油菜毯狀苗移栽機栽植過程動力學模型及參數優化

蔣 蘭，吳崇友，湯 慶，張 敏，王 剛

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油菜毯狀苗移栽機栽植過程動力學模型及參數優化

蔣 蘭1,2，吳崇友1※，湯 慶1，張 敏1，王 剛1

（1. 農業農村部南京農機化研究所，南京 210014；2. 安徽農業大學工學院，合肥 230036）

為有效減少油菜毯狀苗機械化移栽過程中苗塊出現的脫苗現象，提高立苗質量，該文構建了栽植過程中運移苗階段油菜毯狀苗苗塊的動力學模型，結合油菜毯狀苗基質的力學參數特性試驗，研究苗塊發生脫苗的臨界條件，建立了運移苗階段苗塊的脫苗條件方程，得到了影響苗塊脫苗的主要因素以及各因素的脫苗臨界值。利用高速攝影試驗探究了基質含水率、栽植機構轉速和縱向取苗量對苗塊脫苗率的影響，得到的各因素的脫苗臨界范圍與理論分析結果基本吻合，驗證了模型的準確性和可行性。為探究低脫苗率條件下油菜毯狀苗移栽機栽植機構和苗塊相關參數的最優組合，采用響應面試驗分析方法建立主要影響因素與考察指標之間的回歸數學模型，試驗結果表明：當基質含水率56.72%，栽植機構轉速22 rad/s，縱向取苗量為15 mm時，優化后脫苗率為1.52%，與預測值絕對誤差為0.16個百分點。該研究可為提高油菜毯狀苗移栽的立苗質量提供參考。

農業機械；優化；模型；移栽機；栽植機構；脫苗條件

0 引 言

油菜是中國重要油料作物之一，長江流域是世界最大的冬油菜區，油菜種植面積約占全國的85%。前茬作物以水稻為主，通常采用稻-油或稻-稻-油輪作的種植制度，直接播種導致油菜生育期不足，多采用育苗移栽的種植方式[1-7]。目前中國油菜移栽主要采用人工移栽的方式，勞動強度大、成本高。現有的油菜移栽機作業效率低，無法適應水稻茬黏重土壤條件[8-12]。

為了改善油菜移栽現狀，通過吸收借鑒水稻插秧機取塊栽插原理，吳崇友等[13-16]設計了油菜毯狀苗移栽機，移栽效率能夠達到400株/(行·分)，是現有的鏈夾式移栽機的10倍以上。油菜毯狀苗移栽為高速移栽，在保證移栽效率的同時，立苗問題是實現高質量移栽的最為關鍵問題。栽植機構作業過程中，機構參數和毯狀苗自身的力學特性，秧針和推苗桿與毯狀苗苗塊之間的相互作用，都會影響苗塊的完整性和立苗質量[17-20]。現階段的研究中發現，栽植機構在切塊取苗以后，苗塊在秧針的攜帶運移過程中，秧針與油菜毯狀苗基質部分的粘附和摩擦作用是抵抗苗塊重力作用自動脫離秧針的的主要因素，苗塊一旦自動脫離秧針而落地，就不能栽插入土，嚴重影響立苗質量。

近幾年學者對移栽缽苗缽體的力學特性及栽植過程相關的機構進行了一系列研究，已取得一定的理論成果[21-23]。劉姣娣等[24]結合缽體的抗壓力學特性，建立了缽體與栽植鴨嘴內壁碰撞力學模型，得到了移栽過程中造成缽苗基質破損、影響取苗、植苗成功率的主要因素；王英等[25]對西蘭花缽體的抗壓強度和缽苗沿栽植嘴壁面下滑的運動阻力系數進行了試驗研究，建立了缽體與栽植嘴壁面碰撞過程接觸力學模型，得到了缽苗和栽植嘴碰撞時允許的最大相對速度。金鑫等[26]結合高速攝影試驗將缽苗在鴨嘴栽植器內的運動過程分為6個階段，并建立了各階段缽苗運動的力學模型；劉洪利等[27]針對玉米植質缽苗栽植過程中出現位移及翻轉現象，對缽苗栽植運動狀態進行了研究，建立了缽苗運動軌跡和下落過程角度變化方程。但是鮮見針對油菜毯狀苗力學特性與栽植機構性能參數相結合的相關研究報道。

本文以寧雜1838油菜毯狀苗為對象，以降低苗塊運移中脫落率，提高立苗率為目標，結合油菜毯狀苗本身的力學特性，建立了栽植過程中苗塊的動力學模型，得到了苗塊運移過程中發生脫落的主要因素和臨界條件，并結合油菜毯狀苗高速移栽試驗樣機進行了分析和試驗，為提高立苗質量提供了技術參考。

1 油菜毯狀苗移栽機結構與工作原理

1.1 整機結構與工作原理

試驗使用的油菜毯狀苗移栽機如圖1所示，主要由開溝器、移箱機構、栽植機構、鎮壓機構以及底盤組成。移栽機采用寬窄行設計，行距：600、300、600 mm，4行同時作業；移栽株距：120～200 mm，多擋可調；配套動力：12.8 kW，移栽效率為每行每分鐘280～400株。

圖1 油菜毯狀苗移栽機

機具作業時，由底盤發動機提供原動力，經過液壓系統驅動刀盤主軸轉動，在牽引力和移栽機自重作用下，波紋盤開溝器進行松土、開溝。栽植器將油菜苗塊栽插入苗溝內，依靠毯狀苗基質塊和苗溝壁使秧苗保持直立，通過向內側傾斜的V形覆土鎮壓部件將苗溝兩邊的土壤擠向秧苗周圍，再壓實固苗。

