玉米穴盤缽苗取苗栽植機構參數優化與試驗
2021-10-15 07:18:56黃興華那明君
東北農業大學學報 2021年8期
黃興華，張 旭，董 欣，那明君
（1.東北農業大學工程學院，哈爾濱 150030；2.上海電機學院機械學院，上海 201306）
我國為玉米種植和消費大國，玉米育苗移栽可延長作物生長期，提高玉米產量[1-2]。目前我國玉米育苗移栽機械均為半自動移栽機[3]，需人工投苗，移栽效率較低，勞動強度較大，制約移栽技術應用。
取苗栽植機構為移栽機械核心部件，影響移栽效率和質量。法國UT-2型鉗夾式移栽機由栽植手將玉米缽苗放入秧夾內，在栽植盤旋轉作用下完成栽植[4]。日本TPA-1型全自動移栽機工作時將玉米缽苗放在苗箱架上，由一套曲柄連桿機構完成缽苗取苗和栽植作業，穩定性較高[5]。日本久保田公司SKP-100（W）-KR型全自動移栽機利用機械爪取苗將蔬菜缽苗輸送到栽植器，植入穴坑，作業效率0.01~0.167 hm2·h-1，適用于蔬菜、玉米移栽[6]。美國TTA公司FlexPlanter移栽選苗機作業時苗盤下方推進器系統將缽苗從苗盤中頂出，通過苗盤上方植物抓手將缽苗抓取到穴坑中完成栽植作業[7]。澳大利亞HD系列全自動移栽機和意大利FERRARI公司FPC型全自動移栽機由機械代替人工完成取苗和栽植工作，提高移栽效率[8-9]。國內以半自動玉米移栽機械為主，黑龍江省農業機械工程科學研究院2ZYS-2型玉米育苗濾水移栽機作業時將人工擺放在輸送帶上的玉米紙筒秧苗輸送到橡膠圓盤上，隨圓盤轉動植入穴坑中，作業行數2行，行距40~65 cm，株距15~30 cm，作業速度1.0~2.0 km·h-1，作業效率0.13~0.26 km2·h-1[10]；金利達機械制造有限公司2ZQ-2型移栽機適用于玉米、蔬菜等作物移栽，工作時需將人工放入喂入器的玉米缽苗轉到導苗管上方打開，玉米缽苗在自身重力作用下落入穴坑完成栽植，投苗頻率達60~70株·min-1[11]。
在自動取苗機構研究方面，日本Nakashima等提出一種機械手式取苗裝置，但單體取苗工作效率較低，通過增加機械手數量可提高工作效率，成本增高，應用受限[12]。荷蘭TTA公司全自動移栽機采用氣動式取苗機構，自動化程度高，機構復雜，成本高，不適合國內推廣[13]。國內胡顯威等提出擺桿取苗機構，由擺桿機構驅動末端執行器，末端執行器內通過氣缸驅動齒輪齒條運動實現夾苗片張開與閉合，完成取苗、植苗動作，該取苗機構末端執行器移栽軌跡不適用于玉米苗移栽，且移栽機構結構較為復雜[14]。王超等提出氣動下壓式高速取苗裝置取苗速度可達120株·min-1，但基質破碎率較高，需配備特有育苗盤，育苗成本較高[15]。
為解決人工投苗效率低、勞動強度大等問題，本文針對玉米移栽穴盤及缽苗物理特性，考慮北方玉米缽苗移栽農藝要求，研究設計一種基于非圓齒輪行星傳動的夾取式玉米缽苗取苗栽植機構，實現缽苗自動取苗栽植；利用課題組自主研制的試驗臺架開展取苗栽植機構性能試驗，研究其工作參數、結構參數及缽苗幾何參數對作業性能影響規律，以獲得較高移栽效率最優參數組合，為玉米穴盤缽苗移栽機取苗栽植機構設計、解決半自動缽苗移栽機自動取苗栽植提供依據。
1 試驗裝置
1.1 試驗臺架結構原理
試驗臺架主要由取苗栽植機構試驗裝置與控制系統構成，其中取苗栽植機構試驗裝置主要由電動機、傳動系統、取苗栽植機構等構成；控制系統主要由變頻器、控制柜等組成，試驗臺架機構如圖1所示。
圖1 試驗臺架機構Fig.1 Test bench mechanism
