辣椒雙苗盤交替取投苗裝置設計與試驗

中圖分類號：S223.9 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）07-0055-10

Abstract：Toaddress thechallengesofloweficiencyandfrequentfailureinseedlingpickinganddroppnginfully automaticchili pepper transplanting machines，analternating seedling pickingand dropping devicewas developed based onanejector-picker combination method.The device was designed to work with double sedling trays，enabling the alternating picking of entiresedling rows and batch-wise dropping.Thispaperoutlined thestructuralcompositionand working principles of the device.To ensure minimal seedling damage，the required clamping forceforseedling extraction was analyzedand defined.Theoretical and simulation analyses were conducted to study sedling motion trajectories.To validate the effectiveness of the developeddevice，experimental tests were conductedusing pepper seedlings.The experiments considered three main factors：average frequency of seedling picking and dropping，seding growth duration，and the moisture content of theseedling bowl.Thekeyresponse indicators included the seedling picking sucess rate，seedling dropping success rate，combined picking and dropping success rate，and the rate of damaged seedlings.Athree-factorandthree-levelorthogonal experiment wasconducted todeterminetheoptimalcombinationof operating conditions. The results showed that the seedlings picking success rate reached 96.82% ，the dropping success rate was 95.00% ，the rate of damaged seedlings was 0.91% ，and the combined picking and dropping success rate was 94.09% .These results met the performance requirements for high-speed transplanting operations.The findings offera reliable referencefor thedesign and development of eficient automatic seedling picking and dropping mechanisms.

Keywords：pepper；automatic transplanting machine；alternating seedling picking and dropping mechanism；combined ejector-picker;double seedling trays

0 引言

育苗移栽具有對氣候補償的特點，可有效提高蔬菜幼苗生長期間的抗災能力，增加成活率，是當前蔬菜產業的主要種植形式[1，2]。但目前蔬菜移栽以半自動移栽為主，依靠人工進行取投苗作業，勞動強度大、作業效率低，嚴重制約了蔬菜產業可持續綠色發展[3]，全自動移栽機取苗、投苗動作均由機械完成，實現移栽機械化，有效降低工人的勞動強度，現如今已成為蔬菜移栽機械發展的趨勢[4]

取投苗裝置是全自動移栽機的核心機構，研制出高效、穩定的取投苗裝置是移栽領域的研究重點及難點[5]。近年來，國內外學者針對取投苗裝置開展了一系列研究，提出了夾缽式[6，7]、夾莖式[8，9]、頂出式[10]、頂—夾結合式[11，12]、氣力式[13，14]等一系列取苗方式。邱碩等[15]設計了一種夾莖式雙排自動取投苗裝置，利用雙排取苗爪實現辣椒苗循環取投苗作業，該裝置可與2ZBX一2型蔬菜半自動移栽機的栽植機構配合實現高速移栽，但該裝置尚未進行田間試驗。陳斌等[16]設計了一種曲柄搖桿附加直線氣缸的交替式取苗機構，并研究了搖桿長度對取投苗軌跡的影響，該機構實現了高速取苗，但該機構處于實驗室階段，尚未進行田間試驗。文永雙等[17]設計了一種插入頂出式取苗裝置，頂苗桿由大小不一的兩段式組成，作業時頂苗桿先插入缽苗基質后再將缽苗頂出，解決了頂出式取苗裝置作業后缽苗落苗點不可控的問題。

基于以上分析，為提高自動化移栽過程中取投苗裝置作業效率及穩定性，基于頂一夾結合式取苗方式設計一種交替取投苗裝置，對關鍵部件進行設計并分析缽苗運動軌跡，搭建試驗臺架，選取辣椒苗作為試驗對象，進行正交試驗，驗證試驗裝置的作業可靠性。

1整機結構與工作原理

1.1 整機結構

交替取投苗裝置主要由送盤頂苗裝置、取投苗裝置、分苗裝置、移位裝置、氣動系統以及控制系統等組成，如圖1所示。送盤頂苗裝置位于裝置兩側，采用“U形”上進下出方式送盤可有效降低裝置體積；分苗裝置位于裝置中心位置；取投苗裝置由左、右兩套取苗裝置組成，左側取苗裝置夾取左側取苗位置缽苗，右側取苗裝置夾取右側取苗位置缽苗，按時序將缽苗投放至分苗裝置中，分苗裝置按時序進行分苗作業，實現單株落苗。

取投苗過程由PLC控制系統控制各個執行氣缸有序動作、各個電機高效作業，實現交替取投苗循環作業。

圖1雙苗盤交替取投苗裝置

Fig.1 Alternate seedling picking and dropping mechanismfor double seedling trays1.缽苗2.分苗裝置3.移位裝置4.取投苗裝置5.送盤頂苗裝置6.機架

1. 2 工作原理

送盤頂苗裝置采用氣動推盤機構實現苗盤步進式進給，使苗盤沿既定滑槽路線移動，精準運輸缽苗至取苗位置，頂苗機構在取苗位置將整排缽苗頂松，破壞缽苗缽體與育苗盤間的黏結，提高取苗成功率；取投苗裝置在取苗位置整排取苗，在投苗位置分批次間隔投苗；移位裝置完成取投苗裝置在取苗位置與投苗位置間的往復移動；分苗裝置有效承接取投苗裝置投放的缽苗，按時序分苗，實現單株落苗。取投苗裝置取苗后均在左側投苗位置完成第1次投苗，右側投苗位置完成第2次投苗，如圖2所示。

