蔬菜移栽夾莖式取苗裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王 秀 劉蒙滋 翟長遠(yuǎn) 韓長杰 楊 碩 高原源

(1.北京市農(nóng)林科學(xué)院智能裝備技術(shù)研究中心,北京 100097; 2.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212013;3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,烏魯木齊 830052)

0 引言

移栽作業(yè)是蔬菜種植規(guī)模化不可或缺的一環(huán),而我國的移栽作業(yè)仍以人工作業(yè)與半自動(dòng)移栽機(jī)作業(yè)為主,存在作業(yè)效率低、作業(yè)質(zhì)量差和勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題[1-2]。為解決半自動(dòng)移栽作業(yè)存在的問題,自動(dòng)移栽機(jī)器人成為發(fā)展趨勢之一[3-4]。

取投苗裝置是移栽機(jī)器人的核心機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì)高效、穩(wěn)定、適用性高的取苗裝置是國內(nèi)外自動(dòng)移栽機(jī)研制的重點(diǎn)及難點(diǎn)[5-7]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此展開一系列的研究。以歐美為代表的大型移栽機(jī)器人主要采用機(jī)、電、氣一體技術(shù),具有整排取苗、效率高、體積龐大的特點(diǎn)[8-9]。典型機(jī)型有澳大利亞的Urbinati RW3型移栽機(jī),采用氣動(dòng)四爪夾取機(jī)構(gòu),氣缸驅(qū)動(dòng)移栽爪取苗、投苗,標(biāo)準(zhǔn)化程度高,適應(yīng)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(dòng)移栽機(jī)自動(dòng)化程度高、結(jié)構(gòu)緊湊,具有小塊地壟上移栽的特點(diǎn)[11-12],典型機(jī)型有洋馬農(nóng)機(jī)株式會(huì)社的PF2R型蔬菜自動(dòng)移栽機(jī),采用行星齒輪與槽型凸輪機(jī)構(gòu)合成取苗爪從苗盤取苗后投入栽植器的運(yùn)動(dòng)軌跡[13]。為滿足國內(nèi)的農(nóng)藝與栽植要求,一些學(xué)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(jī)構(gòu)。葉秉良等[23-24]采用非圓柱齒輪的運(yùn)動(dòng)特性設(shè)計(jì)偏心齒輪-非圓齒輪行星輪系蔬菜取苗機(jī)構(gòu),建立取苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、數(shù)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,具有較好的取苗效果,但取苗運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜,影響取苗穩(wěn)定性。WEN等[25]結(jié)合頂出式和插入夾持式取苗的優(yōu)缺點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種插入頂出式取苗裝置,解決了頂出式取苗機(jī)構(gòu)導(dǎo)致缽苗翻滾等問題。馮世杰等[26]基于自制非標(biāo)活動(dòng)苗盤設(shè)計(jì)出頂出托舉式取苗裝置,通過穴盤定位裝置下方的推舉機(jī)構(gòu),將自制活動(dòng)苗盤頂開,將缽苗整體推出,進(jìn)而機(jī)械爪取苗,取苗效果好,但取苗裝置針對(duì)自制非標(biāo)苗盤,難以推廣。

基于以上分析,為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化移栽,提高自動(dòng)移栽機(jī)的取苗質(zhì)量及穩(wěn)定性,本文設(shè)計(jì)夾莖式取苗裝置,采用氣動(dòng)夾苗裝置完成缽苗夾取,多級(jí)剪叉機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)等距分苗,經(jīng)過理論分析后對(duì)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)優(yōu)化,完成取苗裝置的搭建,選擇辣椒苗作為試驗(yàn)對(duì)象,進(jìn)行單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn),驗(yàn)證取苗機(jī)構(gòu)的作業(yè)可靠性及穩(wěn)定性。

