崔志超 管春松 徐 陶 付菁菁 陳永生 鄭書河

(1.福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 福州 350100; 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所, 南京 210014;3.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所, 南京 210014)

0 引言

甘藍(lán)是我國(guó)種植最廣泛的蔬菜品種之一,甘藍(lán)要求單株定植,對(duì)栽植質(zhì)量要求較高,現(xiàn)有栽植裝置多適用于穴盤苗,移栽質(zhì)量受土壤墑情影響較大,秧苗栽植深淺不均,易造成秧苗倒伏,導(dǎo)致甘藍(lán)成熟后結(jié)球傾斜,機(jī)收適應(yīng)性下降[1-2]?；|(zhì)塊苗塊體規(guī)則、站立穩(wěn)定性好,可有效抑制栽后倒伏,提高秧苗立直率;塊體可保持足夠的養(yǎng)分和水分,栽后無緩苗期、成活率高;機(jī)械移栽時(shí)對(duì)育苗質(zhì)量要求低,苗齡不影響取苗和栽苗效果,為甘藍(lán)機(jī)械化優(yōu)質(zhì)移栽提供了條件[3]。

荷蘭、法國(guó)、意大利等歐洲國(guó)家的基質(zhì)塊苗移栽技術(shù)及裝備較為成熟,多采用氣動(dòng)夾爪式栽植裝置,通過輸入程序參數(shù)可實(shí)現(xiàn)不同蔬菜栽植的農(nóng)藝要求[4]。以荷蘭ISO Group公司(IG Agri Systems BV)、法國(guó)CM&Regero公司、意大利Ferrari公司和Hortech公司生產(chǎn)的基質(zhì)塊苗移栽機(jī)為代表[5],均采用程序控制氣壓傳動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)蔬菜、花卉的高效移栽,該類機(jī)型為全自動(dòng)移栽機(jī),作業(yè)幅寬大、配套動(dòng)力大、價(jià)格高,對(duì)土地條件要求高,不適合我國(guó)土地多樣性狀況下甘藍(lán)的移栽。國(guó)內(nèi)蔬菜移栽在一定程度上實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化作業(yè),但多以穴盤苗或毯狀苗為主[6-10]:胡建平等[11-12]針對(duì)穴盤苗研制了行星輪式栽植裝置,通過Matlab優(yōu)化得出機(jī)構(gòu)的最佳參數(shù),田間試驗(yàn)苗栽植直立度優(yōu)良率達(dá)到94.8%以上;王永維等[13]針對(duì)穴盤苗設(shè)計(jì)了一種吊杯式栽植裝置,優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)后應(yīng)用在高速移栽機(jī)上,移栽速度0.47 m/s時(shí),栽植合格率98.01%;吳俊等[14]研制了一種毯狀苗移栽機(jī),其取苗和栽植動(dòng)作由同一套循環(huán)插取栽植裝置完成,可實(shí)現(xiàn)連續(xù)切塊栽插,栽植合格率達(dá)到87.01%。在基質(zhì)塊苗移栽方面,徐陶等[5]針對(duì)基質(zhì)塊苗設(shè)計(jì)了一種取苗爪式栽植器,采用托舉轉(zhuǎn)送的方式將基質(zhì)塊苗栽入土中;廖慶喜研究團(tuán)隊(duì)[15-18]設(shè)計(jì)了基質(zhì)塊苗對(duì)輥式和往復(fù)夾取式栽植裝置,通過對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,基本滿足油菜基質(zhì)塊苗的移栽要求。綜上,國(guó)內(nèi)鮮有對(duì)甘藍(lán)基質(zhì)塊苗移栽機(jī)的研究,同類機(jī)型目前暫處于試驗(yàn)階段。

