蔬菜移栽夾莖式取苗裝置設計與試驗

王 秀 劉蒙滋 翟長遠 韓長杰 楊 碩 高原源

(1.北京市農林科學院智能裝備技術研究中心,北京 100097; 2.江蘇大學農業工程學院,鎮江 212013;3.新疆農業大學機電工程學院,烏魯木齊 830052)

0 引言

移栽作業是蔬菜種植規模化不可或缺的一環,而我國的移栽作業仍以人工作業與半自動移栽機作業為主,存在作業效率低、作業質量差和勞動強度大的問題[1-2]。為解決半自動移栽作業存在的問題,自動移栽機器人成為發展趨勢之一[3-4]。

取投苗裝置是移栽機器人的核心機構,設計高效、穩定、適用性高的取苗裝置是國內外自動移栽機研制的重點及難點[5-7]。國內外學者對此展開一系列的研究。以歐美為代表的大型移栽機器人主要采用機、電、氣一體技術,具有整排取苗、效率高、體積龐大的特點[8-9]。典型機型有澳大利亞的Urbinati RW3型移栽機,采用氣動四爪夾取機構,氣缸驅動移栽爪取苗、投苗,標準化程度高,適應多種苗盤,適用于溫室流水線工作[10]。以日本為代表的小型自動移栽機自動化程度高、結構緊湊,具有小塊地壟上移栽的特點[11-12],典型機型有洋馬農機株式會社的PF2R型蔬菜自動移栽機,采用行星齒輪與槽型凸輪機構合成取苗爪從苗盤取苗后投入栽植器的運動軌跡[13]。為滿足國內的農藝與栽植要求,一些學者提出了頂出式[14-15]、頂出夾取式[16-17]、插入夾取式[18-20]、氣力式[21-22]等形式多樣的取苗機構。葉秉良等[23-24]采用非圓柱齒輪的運動特性設計偏心齒輪-非圓齒輪行星輪系蔬菜取苗機構,建立取苗機構的運動學模型、數學模型和動力學模型,對取苗機構進行優化,具有較好的取苗效果,但取苗運動軌跡復雜,影響取苗穩定性。WEN等[25]結合頂出式和插入夾持式取苗的優缺點設計了一種插入頂出式取苗裝置,解決了頂出式取苗機構導致缽苗翻滾等問題。馮世杰等[26]基于自制非標活動苗盤設計出頂出托舉式取苗裝置,通過穴盤定位裝置下方的推舉機構,將自制活動苗盤頂開,將缽苗整體推出,進而機械爪取苗,取苗效果好,但取苗裝置針對自制非標苗盤,難以推廣。

基于以上分析,為實現自動化移栽,提高自動移栽機的取苗質量及穩定性,本文設計夾莖式取苗裝置,采用氣動夾苗裝置完成缽苗夾取,多級剪叉機構實現等距分苗,經過理論分析后對關鍵部件設計優化,完成取苗裝置的搭建,選擇辣椒苗作為試驗對象,進行單因素試驗和正交試驗,驗證取苗機構的作業可靠性及穩定性。

1 自動取苗裝置試驗平臺結構與工作原理

1.1 試驗平臺整機結構

設計的蔬菜移栽取苗裝置試驗平臺如圖1所示,取苗裝置試驗平臺由送盤裝置、取苗裝置、栽植裝置、氣動系統及控制系統等組成。取苗裝置由夾苗裝置、分苗裝置、提升裝置及移位裝置組成。作業時送盤裝置通過步進電機將放置在推苗桿上的苗盤送到取苗位置,夾苗裝置夾取苗莖,由分苗機構將夾取的缽苗等距分開,移位氣缸將缽苗移動到苗杯上方,當苗杯探測傳感器接收到投苗信號后,控制系統控制夾苗裝置將缽苗投入苗杯中。變頻電機為試驗平臺的栽植裝置提供動力,栽植裝置中的苗杯運動到栽植器上方時苗杯打開,將苗杯中的缽苗依次投入栽植器中,完成一次取苗周期。

