蔣 蘭，吳崇友，湯 慶，張 敏，王 剛

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油菜毯狀苗移栽機栽植過程動力學(xué)模型及參數(shù)優(yōu)化

蔣 蘭1,2，吳崇友1※，湯 慶1，張 敏1，王 剛1

（1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)機化研究所，南京 210014；2. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，合肥 230036）

為有效減少油菜毯狀苗機械化移栽過程中苗塊出現(xiàn)的脫苗現(xiàn)象，提高立苗質(zhì)量，該文構(gòu)建了栽植過程中運移苗階段油菜毯狀苗苗塊的動力學(xué)模型，結(jié)合油菜毯狀苗基質(zhì)的力學(xué)參數(shù)特性試驗，研究苗塊發(fā)生脫苗的臨界條件，建立了運移苗階段苗塊的脫苗條件方程，得到了影響苗塊脫苗的主要因素以及各因素的脫苗臨界值。利用高速攝影試驗探究了基質(zhì)含水率、栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速和縱向取苗量對苗塊脫苗率的影響，得到的各因素的脫苗臨界范圍與理論分析結(jié)果基本吻合，驗證了模型的準確性和可行性。為探究低脫苗率條件下油菜毯狀苗移栽機栽植機構(gòu)和苗塊相關(guān)參數(shù)的最優(yōu)組合，采用響應(yīng)面試驗分析方法建立主要影響因素與考察指標之間的回歸數(shù)學(xué)模型，試驗結(jié)果表明：當(dāng)基質(zhì)含水率56.72%，栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速22 rad/s，縱向取苗量為15 mm時，優(yōu)化后脫苗率為1.52%，與預(yù)測值絕對誤差為0.16個百分點。該研究可為提高油菜毯狀苗移栽的立苗質(zhì)量提供參考。

農(nóng)業(yè)機械；優(yōu)化；模型；移栽機；栽植機構(gòu)；脫苗條件

0 引 言

油菜是中國重要油料作物之一，長江流域是世界最大的冬油菜區(qū)，油菜種植面積約占全國的85%。前茬作物以水稻為主，通常采用稻-油或稻-稻-油輪作的種植制度，直接播種導(dǎo)致油菜生育期不足，多采用育苗移栽的種植方式[1-7]。目前中國油菜移栽主要采用人工移栽的方式，勞動強度大、成本高?，F(xiàn)有的油菜移栽機作業(yè)效率低，無法適應(yīng)水稻茬黏重土壤條件[8-12]。

為了改善油菜移栽現(xiàn)狀，通過吸收借鑒水稻插秧機取塊栽插原理，吳崇友等[13-16]設(shè)計了油菜毯狀苗移栽機，移栽效率能夠達到400株/(行·分)，是現(xiàn)有的鏈夾式移栽機的10倍以上。油菜毯狀苗移栽為高速移栽，在保證移栽效率的同時，立苗問題是實現(xiàn)高質(zhì)量移栽的最為關(guān)鍵問題。栽植機構(gòu)作業(yè)過程中，機構(gòu)參數(shù)和毯狀苗自身的力學(xué)特性，秧針和推苗桿與毯狀苗苗塊之間的相互作用，都會影響苗塊的完整性和立苗質(zhì)量[17-20]?，F(xiàn)階段的研究中發(fā)現(xiàn)，栽植機構(gòu)在切塊取苗以后，苗塊在秧針的攜帶運移過程中，秧針與油菜毯狀苗基質(zhì)部分的粘附和摩擦作用是抵抗苗塊重力作用自動脫離秧針的的主要因素，苗塊一旦自動脫離秧針而落地，就不能栽插入土，嚴重影響立苗質(zhì)量。

近幾年學(xué)者對移栽缽苗缽體的力學(xué)特性及栽植過程相關(guān)的機構(gòu)進行了一系列研究，已取得一定的理論成果[21-23]。劉姣娣等[24]結(jié)合缽體的抗壓力學(xué)特性，建立了缽體與栽植鴨嘴內(nèi)壁碰撞力學(xué)模型，得到了移栽過程中造成缽苗基質(zhì)破損、影響取苗、植苗成功率的主要因素；王英等[25]對西蘭花缽體的抗壓強度和缽苗沿栽植嘴壁面下滑的運動阻力系數(shù)進行了試驗研究，建立了缽體與栽植嘴壁面碰撞過程接觸力學(xué)模型，得到了缽苗和栽植嘴碰撞時允許的最大相對速度。金鑫等[26]結(jié)合高速攝影試驗將缽苗在鴨嘴栽植器內(nèi)的運動過程分為6個階段，并建立了各階段缽苗運動的力學(xué)模型；劉洪利等[27]針對玉米植質(zhì)缽苗栽植過程中出現(xiàn)位移及翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，對缽苗栽植運動狀態(tài)進行了研究，建立了缽苗運動軌跡和下落過程角度變化方程。但是鮮見針對油菜毯狀苗力學(xué)特性與栽植機構(gòu)性能參數(shù)相結(jié)合的相關(guān)研究報道。