本文針對(duì)基質(zhì)塊苗特性和甘藍(lán)機(jī)械化栽培要求,設(shè)計(jì)一種雙排鏈?zhǔn)皆灾惭b置,開展理論和運(yùn)動(dòng)分析,得出栽植器的位移方程和運(yùn)動(dòng)軌跡,得到相關(guān)參數(shù)范圍,以降低倒伏率和傷苗率為目標(biāo),通過搭建試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證優(yōu)化裝置作業(yè)性能,以期為甘藍(lán)基質(zhì)塊苗移栽機(jī)研究提供參考。

1 栽植裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

基質(zhì)塊苗雙排鏈?zhǔn)皆灾惭b置主要由主動(dòng)鏈輪a與從動(dòng)鏈輪a通過鏈條組成的軌道Ⅰ、主動(dòng)鏈輪b與從動(dòng)鏈輪b通過鏈條組成的軌道Ⅱ、連接軌道Ⅰ和軌道Ⅱ的Z形桿、栽植器、打開器及支架等組成,基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。主動(dòng)鏈輪a和從動(dòng)鏈輪a安裝在支撐架的左側(cè),主動(dòng)鏈輪b和從動(dòng)鏈輪b安裝在支撐架的右側(cè),兩對(duì)鏈輪各自安裝鏈條形成軌道Ⅰ與軌道Ⅱ,兩軌道之間鉸接與栽植器數(shù)量對(duì)應(yīng)的Z形桿,栽植器安裝到Z形桿伸出軸,位于主、從動(dòng)鏈輪b側(cè),軌道一側(cè)設(shè)置固定桿用于安裝導(dǎo)向板和打開器,其中打開器與鏈輪端面平行布置。

圖1 雙排鏈?zhǔn)皆灾惭b置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematics of structure of double-row chain planting device1.主動(dòng)鏈輪a 2.鏈條 3.主動(dòng)鏈輪b 4.Z形桿 5.栽植器 6.從動(dòng)鏈輪a 7.從動(dòng)鏈輪b 8.導(dǎo)向板 9.打開器 10.支架 11.送苗輸送帶 12.基質(zhì)塊甘藍(lán)苗 13.固定桿 14.傳動(dòng)鏈輪 15.軌道Ⅰ 16.軌道Ⅱ

1.2 工作過程及原理

軌道Ⅰ與軌道Ⅱ平行且錯(cuò)位布置,由Z形桿連接,Z形桿與兩軌道的連接點(diǎn)和兩軌道轉(zhuǎn)彎處的圓心形成平行四桿機(jī)構(gòu)。工作時(shí),栽植器隨鏈條運(yùn)動(dòng)的同時(shí)在Z形桿的作用下始終保持尖部垂直地面,基質(zhì)塊苗經(jīng)分苗后停留在輸送帶頂端,栽植器運(yùn)動(dòng)至輸送帶處時(shí)跨過前輸送帶,左右夾板在輸送帶支架作用下被撐開夾住基質(zhì)塊將其取走;栽植器載苗運(yùn)動(dòng)至移栽位置時(shí),在打開器壓迫下,左右夾板克服彈簧的預(yù)緊力繞各自轉(zhuǎn)軸對(duì)稱打開,基質(zhì)塊苗靠自重落入開溝器開出的栽植溝內(nèi);栽植器隨鏈條繼續(xù)運(yùn)動(dòng),當(dāng)轉(zhuǎn)過打開器約束區(qū)后左右夾板在彈簧的作用力下圍繞轉(zhuǎn)軸迅速閉合保持一定的預(yù)緊力,恢復(fù)待取苗工作狀態(tài),逐次循環(huán)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

2.1 栽植機(jī)構(gòu)

2.1.1理論模型構(gòu)建

栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是一種復(fù)合運(yùn)動(dòng),由栽植器的環(huán)周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和機(jī)器的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成。由于環(huán)周內(nèi)6組栽植器結(jié)構(gòu)相同且均勻分布,因此取任一組栽植器作為研究對(duì)象對(duì)栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模分析,其機(jī)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 栽植機(jī)構(gòu)原理圖Fig.2 Schematic diagram of planting mechanism1.軌道Ⅱ 2.軌道Ⅰ 3.主動(dòng)鏈輪a 4.主動(dòng)鏈輪b 5.從動(dòng)鏈輪a 6.從動(dòng)鏈輪b