1 自動(dòng)取苗裝置試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)整機(jī)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的蔬菜移栽取苗裝置試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示,取苗裝置試驗(yàn)平臺(tái)由送盤裝置、取苗裝置、栽植裝置、氣動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)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(yè)時(shí)送盤裝置通過步進(jìn)電機(jī)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(jī)構(gòu)將夾取的缽苗等距分開,移位氣缸將缽苗移動(dòng)到苗杯上方,當(dāng)苗杯探測傳感器接收到投苗信號(hào)后,控制系統(tǒng)控制夾苗裝置將缽苗投入苗杯中。變頻電機(jī)為試驗(yàn)平臺(tái)的栽植裝置提供動(dòng)力,栽植裝置中的苗杯運(yùn)動(dòng)到栽植器上方時(shí)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(jié)構(gòu)簡圖

1.2 工作原理

取苗裝置作業(yè)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(yè)時(shí)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(gè)階段:①夾苗,送盤裝置的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)推苗桿運(yùn)動(dòng)進(jìn)而推動(dòng)苗盤前進(jìn),苗盤定位傳感器檢測到苗盤到達(dá)并發(fā)出苗盤到位信號(hào);檢測到夾苗裝置到達(dá)取苗位置,苗爪定位傳感器信號(hào)觸發(fā)。苗盤到位信號(hào)與夾苗裝置到位信號(hào)同時(shí)存在時(shí),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(dòng)多級(jí)剪叉分苗機(jī)構(gòu)使缽苗等距分開,分苗氣缸停止運(yùn)動(dòng)時(shí),相鄰缽苗之間的距離與相鄰苗杯之間的距離相等,同時(shí)移位氣缸收縮將缽苗從送盤裝置上方移動(dòng)到苗杯上方。④投苗,苗杯探測傳感器檢測苗杯位置信息,當(dāng)獲取6個(gè)苗杯信號(hào)后,夾苗裝置的苗爪張開,缽苗落入苗杯中,投苗后整個(gè)取苗機(jī)構(gòu)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(yàn)平臺(tái)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 取苗裝置

2.1.1分苗裝置設(shè)計(jì)

取苗裝置采用取苗-分苗-投苗的自動(dòng)化控制方式,取苗裝置將缽苗從苗盤中取出自動(dòng)投入到苗杯中,分苗過程采用多級(jí)剪叉分苗機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)缽苗等距分散,圖3為多級(jí)剪叉分苗機(jī)構(gòu)作業(yè)原理圖,剪叉分苗機(jī)構(gòu)的剪桿中心連接6個(gè)滑塊,第4個(gè)滑塊與導(dǎo)軌固定連接。其中圖3a為分苗機(jī)構(gòu)收縮狀態(tài),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(dòng)第1個(gè)滑塊運(yùn)動(dòng),除與導(dǎo)軌固定連接的滑塊外,余下滑塊隨著第1個(gè)滑塊等速、等距在導(dǎo)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(yùn)動(dòng)時(shí),夾苗裝置之間的距離與相鄰苗杯之間的距離一致,分苗機(jī)構(gòu)展開狀態(tài)如圖3b所示。

圖3 分苗機(jī)構(gòu)工作原理圖

本研究采用山東火絨農(nóng)業(yè)科技有限公司設(shè)計(jì)的2ZBX-1型半自動(dòng)移栽機(jī)作為栽植裝置。其相鄰苗杯的間距L為127 mm,取苗系統(tǒng)針對(duì)72穴盤的育苗盤,苗盤穴口間距X為42 mm,滑塊的長度應(yīng)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(duì)多級(jí)剪叉分苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析,剪桿的中心在導(dǎo)軌上做直線運(yùn)動(dòng),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(jí)剪叉分苗機(jī)構(gòu)行程,mm

J——分苗機(jī)構(gòu)展開相鄰滑塊之間距離,mm

R——剪叉分苗機(jī)構(gòu)的半剪桿長,mm

B——分苗機(jī)構(gòu)收縮相鄰滑塊之間距離,mm

φ1——未展開時(shí)剪桿在豎直方向夾角,(°)

φ2——展開時(shí)剪桿在豎直方向夾角,(°)

故臂長為

(5)

由此可以得到

(6)