圖2交替取投苗裝置工作原理

Fig.2Working principle of the alternate seedling picking and dropping mechanism

1.3 工作流程

取投苗作業時，PLC系統控制送盤頂苗裝置、取投苗裝置、移位裝置及分苗裝置有序配合、協調運動，完成移盤、頂苗、夾苗、拔苗、投苗及落苗作業。具體過程：（1）送盤頂苗：送盤裝置將缽苗精準運送至取苗位置，頂苗裝置將取苗位置的整排缽苗頂松，破壞缽苗缽體與育苗盤間黏結。（2）右側取苗裝置取苗：移位裝置驅動取投苗裝置右移，右側取苗裝置達到取苗位置后夾取整排缽苗，拔苗裝置工作，將缽苗從育苗盤中取出。（3）右側取苗裝置左側投苗位置投苗：移位裝置驅動取投苗裝置帶動缽苗左移，橫移過程中拔苗裝置停正工作，右側取苗裝置到達左側投苗位置后在夾苗高度間隔開啟偶數苗夾，缽苗落入分苗裝置左側接苗桶內，分苗裝置進行分苗作業，按時序單株落苗。（4）右側取苗裝置右側投苗位置投苗：取投苗裝置與送盤頂苗裝置緊密配合，右側取苗裝置在左側投苗位置投苗時，左側取苗裝置夾取左側取苗位置缽苗。右側取苗裝置完成第1次投苗后，拔苗裝置工作，左側取苗裝置完成取苗作業。取投苗裝置右移，右側取苗裝置到達右側投苗位置后，在拔苗高度間隔開啟奇數苗夾，缽苗落入分苗裝置右側接苗桶內，完成右側取苗裝置第2次投苗。（5）左側取苗裝置左側投苗位置投苗：右側取苗裝置完成右側投苗位置投苗后，取投苗裝置右移，橫移過程中拔苗裝置停止工作，左側取苗裝置到達左側投苗位置后在夾苗高度間隔開啟偶數苗夾，缽苗落入分苗裝置左側接苗桶內，左側接苗桶內原有缽苗完成單株落苗，開啟新一輪分苗作業。（6）左側取苗裝置右側投苗位置投苗：左側取苗裝置完成左側投苗位置投苗后，取投苗裝置右移，送盤頂苗裝置完成送盤頂苗作業，左側取苗裝置到達右側投苗位置后在夾苗高度間隔開啟奇數苗夾，缽苗落入分苗裝置右側接苗桶內，同時右側取苗裝置夾取右側取苗位置整排缽苗，取投苗裝置開始新一輪取苗作業。

2 關鍵部件設計

2.1取投苗裝置

2.1.1 取投苗裝置結構設計

取投苗裝置由取苗裝置、拔苗裝置及托板組成，如圖3所示。取苗裝置由氣缸驅動進行夾苗作業，拔苗裝置驅動取投苗裝置同時運動，取苗裝置攜帶缽苗完成拔苗作業。

圖3取投苗裝置示意圖

Fig.3 Schematicdiagram of seedlingpickinganddropping mechanism1.取苗裝置2.取苗擋板3.拔苗裝置4.托板5.機架

取苗裝置由兩套氣動夾苗組件鑲嵌式組成，氣動夾苗組件由取苗氣缸、折彎件、滑軌、滑塊、連接板組成，如圖4所示。氣動夾苗組件中相鄰折彎件組成苗夾，取苗氣缸控制苗夾開合實現缽苗的夾取及投放。

由圖4可知，氣動夾苗組件中折彎件組成的苗夾間距為缽苗間距的兩倍，取苗裝置取苗時，兩套氣動夾苗組件同時作業，夾取整排缽苗，投苗時，氣動夾苗組件分批次作業，實現間隔投苗，增加投苗后缽苗間距，提高投苗成功率。

圖4取苗裝置示意圖

Fig.4Schematic diagram of seedling picking mechanism1.連接板2.折彎件3.取苗氣缸4.滑塊5.滑軌6.氣動夾苗組件7.托板

2.1.2 缽苗受力分析

因缽苗缽體的抗拉強度遠低于抗壓強度[18]，采用頂一夾結合式取苗方式可降低對缽苗缽體的損傷，為實現低損取苗，以單株缽苗為研究對象，頂苗裝置作業時缽苗受力模型如圖5所示。

圖5缽苗頂苗時受力模型

Fig.5Stress model of bowl seedling when ejecting

頂苗裝置將缽苗頂松，需要克服缽苗自身重力、摩擦力和黏附力，頂苗裝置頂苗作業時缽苗受力過程如圖5所示。缽苗脫盤力可反映缽苗重力、摩擦力、正應力以及黏附力在豎直方向上的分力，即

F_T1sinθ+f_ncosθ+G-F_N1sinθ=F_t

式中： F_T1 缽苗與育苗盤間黏附力，N；

f_n （204號 缽苗與育苗盤間摩擦力，N；

G 缽苗重力，N;

F_N1 （20 -育苗盤對缽苗的支撐力，N；

F_t 缽苗脫盤力，N；

θ （204號 苗盤傾角， （^°） 。

為使頂苗裝置能將缽苗頂松，頂苗裝置的頂出力 N 需大于缽苗脫盤力 F_t ，即

N?F_：

對用D220P育苗盤培育40天的“興蔬215\"辣椒缽苗進行脫盤力試驗，試驗得出缽苗平均脫盤力為1.9N ，最大脫盤力為 2.9N ，為保證脫盤成功，取脫盤力為 3.2N ，即缽苗頂出力 N?3.2N 。

