穴盘苗气力式整排顶苗机构设计与试验_彭泽辉.pdf

第 47 卷 第 4 期 中 国 农 机 化 学 报 Vol 47 No 4 2026 年 4 月 Journal of Chinese Agricultural Mechanization Apr 2026 DOI 10 13733 j jcam issn 2095 5553 2026 04 009 彭 泽 辉 杨 发 展 徐 国 立 等 穴 盘 苗 气 力 式 整 排 顶 苗 机 构 设 计 与 试 验 J 中 国 农 机 化 学 报 2026 47 4 58 64 Peng Zehui Yang Fazhan Xu Guoli et al Design and test of pneumatic whole row seedling jacking mechanism for hole tray seedlings J Journal of Chinese Agricultural Mechanization 2026 47 4 58 64 穴 盘 苗 气 力 式 整 排 顶 苗 机 构 设 计 与 试 验 彭 泽 辉 1 杨 发 展 1 2 徐 国 立 1 沈 熙 童 1 曹 彪 1 宋 泉 1 1 青 岛 理 工 大 学 机 械 与 汽 车 工 程 学 院 青 岛 市 266520 2 青 岛 理 工 大 学 工 业 流 体 节 能 与 污 染 控 制 教 育 部 重 点 实 验 室 青 岛 市 266520 摘 要 针 对 顶 出 夹 取 式 取 苗 装 置 在 顶 出 时 存 在 顶 苗 失 败 钵 体 易 变 形 和 破 损 等 问 题 设 计 一 种 气 力 式 整 排 顶 出 装 置 采 用 气 力 驱 动 顶 杆 插 入 钵 体 的 方 式 从 而 顶 出 整 排 钵 苗 并 对 其 工 作 原 理 进 行 分 析 通 过 建 立 钵 体 力 学 模 型 对 顶 出 后 的 钵 苗 进 行 运 动 学 分 析 确 定 影 响 顶 苗 效 果 的 因 素 为 顶 杆 直 径 顶 入 钵 体 深 度 和 顶 出 速 度 选 用 穴 盘 螺 丝 椒 苗 作 为 试 验 对 象 采 用 Box Behnken 响 应 曲 面 分 析 法 以 基 质 破 损 率 作 为 评 价 指 标 设 计 三 因 素 三 水 平 正 交 试 验 通 过 方 差 分 析 和 3 D 响 应 面 分 析 得 出 最 优 参 数 圆 整 值 为 顶 杆 直 径 3 50 mm 顶 入 钵 体 深 度 20 00 mm 顶 出 速 度 75 00 mm s 经 过 台 架 验 证 试 验 平 均 基 质 破 损 率 为 4 16 关 键 词 穴 盘 苗 移 栽 机 顶 苗 装 置 取 苗 机 构 气 力 式 中 图 分 类 号 S223 9 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 2095 5553 2026 04 0058 07 Design and test of pneumatic whole row seedling jacking mechanism for hole tray seedlings Peng Zehui 1 Yang Fazhan 1 2 Xu Guoli 1 Shen Xitong 1 Cao Biao 1 Song Quan 1 1 School of Mechanical Automotive Engineering Qingdao University of Technology Qingdao 266520 China 2 Key Lab of Industrial Fluid Energy Conservation and Pollution Control of Ministry of Education Qingdao University of Technology Qingdao 266520 China Abstract Aiming at the problems of seedling ejection failure easy deformation and breakage of the potting body during ejection of the ejecting clamping seedling extraction