胡喬磊，王 磊，李心志，袁 華，袁佳誠(chéng)，廖慶喜

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

0 引 言

育苗移栽具有縮短作物生育期、提高土地復(fù)種指數(shù)、提高作物單產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。油菜機(jī)械移栽是緩解長(zhǎng)江流域種植茬口矛盾的重要手段，適宜機(jī)械化移栽的育苗方式多以缽苗、穴盤苗、毯狀苗及基質(zhì)塊苗為主，其中基質(zhì)塊育苗具有可以提供更多營(yíng)養(yǎng)成分、移栽時(shí)對(duì)幼苗根系損傷小等優(yōu)點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)移栽機(jī)多為半自動(dòng)移栽機(jī)，分苗、取苗過(guò)程需人工輔助完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低，嚴(yán)重制約了油菜基質(zhì)塊苗育苗移栽技術(shù)的發(fā)展，開展具有高速穩(wěn)定自動(dòng)取苗功能的油菜基質(zhì)塊苗移栽機(jī)的研發(fā)勢(shì)在必行。

自動(dòng)取苗技術(shù)是自動(dòng)移栽機(jī)械研發(fā)核心。國(guó)外自動(dòng)移栽機(jī)械發(fā)展較早，以實(shí)現(xiàn)高效自動(dòng)化為發(fā)展方向，其自動(dòng)取苗方式研究以?shī)A取式及頂出式為主，市場(chǎng)應(yīng)用廣泛，意大利Ferrari、Hortech等公司配套本國(guó)作物種植農(nóng)藝特點(diǎn)生產(chǎn)了全自動(dòng)移栽機(jī)，其自動(dòng)取苗方式均采用氣缸爪夾取式，工作時(shí)自動(dòng)取苗裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)插入育苗缽體，通過(guò)取苗爪夾持完成自動(dòng)取苗動(dòng)作，此類移栽機(jī)作業(yè)效率及自動(dòng)化程度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，與國(guó)內(nèi)種植要求適配性較差。國(guó)內(nèi)移栽機(jī)研究起步較晚，目前多以半自動(dòng)為主，缺乏配套的自動(dòng)取苗裝置，為解決移栽機(jī)自動(dòng)取苗技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)移栽育苗類型、取苗裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化開展了大量研究，胡靜等以辣椒、茄子穴盤苗為研究對(duì)象，開展了夾苗拉拔試驗(yàn)測(cè)試，分析穴盤苗缽體與穴盤孔穴的粘附特性，并開展了幼苗拉伸破壞試驗(yàn)，為取苗裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及取苗動(dòng)作提供了參考；梁喜鳳等為消除穴盤苗空穴，采用單片機(jī)控制氣缸爪的形式，研制了蔬菜子葉期缽體苗插入式取苗末端執(zhí)行器，臺(tái)架試驗(yàn)取、補(bǔ)苗效果良好；文永雙等結(jié)合頂出式和插入夾持式取苗設(shè)計(jì)了一種插入頂出式辣椒缽苗取苗裝置，優(yōu)化了蔬菜穴盤苗取苗裝置結(jié)構(gòu)，提高了取苗裝置工作穩(wěn)定性；韓綠化等采用單片機(jī)控制直線模組和無(wú)桿氣缸組合，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)移栽機(jī)械臂，驅(qū)動(dòng)取苗末端執(zhí)行器進(jìn)行插入式取苗、移苗、栽苗操作。吳俊等借鑒水稻插秧機(jī)切塊取苗原理，設(shè)計(jì)了一種油菜毯狀苗插入式取苗裝置，構(gòu)建了栽植過(guò)程中運(yùn)移苗階段油菜毯狀苗動(dòng)力學(xué)模型，提高了油菜毯狀苗栽植效率和質(zhì)量；高國(guó)華等設(shè)計(jì)了一種斜入式穴盤苗取苗爪，通過(guò)對(duì)取苗鋼針插入點(diǎn)距離、插入深度以及插入角度優(yōu)化試驗(yàn)，對(duì)取苗裝置工作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了穴盤苗移栽成功率；趙勻等開發(fā)了基于B樣條擬合曲線的輕簡(jiǎn)化水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)，通過(guò)建模及軟件模擬分析，對(duì)水稻取苗裝置關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了擬合齒輪五桿移栽機(jī)構(gòu)的合理性。綜上，國(guó)內(nèi)學(xué)者從缽苗力學(xué)特性、取苗爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、取苗機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件優(yōu)化及仿真分析方面對(duì)取苗裝置進(jìn)行了研究，一定程度上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)取苗功能，但多以穴盤苗、毯狀苗為研究對(duì)象，缺乏針對(duì)油菜基質(zhì)塊苗相匹配的移栽機(jī)自動(dòng)取苗裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)的研究。

本文以自主培育的油菜基質(zhì)塊苗為作業(yè)對(duì)象，為提高現(xiàn)有油菜基質(zhì)塊苗移栽機(jī)取苗裝置工作效率及穩(wěn)定性，對(duì)現(xiàn)有取苗裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)與試驗(yàn)，采用氣動(dòng)分苗、對(duì)輥取苗聯(lián)動(dòng)有序配合的方式，設(shè)計(jì)了一種對(duì)輥式取苗裝置，開展了對(duì)輥取苗過(guò)程穩(wěn)定性分析，探究了取苗過(guò)程中載苗基質(zhì)塊穩(wěn)定約束條件，結(jié)合響應(yīng)面法對(duì)其主要工作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)與大田試驗(yàn)。

1 取苗裝置結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

1.1 基本結(jié)構(gòu)