圖1 整排夾莖式取苗裝置結構簡圖

1.2 工作原理

取苗裝置作業過程如圖2所示。推苗桿順著鏈條均勻布置在送盤裝置上,作業時推苗桿支撐苗盤并與苗盤定位桿配合定位苗盤。取苗過程分為以下4個階段:①夾苗,送盤裝置的步進電機帶動推苗桿運動進而推動苗盤前進,苗盤定位傳感器檢測到苗盤到達并發出苗盤到位信號;檢測到夾苗裝置到達取苗位置,苗爪定位傳感器信號觸發。苗盤到位信號與夾苗裝置到位信號同時存在時,夾苗裝置夾持苗莖。②取苗,夾取完成后,提升氣缸收縮,將缽苗從苗盤中取出。③移位,分苗氣缸帶動多級剪叉分苗機構使缽苗等距分開,分苗氣缸停止運動時,相鄰缽苗之間的距離與相鄰苗杯之間的距離相等,同時移位氣缸收縮將缽苗從送盤裝置上方移動到苗杯上方。④投苗,苗杯探測傳感器檢測苗杯位置信息,當獲取6個苗杯信號后,夾苗裝置的苗爪張開,缽苗落入苗杯中,投苗后整個取苗機構按照原路返回,完成一次取苗周期,等待下次取苗。

圖2 取苗裝置取苗過程示意圖

2 試驗平臺關鍵部件設計

2.1 取苗裝置

2.1.1分苗裝置設計

取苗裝置采用取苗-分苗-投苗的自動化控制方式,取苗裝置將缽苗從苗盤中取出自動投入到苗杯中,分苗過程采用多級剪叉分苗機構實現缽苗等距分散,圖3為多級剪叉分苗機構作業原理圖,剪叉分苗機構的剪桿中心連接6個滑塊,第4個滑塊與導軌固定連接。其中圖3a為分苗機構收縮狀態,夾苗裝置之間的距離與苗盤穴口間距相同。分苗氣缸伸出過程中推動第1個滑塊運動,除與導軌固定連接的滑塊外,余下滑塊隨著第1個滑塊等速、等距在導軌上分散,夾苗裝置固定板與滑塊固定連接,固定板上的夾苗裝置隨滑塊分散,分苗氣缸停止運動時,夾苗裝置之間的距離與相鄰苗杯之間的距離一致,分苗機構展開狀態如圖3b所示。

圖3 分苗機構工作原理圖

本研究采用山東火絨農業科技有限公司設計的2ZBX-1型半自動移栽機作為栽植裝置。其相鄰苗杯的間距L為127 mm,取苗系統針對72穴盤的育苗盤,苗盤穴口間距X為42 mm,滑塊的長度應小于苗盤穴口間距X,選用滑塊的長度為40 mm。如圖3所示,對多級剪叉分苗機構進行分析,剪桿的中心在導軌上做直線運動,剪叉的剪桿長度為2R,有

U=3J-3B

(1)

U=6Rsinφ2-6Rsinφ1

(2)

J=L

(3)

B=X

(4)

式中U——多級剪叉分苗機構行程,mm

J——分苗機構展開相鄰滑塊之間距離,mm

R——剪叉分苗機構的半剪桿長,mm

B——分苗機構收縮相鄰滑塊之間距離,mm

φ1——未展開時剪桿在豎直方向夾角,(°)

φ2——展開時剪桿在豎直方向夾角,(°)

故臂長為

(5)

由此可以得到

(6)

對于剪叉分苗機構φ1≥10°,40°≤φ2≤55°,隨著φ1的減小,所需氣缸推力會急劇增大。φ2≤40°時,剪叉分苗機構臂長未能最大程度利用,φ2≥55°時,角度增大對位移的增長效果減小[27]。將數據代入式(1)、(3)、(4)計算得出U=255 mm,將φ1=12°、φ2=55°代入式(2),并對剪桿長度進行圓整,選取剪桿長度2R=140 mm,半剪桿長R=70 mm。

