穴苗移栽機雙旋轉式分苗裝置設計

任 玲，趙斌棟，曹衛彬，王吉奎，王 寧，宋文彬

穴苗移栽機雙旋轉式分苗裝置設計

任 玲，趙斌棟，曹衛彬※，王吉奎，王 寧，宋文彬

（1. 石河子大學機械電氣工程學院，石河子 832003；2. 農業農村部西北農業裝備重點實驗室，石河子 832003）

為了解決移栽機整排取苗后投苗不連續、作業效率不高、穴苗易破損的問題，該研究設計了一種整排放苗的分苗裝置，運用2排投苗臺交替運動實現無間斷投苗。通過臺架試驗，依據實際作業狀態對投苗過程進行分析，確定影響投苗效果的主要因素為投苗高度、投苗速度和穴苗傾角。以投苗成功率和基質破損率為評價指標進行單因素試驗，確定各影響因素的參數范圍。并進行正交試驗，通過方差分析得出影響成功率和破損率的主要因素分別為穴苗傾角和投苗高度。在此基礎上進行響應面分析，分析各因素交互作用對投苗效果的影響。運用MINITAB優化模塊對工作參數進行優化，結果得到最佳工作參數組合為：投苗高度150 mm，投苗速度65株/min，穴苗傾角85°± 5°。驗證試驗結果表明，最佳工作參數下投苗成功率為96.41%，基質破損率為1.65%。該裝置可實現分苗投苗作業，研究結果可為全自動移栽機設計提供參考。

農業機械；自動化；試驗；穴苗移栽機；分苗機構；雙旋轉式

0 引 言

采用整排取苗方式能有效提高移栽機取苗效率，整排取苗后如何實現分苗、投苗成為影響移栽效率的關鍵問題。其中分苗機構是移栽機的核心部件，可實現穴苗的逐個分離，分苗機構應保證分苗過程快速連續、投苗精準、喂苗無損傷，投苗機構的優劣直接影響穴苗機械化移栽的質量[1-3]。

目前移栽機采用的分苗方式有2種：苗杯回形轉動，依次落入栽植器中完成栽植[4-8]；另一種將穴苗放入接苗帶的柵格中，依靠傳送帶拋入接苗斗中完成栽植[9-10]。胡建平等[11]設計了一種適用于整排取苗的投苗裝置，該裝置可實現整排取苗間隔投苗，但是苗杯需要等待苗爪完成一次取放動作，此過程存在時間間隔，導致苗杯閑置，不利于提升投苗效率。胡先朋[12]采用帶式輸送、合頁擋板式分苗裝置，該裝置依靠合頁的開閉達到分苗的目的。但是該裝置會對缽苗的基質和葉片造成損傷，沒有解決穴苗易破損的問題。馬銳[13]采用接苗帶柵格放苗，依靠傳送帶拋入栽植口的分苗方式，但是接苗帶需要等待苗爪再次取送穴苗，此分苗過程存在時間間隔，導致分苗動作不連續，移栽效率提高不明顯。

本文通過增加一個工作臺的方式，實現2個分苗機構交替運動，以適應移栽機單行移栽。此種分苗方式可以實現快速無間隔分苗，保證分苗過程的連續性。通過對穴苗的運動過程分析確定影響投苗效果的主要因素。通過臺架試驗得到主要參數工作范圍，以期為全自動穴盤苗移栽機設計提供參考。

1 分苗裝置與工作原理

1.1 分苗裝置

分苗裝置是移栽機的重要部件之一，其功能是接收來自取苗器取出的穴苗，并將其投入栽植器完成栽植作業[14-16]。其主要構成包括機械部件（底座、工作臺等）與動作部件（步進電機、氣缸等），各部件參數如表1示。

表1 分苗裝置各部件參數

如圖1所示，工作臺1與工作臺2依靠軸承固定于底座上，通過氣缸推動可在接苗位和投苗位之間切換。放苗完成之后，切換至投苗位，進行依次投苗。投苗工作臺固定于投苗架底座上，通過步進電機驅動傳送帶旋轉，使得傳送帶上的穴苗依次拋入接苗斗完成投苗。