頂苗裝置頂苗時，頂苗氣缸推動頂苗桿從穴孔底部進入穴孔，接觸缽體底部后繼續推動缽苗向上運動，破壞缽苗與育苗盤間黏附，此過程中，頂苗桿會造成缽苗底部產生一定凹陷。頂苗時缽體產生的凹陷與頂苗桿直徑、頂苗驅動氣缸節氣門開度及頂苗氣缸工作氣壓有關。通過相關試驗可知，采用2個 TN16-20 作為頂苗裝置驅動氣缸對 D220P 育苗盤培育的辣椒苗進行頂苗脫盤作業，試驗得出當節流閥開度為 25% ，頂苗桿直徑為 8mm ，頂苗氣缸工作氣壓為 0.6MPa 時，頂苗桿以較慢的速度完成頂苗脫盤作業，對缽苗的損傷較小，平均凹陷深度為 1.49mm 。

頂苗裝置完成頂苗后，頂苗桿與缽苗缽體脫離接觸，缽苗回落至穴孔中，取苗裝置進行取苗作業，為實現低損取苗，以單株缽苗為研究對象，建立缽體頂松后取投苗裝置夾莖取苗時缽苗受力模型如圖6所示。

圖6夾莖取苗缽苗時受力模型

取苗裝置夾取缽苗時，缽苗與育苗盤間黏附關系已被破壞，缽苗靜止在育苗盤中，缽苗僅受自身重力與育苗盤對缽苗的支撐力，即

F_vsinθ=G

式中： F_N 1 頂苗后育苗盤對缽苗的支撐力，N。

取投苗裝置夾取缽苗時，苗夾夾緊缽苗莖稈在拔苗裝置的作用下將缽苗從苗盤中拔出。拔苗裝置平穩拔出缽苗，缽苗與苗夾間應保持靜止，缽苗受力需滿足條件如式（4）～式（8）所示。

式中： F_L ——拔苗裝置對單株缽苗的拉拔力，N;

f ——頂苗作業后缽苗與育苗盤間摩擦力，N;

μ 頂苗后育苗盤與缽體間摩擦系數；

f_A （20 苗夾與缽苗莖稈間摩擦力，N；

μ₁ 苗夾與缽苗莖稈間摩擦系數；

FN 頂苗后育苗盤對缽苗的支撐力，N；

F_y1，F_y2 苗夾對缽苗莖稈的正壓力，N。

由式 （3）～ 式（8）可知，拔苗裝置平穩拔出缽苗，苗夾對缽苗莖稈的正壓力

對培育40天的“興蔬215\"辣椒缽苗進行質量測定，試驗得缽苗平均質量為 10.1g ，缽苗最大質量為11.2g ；對辣椒苗莖稈與苗夾間摩擦系數進行試驗測定，得辣椒苗莖稈與苗夾間摩擦系數為0.52；對頂苗后的缽苗進行拉拔力試驗測定，試驗得出缽苗拉拔力約為缽苗重力，由式（4）可知頂苗裝置頂松后的缽苗與育苗盤間摩擦力可忽略不計。為實現所有缽苗平穩夾持與拔取，選用最大質量計算苗夾對缽苗莖稈的正壓力 F_y1=0.106N 。

夾莖式取苗對缽苗莖稈的夾持力過大會損傷缽苗莖稈，影響缽苗正常生長[19]。為確定辣椒缽苗莖稈的最大承壓能力，對辣椒苗莖稈進行壓縮試驗，試驗結果表明，當壓縮力大于5.2N時，缽苗莖稈發生不可逆損傷，影響缽苗正常生長。綜上，取苗裝置低損取苗，苗夾對缽苗莖稈施加的正壓力應滿足 0.106N?F_s1?5.2N