device a pneumatic whole row ejecting device was designed which adopts pneumatic driving of the ejector rod to insert into the potting body so as to eject the whole row of potting seedling and the working principle of the device was analyzed Through the establishment of potting body kinematic model the kinematic analysis of the potting seedlings after ejection was conducted and it was determined that the factors affecting the effect of seedling ejection were the diameter of the top bar the depth of the top into the potting body and the ejection speed In this paper screw pepper seedlings in hole trays were selected as test objects and Box Behnken response surface analysis method was used and the substrate damage rate was used as the evaluation index a three factor three level orthogonal test was designed Through analysis of variance and 3 D response surface analysis the optimal parameter combinations were determined as the top rod diameter of 3 50 mm depth of the top into the pot of 20 00 mm and the ejection speed of 75 00 mm s After bench verification tests the average substrate breakage rate was 4 16 Keywords cell seedlings transplanter seedling jacking device seedling picking mechanism pneumatic 0 引 言 采 用 穴 盘 苗 移 栽 方 式 种 植 蔬 菜 已 成 为 农 业 生 产 的 一 种 显 著 趋 势 1 相 比 于 传 统 的 直 播 种 植 方 式 育 苗 移 栽 技 术 具 有 诸 多 优 势 包 括 幼 苗 成 活 率 更 高 生 长 周 期 缩 短 土 地 利 用 率 提 高 和 产 量 增 加 等 2 4 然 而 取 收 稿 日 期 2024 年 7 月 25 日 修 回 日 期 2025 年 1 月 11 日 基 金 项 目 国 家 重 点 研 发 计 划 子 课 题 2018 YFD0300606 第 一 作 者 彭 泽 辉 男 2000 年 生 山 东 淄 博 人 硕 士 研 究 生 研 究 方 向 为 自 动 化 移 栽 机 E mail 1561282911 qq com 通 讯 作 者 杨 发 展 男 1981 年 生 山 东 郓 城 人 博 士 教 授 博 导 研 究 方 向 为 智 能 农 机 装 备 水 肥 一 体 化 装 备 开 发 E mail fazhany 163 com第 4 期 彭 泽 辉 等 穴 盘 苗 气 力 式 整 排 顶 苗 机 构 设 计 与 试 验 苗 作 业 作 为 自 动 化 移 栽 过 程 中 不 可 或 缺 的 环 节 在 自 动 取 苗 时 却 面 临 取 苗 效 果 差 钵 体 破 损 率 高 等 问 题 取 苗 装 置 作 为 自 动 化 移 栽 机 的 核 心 部 件 之 一 取 苗 质 量 的 高 低 直 接 决 定 移 栽 机 整 