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第36卷 第10期 农 业 工 程 学 报 Vol 36 No 10 46 2020年 5月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering May 2020 番茄钵苗移栽机自动取苗装置作业参数优化与试验 马晓晓 李 华 曹卫彬 余思遥 李树峰 1 石河子大学机械电气工程学院 石河子 832003 2 农业农村部西北农业装备重点实验室 石河子 832003 摘 要 针对新疆地区番茄移栽机械自动化程度低 劳动强度大 作业效率低等问题 该文分析了一种番茄钵苗自动取 苗装置的夹苗器凸轮运动过程 得到了凸轮运动过程参数 结合钵苗取苗作业要求搭建取苗试验台 对自动取苗装置主 要工作参数进行优化 以适栽期番茄钵苗为试验对象 利用自动取苗试验台进行单因素试验 进一步结合理论分析及单 因素试验 选取苗针长度 苗针开度 取苗频率为影响因素 以伤苗率 漏苗率和取苗成功率为评价指标进行三因素三 水平二次旋转正交组合试验 通过Design Expert V8 0 6软件 得到理论最优参数组合 苗针长度198 mm 苗针开度19 mm 取苗频率57株 min 此参数组合下伤苗率为3 91 漏苗率为1 56 取苗成功率为94 69 在自动取苗试验台上进行 验证试验 取苗装置伤苗率为3 44 漏苗率为1 72 取苗成功率为94 38 与优化结果基本吻合 验证了所建模型 与优化参数的合理性 田间取苗试验伤苗率为3 65 漏苗率为2 08 取苗成功率为94 27 田间试验取苗成功率与 优化结果的误差为0 44 表明取苗装置抗干扰能力较强 该研究结果可为番茄全自动移栽机取苗装置的结构改进和作 业参数控制提供参考 关键词 农业机械 优化 试验 番茄钵苗 取苗装置 响应曲面 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 10 006 中图分类号 S223 92 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2020 10 0046 10 马晓晓 李华 曹卫彬 等 番茄钵苗移栽机自动取苗装置作业参数优化与试验 J 农业工程学报 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 新疆是中国加工番茄的主产区 番茄产业在新疆农 业生产中占有非常重要的地位 1 2 近年来 新疆番茄种 植多采用育苗移栽技术 随着种植规模的不断扩大 每 年春季对移栽机械的需求量也日益增大 3 而目前使用的 移栽机械多为半自动移栽机 取投苗作业均需人工完成 自动化程度低 劳动强度大 效率低 作业成本高 严 重制约了育苗移栽技术的发展 4 6 因此 全自动移栽机 成为新疆地区实现作物高效 大规模移植的发展趋势和 必然 开展具有自动取苗和投苗功能的全自动移栽机的 研发势在必行 全自动移栽机研发的核心在于自动取苗技术 目前 国内外关于全自动移栽机机械自动取苗方式的研究主要 有夹取式和顶出式 以这两种取苗方式研制的全自动移 栽机在国外已有应用 7 9 此类全自动移栽机虽然作业效 率高 自动化程度高 但价格昂贵 结构复杂 且主要 收稿日期 2019 11 25 修订日期 2020 05 07 基金项目 国家自然科学基金 51765059 新疆兵团重大科技项目 2018AA010 作者简介 马晓晓 主要从事农业机械设计及理论的研究 Email maxiaoxiao0425 通信作者 李华 博士 副教授 主要从事农业机械设计与自动化技术研 究 Email shzdxlh 针对裸地移栽 不适应于新疆膜上移栽的农艺要求 因 此 无法引进和推广 10 国内对移栽机械研究起步较晚 目前部分半自动移栽机机型已得到应用与推广 11 12 近 年来 国内部分高校与科研院所针对蔬菜全自动移栽机 的核心部件 自动取苗机构开展了大量研究工作 对钵 苗力学特性 13 14 取苗爪结构设计 15 17 取苗机构关键部 件优化设计及仿真分析 18 19 以及关键参数试验研究 20 22 进行了重点研究 