對(duì)于剪叉分苗機(jī)構(gòu)φ1≥10°,40°≤φ2≤55°,隨著φ1的減小,所需氣缸推力會(huì)急劇增大。φ2≤40°時(shí),剪叉分苗機(jī)構(gòu)臂長未能最大程度利用,φ2≥55°時(shí),角度增大對(duì)位移的增長效果減小[27]。將數(shù)據(jù)代入式(1)、(3)、(4)計(jì)算得出U=255 mm,將φ1=12°、φ2=55°代入式(2),并對(duì)剪桿長度進(jìn)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(gè)動(dòng)作,取苗頻率在90株/min下,氣缸平均開合時(shí)間為0.5 s,分苗機(jī)構(gòu)的收縮與張開時(shí)間應(yīng)小于0.5 s。分苗氣缸在帶動(dòng)負(fù)載情況下,先做加速運(yùn)動(dòng),達(dá)到最大速度后為勻速運(yùn)動(dòng),故

(7)

(8)

式中vm——分苗氣缸最大速度,m/s

tz——分苗氣缸運(yùn)動(dòng)時(shí)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(shí)間,s

假定剪叉分苗機(jī)構(gòu)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(duì)氣缸直接作用滑塊進(jìn)行受力分析,有

Fw-FA1sinφ-FA2sinφ-f=mzaq

(9)

其中

f=μmzg

(10)

式中Fw——?dú)飧桌?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(zhì)量,kg

FA1、FA2——剪桿對(duì)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(dǎo)軌之間的摩擦因數(shù)

g——重力加速度,m/s2

分別對(duì)分苗機(jī)構(gòu)各滑塊進(jìn)行受力分析,在各滑塊運(yùn)動(dòng)過程中,各滑塊之間的加速度比與位移比相同。對(duì)各滑塊進(jìn)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(shí)間短,可看作勻加速運(yùn)動(dòng),分苗過程中缽苗的加速度及減速對(duì)缽苗基質(zhì)的影響顯著,減小滑塊加速度,tj取0.1 s,單個(gè)滑塊、夾苗裝置固定板、夾苗裝置的總質(zhì)量mz=1 kg,μ=0.4,將上述數(shù)據(jù)代入公式得出最小氣缸推力F=46.98 N。本研究采用兩個(gè)迷你氣缸安裝在分苗機(jī)構(gòu)兩側(cè)推拉分苗機(jī)構(gòu),選用CDM2B25-255型雙作用氣缸,單個(gè)氣缸的拉力為30 N,分苗機(jī)構(gòu)總拉力為60 N。

2.1.2缽苗力學(xué)模型

缽苗基質(zhì)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(shí),需要克服缽苗與缽苗基質(zhì)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(zhì)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(gè)側(cè)面以及底部對(duì)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(duì)缽苗達(dá)到最大摩擦力時(shí),缽苗被取出的一瞬間,脫盤力的計(jì)算公式為

4(Fisinθ+ficosθ-Nisinθ)+G=FT

(12)

式中FT——缽苗脫盤力,N

Fi——苗盤對(duì)缽苗的粘附力,N

G——缽苗重力

Ni——苗盤側(cè)面對(duì)缽苗的支撐力,N

fi——苗盤側(cè)面對(duì)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(zhì),夾苗裝置夾莖后對(duì)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(hào)辣椒苗作為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行脫盤力檢測試驗(yàn),辣椒缽苗拉拔試驗(yàn)得出基質(zhì)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(jù)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(dòng)夾苗機(jī)構(gòu)具有取苗精準(zhǔn)、迅速的特點(diǎn)[29],本研究采用氣動(dòng)兩指式夾持機(jī)構(gòu)作為夾苗裝置,圖5為夾苗裝置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖,由夾苗氣缸驅(qū)動(dòng)銷軸在兩側(cè)苗爪的U型槽中運(yùn)動(dòng),銷軸對(duì)兩側(cè)U型槽的作用力使兩個(gè)苗爪分別以圓柱副C為圓心轉(zhuǎn)動(dòng),苗爪呈八字形開合,實(shí)現(xiàn)夾苗裝置夾持缽苗苗莖。

圖5 夾苗裝置機(jī)構(gòu)簡圖

為了保證成功夾取缽苗苗莖,苗爪張開時(shí),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(shí),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(fā)生干涉。