体 的 工 作 质 量 所 以 研 制 高 效 低 损 性 能 稳 定 结 构 简 单 的 取 苗 装 置 对 实 现 自 动 化 取 苗 至 关 重 要 5 6 对 此 众 多 学 者 对 各 种 自 动 化 取 苗 方 式 进 行 深 入 研 究 7 其 中 顶 出 式 8 插 入 夹 取 式 9 10 顶 出 夹 取 结 合 式 11 气 吹 式 12 和 下 压 式 13 等 多 种 取 苗 方 式 被 广 泛 应 用 各 种 技 术 的 出 现 大 幅 提 高 了 取 苗 作 业 的 效 率 和 质 量 文 永 双 等 14 针 对 取 苗 性 能 差 结 构 复 杂 等 问 题 设 计 一 种 插 入 顶 出 式 取 苗 装 置 对 顶 出 过 程 进 行 受 力 分 析 顶 针 穿 过 漏 水 孔 将 钵 苗 顶 出 再 由 翻 转 机 构 进 行 取 苗 降 低 基 质 损 失 率 张 学 东 等 15 设 计 一 种 顶 夹 式 取 苗 末 端 执 行 器 顶 针 错 位 等 距 固 定 钵 苗 顶 杆 穿 过 透 水 孔 顶 苗 并 利 用 EDEM 建 立 钵 体 模 型 对 顶 苗 夹 苗 过 程 进 行 仿 真 分 析 刘 卫 想 等 16 设 计 一 种 顶 出 夹 取 式 自 动 取 苗 机 构 采 用 曲 柄 滑 块 机 构 作 为 顶 苗 机 构 进 行 往 复 直 线 性 动 作 将 钵 苗 顶 出 基 质 损 失 严 重 胡 建 平 等 17 为 解 决 基 质 块 与 穴 盘 之 间 黏 附 力 与 盘 根 性 造 成 的 取 苗 成 功 率 低 钵 体 破 碎 率 高 的 问 题 提 出 顶 夹 拔 组 合 式 取 苗 技 术 顶 苗 装 置 将 钵 体 顶 松 再 通 过 两 指 四 针 气 动 取 苗 爪 向 下 插 入 钵 体 向 上 夹 紧 完 成 取 苗 取 苗 效 果 较 好 但 装 置 复 杂 张 妮 等 18 为 解 决 夹 钵 式 和 夹 茎 式 造 成 钵 体 受 损 以 及 伤 苗 的 问 题 提 出 一 种 顶 出 夹 茎 组 合 式 取 苗 方 式 顶 杆 顶 钵 苗 夹 夹 取 茎 秆 平 移 投 苗 完 成 取 苗 基 于 以 上 研 究 发 现 顶 出 夹 取 结 合 的 取 苗 方 式 装 置 相 对 复 杂 需 要 各 种 零 部 件 精 密 配 合 目 前 各 个 学 者 对 夹 苗 机 构 进 行 大 量 研 究 不 断 进 行 优 化 设 计 可 实 现 取 苗 自 动 化 但 顶 苗 机 构 作 为 取 苗 装 置 中 的 核 心 工 作 部 件 现 阶 段 对 顶 苗 装 置 研 究 较 少 针 对 工 作 过 程 中 出 现 的 顶 苗 失 败 钵 体 变 形 严 重 和 破 损 等 问 题 本 文 对 顶 苗 过 程 进 行 运 动 受 力 分 析 得 出 影 响 顶 出 装 置 的 因 素 重 点 对 顶 出 装 置 进 行 理 论 分 析 与 优 化 设 计 通 过 正 交 试 验 确 定 顶 出 装 置 的 最 优 参 数 组 合 为 后 续 顶 出 夹 取 结 合 式 整 机 的 制 备 提 供 参 考 1 取 苗 装 置 整 体 结 构 与 工 作 原 理 1 1 取 投 苗 装 置 取 投 苗 装 置 整 体 结 构 如 图 1 所 示 由 苗 盘 输 送 装 置 顶 苗 装 置 取 投 苗 装 置 电 机 和 机 架 等 组 成 将 其 穴 苗 盘 放 置 在 苗 盘 输 送 装 置 上 方 苗 盘 随 电 机 的 转 动 往 前 输 送 至 顶 苗 位 置 顶 苗 机 构 首 先 从 穴 盘 底 部 将 钵 苗 顶 出 然 后 由 取 投 苗 机 构 进 行 夹 取 分 苗 完 成 取 苗 动 作 图 1 取 投 苗 结 构 示 意 图 Fig 1 Schematic diagram of the structure of picking up and dropping seedlings 1 升 降 机 构 2 平 移 机 构 3 机 架 4 苗 盘 输 送 机 构 5 压 盘 机 构 6 电 机 7 分 苗 机 构 1 2 工 作 原 理 顶 出 夹 取 式 取 投 苗 装 置 工 作 原 理 如 图 2 所 示 取 投 苗 过 程 为 苗 盘 定 位 顶 杆 顶 出 夹 苗 板 打 开 夹 取 