苗爪返回 工作臺 1 準(zhǔn)備投苗 工作 臺 2 返回 Note s is sensor response time s time a means the seedling claw returns and the workbench1 seeding time b means seedling is sent to workbench2 by seedling claw and the workbench2 seeding time c means seedling claw returns workbench 1 ready to divide and workbench 2 return 圖 3 分苗裝置工作流程示意圖 Fig 3 Schematic diagram of seedlings dividing device working process 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 圖 4 底座結(jié)構(gòu)簡圖 Fig 4 Base structure diagram 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 http www tcsae org 2021 年 12 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 NE 的距離盡可能小 使接苗斗靠近底座 F 點(diǎn)應(yīng)在 C 點(diǎn)與 M 點(diǎn)之間 符合氣缸實(shí)際動作 注 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 Note is the rotation angle of the seedlings dropping workbench AB under the cylinder contraction state MF is the expansion length of the cylinder mm point O is rotation centre CDNQ is the base point E is the seedlings dropping position The same below 圖 5 工作臺 1 旋轉(zhuǎn)過程簡圖 Fig 5 Diagram of workbench 1 rotation process 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) a 收縮狀態(tài) a Contracted state b 伸出狀態(tài) b Extended state 圖 6 氣缸收縮與伸出狀態(tài)示意圖 Fig 6 Schematic diagram of cylinder contract and extend state 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) 圖 7 臺架結(jié)構(gòu)圖 Fig 7 Structure diagram of bench 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 a 工作臺裝配 a Assembly of workbench b 傳送帶 b Conveyor belt 注 r 為傳送帶輪直徑 mm b 為柵格邊長 mm Note r is the diameter of the conveyor belt wheel mm b is the side length of the grid mm 圖 8 傳送帶裝配圖 Fig 8 Schematic assembly diagram of conveyor belt 傳送帶轉(zhuǎn)速為 V b n 1 式中 V 為傳送帶轉(zhuǎn)速 mm s 當(dāng) n 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(yàn)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 X 軸 豎直方向?yàn)?Y 軸 向下為正方向 建立直角坐 標(biāo)系 穴苗拋出后落入 E 點(diǎn) 接苗斗安裝位置 圖 9 分苗過程側(cè)視圖 Fig 9 Side view of seedlings separating process 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 f V m 2 式中 F f 為空氣阻力 N 為空氣阻力系數(shù) V m 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 第 8 期 任 玲等 穴苗移栽機(jī)雙旋轉(zhuǎn)式分苗裝置設(shè)計 13 究投苗速度對投苗效果的影響 注 BE 為投苗路徑 F f 為空氣阻力 N F fx F fy 分別為空氣阻力 的水平與 垂直分量 N G 為穴苗重力 N V m 為穴苗運(yùn)動速度 mm s 1 Note BE is the seedlings dropping route F f is the air resistance N F fx and F fy are the horizontal and vertical components of the air resistance N G is seedling gravity N V m is the velocity of the seedlings mm s 1 圖 10 投苗過程穴苗受力分析 Fig 10 Force analysis of seedling during seedling dropping fxx Fma 3 式中 m 為穴苗質(zhì)量 g a x 為穴苗水平加速度 mm s 2 通過對式 3 積分 可得穴苗水平方向運(yùn)動速度為 m 0 t xtVVe 4 式中 V xt 為穴苗水平方向運(yùn)動速度 mm s V o 為穴苗拋 出速度 mm s t為運(yùn)動時間 s 將式 4 再次積分 可得穴苗水平位移為 0 t m m x Vt e 5 式中 x 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 G fyy Fma 6 式中 a y 為穴苗垂直加速度 mm s 2 對式 6 進(jìn)行積分 得穴苗垂直方向運(yùn)動速度為 g 1 t m yt m Ve 7 式中 V yt 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 2 2 g 1 t m m ye 8 式中 y 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 2 2 0 g1 lim 22 t m mt yegt m 9 從式 9 可知 當(dāng) 無限趨于 0 時 y 的值無限趨于 2 1 2 gt 在該情況下 當(dāng)投苗高度一定時 垂直方向位移確定 則可確定穴苗運(yùn)動時間 t 4 投苗性能試驗(yàn) 4 1 設(shè)備與材料 試驗(yàn)設(shè)備包括番茄穴苗分苗投苗試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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) Table 2 Characteristic values of seedlings 參數(shù) Parameters 數(shù)值 Values 穴苗平均高度 Seedlings average height mm 136 66 平均葉展寬度 Average width of leaf expanded mm 102 83 平均穴苗質(zhì)量 Average seedling mass g 10 80 基質(zhì)平均含水率 Substrate average moisture content 62 89 4 2 評價指標(biāo) 穴苗拋出落入接苗斗時 穴苗動能可表示為 222 22 mxtyt mm TV VV 10 式中 T 為穴苗動能 J 由式 4 與式 7 可知 對于 單個穴苗 質(zhì)量 m 不變 初速度 V 0 空氣阻力系數(shù) 值 運(yùn)動時間 t 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(diǎn) C 的坐標(biāo)為 2 0 2 g C 1 tt mm mm Vt e e 11 對于單個穴苗 m 值不變 投苗速度 V 0 空氣阻 力系數(shù) 值 運(yùn)動時間 t 對落苗點(diǎn)水平位置有影響 因此 需要根據(jù)落苗點(diǎn)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 t 受投苗高度影響 投苗速度 V 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(yàn)選取投苗成功率 Y 1 基質(zhì)破損率 Y 2 作為試驗(yàn)評價指標(biāo) 其計算公式如下 1 1 N Y N 12 1 2 100 M Y M 13 式中 N 1 為成功投苗株數(shù) N 表示總投苗株數(shù) M 1 為掉落 的基質(zhì)質(zhì)量 g M 為基質(zhì)總質(zhì)量 g 4 3 單因素試驗(yàn) 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(yàn)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(yàn)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 