但目前还没有成熟的技术应用于农业 生产中 本文针对课题组研制的一种番茄钵苗自动取苗装 置 搭建取苗试验台 取苗装置利用行星轮系 连杆机 构与不规则滑道驱动 控制夹苗器运动过程 实现自 动取苗所需的轨迹姿态 并利用凸轮拨杆机构控制夹 苗器苗针开合 实现夹苗与投苗动作 借助自动取苗 装置试验台 结合响应面法对其主要工作参数进行优 化 以提高作业质量 为自动取苗装置的优化与改进 设计提供参考 1 番茄钵苗自动取苗装置工作原理与试验台结构 1 1 自动取苗装置结构及工作原理 取苗装置为自动取苗试验台核心部件 主要由行星 齿轮盒 连杆 凸轮 苗针 推苗环 拨杆 滑道以及 传动箱体等组成 如图1所示 第10期 马晓晓等 番茄钵苗移栽机自动取苗装置作业参数优化与试验 47 1 行星齿轮盒 2 行星轴 3 凸轮 4 苗针 5 推苗环 6 苗针支座 7 拨杆 8 滑杆 9 滑道 10 滑道连接板 11 传动箱体 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 图1 番茄钵苗自动取苗装置示意图 Fig 1 Schematic diagram of automatic seedling picking device for tomato seedlings 取苗装置的主要作用是模拟人工取投苗动作 将穴 盘中的钵苗取出并移送到投苗位置投苗 取苗装置动力 由步进电机提供 通过传动系统将动力传递到行星轮系 取苗初始位置苗针竖直向下 行星轴位于滑道直线段与 圆弧段相切处 行星轮绕太阳轮逆时针回转一周时 行 星轴在滑道内沿直线先向下运动 待苗针夹苗后回到初 始位置 滑杆随行星轴在滑道圆弧段内运动 用于调整 苗针姿态 凸轮安装在行星轴上 用于控制苗针开合 当行星轴位于滑道直线段末端时 凸轮位于推程段 钵 苗夹取段 推动拨杆控制苗针完成夹苗动作 当行星 轴位于滑道直线段与圆弧段相切处时 凸轮位于回程段 钵苗释放段 拨杆回位控制苗针打开 同时带动推苗 环向下运动 完成推苗动作 根据取投苗作业要求 23 24 将凸轮的工作行程划分 为准备取苗 钵苗夹取 持苗运行以及钵苗释放4个工 作阶段 图2a 准备夹苗段AB 拨杆从A点进入凸轮 推程段1 两苗针完全张开且保持平行 推苗环在凸轮与 拨杆的共同作用下沿苗针向上滑动 苗针以固定角度靠 近穴孔 钵苗夹取段BD 拨杆运动到凸轮轮廓B点时 凸轮进入近休止段 苗针以固定的张角插入穴孔 到达C 点时 凸轮进入推程段2 推苗环在拨杆的带动下逐渐向 上滑动 两苗针尖点间距逐渐减小以夹持钵体 夹紧钵 体后苗针尖点间距保持不变 持苗运行段DE 拨杆运动 到凸轮轮廓D点时 凸轮进入远休止段 苗针从穴孔中 垂直拔出钵苗 并沿取苗轨迹CBA运动 图2b 此阶 段拨杆和推苗环保持相对静止 拨杆运动到凸轮轮廓E 点时 持苗运行段结束 此时钵苗姿态转换为竖直向下 钵苗释放段EA 拨杆从E点进入凸轮回程段 沿凸轮轮 廓EA下落 同时带动推苗环沿苗针向下滑动 当拨杆运 动至A点时 推苗环到达推苗行程极限 竖直向下推落 钵苗 同时苗针张开复原至初始开合角度 拨杆重新进 入凸轮推程段1 完成一次钵苗取投苗过程 凸轮对应运 动过程参数如表1所示 注 A为推苗结束点 B为取苗开始点 C为夹苗开始点 D为夹苗结束点 E为推苗开始点 xoy为坐标系 箭头方向为凸轮转动方向 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 图2 凸轮工作段划分示意图 Fig 2 Division diagram of cam work sections 表1 凸轮运动过程参数 Table 1 Parameters of cam motion process 工作阶段 Working stage 起始升程Initial lift mm 终止升程Terminating lift mm 起始角度Initial angle 终止角度 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 远休止段DE Far end segmented 13 13 245 345 回程段EA Return segment EA 13 5 345 360 1 2 