基于以上兩點(diǎn),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(shí)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(shí)的最大深度,mm

W——轉(zhuǎn)動(dòng)副之間的距離,mm

θ3——苗爪頂端到轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)缽苗物理特性研究可知,穴盤苗20～50 d時(shí)苗莖直徑通常介于2.5～3.7 mm,為保護(hù)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(shí)苗爪的間距s=4 mm。72穴標(biāo)準(zhǔn)苗盤穴口長、寬為40 mm,將上述數(shù)據(jù)代入式(14)～(17)中,經(jīng)過參數(shù)圓整,W=16 mm,Z=44 mm,O=44.5 mm,β=70°。

夾取缽苗時(shí),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(jī)構(gòu)夾取缽苗時(shí),對(duì)夾苗狀態(tài)下的夾苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析,根據(jù)力矩平衡可得

(19)

式中Fl——夾苗氣缸的拉力,N

Fti——苗爪對(duì)苗莖的單側(cè)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(diǎn)到圓柱副的連線與豎直方向之間夾角

可根據(jù)計(jì)算出的壓力計(jì)算夾苗裝置夾苗時(shí)苗爪對(duì)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(shù)

根據(jù)式(19)、(20)可計(jì)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(shè)夾取缽苗在苗爪中間,根據(jù)前文的尺寸計(jì)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(shù)取μ1=0.6,由式(21)計(jì)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(dá)14.9 N。

2.2 缽苗運(yùn)動(dòng)分析

夾苗裝置取苗后,經(jīng)分苗、移位后運(yùn)動(dòng)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(nèi),苗杯檢測傳感器檢測到苗杯邊緣時(shí),夾缽苗與苗杯之間的垂直高度為y,在苗杯高速運(yùn)動(dòng)過程中防止投苗失敗,應(yīng)使缽苗在落入苗杯時(shí)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(duì)缽苗進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,在夾苗裝置釋放缽苗時(shí),缽苗的動(dòng)力學(xué)方程為

圖6 缽苗運(yùn)動(dòng)分析圖

mg-Fk=mab

(22)

其中

Fk=μ2V

(23)

式中Fk——空氣阻力,N

m——缽苗質(zhì)量,kg

ab——缽苗加速度,m/s2

μ2——空氣阻力系數(shù)

V——缽苗的下落速度,m/s

將式(23)代入式(22)后對(duì)式(22)進(jìn)行時(shí)間雙重積分得到缽苗下落時(shí)位移與時(shí)間的關(guān)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(shí)間,s

x——缽苗下落時(shí)間內(nèi)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(hào)后投苗時(shí)間,s

由于空氣阻力對(duì)缽苗下落的影響忽略不計(jì),當(dāng)趨于0時(shí)有

(28)

聯(lián)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(jīng)過時(shí)間ty后進(jìn)行投苗。

2.3 氣動(dòng)系統(tǒng)

2.3.1氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

取苗裝置中的氣動(dòng)元件包括用于驅(qū)動(dòng)分苗機(jī)構(gòu)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(dòng)到苗杯上方的移位氣缸C,驅(qū)動(dòng)苗爪夾取缽苗的夾苗氣缸 D,氣動(dòng)系統(tǒng)如圖7所示,空氣經(jīng)由空壓機(jī)加壓后,為了穩(wěn)定氣源系統(tǒng)管路的壓力,在空壓機(jī)后增加儲(chǔ)氣罐,由電磁換向閥控制氣缸的伸出與收縮。自動(dòng)取苗裝置為整排取投苗,6個(gè)夾苗裝置同時(shí)夾苗與投苗,采用一個(gè)電磁換向閥控制6個(gè)夾苗氣缸D。

圖7 氣動(dòng)系統(tǒng)回路圖

2.3.2氣動(dòng)系統(tǒng)耗氣量計(jì)算

取苗裝置氣動(dòng)系統(tǒng)的耗氣量隨著取苗頻率增加而增加,氣動(dòng)回路需要保證足夠的氣量確保系統(tǒng)工作氣壓穩(wěn)定。在氣動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中,氣缸的耗氣量計(jì)算公式為

(30)