油菜基質(zhì)塊苗移栽機(jī)主要由旋耕機(jī)、空氣壓縮機(jī)、送苗裝置、取苗裝置、苗床整理裝置及控制系統(tǒng)等組成。整機(jī)主要作業(yè)性能參數(shù)見表1。

表1 整機(jī)作業(yè)性能參數(shù) Table 1 Operating performance parameters of the whole machine

對(duì)輥式對(duì)輥式取苗裝置（圖1）主要參數(shù)為：長(zhǎng)×寬×高196×150×300 (mm)，單行栽植頻率60株/min，主要包括夾板分苗機(jī)構(gòu)和對(duì)輥取苗機(jī)構(gòu)，其中夾板分苗機(jī)構(gòu)由開合氣缸、撥桿、分苗夾板等組成；對(duì)輥取苗機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)、齒輪換向箱、彈性聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)軸、輥輪、載苗臺(tái)等組成。

圖1 對(duì)輥式取苗裝置結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1 Structure diagram of counter roll seedling taking device

1.2 工作過(guò)程

對(duì)輥式取苗裝置工作過(guò)程分為基質(zhì)塊苗喂入、分苗夾板分苗和對(duì)輥取苗3個(gè)階段。

工作時(shí)PLC控制開合氣缸帶動(dòng)分苗夾板打開的同時(shí)，對(duì)輥在聯(lián)動(dòng)桿作用下閉合并停止轉(zhuǎn)動(dòng)，首株基質(zhì)塊苗被向前推送至載苗臺(tái)上，并被阻擋在對(duì)輥前端，完成基質(zhì)塊苗喂入階段；PLC控制開合氣缸閉合，進(jìn)行分苗夾板分苗、分苗夾板夾持約束及后續(xù)載苗基質(zhì)塊運(yùn)動(dòng)，同時(shí)對(duì)輥在聯(lián)動(dòng)桿帶動(dòng)下張開并轉(zhuǎn)動(dòng)，同步帶末端未被夾持基質(zhì)塊苗向前運(yùn)動(dòng)；向前運(yùn)動(dòng)的基質(zhì)塊苗推送載苗臺(tái)上載苗基質(zhì)塊向前運(yùn)動(dòng)至對(duì)輥之間，進(jìn)行對(duì)輥取苗階段，由對(duì)輥夾持約束落至苗溝底面。PLC控制分苗機(jī)構(gòu)與取苗機(jī)構(gòu)依次循環(huán)，完成分取苗動(dòng)作。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 聯(lián)動(dòng)桿

分苗機(jī)構(gòu)與對(duì)輥取苗機(jī)構(gòu)通過(guò)聯(lián)動(dòng)桿實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)，聯(lián)動(dòng)桿（圖2）是保證分、取苗機(jī)構(gòu)匹配精度、提高取苗穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。夾板分苗機(jī)構(gòu)開合時(shí)，為保證對(duì)輥隨聯(lián)動(dòng)桿開合范圍有效阻擋載苗基質(zhì)塊下滑、穩(wěn)定約束載苗基質(zhì)塊運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，應(yīng)確定旋轉(zhuǎn)銷及聯(lián)動(dòng)桿與轉(zhuǎn)軸連接位置。

圖2 取苗裝置聯(lián)動(dòng)桿結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.2 Schematic diagram of linkage rod of seedling taking device

基于油菜載苗基質(zhì)塊物理特性，所育載苗基質(zhì)塊邊長(zhǎng)40 mm、最大屈服力132.24 N，所選分苗氣缸型號(hào)為MHZ2-25D，開合行程為14 mm、最大夾持力104 N。為保證對(duì)輥開合范圍，旋轉(zhuǎn)銷與轉(zhuǎn)軸間距、聯(lián)動(dòng)桿與彈性聯(lián)軸器間距應(yīng)滿足如下關(guān)系式：

式中L為開合氣缸打開時(shí)聯(lián)動(dòng)桿頂端閉合距離，mm；為輥輪閉合時(shí)轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)角度，(°)。

擋苗有效性臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)輥閉合后底端間距小于30 mm即可有效阻擋載苗基質(zhì)塊向下滑落，現(xiàn)有取苗裝置轉(zhuǎn)軸間距為60 mm，代入式（1）可得旋轉(zhuǎn)銷與轉(zhuǎn)軸間距、聯(lián)動(dòng)桿與彈性聯(lián)軸器間距、輥輪底端直徑關(guān)系為

由式（2）可知，對(duì)輥開合范圍主要由旋轉(zhuǎn)銷與轉(zhuǎn)軸間距、聯(lián)動(dòng)桿與彈性聯(lián)軸器間距共同決定，為避免取苗過(guò)程中聯(lián)動(dòng)桿與載苗基質(zhì)塊產(chǎn)生干涉，聯(lián)動(dòng)桿與輥輪底端間距應(yīng)大于40 mm，現(xiàn)有取苗裝置開合氣缸爪至轉(zhuǎn)軸距離為65 mm，彈性聯(lián)軸器與輥輪底端間距為105 mm，導(dǎo)軌槽與彈性聯(lián)軸器間距為10 mm，計(jì)算可得聯(lián)動(dòng)桿與彈性聯(lián)軸器間距為10～65 mm。

為保證取苗裝置兼容性及穩(wěn)定性，取聯(lián)動(dòng)桿與彈性聯(lián)軸器間距值為20 mm，同時(shí)為保證取苗過(guò)程中取苗裝置對(duì)載苗基質(zhì)塊約束有最大適用范圍，取輥輪底端直徑最小值為20 mm，由式（2）可得旋轉(zhuǎn)銷與轉(zhuǎn)軸間距取值范圍為14.84～35.29 mm，為保證取苗裝置工作穩(wěn)定性，取旋轉(zhuǎn)銷與轉(zhuǎn)軸間距為25 mm。