栽植機(jī)構(gòu)可以看作由多個(gè)平行四桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成,平行四桿機(jī)構(gòu)的數(shù)量取決于鏈條上安裝栽植器的個(gè)數(shù)。如圖2所示,O1、O2、O3、O4為機(jī)構(gòu)4個(gè)傳動(dòng)鏈輪圓心,傳動(dòng)鏈輪固連在機(jī)架上,隨機(jī)器向前運(yùn)動(dòng),以O(shè)1為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系,x軸正向?yàn)闄C(jī)器前進(jìn)方向,y軸穿過4個(gè)鏈輪圓心豎直向上。

圖1、2中E1E2為Z形連桿,O1O3、O2O4為機(jī)架,O2E1和O4E2為1對(duì)雙曲柄,O2E1E2O4為雙曲柄機(jī)構(gòu),同理,O1O3與E1E2也構(gòu)成雙曲柄機(jī)構(gòu)。Z形桿E1E2連接軌道Ⅰ與軌道Ⅱ之間的鏈條,栽植器固定在Z形桿E1E2的一端,機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中,栽植器在雙曲柄機(jī)構(gòu)的作用下始終保持尖部垂直于地面,從而保證基質(zhì)塊苗在隨栽植器運(yùn)動(dòng)過程中保持直立狀態(tài)。

2.1.2運(yùn)動(dòng)學(xué)模型構(gòu)建

如圖3所示,以從動(dòng)鏈輪b的圓心O1為原點(diǎn),以移栽機(jī)前進(jìn)方向?yàn)閤軸正方向,以栽植器垂直地面向上運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閥軸正方向,建立栽植器運(yùn)動(dòng)平面直角坐標(biāo)系。

圖3 栽植機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Diagram of planting mechanism

由理論模型可知栽植器的運(yùn)動(dòng)軌跡為“跑道形”,存在直線運(yùn)動(dòng)和變向運(yùn)動(dòng)[5,19],以任一栽植器尖部為參考點(diǎn),推導(dǎo)出其周期內(nèi)的位移方程。

栽植器尖部在AB內(nèi)的位移方程為

(1)

(2)

栽植器尖部在CD內(nèi)的位移方程為

(3)

(4)

式中x——栽植器尖部在水平方向的位移,mm

y——栽植器尖部在垂直方向的位移,mm

vm——移栽機(jī)前進(jìn)速度,mm/s

Rz——栽植裝置轉(zhuǎn)動(dòng)鏈輪分度圓半徑,mm

l——栽植器固定點(diǎn)到轉(zhuǎn)動(dòng)鏈輪分度圓的距離,mm

ωz——鏈輪分度圓處轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,rad/s

h——栽植器固定點(diǎn)到其尖部的距離,mm

H——主、從動(dòng)鏈輪中心距,mm

t——時(shí)間,s

將栽植器尖部位移方程對(duì)時(shí)間t求導(dǎo),得出其周期內(nèi)的速度方程。

栽植器尖部在AB內(nèi)的速度方程為

(5)

(6)

栽植器尖部在CD內(nèi)的速度方程為

(7)

(8)

式中vx——栽植器尖部在水平方向的運(yùn)動(dòng)速度,mm/s

vy——栽植器尖部在垂直方向的運(yùn)動(dòng)速度,mm/s

2.1.3運(yùn)動(dòng)分析

(9)