式中Q——?dú)飧紫膲嚎s空氣的流量,L/min

D——?dú)飧赘讖?cmLQ——?dú)飧仔谐?cm

p——?dú)鈩?dòng)系統(tǒng)的工作壓力,MPa

n——?dú)飧谆钊糠昼娡鶑?fù)次數(shù)

取苗裝置移栽平臺(tái)采用的栽植裝置,經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定工作的最高栽植頻率為90株/min。通過計(jì)算得出氣動(dòng)系統(tǒng)總耗氣量為56.61 L/min,選擇出氣量為60 L/min的空氣壓縮機(jī)作為氣源。

3 取苗裝置取投苗性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方案與評(píng)價(jià)指標(biāo)

試驗(yàn)采用山東德瑞康蔬菜種苗有限公司培育的瑞苗9號(hào)辣椒苗作為試驗(yàn)對(duì)象,該辣椒苗采用72孔標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)。瑞苗9號(hào)辣椒苗采用有機(jī)營養(yǎng)基質(zhì)培育,育苗基質(zhì)為泥巖、蛭石、珍珠巖按照體積比2∶1∶1混合制得,基質(zhì)緊實(shí),根系粗壯,滿足試驗(yàn)條件。試驗(yàn)儀器:取苗裝置試驗(yàn)臺(tái)(如圖8所示),游標(biāo)卡尺、直尺、賽多利斯BSA124S電子秤。

圖8 取苗試驗(yàn)臺(tái)

前期預(yù)試驗(yàn)表明缽苗苗齡、基質(zhì)含水率及取苗頻率對(duì)移栽效果具有顯著影響,針對(duì)缽苗苗齡、基質(zhì)含水率、取苗頻率設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn),基質(zhì)含水率采用干濕質(zhì)量法測量,取苗頻率由控制系統(tǒng)控制變頻電機(jī)的頻率來改變,試驗(yàn)臺(tái)選用上海禾久減速機(jī)有限公司生產(chǎn)的ESP8024變頻電機(jī),電機(jī)功率為750 W。

根據(jù)JB/T 10291—2013《旱地栽植機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》結(jié)合辣椒苗栽植要求,選用取苗成功率Y1以及基質(zhì)破碎率Y2作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(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(gè)流程且缽苗莖葉保持完整視為取苗成功,計(jì)算公式為

(31)

式中N2——取苗成功株數(shù),株

N1——總缽苗數(shù)量,株

(2)基質(zhì)破碎率:在取苗過程中基質(zhì)在取苗、投苗過程中會(huì)產(chǎn)生破碎,以從苗盤中取出,從栽植器落下后的缽苗基質(zhì)的完整度作為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo),計(jì)算公式為

(32)

式中M1——穴盤苗總質(zhì)量,g

mx——苗盤質(zhì)量,g

M2——取苗后的缽苗總質(zhì)量,g

基質(zhì)破碎率測量方式:在每組試驗(yàn)前,對(duì)整盤缽苗進(jìn)行稱量,試驗(yàn)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(yàn)

3.2.1苗齡對(duì)取苗效果的影響

根據(jù)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(tài),苗齡較大時(shí)缽苗根系發(fā)達(dá),缽體具有良好的基質(zhì)-根系復(fù)合特性,取苗裝置取苗時(shí)基質(zhì)不容易破碎,但苗齡較大莖葉纏繞,取苗強(qiáng)行分離缽苗可能導(dǎo)致莖葉受損,苗齡較低時(shí)則相反。選取基質(zhì)含水率為40%,將樣機(jī)的取苗頻率設(shè)置為70株/min,苗齡分為20、25、30、35、40 d設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)。每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次取平均值,每次試驗(yàn)取苗144株。試驗(yàn)結(jié)果如圖9a所示。