1.2 工作原理

圖2為分苗過程的工作狀態，圖2a為整排取苗手將8顆穴苗放入工作臺1，工作臺1轉動進行投苗動作。此時整排取苗手回至取苗位取苗，等待送至工作臺2。圖 2b為整排取苗手將8顆穴苗放入工作臺2，工作臺2轉動進行投苗動作，此時整排取苗手又回到取苗位取苗，等待送至工作臺1。圖2c為工作臺2即將完成投苗，此時苗爪已回拾取位置，工作臺1等待作業。

圖3為1次分苗作業流程示意圖，取苗爪與工作臺1、工作臺2交替動作。初始時工作臺1與工作臺2處于平行位置，通過氣缸作用，2個工作臺交替切換至投苗位置，在步進電機的驅動下依次完成投苗作業，實現連續分苗。

2 關鍵部件設計

2.1 底座支架及氣缸組件

2.1.1 底座

圖4為投苗裝置的底座，其上裝有軸承組件、氣缸組件、接苗斗組件。底座外形尺寸為450 mm× 650 mm，由3條長度為650 mm與4條長度為450 mm的不銹鋼中空方形管鋼管焊接而成。底座左上角與右上角為氣缸組件安裝的位置，中間鋼管焊接處為軸承安裝位置。

2.1.2 氣缸

圖5為工作臺1切換過程簡圖，投苗時，工作臺AB在氣缸作用下旋轉角度切換至投苗位，將苗投入E處的接苗斗。工作臺旋轉時，氣缸行程應滿足如下條件：①NE的距離盡可能小，使接苗斗靠近底座，②F點應在C點與M點之間，符合氣缸實際動作。

注：α為投苗工作臺AB在氣缸收縮狀態下旋轉過的角度，(°)；MF為氣缸伸縮長度，mm；O為旋轉中心，CDNQ為底座，E為落苗位置。下同。

當AB旋轉至與E處于同一直線時，MF的距離為134.16 mm，因此選用行程150 mm的SC63150型氣缸，圖6a、圖6b分別為其收縮與伸出狀態。

2.2 投苗工作臺

2.2.1 支架

工作臺結構為雙層長方體，外形尺寸：400 mm× 200 mm×80 mm，支架外側有合頁，受氣缸驅動可切換至投苗位。如圖7所示，工作臺的從動帶輪處為投苗側，另一側安裝步進電機。

2.2.2 傳送帶與柵格

圖8a為工作臺總體裝配圖，圖8b為一總長860 mm的傳送帶，傳送帶外側有等距的8個柵格，用于盛放取苗爪釋放的穴苗。傳送帶材質為軟質橡膠，可在轉角處隨苗帶一起繞電機轉動。

傳送帶轉速為

·（1）

式中為傳送帶轉速，mm/s，當為60株/min時，得到傳送帶轉動速度為50 mm/s。

3 投苗運動分析

為了確定影響投苗效果的因素，并確定投苗試驗的評價指標，對垂直方向運動過程分析，確定落苗高度對投苗的效果的影響；對缽苗下落過程中水平方向的運動過程分析，確定投苗速率對投苗效果的影響；對投苗過程穴苗的運動分析，確定分苗過程中穴苗傾角對投苗效果的影響。