本文以寧雜1838油菜毯狀苗為對象，以降低苗塊運移中脫落率，提高立苗率為目標，結(jié)合油菜毯狀苗本身的力學(xué)特性，建立了栽植過程中苗塊的動力學(xué)模型，得到了苗塊運移過程中發(fā)生脫落的主要因素和臨界條件，并結(jié)合油菜毯狀苗高速移栽試驗樣機進行了分析和試驗，為提高立苗質(zhì)量提供了技術(shù)參考。

1 油菜毯狀苗移栽機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

試驗使用的油菜毯狀苗移栽機如圖1所示，主要由開溝器、移箱機構(gòu)、栽植機構(gòu)、鎮(zhèn)壓機構(gòu)以及底盤組成。移栽機采用寬窄行設(shè)計，行距：600、300、600 mm，4行同時作業(yè)；移栽株距：120～200 mm，多擋可調(diào)；配套動力：12.8 kW，移栽效率為每行每分鐘280～400株。

圖1 油菜毯狀苗移栽機

機具作業(yè)時，由底盤發(fā)動機提供原動力，經(jīng)過液壓系統(tǒng)驅(qū)動刀盤主軸轉(zhuǎn)動，在牽引力和移栽機自重作用下，波紋盤開溝器進行松土、開溝。栽植器將油菜苗塊栽插入苗溝內(nèi)，依靠毯狀苗基質(zhì)塊和苗溝壁使秧苗保持直立，通過向內(nèi)側(cè)傾斜的V形覆土鎮(zhèn)壓部件將苗溝兩邊的土壤擠向秧苗周圍，再壓實固苗。

1.2 栽植機構(gòu)結(jié)構(gòu)與工作原理

油菜毯狀苗移栽機的栽植機構(gòu)采用橢圓齒輪行星輪系分插機構(gòu)，由太陽輪、中間輪、行星輪、行星架、栽植臂、推苗裝置和秧針等組成，如圖2所示。行星架為主動件。栽植臂和行星輪固定連接，秧針固定安裝在栽植臂上隨栽植臂轉(zhuǎn)動，推苗裝置的推苗桿安裝于秧針的內(nèi)側(cè)，通過凸輪旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)間歇式推苗，推苗運動的方向與秧針平行。運動過程中，行星架順時針轉(zhuǎn)動帶動行星齒輪非勻速轉(zhuǎn)動實現(xiàn)栽植臂的往復(fù)擺動，栽植臂上秧針尖的絕對運動由行星架的勻速轉(zhuǎn)動和繞行星齒輪旋轉(zhuǎn)中心的不等速轉(zhuǎn)動復(fù)合而成[28-30]。

1. 行星架 2. 太陽輪 3. 中間輪 4. 行星輪 5.靜軌跡 6. 基質(zhì) 7. 秧苗 8. 動軌跡 9. 秧箱 10. 秧針 11. 推苗桿 12. 栽植臂

栽植過程可分為4個階段，分別是取苗、運移苗、推苗和回程。栽植過程中，行星架高速旋轉(zhuǎn)，秧針到達取苗位置依靠剪切作用力將苗塊從苗盤中切割和撕扯下來，并攜帶苗塊按照栽植軌跡運動。在秧針到達推苗位置處，推苗裝置中的彈簧配合凸輪轉(zhuǎn)動瞬時將推苗桿彈出，使得苗塊與秧針分離并栽植入土。為了避免秧爪回程時碰倒已插秧苗，脫苗后的秧針快速回程，旋轉(zhuǎn)至取苗點做下一次的栽植運動。

1.3 油菜毯狀苗

為適應(yīng)移栽機切塊栽插要求，培育出的油菜毯狀苗具有密度大、苗小而健壯、盤根成片等特點，如圖3所示。經(jīng)過前期油菜毯狀苗形態(tài)特征和物理特性參量檢測以及多年的田間生長和產(chǎn)量觀測，初步確定育苗的適宜密度為4 000～5 000株/m2，即280 mm×580 mm規(guī)格的育苗秧盤，每盤苗數(shù)為650～810株。當(dāng)苗育成后，發(fā)達的側(cè)根系與育苗基質(zhì)盤在一起，形成有一定強度和彈性的苗毯，經(jīng)過栽植機構(gòu)取苗后，形成下部是基質(zhì)，其上是單株（少數(shù)多株）油菜苗的苗塊[13-14]。苗塊長和寬分別由取苗時的橫向移箱次數(shù)和縱向送秧量所決定。通過移栽機取苗機構(gòu)切塊效果試驗確定移箱回數(shù)為12，即基質(zhì)塊長約為23.33 mm；縱向取苗量可調(diào)，范圍為8～17 mm。用于試驗的油菜毯狀苗品種和切塊后苗塊形態(tài)特征參數(shù)由表1所示。

圖3 油菜毯狀苗

表1 油菜毯狀苗特征參數(shù)