1.2 栽植機構結構與工作原理

油菜毯狀苗移栽機的栽植機構采用橢圓齒輪行星輪系分插機構，由太陽輪、中間輪、行星輪、行星架、栽植臂、推苗裝置和秧針等組成，如圖2所示。行星架為主動件。栽植臂和行星輪固定連接，秧針固定安裝在栽植臂上隨栽植臂轉動，推苗裝置的推苗桿安裝于秧針的內側，通過凸輪旋轉運動實現間歇式推苗，推苗運動的方向與秧針平行。運動過程中，行星架順時針轉動帶動行星齒輪非勻速轉動實現栽植臂的往復擺動，栽植臂上秧針尖的絕對運動由行星架的勻速轉動和繞行星齒輪旋轉中心的不等速轉動復合而成[28-30]。

1. 行星架 2. 太陽輪 3. 中間輪 4. 行星輪 5.靜軌跡 6. 基質 7. 秧苗 8. 動軌跡 9. 秧箱 10. 秧針 11. 推苗桿 12. 栽植臂

栽植過程可分為4個階段，分別是取苗、運移苗、推苗和回程。栽植過程中，行星架高速旋轉，秧針到達取苗位置依靠剪切作用力將苗塊從苗盤中切割和撕扯下來，并攜帶苗塊按照栽植軌跡運動。在秧針到達推苗位置處，推苗裝置中的彈簧配合凸輪轉動瞬時將推苗桿彈出，使得苗塊與秧針分離并栽植入土。為了避免秧爪回程時碰倒已插秧苗，脫苗后的秧針快速回程，旋轉至取苗點做下一次的栽植運動。

1.3 油菜毯狀苗

為適應移栽機切塊栽插要求，培育出的油菜毯狀苗具有密度大、苗小而健壯、盤根成片等特點，如圖3所示。經過前期油菜毯狀苗形態特征和物理特性參量檢測以及多年的田間生長和產量觀測，初步確定育苗的適宜密度為4 000～5 000株/m2，即280 mm×580 mm規格的育苗秧盤，每盤苗數為650～810株。當苗育成后，發達的側根系與育苗基質盤在一起，形成有一定強度和彈性的苗毯，經過栽植機構取苗后，形成下部是基質，其上是單株（少數多株）油菜苗的苗塊[13-14]。苗塊長和寬分別由取苗時的橫向移箱次數和縱向送秧量所決定。通過移栽機取苗機構切塊效果試驗確定移箱回數為12，即基質塊長約為23.33 mm；縱向取苗量可調，范圍為8～17 mm。用于試驗的油菜毯狀苗品種和切塊后苗塊形態特征參數由表1所示。

圖3 油菜毯狀苗

表1 油菜毯狀苗特征參數

2 栽植過程動力學分析

2.1 基質塊物理特性參數測定試驗

油菜毯狀苗的基質部分與栽植機構接觸作用時存在粘附和摩擦。根據土壤對金屬材料的粘附和摩擦理論，得到土壤單位面積的法向粘附力表達式為[31]

式中1為作用于工作接觸界面投影面的垂直方向上，使粘合界面分離所需的拉力，N；為土壤與非土壤物件接觸面積在垂直方向的投影，cm2。土壤的摩擦阻力由切向粘附力和摩擦力2部分組成[31]。

式中為土壤切向粘附力，N；為法向正壓力，N；為摩擦系數。

為了測定油菜毯狀苗基質在不同含水率下的物理特性參數變化規律，本文基于土壤對金屬材料的粘附和摩擦理論，選取苗齡30 d、寧雜1838品種的油菜毯狀苗進行試驗。利用10 cm×10 cm矩形切刀將毯狀苗基質部分切塊取樣并記錄試樣質量，為獲取真實有效的試驗數據，剪除基質底部盤結的一層根須。法向粘附力測定試驗在萬能試驗機上進行，試驗機下方水平放置一塊與秧針相同材質的不銹鋼板，上方安裝V型夾頭夾具。將試樣放置在不銹鋼板上，使試樣中心對準V型夾頭夾具的中心位置，用軟繩將基質中心位置處的秧苗綁結在一起，夾具夾取軟繩并向上拉升直至試樣與鋼板完全分離，設定試驗機拉伸速率為1 mm/s，試驗所得最大拉力減去試樣自重即為法向粘附力。切取相同大小的塊狀基質，水平放置在不銹鋼板上，通過在基質上方放置不同質量的砝碼來改變正壓力值，將軟繩貼合基質側壁一周并系成環口，拉力計與環口連接并沿水平方向緩慢拉伸直至試樣發生移動，記錄試驗過程中最大拉力即為基質的摩擦阻力。砝碼質量選用150、300、450和600 g，將不同砝碼質量下的摩擦阻力進行線性擬合，由式（2）可得，擬合函數的斜率為基質的摩擦系數，與軸的截距為切向粘附力。

根據油菜毯狀苗機械移栽對基質含水率的要求，含水率分別為44%、46%、52%、56%、60%、64% 6個水平，基質含水率通過烘干法進行測定。運用回歸分析方法分別研究摩擦系數、法向粘附力和切向粘附力與含水率的關系。用SPSS軟件計算得出單位面積法向粘附力與含水率的回歸方程為=–0.0362+4.154–110.647，2= 0.939；單位面積切向粘附力與含水率的回歸方程為= –0.0362+4.055–107.025，2=0.964；摩擦系數與含水率的回歸方程為=–0.0032+0.326–8.195，2=0.897。

2.2 栽植機構數學模型

運移苗過程中，苗塊與秧針之間不存在相對運動，栽植機構運動軌跡直接影響苗塊的運動狀態，為了分析苗塊質心在運移過程中的受力變化曲線，首先建立栽植機構數學模型，獲取秧針尖點的運動軌跡曲線以及加速度變化曲線。圖4為栽植機構結構簡圖。如圖4所示，設栽植機構行星架的回轉中心為(0,0)，逆時針方向為正，設太陽輪的傳動角速度為，插植臂秧針尖點的運動由隨行星架的平動和繞行星輪轉動中心1的變轉速運動復合而成。行星輪相對行星架的傳動比3H為