茎 秆 拔 苗 出 盘 苗 夹 移 位 精 准 投 苗 其 中 苗 盘 定 位 由 定 位 传 感 器 给 出 信 号 步 进 电 机 停 止 转 动 穴 盘 下 方 水 孔 与 顶 苗 装 置 同 心 顶 杆 采 取 竖 直 上 下 伸 缩 的 运 动 方 式 将 钵 体 从 底 部 向 上 顶 出 一 定 的 位 移 夹 取 机 构 平 移 至 钵 苗 茎 秆 处 向 上 夹 持 拔 出 然 后 夹 持 钵 苗 平 移 到 分 苗 装 置 的 上 方 松 开 夹 苗 板 钵 苗 受 重 力 作 用 落 入 苗 杯 中 一 次 取 苗 完 成 各 个 气 缸 回 到 初 始 状 态 依 次 循 环 完 成 自 动 化 取 苗 图 2 取 苗 机 构 动 作 原 理 图 Fig 2 Principle of operation of seedling picking mechanism 2 关 键 部 件 设 计 2 1 苗 盘 输 送 机 构 工 作 参 数 苗 盘 输 送 机 构 用 于 钵 苗 苗 盘 的 供 给 如 图 3 所 示 苗 盘 输 送 机 构 由 步 进 电 机 联 轴 器 主 动 轴 主 动 链 轮 链 条 苗 盘 推 杆 压 盘 板 从 动 轴 从 动 链 轮 张 紧 轮 护 罩 板 和 光 电 传 感 器 等 组 成 图 3 苗 盘 输 送 机 构 示 意 图 Fig 3 Schematic diagram of seedling tray conveying mechanism 1 主 动 链 轮 2 苗 盘 推 杆 3 压 盘 板 4 从 动 链 轮 5 从 动 轴 6 张 紧 轮 7 护 罩 板 8 步 进 电 机 9 联 轴 器 10 主 动 轴 苗 盘 输 送 分 为 2 个 阶 段 1 人 工 将 苗 盘 放 置 在 推 杆 上 使 其 推 苗 杆 卡 在 苗 盘 间 隙 利 用 PLC 控 制 器 通 过 定 位 传 感 器 给 驱 动 器 信 号 来 控 制 步 进 电 机 进 行 转 59中 国 农 机 化 学 报 2026 年 动 电 机 带 动 链 轮 旋 转 链 条 带 着 推 杆 平 稳 向 前 推 送 从 而 带 动 苗 盘 实 现 间 歇 运 动 到 达 指 定 取 苗 位 置 2 在 取 苗 完 成 后 苗 盘 在 护 罩 板 的 作 用 下 会 发 生 弯 曲 随 着 链 轮 的 转 动 从 输 送 机 构 的 下 方 送 出 压 盘 板 主 要 用 于 在 顶 苗 机 构 顶 出 时 压 住 穴 盘 防 止 被 顶 高 避 免 后 续 顶 苗 动 作 无 法 准 确 顶 出 钵 体 PLC 控 制 器 通 过 光 电 定 位 传 感 器 接 收 信 号 来 控 制 步 进 电 机 的 启 停 从 而 实 现 穴 盘 间 歇 运 动 其 电 机 转 速 与 取 苗 频 率 相 关 移 栽 频 率 越 高 苗 盘 推 杆 向 前 推 送 的 速 度 越 快 转 速 也 越 快 因 此 链 轮 转 速 需 满 足 n 1 1 000 60v a Z 1 p 1 式 中 n 1 主 动 链 轮 转 速 r min Z 1 主 动 链 轮 齿 数 v a 链 轮 移 动 速 度 m s p 链 条 节 距 选 用 链 条 型 号 为 08A p 为 12 7 mm Z 1 为 63 在 取 苗 频 率 72 株 min 时 完 成 1 个 取 苗 周 期 需 要 5 s 为 防 止 各 个 运 动 部 件 发 生 干 涉 实 现 间 歇 送 苗 选 择 穴 盘 向 前 移 动 一 格 的 时 间 为 1 s 72 穴 标 准 穴 盘 中 心 孔 之 间 的 距 离 为 43 mm 所 以 移 动 速 度 v a 为 0 043 m s 代 入 式 1 得 n 1 为 3 3 r min 即 步 进 电 机 转 速 为 3 3 r min 2 2 顶 出 机 构 2 2 1 顶 出 装 置 设 计 顶 出 机 构 和 夹 苗 装 置 相 互 配 合 完 成 取 苗 过 程 苗 盘 输 送 机 构 将 苗 盘 输 送 至 底 部 排 水 孔 与 顶 杆 同 心 的 位 置 随 后 顶 苗 气 缸 开 始 工 作 驱 动 顶 杆 向 上 顶 出 顶 杆 穿 过 穴 盘 底 孔 将 整 排 钵 苗 顶 出 至 预 定 位 置 继 续 向 前 输 送 至 夹 苗 位 