2 栽植過程動力學(xué)分析

2.1 基質(zhì)塊物理特性參數(shù)測定試驗

油菜毯狀苗的基質(zhì)部分與栽植機構(gòu)接觸作用時存在粘附和摩擦。根據(jù)土壤對金屬材料的粘附和摩擦理論，得到土壤單位面積的法向粘附力表達式為[31]

式中1為作用于工作接觸界面投影面的垂直方向上，使粘合界面分離所需的拉力，N；為土壤與非土壤物件接觸面積在垂直方向的投影，cm2。土壤的摩擦阻力由切向粘附力和摩擦力2部分組成[31]。

式中為土壤切向粘附力，N；為法向正壓力，N；為摩擦系數(shù)。

為了測定油菜毯狀苗基質(zhì)在不同含水率下的物理特性參數(shù)變化規(guī)律，本文基于土壤對金屬材料的粘附和摩擦理論，選取苗齡30 d、寧雜1838品種的油菜毯狀苗進行試驗。利用10 cm×10 cm矩形切刀將毯狀苗基質(zhì)部分切塊取樣并記錄試樣質(zhì)量，為獲取真實有效的試驗數(shù)據(jù)，剪除基質(zhì)底部盤結(jié)的一層根須。法向粘附力測定試驗在萬能試驗機上進行，試驗機下方水平放置一塊與秧針相同材質(zhì)的不銹鋼板，上方安裝V型夾頭夾具。將試樣放置在不銹鋼板上，使試樣中心對準V型夾頭夾具的中心位置，用軟繩將基質(zhì)中心位置處的秧苗綁結(jié)在一起，夾具夾取軟繩并向上拉升直至試樣與鋼板完全分離，設(shè)定試驗機拉伸速率為1 mm/s，試驗所得最大拉力減去試樣自重即為法向粘附力。切取相同大小的塊狀基質(zhì)，水平放置在不銹鋼板上，通過在基質(zhì)上方放置不同質(zhì)量的砝碼來改變正壓力值，將軟繩貼合基質(zhì)側(cè)壁一周并系成環(huán)口，拉力計與環(huán)口連接并沿水平方向緩慢拉伸直至試樣發(fā)生移動，記錄試驗過程中最大拉力即為基質(zhì)的摩擦阻力。砝碼質(zhì)量選用150、300、450和600 g，將不同砝碼質(zhì)量下的摩擦阻力進行線性擬合，由式（2）可得，擬合函數(shù)的斜率為基質(zhì)的摩擦系數(shù)，與軸的截距為切向粘附力。

根據(jù)油菜毯狀苗機械移栽對基質(zhì)含水率的要求，含水率分別為44%、46%、52%、56%、60%、64% 6個水平，基質(zhì)含水率通過烘干法進行測定。運用回歸分析方法分別研究摩擦系數(shù)、法向粘附力和切向粘附力與含水率的關(guān)系。用SPSS軟件計算得出單位面積法向粘附力與含水率的回歸方程為=–0.0362+4.154–110.647，2= 0.939；單位面積切向粘附力與含水率的回歸方程為= –0.0362+4.055–107.025，2=0.964；摩擦系數(shù)與含水率的回歸方程為=–0.0032+0.326–8.195，2=0.897。

2.2 栽植機構(gòu)數(shù)學(xué)模型

運移苗過程中，苗塊與秧針之間不存在相對運動，栽植機構(gòu)運動軌跡直接影響苗塊的運動狀態(tài)，為了分析苗塊質(zhì)心在運移過程中的受力變化曲線，首先建立栽植機構(gòu)數(shù)學(xué)模型，獲取秧針尖點的運動軌跡曲線以及加速度變化曲線。圖4為栽植機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖。如圖4所示，設(shè)栽植機構(gòu)行星架的回轉(zhuǎn)中心為(0,0)，逆時針方向為正，設(shè)太陽輪的傳動角速度為，插植臂秧針尖點的運動由隨行星架的平動和繞行星輪轉(zhuǎn)動中心1的變轉(zhuǎn)速運動復(fù)合而成。行星輪相對行星架的傳動比3H為

式中為行星架轉(zhuǎn)角，rad；3為行星輪的擺角，rad。

給行星架施加一個繞點反轉(zhuǎn)的角速度dφ/d，將行星輪系轉(zhuǎn)換為定軸輪系。根據(jù)定軸輪系的齒輪傳動原理可得在定軸輪系機構(gòu)中，此時行星齒輪相對行星架的傳動比i31為

1. 栽植臂 2,7. 行星輪 3,6. 中間輪 4. 太陽輪 5. 行星架 8. 秧針

1. Planting arm 2,7. Planet gear 3,6. Middle gear 4. Sun gear 5. Planetary rack 8. Seedling needle

注：1,2為中間輪的轉(zhuǎn)動中心；1,2為行星輪的轉(zhuǎn)動中心；為太陽輪的轉(zhuǎn)動中心；為秧針尖點；為秧針尖點到行星齒輪轉(zhuǎn)動中心的長度，mm；為橢圓齒輪節(jié)曲線長軸半徑，mm；α為行星架的初始安裝角度，rad；0為栽植臂與行星架的初始安裝角度，rad。

Note:1and2express the rotation center of middle gears;1and2express the rotation center of planet gears;expresses the rotation center of sun gear;expresses the point of seedling needle tip;expresses the length from the seedling needle tip to planet gear rotation center, mm;expresses the long-axis radius of the pitch curve for elliptic gear, mm;expresses the initial installation angle of planetary rack, rad;0expresses the initial installation angle between the planetary rack and planting arm, rad.