式中為行星架轉角，rad；3為行星輪的擺角，rad。

給行星架施加一個繞點反轉的角速度dφ/d，將行星輪系轉換為定軸輪系。根據定軸輪系的齒輪傳動原理可得在定軸輪系機構中，此時行星齒輪相對行星架的傳動比i31為

1. 栽植臂 2,7. 行星輪 3,6. 中間輪 4. 太陽輪 5. 行星架 8. 秧針

1. Planting arm 2,7. Planet gear 3,6. Middle gear 4. Sun gear 5. Planetary rack 8. Seedling needle

注：1,2為中間輪的轉動中心；1,2為行星輪的轉動中心；為太陽輪的轉動中心；為秧針尖點；為秧針尖點到行星齒輪轉動中心的長度，mm；為橢圓齒輪節曲線長軸半徑，mm；α為行星架的初始安裝角度，rad；0為栽植臂與行星架的初始安裝角度，rad。

Note:1and2express the rotation center of middle gears;1and2express the rotation center of planet gears;expresses the rotation center of sun gear;expresses the point of seedling needle tip;expresses the length from the seedling needle tip to planet gear rotation center, mm;expresses the long-axis radius of the pitch curve for elliptic gear, mm;expresses the initial installation angle of planetary rack, rad;0expresses the initial installation angle between the planetary rack and planting arm, rad.

圖4 栽植機構結構簡圖
Fig.4 Structure diagram of planting mechanism

根據橢圓齒輪定軸輪系傳動特性，可得定軸輪系機構中，行星架相對行星齒輪的傳動比i13為

式中1為橢圓齒輪的當量偏心率；為橢圓齒輪的偏心率。

聯立式（3）和式（4）得

對式（7）積分可求得行星齒輪的擺動角度為

建立圖4所示的直角坐標系，以栽植機構其中的一個栽植臂為分析對象，設栽植株距為，栽植機構在1個回轉周期內栽插2次，則可求得秧針尖點的運動軌跡位移方程為

將式（9）對時間2次求導，得到秧針尖點的運動加速度方程

式中為太陽輪的角速度，rad·s-1。

2.3 苗塊在運移過程的脫苗條件方程

取苗后，基質塊在秧針內側，秧苗貼合秧針外側自然形成一個15°～25°的夾角，設定秧苗與基質塊夾角為20°。以表1中的形態特征參數建立寧雜1838油菜毯狀苗的三維模型，確定苗塊的質心0位置，設質心相對秧針尖點偏移坐標為(x,y)，由此建立質心0與秧針尖點的尺寸關系

式中L為質心到行星齒輪轉動中心的距離，mm；為秧針尖和行星齒輪轉動中心連線與質心和行星齒輪轉動中心連線之間夾角，rad；1為秧針尖和行星齒輪轉動中心連線與秧針之間夾角，rad，通過栽植臂的結構參數確定1=0.13π。

由牛頓第二定律得出苗塊能夠按照栽植軌跡運動的受力關系為

式中F為苗塊質心位置在絕對坐標系下方向合力，N；F為苗塊質心位置在絕對坐標系下方向合力，N；為苗塊總質量，g。

為方便計算，以苗塊質心為原點，垂直于秧針方向為軸建立動態直角坐標系，如圖5所示。式（14）為轉換坐標系后苗塊的受力關系式

1. 太陽輪 2. 行星架 3. 中間輪 4. 行星輪 5. 栽植臂 6. 秧苗 7. 秧針 8. 基質

1. Sun gear 2. Planetary rack 3. Middle gear 4. Planet gear 5. Planting arm 6. Rape seedling 7. Seedling needle 8. Substrate

注：L為苗塊質心到行星齒輪轉動中心的距離，mm；0為苗塊質心；φ為秧針尖和行星齒輪轉動中心連線與質心和行星齒輪轉動中心連線之間夾角，rad；4為動態坐標系軸與水平面的夾角，rad；1為秧針尖和行星齒輪轉動中心連線與秧針之間夾角，rad。

Note:Lexpresses the distance between the barycenter and planet gear rotation center, mm;0expresses the barycenter of seedling block;φexpresses the included angle of the connecting line between needle tip and planet gear rotation center and the connecting line between the barycenter and planet gear rotation center, rad;4expresses the included angle betweenaxis of the dynamic coordinate system and horizontal plane, rad;1expresses the included angle of the seedling needle and the connecting line between the needle tip and planet gear rotation center, rad.

圖5 苗塊在運移過程運動簡圖

Fig.5 Kinematic diagram of seedling block in process of transportation

圖6 轉換坐標系下苗塊的受力關系曲線Fig.6 Force curve of seedling block in conversion coordinate system

秧針將油菜毯狀苗從秧箱中取出后，苗塊的基質部分的上表面與推苗桿貼合，側面主要與秧針內壁貼合，由于切塊過程中有撕扯作用，并且苗塊基質本身的彈性變形，切下的苗塊略大于秧針內槽尺寸，因此存在部分基質貼合在秧針外壁的上表面上。運移苗過程中，秧針和推苗桿與苗塊接觸部位存在接觸作用力，苗塊自身受重力，當接觸作用力與重力的合力不足以提供苗塊按照栽植軌跡運動所需作用力時，苗塊沿秧針豎直方向產生滑動，并脫離掉落。第1階段苗塊的受力分析如圖7所示。