圖9 單因素試驗(yàn)結(jié)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(zhì)破碎率先急劇下降,最后趨于平穩(wěn)。苗莖20 d時(shí),取苗成功率為90.34%,基質(zhì)破碎率為20.00%,在5組中取苗成功率最低,基質(zhì)破碎率最大。苗齡20 d的缽苗苗莖細(xì)、脆性大,取苗時(shí)出現(xiàn)苗爪夾斷苗莖的現(xiàn)象,導(dǎo)致取苗成功率低。苗齡較小時(shí),缽苗根系不發(fā)達(dá),缽苗根系難以纏繞基質(zhì),造成基質(zhì)破碎率大。隨著苗齡增加到30 d時(shí),苗莖粗壯,韌性增加,苗莖斷裂現(xiàn)象基本消失,取苗成功率最大,為97.22%。根系逐漸強(qiáng)壯,基質(zhì)破碎率減小到6.14%。隨著苗齡繼續(xù)增大,缽苗的莖葉增大,取苗時(shí)出現(xiàn)苗爪夾取到后排葉片或投苗時(shí)缽苗葉片掛在苗爪與苗杯上的現(xiàn)象,導(dǎo)致取苗成功率下降。此時(shí)缽苗根系已經(jīng)發(fā)育完全,根系將基質(zhì)完全纏繞,基質(zhì)破碎率逐漸趨于平穩(wěn)。由以上分析可知,最佳取苗參數(shù)在苗齡25～35 d之間。

3.2.2基質(zhì)含水率對(duì)取苗效果的影響

基質(zhì)含水率過低(小于20%)時(shí),缽苗易發(fā)生脫水,影響定植后的成活率,含水率過高(大于60%)時(shí),缽體抗壓能力降低,造成基質(zhì)破碎率增大。選取苗齡為30 d,取苗頻率為70株/min,設(shè)置基質(zhì)含水率20%、30%、40%、50%、60% 5個(gè)水平設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)。每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次取平均值,每次試驗(yàn)取苗144株,試驗(yàn)結(jié)果如圖9b。

如圖9b所示,隨著基質(zhì)含水率的上升,取苗成功率出現(xiàn)先上升后下降的趨勢,基質(zhì)破碎率出現(xiàn)總體上先下降后上升的趨勢。當(dāng)基質(zhì)含水率為20%時(shí),取苗成功率最低,夾取缽苗位置出現(xiàn)偏移時(shí),由于基質(zhì)含水率低,缽體質(zhì)量較輕,投苗時(shí)缽苗重心點(diǎn)不在苗杯圓心,缽苗下落過程中缽苗無法快速呈豎直狀態(tài),造成投苗失敗。且基質(zhì)的粘性下降,導(dǎo)致缽苗基質(zhì)在取投苗時(shí)易碎。隨著基質(zhì)含水率的上升,缽苗基質(zhì)質(zhì)量上升,基質(zhì)粘性增大,取苗成功率增加,基質(zhì)破碎率總體下降,含水率到達(dá)40%時(shí),取苗成功率最大,達(dá)到97.40%,基質(zhì)破碎率為4.81%。基質(zhì)含水率大于40%,取苗成功率下降。經(jīng)仔細(xì)觀察分析后發(fā)現(xiàn),苗盤中劣苗的根系不發(fā)達(dá),在基質(zhì)含水率較大時(shí),基質(zhì)松散,一些劣苗出現(xiàn)歪倒的現(xiàn)象,導(dǎo)致缽苗定位不準(zhǔn),造成取苗成功率下降。同時(shí)基質(zhì)松散也導(dǎo)致基質(zhì)破碎率增大,在含水率達(dá)到60%時(shí),基質(zhì)破碎率達(dá)到最大,為11.76%。以上分析可知,最佳取苗參數(shù)在基質(zhì)含水率30%～50%之間。

3.2.3取苗頻率對(duì)取苗效果的影響

選取苗齡30 d的辣椒苗,基質(zhì)含水率40%,取苗頻率以50、60、70、80、90株/min 5個(gè)水平設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn),每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次取平均值,每次試驗(yàn)取苗144株,試驗(yàn)結(jié)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(dá)到80株/min后開始下降,取苗頻率為90株/min時(shí),苗杯運(yùn)動(dòng)速度過快,導(dǎo)致投苗出現(xiàn)誤差,取苗成功率下降到最小,為90.97%。基質(zhì)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(shí),基質(zhì)破碎率均小于4.50%。隨著取苗頻率的繼續(xù)增加,機(jī)器振動(dòng)加劇,導(dǎo)致基質(zhì)破碎率快速增加,取苗頻率達(dá)到90株/min時(shí),基質(zhì)破碎率達(dá)到9.02%。由以上分析可知,取苗頻率在50～70株/min時(shí),取苗成功率及基質(zhì)破碎率變化趨勢不顯著。在保證取苗成功率高、基質(zhì)破碎率低的情況下,最佳取苗參數(shù)應(yīng)選擇較高的取苗頻率,最佳取苗參數(shù)在70～90株/min 之間。