取苗裝置在一次取苗周期中,分苗氣缸、提升氣缸、移位氣缸、夾苗氣缸分別伸縮1次,共有8個動作,取苗頻率在90株/min下,氣缸平均開合時間為0.5 s,分苗機構的收縮與張開時間應小于0.5 s。分苗氣缸在帶動負載情況下,先做加速運動,達到最大速度后為勻速運動,故

(7)

(8)

式中vm——分苗氣缸最大速度,m/s

tz——分苗氣缸運動時間,s

aq——分苗氣缸作用滑塊的加速度,m/s2

tj——分苗氣缸加速時間,s

假定剪叉分苗機構的剪桿為輕桿,連接剪桿之間的光滑鉸鏈作為理想鉸,如圖3b所示,對氣缸直接作用滑塊進行受力分析,有

Fw-FA1sinφ-FA2sinφ-f=mzaq

(9)

其中

f=μmzg

(10)

式中Fw——氣缸拉力,N

f——滑塊所受摩擦力,N

mz——滑塊、夾苗裝置固定板、夾苗裝置的總質量,kg

FA1、FA2——剪桿對滑塊的作用力,N

φ——剪桿在豎直方向夾角,(°)

aq——分苗氣缸作用滑塊的加速度,m/s2

μ——滑塊與導軌之間的摩擦因數

g——重力加速度,m/s2

分別對分苗機構各滑塊進行受力分析,在各滑塊運動過程中,各滑塊之間的加速度比與位移比相同。對各滑塊進行受力分析可以得出

Fw-5f=3mzaq

(11)

在氣缸伸出過程中,由于加速時間短,可看作勻加速運動,分苗過程中缽苗的加速度及減速對缽苗基質的影響顯著,減小滑塊加速度,tj取0.1 s,單個滑塊、夾苗裝置固定板、夾苗裝置的總質量mz=1 kg,μ=0.4,將上述數據代入公式得出最小氣缸推力F=46.98 N。本研究采用兩個迷你氣缸安裝在分苗機構兩側推拉分苗機構,選用CDM2B25-255型雙作用氣缸,單個氣缸的拉力為30 N,分苗機構總拉力為60 N。

2.1.2缽苗力學模型

缽苗基質受到苗盤的粘附力、正壓力與摩擦力,取苗裝置將缽苗從穴盤中夾持并取出時,需要克服缽苗與缽苗基質的重力、摩擦力和粘附力[28]。取苗裝置取苗過程中缽苗的受力情況如圖4所示。

圖4 基質受力分析圖

缽苗脫盤力在一定程度上可以表示為苗盤4個側面以及底部對缽苗的摩擦力、粘附力、支持力、重力在豎直方向上的作用力,苗盤對缽苗達到最大摩擦力時,缽苗被取出的一瞬間,脫盤力的計算公式為

4(Fisinθ+ficosθ-Nisinθ)+G=FT

(12)

式中FT——缽苗脫盤力,N

Fi——苗盤對缽苗的粘附力,N

G——缽苗重力

Ni——苗盤側面對缽苗的支撐力,N

fi——苗盤側面對缽苗摩擦力,N

θ——苗盤傾角,(°)

為使夾苗裝置夾取缽苗提起且可以保持完整的基質,夾苗裝置夾莖后對苗莖的提升力Fj需要大于缽苗脫盤力FT,即

FT≤Fj

(13)

式中Fj——夾莖提升力,N

采用山東德瑞康蔬菜種苗有限公司培育的瑞苗9號辣椒苗作為試驗對象進行脫盤力檢測試驗,辣椒缽苗拉拔試驗得出基質缽苗的平均脫盤力為2.39 N,為了保證脫盤成功,取脫盤力為3.5 N,根據式(13)得出缽苗提升力Fj≥3.5 N。

2.1.3夾苗裝置

夾苗裝置用于缽苗的夾取與投放,夾苗裝置直接影響取苗效果,而氣動夾苗機構具有取苗精準、迅速的特點[29],本研究采用氣動兩指式夾持機構作為夾苗裝置,圖5為夾苗裝置機構運動簡圖,由夾苗氣缸驅動銷軸在兩側苗爪的U型槽中運動,銷軸對兩側U型槽的作用力使兩個苗爪分別以圓柱副C為圓心轉動,苗爪呈八字形開合,實現夾苗裝置夾持缽苗苗莖。