以苗塊質心為原點，垂直于秧針方向為軸建立動態坐標系，脫苗條件可通過分析苗塊在栽植機構上的受力得出

式中τ為基質塊與秧針內、外壁的上表面接觸部位的切向粘附力，N；為摩擦系數。

1. 推苗桿 2. 秧針 3. 基質

1. Push rod 2. Seedling needle 3. Substrate

注：F1為基質塊與秧針內壁的上表面接觸部位的摩擦力，N；τ為基質塊與秧針內壁的側面接觸部位的切向粘附力，N；τ1為基質塊與秧針內壁的上表面接觸部位的切向粘附力，N；τ2為基質塊與秧針外壁的上表面接觸部位的切向粘附力，N；P為基質塊與推苗桿接觸部位的法向粘附力，N；F1為基質塊與秧針內壁的上表面接觸部位的法向支持力，N；P2為基質塊與秧針外壁的上表面接觸部位的法向粘附力，N；為苗塊重力，N；0為苗塊的質心。

Note: F1expresses the friction of the contact site with substrate and the upper surface of the inside of seedling needle, N; τexpresses the shear adhesion force of contact site with substrate and side surfaces of the inside of seedling needle, N; τ1expresses the shear adhesion force of the contact site with substrate and the upper surface of the inside of seedling needle, N; τ2expresses the shear adhesion force of contact site with substrate and the upper surface of the outside of seedling needle, N; Pexpresses the normal adhesion force of contact site with substrate and push rod, N; F1expresses the normal supporting force of contact site with substrate and the upper surface of the inside of seedling needle, N; P2expresses the normal adhesion force of contact site with substrate and the upper surface of the outside of seedling needle, N;expresses the gravity of seedling block, N;0expresses the mass center of seedling block.

圖7 第1階段苗塊受力分析
Fig.7 Force analysis on seedling block in stage 1

將苗塊受力分析圖進行簡化，分別得到苗塊在第2、3階段的受力分析，如圖8所示。苗塊在第2階段的脫苗條件為

注：τs為基質塊與秧針內、外壁的上表面接觸部位的切向粘附力，N；Ps1為基質塊與秧針內壁的上表面接觸部位的法向粘附力，N；Ffs2為基質塊與秧針外壁的上表面接觸部位的摩擦力，N；Fns2為基質塊與秧針外壁的上表面接觸部位的法向支持力，N；F為苗塊所受合力，N。

式中P1為基質塊與秧針內壁的上表面接觸部位的法向粘附力，N。

苗塊在第3階段的脫苗條件為

3 苗塊在運移過程的脫苗條件方程應用及試驗

3.1 苗塊運動分析結果

通過運移苗過程所建立的脫苗條件方程可以發現，苗塊是否發生脫苗取決于苗塊質量、基質含水率以及栽植機構轉速，其中苗塊質量由縱向取苗量進行調節。通過固定其中2個因素，找到另一個因素的脫苗臨界值。

當取基質含水率為55%，縱向取苗量為15 mm時，通過計算得苗塊質量為6.89 g，基質塊的單位法向粘附力1為0.089 2 N/cm2，單位切向粘附力1為0.071 0 N/cm2，摩擦系數1為0.66。結合旱地土壤特性、油菜毯狀苗移栽特點和立苗條件，試驗選用栽植機構的設計參數如表2所示，所設計的栽植軌跡能夠滿足挖穴大傾角投苗，直立快速回程的栽插目標。試驗選用寬度為20 mm的秧針以及配套推苗桿，測量基質塊與秧針和推苗桿接觸面積，得到基質塊與秧針外壁上表面法向接觸面積為0.36 cm2，基質塊與秧針內壁上表面法向接觸面積為1.61 cm2，基質塊與秧針內壁側面法向接觸面積為2.66 cm2，基質塊與推苗桿法向接觸面積為2.62 cm2。將上述數據代入各個階段苗塊的運動方程，得到栽植機構轉速的脫苗臨界值0=24.6 rad/s。同理取栽植機構轉速為22 rad/s，縱向取苗量為15 mm時，計算得到基質含水率的脫苗臨界值=50.4%；取基質含水率為50%，栽植機構轉速為22 rad/s時，苗塊質量的脫苗臨界值為=6.76 g，即縱向取苗量為14.7 mm。

表2 栽植機構主要設計參數 Table 2 Major design parameters of planting mechanism

3.2 苗塊運動驗證試驗

3.2.1 試驗材料和設備

試驗于2018年4月在南京農業機械化研究所進行，如圖9所示。所選用油菜毯狀苗的品種為寧雜1838，育苗秧盤規格為280 mm×580 mm，苗齡為30 d。儀器包括油菜毯狀苗移栽試驗樣機、高速攝像機（Redlake promotion X2）、計算機等。

1. 油菜毯狀苗移栽機 2. 高速攝像機 3. 計算機

3.2.2 試驗方法

針對栽植機構轉速、縱向取苗量和基質含水率3個因素對脫苗情況的影響進行驗證試驗。利用高速攝像機進行圖像采集，錄制油菜毯狀苗栽植過程的運動視頻，設定拍攝速率為200幅/s，每組試驗選取50個栽植周期，且保證選取的栽植周期樣本均有完整的基質塊和秧苗存在，并記錄發生脫苗的栽植周期樣本數量[32-34]。