要使基質(zhì)塊苗平穩(wěn)栽入土壤必須滿足零速投苗[20-21],分析圖4中栽植器的3種運(yùn)動(dòng)軌跡(k1為λ>1,k2為λ=1,k3為λ<1)可知:短幅擺線不存在零速投苗點(diǎn),普通擺線在栽植器最低植苗點(diǎn)有1個(gè)零速投苗點(diǎn),余擺線運(yùn)動(dòng)軌跡形成環(huán)扣,在環(huán)扣最長(zhǎng)橫弦ed兩端各有1個(gè)零速投苗點(diǎn)。栽植器栽苗過程中,基質(zhì)塊苗從栽植器釋放苗至完全脫落需要短暫時(shí)間,而此時(shí)零速投苗點(diǎn)只存在1～2個(gè)時(shí)間點(diǎn),因此理想的投苗位置應(yīng)選擇k2運(yùn)動(dòng)軌跡的點(diǎn)c2,或k1運(yùn)動(dòng)軌跡的點(diǎn)e與點(diǎn)d。

圖4 栽植器運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.4 Motion trajectory of planter

機(jī)器在實(shí)際田間作業(yè)環(huán)境下會(huì)存在諸多不確定因素,因此λ值很難恰好等于1?？紤]移栽過程即基質(zhì)塊苗與栽植器快速分離的過程,在分離過程中要盡可能減少栽植器對(duì)基質(zhì)塊苗的干擾,所以要盡可能較少分離時(shí)間。圖4中運(yùn)動(dòng)軌跡k1,ec1為栽植器下降段,c1d為栽植器提升段,基質(zhì)塊苗在栽植過程中除受復(fù)合運(yùn)動(dòng)的合力之外自身還存在自由落體運(yùn)動(dòng),ec1段與c1d段相比,c1d段基質(zhì)塊苗與栽植器的分離時(shí)間更短,因此,c1d為最佳投苗時(shí)間段,栽植器的真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡為λ>1,即栽植器運(yùn)動(dòng)參數(shù)需滿足0

2.2 栽植器

2.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

栽植器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成對(duì)開式,由側(cè)面將基質(zhì)塊苗送至內(nèi)部,如圖5所示,由一對(duì)外夾板、一對(duì)內(nèi)夾板、相互嚙合的凹凸板、固定架、彈簧、壓桿、導(dǎo)向板等組成。外夾板用于破膜入土,內(nèi)夾板用于夾取基質(zhì)塊,撥桿與外夾板固定連接,在凹凸板和兩個(gè)彈簧的共同作用下實(shí)現(xiàn)栽植器的打開與閉合。為保證栽植器打開不影響基質(zhì)塊苗自由落體[2],根據(jù)基質(zhì)塊外形尺寸(40 cm×40 cm×40 cm),栽植器打開寬度以基質(zhì)塊棱長(zhǎng)的10%加上1 mm的設(shè)計(jì)原則保留誤差余量,其開口尺寸最大值設(shè)計(jì)為45 mm。同時(shí),內(nèi)夾板既要提高夾取苗成功率,又要減小施加在基質(zhì)塊上的夾力,以降低傷苗率,如圖6所示,通過萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)宜栽期基質(zhì)塊苗進(jìn)行抗破壞試驗(yàn),獲得栽植器內(nèi)夾板夾力的峰值范圍在89.95～119.29 N之間。

圖5 栽植器結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of planter1.固定架 2.壓桿 3.凹板 4.外夾板 5.內(nèi)夾板 6.導(dǎo)向板 7.凸板 8.外夾板彈簧 9.內(nèi)夾板彈簧

圖6 壓力-壓縮量變化曲線Fig.6 Pressure-compression curves

2.2.2運(yùn)動(dòng)仿真分析

由于6個(gè)栽植器環(huán)周均勻布置,且結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)動(dòng)軌跡相同,為便于觀察對(duì)其中1個(gè)栽植器進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果同樣適用于其他5個(gè)栽植器。運(yùn)用SolidWorks建立栽植器、基質(zhì)塊和秧苗三維模型并導(dǎo)入ADAMS中[12],為便于運(yùn)動(dòng)分析,將基質(zhì)塊和秧苗近似為剛體(忽略葉片部分),基質(zhì)塊建成長(zhǎng)、寬、高均為40 mm的正方體,秧苗莖稈建成直徑10 mm、高度45 mm的圓柱體。各零件之間添加運(yùn)動(dòng)副,基質(zhì)塊與栽植器左右夾板及地面之間添加接觸副。