2.1.3 氣動夾苗組件受力分析

基于取苗裝置低損取苗時對缽苗正壓力要求，確定氣動夾苗組件工作壓強。建立氣動夾苗裝置夾苗時受力模型如圖7所示。

圖7氣動夾苗組件受力圖模型 Fig.7Force model of the pneumatic seedling clamping component

取苗時，取苗氣缸活塞桿收縮，苗夾夾取缽苗，氣動夾苗組件水平方向受力處于平衡狀態，由圖7可知

F_A=F_a+F_b+F_c+F_d+F_e+f_a

F_B=F₁+F₂+F₃+F₄+F₅+f₁

式中： F_A ） F_B ——取苗氣缸驅動力，N；

F_a～F_e、F₁～F₅ ——缽苗莖稈對折彎件的正壓

理論分析時忽略缽苗莖稈直徑差異，即取苗時缽 苗莖稈壓縮情況一致。折彎件與連接板視為剛性材 料，可得

F_a=F_b=F_c=F_d=F_e

F₁=F₂=F₃=F₄=F₅

苗夾夾取缽苗，缽苗在水平方向上受力應平衡，且氣動夾苗裝置取苗氣缸由同一電磁閥控制，同時開啟或關閉。

經測量氣動夾苗組件質量為 48g ，滑塊與滑軌間摩擦系數為0.1。

取苗時，苗夾對缽苗莖稈的正壓力與莖稈對折彎

件的正壓力相同，即

F_y1=F₁

由式（15）和式（16）可得，低損取苗時，取苗氣缸驅動力應滿足 0.577N?F_A?26.47N，

取苗時，取苗氣缸為回程作業，氣缸驅動力

F_A=P?π?（R²-r²）

式中： P 1 -氣缸工作壓強， MPa R 氣缸缸體直徑， mm r 氣缸活塞桿直徑， mm

D220P 育苗盤穴孔寬 23mm ，考慮氣動夾苗裝置苗夾夾持范圍及參考實際售賣氣缸行程取整情況，選用 SDA12一10薄型氣缸為取苗氣缸，活塞桿直徑為6mm ，工作氣壓為 0.1～1MPa ，氣缸行程為 10mm .兩氣缸相向安裝，驅動折彎件運動完成取投苗作業。該氣缸在 0.3MPa 的工作氣壓下，回程驅動力為23.55N ，滿足低損取苗要求。

實際作業時，缽苗莖稈直徑存在差異，取苗裝置取苗時，苗夾先接觸大直徑缽苗并使其發生壓縮變形至一定程度后再與小直徑缽苗接觸，若缽苗直徑差異過大，大直徑缽苗因壓縮變形過大而損傷，影響其正常生長，小直徑缽苗因苗夾夾持力不足而無法完成取苗作業，致使取苗失敗。夾莖取苗時在苗夾間添加緩沖材料可有效解決取苗裝置取苗時對缽苗直徑的損傷，并降低缽苗直徑差異對取投苗作業的影響。通過在氣動系統中添加節流閥可控制取苗氣缸的作業速度，實現低損取苗。

2.2 分苗裝置

2.2.1 分苗裝置結構設計

為解決整排取苗后缽苗單株落苗問題，解決現有分苗裝置難以適用高速移栽以及對接苗時刻要求嚴格的問題，設計一種如圖8所示的分苗裝置。該分苗裝置采用接苗桶固定，通過凸輪間隔開啟接苗桶底部載苗板實現單株落苗。接苗桶由左、右兩接苗桶組成，左側接苗桶進行落苗作業時右側接苗桶進行接苗作業，依次循環，降低分苗裝置與取投苗裝置的配合難度。

圖8分苗裝置結構示意圖

Fig.8Schematicdiagram of the seedling sortingmechanism 1.彈簧2.間歇落苗組件3.接苗桶4.落苗桶 5.凸輪驅動軸6.凸輪7.載苗板8.缽苗

分苗裝置由接苗桶、落苗桶及間歇落苗組件組成，如圖8（a）所示。分苗裝置接苗桶由左、右兩組接苗桶組成，取投苗裝置將缽苗投入接苗桶，接苗桶內的缽苗按時序落入落苗桶并與栽植裝置配合完成栽植。為減緩投苗后缽苗葉片間牽扯，接苗桶內設隔板組成相互分離的接苗杯，因氣動夾苗裝置為整排間隔投苗，為精準承接缽苗，接苗杯間距為缽苗間距的2倍。

間歇落苗組件由凸輪、凸輪驅動軸、彈簧以及載苗板組成，如圖8（b）所示。缽苗落入接苗杯由載苗板承接，載苗板在彈簧的作用下處于水平常閉狀態，凸輪凸起部分接觸載苗板后，載苗板旋轉至豎直開啟狀態，缽苗失去支撐，在重力作用下沿一定軌跡落人落苗桶，凸輪凸起部分與載苗板脫離接觸后，載苗板在彈簧作用下恢復水平狀態，等待下一次接苗，往復作業，實現對缽苗的有序落苗。

2.2.2 落苗時序

為實現取苗裝置交替循環作業，配合取投苗裝置交替取投苗作業，對分苗裝置落苗時序進行分析，其落苗時序如圖9所示。

圖9缽苗落苗時序

Fig.9Timing of the fall of the pepper seedlings

取投苗裝置在左側投苗位置投苗后，缽苗落入分苗裝置接苗桶，分苗裝置按時序開啟載苗板，各缽苗通過與接苗桶桶壁發生碰撞改變缽苗運動軌跡和運動速度，實現在落苗桶出苗口位置豎直落苗，實現落苗位置可控，使缽苗均勻落于栽植槽中。受分苗裝置落苗原理影響，各位置的缽苗下落軌跡并不相同，落苗軌跡越長，下落所需時間越長。Chen等2°指出適度調整凸輪安裝相位角可解決因落苗桶落苗軌跡不同產生的落苗時長不同，有效解決分苗裝置因落苗軌跡不同出現的落苗不均現象。

2.3 控制系統

控制系統由信號輸入單元、信號處理單元、信號輸出單元、電動執行單元、氣動執行單元組成。啟動按鈕SB1、停止按鈕SB2、限位開關SN1、送盤信號傳感器SN2、頂苗信號傳感器SN3、夾苗信號傳感器SN4、SN5，拔苗信號傳感器SN6、SN7，分苗信號傳感器SN8和拔苗裝置回位傳感器SN9組成信號輸入單元；PLC為信號處理單元，型號為易控派YKP376一體機；二位五通電磁閥 DT1～DT7 及步進電機驅動器DM1～DM-3 為信號輸出單元；取苗氣缸、拔苗氣缸、送盤氣缸、頂苗氣缸為氣動執行單元，M1為移盤電機， M2～M3 為間歇落苗組件驅動電機，電機轉速通過PLC進行控制。電磁閥 DT1～DT4 控制4組氣動夾苗組件的取苗氣缸動作，電磁閥DT5控制拔苗氣缸動作，電磁閥DT6控制頂苗氣缸動作，DT7控制送盤氣缸動作。