3.3 多因素仿真試驗(yàn)分析

3.3.1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證苗齡、基質(zhì)含水率與取苗頻率3個(gè)因素之間的交互對(duì)取苗效果的影響,采用Design-Expert 8.0軟件Box-Behnken響應(yīng)曲面分析法設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn),共有17組試驗(yàn),每組試驗(yàn)2次,每次取144株苗,試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,選取工作氣壓0.5 MPa作為基準(zhǔn)參數(shù),在缽苗苗齡(30±5)d,基質(zhì)含水率40%±10%,取苗頻率(80±10)株/min范圍內(nèi)進(jìn)行細(xì)分并設(shè)計(jì)正交試驗(yàn),正交試驗(yàn)的因素編碼如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素編碼

3.3.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果采用Design-Expert 8.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析,采用Box-Behnken響應(yīng)曲面分析法分別建立苗齡、基質(zhì)含水率、取苗頻率兩兩交互對(duì)取苗成功率、基質(zhì)破碎率影響的數(shù)學(xué)模型。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

表3為響應(yīng)面擬合方差分析的結(jié)果,由表3中的P值表明,對(duì)取苗成功率的影響順序從大到小為取苗頻率、基質(zhì)含水率、苗齡。而取苗頻率的P值小于0.05,說明取苗頻率對(duì)取苗成功率具有顯著性影響。對(duì)基質(zhì)破碎率影響程度從大到小排序分別為苗齡、取苗頻率、基質(zhì)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(duì)基質(zhì)破碎率的影響顯著。

表3 方差分析結(jié)果

根據(jù)Design-Expert 8.0 軟件獲得兩兩因素交互對(duì)取苗效果的數(shù)學(xué)模型,利用Origin 2021軟件繪制各因素交互作用對(duì)取苗效果影響的3D響應(yīng)曲面圖,圖10為各因素對(duì)取苗成功率影響的響應(yīng)面圖,由圖10a可以看出,苗齡與基質(zhì)含水率變化時(shí),取苗成功率均在95.00%～98.00%之間。苗齡與基質(zhì)含水率增大時(shí)取苗成功率均出現(xiàn)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(shù)范圍內(nèi)苗齡與基質(zhì)含水率對(duì)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(shí),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(wěn)定,達(dá)到84株/min時(shí),取苗成功率開始快速下降。在苗齡25 d、取苗頻率90株/min時(shí),取苗成功率達(dá)到最小,為91.49%,說明取苗頻率對(duì)取苗成功率影響顯著。由圖10c可知,基質(zhì)含水率的增長對(duì)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(wěn)定后下降。圖10b、10c表明取苗頻率對(duì)取苗成功率影響顯著。