3.2.3 試驗指標

以脫苗率作為試驗評價指標，計算式為

式中為脫苗率，%；0為每組試驗栽植周期總樣本數量；1為發生脫苗的栽植周期樣本數量。

3.2.4 試驗結果與分析

在基質含水率55%、縱向取苗量15 mm的條件下，考察栽植機構轉速在16～34 rad/s范圍內對苗塊脫苗率的影響，結果見圖10a。由圖10a可知，當栽植機構轉速小于24 rad/s時，脫苗率較小且沒有明顯變化，當轉速從24提升至26 rad/s時，脫苗率明顯增大，且轉速在24～32 rad/s范圍內，隨著轉速增加，脫苗率顯著增大。圖10b為在栽植機構轉速22 rad/s、縱向取苗量15 mm的條件下，基質含水率在44%～65%范圍內對脫苗率的影響結果，從圖中可以看出，含水率為44%～53%時，隨著含水率增加，脫苗率顯著降低，當含水率大于53%后，脫苗率變化趨于穩定。圖10c為在栽植機構轉速22 rad/s、基質含水率50%的條件下，縱向取苗量在8～17 mm范圍內對脫苗率的影響結果。當縱向取苗量小于14 mm時，脫苗率隨縱向取苗量的減小顯著升高，結合高速攝像機采集的圖像可以發現，當基質含水率為50%時，減小縱向取苗量使得栽植機構切塊取苗效果變差，切取的基質形狀不規則，散碎不成塊，運移苗過程中與栽植機構接觸面積減小，使得脫苗率大幅度增加。當縱向取苗量在14～16 mm范圍內，脫苗率較低且變化趨于穩定，當縱向取苗量大于16 mm，脫苗率顯著增加。3組試驗中脫苗率顯著增大的范圍與理論計算結果相近，因此本文所建立的苗塊在運移過程的運動方程是正確的。

注：圖10a，基質含水率為55%，縱向取苗量為15 mm；圖10b，栽植機構轉速為22 rad·s–1，縱向取苗量為15 mm；圖10c，基質含水率為50%，栽植機構轉速為22 rad·s–1。

4 栽植過程參數優化

4.1 試驗條件與方法

試驗選用苗齡30 d的寧雜1838油菜毯狀苗，試驗地點在南京農業機械化研究試驗基地。通過高速攝影記錄栽植機構運移苗過程，每組試驗選取200個苗塊完整的栽植周期并記錄發生脫苗的栽植周期樣本數量。性能指標的測量方法同驗證試驗的測量方法一致。

4.2 試驗設計

為了獲取精確的優化參數，采用三因素三水平Box-Behnken響應曲面試驗法進行優化試驗。以基質含水率、栽植機構轉速和縱向取苗量為影響因素，以脫苗率為評價指標，共進行17組試驗，因素水平如表3所示。

表3 試驗因素及水平 Table 3 Factors and levels of experiments

4.3 試驗結果及分析

各試驗方案及其模型中的脫苗率評價指標結果如表4所示。根據試驗數據，利用 Design-expert 8.0.6處理及分析，脫苗率的回歸方程分析結果如表5所示。

表4 試驗方案及結果 Table 4 Experimental scheme and results

由表5中回歸方程分析可知，苗塊脫苗率回歸模型＜0.001，極顯著，表明該回歸模型具有統計學意義；失擬項＞0.05表明該模型擬合度高；其校正決定系數2為0.993 0＞0.800 0，說明試驗值能由該模型解釋。

對于苗塊脫苗率，將回歸方程中各項回歸系數在置信度0.05下采用檢驗，回歸方程為

由式（20）結合方差分析表可以得到：一次項、，二次項2、2、2對脫苗率影響極顯著；一次項，交互項對籽棉含雜率影響顯著。

表5 回歸方程分析 Table 5 Variance analysis of regression equation

注：***表示＜0.001（極顯著），*表示＜0.05（顯著）。

Note: *** shows significance (<0.001), * shows significance (<0.05).

4.4 各因素對性能指標的影響分析

評價指標的雙因素交互影響見圖11所示。由圖11a可知，當縱向取苗量為15 mm時，在栽植機構轉速各個水平下，苗塊脫苗率隨含水率增加呈現先下降后小幅度上升的趨勢，當基質含水率為56.22%，栽植機構轉速為22.05 rad/s時具有最小的脫苗率為1.37%。在基質含水率各個水平下，苗塊脫苗率隨栽植機構轉速增加呈現上升趨勢，且上升的速率隨著基質含水率的減小而加快，結合高速攝像機采集的圖像可以發現，基質含水率較低時，秧苗根部盤結土壤的能力大幅度降低，在栽植機構轉速較高時，基質塊中的土壤容易散碎掉落，導致脫苗。

注：響應面試驗因素和水平見表3，響應值見表4。

由圖11b可知，當栽植機構轉速為24 rad/s時，在縱向取苗量各個水平下，脫苗率隨基質含水率的增加呈現先降低后升高的趨勢，在基質含水率各個水平下，脫苗率隨縱向取苗量的增加呈現先降低后升高的趨勢，當基質含水率為56.65%，縱向取苗量為15.05 mm時，脫苗率最小為4.27%。隨著基質含水率的減小，脫苗率隨縱向取苗量的增加，其上升速率加快。這是由于基質含水率低時盤結土壤能力較差，減小縱向取苗量導致基質塊切塊效果較差，從而減小了與秧針和推苗桿的接觸面積，導致脫苗率升高。

由圖11c可知，當基質含水率為55%時，在縱向取苗量各個水平下，脫苗率隨栽植機構轉速的增加呈現上升的趨勢，在栽植機構轉速各個水平下，脫苗率隨縱向取苗量的增加呈現先降低后升高的趨勢，且降低的速率隨著栽植機構轉速的增加而加快，這是由于當栽植機構轉速較大時取苗過程中秧針對苗塊的沖擊作用增強，當縱向取苗量較小時，苗塊承受秧針的沖擊能力減弱，無法獲得質量較好的苗塊，脫苗率升高。當栽植機構轉速為22 rad/s，縱向取苗量為14.98 mm時，能夠獲得最低的脫苗率，其數值為1.80%。