利用變頻器調節電動機轉速，改變取苗栽植機構移栽速度，以滿足取苗移栽機構不同移栽頻率作業試驗要求。取苗栽植機構由調速電動機驅動和控制調速，以滿足取苗栽植機構不同作業參數試驗組合要求。試驗時，試驗臺架模擬移栽機的送苗進給（橫向、縱向）運動由電動機控制驅動，工作時，啟動電動機，電動機驅動傳動軸Ⅰ轉動，傳動軸Ⅰ通過帶傳動將動力傳遞給軸Ⅱ，軸Ⅱ通過萬向聯軸器將動力傳至傳動箱，通過錐齒輪換向將傳動軸Ⅱ橫向運動轉變成傳動軸Ⅲ縱向運動，傳動軸Ⅲ一端通過齒輪傳動將動力輸送到雙螺旋軸Ⅳ，雙螺旋軸Ⅳ通過其上滑套將動力傳遞給與苗箱固聯的軸Ⅴ，通過雙螺旋軸Ⅳ轉動將其旋轉運動轉變為苗箱橫向進給運動，實現缽盤上缽苗橫向送苗進給運動。同時，軸Ⅲ另一端通過二級鏈傳動將動力傳遞至取苗栽植機構，實現取苗栽植運動。缽盤上缽苗縱向送苗進給由手動傳動鏈完成。
1.2 取苗栽植機構組成與工作原理
1.2.1 取苗栽植機構設計要求
為完成缽苗從苗盤中順利取出，實現田間自動移栽目的，缽苗移栽機取苗栽植機構需滿足取苗—送苗—栽植—回程的功能要求。結合預試驗研究，取苗栽植機構需滿足玉米缽苗移栽農藝要求和育苗方式，其移栽軌跡包括取苗段、送苗段、栽植段及回程段等4個階段，如圖2所示。
由圖2可知，移栽軌跡取苗段AB近似為一條直線，缽苗能夠垂直于苗盤方向從缽盤中取出，且缽土基質不被破壞；送苗段BC為一光滑圓弧段，可平穩快速實現缽苗輸送；栽植段CD滿足取苗栽植機構執行末端運行達最低點C速度近似為零，實現零速投苗，使玉米苗平穩且垂直落入穴坑；回程段DA為光滑曲線，栽植末端快速平穩返回取苗點運行下一次取苗作業，且不與缽苗盤發生干涉。
圖2 移栽軌跡Fig.2 Transplanting trajectory
1.2.2 取苗栽植機構結構組成
基于取苗栽植機構移栽軌跡要求設計的夾取式取苗移栽機構由非圓齒輪行星輪系傳動機構和末端執行器——栽植臂兩部分構成，如圖3所示。非圓齒輪行星輪系傳動機構與栽植臂通過其傳動機構中齒輪行星軸輸出端花鍵與栽植臂箱體連接，使栽植臂完成不等速回轉運動。
非圓齒輪行星輪系傳動機構為取苗栽植機構核心部件，主要由相互嚙合的3個非圓齒輪（太陽輪1、中間輪2、行星輪3）組成（見圖3a），其中非圓齒輪成型運用拉格朗日插值法原理。太陽輪固定于試驗臺機架，中間非圓齒輪與行星架鉸接，非圓行星輪鉸接在行星架上，非圓中間輪分別與太陽輪、非圓行星輪相互嚙合，通過3個非圓齒輪相互嚙合傳動實現缽苗復雜的移栽軌跡。
栽植臂與行星輪軸固定連接，主要由凸輪12、撥叉11、夾苗片13、壓縮彈簧14、推苗桿15和栽植臂箱體9組成（見圖3b）。撥叉與栽植臂箱體鉸接，夾苗片與栽植臂箱體螺紋連接，栽植臂凸輪通過螺栓與齒輪箱固接。凸輪與行星非圓齒輪傳動的齒輪箱體通過螺栓固定連接，栽植臂箱體通過螺紋與連接盤17連接（見圖3c），栽植臂采用撥叉與凸輪相配合的方式完成取苗與栽苗，選擇夾取缽苗莖稈方式實現取苗，與之配套缽盤為目前廣泛使用的6×12穴育苗盤。
1.2.3 取苗栽植機構工作原理
作業時，動力由傳動軸1輸入，驅動齒輪箱體7（行星架）勻速轉動，其內部太陽輪2固定于機架，中間輪3隨行星架轉動同時與行星輪5相互嚙合轉動，中間輪與太陽輪相互嚙合轉動；行星輪隨行星架公轉同時與中間輪嚙合轉動（見圖3a）。
行星輪軸帶動栽植臂一起繞太陽輪中心作非勻速運動，栽植臂在非圓齒輪行星輪系傳動機構驅動下形成缽苗移栽運動軌跡。固接于齒輪箱7的凸輪12與鉸接于栽植臂箱體9的撥叉11（凸輪從動件）相互作用推動推苗桿15作往復移動，推苗桿往復運動帶動夾苗片夾緊與張開，當撥叉11從凸輪12小徑運動到大徑時，撥叉11推動彈簧座向左運動壓縮彈簧，彈簧座帶動推苗桿15向左移動，推苗桿15帶動夾緊夾苗片13收縮完成取苗（見圖3b實線）；當撥叉11從凸輪12大徑運動到小徑時，壓縮彈簧14推動彈簧座以及推苗桿15向右運動，夾苗片13松開實現缽苗栽植的投苗動作（見圖3b雙點劃線）。栽植臂取苗時，夾苗片夾取缽苗莖稈實現缽體與穴盤分離，壓縮彈簧14保證撥叉和凸輪作業時始終接觸，在栽植臂回轉運動與推苗桿直線運動共同作用下，取苗栽植機構按移栽軌跡循環作業完成取苗移栽作業。