圖5 夾苗裝置機構簡圖

為了保證成功夾取缽苗苗莖,苗爪張開時,需要滿足以下條件:①為防止缽苗生長位置不在穴孔中心造成的取苗失敗,苗爪張開時,苗爪的夾取范圍大于苗盤穴口。②防止苗爪張開與相鄰苗爪發生干涉。

基于以上兩點,夾苗裝置張開后,其苗爪的尺寸需要滿足

c≤S=2Ocosβ+W≤X

(14)

c≤K=Osinβ

(15)

s=W-2Osinθ3

(16)

Z=Ocosθ3

(17)

式中s——苗爪閉合后兩苗爪之間的寬度,mm

S——苗爪張開時的最大寬度,mm

c——苗盤穴口寬度,mm

Z——苗爪長度,mm

O——苗爪到圓柱副之間的距離,mm

K——苗爪張開時的最大深度,mm

W——轉動副之間的距離,mm

θ3——苗爪頂端到轉動副之間的連線與苗爪的夾角,(°)

β——苗爪張開在水平方向的夾角,(°)

前期對缽苗物理特性研究可知,穴盤苗20～50 d時苗莖直徑通常介于2.5～3.7 mm,為保護苗莖及模擬人工手指取苗,在苗爪上粘貼了1 mm硅膠墊,考慮硅膠墊的彈性,選取閉合時苗爪的間距s=4 mm。72穴標準苗盤穴口長、寬為40 mm,將上述數據代入式(14)～(17)中,經過參數圓整,W=16 mm,Z=44 mm,O=44.5 mm,β=70°。

夾取缽苗時,為使夾苗裝置將缽苗從苗盤中取出,苗爪夾持的苗莖需要滿足

Ff=Fj>FT

(18)

式中Ff——苗莖受到的最大靜摩擦力,N

如圖5a所示,夾苗機構夾取缽苗時,對夾苗狀態下的夾苗機構進行受力分析,根據力矩平衡可得

(19)

式中Fl——夾苗氣缸的拉力,N

Fti——苗爪對苗莖的單側壓力,N

l1——Fl到圓柱副的力矩長度,mm

l2——Fti到圓柱副的力矩長度,mm

θ1——銷軸中心到圓柱副的連線與水平方向之間夾角

θ2——苗莖受力點到圓柱副的連線與豎直方向之間夾角

可根據計算出的壓力計算夾苗裝置夾苗時苗爪對缽苗的摩擦力為

Fj=Ff=μ1(Ft1+Ft2)

(20)

式中μ1——苗爪與苗莖之間的摩擦因數

根據式(19)、(20)可計算出夾苗氣缸所需拉力

(21)

夾取裝置將缽苗從苗盤中取出,且缽苗不掉落視為取苗成功,假設夾取缽苗在苗爪中間,根據前文的尺寸計算得出l2=20 mm,l1=11 mm,θ1=12°,θ2=18°,硅膠墊與苗木之間的摩擦因數取μ1=0.6,由式(21)計算得出氣缸理論最小推力為Fl≥10.3 N,選取夾苗氣缸為MD/CDU10-10,在0.5 MPa壓力下,輸出推力可達14.9 N。

2.2 缽苗運動分析

夾苗裝置取苗后,經分苗、移位后運動到苗杯上方,夾苗裝置張開將缽苗投入苗杯中。如圖6所示,苗杯探測傳感與缽苗在同一豎直平面內,苗杯檢測傳感器檢測到苗杯邊緣時,夾缽苗與苗杯之間的垂直高度為y,在苗杯高速運動過程中防止投苗失敗,應使缽苗在落入苗杯時恰好處于苗杯中心,在夾苗裝置將缽苗投入苗杯的過程中,對缽苗進行運動學分析,在夾苗裝置釋放缽苗時,缽苗的動力學方程為

圖6 缽苗運動分析圖

mg-Fk=mab

(22)

其中

Fk=μ2V

(23)