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 http www tcsae org 2021 年 14 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(yàn)測試 128 株穴苗 重復(fù) 5 次 試驗(yàn)結(jié)果如圖 11 所示 a 投苗高度單因素試驗(yàn)結(jié)果 b 投苗速率單因素試驗(yàn)結(jié)果 c 穴苗傾角單因素試驗(yàn)結(jié)果 a Single factor test results of the seedling dropping height b Single factor test results of the seedling dropping rate c Single factor test results of the seedling inclination angle 圖 11 單因素試驗(yàn)結(jié)果 Fig 11 Results of single factor tests 由圖 11a 可知 當(dāng) 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(yàn) 4 4 1 試驗(yàn)設(shè)計 為驗(yàn)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(yàn) 24 26 每組試驗(yàn)選取 64 棵苗 進(jìn)行回歸試驗(yàn)分析 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)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(yàn) 表 3 為正交試驗(yàn) 因素水平編碼表 表 3 試驗(yàn)因素水平編碼 Table 3 Table of the factors with different levels in the test 水平 Level 投苗高度 Seedling dropping height mm 投苗速率 Seedling dropping speed plants min 1 穴苗傾角 Seedling dropping inclination angle 1 150 55 65 5 0 160 60 75 5 1 170 65 85 5 4 4 2 試驗(yàn)結(jié)果與分析 試驗(yàn)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 Y 1 基質(zhì)破損率 Y 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 4 可知 對投苗 成功率 Y 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 P 值為 0 對投苗成功率影響極 顯著 表 4 正交試驗(yàn)結(jié)果 Table 4 Orthogonal test results 序號 No 投苗高度 Seedling dropping height X 1 投苗速率 Seedling dropping speed X 2 穴苗傾角 Seedling inclination angle X 3 投苗成功率 Success rate of seedling dropping Y 1 基質(zhì)破損率 Damage rate of substrate Y 2 1 1 1 0 93 75 1 72 2 1 1 0 92 19 1 61 3 0 1 1 96 88 1 69 4 0 1 1 90 63 1 66 5 0 0 0 92 19 1 68 6 1 0 1 95 31 1 64 7 1 0 1 90 63 1 72 8 0 1 1 95 31 1 62 9 0 1 1 85 94 1 62 10 0 0 0 90 63 1 70 11 1 1 0 93 75 1 64 12 0 0 0 92 19 1 68 13 1 0 1 87 50 1 59 14 1 0 1 95 31 1 86 15 1 1 0 93 75 2 11 Note X 1 X 2 and X 3 is the level value of experimental factors 對于基質(zhì)破損率 Y 2 3 個因素的 P 值從小到大為投 苗高度 投苗速率 穴苗傾角 其中 X 1 與 X 2 的 P 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 Table 5 Result of variance analysis 指標(biāo) Index 因素 Factors 平方和 Sum of squares F P X 1 2 74 2 33 0 19 X 2 7 63 6 47 0 05 Y1 X 3 98 88 83 79 0 X 1 0 11 23 40 0 01 X 2 0 03 7 26 0 04 Y2 X 3 0 01 1 34 0 30 注 P 0 05 表示差異顯著 P 0 01 表示差異極顯著 Note P 0 05 means the difference is significant P 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 第 8 期 任 玲等 穴苗移栽機(jī)雙旋轉(zhuǎn)式分苗裝置設(shè)計 15 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 a f X 1 X 2 0 b f X 1 0 X 3 c f 0 X 2 X 3 圖 12 交互作用對投苗成功率的影響 Fig 12 Effects of interaction on the success rate of seeding dropping 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 a f X 1 X 2 0 b f X 1 0 X 3 c f 0 X 2 X 3 圖 13 交互作用對基質(zhì)破損率的影響 Fig 13 Effects of interaction on the damage rate of substrate 4 5 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)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 1 2 1 2 3 Max Min 1 1 1 1 1 1 Y Y X X X 14 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(yàn)證試驗(yàn) 試驗(yàn)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(yàn)室進(jìn)行 圖 14 為分苗試驗(yàn)裝置 共進(jìn)行 5 次試驗(yàn) 每次試驗(yàn) 128 株 穴苗 試驗(yàn)結(jié)果如表 7 所示 圖 14 分苗試驗(yàn)裝置 Fig 14 Equipment of seedling separating test 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 http www tcsae org 2021 年 16 表 7 作業(yè)性能驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果 Table 7 Operation performance verification test results 試驗(yàn)號 Test No 投苗成功率 Success rate of seedling dropping 基質(zhì)破損率 Damage rate of substrate 1 95 31 1 59 2 93 75 1 67 3 100 00 1 70 4 95 31 1 63 5 97 66 1 65 平均 Average 96 41 1 65 5 次試驗(yàn)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(shí)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(shí)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(yàn) 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(yàn) 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(yàn) 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(yàn)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 參 考 文 獻(xiàn) 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 2 Key Laboratory of Northwest Agricultural Equipment of Ministry of Agriculture and Rural Affairs Shihezi 832003 China Abstract 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 a