圖3 取苗移栽機構Fig.3 Transplanting mechanism
2 材料與方法
2.1 試驗材料
試驗于2020年12月在東北農業大學收獲加工實驗室完成。試驗材料選用“華龍一號”玉米缽苗，采用穴盤育苗方式，所用穴盤穴孔表面尺寸為40 mm×40 mm正方形，穴盤孔深40 mm，橫向穴孔6個，縱向空穴12個。玉米穴盤缽苗長至三葉一心至四葉一心、苗齡14 d時開展穴盤缽苗取苗栽植臺架試驗，經測定玉米穴盤缽苗株高均值（170.50±15.00）mm、莖稈直徑（3.35±0.40）mm、莖稈拉斷力（6.87±1.60）N，依據GB/T1931-2009[16]測定含水率缽苗（89.14±2.50）%，缽體（35.26±5.12）%。為防止玉米苗含水率變化，選取長勢相同，含水率一致玉米缽苗作試驗材料，如圖4所示。
圖4 穴盤育苗Fig.4 Corn pot seedling
2.2 試驗因素與評價指標
為考查不同因素水平對取苗栽植質量影響，選擇取苗栽植機構移栽頻率、夾苗片長度、缽苗株高為試驗因素，依據JB-T10291-2013《旱地栽植機械》行業標準[17]，結合本文設計的夾取式取苗栽植機構工作性能要求，選取取苗成功率和傷苗率作為取苗栽植機構性能評價指標，探討3個試驗因素對試驗指標的影響規律。取苗成功率和傷苗率依據式（1）、式（2）計算，即
式中，S1—移栽機構從缽苗盤中成功取出缽苗的數量（株）；S2—移栽機構取苗過程中缽土基質破碎或莖稈折斷缽苗數量（株）；S—試驗所用缽苗總數（株）。
取苗成功是指取苗時缽土基質破壞程度小于總體質量10%且缽苗莖稈不發生斷裂。栽植過程中，缽苗莖稈與地面夾角大于45°視為栽植成功。缽土基質破壞程度大于10%、缽苗莖稈發生斷裂或栽植過程中缽苗倒伏（缽苗莖稈與地面夾≤45°）視為傷苗[18]。
2.3 試驗因素水平
采用三因素五水平正交旋轉中心組合方法設計試驗[19]，根據缽苗動力學試驗與取苗栽植機構單因素性能試驗結果與理論分析，確定移栽頻率范圍30~60 r·min-1，考慮移栽結構要求，夾苗片長度范圍85~105 mm，即夾苗片尖點到缽土基質表面距離為5~25 mm，試驗因素水平編碼如表1所示，根據試驗安排，每組處理試驗連續取苗12株，試驗指標據式（1）、式（2）計算確定。試驗方案設計與結果分析應用Design-Expert V8.0.6軟件完成。
表1 試驗因素水平編碼Table 1 Experimental factors and levels
3 結果與分析
3.1 試驗結果
根據試驗設計，對玉米穴盤苗取苗栽植機構取苗成功率及傷苗率性能開展試驗，以X1、X2和X3表示移栽頻率、夾苗片長度和缽苗株高的編碼值，Y1、Y2為試驗指標取苗成功率和傷苗率，考慮交互作用，試驗方案及試驗結果如表2所示。
3.2 回歸分析
3.2.1 回歸方程及其顯著性分析
利用軟件Design Expert V.8.0.6分析表2試驗結果，獲得以取苗成功率Y1和傷苗率Y2為相應函數，以各影響因素水平編碼值為自變量的回歸方程如式（3）、式（4）所示，并用F檢驗顯著性。
表2 試驗方案及結果Table 2 Test plan and results
取苗成功率
傷苗率
式中，X1、X2和X3為各因素水平編碼。
取苗成功率（Y1）和傷苗率（Y2）編碼空間的回歸方程式（3）、式（4）方差分析如表3所示。
檢驗結果表明，回歸模型F1=0.73
對取苗成功率和傷苗率中各個回歸系數作F檢驗，剔除模型信度在α=0.1以下不顯著系數項，分別獲得取苗成功率和傷苗率簡化回歸模型，如式（5）、式（6）所示。