2.2 載苗臺(tái)

載苗臺(tái)長(zhǎng)度及安裝角度是影響對(duì)輥取苗穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，工作時(shí)載苗臺(tái)安裝在送苗同步帶末端位置，如圖3所示。為避免對(duì)輥取苗漏取，應(yīng)保證同步帶上的載苗基質(zhì)塊可順利推送載苗臺(tái)上的基質(zhì)塊向前運(yùn)動(dòng)至對(duì)輥之間，同時(shí)應(yīng)保證載苗臺(tái)安裝角度小于載苗基質(zhì)塊在載苗臺(tái)上的休止角；為避免一次取兩株載苗基質(zhì)塊，造成重復(fù)取苗，輥輪線速度應(yīng)大于同步帶送苗速度，且載苗臺(tái)長(zhǎng)度應(yīng)大于載苗基質(zhì)塊尺寸與在載苗臺(tái)上勻減速距離之和；為保證載苗基質(zhì)塊輸送流暢，限于導(dǎo)桿位置，載苗臺(tái)角度應(yīng)不小于同步帶安裝角度?；谌∶绶€(wěn)定性分析，載苗臺(tái)安裝角度及長(zhǎng)度應(yīng)滿足如下關(guān)系：

圖3 載苗臺(tái)安裝示意圖 Fig.3 Installation diagram of seedling platform

式中為同步帶與載苗基質(zhì)塊間靜摩擦系數(shù)，同步帶材料為PVC，試驗(yàn)測(cè)定為0.754；為載苗臺(tái)與載苗基質(zhì)塊間靜摩擦系數(shù)，載苗臺(tái)材料為薄鐵板，試驗(yàn)測(cè)定為0.712；為同步帶線速度，mm/s；為基質(zhì)塊邊長(zhǎng)，40 mm；為載苗基質(zhì)塊在載苗臺(tái)上加速度，m/s，試驗(yàn)測(cè)定為0.085 kg；m為載苗基質(zhì)塊質(zhì)量，試驗(yàn)測(cè)定為0.085 kg；為取苗周期，s；為輥輪與載苗基塊上端面接觸點(diǎn)所在圓弧直徑，mm。

將上述參數(shù)代入式（3）可得載苗臺(tái)角度、載苗臺(tái)長(zhǎng)度及同步帶前進(jìn)速度取值范圍為

由式（4）可知，為保證取苗穩(wěn)定性，載苗臺(tái)角度取值為30°～35.45°，載苗臺(tái)長(zhǎng)度取值為44.95～80 mm，取載苗臺(tái)長(zhǎng)度值為65 mm，滿足取苗裝置設(shè)計(jì)要求。

2.3 輥輪

取苗機(jī)構(gòu)通過(guò)對(duì)輥主動(dòng)夾持約束實(shí)現(xiàn)取苗動(dòng)作（圖4）。為避免取苗過(guò)程結(jié)束后載苗基質(zhì)塊殘留在載苗臺(tái)上，設(shè)計(jì)對(duì)輥夾持中心線位于載苗臺(tái)末端，輥輪與載苗臺(tái)垂直安裝。

圖4 對(duì)輥取苗示意圖 Fig.4 Schematic diagram of counter roller seedling taking

錐臺(tái)形輥輪外形尺寸是影響取苗效果的主要影響因素，錐臺(tái)形輥輪軸截面底邊角度及底邊直徑滿足如下關(guān)系式：

由式（5）可知，軸截面底邊角度大小由輥輪高度、輥輪距載苗臺(tái)間距、輥輪底端直徑及輥輪與載苗基塊上端面接觸點(diǎn)所在圓弧直徑共同決定。為保證取苗過(guò)程對(duì)輥對(duì)載苗基質(zhì)塊夾持約束穩(wěn)定性，根據(jù)文獻(xiàn)[24]，設(shè)計(jì)輥輪高度50 mm、輥輪距載苗臺(tái)間距5 mm，代入式（5）可得

由式（6）可知，輥輪外形尺寸由輥輪底端直徑及輥輪與載苗基塊上端面接觸點(diǎn)所在圓弧直徑共同確定。

對(duì)輥夾持力大小與輥輪形變量有關(guān)，采用TMS-PRO型質(zhì)構(gòu)儀與其配套的壓縮平板對(duì)硅膠輥輪進(jìn)行壓縮試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)時(shí)壓縮速度為1 mm/s，壓縮高度為10 mm，試驗(yàn)重復(fù)10次，結(jié)果取平均值，壓縮載荷與形變曲線關(guān)系曲線如圖5所示。根據(jù)文獻(xiàn)[24]可知，取苗過(guò)程中對(duì)輥穩(wěn)定約束載苗基質(zhì)塊的夾持力為1.51～132.24 N，為保證取苗穩(wěn)定性，取苗過(guò)程中硅膠輥輪與載苗基塊上端接觸點(diǎn)所在圓壓縮量應(yīng)為0.08～6.72 mm。

圖5 硅膠輥輪壓縮載荷與形變曲線 Fig.5 Load and deformation curve of silicone roller during compression