圖9為分苗過程側視圖，以投苗工作臺AB所在直線為軸；豎直方向為軸，向下為正方向，建立直角坐標系，穴苗拋出后落入E點（接苗斗安裝位置）。

投苗作業時穴苗傾斜角越小所受空氣阻力越大，已知空氣對穴苗的阻力與其運動速度成正比[17]：

F=·V（2）

式中F為空氣阻力，N；為空氣阻力系數，V為穴苗速度，mm/s。

投苗作業時穴苗受力如圖10所示，在投苗運動的某一時刻，穴苗受到重力和空氣阻力的作用，根據牛頓第二定律，建立穴苗的運動微分方程，對投苗影響因素進行探究。

3.1 水平方向投苗運動分析

通過穴苗下落過程中水平方向的運動過程分析，探究投苗速度對投苗效果的影響。

注：BE為投苗路徑；Ff為空氣阻力，N；Ffx、Ffy分別為空氣阻力的水平與垂直分量，N；G為穴苗重力，N；Vm為穴苗運動速度，mm·s-1。

式中為穴苗質量，g；a為穴苗水平加速度，mm/s2。通過對式（3）積分，可得穴苗水平方向運動速度為

式中V為穴苗水平方向運動速度，mm/s；o為穴苗拋出速度，mm/s；為運動時間，s。將式（4）再次積分，可得穴苗水平位移為

式中為穴苗水平位移，mm。

3.2 垂直方向投苗運動分析

通過對垂直方向運動過程分析，探究落苗高度對投苗的效果的影響。

式中a為穴苗垂直加速度，mm/s2。對式（6）進行積分得穴苗垂直方向運動速度為

式中V為穴苗垂直方向運動速度，mm/s。將式（7）再次積分，得穴苗垂直方向位移為

式中為穴苗垂直方向位移，mm。不考慮對投苗效果影響時，垂直方向位移為

4 投苗性能試驗

4.1 設備與材料

試驗設備包括番茄穴苗分苗投苗試驗裝置（自制），電子式游標卡尺（上海工具廠有限公司，量程0～300 mm，精度0.02 mm），SPS402F精密電子天平（Ohaus ScoutPRO，0～400 g，精度0.01 g），MA45水分測定儀（Sartorius，0～45 g，精度0.001 g）[18]。

試驗材料為新疆北疆地區主要種植品種“里格爾87-5”加工番茄苗，整盤128穴育苗，苗齡33 d。試驗前對其物理參數進行測定，結果如表2所示：

表2 穴苗特征參數

4.2 評價指標

式中為穴苗動能，J。由式（4）與式（7）可知，對于單個穴苗，質量不變，拋出速度0、空氣阻力系數值、運動時間會影響穴苗速度，從而影響基質破損率。

由式（5）與式（8）可知，落苗點C的坐標為

對于單個穴苗（值不變），拋出速度0、空氣阻力系數值、運動時間對落苗點水平位置有影響，因此需要根據落苗點的位置確定接苗斗的安裝位置，以保證投苗成功。

運動時間受投苗高度影響，拋出速度0為傳送帶速度，空氣阻力系數受穴苗傾角影響。綜合式（10）與式（11）可知：投苗高度、投苗速度、穴苗傾角會對基質破損率與投苗成功率產生影響。

根據NY/T 1924—2010[19]和JB/T 10291—2013[20]，結合缽苗自動移栽機投苗裝置工作性能要求[21-23]，本試驗選取投苗成功率1、基質破損率2作為試驗評價指標，其計算公式如下：

式中1為成功投苗株數；表示總投苗株數；1為掉落的基質質量，g；為基質總質量，g。

4.3 單因素試驗

由理論分析可知，影響投苗成功率與基質破損率的因素為投苗速度、投苗高度和穴苗傾角，本文通過單因素試驗探究每個因素對投苗效果的影響。

根據前期落苗高度試驗可知工作臺投苗作業的高度范圍在125～265 mm內，落苗高度設置5個水平：125、160、195、230和265 mm。依據目前移栽機移栽速率范圍在40～120 株/min，投苗速率設置成5個水平：40、60、80、100和120 株/min；取苗爪取出穴苗釋放后，落在傳送帶柵格內的穴苗傾斜角度不同。式（11）可知，不同傾斜角度的穴苗在下落過程中受到空氣阻力不同，從而影響落苗位置。依據穴苗拋落過程中，可能出現的傾斜程度，將穴苗傾斜角設置3個水平：15°± 15°、45°± 15°和75°± 15°。每組試驗測試128株穴苗，重復5次，試驗結果如圖11所示。

采用SPSS 21.0軟件進行統計分析，其中手術指標等計量資料用（±s）表示，采用 t檢驗，臨床療效等計數資料用[n(%)]表示，采用χ2卡方檢驗，P＜0.05為差異有統計學意義。

由圖11a可知，投苗高度為160 mm時，投苗成功率最高，投苗高度大于160 mm時，基質破損率上升明顯，因此選取投苗高度為160 mm；由圖11b可知投苗速率為60 株/min時，投苗成功率較高，同時基質破損率在較低水平，因此選取投苗速率為60 株/min；由圖11c可知，穴苗傾角為75°± 15°時，投苗成功率最高，且基質破損率在移栽允許范圍內，因此選取穴苗傾角為75°± 15°。綜上，投苗高度為160 mm，投苗速率為60 株/min，穴苗傾斜角為75°± 15°時，有較好投苗效果。

4.4 正交試驗

4.4.1 試驗設計

為驗證以上3個因素的交互作用對分苗裝置投苗效果的影響，使用Box-Benhken響應曲面分析法，設計15組正交試驗[24-26]，每組試驗選取64棵苗，進行回歸試驗分析。