式中Fk——空氣阻力,N

m——缽苗質量,kg

ab——缽苗加速度,m/s2

μ2——空氣阻力系數

V——缽苗的下落速度,m/s

將式(23)代入式(22)后對式(22)進行時間雙重積分得到缽苗下落時位移與時間的關系。

在缽苗下落過程中,保證缽苗投入苗杯中心需要滿足條件

(24)

x=vft

(25)

(26)

Rb=x+vfty

(27)

式中y——缽苗下落位移,m

t——下落時間,s

x——缽苗下落時間內苗杯位移,mm

vf——苗杯速度,mm/s

a——取苗頻率,株/min

Rb——苗杯半徑,mm

ty——檢測到苗杯信號后投苗時間,s

由于空氣阻力對缽苗下落的影響忽略不計,當趨于0時有

(28)

聯立式(24)～(28)求出

(29)

由式(29)可以得出在傳感器檢測到苗杯后經過時間ty后進行投苗。

2.3 氣動系統

2.3.1氣動系統設計

取苗裝置中的氣動元件包括用于驅動分苗機構的分苗氣缸A,用于將缽苗從苗盤中取出的提升氣缸B,用于將缽苗從苗盤上方移動到苗杯上方的移位氣缸C,驅動苗爪夾取缽苗的夾苗氣缸 D,氣動系統如圖7所示,空氣經由空壓機加壓后,為了穩定氣源系統管路的壓力,在空壓機后增加儲氣罐,由電磁換向閥控制氣缸的伸出與收縮。自動取苗裝置為整排取投苗,6個夾苗裝置同時夾苗與投苗,采用一個電磁換向閥控制6個夾苗氣缸D。

圖7 氣動系統回路圖

2.3.2氣動系統耗氣量計算

取苗裝置氣動系統的耗氣量隨著取苗頻率增加而增加,氣動回路需要保證足夠的氣量確保系統工作氣壓穩定。在氣動系統運行過程中,氣缸的耗氣量計算公式為

(30)

式中Q——氣缸消耗壓縮空氣的流量,L/min

D——氣缸缸徑,cmLQ——氣缸行程,cm

p——氣動系統的工作壓力,MPa

n——氣缸活塞每分鐘往復次數

取苗裝置移栽平臺采用的栽植裝置,經調研發現穩定工作的最高栽植頻率為90株/min。通過計算得出氣動系統總耗氣量為56.61 L/min,選擇出氣量為60 L/min的空氣壓縮機作為氣源。

3 取苗裝置取投苗性能試驗

3.1 試驗條件、試驗方案與評價指標

試驗采用山東德瑞康蔬菜種苗有限公司培育的瑞苗9號辣椒苗作為試驗對象,該辣椒苗采用72孔標準苗盤培育,穴孔之間的距離為42 mm×42 mm,底部尺寸為17 mm×17 mm,苗盤總體尺寸為540 mm×280 mm,苗盤的材料為聚苯乙烯,具有柔韌性好耐折疊的特點。瑞苗9號辣椒苗采用有機營養基質培育,育苗基質為泥巖、蛭石、珍珠巖按照體積比2∶1∶1混合制得,基質緊實,根系粗壯,滿足試驗條件。試驗儀器:取苗裝置試驗臺(如圖8所示),游標卡尺、直尺、賽多利斯BSA124S電子秤。

圖8 取苗試驗臺

前期預試驗表明缽苗苗齡、基質含水率及取苗頻率對移栽效果具有顯著影響,針對缽苗苗齡、基質含水率、取苗頻率設計單因素試驗,基質含水率采用干濕質量法測量,取苗頻率由控制系統控制變頻電機的頻率來改變,試驗臺選用上海禾久減速機有限公司生產的ESP8024變頻電機,電機功率為750 W。

根據JB/T 10291—2013《旱地栽植機械行業標準》結合辣椒苗栽植要求,選用取苗成功率Y1以及基質破碎率Y2作為評價指標。

(1)取苗成功率:缽苗從穴盤中完整取出,投入苗杯后,由苗杯將缽苗投入栽植器,完成整個流程且缽苗莖葉保持完整視為取苗成功,計算公式為

(31)