輥輪底端直徑是影響取苗穩(wěn)定性的主要因素。根據(jù)圖6所示對(duì)輥取苗過(guò)程分析，載苗基質(zhì)塊由載苗臺(tái)進(jìn)入對(duì)輥之間時(shí)，最先與輥輪底邊進(jìn)行接觸，為避免載苗基質(zhì)塊與輥輪底邊接觸后無(wú)法順利進(jìn)入對(duì)輥之間完成夾取，導(dǎo)致取苗失效，輥輪與載苗基質(zhì)塊摩擦力及輥輪底端直徑取值應(yīng)滿足如下關(guān)系：

圖6 對(duì)輥取苗過(guò)程分析 Fig.6 Analysis on the process of picking seedlings with counter roller

整理得：

由式（8）可知，輥輪與載苗基質(zhì)塊間摩擦力大小與摩擦系數(shù)成正比，摩擦系數(shù)越大越有利取苗，本文選用表面粗糙處理的軟硅膠制作輥輪，該材料具有良好彈性，取苗過(guò)程硅膠輥與載苗基質(zhì)塊接觸面可完全貼合，降低基質(zhì)塊的破損率。通過(guò)MXD-02型摩擦系數(shù)儀（精度0.001）測(cè)得硅膠與載苗基質(zhì)塊間摩擦系數(shù)為1.18，代入式（8）可得輥輪底端直徑取值范圍為

為保證取苗裝置對(duì)載苗基質(zhì)塊夾持穩(wěn)定性，輥輪底端直徑尺寸范圍應(yīng)為20.16～30.94 mm。

對(duì)輥取苗過(guò)程中，輥輪外形是影響載苗基質(zhì)塊運(yùn)動(dòng)軌跡的主要因素。載苗基質(zhì)塊被對(duì)輥夾取運(yùn)動(dòng)時(shí)，取苗瞬時(shí)載苗基質(zhì)塊底面角度與載苗臺(tái)角度一致，為避免落苗階段因載苗基質(zhì)塊底面與溝底夾角過(guò)大導(dǎo)致載苗基質(zhì)塊發(fā)生傾倒，應(yīng)滿足載苗基質(zhì)塊落苗時(shí)底面角度與所開溝底水平，達(dá)到水平落苗?；谒俨钤?，設(shè)計(jì)載苗基質(zhì)塊外形為錐臺(tái)形，對(duì)輥取苗時(shí)，輥輪下端與載苗基質(zhì)塊接觸部分線速度大于上端，達(dá)到取苗過(guò)程載苗基質(zhì)塊底面角度逐漸減小，完成水平落苗動(dòng)作。

取苗過(guò)程中載苗基質(zhì)塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖7所示，為便于分析，假設(shè)取苗過(guò)程中載苗基質(zhì)塊無(wú)形變，且載苗基質(zhì)塊與輥輪及載苗臺(tái)間無(wú)相對(duì)滑移，將載苗基質(zhì)塊視為繞點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)點(diǎn)沿載苗臺(tái)做直線運(yùn)動(dòng)，則載苗基質(zhì)塊底部前端端點(diǎn)取苗軌跡方程為

圖7 取苗過(guò)程載苗基質(zhì)塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析 Fig.7 Analysis of movement process of seedling substrate block during seedling picking

式中x為載苗基質(zhì)點(diǎn)沿軸方向位移，mm；y為載苗基質(zhì)點(diǎn)沿軸方向位移，mm；ω為載苗基質(zhì)塊點(diǎn)角速度，rad/s；V為載苗基質(zhì)塊沿直線運(yùn)動(dòng)速度，mm/s。

點(diǎn)在坐標(biāo)系內(nèi)位置可表示為（Vt,0），由式（10）可知載苗基質(zhì)塊底面傾斜角度變化值為

由式（11）可知載苗基質(zhì)塊落苗瞬間，底面與溝底所成角度主要影響因素為輥輪上下端半徑差。通過(guò)落苗穩(wěn)定性單因素臺(tái)架試驗(yàn)，為滿足水平落苗穩(wěn)定性要求，落苗瞬間載苗基質(zhì)塊底面與地面水平夾角在-15°～15°時(shí)，落苗穩(wěn)定性較好，由式（11）可得：

為保證落苗穩(wěn)定性，結(jié)合式（9）設(shè)計(jì)輥輪與載苗基質(zhì)塊上端接觸點(diǎn)所在圓直徑為20.2 mm，代入式（12）可得輥輪底端直徑范圍為24.44～30.94 mm。

取苗過(guò)程中，載苗基質(zhì)塊底面角度由平行于載苗臺(tái)逐步減小至平行于苗溝底面，該過(guò)程中載苗基質(zhì)塊底部與苗溝底部距離逐漸減小，為保證取苗穩(wěn)定性，避免取苗過(guò)程中載苗基質(zhì)塊與苗溝底面發(fā)生接觸導(dǎo)致取苗失效，載苗臺(tái)與苗溝底面距離應(yīng)滿足關(guān)系式：

由式（13）可知，載苗臺(tái)底端至苗溝底面距離應(yīng)大于12.34 mm，基于取苗裝置尺寸限制，本文取15 mm。

輥輪轉(zhuǎn)速是影響載苗基質(zhì)塊落苗效果的主要影響因素之一。為提高落苗穩(wěn)定性，應(yīng)保證取苗周期內(nèi)載苗基質(zhì)塊向前運(yùn)動(dòng)距離為載苗基質(zhì)塊長(zhǎng)度，同時(shí)載苗基質(zhì)塊落苗時(shí)水平分速度應(yīng)與移栽機(jī)前進(jìn)速度反向并大小相等，達(dá)到水平零速落苗狀態(tài)。以載苗基質(zhì)塊水平落苗臨界點(diǎn)進(jìn)行分析，此時(shí)輥輪轉(zhuǎn)速及移栽機(jī)工作速度各參數(shù)應(yīng)滿足如下關(guān)系：