3缽苗運動軌跡分析

3.1缽苗理論運動軌跡

取投苗裝置由兩套取苗裝置組成，與送盤頂苗裝置緊密配合完成左右兩側交替取投苗作業，為實現取投苗裝置交替循環作業，提高取苗效率，取投苗裝置取苗后均從左側投苗點進行投苗，不同取苗位置缽苗移動至不同投苗位置，其運動軌跡有所區別。為解決此問題，對取投苗各階段缽苗運動軌跡及取投苗時長進行分析，基于取投苗連續循環作業的要求，調整移位裝置各階段運行速度實現對取投苗時長的控制。

取投苗裝置交替取投苗缽苗理論運動軌跡如圖10所示。已知缽苗投苗點與載苗板垂直高度為 h_?1 ，拔苗裝置工作行程為 h₂ ，取苗點與投苗點水平距離為 l₁，1 號投苗點與2號投苗點水平距離為 l₂ 。

取投苗裝置交替取投苗過程可分為4個階段，實現循環作業，對取投苗裝置各階段運動時長提出一定要求。

1）取投苗裝置右側取苗裝置在右側取苗點取苗后將缽苗投落至分苗裝置左側接苗桶載苗板上，缽苗運動軌跡如圖10（a）所示。水平運動距離為 Δl₁+Δl₂ ，運動時間為 t₁ ；投苗時投苗點與載苗板垂直高度為 h_?1 .缽苗自由下落時間為 t₂ ；取苗裝置進行一次夾苗作業，夾苗時長為 t_j ；取苗裝置進行一次投苗作業，苗夾松開時長為 t_s ;拔苗裝置拔苗一次，拔苗時間為 t_B ，則第一階段取投苗總時長

t_a=t_B+t₁+t₂+t_j+t_s

2）取投苗裝置右側取苗裝置左側投苗位置投苗時，左側取苗裝置在左側取苗點夾苗，投苗作業完成后，拔苗裝置工作完成取苗。右側取苗裝置從左側投苗點運動至右側投苗點，在拔苗高度將缽苗投落至分苗裝置右側接苗桶載苗板上，缽苗運動軌跡如圖10（b）所示。水平橫移距離為 l₂ ，橫移時間為 t₃ ；投苗時投苗點距載苗板垂直高度為 h₁+h₂ ，缽苗下落時間為 t₄ ，此過程中，拔苗裝置工作一次，拔苗時間 t_B ，取苗裝置進行一次投苗作業，苗夾松開時長為 t_s 。第二階段取投苗總時長

t_b=t_B+t₃+t₄+t_s

3）取投苗裝置右側取苗裝置完成右側投苗位置投苗后，左側取苗裝置運動至左側投苗點，將缽苗投落至分苗裝置左側接苗桶載苗板上，缽苗運動軌跡如圖10（c）所示。水平橫移距離為 l₁-l₂ ，橫移時間為t₅ ；投苗時投苗點距離載苗板高度為 h_i ，缽苗下落時間為 Φ_t6 ，取苗裝置進行一次投苗作業，苗夾松開時長為t_s 。第三階段取投苗總時長

t_c=t₅+t₆+t_s

4）取投苗裝置左側取苗裝置完成左側投苗位置投苗后，左側取苗裝置運動至右側投苗點，將缽苗投落至分苗裝置右側接苗桶載苗板上，缽苗運動軌跡如圖10（d）所示。水平橫移距離為 l₂ ，橫移時間為 t₇ ；投苗時投苗點距離載苗板高度為 h_?1 ，缽苗下落時間為t₈ ，取苗裝置進行一次投苗作業，苗夾松開時長為 t_s 第四階段取投苗總時長

t_d=t₇+t₈+t_s

取投苗裝置完成一個作業循環，分苗裝置完成2個作業循環，即

為實現取投苗裝置交替取投苗循環作業，左側接苗桶3號載苗板開啟前取投苗裝置應完成右側投苗位置投苗，左側接苗桶1號載苗板開啟前取投苗裝置應完成左側投苗位置投苗，忽略落苗軌跡對凸輪開啟相位角的影響，取投苗裝置左右兩投苗位置取投苗時長應滿足式（24）。

拔苗裝置拔苗時將取投苗裝置及夾取缽苗整體舉升，拔苗時，拔苗氣缸視為勻加速運動，拔苗時長

式中： F_p —拔苗裝置拔苗力，N；m₂ 主 取投苗裝置及缽苗質量， kg g （204號 重力加速度；h₂ 拔苗高度， m 。

缽苗在投苗點被釋放，缽苗做自由落體運動落入分苗裝置接苗桶內由載苗板承接，因裝置投苗點與載苗板垂直距離約為缽苗自身高度，缽苗下落過程中速度變化相對較小，可忽略空氣阻力對投苗的影響，忽略空氣阻力時缽苗投苗位移與時間關系為