式中N2——取苗成功株數,株

N1——總缽苗數量,株

(2)基質破碎率:在取苗過程中基質在取苗、投苗過程中會產生破碎,以從苗盤中取出,從栽植器落下后的缽苗基質的完整度作為試驗評價指標,計算公式為

(32)

式中M1——穴盤苗總質量,g

mx——苗盤質量,g

M2——取苗后的缽苗總質量,g

基質破碎率測量方式:在每組試驗前,對整盤缽苗進行稱量,試驗完成后,將取苗成功后的缽苗收集到一起并稱量。

3.2 單因素取苗試驗

3.2.1苗齡對取苗效果的影響

根據NY/T 2119—2012《蔬菜穴盤育苗 通則》,苗齡決定缽苗根系和莖葉的形態,苗齡較大時缽苗根系發達,缽體具有良好的基質-根系復合特性,取苗裝置取苗時基質不容易破碎,但苗齡較大莖葉纏繞,取苗強行分離缽苗可能導致莖葉受損,苗齡較低時則相反。選取基質含水率為40%,將樣機的取苗頻率設置為70株/min,苗齡分為20、25、30、35、40 d設計單因素試驗。每組試驗重復進行3次取平均值,每次試驗取苗144株。試驗結果如圖9a所示。

圖9 單因素試驗結果

由圖9a可以看出,隨著苗齡的增加,取苗成功率先逐漸上升后下降,而基質破碎率先急劇下降,最后趨于平穩。苗莖20 d時,取苗成功率為90.34%,基質破碎率為20.00%,在5組中取苗成功率最低,基質破碎率最大。苗齡20 d的缽苗苗莖細、脆性大,取苗時出現苗爪夾斷苗莖的現象,導致取苗成功率低。苗齡較小時,缽苗根系不發達,缽苗根系難以纏繞基質,造成基質破碎率大。隨著苗齡增加到30 d時,苗莖粗壯,韌性增加,苗莖斷裂現象基本消失,取苗成功率最大,為97.22%。根系逐漸強壯,基質破碎率減小到6.14%。隨著苗齡繼續增大,缽苗的莖葉增大,取苗時出現苗爪夾取到后排葉片或投苗時缽苗葉片掛在苗爪與苗杯上的現象,導致取苗成功率下降。此時缽苗根系已經發育完全,根系將基質完全纏繞,基質破碎率逐漸趨于平穩。由以上分析可知,最佳取苗參數在苗齡25～35 d之間。

3.2.2基質含水率對取苗效果的影響

基質含水率過低(小于20%)時,缽苗易發生脫水,影響定植后的成活率,含水率過高(大于60%)時,缽體抗壓能力降低,造成基質破碎率增大。選取苗齡為30 d,取苗頻率為70株/min,設置基質含水率20%、30%、40%、50%、60% 5個水平設計單因素試驗。每組試驗重復進行3次取平均值,每次試驗取苗144株,試驗結果如圖9b。

如圖9b所示,隨著基質含水率的上升,取苗成功率出現先上升后下降的趨勢,基質破碎率出現總體上先下降后上升的趨勢。當基質含水率為20%時,取苗成功率最低,夾取缽苗位置出現偏移時,由于基質含水率低,缽體質量較輕,投苗時缽苗重心點不在苗杯圓心,缽苗下落過程中缽苗無法快速呈豎直狀態,造成投苗失敗。且基質的粘性下降,導致缽苗基質在取投苗時易碎。隨著基質含水率的上升,缽苗基質質量上升,基質粘性增大,取苗成功率增加,基質破碎率總體下降,含水率到達40%時,取苗成功率最大,達到97.40%,基質破碎率為4.81%。基質含水率大于40%,取苗成功率下降。經仔細觀察分析后發現,苗盤中劣苗的根系不發達,在基質含水率較大時,基質松散,一些劣苗出現歪倒的現象,導致缽苗定位不準,造成取苗成功率下降。同時基質松散也導致基質破碎率增大,在含水率達到60%時,基質破碎率達到最大,為11.76%。以上分析可知,最佳取苗參數在基質含水率30%～50%之間。

