顶出托举式钵苗脱盘装置设计与试验

冯世杰，吴明亮，颜 波，全 伟

顶出托举式钵苗脱盘装置设计与试验

冯世杰1,2，吴明亮1,3※，颜 波1，全 伟1

（1. 湖南农业大学机电工程学院，长沙 410128； 2. 信阳农林学院园艺学院，信阳 464000；3. 湖南省现代农业装备工程技术研究中心，长沙 410128）

针对现有自动取苗装置作业过程中出现苗体受损、钵体开裂、基质损失率高等问题，该研究设计了一种适应活动苗盘的托举式钵苗脱盘装置。设计了具有纵向、横向及竖直方向定位功能的苗盘三维定位机构和具有苗盘开启与钵苗托举功能的开启-托举机构，并设计了脱盘装置的PLC控制系统。为验证钵苗脱盘装置的作业效果，选取托举速度、端面类型及基质含水率为试验因素，以钵苗在托举台端面上的位置合格率和脱盘过程中钵体基质损失率为评价指标，以16穴活动苗盘模型培育的35 d苗龄油菜钵苗为对象，采用L9（34）正交表设计试验方案进行台架试验。试验结果表明，各因素对钵苗位置合格率和钵苗基质损失率影响的主次顺序依次为托举台端面类型、托举速度、基质含水率；试验获得影响因素的最优组合为托举速度32 mm/s、托举台端面为橡胶面、基质含水率55%。基于优选参数组合进行重复性验证试验，结果表明，钵苗脱盘后托举台端面上的位置合格率为100%，基质损失率为1.56%，满足实际作业需要。该研究可为钵苗自动移栽机取苗机构的研发提供参考。

农业机械；设计；苗盘；钵体；定位机构；托举台；脱盘装置

0 引 言

钵苗移栽有利于作物田间管理，是大幅提高作物产量的有效手段之一[1-2]。欧美发达国家对移栽技术研究较早，已经基本实现了钵苗移栽自动化，而中国钵苗移栽起步较晚技术落后，严重制约了大田作物移栽种植[3]。近年来随着国内现代化农业的发展，对钵苗移栽的自动取苗装置作业质量和效率的要求进一步提高[4-5]。

钵苗脱盘是自动取苗过程中的关键环节，脱盘时过高的基质损失率将导致钵苗栽后缓苗期延长，脱盘时的苗体损伤也会导致钵苗移栽效益下降，同时钵苗脱盘效率也直接影响到自动取苗装置的作业性能[6-8]。

为提高钵苗脱盘质量及效率，相关学者根据钵体的力学特性和幼苗生长特点从不同角度对钵苗脱盘装置进行了研究。Choi等[9]利用五杆滑道机构实现钵苗脱盘，但其作业效率和成功率较低且钵苗根系损伤较大。尹大庆等[10]等针对根系发达、钵体小且含水率低的玉米钵苗移栽，设计了杠杆顶出式钵苗脱盘装置，能有效提高作业效率。赵匀等[11]通过苗爪沿钵穴内壁探入实现钵苗脱盘，提高了钵苗脱盘质量，而作业效率和成功率有待提高。王蒙蒙等[12]利用曲柄摆杆机构实现钵苗脱盘，钵苗基质损失率较低但作业效率不高。俞高红等[13-15]利用椭圆-不完全非圆齿轮行星系控制取苗爪的运行，通过夹取的方式使钵苗脱盘，有效提高作业效率。韩豹等[16]设计了插入式苗爪来实现钵苗脱盘，通过调节苗爪针间距来降低钵苗脱盘基质损失率。韩绿化等[17]利用气体喷射原理设计了穴盘苗底部气吹式钵体松动装置，实现钵体与钵穴壁之间非机械接触式松脱，具有不伤苗的优点。倪有亮等[18]利用PLC控制集排式顶苗机构从底部将钵苗顶出实现钵苗脱盘，提高了钵苗脱盘效率。