4.5 參數優化

利用Design-Expert軟件自帶的約束條件優化求解模塊，可求得滿足約束條件的最小脫苗率的最優參數組合：基質含水率56.24%，栽植機構轉速22.04 rad/s，縱向取苗量為14.91 mm，在該參數組合下的脫苗率為1.36%。

為了驗證優化結果的可行性，對優化后的參數組合進行試驗驗證，試驗條件和試驗方法同上。設定栽植機構轉速為22 rad/s，縱向取苗量為15 mm，基質含水率為56.72%（實際測量值）。試驗進行5次取平均值，最后得到脫苗率為1.52%，與預測值的絕對誤差為0.16個百分點。試驗結果與預測值很接近，驗證了該模型的可靠性。

5 結 論

通過建立油菜毯狀苗移栽機栽植機構運動學和動力學模型，得到了運移過程中苗塊質心的受力關系式，將運移苗過程分為3個階段，通過對苗塊在各個階段的受力分析建立了苗塊脫苗條件運動方程，得到了影響苗塊脫苗率的主要因素：基質含水率、苗塊質量和栽植機構旋轉速度。通過固定其中2個因素，變動另一個因素的方法，分別計算得到了3個因素的脫苗臨界值分別為：基質含水率50.4%、苗塊質量6.76 g、栽植機構轉速24.6 rad/s。對栽植過程中油菜毯狀苗的運動進行了高速攝影試驗，得到了基質含水率、縱向取苗量和栽植機構旋轉速度的脫苗臨界范圍，驗證了所建立的苗塊在運移過程中的動力學方程是正確的。

采用Box-Benhnken中心組合試驗方法對基質含水率、縱向取苗量和栽植機構轉速對苗塊脫苗率的影響趨勢進行了分析并建立了優化模型，對調整后的最優參數組合進行試驗驗證，當基質含水率為56.72%，栽植機構轉速為22 rad/s，縱向取苗量為15 mm時，測得脫苗率為1.52%，與預測值絕對誤差為0.16個百分點，表明求解的脫苗率模型的精度能滿足栽植過程參數優化的要求。

[1] 谷曉博，李援農，黃鵬，等. 種植方式和施氮量對冬油菜產量與水氮利用效率的影響[J]. 農業工程學報，2018，34(10)：113－123. Gu Xiaobo, Li Yuannong, Huang Peng, et al. Effects of planting patterns and nitrogen application rates on yield, water and nitrogen use efficiencies of winter oilseed rape (Brassica napus L.)[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(10): 113－123. (in Chinese with English abstract)

[2] Li Lianhao, Wang Chun, Zhang Xinyue, et al. Mechanized cultivation technology of seedling-growing bowl tray made of paddy-straw and its effects on rice production[J]. International Agricultural Engineering Journal, 2015, 24(3): 97－103.

[3] Edathiparambil V T. Development of a mechanism for transplanting rice seedlings[J]. Mechanism and Machine Theory, 2002, 37: 395－410.

[4] 于曉旭，趙勻，陳寶成，等.移栽機械發展現狀與展望[J].農業機械學報，2014，45(8)：44－53. Yu Xiaoxu, Zhao Yun, Chen Baocheng, et al. Current situation and prospect of transplanter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(8): 44－53. (in Chinese with English abstract)

[5] 劉明峰，胡先朋，廖宜濤，等. 不同油菜品種適栽期機械化移栽植株形態特征研究[J]. 農業工程學報，2015，31(增刊1)：79－88. Liu Mingfeng, Hu Xianpeng, Liao Yitao, et al. Morphological parameters characteristics of mechanically transplanted plant in suitable transplanting period for different rape varieties [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(Supp.1): 79－88. (in Chinese with English abstract)

[6] 中國農業科學院油料作物研究所．油菜栽培技術[M]．北京：農業出版社，1979．

[7] 劉志軍，王曉霞. 油菜生產過程中的機械化技術應用研究[J]. 農機化研究，2018，40(2)：110－113，118. Liu Zhijun, Wang Xiaoxia. Application of mechanization technology in rape production[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2018, 40(2):110－113,118. (in Chinese with English abstract)

[8] Jin Xin, Li Daoyi, Ma Hao, et al. Development of single row automatic transplanting device for potted vegetable seedlings[J]. Int J Agric & Biol Eng, 2018; 11(3): 67－75.

[9] 王永維，何焯亮，王俊，等. 旱地蔬菜缽苗自動移栽機栽植性能試驗[J]. 農業工程學報，2018，34(3)：19－25. Wang Yongwei, He Zhuoliang, Wang Jun, et al. Experiment on transplanting performance of automatic vegetable pot seedling transplanter for dry land[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2018, 34(3): 19－25. (in Chinese with English abstract)

[10] 袁文勝，吳崇友，于修剛，等. 粘重土壤條件下油菜移栽機械化研究前景初探[J]. 中國農機化，2011(1)：69－71， 77. Yuan Wensheng, Wu Chongyou, Yu Xiugang, et al. Preliminary study on the researching prospect of rape transplanter in heavy soil conditions[J]. Chinese Agricultural Mechanization, 2011(1): 69－71, 77(in Chinese with English abstract)

[11] 趙志國. 稻板田油菜移栽機技術研究進展[J]. 安徽農業科學，2011，39(11)：6364－6365. Zhao Zhiguo. Research on the transplanting machine of rape in rice panel field[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2011, 39(11): 6364－6365. (in Chinese with English abstract)

[12] Karlen D L. Suggested strategies to attract reviewers for soil & tillage research submissions[J]. Soil and Tillage Research, 2014, 144: 228－231.