根據單因素實驗結果選取投苗高度為160 mm，投苗速率為60 株/min作為基準參數，在75°± 15°穴苗傾角范圍內進行等值細分并設計正交試驗。表3為正交試驗因素水平編碼表。

表3 試驗因素水平編碼

4.4.2 試驗結果與分析

試驗結果如表4，在Mintab17中分別建立投苗高度、投苗速率、穴苗傾角與投苗成功率1、基質破損率2之間的回歸模型，進行響應曲面分析。

表5為回歸模型的方差結果，從表5可知，對投苗成功率1影響順序從大到小依次為穴苗傾角、投苗速率和投苗高度。穴苗傾角的值為0，對投苗成功率影響極顯著。

表4 正交試驗結果

Note:1,2and3is the level value of experimental factors.

對于基質破損率2，3個因素的值從小到大為投苗高度、投苗速率、穴苗傾角。其中，1與2的值均小于0.05，說明這2個因素對基質破損率影響顯著。

表5 方差分析結果

注：＜0.05表示差異顯著；＜0.01表示差異極顯著。

Note:<0.05 means the difference is significant;<0.01 means the difference is extremely significant.

4.4.3 交互作用結果分析

圖12為各因素兩兩交互作用對投苗成功率的響應曲面圖。由圖12a可知，當投苗高度和投苗速率變化時，投苗成功率均為90%～95%，變化不明顯，說明這2個因素對投苗效果影響不顯著。由圖12b可知，投苗成功率隨穴苗傾角增大方向變化較明顯，而隨投苗高度的變化不明顯，說明穴苗傾角是影響投苗成功率的重要因素，穴苗傾角的值為85°± 5°時投苗高度為170 mm。由圖12c可知，當穴苗傾角變化時，投苗成功率有明顯變化，而投苗速率變化時成功率變化不明顯，說明穴苗傾角對成功率影響顯著。

圖13為各因素兩兩交互作用對基質破損率的響應曲面圖。由圖13a可知，基質破損率隨投苗高度減小而明顯減小，投苗速率減小時，基質破損率也隨之變化，但其變化程度不如前者明顯，說明投苗高度是影響基質破損率的主要因素，同時投苗速率也會對基質破損率有影響。投苗高度為150 mm時投苗速率為65 株/min。由圖13b可知，基質破損率隨投苗高度的下降明顯減小，而穴苗傾角變化對基質破損率影響不大，說明投苗高度是影響基質破損率的主要因素。投苗高度為150 mm時穴苗傾角為85°± 5°。由圖13c可知，當投苗速率減小時，基質破損率隨之減小，但變化不明顯，說明投苗速率對基質破損率有影響，而穴苗傾角變化對基質破損率沒有影響。對比圖13可知，投苗高度與投苗速率是影響基質破損率的主要因素，而穴苗傾角對破損率影響不顯著。

4.5 參數優化與驗證

為使分苗裝置具有更好的投苗效果，以投苗成功率最高、基質破損率最低為優化目標，利用Mintab17[27]進行優化求解，目標函數與約束條件為

優化后的投苗作業參數為：投苗高度150 mm，投苗速率65 株/min，穴苗傾角為85°± 5°。在該作業參數下，投苗成功率的擬合值為97.33%，基質破損率的擬合值為1.58%。

結合優化后的最佳參數和相關規范[28-30]對分苗裝置作業性能進行驗證試驗，試驗采用苗齡33 d的“里格爾87-5”番茄穴苗，在石河子大學精準農業試驗室進行，圖14為分苗試驗裝置。共進行5次試驗，每次試驗128株穴苗，試驗結果如表6所示。

表6 作業性能驗證試驗結果

5次試驗的投苗成功率平均值為96.41%，基質破損率平均值為1.65%，該分苗裝置可以實現自動投苗作業。

5 結 論

1）根據單行移栽的移栽機作業方式，設計了一種新型分苗裝置，該裝置由2個工作臺構成，在氣缸推動下交替切換至投苗位，實現連續分苗，無間斷投苗作業，可以有效提升分苗投苗環節的工作效率。

2）建立分苗裝置投苗運動的微分方程，分別得出水平和豎直兩方向的速度和位移函數。分析落苗位置與落苗動能，將投苗成功率和基質破損率作為評價指標，得到影響分苗投苗作業的主要因素：投苗高度、投苗速率和穴苗傾角。