纵观现有研究发现，钵苗脱盘装置主要有夹茎取出式、夹钵取出式、顶出式[19-21]，作业时末端执行器对钵苗施加外力来克服钵体与钵穴间的切向粘附力、摩擦力及钵苗重力实现钵苗脱盘，但是，由于机械力直接作用于钵苗，导致钵苗脱盘过程中钵体开裂、变形，苗体伤残，基质损失率升高、取苗成功率降低。

针对上述问题，本文基于所研制的活动苗盘[22]，设计了一种托举式钵苗脱盘装置，通过托举钵苗脱盘的方式来取苗，以降低机械力对钵苗的直接损伤，提高钵苗脱盘质量和脱盘效率，为自动移栽机新型取苗机构的研发提供参考。

1 整机结构与工作原理

托举式钵苗脱盘装置主要由输送机构、定位机构、开启-托举机构及控制系统等组成，如图1所示。其中，输送机构由输送辊、链轮、电机组成；定位机构由定位板、导向定位轮、半Y形定位杆（分布在方形底板的4个角点）和传感器等组成；开启-托举机构主要由底板、短推板、长推板、托举台、电动缸组成；控制系统主要由PLC控制器、驱动器、电磁开关等组成。与机器配套所用活动苗盘由齿形板、矩形板、连接支撑轴、轴套及扭力弹簧组成，苗盘穴孔为倒四棱台形状[22]，如图2所示。

1.PLC控制箱 2.电动缸 3.机架 4.开启-托举机构 5.半Y形定位杆 6.传感器 7.导向定位轮 8.活动苗盘 9.输送辊 10.定位板 11.电机

1.矩形板 2.齿形板 3.扭力弹簧 4.轴套 5.连接支撑轴 6.承载板

作业时，输送辊在电机驱动下将苗盘向定位区域移送；传感器检测到苗盘后PLC控制器切断电源，输送辊停止转动，苗盘在输送辊摩擦力及导向定位轮作用下停在预定区域内；同时PLC控制电动缸推动底板上行，底板上半Y形定位杆触碰到正上方活动苗盘的纵向连接支撑轴，对活动苗盘纵向位置进行校正，最终与定位板、导向限位轮一起完成苗盘定位；随着底板继续上行，开启-托举机构上的短推板触碰到活动苗盘矩形板，苗盘矩形板受到短推板的作用力克服扭力弹簧的扭力偶矩绕连接支撑轴外摆，直至矩形板垂直于苗盘的上端面；紧接着在长推板推动下，苗盘齿形板克服扭力弹簧的扭力偶矩绕连接支撑轴外摆，直至苗盘穴孔呈四棱柱状，实现苗、盘分离，同时上行的托举台托住钵体并继续上行，将钵苗举升到超过活动苗盘上端水平面一定高度，完成钵苗脱盘。

脱盘后的钵苗呈4×4阵列布局，等待后续取苗作业中的钵苗托持爪沿阵列纵向间隙伸入，将阵列钵苗整体托持并移送至指定地方，完成取苗过程。

2 关键部件设计

2.1 苗盘定位机构

2.1.1 苗盘定位机构结构设计

针对活动苗盘结构特点，设计了由半Y形定位杆、导向定位轮和定位板构成的三维定位机构，从纵向、横向和竖直方向对活动苗盘进行定位，确保开启-托举机构能有效开启苗盘。由于不同苗盘因惯性力差异在输送机构上产生纵向位置偏差，将纵向定位杆设计为上部向外倾斜下部直立的半Y形，确保定位杆对苗盘纵向位置差异具有一定的适应性；设计2块长方形定位板限制活动苗盘沿竖直方向上移动，定位板平行于机架垂直固结于机架两侧的输送辊支架上，且2块定位板间距大于长推板横向间距小于苗盘横向宽度；导向定位轮沿纵向均匀安装在定位板下端面，同时保证机架每侧任意时刻都有2个导向定位轮对移动中的苗盘进行纵向引导和横向限位，如图3所示。