取苗成功率
傷苗率
3.2.2 各因素對性能指標影響主次分析
由表3可知，以一次項F值判斷各因素對取苗成功率和傷苗率貢獻率依次為X1>X2>X3，即移栽頻率>夾苗片長度>缽苗株高。
表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis results of models
3.3 試驗因素對試驗指標影響分析
3.3.1 單因素對試驗指標取苗成功率和傷苗率的影響
以取苗成功率式（5）和傷苗率式（6）為基礎，取其他因素為零水平作單因素分析，分別得到單因素——移栽頻率、夾苗片長度、缽苗株高對試驗指標取苗成功率影響模型如式（7~9），對傷苗率影響模型如式（10~12）。
取苗成功率
傷苗率
依據上述方程得到各因素對取苗成功率、傷苗率影響曲線，如圖5、6所示。
圖5 單因素對取苗成功率的影響Fig.5 Single factor influence on the success rate of seedling retrieval
由圖5可知，取苗成功率隨移栽頻率增大呈減小趨勢，隨夾苗片長度、缽苗株高增大呈先增后減趨勢，不考慮移栽頻率下水平情況，取苗成功率最大值均出現在零水平，即移栽頻率為45 r·min-1、夾苗片長度95 mm、缽苗株高170 mm。由圖6可知，傷苗率隨移栽頻率、夾苗片長度與缽苗株高增大均呈先減后增趨勢，因素在零水平時傷苗率達最小。因素在下水平時，移栽頻率對取苗成功率作用大于夾苗片長度與缽苗株高，夾苗片長度對傷苗率作用大于移栽頻率、缽苗株高；因素在上水平時，移栽頻率對傷苗率作用高于夾苗片長度、缽苗株高，因素水平對取苗成功率的作用一致。
圖6 單因素對傷苗率的影響Fig.6 Single factor influence on the rate of injured seedlings
3.3.2 雙因素對試驗指標影響
對建立的回歸方程式（5）、（6），分別將3個試驗因素其中一個固定于零水平，得到各因素對取苗成功率和傷苗率響應曲面，如圖7和圖8所示。
圖7 試驗因素對取苗成功率影響響應曲面Fig.7 Response surface of the effects of all factors on seedling success rate
圖8 試驗因素對傷苗率影響響應曲面Fig.8 Response surface of the effects of all factors on damaged seedling rate
3.3.2.1 試驗因素對取苗成功率的影響
由圖7a可知，缽苗株高固定零水平時，當移栽頻率為30~45 r·min-1時，取苗成功率保持不變，維持在90%左右，隨移栽頻率>45 r·min-1，取苗成功率明顯下降，這是因移栽頻率增大，夾苗片尖點瞬時速度和加速度增大，夾苗片夾取力增大且達一定程度時破壞缽苗莖稈，導致取苗成功率下降；取苗成功率隨夾苗片長度增加呈先升后降趨勢，這是因缽苗莖稈不同位置所承受拉斷力不同，造成取苗成功率發生變化。綜上所述，移栽頻率為30~45 r·min-1，夾苗片長度為94~97 mm時，取苗成功率達最大值。在試驗水平下，移栽頻率對取苗成功率的影響比夾苗片長度顯著。
由圖7b可知，夾苗片長度固定零水平時，當移栽頻率為30~45 r·min-1時，取苗成功率無明顯變化趨勢，穩定在90%左右，取苗成功率隨移栽頻率大于45 r·min-1呈明顯下降趨勢；取苗成功率隨缽苗株高增高呈先升后降趨勢，這是因為當缽苗株高較小時，缽苗莖稈發育不完全，易被拉斷，降低取苗成功率；缽苗株高較大時，易與移栽機構發生干涉引起缽苗莖稈折斷，降低取苗成功率。綜上所述，移栽頻率30~45 r·min-1，缽苗株高168~175 mm，取苗成功率達最大值。在試驗水平下，移栽頻率對取苗成功率的影響比缽苗株高顯著。