试验台结构组成及工作过程 为测试取苗装置工作性能 搭建番茄钵苗自动取苗 试验台如图3所示 试验台由机架 取苗装置 夹苗器 载盘架等组成 机架支撑整个试验台 载盘架由纵向送 盘装置与横向送盘装置进行驱动 控制箱挂接在机架 1 机架 2 电机 3 取苗装置 4 夹苗器 5 载盘架 6 纵向送盘装置 7 横 向送盘装置 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 图3 自动取苗试验台示意图 Fig 3 Schematic diagram of automatic seedling picking test bed 番茄钵苗自动取苗装置试验台作业时 送盘装置将 番茄钵苗精准移送至取苗装置自动取苗位置处 通过取 苗装置夹苗器实现钵苗与穴盘的分离 夹苗器持苗至竖 直位置 苗针打开 推苗环推苗 从而完成投苗作业 送盘装置横向每进给7次 纵向进给1次 配合取苗装 农业工程学报 http www tcsae org 2020年 48 置完成整盘钵苗的夹取 送盘速度与取苗频率均可通过 调整控制器参数改变步进电机转速来调整 2 试验材料与方法 2 1 试验材料 试验对象为新疆大面积种植的 石番36号 番茄钵 苗 育苗穴盘结构如图4所示 番茄幼苗生长在8 16的 128穴倒四棱台形状穴孔的苗盘中 育苗穴盘材质为聚氯 乙烯塑料 可折弯一定弧度而不出现破损 穴盘规格为 510 mm 280 mm 40 mm 穴孔 上 边 尺 寸 为 32 mm 32 mm 下边尺寸为16 mm 16 mm 相邻穴孔中 心距为32 mm 穴盘两侧边缘分别开有16个矩形卡槽 尺寸为9 mm 3 mm a 主视图 a Front view b 俯视图 b Top view 图4 育苗穴盘结构图 Fig 4 Structural diagram of seedling plug tray 番茄钵苗采用有机营养育苗基质培育 配方比为泥 炭 蛭石 珍珠岩 1 1 1 适合移栽的苗龄为45 d左 右 25 此时根系在基质里穿插 缠绕 网络 充分包裹 钵体基质 随机选取20株番茄钵苗 利用游标卡尺测量 其形态特性参数 基质含水率采用干湿质量法测量 结 果如表2所示 番茄钵苗自动取苗性能试验于2019年8 月20日在农业农村部西北农业装备重点实验室进行 表2 番茄钵苗形态特性参数 Table 2 Morphological parameters of tomato seedlings 项目Items 数值Values 钵苗苗高Height of seedling mm 153 2 188 4 钵苗茎粗Stem thickness of seedlings mm 2 4 3 0 真叶数Number of true leaf 5 7 叶面展幅Foliar spread mm 72 6 97 8 钵苗质量Seedling weight g 13 6 15 4 钵体上边长Length of bowl top mm 28 4 31 2 钵体下边长Length of bowl bottom mm 13 5 15 9 钵体高度Height of bowl mm 38 0 39 9 基质含水率Moisture content of matrix 61 4 68 8 2 2 试验仪器 番茄钵苗自动取苗试验台 图5 电子游标卡尺 上 海工具厂有限公司 量程0 300 mm 精度0 02 mm SPS402F精密电子天平 美国Ohaus Scout Pro 量程0 400 g 精度0 01 g DT 2234C数字式转速表 中国 TondaJ 量程 2 5 99 999 r min 分辨率 0 1 r min 1 机架 2 取苗装置 3 送盘装置 4 控制箱 1 Frame 2 Seedling picking device 3 Tray feeding device 4 Control box 图5 自动取苗试验台 Fig 5 Test bed of automatic seedling picking 2 3 试验评价指标 依据NY T 1924 2010 油菜移栽机质量评价技术规 范 和JB T 10291 2013 旱地栽植机械 行业标准 26 27 