3.2.3取苗頻率對取苗效果的影響

選取苗齡30 d的辣椒苗,基質含水率40%,取苗頻率以50、60、70、80、90株/min 5個水平設計單因素試驗,每組試驗重復進行3次取平均值,每次試驗取苗144株,試驗結果如圖9c所示。

如圖9c所示,取苗頻率在50～80株/min之間,取苗成功率均大于95.00%。在達到80株/min后開始下降,取苗頻率為90株/min時,苗杯運動速度過快,導致投苗出現誤差,取苗成功率下降到最小,為90.97%。基質破碎率隨著取苗頻率的上升開始逐漸增加。取苗頻率在50～70株/min之間時,基質破碎率均小于4.50%。隨著取苗頻率的繼續增加,機器振動加劇,導致基質破碎率快速增加,取苗頻率達到90株/min時,基質破碎率達到9.02%。由以上分析可知,取苗頻率在50～70株/min時,取苗成功率及基質破碎率變化趨勢不顯著。在保證取苗成功率高、基質破碎率低的情況下,最佳取苗參數應選擇較高的取苗頻率,最佳取苗參數在70～90株/min 之間。

3.3 多因素仿真試驗分析

3.3.1正交試驗設計

為了驗證苗齡、基質含水率與取苗頻率3個因素之間的交互對取苗效果的影響,采用Design-Expert 8.0軟件Box-Behnken響應曲面分析法設計三因素三水平正交試驗,共有17組試驗,每組試驗2次,每次取144株苗,試驗結果取平均值。

根據單因素試驗結果,選取工作氣壓0.5 MPa作為基準參數,在缽苗苗齡(30±5)d,基質含水率40%±10%,取苗頻率(80±10)株/min范圍內進行細分并設計正交試驗,正交試驗的因素編碼如表1所示。

表1 正交試驗因素編碼

3.3.2試驗結果與分析

試驗結果采用Design-Expert 8.0軟件進行數據處理與分析,采用Box-Behnken響應曲面分析法分別建立苗齡、基質含水率、取苗頻率兩兩交互對取苗成功率、基質破碎率影響的數學模型。試驗結果如表2所示。

表2 試驗結果

表3為響應面擬合方差分析的結果,由表3中的P值表明,對取苗成功率的影響順序從大到小為取苗頻率、基質含水率、苗齡。而取苗頻率的P值小于0.05,說明取苗頻率對取苗成功率具有顯著性影響。對基質破碎率影響程度從大到小排序分別為苗齡、取苗頻率、基質含水率,苗齡與取苗頻率的P值均小于0.05,說明苗齡與取苗頻率對基質破碎率的影響顯著。

表3 方差分析結果

根據Design-Expert 8.0 軟件獲得兩兩因素交互對取苗效果的數學模型,利用Origin 2021軟件繪制各因素交互作用對取苗效果影響的3D響應曲面圖,圖10為各因素對取苗成功率影響的響應面圖,由圖10a可以看出,苗齡與基質含水率變化時,取苗成功率均在95.00%～98.00%之間。苗齡與基質含水率增大時取苗成功率均出現先增加后減小的趨勢,但取苗成功率變化趨勢不明顯,說明在選取參數范圍內苗齡與基質含水率對取苗成功率的影響并不顯著。由圖10b可以看出,苗齡逐漸增大時,取苗成功率存在先增加后減小的趨勢,但該趨勢并不明顯,但隨著取苗頻率的增加,取苗成功率先趨于穩定,達到84株/min時,取苗成功率開始快速下降。在苗齡25 d、取苗頻率90株/min時,取苗成功率達到最小,為91.49%,說明取苗頻率對取苗成功率影響顯著。由圖10c可知,基質含水率的增長對取苗成功率的影響并不顯著,隨著取苗頻率的增加,取苗成功率先穩定后下降。圖10b、10c表明取苗頻率對取苗成功率影響顯著。