[13] 吳崇友，吳俊，張敏，等. 油菜毯狀苗機械移栽技術研究[J]. 中國農機化學報，2016，37(12)：6－10. Wu Chongyou, Wu Jun, Zhang Min, et al. Research on machine transplanting techniques of blanket rapeseed[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2016, 37(12): 6－10. (in Chinese with English abstract)

[14] 李澤華，馬旭，齊龍，等. 華南雙季稻區水稻不同機械化栽植方式對比試驗與評價[J]. 農業工程學報，2015，31(3)：40－47. Li Zehua, Ma Xu, Qi Long, et al. Comparison and evaluation of different rice mechanized transplanting methods in double cropping area of South China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(3): 40－47. (in Chinese with English abstract)

[15] 朱德泉，熊瑋，蔣銳，等. 2ZGK-6 型可調寬窄行高速水稻插秧機設計與試驗[J]. 農業工程學報，2016，32(21)：37－45. Zhu Dequan, Xiong Wei, Jiang Rui, et al. Design and experiment of 2ZGK-6 type spacing-adjustable wide-narrow row high speed rice transplanter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(21): 37－45. (in Chinese with English abstract)

[16] 王蘇飛. 油菜毯狀苗切塊插栽機理研究與參數優化[D]. 北京：中國農業科學院，2016. Wang Sufei. Research on Mechanism and Parameter Optimization of Rapeseed Mat Seedling Cutting and Transplantation[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2016. (in Chinese with English abstract)

[17] 吳俊，湯慶，袁文勝，等. 油菜毯狀苗移栽機開溝鎮壓部件設計與參數優化[J]. 農業工程學報，2016，32(21)：46－53. Wu Jun, Tang Qing, Yuan Wensheng, et al. Design and parameter optimization of ditching and compacting parts of rapeseed carpet seedling transplanter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(21): 46－53. (in Chinese with English abstract)

[18] 湯慶，吳崇友，袁文勝，等. 油菜毯狀苗高速移栽機覆土鎮壓裝置結構設計[J]. 中國農機化學報，2016，37(3)：20－22，33. Tang Qing, Wu Chongyou,Yuan Wensheng, et al. Structure design on compacting and covering soil device of rape shallow transplanting machine[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2016, 37(3): 20－22,33. (in Chinese with English abstract)

[19] 王英. 面向高立苗率要求的栽植機構參數優化與試驗研究[D]. 杭州：浙江理工大學，2014. Wang Ying. Parameter Optimization and Experimental Study on High Seedling Erectness Rate Oriented Planting Mechanism[D]. Hangzhou: Zhejiang Sci-Tech University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[20] 陳建能，王伯鴻，張翔，等. 多桿式零速度缽苗移栽機植苗機構運動學模型與參數分析[J]. 農業工程學報，2011，27(9)：7－12. Chen Jianneng, Wang Bohong, Zhang Xiang, et al. Kinematics modeling and characteristic analysis of multi-linkage transplanting mechanism of pot seeding transplanter with zero speed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(9): 7－12. (in Chinese with English abstract)

[21] 劉洋，毛罕平，王濤，等. 吊杯式移栽機構中番茄穴盤苗運動分析優化與試驗[J]. 農業機械學報，2018，49(5)：143－151. Liu Yang, Mao Hanping, Wang Tao, et al. Collision optimization and experiment of tomato plug seedling in basket-type transplanting mechanism[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(5): 143－151. (in Chinese with English abstract)

[22] 孫良，劉兵，陳旋，等. 差速水稻缽苗 Z 字形寬窄行移栽機構設計[J]. 農業工程學報，2017，33(17)：18－27. Sun Liang, Liu Bing, Chen Xuan, et al. Design of differential transplanting mechanism for zigzag wide-narrow row rice pot seedlings[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(17): 18－27. (in Chinese with English abstract)

[23] 陳建能，夏旭東，王英，等. 缽苗在鴨嘴式栽植機構中的運動微分方程及應用試驗[J]. 農業工程學報，2015，31(3)：31－39. Chen Jianneng, Xia Xudong, Wang Ying, et al. Motion differential equations of seedling in duckbilled planting nozzle and its application experiment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(3): 31－39. (in Chinese with English abstract)

[24] 劉姣娣，曹衛彬，田東洋，等. 基于苗缽力學特性的自動移栽機執行機構參數優化試驗[J]. 農業工程學報，2016，32(16)：32－39. Liu Jiaodi, Cao Weibin, Tian Dongyang, et al. Optimization experiment of transplanting actuator parameters based on mechanical property of seedling pot[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(16): 32－39. (in Chinese with English abstract)

[25] 王英，陳建能，吳加偉，等. 用于機械化栽植的西蘭花缽苗力學特性試驗[J]. 農業工程學報，2014，30(24)：1－10. Wang Ying, Chen Jianneng, Wu Jiawei, et al. Mechanics property experiment of broccoli seedling oriented to mechanized planting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(24):1－10. (in Chinese with English abstract)

[26] 金鑫，姬江濤，劉衛想，等. 基于缽苗運動動力學模型的鴨嘴式移栽機結構優化[J]. 農業工程學報，2018，34(9)：58－67. Jin Xin, Ji Jiangtao, Liu Weixiang, et al. Structural optimization of duckbilled transplanter based on dynamic model of pot seedling movement [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(9): 58－67. (in Chinese with English abstract)

[27] 劉洪利，張偉．玉米植質缽苗運動軌跡及落地形態的研究[J]．黑龍江八一農墾大學學報，2016，28(3)：124－128. Liu Hongli, Zhang Wei. Study on trajectory path and landing form of corn planting seedling[J]. Journal of Heilongjiang Bayi Agricultural University, 2016, 28(3): 124－128. (in Chinese with English abstract)

[28] 代麗，孫良，趙雄，等. 基于運動學目標函數的插秧機分插機構參數優化[J]. 農業工程學報，2014，30(3)：35－42. Dai Li, Sun Liang, Zhao Xiong, et al. Parameters optimization of separating-planting mechanism in transplanter based on kinematics objective function[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(3): 35－42. (in Chinese with English abstract)

[29] Ye Bingliang, Yi Weiming, Yu Gaohong, et al. Optimization design and test of rice plug seedling transplanting mechanism of planetary gear train with incomplete eccentric circular gear and non-circular gears[J]. Int J Agric & Biol Eng, 2017, 10(6): 43－55.