结合番茄钵苗自动移栽机取苗装置工作性能要求 28 本 试验选用伤苗率Y1 漏苗率Y2和取苗成功率Y3作为取苗 效果评价指标 分别由式 1 3 计算 11 100 SY S 1 22 100 SY S 2 33 100 SY S 3 式中S1为钵苗茎秆被苗针损伤 叶片被扯断以及基质破 损大的钵苗株数与穴盘穴格破损数总和 S2为钵苗在取 苗过程中 未被苗针夹取出的钵苗株数 S3为取苗装置 成功取出钵苗的株数 S为试验所用钵苗总株数 3 取苗性能试验 3 1 试验因素分析 取苗装置取苗时 两苗针以一定角度插入穴盘苗钵 体 苗针尖点到达钵体一定深度后 钵体在两苗针间的 受力情况如图6所示 其受力平衡方程为 1 2 1 2 0sin sin sin sin2 2 F F N N F 4 由于穴盘对钵体反作用力对计算结果影响小 29 30 故将其忽略 两苗针对称分布 故F1 F2 将式 4 化 简可得 1 02 sin 2 F F 5 由式 5 可知 苗针对钵体夹持力竖直分力须克服 拉拔力F0 拉拔力的值可通过试验测得 苗针夹持角度 第10期 马晓晓等 番茄钵苗移栽机自动取苗装置作业参数优化与试验 49 越小 夹持力F1越大 两苗针回转中心距离d1为定值 苗针夹持钵体取苗时 夹持角度与苗针开度满足 1sin2 2d dl 6 式中l为苗针长度 mm 由式 6 可知 l值一定时 苗针开度d随夹持角 度 的增大而减小 联立式 5 式 6 可得 0 1 1 F d d F l 7 由式 7 可知 夹持力F1一定时 苗针开度d越大 苗针长度l越小 为防止苗针插入钵体造成钵体大面积损 伤 苗针开度越大越好 其最小值应当大于穴孔下边长 为防止苗针与穴孔产生干涉 且保证苗针插入穴孔的深 度足够深 苗针开度最大值应当小于穴孔上边长 由此 确定苗针开度d的理论值范围为16 32 mm 夹苗时苗 针最佳夹持开度与对应苗针长度需通过试验确定 注 F1 F2为苗针对钵体夹持力 N N1 N2为穴盘对钵体反作用力 N 为苗针夹持角度 为钵体侧边角 F0为穴盘苗所受拉拔力 N d1为两苗针回转中心距离 mm d为苗针开度 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 图6 钵体受力示意图 Fig 6 Schematic diagram of force analysis for seedling bowl 3 2 单因素试验 3 2 1 试验设计 根据上述理论分析 结合新疆地区膜上移栽农艺作 业要求 以苗针长度l 苗针开度d及取苗频率f为影响 因素 为明确各工作参数对取苗装置性能评价指标的影 响规律 对其分别进行单因素试验 3 2 2 试验结果与分析 1 苗针长度l 设定取苗装置的试验工作参数为取苗频率50株 min 苗针开度20 mm 苗针长度设定为180 190 200 210 220 mm共5个水平 各性能评价指标与苗针长度的关系 曲线如图7所示 由图7可知 随着苗针长度的增大 伤苗率先缓慢 下降后急剧上升 漏苗率急剧下降趋于稳定后缓慢上升 取苗成功率急剧上升趋于稳定后急剧下降 当苗针长度 较小时 苗针插入钵体时夹苗器其他部件与钵苗茎叶接 触 造成伤苗率较大 且漏苗现象严重 取苗成功率较 低 当苗针长度增大为190 210 mm时 苗针插入钵体 后与钵体充分接触 漏苗情况得到较大改善 取苗装置 达到一个相对适宜的取苗状态 取苗成功率均能达到 90 以上 在苗针长度为200 mm时达到最大值93 75 漏苗率为1 25 随着苗针长度的继续增大 苗针插入钵 体深度过大 夹苗时增加了钵体破损的几率 且苗针长 度过大会与穴孔产生干涉 致使苗针变形 导致伤苗率 急剧上升 取苗成功率急剧下降 图7 试验指标与苗针长度的关系 Fig 7 Relationship between experimental indexes and length of seedling needle 确定苗针工作行程时 要综合考虑苗针长度 钵苗 高度以及穴孔深度等各方面因素 在Adams软件中建立 取苗机构简图 如图8所示 结合单因素试验结果 创 建不同长度苗针其尖点轨迹曲线 苗针尖点运动分析结 果表明 随着苗针变长 取苗轨迹高度降低 苗针插入 钵体深度越深 