圖4 栽植機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖
Fig.4 Structure diagram of planting mechanism

根據(jù)橢圓齒輪定軸輪系傳動特性，可得定軸輪系機構(gòu)中，行星架相對行星齒輪的傳動比i13為

式中1為橢圓齒輪的當(dāng)量偏心率；為橢圓齒輪的偏心率。

聯(lián)立式（3）和式（4）得

對式（7）積分可求得行星齒輪的擺動角度為

建立圖4所示的直角坐標系，以栽植機構(gòu)其中的一個栽植臂為分析對象，設(shè)栽植株距為，栽植機構(gòu)在1個回轉(zhuǎn)周期內(nèi)栽插2次，則可求得秧針尖點的運動軌跡位移方程為

將式（9）對時間2次求導(dǎo)，得到秧針尖點的運動加速度方程

式中為太陽輪的角速度，rad·s-1。

2.3 苗塊在運移過程的脫苗條件方程

取苗后，基質(zhì)塊在秧針內(nèi)側(cè)，秧苗貼合秧針外側(cè)自然形成一個15°～25°的夾角，設(shè)定秧苗與基質(zhì)塊夾角為20°。以表1中的形態(tài)特征參數(shù)建立寧雜1838油菜毯狀苗的三維模型，確定苗塊的質(zhì)心0位置，設(shè)質(zhì)心相對秧針尖點偏移坐標為(x,y)，由此建立質(zhì)心0與秧針尖點的尺寸關(guān)系

式中L為質(zhì)心到行星齒輪轉(zhuǎn)動中心的距離，mm；為秧針尖和行星齒輪轉(zhuǎn)動中心連線與質(zhì)心和行星齒輪轉(zhuǎn)動中心連線之間夾角，rad；1為秧針尖和行星齒輪轉(zhuǎn)動中心連線與秧針之間夾角，rad，通過栽植臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定1=0.13π。

由牛頓第二定律得出苗塊能夠按照栽植軌跡運動的受力關(guān)系為

式中F為苗塊質(zhì)心位置在絕對坐標系下方向合力，N；F為苗塊質(zhì)心位置在絕對坐標系下方向合力，N；為苗塊總質(zhì)量，g。

為方便計算，以苗塊質(zhì)心為原點，垂直于秧針方向為軸建立動態(tài)直角坐標系，如圖5所示。式（14）為轉(zhuǎn)換坐標系后苗塊的受力關(guān)系式

1. 太陽輪 2. 行星架 3. 中間輪 4. 行星輪 5. 栽植臂 6. 秧苗 7. 秧針 8. 基質(zhì)

1. Sun gear 2. Planetary rack 3. Middle gear 4. Planet gear 5. Planting arm 6. Rape seedling 7. Seedling needle 8. Substrate

注：L為苗塊質(zhì)心到行星齒輪轉(zhuǎn)動中心的距離，mm；0為苗塊質(zhì)心；φ為秧針尖和行星齒輪轉(zhuǎn)動中心連線與質(zhì)心和行星齒輪轉(zhuǎn)動中心連線之間夾角，rad；4為動態(tài)坐標系軸與水平面的夾角，rad；1為秧針尖和行星齒輪轉(zhuǎn)動中心連線與秧針之間夾角，rad。

Note:Lexpresses the distance between the barycenter and planet gear rotation center, mm;0expresses the barycenter of seedling block;φexpresses the included angle of the connecting line between needle tip and planet gear rotation center and the connecting line between the barycenter and planet gear rotation center, rad;4expresses the included angle betweenaxis of the dynamic coordinate system and horizontal plane, rad;1expresses the included angle of the seedling needle and the connecting line between the needle tip and planet gear rotation center, rad.