置 此 过 程 中 夹 苗 气 缸 夹 取 茎 秆 将 钵 苗 拔 起 完 成 取 苗 过 程 顶 出 机 构 示 意 图 如 图 4 所 示 顶 杆 与 顶 苗 气 缸 之 间 通 过 法 兰 盘 固 定 连 接 顶 杆 支 架 依 据 72 穴 盘 穴 孔 之 间 的 距 离 均 匀 安 装 在 顶 杆 处 确 保 两 个 顶 杆 之 间 间 距 为 43 mm 顶 杆 由 白 色 树 脂 材 料 结 合 3 D 打 印 技 术 加 工 制 成 根 据 穴 孔 的 尺 寸 保 证 顶 杆 与 基 质 的 接 触 面 积 最 大 化 将 顶 杆 顶 部 设 计 为 半 球 形 状 以 减 小 与 钵 体 接 触 时 可 能 产 生 的 损 伤 此 外 由 PLC 控 制 器 来 精 确 控 制 顶 苗 气 缸 上 下 伸 缩 确 保 操 作 的 准 确 性 和 稳 定 性 图 4 顶 苗 机 构 示 意 图 Fig 4 Schematic diagram of top seedling mechanism 1 顶 杆 2 法 兰 盘 3 顶 苗 气 缸 2 2 2 钵 体 脱 盘 力 的 测 定 选 用 山 东 寿 光 培 育 的 螺 丝 椒 苗 作 为 试 验 对 象 随 机 选 取 5 株 钵 苗 测 量 其 脱 盘 力 F 如 图 5 a 所 示 采 用 TA XT Plus 型 质 构 仪 进 行 脱 盘 试 验 苗 盘 固 定 于 平 面 上 保 持 茎 秆 与 仪 器 在 一 条 水 平 线 上 用 其 自 带 夹 具 将 苗 杆 夹 住 沿 竖 直 方 向 进 行 拉 拔 设 置 参 数 脱 盘 位 移 为 30 mm 脱 盘 速 度 为 60 mm min 得 出 脱 盘 力 曲 线 由 图 5 b 可 知 脱 盘 力 先 逐 渐 上 升 这 一 阶 段 是 克 服 穴 盘 与 钵 体 之 间 的 黏 附 力 和 摩 擦 力 等 到 达 最 大 值 后 说 明 已 完 全 克 服 其 脱 盘 所 需 的 阻 力 此 后 脱 盘 力 逐 渐 减 小 并 趋 于 稳 定 这 一 阶 段 是 脱 盘 力 只 受 穴 盘 苗 的 重 力 影 响 因 此 在 顶 苗 机 构 顶 苗 时 需 克 服 钵 体 与 穴 盘 之 间 的 摩 擦 力 和 黏 附 力 以 及 钵 苗 本 身 的 重 力 脱 盘 力 F 的 范 围 为 3 09 5 22 N a 试 验 仪 器 b 脱 盘 力 曲 线 图 5 脱 盘 力 测 试 Fig 5 Unwinding force test 2 2 3 钵 苗 力 学 模 型 实 现 稳 定 低 损 顶 苗 是 本 文 重 点 研 究 对 象 之 一 在 钵 苗 被 顶 起 的 过 程 中 钵 体 受 自 身 的 重 力 G 和 钵 苗 与 穴 盘 内 壁 之 间 存 在 的 黏 结 力 F ki 和 摩 擦 力 F fi 并 对 其 钵 苗 模 型 进 行 受 力 分 析 如 图 6 所 示 图 6 基 质 受 力 分 析 Fig 6 Matrix force analysis 1 钵 体 起 始 位 置 2 钵 体 脱 离 位 置 3 穴 盘 壁 4 钵 体 注 F k1 为 左 侧 穴 盘 壁 与 钵 苗 之 间 的 黏 附 力 N F k2 为 右 侧 穴 盘 壁 与 钵 苗 之 间 的 黏 附 力 N F f1 为 穴 盘 左 侧 面 对 钵 苗 的 摩 擦 力 N F f2 为 穴 盘 右 侧 面 对 钵 苗 的 摩 擦 力 N G 为 钵 苗 自 身 的 重 力 N F T 为 钵 苗 顶 出 力 N 为 摩 擦 力 与 中 心 线 的 夹 角 D d 为 顶 苗 杆 的 直 径 mm X L 为 顶 入 钵 体 深 度 mm 脱 盘 力 与 钵 体 在 脱 离 穴 盘 时 受 到 4 个 侧 面 之 间 的 黏 附 力 和 摩 擦 力 在 竖 直 方 向 的 合 力 可 认 为 近 似 相 等 顶 出 力 过 小 时 会 导 致 钵 体 无 法 顶 出 顶 出 力 过 大 时 会 导 致 顶 杆 穿 透 钵 体 造 成 损 坏 若 使 钵 苗 被 顺 利 顶 出 脱 离 穴 盘 并 保 持 钵 体 基 质 块 完 整 顶 苗 机 构 的 顶 出 力 F T 应 满 足 60第 4 期 彭 泽 辉 等 穴 盘 苗 气 力 式 整 排 顶 苗 机 构 设 