与钵体接触面积越大 图8 苗针长度与取苗轨迹 Fig 8 Length of seedling needle and track of seedling picking 2 苗针开度d 苗针开度大小直接影响苗针对钵体的夹持效果 设 定取苗装置的试验工作参数为取苗频率50 株 min 苗针 长度200 mm 苗针开度设定为16 20 24 28 32 mm 共5个水平 各性能评价指标与苗针开度的关系曲线如 图9所示 农业工程学报 http www tcsae org 2020年 50 图9 试验指标与苗针开度的关系 Fig 9 Relationship between experimental indexes and opening size of seedling needle 由图9可知 随着苗针开度的增大 漏苗率缓慢增 加后急剧增大 伤苗率急剧减小后缓慢增大 苗针开度 小于24 mm时 取苗成功率先缓慢增加 后缓慢减小 随着苗针开度继续增大 取苗成功率急剧减小 当苗针 开度较小时 钵体所受苗针夹持力较小 苗针与钵体充 分接触 夹持效果较好 漏苗率较低 取苗成功率较高 但对钵体损伤较高 当苗针开度增大到20 mm时 各项 试验指标效果较好 伤苗率得到较大改善 此时取苗成 功率达到最大值93 75 伤苗率降到最低值4 69 随 着苗针开度的继续增大 作用在钵体上的夹持力越大 但苗针与钵体接触面积减小 取苗时钵体所受摩擦力减 小 钵体损伤率降低 但漏苗率增加 同时开度过大造 成苗针与穴孔干涉增强 导致苗针对苗盘的损伤增大 取苗成功率下降 3 取苗频率f 新疆地区普遍采用膜上移栽作业方式 为保证栽植鸭 嘴植苗作业的稳定性 其植苗频率一般低于70株 min 30 31 取苗装置取苗频率应与栽植鸭嘴植苗频率相适应 设定 苗针长度为200 mm 苗针开度为20 mm 取苗频率设定 为40 50 60 70 80株 min共5个水平 试验结果表 明 当取苗频率大于70株 min时 夹苗过程中苗针端点 振动明显 钵体破损率大 持苗过程中由于速度过快会 出现甩苗现象 无法将钵苗运送至投苗点投苗 造成取 苗失败 当取苗频率小于等于60株 min时 取苗装置作 业稳定 各项性能评价指标无明显变化 3 3 多因素优化试验 3 3 1 试验设计 由单因素试验结果可知 苗针长度 苗针开度以及 取苗频率对伤苗率 漏苗率以及取苗成功率的影响显著 为探究上述3个影响因素对取苗装置性能的影响规律及 最佳参数组合 以伤苗率 漏苗率以及取苗成功率为性 能评价指标 开展三因素三水平二次旋转正交组合优化 试验 32 根据单因素试验分析结果 取苗频率分别设置 为50 60 70株 min 苗针长度分别设置为190 200 210 mm 苗针开度分别设置为16 20 24 mm 因素水 平编码表如表3所示 表3 试验因素水平编码表 Table 3 Test factor and level coding table 水平Level 苗针长度 Length of seedling needle x 1 mm 苗针开度 Opening size of seedling needle x 2 mm 取苗频率 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 根据试验因素水平编码表 设计二次旋转正交组合 方案 进行20组自动取苗装置取苗性能试验 每组试验 重复3次 取3次测试结果的平均值作为试验结果 利 用Design Expert V8 0 6软件进行试验方案设计及结果分 析 如表4所示 表4 试验设计及试验结果 Table 4 Experimental design and results 序号 No X1 X2 X3 伤苗率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 试验结果与分析 分别建立苗针长度l 苗针开度d 取苗频率f与伤 苗率 漏苗率以及取苗成功率之间的二次多项式回归模 型 剔除不显著因素后得到的回归方程分别为 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 对试验结果进行方差分析 如表5所示 结果表明 