圖5 苗塊在運移過程運動簡圖

Fig.5 Kinematic diagram of seedling block in process of transportation

圖6 轉(zhuǎn)換坐標系下苗塊的受力關(guān)系曲線Fig.6 Force curve of seedling block in conversion coordinate system

秧針將油菜毯狀苗從秧箱中取出后，苗塊的基質(zhì)部分的上表面與推苗桿貼合，側(cè)面主要與秧針內(nèi)壁貼合，由于切塊過程中有撕扯作用，并且苗塊基質(zhì)本身的彈性變形，切下的苗塊略大于秧針內(nèi)槽尺寸，因此存在部分基質(zhì)貼合在秧針外壁的上表面上。運移苗過程中，秧針和推苗桿與苗塊接觸部位存在接觸作用力，苗塊自身受重力，當(dāng)接觸作用力與重力的合力不足以提供苗塊按照栽植軌跡運動所需作用力時，苗塊沿秧針豎直方向產(chǎn)生滑動，并脫離掉落。第1階段苗塊的受力分析如圖7所示。

以苗塊質(zhì)心為原點，垂直于秧針方向為軸建立動態(tài)坐標系，脫苗條件可通過分析苗塊在栽植機構(gòu)上的受力得出

式中τ為基質(zhì)塊與秧針內(nèi)、外壁的上表面接觸部位的切向粘附力，N；為摩擦系數(shù)。

1. 推苗桿 2. 秧針 3. 基質(zhì)

1. Push rod 2. Seedling needle 3. Substrate

注：F1為基質(zhì)塊與秧針內(nèi)壁的上表面接觸部位的摩擦力，N；τ為基質(zhì)塊與秧針內(nèi)壁的側(cè)面接觸部位的切向粘附力，N；τ1為基質(zhì)塊與秧針內(nèi)壁的上表面接觸部位的切向粘附力，N；τ2為基質(zhì)塊與秧針外壁的上表面接觸部位的切向粘附力，N；P為基質(zhì)塊與推苗桿接觸部位的法向粘附力，N；F1為基質(zhì)塊與秧針內(nèi)壁的上表面接觸部位的法向支持力，N；P2為基質(zhì)塊與秧針外壁的上表面接觸部位的法向粘附力，N；為苗塊重力，N；0為苗塊的質(zhì)心。

Note: F1expresses the friction of the contact site with substrate and the upper surface of the inside of seedling needle, N; τexpresses the shear adhesion force of contact site with substrate and side surfaces of the inside of seedling needle, N; τ1expresses the shear adhesion force of the contact site with substrate and the upper surface of the inside of seedling needle, N; τ2expresses the shear adhesion force of contact site with substrate and the upper surface of the outside of seedling needle, N; Pexpresses the normal adhesion force of contact site with substrate and push rod, N; F1expresses the normal supporting force of contact site with substrate and the upper surface of the inside of seedling needle, N; P2expresses the normal adhesion force of contact site with substrate and the upper surface of the outside of seedling needle, N;expresses the gravity of seedling block, N;0expresses the mass center of seedling block.

圖7 第1階段苗塊受力分析
Fig.7 Force analysis on seedling block in stage 1

將苗塊受力分析圖進行簡化，分別得到苗塊在第2、3階段的受力分析，如圖8所示。苗塊在第2階段的脫苗條件為

注：τs為基質(zhì)塊與秧針內(nèi)、外壁的上表面接觸部位的切向粘附力，N；Ps1為基質(zhì)塊與秧針內(nèi)壁的上表面接觸部位的法向粘附力，N；Ffs2為基質(zhì)塊與秧針外壁的上表面接觸部位的摩擦力，N；Fns2為基質(zhì)塊與秧針外壁的上表面接觸部位的法向支持力，N；F為苗塊所受合力，N。

式中P1為基質(zhì)塊與秧針內(nèi)壁的上表面接觸部位的法向粘附力，N。

苗塊在第3階段的脫苗條件為

3 苗塊在運移過程的脫苗條件方程應(yīng)用及試驗

3.1 苗塊運動分析結(jié)果

通過運移苗過程所建立的脫苗條件方程可以發(fā)現(xiàn)，苗塊是否發(fā)生脫苗取決于苗塊質(zhì)量、基質(zhì)含水率以及栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速，其中苗塊質(zhì)量由縱向取苗量進行調(diào)節(jié)。通過固定其中2個因素，找到另一個因素的脫苗臨界值。

當(dāng)取基質(zhì)含水率為55%，縱向取苗量為15 mm時，通過計算得苗塊質(zhì)量為6.89 g，基質(zhì)塊的單位法向粘附力1為0.089 2 N/cm2，單位切向粘附力1為0.071 0 N/cm2，摩擦系數(shù)1為0.66。結(jié)合旱地土壤特性、油菜毯狀苗移栽特點和立苗條件，試驗選用栽植機構(gòu)的設(shè)計參數(shù)如表2所示，所設(shè)計的栽植軌跡能夠滿足挖穴大傾角投苗，直立快速回程的栽插目標。試驗選用寬度為20 mm的秧針以及配套推苗桿，測量基質(zhì)塊與秧針和推苗桿接觸面積，得到基質(zhì)塊與秧針外壁上表面法向接觸面積為0.36 cm2，基質(zhì)塊與秧針內(nèi)壁上表面法向接觸面積為1.61 cm2，基質(zhì)塊與秧針內(nèi)壁側(cè)面法向接觸面積為2.66 cm2，基質(zhì)塊與推苗桿法向接觸面積為2.62 cm2。將上述數(shù)據(jù)代入各個階段苗塊的運動方程，得到栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速的脫苗臨界值0=24.6 rad/s。同理取栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速為22 rad/s，縱向取苗量為15 mm時，計算得到基質(zhì)含水率的脫苗臨界值=50.4%；取基質(zhì)含水率為50%，栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速為22 rad/s時，苗塊質(zhì)量的脫苗臨界值為=6.76 g，即縱向取苗量為14.7 mm。