式中V為輥輪線速度，mm/s；V為拖拉機(jī)工作行駛速度，km/h；L為移栽株距，mm；t為分苗夾板閉合時(shí)間，s；為移栽機(jī)取苗頻率，株/min。

根據(jù)JB/T10291-2013，以及油菜機(jī)械化移栽的農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)配套技術(shù)要求，所制移栽機(jī)分取苗頻率應(yīng)大于55株/min，油菜移栽標(biāo)準(zhǔn)株距為200 mm，機(jī)械移栽合理株距范圍為標(biāo)準(zhǔn)株距0.5～1.5倍，因此設(shè)計(jì)自研油菜基質(zhì)塊苗移栽機(jī)取苗頻率為60株/min，油菜基質(zhì)塊苗移栽株距為100～300 mm，由式（4）、式（14）取同步帶前進(jìn)速度為100 mm/s，可得拖拉機(jī)行駛速度及輥輪轉(zhuǎn)速取值范圍為

為保證取苗穩(wěn)定性，輥輪轉(zhuǎn)速取值為1.19～4.59 r/s。

3 性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證油菜基質(zhì)塊苗移栽機(jī)對(duì)輥式取苗裝置參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，以自研油菜基質(zhì)塊苗移栽機(jī)（圖8）為平臺(tái)，開展單因素試驗(yàn)與二次正交組合試驗(yàn)。

圖8 油菜基質(zhì)塊苗移栽機(jī) Fig.8 Rape substrate block seedlings transplanter machine

3.1 單因素試驗(yàn)

根據(jù)取苗穩(wěn)定性分析可知，載苗臺(tái)角度、輥輪底端直徑及輥輪轉(zhuǎn)速是影響取苗裝置工作性能的主要因素。為探究載苗臺(tái)角度、輥輪底端直徑及輥輪轉(zhuǎn)速單因素對(duì)取苗同步率和取苗成功率的影響，開展單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)6行取苗裝置同時(shí)作業(yè)，各行取苗數(shù)量為48株。試驗(yàn)設(shè)置同步帶送苗速度100 mm/s，取苗頻率60株/min，為模擬田間作業(yè)情況，以落苗輸送帶模擬田間移栽機(jī)運(yùn)動(dòng)情況，基于落苗穩(wěn)定性分析，設(shè)置落苗輸送帶運(yùn)動(dòng)速度為330 mm/s。根據(jù)實(shí)際材料加工及控制系統(tǒng)精度限制，試驗(yàn)過(guò)程各因素精度取0.1，試驗(yàn)時(shí)載苗臺(tái)角度取值為30°～35°，每間隔1°為一個(gè)水平，各水平試驗(yàn)重復(fù)6次取平均值；輥輪底端直徑取值為24.5～30.5 mm，每間隔1 mm為一個(gè)水平，各水平試驗(yàn)重復(fù)6次取平均值；輥輪轉(zhuǎn)速取值為1.2～4.5 r/s，每間隔0.3 r/s為一個(gè)水平，各水平試驗(yàn)重復(fù)6次取平均值。

以取苗成功率為栽植作業(yè)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)；以取苗同步率為各行取苗裝置作業(yè)一致性和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)定義基質(zhì)塊苗取苗、落苗后無(wú)傾倒且株距滿足設(shè)計(jì)要求為取苗成功。取苗過(guò)程中各行取苗成功個(gè)數(shù)與取苗總數(shù)比值為取苗成功率；當(dāng)任意一行的所有基質(zhì)塊苗取苗結(jié)束后，基質(zhì)塊苗總數(shù)與其余各行所?；|(zhì)塊苗個(gè)數(shù)的差值與基質(zhì)塊苗總數(shù)比值為取苗同步率，計(jì)算式為

式中為各行取苗成功個(gè)數(shù)；0為每個(gè)苗盤內(nèi)基質(zhì)塊苗數(shù)量；為當(dāng)一行所有載苗基質(zhì)塊取苗完畢后，其余各行所剩載苗基質(zhì)塊個(gè)數(shù)。

載苗臺(tái)角度對(duì)取苗成功率、取苗同步率影響的單因素試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同載苗臺(tái)角度的取苗成功率及取苗同步率 Table 2 The effect of the angle of the seedling platform on the success rate and synchronization rate of seedling taking

由表2可知，當(dāng)載苗臺(tái)角度為30°～32°時(shí)，取苗成功率隨載苗臺(tái)角度的增加呈上升趨勢(shì)；在載苗臺(tái)角度為32°～35°時(shí)，取苗成功率隨載苗臺(tái)角度的增加由88.19%快速下降至77.08%。取苗過(guò)程中由于載苗臺(tái)角度增加，載苗基質(zhì)塊由同步輸送帶至載苗臺(tái)過(guò)渡階段產(chǎn)生傾倒概率增加，造成堵塞影響后續(xù)取苗，導(dǎo)致各行取苗同步率下降，同時(shí)落苗時(shí)載苗基質(zhì)塊底面角度與苗溝底面增大，落苗過(guò)程易發(fā)生傾倒，導(dǎo)致取苗失效。

輥輪底端直徑對(duì)取苗成功率、取苗同步率影響單因素試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同輥輪底端直徑的取苗成功率及取苗同步率 Table 3 The effect of the roller bottom diameter on the success rate and synchronization rate of seedling taking