伤苗率 漏苗率以及取苗成功率的回归方程模型 P 0 000 1 说明3个回归方程模型显著 表明回归模型 在试验范围内拟合程度较好 第10期 马晓晓等 番茄钵苗移栽机自动取苗装置作业参数优化与试验 51 表5 回归模型方差分析 Table 5 Variance analysis of regression models 指标 Indexs 方差来源 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 残差 4 45 10 0 45 失拟 2 73 5 0 55 1 58 0 313 2 Y1 误差 1 72 5 0 34 模型 165 48 9 18 39 131 87 0 000 1 残差 1 39 10 0 14 失拟 0 58 5 0 12 0 72 0 637 1 Y2 误差 0 81 5 0 16 模型 984 41 9 109 38 299 82 0 000 1 残差 3 65 10 0 36 失拟 1 92 5 0 38 1 12 0 4534 Y3 误差 1 72 5 0 34 注 P 0 01表示极显著 Note P 0 01 means extremely significant 3 3 3 影响因素对响应指标的影响 1 各因素交互作用对伤苗率的影响 伤苗率的响应曲面如图10 由图10a可知 当取苗 频率为60株 min时 伤苗率随苗针开度的增大先减小后 增大 随苗针长度的增大而增大 响应曲面沿苗针长度 的方向变化较快 沿苗针开度的方向变化相对较慢 在 取苗频率一定的情况下 苗针长度对伤苗率的影响要比 苗针开度的影响显著 苗针长度在200 mm左右 苗针开 度在20 mm左右时 伤苗率较低 由图10b可知 当苗针开度为20 mm时 伤苗率随 苗针长度的增大而增大 取苗频率在60株 min之前变化 对伤苗率影响不大 在60株 min之后伤苗率随取苗频率 的增大而增大 由响应曲面可知 伤苗率沿苗针长度的 方向变化较快 沿取苗频率的方向变化相对较慢 由图 10c可知 当苗针长度为200 mm时 伤苗率随取苗频率 的增大而增大 随苗针开度的增大先减小后增大 响应 曲面沿取苗频率的方向变化较快 沿苗针开度的方向变 化相对较慢 在苗针长度一定的情况下 取苗频率对伤 苗率的影响要比苗针开度的影响显著 图10 交互因素对伤苗率的影响 Fig 10 Influence of interactive factors on injury rate of seedling 2 各因素交互作用对漏苗率的影响 漏苗率的响应曲面如图11 由图11a可知 当取苗 频率为60株 min时 漏苗率随苗针开度的增大而增大 随苗针长度的增大先减小后增大 从响应曲面可以看出 漏苗率沿苗针长度的方向变化较慢 沿苗针开度的方向 变化相对较快 在取苗频率一定的情况下 苗针开度对 漏苗率的影响要比苗针长度的影响显著 由图11b可知 当苗针开度为20 mm时 漏苗率 随苗针长度的增大先减小后增大 取苗频率在60株 min 之前变化对漏苗率基本无影响 在60株 min之后漏 苗率随取苗频率的增大而增大 响应曲面在取苗频率 为60株 min之后沿取苗频率的方向变化较快 苗针 开度在20 mm左右 苗针长度在200 mm左右时 漏 苗率较低 图11 交互因素对漏苗率的影响 Fig 11 Influence of interactive factors on missing rate of seedling 农业工程学报 http www tcsae org 2020年 52 由图11c可知 当苗针长度为200 mm时 漏苗率随 取苗频率的增大而增大 随苗针开度的增大而增大 由 响应曲面可知 漏苗率沿苗针开度的方向变化较快 沿 取苗频率的方向变化相对较慢 在苗针长度一定的情况 下 苗针开度对漏苗率的影响要比取苗频率的影响显著 3 各因素交互作用对取苗成功率的影响 取苗成功率的响应曲面如图12 由图12a可知 当 取苗频率为60株 min时 取苗成功率随苗针开度的增大 先增大后减小 随苗针长度的增大也先增大后减小 由 响应曲面可知 取苗成功率沿苗针开度和苗针长度的方 向变化较快 苗针开度和苗针长度对取苗成功率的影响 基本一致 