由圖7c可知，移栽頻率固定零水平時，取苗成功率隨夾苗片長度增大呈先升后降趨勢，隨缽苗株高增大先升后降趨勢。當夾苗片長度94~97 mm，缽苗株高168~175 mm，取苗成功率達最大值。在試驗水平下，夾苗片長度對取苗成功率的影響比缽苗株高顯著。
3.3.2.2 試驗因素對傷苗率的影響
由圖8a可知，缽苗株高固定零水平時，當移栽頻率為36~45 r·min-1時，傷苗率保持不變，處于較低水平；當移栽頻率>45 r·min-1時，傷苗率隨移栽頻率增大呈迅速增大趨勢。當夾苗片長度小于95 mm時，傷苗率隨夾苗片長度增大呈明顯下降趨勢；當夾苗片長度為95~100 mm時，傷苗率保持不變，處在較低水平。在移栽頻率36~45 r·min-1，夾苗片長度95~100 mm時，傷苗率率最??；在試驗水平下，移栽頻率對傷苗率的影響比夾苗片長度顯著。
由圖8b可知，夾苗片長度固定零水平時，當移栽頻率為36~45 r·min-1時，傷苗率保持不變，處于較低水平；當移栽頻率>45 r·min-1時，傷苗率隨移栽頻率增大呈迅速增加趨勢；傷苗率隨缽苗株高增加呈先降后升趨勢，缽苗株高在171 mm左右時，傷苗率最小。在移栽頻率36~45 r·min-1，缽苗株高171 mm左右時，傷苗率最小；在試驗水平下，移栽頻率對傷苗率的影響比缽苗株高顯著。
由圖8c可知，移栽頻率固定零水平時，當夾苗片長度<95 mm時，傷苗率隨夾苗片長度增大呈明顯下降趨勢；當夾苗片長度在95~100 mm范圍內時，傷苗率保持不變，處在較低水平。當缽苗株高在160~170 mm時，傷苗率無明顯變化，處于較低水平。當缽苗株高大于170 mm時，傷苗率隨缽苗株高增大呈明顯增大趨勢。在夾苗片長度95~100 mm，缽苗株高160~170 mm時，傷苗率達最小值。在試驗水平下，夾苗片長度對傷苗率的影響比缽苗株高顯著。
3.4 參數優化及驗證
在滿足取苗移栽農藝要求前提下，以取苗成功率>90%、傷苗率<5%農藝要求為目標作參數優化。利用Design-Expert.V8.0.6數據分析軟件中Optimization-Graphical模塊作優化求解，目標函數與優化條件如式（13）所示，優化結果如圖9所示。
圖9 參數優化分析Fig.9 Optimum analysis plot
當參數組合為移栽頻率28~45 r·min-1，夾苗片長度94~103 mm，缽苗株高170 mm時，玉米穴盤苗取苗成功率91%，傷苗率3.5%，考慮移栽農藝要求，移栽頻率選擇為40~45 r·min-1。
為驗證參數優化結果可靠性，選取優化參數組合范圍內移栽頻率40 r·min-1、夾苗片長度98 mm、缽苗株高170 mm作3次取苗性能驗證試驗，如圖10所示；每次處理缽苗36株，共計試樣108株，驗證試驗得到移栽機構取苗成功率均值91.67%，傷苗率均值3.71%，滿足移栽機構設計要求。
圖10 移栽機構關鍵位置姿態Fig.10 Position of key position of transplanting mechanism
4 結論
a.夾取式玉米穴盤苗取苗栽植機構，栽植臂回轉一周可完成自動取苗、送苗、栽植和回程作業，滿足玉米缽苗移栽軌跡設計要求。栽植機構結構簡單，移栽效率較高。
b.試驗因素范圍內，各因素對移栽機構取苗成功率影響依次為移栽頻率、夾苗片長度、缽苗株高；對傷苗率影響依次為移栽頻率、夾苗片長度、缽苗株高。
c.玉米穴盤苗取苗栽植機構優化參數組合區域為：在移栽頻率40~45 r·min-1，夾苗片長度94~103 mm，缽苗株高170 mm時，取苗栽植機構取苗成功率達91.67%，傷苗率3.71%。