式中： h ——缽苗從投苗位置到落苗桶距離，m;t_h 缽苗從投苗位置到落苗桶所需時長，s。

缽苗水平運動由移位電機驅動取投苗裝置橫移實現，理論分析時忽略電機加減速時長，各階段取投苗裝置橫移視為勻速運動，橫移位移計算如式（27）所示。

l=vt 式中：— 缽苗橫移位移， m t 1 缽苗橫移時間，s；v 取投苗裝置橫移速度， m/s 。

理論分析時，忽略取苗氣缸取投苗時長，由式 （21）～ 式（27）可得

式中： v_a ———取投苗裝置右側取苗裝置右側取苗位置取苗后移至左側投苗位置時裝置橫移速度， m/s v_b ——取投苗裝置右側取苗裝置左側投苗位置投苗后移至右側投苗位置時裝置橫移速度， m/s v_c 一 取投苗裝置右側取苗裝置右側投苗位置投苗后左側取苗裝置移至左側投苗位置時裝置橫移速度， m/s v_d 一 取投苗裝置左側取苗裝置左側投苗位置投苗后移至右側位置時裝置橫移速度， m/s 。

基于式 （28）～ 式（30），以120株/（ min? 行）為設計目標，忽略取苗氣缸工作時間可得 t_a+t_b+t_c+t_d= 5s，代入相關數值，可得到各階段取投苗裝置橫移速度。取投苗裝置橫移速度可通過改變移位電機各階段線速度調節，實現取投苗裝置交替取投苗循環作業。

3.2缽苗仿真運動軌跡

為驗證交替取投苗裝置交替取投苗作業時缽苗由取苗點投落至分苗裝置，接苗桶內各階段缽苗運動軌跡的合理性，將SolidWorks中建立的三維模型導人Adams中，選取多株缽苗進行軌跡跟蹤，得出取投苗裝置仿真運動軌跡，將Adams中缽苗運動數據導人至Origin中進行分析，其結果如圖11所示，結果表明，交替取投苗裝置缽苗由取苗點落入接苗桶內的理論運動軌跡與仿真運動軌跡具有高度重合性，取投苗裝置路徑規劃合理。

4取投苗性能試驗

4.1 試驗條件

為驗證雙苗盤交替取投苗裝置的可行性，試制樣機并開展自動取投苗試驗，試驗材料選用“興蔬215”辣椒缽苗，基質選用湘正農科通用育苗基質。

4.2試驗因素及指標

由JB/T10291—2013《旱地栽植機械行業標準》可知，自動移栽機的移栽效率大于等于90株/（min·行），屬高速移栽。本自動取投苗裝置樣機目標取投苗頻率A設置為100株/（min·行）、120株/（min·行）和140株/（ min ·行）；取苗過程中，若苗齡過大、最大葉展幅度過大則投苗時易發生卡苗、掛苗現象，若苗齡過小、莖稈太脆取苗時易夾傷，增加傷苗率。經實地考察得出，適栽辣椒苗齡 B 常為40天，選取培育35天、40天和45天辣椒缽苗進行試驗。缽苗基質含水率超過 70% 時，顆粒間黏附力降低，取苗后基質破損率增加，缽苗基質含水率低于 20% 時，缽苗易脫水，影響種植成活率[21]，試驗缽苗基質目標含水率 C 設定為40%.50% 和 60% 。使用干燥箱測量用于不同含水率試驗的辣椒缽苗，試驗結果為35天辣椒缽苗平均含水率分別為 37.23%.51.69% 和 62.27% ，40天辣椒缽苗平均含水率分別為 40.23%.48.62% 和 61.43% .45天辣椒缽苗平均含水率分別為 42.05% 、 50.84% 和 57.82% 。

試驗以取苗成功率 Y₁ 、投苗成功率 Y₂ 、傷苗率Y₃ 和取投苗成功率 Y₄ 作為性能評價指標進行正交試驗，因素水平表如表1所示。其計算如式 （31）～ 式（34）所示。

N₃ ——從分苗裝置落下的缽苗產生莖葉破損、折斷以及缽苗基質破損率超1/3的數量，株；

N₄ ——從分苗裝置落下的合格缽苗數量，株。

表1因素水平編碼 Iab.1 Factor level coding

式中： N —試驗缽苗總數，株；N₁ ——取苗成功缽苗總數，株；（204號 N₂ —投苗成功缽苗總數，株；

4.3 試驗結果與分析

試驗方案和結果如表2所示。根據表2中數據，依次調整裝置目標取投苗頻率、苗齡和基質含水率。每組測試220株幼苗，對試驗數據進行統計分析、方差分析和范圍分析，確定影響因素的主次順序，確定因素參數的最優組合，優選后進行試驗驗證。

表2取投苗正交試驗方案和結果 Tab.2 Orthogonal test plan and results of taking and throwing seedlings

如表2所示，3種目標取投苗頻率的平均取投苗成功率分別為 91.52%.87.58% 和 81.97% ;3個苗齡的平均取投苗成功率分別為 89.85%.88.03% 和83.18%;3 種基質含水率的平均取投苗成功率分別86.36%.87.58% 和 87.12% 。將試驗結果導人SPSS中進行極差和方差分析，結果如表3和表4所示。對于取苗成功率，取投苗頻率和苗齡影響顯著，基質含水率影響不顯著；對于投苗成功率，取投苗頻率和苗齡影響極顯著，基質含水率影響不顯著；對于缽苗損傷率，取投苗頻率和苗齡影響較顯著，基質含水率影響不顯著；對于取投苗成功率，取投苗頻率和苗齡影響顯著，基質含水率影響較顯著。綜上所述，最佳參數組合為A1B1C2 ，即取投苗頻率為100株/（ min ·行），苗齡為35天，缽苗基質含水率為 50% 。