根據(jù)設(shè)計(jì),在鏈輪分度圓半徑Rz為80 mm,栽植頻率為56株/min時(shí),參考現(xiàn)有移栽機(jī)的作業(yè)速度范圍1～2 km/h[2,22-23],對(duì)移栽機(jī)不同前進(jìn)速度vm下的基質(zhì)塊苗栽植過程進(jìn)行仿真分析。

當(dāng)vm=1.9 km/h、λ=0.87時(shí),仿真結(jié)果如圖7,栽植器左右夾板和導(dǎo)向板的運(yùn)動(dòng)軌跡均為短幅擺線,無零速投苗點(diǎn),左右夾板打開過程不影響落苗,但受慣性影響,基質(zhì)塊緊貼導(dǎo)向板內(nèi)側(cè),落苗后導(dǎo)向板避苗空間不充分,導(dǎo)向板上升會(huì)對(duì)苗塊有刮帶現(xiàn)象,致使基質(zhì)塊苗向前傾倒。

圖7 λ=0.87時(shí)栽植仿真過程Fig.7 Planting simulation process when λ=0.87

當(dāng)vm=1.65 km/h、λ=1時(shí),仿真結(jié)果如圖8,栽植器左右夾板和導(dǎo)向板的運(yùn)動(dòng)軌跡均為普通擺線,有零速投苗點(diǎn),左右夾板打開過程不影響落苗,導(dǎo)向板有輕微刮苗現(xiàn)象,基質(zhì)塊苗向前進(jìn)方向滑移,真實(shí)作業(yè)時(shí)易傾倒,且難以保證株距一致。

圖8 λ=1時(shí)栽植仿真過程Fig.8 Planting simulation process with λ=1

當(dāng)vm=1.4 km/h、λ=1.17時(shí),仿真結(jié)果如圖9,栽植器左右夾板和導(dǎo)向板的運(yùn)動(dòng)軌跡均為余擺線,基質(zhì)塊苗在環(huán)扣對(duì)稱軸左側(cè)落苗,導(dǎo)向板避苗空間相對(duì)較充分,無刮苗現(xiàn)象,基質(zhì)塊苗落地后能夠保持立直。

圖9 λ=1.17時(shí)栽植仿真過程Fig.9 Planting simulation process when λ=1.17

因栽植器為左右打開式,左右夾板和導(dǎo)向板的運(yùn)動(dòng)軌跡近似相同。綜合上述仿真結(jié)果看出:特征系數(shù)λ分別取0.87、1、1.17時(shí),栽植器左右夾板對(duì)落苗效果影響不大;λ≤1時(shí)導(dǎo)向板存在避苗不充分現(xiàn)象,仿真栽植質(zhì)量差;λ≥1.17時(shí)導(dǎo)向板無刮帶苗現(xiàn)象,仿真栽植效果較理想。

3 臺(tái)架試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1.1試驗(yàn)條件

2021年6月在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所東區(qū)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn),如圖10所示。試驗(yàn)對(duì)象為苗齡30 d的40 mm×40 mm×40 mm的方體基質(zhì)塊甘藍(lán)苗,平均苗高82.74 mm,基質(zhì)塊間無粘連、串根,移栽時(shí)秧苗傾斜對(duì)基質(zhì)塊產(chǎn)生的力矩不影響栽植狀態(tài)。

圖10 臺(tái)架試驗(yàn)Fig.10 Bench tests

3.1.2因素與指標(biāo)

根據(jù)對(duì)栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析、基質(zhì)塊抗壓試驗(yàn)與栽植器仿真研究可知,影響栽植性能的主要因素是移栽機(jī)的前進(jìn)速度、栽植裝置轉(zhuǎn)動(dòng)線速度和栽植器內(nèi)夾板夾力等。因栽植裝置轉(zhuǎn)動(dòng)線速度的直接表征是栽植頻率,所以,以前進(jìn)速度、栽植頻率和內(nèi)夾板夾力為試驗(yàn)因素,以倒伏率和傷苗率為試驗(yàn)指標(biāo),采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)方法進(jìn)行三因素五水平的響應(yīng)曲面試驗(yàn)。