圖10 因素交互作用對(duì)取苗成功率影響的響應(yīng)曲面

圖11為各因素交互作用對(duì)基質(zhì)破碎率影響的響應(yīng)曲面圖,圖11a表明,基質(zhì)破碎率隨著苗齡的增加而顯著減小,隨著基質(zhì)含水率的增加而減小,說明苗齡與基質(zhì)含水率對(duì)基質(zhì)破碎率有顯著影響,苗齡25 d、基質(zhì)含水率為30%時(shí),基質(zhì)破碎率最大,達(dá)到12.28%。另外基質(zhì)破碎率隨苗齡的下降速率大于隨基質(zhì)含水率下降速率,說明苗齡對(duì)基質(zhì)破碎率的影響大于基質(zhì)含水率。且當(dāng)苗齡25 d時(shí)基質(zhì)破碎率隨著基質(zhì)含水率的下降速率,大于35 d時(shí)基質(zhì)破碎率隨著基質(zhì)含水率的下降速率,造成這種現(xiàn)象的原因是隨著苗齡的增大,缽苗根系對(duì)基質(zhì)的纏繞更強(qiáng),減弱了基質(zhì)含水率對(duì)基質(zhì)破碎率的影響。圖11b表明,隨著取苗頻率的增加,基質(zhì)破碎率呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢,且隨著苗齡減小,取苗頻率增大時(shí),基質(zhì)破碎率增長的速率明顯加快,說明苗齡與取苗頻率均對(duì)基質(zhì)破碎率具有顯著影響。當(dāng)苗齡25 d、取苗頻率為90株/min時(shí),缽苗根系難以包裹基質(zhì),加之取苗頻率增大機(jī)器振動(dòng)劇烈,在苗齡與取苗頻率的交互作用下,基質(zhì)破碎率達(dá)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(shí),基質(zhì)破碎率快速增加,說明苗齡與取苗頻率在該區(qū)間對(duì)基質(zhì)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(nèi)時(shí),隨著基質(zhì)含水率的上升基質(zhì)破碎率總體上也呈現(xiàn)上升趨勢。但隨著取苗頻率繼續(xù)增加,取苗頻率對(duì)基質(zhì)破碎率的影響效果呈現(xiàn)出顯著變化的趨勢,取苗頻率對(duì)基質(zhì)破碎率的影響大于基質(zhì)含水率的影響。在取苗頻率大于84株/min時(shí),機(jī)器振動(dòng)加大,基質(zhì)含水率較低時(shí),基質(zhì)粘性下降,兩方面的交互作用下,基質(zhì)破碎率達(dá)到最大。

圖11 因素交互作用對(duì)基質(zhì)破碎率影響的響應(yīng)曲面

3.4 取苗參數(shù)優(yōu)化及驗(yàn)證

正交試驗(yàn)結(jié)果表明,苗齡、基質(zhì)含水率及取苗頻率均對(duì)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(zhì)破碎率最低為優(yōu)化目標(biāo),采用Design-Expert 8.0軟件進(jìn)行優(yōu)化求解,取苗參數(shù)在苗齡33 d、基質(zhì)含水率46%、取苗頻率75株/min時(shí)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(zhì)破碎率為3.89%。

結(jié)合優(yōu)化后的取苗參數(shù)對(duì)取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)[30],試驗(yàn)在工作氣壓0.5 MPa的環(huán)境下進(jìn)行,以山東德瑞康蔬菜種苗有限公司培育的瑞苗9號(hào)辣椒苗作為試驗(yàn)對(duì)象,共進(jìn)行5組試驗(yàn),每組試驗(yàn)用苗72株,圖12為試驗(yàn)平臺(tái)取苗試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 作業(yè)性能試驗(yàn)結(jié)果

圖12 試驗(yàn)平臺(tái)取苗試驗(yàn)

由試驗(yàn)結(jié)果可知,平均取苗成功率為97.36%,平均基質(zhì)破碎率為5.07%,滿足移栽作業(yè)要求。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)移栽作業(yè)需求,設(shè)計(jì)夾莖式取苗裝置,通過建立分苗機(jī)構(gòu)力學(xué)模型及進(jìn)行夾苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及力學(xué)分析,搭建取苗試驗(yàn)裝置,實(shí)現(xiàn)移栽取苗、投苗一體化作業(yè)。

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

(3)正交試驗(yàn)表明,影響取苗試驗(yàn)裝置取苗成功率因素從大到小分別為取苗頻率、基質(zhì)含水率、苗齡;影響基質(zhì)破碎率因素從大到小排序分別為苗齡、取苗頻率、基質(zhì)含水率;取苗頻率以及苗齡對(duì)取苗效果有顯著影響。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)取苗參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,在苗齡33 d、基質(zhì)含水率46%、取苗頻率75株/min時(shí)進(jìn)行取苗性能試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,平均取苗成功率為97.36%,平均基質(zhì)破碎率為5.07%,滿足移栽的作業(yè)要求。