表2 栽植機構(gòu)主要設(shè)計參數(shù) Table 2 Major design parameters of planting mechanism

3.2 苗塊運動驗證試驗

3.2.1 試驗材料和設(shè)備

試驗于2018年4月在南京農(nóng)業(yè)機械化研究所進行，如圖9所示。所選用油菜毯狀苗的品種為寧雜1838，育苗秧盤規(guī)格為280 mm×580 mm，苗齡為30 d。儀器包括油菜毯狀苗移栽試驗樣機、高速攝像機（Redlake promotion X2）、計算機等。

1. 油菜毯狀苗移栽機 2. 高速攝像機 3. 計算機

3.2.2 試驗方法

針對栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速、縱向取苗量和基質(zhì)含水率3個因素對脫苗情況的影響進行驗證試驗。利用高速攝像機進行圖像采集，錄制油菜毯狀苗栽植過程的運動視頻，設(shè)定拍攝速率為200幅/s，每組試驗選取50個栽植周期，且保證選取的栽植周期樣本均有完整的基質(zhì)塊和秧苗存在，并記錄發(fā)生脫苗的栽植周期樣本數(shù)量[32-34]。

3.2.3 試驗指標

以脫苗率作為試驗評價指標，計算式為

式中為脫苗率，%；0為每組試驗栽植周期總樣本數(shù)量；1為發(fā)生脫苗的栽植周期樣本數(shù)量。

3.2.4 試驗結(jié)果與分析

在基質(zhì)含水率55%、縱向取苗量15 mm的條件下，考察栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速在16～34 rad/s范圍內(nèi)對苗塊脫苗率的影響，結(jié)果見圖10a。由圖10a可知，當(dāng)栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速小于24 rad/s時，脫苗率較小且沒有明顯變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速從24提升至26 rad/s時，脫苗率明顯增大，且轉(zhuǎn)速在24～32 rad/s范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速增加，脫苗率顯著增大。圖10b為在栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速22 rad/s、縱向取苗量15 mm的條件下，基質(zhì)含水率在44%～65%范圍內(nèi)對脫苗率的影響結(jié)果，從圖中可以看出，含水率為44%～53%時，隨著含水率增加，脫苗率顯著降低，當(dāng)含水率大于53%后，脫苗率變化趨于穩(wěn)定。圖10c為在栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速22 rad/s、基質(zhì)含水率50%的條件下，縱向取苗量在8～17 mm范圍內(nèi)對脫苗率的影響結(jié)果。當(dāng)縱向取苗量小于14 mm時，脫苗率隨縱向取苗量的減小顯著升高，結(jié)合高速攝像機采集的圖像可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基質(zhì)含水率為50%時，減小縱向取苗量使得栽植機構(gòu)切塊取苗效果變差，切取的基質(zhì)形狀不規(guī)則，散碎不成塊，運移苗過程中與栽植機構(gòu)接觸面積減小，使得脫苗率大幅度增加。當(dāng)縱向取苗量在14～16 mm范圍內(nèi)，脫苗率較低且變化趨于穩(wěn)定，當(dāng)縱向取苗量大于16 mm，脫苗率顯著增加。3組試驗中脫苗率顯著增大的范圍與理論計算結(jié)果相近，因此本文所建立的苗塊在運移過程的運動方程是正確的。

注：圖10a，基質(zhì)含水率為55%，縱向取苗量為15 mm；圖10b，栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速為22 rad·s–1，縱向取苗量為15 mm；圖10c，基質(zhì)含水率為50%，栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速為22 rad·s–1。

4 栽植過程參數(shù)優(yōu)化

4.1 試驗條件與方法

試驗選用苗齡30 d的寧雜1838油菜毯狀苗，試驗地點在南京農(nóng)業(yè)機械化研究試驗基地。通過高速攝影記錄栽植機構(gòu)運移苗過程，每組試驗選取200個苗塊完整的栽植周期并記錄發(fā)生脫苗的栽植周期樣本數(shù)量。性能指標的測量方法同驗證試驗的測量方法一致。

4.2 試驗設(shè)計

為了獲取精確的優(yōu)化參數(shù)，采用三因素三水平Box-Behnken響應(yīng)曲面試驗法進行優(yōu)化試驗。以基質(zhì)含水率、栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速和縱向取苗量為影響因素，以脫苗率為評價指標，共進行17組試驗，因素水平如表3所示。