基于栽植器運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果與基質(zhì)塊抗壓試驗(yàn)結(jié)果,裝置前進(jìn)速度取值范圍設(shè)置為1.5～2.0 km/h,栽植頻率取值范圍設(shè)置為56～60株/min,內(nèi)夾板夾力取值范圍設(shè)置為89.95～119.29 N。因素編碼如表1所示,實(shí)際作業(yè)中,栽植頻率應(yīng)為整數(shù),因此編碼取值調(diào)整為整數(shù)。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Factors codes of experiment

進(jìn)行23組移栽性能試驗(yàn),每組試驗(yàn)重復(fù)3次,取3次測(cè)試結(jié)果的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。利用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析,如表2所示,表中X1、X2、X3為因素編碼值。

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.2 Experimental scheme and results

3.2 結(jié)果分析

3.2.1顯著性分析

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,如表3所示,結(jié)果表明:倒伏率Y1和傷苗率Y2回歸方程模型P<0.000 1,表明兩模型極其顯著;倒伏率Y1失擬項(xiàng)P>0.05(0.119 7),表明方程擬合度高,其決定系數(shù)R2為0.921 6,表明該模型可解釋92%以上的評(píng)價(jià)指標(biāo);傷苗率Y2失擬項(xiàng)P>0.05(0.080 9),表明方程擬合度高,其決定系數(shù)R2為0.913 4,表明該模型可解釋91%以上的評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此,雙排鏈栽植裝置的工作參數(shù)可以用兩模型來優(yōu)化。

表3 回歸模型方差分析Tab.3 Variance analysis of regression models

(10)

Y2=4.08-0.066X1+0.68X2+0.95X3+ 0.37X2X3

(11)

分析優(yōu)化后的模型,根據(jù)模型Y1的P值(P<0.000 1)、失擬項(xiàng)P值(0.119 7)與模型Y2的P值(P<0.000 1)、失擬項(xiàng)P值(0.080 9),可知優(yōu)化后的模型可靠。

3.2.2各影響因素對(duì)倒伏率的影響

由圖11a可知,當(dāng)栽植器內(nèi)夾板夾力為104.62 N時(shí),倒伏率隨前進(jìn)速度增大而增大,隨栽植頻率的增大先增大后減小,響應(yīng)面沿前進(jìn)速度方向變化較快,沿栽植頻率方向變化相對(duì)慢。在栽植器內(nèi)夾板夾力一定的情況下,前進(jìn)速度對(duì)倒伏率的影響比栽植頻率的影響顯著。前進(jìn)速度為1.6 km/h、栽植頻率為57株/min時(shí),倒伏率最低。

圖11 交互因素對(duì)倒伏率與傷苗率影響的響應(yīng)曲面Fig.11 Influence of interactive factors on response surfaces of lodging rate and injury rate of seeding

由圖11b可知,當(dāng)栽植頻率為58株/min時(shí),倒伏率隨前進(jìn)速度和栽植器內(nèi)夾板夾力的增大而增大,前進(jìn)速度小于1.68 km/h、內(nèi)夾板夾力小于98.23 N時(shí)響應(yīng)面變化趨勢(shì)變化較慢,后期變化加快呈線性增加,說明栽植頻率一定的情況下,內(nèi)夾板夾力對(duì)倒伏率的影響比前進(jìn)速度顯著。

由圖11c可知,當(dāng)前進(jìn)速度為1.75 km/h時(shí),倒伏率隨內(nèi)夾板夾力增大而直線增大,隨栽植頻率增大而緩慢增大,響應(yīng)面沿內(nèi)夾板夾力方向變化較快,沿栽植頻率方向變化緩慢,說明在前進(jìn)速度一定的情況下,內(nèi)夾板夾力對(duì)倒伏率的影響比栽植頻率顯著。