计 与 试 验 F T F F 4 F ki sin F fi cos G 2 根 据 2 2 2 节 脱 盘 力 试 验 可 得 钵 苗 平 均 脱 盘 力 为 3 78 N 为 保 证 能 够 将 钵 苗 可 靠 顶 出 且 不 能 损 伤 基 质 顶 出 力 F T 至 少 为 5 22 N 所 以 选 用 SMC 薄 型 气 缸 型 号 为 CDQSB16 30 DM 顶 出 力 为 25 12 N 气 缸 行 程 30 mm 满 足 设 计 需 求 2 2 4 顶 苗 运 动 学 分 析 为 确 保 顶 杆 顶 出 效 果 最 佳 基 质 破 损 率 降 到 最 低 保 持 顶 出 位 置 一 致 性 现 以 钵 体 中 心 点 为 原 点 顶 杆 顶 出 位 移 方 向 为 y 轴 建 立 直 角 坐 标 系 xoy 并 对 其 进 行 运 动 学 分 析 如 图 7 所 示 顶 杆 与 钵 体 底 部 接 触 时 顶 杆 要 克 服 钵 体 与 穴 盘 内 壁 之 间 的 黏 附 力 摩 擦 力 等 直 至 顶 出 一 定 的 距 离 此 时 顶 杆 为 加 速 运 动 加 速 度 a 1 0 得 钵 体 惯 性 力 F z ma 1 根 据 达 朗 贝 尔 原 理 列 运 动 状 态 方 程 为 F n F d F fi F ki F z G F d PS d 3 式 中 F n 穴 盘 对 钵 体 的 支 持 合 力 N F d 顶 杆 对 钵 体 的 作 用 力 N P 顶 杆 对 钵 体 的 压 强 Pa S d 顶 杆 与 钵 体 的 接 触 面 积 m 2 图 7 顶 苗 运 动 分 析 Fig 7 Top seedling movement analysis 在 钵 苗 脱 离 穴 盘 被 顶 出 的 过 程 中 钵 苗 处 于 加 速 状 态 下 a 1 的 数 值 是 变 化 的 由 于 钵 体 是 软 弹 性 材 料 在 顶 杆 断 面 与 其 接 触 的 位 置 会 造 成 表 面 凹 陷 发 生 形 变 严 重 时 会 损 伤 钵 体 影 响 后 续 的 生 长 发 育 钵 体 形 变 量 与 顶 入 钵 体 深 度 X L 顶 杆 的 速 度 v 0 有 关 顶 入 深 度 越 深 速 度 越 大 对 钵 体 的 冲 击 力 越 大 压 缩 形 变 量 越 大 基 质 块 损 伤 越 严 重 匀 速 状 态 下 顶 杆 速 度 v 0 无 变 化 时 惯 性 力 F z 越 大 对 钵 苗 的 损 伤 越 小 19 根 据 式 3 推 导 可 得 要 增 加 惯 性 力 F z 需 要 增 加 顶 杆 作 用 力 F d 在 压 强 不 变 的 情 况 下 影 响 顶 杆 作 用 力 F d 的 影 响 因 素 为 顶 杆 与 钵 体 底 部 的 接 触 面 积 综 上 要 实 现 高 效 低 损 顶 苗 动 作 需 优 化 设 计 顶 杆 的 相 关 参 数 包 括 顶 杆 直 径 顶 入 钵 体 深 度 以 及 顶 杆 速 度 根 据 3 个 参 数 设 计 相 关 正 交 试 验 来 确 定 最 优 参 数 组 合 3 顶 苗 试 验 3 1 试 验 条 件 试 验 方 法 与 评 价 指 标 试 验 采 用 山 东 寿 果 农 业 有 限 公 司 培 育 的 螺 丝 椒 苗 作 为 试 验 对 象 标 准 72 孔 穴 盘 育 苗 整 体 尺 寸 为 540 mm 280 mm 苗 盘 由 聚 苯 乙 烯 材 料 制 成 土 壤 采 用 有 机 质 营 养 土 培 育 主 要 成 分 为 蛭 石 珍 珠 岩 草 炭 按 1 1 2 比 例 混 合 而 成 钵 体 基 质 块 紧 实 根 系 发 达 满 足 试 验 条 件 试 验 仪 器 台 架 装 置 试 验 台 图 8 珠 恒 ACS 电 子 秤 和 直 尺 测 试 方 法 为 取 苗 前 将 整 个 穴 盘 放 置 在 电 子 秤 上 进 行 称 量 试 验 完 成 后 将 未 取 基 质 与 穴 盘 一 起 称 量 分 别 进 行 记 录 计 算 图 8 试 验 装 置 台 Fig 8 Test setup 1 空 压 机 2 剪 叉 分 散 机 构 3 取 投 苗 机 构 4 顶 苗 机 构 试 验 指 标 为 基 质 破 损 率 在 顶 苗 的 过 程 中 基 质 块 受 到 外 力 的 冲 击 钵 