表3 試驗因素及水平 Table 3 Factors and levels of experiments

4.3 試驗結(jié)果及分析

各試驗方案及其模型中的脫苗率評價指標結(jié)果如表4所示。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，利用 Design-expert 8.0.6處理及分析，脫苗率的回歸方程分析結(jié)果如表5所示。

表4 試驗方案及結(jié)果 Table 4 Experimental scheme and results

由表5中回歸方程分析可知，苗塊脫苗率回歸模型＜0.001，極顯著，表明該回歸模型具有統(tǒng)計學(xué)意義；失擬項＞0.05表明該模型擬合度高；其校正決定系數(shù)2為0.993 0＞0.800 0，說明試驗值能由該模型解釋。

對于苗塊脫苗率，將回歸方程中各項回歸系數(shù)在置信度0.05下采用檢驗，回歸方程為

由式（20）結(jié)合方差分析表可以得到：一次項、，二次項2、2、2對脫苗率影響極顯著；一次項，交互項對籽棉含雜率影響顯著。

表5 回歸方程分析 Table 5 Variance analysis of regression equation

注：***表示＜0.001（極顯著），*表示＜0.05（顯著）。

Note: *** shows significance (<0.001), * shows significance (<0.05).

4.4 各因素對性能指標的影響分析

評價指標的雙因素交互影響見圖11所示。由圖11a可知，當(dāng)縱向取苗量為15 mm時，在栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速各個水平下，苗塊脫苗率隨含水率增加呈現(xiàn)先下降后小幅度上升的趨勢，當(dāng)基質(zhì)含水率為56.22%，栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速為22.05 rad/s時具有最小的脫苗率為1.37%。在基質(zhì)含水率各個水平下，苗塊脫苗率隨栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速增加呈現(xiàn)上升趨勢，且上升的速率隨著基質(zhì)含水率的減小而加快，結(jié)合高速攝像機采集的圖像可以發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)含水率較低時，秧苗根部盤結(jié)土壤的能力大幅度降低，在栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速較高時，基質(zhì)塊中的土壤容易散碎掉落，導(dǎo)致脫苗。

注：響應(yīng)面試驗因素和水平見表3，響應(yīng)值見表4。

由圖11b可知，當(dāng)栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速為24 rad/s時，在縱向取苗量各個水平下，脫苗率隨基質(zhì)含水率的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，在基質(zhì)含水率各個水平下，脫苗率隨縱向取苗量的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，當(dāng)基質(zhì)含水率為56.65%，縱向取苗量為15.05 mm時，脫苗率最小為4.27%。隨著基質(zhì)含水率的減小，脫苗率隨縱向取苗量的增加，其上升速率加快。這是由于基質(zhì)含水率低時盤結(jié)土壤能力較差，減小縱向取苗量導(dǎo)致基質(zhì)塊切塊效果較差，從而減小了與秧針和推苗桿的接觸面積，導(dǎo)致脫苗率升高。

由圖11c可知，當(dāng)基質(zhì)含水率為55%時，在縱向取苗量各個水平下，脫苗率隨栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)上升的趨勢，在栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速各個水平下，脫苗率隨縱向取苗量的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，且降低的速率隨著栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速的增加而加快，這是由于當(dāng)栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速較大時取苗過程中秧針對苗塊的沖擊作用增強，當(dāng)縱向取苗量較小時，苗塊承受秧針的沖擊能力減弱，無法獲得質(zhì)量較好的苗塊，脫苗率升高。當(dāng)栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速為22 rad/s，縱向取苗量為14.98 mm時，能夠獲得最低的脫苗率，其數(shù)值為1.80%。

4.5 參數(shù)優(yōu)化

利用Design-Expert軟件自帶的約束條件優(yōu)化求解模塊，可求得滿足約束條件的最小脫苗率的最優(yōu)參數(shù)組合：基質(zhì)含水率56.24%，栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速22.04 rad/s，縱向取苗量為14.91 mm，在該參數(shù)組合下的脫苗率為1.36%。

為了驗證優(yōu)化結(jié)果的可行性，對優(yōu)化后的參數(shù)組合進行試驗驗證，試驗條件和試驗方法同上。設(shè)定栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速為22 rad/s，縱向取苗量為15 mm，基質(zhì)含水率為56.72%（實際測量值）。試驗進行5次取平均值，最后得到脫苗率為1.52%，與預(yù)測值的絕對誤差為0.16個百分點。試驗結(jié)果與預(yù)測值很接近，驗證了該模型的可靠性。