[30] Bae K Y, Yang Y S. Design of a noncircular planetary- gear-train system to generate an optimal trajectory in a rice transplanter[J]. Journal of Engineering Design, 2007, 18: 361－372.

[31] 錢定華，張際先. 土壤對金屬材料粘附和摩擦研究狀況概述[J]. 農業機械學報，1984，28(1)：69－78. Qian Dinghua, Zhang Jixian. A summary of study of adhesion and friction between soil and metals[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 1984, 28(1): 69－78. (in Chinese with English abstract)

[32] 朱忠祥，岳小微，杜岳峰，等. 玉米果穗剝皮的運動仿真與高速攝像試驗[J]. 農業工程學報，2015，31(6)：42－48. Zhu Zhongxiang, Yue Xiaowei, Du Yuefeng, et al. Dynamic simulation and high-speed photography experiment on corn-ear husking[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(6): 42－48. (in Chinese with English abstract)

[33] Jin Xin, Ji Jiangtao, Liu Weixiang, et al. Experiment of pot seedling planting process based on high-speed photography[J]. International Agricultural Engineering Journal, 2017, 26(4): 132－139.

[34] 李華，曹衛彬，李樹峰，等. 辣椒穴盤苗自動取苗機構運動學分析與試驗[J]. 農業工程學報，2015，31(23)：20－27. Li Hua, Cao Weibin, Li Shufeng, et al. Kinematic analysis and test on automatic pick-up mechanism for chili plug seedling[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(23): 20－27. (in Chinese with English abstract)

Kinematics model and parameter optimization of planting process of rape carpet seedling transplanter

Jiang Lan1,2, Wu Chongyou1※, Tang Qing1, Zhang Min1, Wang Gang1

(1.210014,; 2.230036,)

Rape carpet seedling transplanter is suitable for the transplantation in rice stubble field. During the operation of planting mechanism, the seedling needle takes out the seedling block from feeder mechanism by cutting and tearing. Then the seedling block is carried and transported by the seedling needle to the point of seedling pushing. Once the seedling block separates the seedling needle automatically and falls to soil, it can not be planted into the soil. Therefore, it is urgent to effectively reduce the seedling separation phenomenon in mechanized transplanting process of rape carpet seedlings and improve seedling-standing quality. In this paper, a kinematics model of rape carpet seedling block in the process of seedling transportation is established. The friction coefficient, normal adhesion force and tangential adhesion force of the rape carpet seedling substrate are measured under different moisture content. In order to obtain the mass center, morphological characteristic parameters of seedling block are measured. By establishing the mathematical model of planting mechanism, the trajectory curve and acceleration curve of the tip point of the seedling needle are obtained. The relationship between the tip point of the seedling needle and the mass center of seedling block is established. Thus, the variation curve of resultant force for the seedling block in the process of seedling transportation is analyzed. The critical conditions for seedling separation in seedling transportation course which is divided into 3 stages are studied. The main factors affecting the occurrence of seedling separation are established. Combined with the high speed photography, effects are tested by the single factor test which consists of the substrate moisture content, planting mechanism rotation speed and longitudinal picking seedling-standing length on seedling separation rate. With the increase of planting mechanism rotation speed, the seedling separation rate is stable first and then increases gradually. With the increase of the substrate moisture content, the seedling separation rate reduces sharply and then remains stable. With the increase of the longitudinal picking seedling length, the seedling separation rate decreases first and then increases. The critical range of each factors obtained by single factor test are basically consistent with the theoretical analysis, which verifies the accuracy and feasibility of the model. Using the data analysis software Design-Expert 8.0.6, the response surface design (RSD) is applied to establish a mathematical regression model between main influence factors and inspection index by analyzing the substrate moisture content, planting mechanism rotation speed and longitudinal picking seedling length. The horizontal ranges of response surface test are selected through the influence result of the single factor test and operation requirement. And finally the optimal parameter combination is obtained. The optimal parameter combination is modified and verified through the same test method. When the moisture content of the substrate is 56.72%, and the rotation speed of the planting mechanism is 22 rad/s, and the longitudinal seeding length is 15 mm, the test results shows that the seedling separation rate is 1.52%, with an absolute error of 0.16 percentage points compared to the predicted value. This study may provide the technical support for the research and development of rape carpet seedling transplanting with great seedling-standing quality.

agricultural machinery; optimization; models; transplanter; planting mechanism; seedling separation condition

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.005

S223.9

A

1002-6819(2018)-21-0037-10

2018-06-17

2018-08-30

國家科學自然基金(51575284)；國家重點研發計劃課題（2017YFD0700804）；現代農業產業技術體系建設專項資金（CARS-13）

蔣 蘭，研究實習員，主要從事農業機械工程方面的研究。 Email：jianglan0719@163.com

吳崇友，研究員，博士生導師，主要從事農業機械化工程方面的研究。Email：cywu59@sina.com

蔣 蘭，吳崇友，湯 慶，張 敏，王 剛. 油菜毯狀苗移栽機栽植過程動力學模型及參數優化[J]. 農業工程學報，2018，34(21)：37－46. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.005 http://www.tcsae.org

Jiang Lan, Wu Chongyou, Tang Qing, Zhang Min, Wang Gang. Kinematics model and parameter optimization of planting process of rape carpet seedling transplanter [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(21): 37－46. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.005 http://www.tcsae.org