由表3可知，取苗裝置取苗成功率及取苗同步率隨輥輪底端直徑的增加呈現(xiàn)先緩慢上升后較快下降的趨勢(shì)。當(dāng)輥輪底端直徑為24.5～27.5 mm時(shí)，取苗成功率隨輥輪底端直徑的增加由88.89%逐步上升至91.67%，由于育苗過(guò)程中載苗基質(zhì)塊尺寸在一定范圍內(nèi)有所波動(dòng)，輥輪底端直徑較小時(shí)對(duì)載苗基質(zhì)塊夾持穩(wěn)定性不足，易造成取苗堵塞，隨著輥輪底端直徑增大，夾持穩(wěn)定性逐漸上升，取苗成功率及同步率逐漸上升；當(dāng)輥輪底端直徑為27.5～30.5 mm時(shí)，隨輥輪底端直徑的增加取苗成功率由91.67%下降至83.33%、取苗同步率由93.40%下降至87.50%，主要是由于輥輪底端直徑的增加導(dǎo)致對(duì)輥間距減小，取苗過(guò)程中載苗基質(zhì)塊進(jìn)入對(duì)輥之間所需推力及摩擦力增大，導(dǎo)致部分載苗基質(zhì)塊無(wú)法進(jìn)入對(duì)輥之間及夾持力過(guò)大產(chǎn)生邊角破損，造成育苗基質(zhì)顆粒散落，影響取苗流暢性。

輥輪轉(zhuǎn)速對(duì)取苗成功率、取苗同步率影響單因素試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 不同輥輪轉(zhuǎn)速的取苗成功率及取苗同步率 Table 4 The effect of the roller speed on the success rate and synchronization rate of seedling taking

由表4可知，當(dāng)輥輪轉(zhuǎn)速為1.2～2.1 r/s時(shí)，移栽機(jī)取苗成功率隨輥輪轉(zhuǎn)速的增加由80.21%逐步上升至92.71%，主要原因?yàn)殡S著輥輪轉(zhuǎn)速提升，載苗基質(zhì)塊落苗時(shí)水平分速度逐漸與移栽機(jī)前進(jìn)速度大小一致，達(dá)到水平零速落苗效果；當(dāng)輥輪轉(zhuǎn)速2.1～4.5 r/s階段，移栽機(jī)取苗成功率隨輥輪轉(zhuǎn)速的增加由92.71%下降至84.72%，主要原因?yàn)殡S著輥輪轉(zhuǎn)速繼續(xù)提升，載苗基質(zhì)塊落苗時(shí)水平分速度逐漸增大，落苗后有繼續(xù)前進(jìn)趨勢(shì)，易發(fā)生傾倒導(dǎo)致取苗失效，同時(shí)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)對(duì)輥高轉(zhuǎn)速取苗時(shí)，油菜幼苗葉片及載苗基質(zhì)塊與取苗裝置發(fā)生碰撞后易出現(xiàn)破損，不利于大田栽植后期生長(zhǎng)。取苗過(guò)程中隨著輥輪轉(zhuǎn)速增加，取苗同步率變化趨勢(shì)穩(wěn)定在90.97%～93.75%，主要是由于輥輪轉(zhuǎn)速對(duì)各行取苗裝置取苗效果的影響在落苗階段，對(duì)后續(xù)載苗基質(zhì)塊取苗效果影響較小。

基于載苗臺(tái)角度、輥輪底端直徑、輥輪轉(zhuǎn)速對(duì)取苗成功率、取苗同步率影響規(guī)律的單因素試驗(yàn)，確定載苗臺(tái)角度、輥輪底端直徑、輥輪轉(zhuǎn)速的合理取值范圍分別為：30.0°～34.0°、25.5～29.5 mm、1.8～3.6 r/s。

3.2 正交試驗(yàn)

基于單因素試驗(yàn)分析結(jié)果，為獲得取苗裝置較優(yōu)工作參數(shù)組合，試驗(yàn)以載苗臺(tái)角度、輥輪底端直徑、輥輪轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，以取苗成功率、取苗同步率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，使用Design-Expert 10.0.1軟件開展三因素三水平二次正交組合試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。試驗(yàn)因素與水平見表5，試驗(yàn)重復(fù)6次，結(jié)果取平均值。

表5 試驗(yàn)因素與水平 Table 5 Factors and levels of experiment

各試驗(yàn)方案及其模型中的評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果如表6所示。

表6 試驗(yàn)方案及結(jié)果 Table 6 Experimental scheme and results

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立取苗成功率、取苗同步率和載苗臺(tái)角度、輥輪底端直徑及輥輪轉(zhuǎn)速的回歸模型為

回歸分析表明（表7），取苗成功率和取苗同步率回歸模型均達(dá)到極顯著水平（＜0.01），表明該回歸模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；失擬項(xiàng)＞0.05表明不存在其他影響指標(biāo)的因素。由式（17）結(jié)合方差分析表可得：一次項(xiàng)、、交互項(xiàng)及二次項(xiàng)、、對(duì)取苗成功率影響極顯著，一次項(xiàng)交互項(xiàng)對(duì)取苗成功率影響顯著；一次項(xiàng)二次項(xiàng)對(duì)取苗同步率影響極顯著，一次項(xiàng)、及交互項(xiàng)及二次項(xiàng)對(duì)取苗同步率影響顯著。