体 会 出 现 挤 压 破 碎 的 情 况 钵 体 的 损 伤 率 会 影 响 到 后 续 的 正 常 生 长 所 以 要 将 基 质 的 破 损 率 降 到 最 低 基 质 破 损 率 Y 1 为 试 验 后 穴 盘 内 剩 余 的 基 质 质 量 与 试 验 前 穴 盘 苗 基 质 质 量 之 比 计 算 如 式 4 所 示 Y 1 N 1 N x N N x 100 4 式 中 N 1 试 验 后 穴 盘 总 质 量 g N 试 验 前 穴 盘 苗 总 质 量 g N x 穴 盘 质 量 g 3 2 正 交 试 验 设 计 为 探 究 顶 苗 装 置 在 顶 出 时 如 何 对 基 质 的 损 伤 最 小 化 利 用 Design Expert 13 0 软 件 对 顶 杆 直 径 顶 入 钵 体 深 度 顶 出 速 度 3 个 因 素 进 行 三 因 素 三 水 平 正 交 试 验 采 用 Box Behnken 响 应 面 分 析 法 优 化 最 优 参 数 共 有 17 组 试 验 72 穴 标 准 穴 盘 单 个 苗 钵 尺 寸 为 上 方 40 mm 40 mm 下 方 20 mm 20 mm 底 部 中 心 漏 水 孔 的 直 径 为 6 mm 左 右 为 保 证 顶 杆 顺 利 顶 入 顶 杆 直 径 应 小 于 6 mm 结 合 理 论 分 析 与 前 期 的 预 实 验 发 现 在 顶 杆 直 径 小 于 2 5 mm 时 顶 杆 易 插 入 基 质 块 内 部 对 钵 体 造 成 损 伤 顶 杆 直 径 大 于 4 5 mm 时 顶 杆 不 易 精 准 从 穴 盘 漏 水 孔 顶 入 顶 入 苗 钵 深 度 小 于 61中 国 农 机 化 学 报 2026 年 10 mm 时 钵 体 不 易 被 顶 松 顶 入 深 度 大 于 20 mm 时 对 钵 体 损 伤 较 大 顶 苗 速 度 受 整 机 装 备 的 影 响 速 度 过 低 取 苗 效 率 低 下 速 度 过 高 顶 出 时 顶 杆 与 穴 盘 底 孔 对 应 不 准 确 造 成 苗 盘 变 形 综 合 考 虑 确 定 试 验 因 素 编 码 如 表 1 所 示 表 1 正 交 试 验 因 素 编 码 Tab 1 Orthogonal test factor coding 编 码 1 0 1 试 验 因 素 顶 杆 直 径 A mm 2 5 3 5 4 5 顶 入 钵 体 深 度 B mm 10 15 20 顶 出 速 度 C mm s 1 40 60 80 3 3 试 验 结 果 与 分 析 采 用 Design Expert 13 0 软 件 进 行 数 据 处 理 和 分 析 试 验 结 果 如 表 2 所 示 得 到 基 质 破 损 率 Y 1 的 二 次 多 项 式 回 归 模 型 为 Y 1 4 8 0 191 3 A 0 62 3 8B 0 3 C 0 2 12 5AB 0 18AC 0 73 BC 2 17A 2 0 047 2 B 2 0 770 2 C 2 5 表 2 顶 苗 试 验 方 案 与 结 果 Tab 2 Top seedling test program and results 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 试 验 因 素 A mm 3 5 4 5 3 5 3 5 4 5 3 5 3 5 2 5 2 5 3 5 3 5 2 5 4 5 3 5 2 5 4 5 3 5 B mm 10 10 15 15 15 10 20 20 15 20 15 15 15 15 10 20 15 C mm s 1 40 60 60 60 40 80 80 60 80 40 60 40 80 60 60 60 60 基 质 破 损 率 5 93 7 81 5 24 3 55 7 99 6 68 3 66 6 47 7 14 5 83 5 27 7 99 7 86 4 97 6 98 6 45 4 98 对 基 质 损 失 率 Y 1 回 归 模 型 进 行 方 差 分 析 如 表 3 所 示 P 值 0 05 说 明 拟 合 效 果 较 好 由 P 值 可 知 对 基 质 破 损 率 的 影 响 顺 序 从 大 到 小 为 顶 入 钵 体 深 度 顶 入 速 度 顶 杆 直 径 顶 入 钵 体 深 度 的 P 值 0 05 表 明 顶 