1.半Y形定位杆 2.输送辊 3.活动苗盘 4.输送辊支架 5.定位板 6.导向定位轮 7.机架

1.Half Y shaped positioning bar 2.Delivery roller 3.Movable tray 4.Support of delivery roller 5.Positioning plate 6.Guidancepositioningwheel 7.Frame

注：为半Y形定位杆折弯部分倾角，(°)；3为苗盘质量，kg；为重力加速度，m·s-2；F1为半Y形定位杆对苗盘的推力，N；F2为输送辊对苗盘的支持力，N；F1为苗盘对半Y形定位杆的摩擦力，N；F2为苗盘对输送辊的摩擦力，N；1为苗盘的纵向宽度，283 mm；为导向定位轮与苗盘间距，mm；为定位板与苗盘顶端间距，mm。

Note:is dip angle of bend of half Y shaped positioning rod, (°);3is mass of tray, kg;is the acceleration of gravity, m·s-2;F1is thrust of half Y shaped positioning rod against movable tray, N;F2is supporting force of delivery roller against movable tray, N;F1is friction of movable tray against half Y shaped positioning rod, N;F2is friction of movable tray against delivery roller, N;1is longitudinal width of movable tray, which is 283 mm;is distance between guidancepositioningwheel and movable tray, mm;is distance between positioning plate and movable tray, mm.

图3 活动苗盘三维定位机构

Fig.3 3D positioning mechanism of movable tray

2.1.2 苗盘定位机构参数确定

定位时，上行的半Y形定位杆倾斜部分先与具有纵向位置偏差的苗盘连接支撑轴接触，将苗盘一侧向上顶起。随着定位杆上行，在重力的作用下苗盘连接支撑轴滑过定位杆倾斜部分进入由定位杆直立部分所构成的矩形空间，完成苗盘的纵向定位，设计时取苗盘纵向宽度作为2个两定位杆直立部分纵向间距。取一侧被定位杆倾斜部分向上推起的活动苗盘为研究对象，进行受力分析，如图3a所示。根据平面内任意力系的平衡条件得苗盘滑动方程有：

（1）

式中ΣM为苗盘所受作用力对O点的合力矩，N；ΣF苗盘在水平方向上所受力合力，N；ΣF为苗盘在竖直方向上所受力合力，N；为苗盘的惯性力加速度，mm/s2；F为苗盘滑动回位惯性力，N；l为相邻传动辊的轴间距，取127 mm；连接支撑轴和半Y形定位杆间摩擦系数为0.3，苗盘和输送辊间摩擦系数为0.36，所以F10.3F1，F20.363。

由式（1）可得=54°。因此苗盘在半Y形定位杆斜面上产生滑动的条件为>54°，为保证苗盘纵向定位的可靠性，本文取值=70°。

由于苗盘开启时短推板推动矩形板，长推板推动齿形板的承载部位（如图4），结合活动苗盘的结构参数，半Y形定位杆的高度为

式中H为半Y形定位杆的高度，mm；1为活动苗盘高度，72 mm；为短推板高度，mm；Δ为苗盘停止移动后与标准位置纵向上产生的差值，由于Δ·tan的值关系到脱盘装置的作业效率，本设计中Δ取值为10 mm。

为了保证苗盘横向定位精度并降低苗盘移动阻力，导向定位轮采用2个606深沟轴承轴向叠加而成，根据前期试验，将导向定位轮外缘与苗盘间距设计为1.5 mm；为降低苗盘移动阻力并缓解苗盘开启瞬间受到的冲击力，定位板与苗盘上端面间距设计为5 mm。