圖10 因素交互作用對取苗成功率影響的響應曲面

圖11為各因素交互作用對基質破碎率影響的響應曲面圖,圖11a表明,基質破碎率隨著苗齡的增加而顯著減小,隨著基質含水率的增加而減小,說明苗齡與基質含水率對基質破碎率有顯著影響,苗齡25 d、基質含水率為30%時,基質破碎率最大,達到12.28%。另外基質破碎率隨苗齡的下降速率大于隨基質含水率下降速率,說明苗齡對基質破碎率的影響大于基質含水率。且當苗齡25 d時基質破碎率隨著基質含水率的下降速率,大于35 d時基質破碎率隨著基質含水率的下降速率,造成這種現象的原因是隨著苗齡的增大,缽苗根系對基質的纏繞更強,減弱了基質含水率對基質破碎率的影響。圖11b表明,隨著取苗頻率的增加,基質破碎率呈現出逐漸增大的趨勢,且隨著苗齡減小,取苗頻率增大時,基質破碎率增長的速率明顯加快,說明苗齡與取苗頻率均對基質破碎率具有顯著影響。當苗齡25 d、取苗頻率為90株/min時,缽苗根系難以包裹基質,加之取苗頻率增大機器振動劇烈,在苗齡與取苗頻率的交互作用下,基質破碎率達到最大(17.90%)。從等高線可以看出,在苗齡低于28 d、取苗頻率大于86株/min時,基質破碎率快速增加,說明苗齡與取苗頻率在該區間對基質破碎率的交互影響加大。由圖11c可知,取苗頻率在70～84株/min內時,隨著基質含水率的上升基質破碎率總體上也呈現上升趨勢。但隨著取苗頻率繼續增加,取苗頻率對基質破碎率的影響效果呈現出顯著變化的趨勢,取苗頻率對基質破碎率的影響大于基質含水率的影響。在取苗頻率大于84株/min時,機器振動加大,基質含水率較低時,基質粘性下降,兩方面的交互作用下,基質破碎率達到最大。

圖11 因素交互作用對基質破碎率影響的響應曲面

3.4 取苗參數優化及驗證

正交試驗結果表明,苗齡、基質含水率及取苗頻率均對取苗效果有較大影響,為獲得最佳取苗效果,以取苗成功率最高、基質破碎率最低為優化目標,采用Design-Expert 8.0軟件進行優化求解,取苗參數在苗齡33 d、基質含水率46%、取苗頻率75株/min時取苗效果最佳。在此取苗條件下,軟件求解出取苗成功率為98.02%,基質破碎率為3.89%。

結合優化后的取苗參數對取苗機構進行驗證試驗[30],試驗在工作氣壓0.5 MPa的環境下進行,以山東德瑞康蔬菜種苗有限公司培育的瑞苗9號辣椒苗作為試驗對象,共進行5組試驗,每組試驗用苗72株,圖12為試驗平臺取苗試驗。試驗結果如表4所示。

表4 作業性能試驗結果

圖12 試驗平臺取苗試驗

由試驗結果可知,平均取苗成功率為97.36%,平均基質破碎率為5.07%,滿足移栽作業要求。

4 結論

(1)根據移栽作業需求,設計夾莖式取苗裝置,通過建立分苗機構力學模型及進行夾苗機構結構設計及力學分析,搭建取苗試驗裝置,實現移栽取苗、投苗一體化作業。

(2)以苗齡、基質含水率、取苗頻率為試驗因素開展單因素試驗,苗齡在30 d時取苗成功率達到97.22%,且基質破碎率下降趨于平穩,基質含水率在40%時,取苗成功率最大為97.40%,且基質破碎率最小為4.5%,取苗頻率在大于80株/min時,取苗成功率及基質破碎率逐漸下降。

(3)正交試驗表明,影響取苗試驗裝置取苗成功率因素從大到小分別為取苗頻率、基質含水率、苗齡;影響基質破碎率因素從大到小排序分別為苗齡、取苗頻率、基質含水率;取苗頻率以及苗齡對取苗效果有顯著影響。根據試驗結果對取苗參數進行優化,在苗齡33 d、基質含水率46%、取苗頻率75株/min時進行取苗性能試驗,試驗結果表明,平均取苗成功率為97.36%,平均基質破碎率為5.07%,滿足移栽的作業要求。