当取苗频率为60株 min 苗针开度在20 mm 左右 苗针长度在200 mm左右时 取苗成功率较高 由图12b可知 当苗针开度为20 mm时 取苗成功率 随苗针长度的增大先增大后减小 取苗频率在60株 min之 前变化对取苗成功率的影响较小 在60株 min之后取苗 成功率随取苗频率的增大而减小 响应曲面沿苗针长度 的方向变化较快 沿取苗频率的方向变化相对较慢 图12 交互因素对取苗成功率的影响 Fig 12 Influence of interactive factors on success rate of seedling picking 由图12c可知 当苗针长度为200 mm时 取苗成功 率随取苗频率的增大而减小 随苗针开度的增大先增大 后减小 由响应曲面可看出取苗成功率沿苗针开度的方 向变化较慢 沿取苗频率的方向变化相对较快 在苗针 长度一定的情况下 取苗频率对取苗成功率的影响要比 苗针开度的影响显著 苗针开度在20 mm左右 取苗频 率在60株 min左右时 取苗成功率较高 3 3 4 参数优化 为确保取苗装置具有更好的工作性能 以低伤苗率 低漏苗率以及高取苗成功率为优化目标 进行取苗装置 工作参数和结构参数优化 利用Design Expert V8 0 6数 据分析软件中的Optimization Numerical模块进行优化求 解 其目标函数与约束条件为 1 2 3 1 2 3 min min max 1 1 1 1 1 1 Y Y Y X X X 11 优化后得到影响因素最佳组合区域为阴影覆盖区 域 如图13所示 通过软件Design Expert V8 0 6选取最 佳参数组合为 苗针长度198 mm 苗针开度19 mm 取 苗频率57株 min 模型预测的伤苗率为3 91 漏苗率 为1 56 取苗成功率为94 69 3 3 5 试验验证 利用优化参数 苗针长度198 mm 苗针开度19 mm 取苗频率57株 min 在农业农村部西北农业装备重点实 验室自动取苗装置性能试验台上进行模型的验证试验 如图14所示 图13 参数优化分析图 Fig 13 Diagram of parameters optimization and analysis 1 推苗环 2 苗针 3 番茄钵苗 1 Seedling pushing ring 2 Seedling needle 3 Tomato seedlings 图14 自动取苗试验 Fig 14 Experiment of automatic seedling picking 为消除随机误差 进行5次重复性试验取平均值 第10期 马晓晓等 番茄钵苗移栽机自动取苗装置作业参数优化与试验 53 每次试验均测试整盘128株苗取出效果 试验结果如表6 所示 分析可知 所得伤苗率 漏苗率以及取苗成功率 的试验平均值分别为3 44 1 72 94 38 取苗成功 率台架试验值与软件优化参数值的误差为0 33 表明取 苗质量影响因素选择合理 因此 所建立的自动取苗装 置性能优化模型正确 得到的工作参数和结构参数满足 番茄钵苗机械自动取苗要求 表6 优化条件下取苗试验测定结果 Table 6 Results of seedling picking experiment under optimized conditions 试验编号 Test No 伤苗率 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 田间试验 为检验取苗装置田间实际取苗质量 将取苗装置安 装于蔬菜穴盘苗铺膜移栽机上 采用约翰迪尔904轮式 拖拉机为牵引动力 课题组于2019年9月15日 在石 河子大学试验田开展田间取苗试验 图15 1 拖拉机 2 滴灌带 3 取苗装置 4 番茄钵苗 5 送盘装置 6 栽植装置 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 图15 田间试验 Fig 15 Field experiment 试验前将田块土壤进行耕整 使其细碎平整 试验 时整机前进速度为1 km h 取苗装置动力由电机提供 田间试验选取参数组合为 苗针长度198 mm 苗针开度 19 mm 取苗频率57株 min 开展3次重