3）通過單因素試驗，得到分苗作業的最佳參數，并在此基礎上進行正交試驗，從方差分析的結果可知：影響投苗成功率因素的順序依次為穴苗傾角、投苗速率和投苗高度，影響基質破損率因素的順序依次為投苗高度、投苗速率和穴苗傾角。根據響應曲面分析結果，得出穴苗傾角和投苗高度分別是影響成功率和破損率的主要因素。在優化參數條件下進行試驗，當投苗高度為150 mm，投苗速率為65 株/min，穴苗傾角85°± 5°時，平均投苗成功率為96.41%，平均基質破損率為1.65%。臺架試驗結果與優化結果基本一致，分苗裝置能夠滿足分苗投苗作業需求，可為全自動穴苗移栽機分苗裝置設計提供參考。

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Design of double-rotation seedlings separating device for transplanters

Ren Ling, Zhao Bindong, Cao Weibin※, Wang Jikui, Wang Ning, Song Wenbin

(1.,,832003,; 2.,832003,)

Transplanting has become a common practice in tomato cultivation, where seedlings grown in doors are replanting into a final planting location for the growing season. Most tomato planting is distributed in Xinjiang of northwest China, due mainly to high difference in temperature, long sunshine, and less rainfall. Weather factors such as hail and cold in early spring seriously determined the survival of tomato seedlings. However, a combination of semi-automatic machine and manual transplanting was generally adopted in current tomato planting, indicating low transplanting efficiency and high labor intensity. Therefore, it is necessary to develop a high-speed automatic transplanter suitable for large-scale tomato planting. Since the picking speed can reach 120 plants per minute in previous automatic transplanters, the planting speed is not so high, the maximum of only 60 plants per minute. Furthermore, the planting speed also determined the transplanting speed of the automatic transplanting machine. In this study, a double-row seedling cast device was designed with high efficiency, continuity, and damage resistance in transplanting seedlings. The specific procedure was as follows: 1)Two workstations were alternately utilized to implement the continuous casting of seedlings. The assembled cylinder in front of the base was used to push the rotation of the cast around the bearing center that connected to the base. 2)A coordinate system was established from the side view of cast movement, considering the influence of air resistance on the motion. 3)Motion equations were set in two dimensions (the horizontal and vertical) to determine the main factors of seedling injection, including the inclination angle of seedling ,the height, and speed of the cast. A three-level single factor orthogonal test was carried out to evaluate the influence of each single factor. The experimental procedure was that: 1)Five height levels were taken as test variables, showing that the damage rate was low, whereas, the success rate was high, at the height between 125 mm to 160 mm. 2)Five cast speeds were chosen between 40 to 120 plants per minute, showing that the damage rate was going up as the cast speed increased. The best success rate was achieved, when the cast speed reached 60 plants per minute. 3)The success rate was found higher, as the inclination angle of seedlings was higher. The results showed that the influence of each factor on the success rate was ranked: the inclination angle, cast speed, and height. The order of damage rate was like this: cast height, cast speed, and inclination angle. Then, a Box-Benhken response surface method (RSM) was used to determine the interaction of three factors, indicating that the main factor of success rate was the inclination angle, whereas the damage rate was the cast height. Besides, an optimal combination of three factors was obtained after the working parameters were optimized in theMinitab platform. Finally, a field test was conducted to verify the operating parameters, where the success rate of seedling planting was 96.41%, while the matrix damage rate was 1.65%, meeting the requirements of the seedling throwing operation. The findings can provide a promising reference to develop high-speed automatic transplanters in tomato cultivation.

agricultural machinery; automation; experiments; seedlings transplanters; seedling dividing mechanism; double-rotation type

任玲，趙斌棟，曹衛彬，等. 穴苗移栽機雙旋轉式分苗裝置設計[J]. 農業工程學報，2021，37(8)：10-18.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.002 http://www.tcsae.org

Ren Ling, Zhao Bindong, Cao Weibin, et al. Design of double-rotation seedlings separating device for transplanters[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(8): 10-18. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.002 http://www.tcsae.org

2020-10-16

2021-03-29

國家自然科學基金項目（51765059）；兵團優秀青年教師項目（CZ027213）

任玲，博士，教授，研究方向為農業自動化與信息化。Email：2542958572@qq.com

曹衛彬，教授，博士生導師，研究方向為農業機械設計及自動化技術。Email：Wbc828@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.002

S223.92

A

1002-6819(2021)-08-0010-09