5 結(jié) 論

通過建立油菜毯狀苗移栽機栽植機構(gòu)運動學(xué)和動力學(xué)模型，得到了運移過程中苗塊質(zhì)心的受力關(guān)系式，將運移苗過程分為3個階段，通過對苗塊在各個階段的受力分析建立了苗塊脫苗條件運動方程，得到了影響苗塊脫苗率的主要因素：基質(zhì)含水率、苗塊質(zhì)量和栽植機構(gòu)旋轉(zhuǎn)速度。通過固定其中2個因素，變動另一個因素的方法，分別計算得到了3個因素的脫苗臨界值分別為：基質(zhì)含水率50.4%、苗塊質(zhì)量6.76 g、栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速24.6 rad/s。對栽植過程中油菜毯狀苗的運動進行了高速攝影試驗，得到了基質(zhì)含水率、縱向取苗量和栽植機構(gòu)旋轉(zhuǎn)速度的脫苗臨界范圍，驗證了所建立的苗塊在運移過程中的動力學(xué)方程是正確的。

采用Box-Benhnken中心組合試驗方法對基質(zhì)含水率、縱向取苗量和栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速對苗塊脫苗率的影響趨勢進行了分析并建立了優(yōu)化模型，對調(diào)整后的最優(yōu)參數(shù)組合進行試驗驗證，當(dāng)基質(zhì)含水率為56.72%，栽植機構(gòu)轉(zhuǎn)速為22 rad/s，縱向取苗量為15 mm時，測得脫苗率為1.52%，與預(yù)測值絕對誤差為0.16個百分點，表明求解的脫苗率模型的精度能滿足栽植過程參數(shù)優(yōu)化的要求。

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Kinematics model and parameter optimization of planting process of rape carpet seedling transplanter

Jiang Lan1,2, Wu Chongyou1※, Tang Qing1, Zhang Min1, Wang Gang1

(1.210014,; 2.230036,)

Rape carpet seedling transplanter is suitable for the transplantation in rice stubble field. During the operation of planting mechanism, the seedling needle takes out the seedling block from feeder mechanism by cutting and tearing. Then the seedling block is carried and transported by the seedling needle to the point of seedling pushing. Once the seedling block separates the seedling needle automatically and falls to soil, it can not be planted into the soil. Therefore, it is urgent to effectively reduce the seedling separation phenomenon in mechanized transplanting process of rape carpet seedlings and improve seedling-standing quality. In this paper, a kinematics model of rape carpet seedling block in the process of seedling transportation is established. The friction coefficient, normal adhesion force and tangential adhesion force of the rape carpet seedling substrate are measured under different moisture content. In order to obtain the mass center, morphological characteristic parameters of seedling block are measured. By establishing the mathematical model of planting mechanism, the trajectory curve and acceleration curve of the tip point of the seedling needle are obtained. The relationship between the tip point of the seedling needle and the mass center of seedling block is established. Thus, the variation curve of resultant force for the seedling block in the process of seedling transportation is analyzed. The critical conditions for seedling separation in seedling transportation course which is divided into 3 stages are studied. The main factors affecting the occurrence of seedling separation are established. Combined with the high speed photography, effects are tested by the single factor test which consists of the substrate moisture content, planting mechanism rotation speed and longitudinal picking seedling-standing length on seedling separation rate. With the increase of planting mechanism rotation speed, the seedling separation rate is stable first and then increases gradually. With the increase of the substrate moisture content, the seedling separation rate reduces sharply and then remains stable. With the increase of the longitudinal picking seedling length, the seedling separation rate decreases first and then increases. The critical range of each factors obtained by single factor test are basically consistent with the theoretical analysis, which verifies the accuracy and feasibility of the model. Using the data analysis software Design-Expert 8.0.6, the response surface design (RSD) is applied to establish a mathematical regression model between main influence factors and inspection index by analyzing the substrate moisture content, planting mechanism rotation speed and longitudinal picking seedling length. The horizontal ranges of response surface test are selected through the influence result of the single factor test and operation requirement. And finally the optimal parameter combination is obtained. The optimal parameter combination is modified and verified through the same test method. When the moisture content of the substrate is 56.72%, and the rotation speed of the planting mechanism is 22 rad/s, and the longitudinal seeding length is 15 mm, the test results shows that the seedling separation rate is 1.52%, with an absolute error of 0.16 percentage points compared to the predicted value. This study may provide the technical support for the research and development of rape carpet seedling transplanting with great seedling-standing quality.

agricultural machinery; optimization; models; transplanter; planting mechanism; seedling separation condition

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.005

S223.9

A

1002-6819(2018)-21-0037-10

2018-06-17

2018-08-30

國家科學(xué)自然基金(51575284)；國家重點研發(fā)計劃課題（2017YFD0700804）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項資金（CARS-13）

蔣 蘭，研究實習(xí)員，主要從事農(nóng)業(yè)機械工程方面的研究。 Email：jianglan0719@163.com

吳崇友，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機械化工程方面的研究。Email：cywu59@sina.com

蔣 蘭，吳崇友，湯 慶，張 敏，王 剛. 油菜毯狀苗移栽機栽植過程動力學(xué)模型及參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(21)：37－46. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.005 http://www.tcsae.org

Jiang Lan, Wu Chongyou, Tang Qing, Zhang Min, Wang Gang. Kinematics model and parameter optimization of planting process of rape carpet seedling transplanter [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(21): 37－46. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.005 http://www.tcsae.org