為驗證正交試驗結果的可靠性，進行優化驗證試驗。試驗結果表明，在最優參數下，取苗成功數為213株，投苗成功數為209株，傷苗數為2株，取苗成功率為 96.82% ，投苗成功率為 95.00% ，傷苗率為0.91% ，取投苗總體成功率為 94.09% 。優化驗證試驗總體成功率超過正交試驗，試驗達到預期效果。

試驗過程中，取投苗頻率是取投苗成功率的最重要因素。取苗過程中，取投苗瀕率過快，苗夾夾持缽苗的時間太短，缽苗夾緊不足，橫移過程中缽苗易提前掉落；投苗時，橫移速度過快會導致取苗裝置難以在投苗位置精準投苗，致使投苗失敗。苗齡對投苗成功率具有較大影響，主要為苗齡較大時缽苗最大葉展幅度較大，葉片易卡在苗夾縫隙中，無法投下。缽苗基質含水率對取苗成功率、投苗成功率及傷苗率影響不顯著，可知在取投苗作業時先采用頂苗裝置破壞缽苗缽體與育苗盤間黏附力，后采用夾持力在可控范圍內的取苗裝置夾莖取苗可有效減少缽苗因含水率不同造成的損傷。

表3極差分析Tab. 3Range analysis

表4方差分析Tab.4Analysis of variance

注： P?0.01 極顯著， 0.010.1 不顯著。

5 結論

1）針對取投苗裝置取投苗效率低、易失敗的問題，基于頂一夾結合式取苗方式，設計一種雙苗盤整排交替取苗、分批投苗的交替取投苗裝置，分析該裝置的工作原理，建立取苗過程中缽苗力學模型，分析取苗裝置低損取苗時夾持力大小。對取投苗裝置運動路徑進行規劃，對缽苗移動軌跡進行理論及仿真分析，提高交替取投苗裝置作業穩定性。

2）選取辣椒缽苗為研究對象，以苗齡、基質含水率、取投苗頻率為試驗因素，以取苗成功率、投苗成功率、傷苗率及取投苗成功率為評價指標進行正交試驗并優選試驗參數，在最佳參數組合下，本裝置取苗成功率達 96.82% ，投苗成功率達 95.00% ，傷苗率為0.91% ，取投苗總體成功率為 94.09% ，滿足高速移栽作業要求。

參考文獻

[1]張妮，張國忠，王姣，等．旱地作物機械化移栽關鍵技術研究現狀與發展趨勢[J]．中國農機化學報，2022，43（8）：22-31.Zhang Ni， Zhang Guozhong， Wang Jiao， etal.Research statusanddevelopmenttrendofuplandcrops mechanized transplanting key technologies [J].Journal of Chinese Agriculture Mechanization，2O22，43（8）：22-31.

[2]呂志軍，單伊尹，王杰，等．蔬菜移栽裝備研究現狀和缽苗移栽裝備展望[J]．中國農機化學報，2017，38（11）：30—34.Lü Zhijun，Shan Yiyin，WangJie，et al. Research progressofvegetable transplanting machine andprospectsofseedling-picking machinery of transplanter [J]. Journal ofChinese Agriculture Mechanization，2017，38（11）：30-34.

[3]孫曉曉，劉洋，李斌，等．穴盤苗自動移栽機取苗裝置研究現狀及展望[J]．中國農機化學報，2021，42（3）：22—28.Sun Xiaoxiao， Liu Yang，Li Bin，et al. Research status andprospect of the seedling collecting device of the automatictransplanter [J].JournalofChineseAgricultureMechanization，2021，42（3）：22-28.

[4]文永雙，張俊雄，袁挺，等．蔬菜穴盤苗移栽自動取苗技術現狀與分析[J]．中國農業大學學報，2021，26（4）：128—142.Wen Yongshuang， Zhang Junxiong，Yuan Ting，et al.Currentsituation and analysis of automatic pick-uptechnology for vegetable plug seedlings [J]. Journal ofChina AgriculturalUniversity，2021，26（4）：128—142.

[5]俞高紅，王磊，孫良，等．大田機械化移栽技術與裝備研究進展[J].農業機械學報，2022，53（9）：1-20.Yu Gaohong，Wang Lei，Sun Liang，et al. Advancementof mechanized transplanting technology and equipment forfield crops [J]. Transactions of the Chinese Society forAgriculturalMachinery，2022，53（9）：1-20.

[6]謝守勇，陽尚宏，劉軍，等.蔬菜移栽機斜插夾缽式取投苗裝置研制[J]．農業工程學報，2020，36（6）：1—10.Xie Shouyong， Yang Shanghong， Liu Jun，et al.Development of the seedling taking and throwing devicewith oblique insertion and plug clipping for vegetabletransplanters [J]. Transactions of the Chinese Society ofAgricultural Engineering，2020，36（6）：1-10.

[7]辛亮，王明成，孫國玉，等．番茄缽苗移栽探出式取缽機構設計與試驗[J].農業機械學報，2024，55（3）：96-105.Xin Liang， WangMingcheng， Sun Guoyu， etal.Design and experiment of extensible type of picking seedlingpot mechanism for tomato pot seedling transplanting [J].Transactions of the Chinese Society for AgriculturalMachinery，2024，55（3）：96—105.