表7 回歸方程方差分析 Table 7 Variance analysis of regression equation

3.3 交互作用分析及參數(shù)優(yōu)化

由表7及分析可知各因素對(duì)取苗成功率影響重要性依次為輥輪轉(zhuǎn)速、載苗臺(tái)角度、輥輪底端直徑，對(duì)取苗同步率影響重要性依次為載苗臺(tái)角度、輥輪底端直徑和輥輪轉(zhuǎn)速。為更直觀判斷各因素對(duì)取苗成功率和取苗同步率的影響趨勢(shì)，通過(guò)固定一個(gè)試驗(yàn)因素處于零水平，研究其余兩個(gè)因素間的交互效應(yīng)，由表7可知，影響因素、交互作用值均小于0.05，對(duì)取苗成功率有顯著影響；影響因素交互作用值小于0.05，對(duì)取苗同步率有顯著影響。利用Box-Behnken Design 10.0.1對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析并生成3D響應(yīng)曲面圖，如圖9所示。

由圖9a可知，當(dāng)輥輪直徑穩(wěn)定不變時(shí)，取苗成功率隨著載苗臺(tái)角度增加呈現(xiàn)逐步降低的變化趨勢(shì)，當(dāng)載苗臺(tái)角度在30°～31.5°時(shí)，取苗成功率有最大值；當(dāng)載苗臺(tái)角度穩(wěn)定不變，取苗成功率隨著輥輪底端直徑增加呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)，當(dāng)輥輪底端直徑在26.5～27.5 mm時(shí)，取苗成功率達(dá)到最大值94.1%。試驗(yàn)中隨著載苗臺(tái)角度增加，落苗時(shí)載苗基質(zhì)塊底面與水平面夾角逐漸增大，導(dǎo)致落苗穩(wěn)定性降低；輥輪底端直徑過(guò)小時(shí)，對(duì)載苗基質(zhì)塊夾持力不足易導(dǎo)致漏取，輥輪底端直徑過(guò)大時(shí)，取苗過(guò)程中部分載苗基質(zhì)塊無(wú)法進(jìn)入對(duì)輥之間及夾持力過(guò)大產(chǎn)生邊角破損，影響取苗流暢性，與單因素試驗(yàn)結(jié)果分析一致。

由圖9b可知，在輥輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)，取苗成功率隨輥輪底端直徑增大由穩(wěn)定逐漸下降；在輥輪底端直徑穩(wěn)定時(shí)，取苗成功率隨輥輪轉(zhuǎn)速增大呈先增后降趨勢(shì)。主要原因是輥輪轉(zhuǎn)速增大，以及轉(zhuǎn)速一定時(shí)輥輪底端直徑增大，均會(huì)導(dǎo)致落苗階段載苗基質(zhì)塊水平分速度增大，導(dǎo)致落苗穩(wěn)定性降低，與理論分析結(jié)果一致。

由圖9c可知，輥輪底端直徑穩(wěn)定時(shí)，取苗同步率隨載苗臺(tái)角度增大由穩(wěn)定逐漸降低，主要原因是載苗臺(tái)角度增大時(shí)載苗基質(zhì)塊，由輸送帶過(guò)渡至對(duì)輥之間時(shí)易出現(xiàn)傾倒現(xiàn)象，造成后續(xù)取苗堵塞，進(jìn)而影響各行取苗同步率；載苗臺(tái)角度穩(wěn)定時(shí)，取苗同步率隨輥輪底端直徑增大呈先增后降趨勢(shì)，主要原因是輥輪底端直徑增大，導(dǎo)致部分載苗基質(zhì)塊進(jìn)入對(duì)輥之間不流暢，進(jìn)而導(dǎo)致后續(xù)取苗堵塞，與單因素試驗(yàn)結(jié)果分析一致。試驗(yàn)中通過(guò)調(diào)節(jié)適宜的載苗臺(tái)角度與輥輪底端直徑，可在一定程度提高取苗成功率及取苗同步率，是由于輥輪直徑變化影響載苗基質(zhì)塊取苗過(guò)程中底面角度變化，提高落苗過(guò)程穩(wěn)定性，與理論分析結(jié)果一致。

圖9 各交互作用對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響的相應(yīng)曲面 Fig.9 Corresponding surface of the impact of each interaction on the evaluation index

基于上述分析，優(yōu)化各工作參數(shù)，結(jié)合各因素邊界條件，建立參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，目標(biāo)函數(shù)和約束條件為

運(yùn)用Design-expert 10.0.1軟件對(duì)約束指標(biāo)分析，求得較優(yōu)取苗參數(shù)組合為：載苗臺(tái)角度為30.71°、輥輪底端直徑為26.41 mm、輥輪轉(zhuǎn)速為2.19 r/s，此時(shí)取苗成功率為94.62%、取苗同步率為95.35%。

為驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化結(jié)果可靠性，采用角度儀設(shè)置載苗臺(tái)角度為30.7°、加工輥輪底端直徑為26.4 mm、系統(tǒng)設(shè)置輥輪轉(zhuǎn)速為2.2 r/s，開展油菜基質(zhì)塊苗取苗臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果取均值得取苗成功率為94.10%，取苗同步率為95.14%，試驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)值結(jié)果相符。

3.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

取苗過(guò)程中油菜載苗基質(zhì)塊底面角度變化是影響水平落苗的重要因素，為驗(yàn)證取苗裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析合理性，采用美國(guó)YORK TECH公司生產(chǎn)的Phantom v2640高速攝影儀，對(duì)適栽期油菜載苗基質(zhì)塊進(jìn)行取苗軌跡提取分析（圖10），獲取實(shí)際取苗過(guò)程中載苗基質(zhì)塊底面角度由初始位置至瞬時(shí)落苗位置時(shí)（簡(jiǎn)稱落苗角度）變化情況。試驗(yàn)設(shè)定載苗臺(tái)角度為30.7°、輥輪底端直徑為26.4 mm、輥輪轉(zhuǎn)速為2.2 r/s，試驗(yàn)重復(fù)5次，結(jié)果取均值。