3.2.3各影響因素對(duì)傷苗率的影響

由圖11d可知,當(dāng)前進(jìn)速度為1.75 km/h時(shí),傷苗率均隨栽植頻率和內(nèi)夾板夾力的增大而線性增大,響應(yīng)面變化趨勢(shì)沿栽植頻率方向變化速度低于沿內(nèi)夾板夾力方向速度,說明前進(jìn)速度一定的情況下,內(nèi)夾板夾力對(duì)傷苗率的影響比栽植頻率顯著。

3.3 參數(shù)優(yōu)化

為獲得較好的栽植效果,以低倒伏率、傷苗率為優(yōu)化目標(biāo),進(jìn)行栽植裝置工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化,利用Design-Expert 8.0.6軟件中的Optimization-Numerical模塊進(jìn)行優(yōu)化求解,其目標(biāo)函數(shù)與約束條件為

(12)

優(yōu)化后得到影響因素最佳參數(shù)組合為前進(jìn)速度1.6 km/h、栽植頻率57株/min、內(nèi)夾板夾力91.83 N,在該參數(shù)組合下倒伏率2.9%、傷苗率2.83%。采用獲取的最佳參數(shù)組合進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn),重復(fù)試驗(yàn)3次并取平均值作為試驗(yàn)驗(yàn)證值,試驗(yàn)結(jié)果為:倒伏率3.13%、傷苗率3.07%,驗(yàn)證值與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

4 田間試驗(yàn)

為檢驗(yàn)栽植裝置的田間實(shí)際作業(yè)效果,將栽植裝置安裝在基質(zhì)塊苗移栽機(jī)上,以約翰迪爾1204型輪式拖拉機(jī)為牽引動(dòng)力,于2021年12月在常熟橫塘蔬菜專業(yè)合作社開展田間試驗(yàn)(圖12)。

圖12 田間試驗(yàn)Fig.12 Field test

移栽前,對(duì)試驗(yàn)田進(jìn)行旋耕起壟,確保土壤細(xì)碎壟面平整。選取參數(shù)組合為:前進(jìn)速度1.6 km/h、栽植頻率57株/min、內(nèi)夾板夾力91.83 N,重復(fù)試驗(yàn)3次,每行取連續(xù)120株秧苗測(cè)量結(jié)果取平均值。田間試驗(yàn)得倒伏率3.35%、傷苗率3.14%,與兩指標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果相對(duì)誤差分別為0.45%和0.31%。表明該裝置設(shè)計(jì)合理、作業(yè)可靠。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種雙排鏈?zhǔn)交|(zhì)塊苗栽植裝置,通過建立理論模型和數(shù)學(xué)模型得到了栽植器運(yùn)動(dòng)方程,并對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析,確定了運(yùn)動(dòng)參數(shù)范圍0

(2)對(duì)栽植裝置進(jìn)行了二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合臺(tái)架試驗(yàn),建立各因素與指標(biāo)之間的回歸模型,采用響應(yīng)面法對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,得到甘藍(lán)基質(zhì)塊苗雙排鏈?zhǔn)皆灾惭b置最佳參數(shù)組合:前進(jìn)速度1.6 km/h、栽植頻率57株/min、內(nèi)夾板夾力91.83 N,該參數(shù)組合下,倒伏率2.9%、傷苗率2.83%。臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果為倒伏率3.13%、傷苗率3.07%,與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

(3)田間試驗(yàn)表明,雙排鏈?zhǔn)皆灾惭b置能夠滿足甘藍(lán)基質(zhì)塊苗栽植作業(yè)要求,倒伏率3.35%、傷苗率3.14%,與兩指標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果相對(duì)誤差分別為0.45%和0.31%,表明該裝置具有較高的穩(wěn)定性,可為基質(zhì)塊苗移栽裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn)和參數(shù)優(yōu)化提供參考。