[8］李華，馬曉曉，曹衛彬，等．夾莖式番茄缽苗取苗機構設計與試驗[J]．農業工程學報，2020，36（21）：39－48.Li Hua，Ma Xiaoxiao，Cao Weibin，et al.Design andexperiment of seedling picking mechanism by stem clipping fortomato plug seedling [J] Transactions of the Chinese Society ofAgricultural Engineering，2020，36（21）：39-48.

[9］韓長杰，周亭，尤佳，等．蔬菜穴盤苗弧形展開式自動取投苗裝置設計與試驗[J]．農業工程學報，2023，39（8）：54-64.Han Changjie，Zhou Ting，You Jia，et al.Design andexperiments of an arc expansion type automatic seedlingtakingandthrowingdeviceforvegetableplugseedlings [J]. Transactions of the Chinese Society ofAgricultural Engineering，2023，39（8）：54-64.

[10］尹大慶，張爍，辛亮，等．玉米缽苗頂出式有序分秧機構的設計與試驗[J].農業工程學報，2018，34（9）：68—74.Yin Daqing，Zhang Shuo，Xin Liang，et al. Design andtest of mechanism of push-out separating seedlingfor maize pot seedling [J]. Transactions of the ChineseSociety of Agricultural Engineering，2018，34（9）：68-74 .

[11］張妮，張國忠，付建偉，等．頂缽—夾莖組合式取苗裝置設計與試驗[J].農業工程學報，2024，40（3）：50－61.Zhang Ni， Zhang Guozhong，Fu Jianwei， etal.Design and experiment of the seedling pick-up device withejecting pot clamping stem combination [J]. Transactionsof the Chinese society of Agricultural Engineering，2024，40（3）： 50-61 ：

[12］趙雄，王川，楊茂祥，等．非圓齒輪行星輪系自動取苗機構逆向設計分析[J]．農業工程學報，2015，31（16）：30－36.Zhao Xiong， Wang Chuan， Yang Maoxiang，et al.Reverse design and analysis of automatic seedling pick-up mechanism with non-circular gear planetary train [J].Transactions of the Chinese Society of AgriculturalEngineering，2015，31（16）：30－36.

[13］王超，劉彩玲，李永磊，等．蔬菜移栽機氣動下壓式高速取苗裝置設計與試驗[J]．農業機械學報，2021，52（5）：35—43，51.Wang Chao，Liu Cailing，Li Yonglei，et al. Design andexperiment of pneumatic punching high-speed seedlingpickingdeviceforvegetabletransplanters[J].Transactions of the Chinese Society for AgriculturalMachinery，2021，52（5）：35-43，51.

[14]韓綠化，毛罕平，趙慧敏，等．蔬菜穴盤育苗底部氣吹式缽體松脫裝置設計[J]．農業工程學報，2019，35（4）：37-45.Han Luhua，Mao Hanping，Zhao Huimin， et al. Designof root lump loosening mechanism using air jets to ejectvegetable plug seedlings [J]. Transactions of the ChineseSociety ofAgricultural Engineering，2019，35（4）：37—45.

[15］邱碩，于博，計東，等．辣椒苗夾莖式雙排自動取投苗裝置設計與試驗[J]：農業機械學報，2024，55（3）：115—121，152.Qiu Shuo，Yu Bo，Ji Dong，et al.Design and experimentof double row stem clipping type automatic picking andthrowing device for pepper seedlings [J]. Transactions ofthe Chinese Society for Agricultural Machinery，2024，55（3）：115—121，152.

[16］陳斌，胡廣發，劉文，等．蔬菜自動移栽機對置秧盤交替自動取投苗機構研究［J]．農業機械學報，2022，53（11）：131—139，151.Chen Bin，Hu Guangfa，Liu Wen，et al. Alternateautomatic seedling picking and dropping mechanism basedon symmetrically arranged seedling trays for automaticvegetable transplanters [J].Transactions of the ChineseSociety for Agricultural Machinery，2022，53（11）：131—139，151.

[17］文永雙，張俊雄，張宇，等．蔬菜穴盤苗插入頂出式取苗裝置研制[J]．農業工程學報，2020，36（22）：96－104.Wen Yongshuang， Zhang Junxiong， Zhang Yu，et al.Development of insertion and ejection type seedlingtaking deviceforvegetableplugseedlings[J].Transactions of the Chinese Society of AgriculturalEngineering，2020，36（22）：96—104.

[18］任露泉．土壤粘附力學[M].北京：機械工業出版社，2011.

[19］韓長杰，肖立強，徐陽，等．辣椒穴盤苗自動移栽機設計與試驗[J]．農業工程學報，2021，37（13）：20—29.Han Changjie，Xiao Liqiang，Xu Yang，et al. Design andexperiment of the automatic transplanter forchiliplug seedlings [J]. Transactions of the Chinese Society ofAgricultural Engineering，2021，37（13），20-29.

[20] Chen Bin，Hu Guangfa，Sun Songlin，et al. Design andexperimental study of intermittent automaticgrouping dropping plug seedling mechanism of fixedseedling cups [J].Applied Sciences，2022，12：11125.

[21］袁挺，張宇，尹金亮，等．蔬菜移栽機曲柄搖桿—導軌組合式取投苗裝置研究[J]．農業機械學報，2022，53（12）：116—125.Yuan Ting，Zhang Yu，Yin Jinliang，et al.Studyonseedlingtaking and throwing device basedoncombined structure of crank rocker and guide rail forvegetable transplanter [J]. Transactions of the ChineseSociety for Agricultural Machinery，2022，53（12）：116—125.