圖10 取苗運(yùn)動(dòng)軌跡提取試驗(yàn) Fig.10 Experiment of extracting seedling movement track

試驗(yàn)結(jié)果如表8所示，較優(yōu)取苗參數(shù)組合下，實(shí)際取苗過(guò)程中載苗基質(zhì)塊底面角度變化均值為14.18°，相較于理論值17.6°（式（11）計(jì)算結(jié)果），平均誤差為3.42°，驗(yàn)證了輥輪直徑對(duì)取苗軌跡影響理論分析合理性；實(shí)際取苗過(guò)程中，由于載苗基質(zhì)塊外形尺寸變化、機(jī)具震動(dòng)等原因，導(dǎo)致取苗前后載苗基質(zhì)塊底面角度變化與理論分析之存在偏差。

表8 取苗過(guò)程載苗基質(zhì)塊底面角度變化 Table 8 Change of base angle of seedling substrate block during seedling taking

4 田間試驗(yàn)

為驗(yàn)證田間試驗(yàn)效果，2021年11月07日于華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范基地進(jìn)行試驗(yàn)（圖11）。試驗(yàn)前測(cè)得土壤堅(jiān)實(shí)度為1 614.33 kPa、含水率為13.63%，拖拉機(jī)型號(hào)為約翰迪爾1 054，作業(yè)速度為0.36～1.08 km/h，設(shè)置載苗臺(tái)角度為30.7°、輥輪底端直徑為26.4 mm、輥輪轉(zhuǎn)速為2.2 r/s。

圖11 田間試驗(yàn) Fig.11 Field experiment

試驗(yàn)參照J(rèn)B/T10291-2013及油菜機(jī)械化移栽的農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)配套技術(shù)要求，每次取各行連續(xù)的16株為一次采樣，每行測(cè)量4組共64株。試驗(yàn)以取苗成功率、取苗同步率為評(píng)價(jià)指標(biāo)。當(dāng)載苗基質(zhì)塊流暢完整通過(guò)取苗裝置，且所栽植相鄰兩株載苗基質(zhì)塊實(shí)測(cè)株距為100～300 mm、栽植秧苗主莖與地面夾角大于30°為取苗成功；移栽機(jī)每行送苗裝置載苗容量為48株，6行共288株，試驗(yàn)時(shí)監(jiān)測(cè)移栽機(jī)各行取苗裝置工作情況，當(dāng)1行所有載苗基質(zhì)塊取苗結(jié)束后，暫停試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)余下5行所剩載苗基質(zhì)塊個(gè)數(shù)，測(cè)定取苗同步率，送苗裝置重新上苗后繼續(xù)試驗(yàn)，試驗(yàn)重復(fù)3次。

由表9和表10試驗(yàn)結(jié)果可知，田間試驗(yàn)取苗裝置平均取苗成功率為89.84%，平均取苗同步率為92.01%，滿足油菜移栽機(jī)栽植成功率不低于85%的技術(shù)要求。

表9 取苗成功率試驗(yàn)結(jié)果 Table 9 Results of success rate of seedling taking

表10 取苗同步率試驗(yàn)結(jié)果 Table 10 Results of synchronization rate of seedling taking

田間試驗(yàn)過(guò)程中，取苗失效的主要原因?yàn)椋阂圃詸C(jī)苗床整理裝置所開苗溝溝底不平，部分廂面土壤顆?；亓鳒系?，導(dǎo)致所栽植載苗基質(zhì)塊發(fā)生傾倒。移栽機(jī)各行取苗同步率有待提高，試驗(yàn)時(shí)存在土壤顆粒飛濺至送苗同步帶及對(duì)輥內(nèi)現(xiàn)象，造成送、取苗卡頓。

所研制的錐臺(tái)形對(duì)輥式取苗裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后，各行取苗頻率由50株/min提升至60株/min，取苗工作效率提高了20%；工作行數(shù)由4行提升至6行，田間試驗(yàn)取苗成功率由88.67%提升至89.84%。

5 結(jié) 論

1）基于已有對(duì)輥式油菜基質(zhì)塊苗取苗裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)與性能試驗(yàn)，結(jié)合基質(zhì)塊苗移栽機(jī)作業(yè)特點(diǎn)及栽植農(nóng)藝要求，以適栽油菜載苗基質(zhì)塊為作業(yè)對(duì)象，開展取苗栽植過(guò)程穩(wěn)定性分析，確定了取苗裝置穩(wěn)定運(yùn)行的結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)。

2）在取苗裝置工作頻率為60株/min條件下開展了取苗各階段基質(zhì)塊苗穩(wěn)定性分析，得出取苗裝置穩(wěn)定工作參數(shù)范圍為：載苗臺(tái)角度30.0°～34.0°、輥輪底端直徑25.5～29.5 mm、輥輪轉(zhuǎn)速1.8～3.6 r/s。

3）開展了載苗臺(tái)角度、輥輪底端直徑、輥輪轉(zhuǎn)速對(duì)取苗成功率、取苗同步率影響的三因素三水平二次正交組合試驗(yàn)，對(duì)所得參數(shù)進(jìn)行圓整，試驗(yàn)結(jié)果表明，載苗臺(tái)角度為30.7°、輥輪底端直徑為26.4 mm、輥輪轉(zhuǎn)速為2.2 r/s時(shí)取苗效果較優(yōu)，臺(tái)架試驗(yàn)取苗成功率為94.10%、取苗同步率為95.14%，田間試驗(yàn)取苗成功率為89.84%、同步率為92.01%，滿足油菜基質(zhì)塊苗移栽機(jī)取苗裝置性能要求。