入 钵 体 深 度 对 基 质 破 损 率 的 影 响 显 著 表 3 基 质 破 损 率 方 差 分 析 Tab 3 Analysis of variance for substrate breakage rate 来 源 模 型 A B C AB AC BC A 2 B 2 C 2 残 差 失 拟 相 误 差 总 计 平 方 和 29 81 0 292 6 3 11 0 72 0 180 6 0 129 6 2 13 19 88 0 009 4 2 50 2 26 0 220 5 2 04 32 06 自 由 度 9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 7 3 4 16 均 方 和 3 31 0 292 6 3 11 0 72 0 180 6 0 129 6 2 13 19 88 0 009 4 2 5 0 322 7 0 073 5 0 509 6 F 值 10 26 0 906 8 9 65 2 23 0 559 8 0 401 6 6 61 61 60 0 029 1 7 74 0 114 3 P 值 0 002 8 0 372 7 0 017 2 0 178 9 0 478 7 0 546 4 0 037 0 0 000 1 0 869 3 0 027 2 0 928 2 3 4 响 应 面 分 析 根 据 Design Expert 13 0 软 件 对 其 两 两 因 素 交 互 得 到 模 型 利 用 Origin 2021 软 件 绘 制 两 两 因 素 交 互 作 用 对 基 质 损 失 率 的 3 D 响 应 曲 面 图 如 图 9 所 示 如 图 9 a 所 示 在 顶 苗 速 度 为 60 mm s 时 在 顶 杆 直 径 2 5 mm 和 4 5 mm 处 基 质 破 损 率 随 着 顶 入 位 移 的 加 深 而 减 小 变 换 幅 度 较 小 在 任 何 给 定 水 平 的 顶 入 位 移 下 基 质 破 损 率 都 随 着 顶 杆 直 径 的 增 大 先 减 小 后 增 大 变 化 幅 度 较 大 说 明 顶 杆 直 径 对 基 质 破 损 率 的 影 响 要 大 于 顶 杆 位 移 在 顶 杆 直 径 为 3 5 mm 顶 入 位 移 为 15 mm 处 基 质 破 损 率 达 到 最 小 值 4 98 造 成 这 种 现 象 的 原 因 是 顶 杆 直 径 过 小 导 致 与 钵 体 底 部 接 触 面 积 较 小 顶 出 时 钵 体 易 被 穿 刺 造 成 损 伤 顶 杆 直 径 较 大 时 顶 出 时 钵 体 易 发 生 变 形 对 基 质 破 损 率 造 成 一 定 的 影 响 如 图 9 b 所 示 在 顶 出 位 移 15 mm 时 在 顶 出 速 度 任 一 水 平 下 基 质 破 损 率 的 整 体 变 化 趋 势 为 随 顶 杆 直 径 的 增 大 先 减 小 后 增 大 变 化 幅 度 略 大 差 异 在 于 相 同 顶 杆 直 径 的 情 况 下 产 生 的 响 应 值 不 同 在 顶 杆 直 径 为 2 5 mm 和 4 5 mm 处 基 质 破 损 率 随 顶 出 速 度 的 增 大 先 减 小 后 增 大 变 化 幅 度 略 小 说 明 顶 杆 直 径 对 基 质 破 损 率 的 影 响 要 大 于 顶 出 速 度 在 顶 杆 直 径 为 3 5 mm 顶 出 速 度 为 60 mm s 时 基 质 破 损 率 最 小 为 3 55 如 图 9 c 所 示 在 顶 杆 直 径 为 2 5 mm 顶 出 速 度 为 40 mm s 时 基 质 破 损 率 随 顶 入 钵 体 深 度 的 加 深 无 明 显 变 化 在 顶 出 速 度 80 mm s 时 基 质 破 损 率 随 顶 入 钵 体 深 度 的 加 深 而 减 小 变 化 幅 度 较 大 在 顶 入 钵 体 深 度 为 10 mm 时 基 质 破 损 率 随 顶 出 速 度 的 增 大 先 减 小 后 增 大 在 顶 入 钵 体 深 度 为 62第 4 期 彭 泽 辉 等 穴 盘 苗 气 力 式 整 排 顶 苗 机 构 设 计 与 试 验 20 mm 时 基 质 破 损 率 随 顶 出 速 度 的 增 大 而 减 小 变 化 幅 度 较 明 显 说 明 顶 入 钵 体 深 度 较 深 与 顶 出 速 度 较 大 时