1.电动缸 2.导向杆 3.推杆 4.长推板 5.托举台 6.半Y形定位杆 7.短推板 8.底板 9.活动苗盘

2.2 开启-托举机构

2.2.1启-托举机构结构设计

结合活动苗盘的矩形板、齿形板有序开启的特点，设计了由短推板、长推板、托举台、底板、导向杆及电动缸等构成的开启-托举机构。长推板垂直固结于底板纵向两侧，短推垂直固结于底板横向两侧；托举台在底板上呈阵列分布并与苗盘钵穴一一对应，如图4所示。其中，定位机构中的半Y形定位杆固结于底板的4个角点上。

作业时，托举台端面直接对钵体底部作用，托举端面由于材料或结构的不同与钵体接触时对钵底产生的作用力不同，进而影响到托举质量和基质损失率，本文将托举端面设计为金属面、金属面＋钢针（钢针垂直焊接在金属面中心，直径1 mm，高10 mm）、有点状突起的橡胶面3种类型[12-23]，然后通过试验来优选。

2.2.2 托举台参数确定

结合钵苗脱盘效率和后续托持爪移苗作业的需要，设计中以钵体高度的80%托出苗盘时托举台的位置为托举台上行最高点，底板与苗盘之间设有5 mm安全间距，如图5所示。由此确定托举台的高度为

1.托举到设计高度的钵苗 2.初始状态的钵苗 3.活动苗盘

1.Pot seedling lifted to designed height 2.Initial pot seedling 3.Movable tray

注：0为钵体高度，mm；1为活动苗盘高度，mm；2为钵体被托出苗盘部分的高度，mm；H为托举台高度，mm；H为短推板高度，mm；H为长推板高度，mm；0为托举结束时底板与苗盘间距，mm；1为托举台与短推板矩形部分高度差，mm；0为推板梯形部分高度，mm；1为短推板伸出苗盘顶端的高度，mm；为推板斜面倾角，(°)；1为推板上边长度，mm；2为推板下边的长度，mm；3为托举结束时短推板与苗盘顶端相交线长度，mm。

Note:0is height of pot body, mm;1is height of movable tray, mm;2is height of part of pot body is lifted out of movable tray, mm;His height of lifting platform, mm;His height of short push plate, mm;His height of long push plate, mm;0is distance between bottom plate and movable tray at the end of lifting; mm;1is vertical height difference between lifting platform and rectangular part of short push plate, mm;0is height of trapezoidal part of push plate, mm;1is height of short push plate beyond of top of movable tray, mm;is trapezoidal inclination of push plate, (°);1is length of top of push plate, mm;2is length of bottom of push plate, mm;3is length of intersection line between short push plate and top of movable tray at the end of the lifting, mm.

图5 开启-托举机构组件

Fig.5 Opening and lifting mechanism component

由于矩形板完全开启齿形板未动时钵穴底部为60 mm×35 mm的长方形，为保证托举台顺利通过钵穴下口托举钵苗，结合定位机构的间隙将托举台端面设计为40 mm×25 mm矩形。

2.2.3 苗盘开启推板参数确定

苗盘开启推板由梯形结构和矩形结构2部分构成。长、短推板的梯形结构尺寸相同，长推板的矩形结构高于短推板（见图5）。苗盘开启时推板的2个斜面同时对苗盘作用，因此推板上边长1小于钵穴下口径，设计中取1=30 mm；推板底边长2小于钵穴上口径，设计中取2=55 mm；为了避免推板和侧板之间产生自锁，必须保证推板斜面倾角大于两者间摩擦角，由于两者间滑动摩擦系数为0.30，所以>=arctan0.30=17°。

设计中短推板将矩形板完全开启的同时长推板与齿形板接触，为提高脱盘钵苗钵体的质量，设计中同时规定矩形板完全开启后短推板继续上行1（2 mm），此时开启-托举机构中的托举台与钵苗底部接触。即短推板的矩形结构尺寸比托举台高1（图5），各参数之间的关系为

由式（4）得=48.37°。因此，推板斜面倾角取值范围为17°＜＜48.37°。

为进一步确定值，将空盘时齿形板（齿形板和矩形板绕苗盘支撑轴摆动特性一致）视作轻质杆，点与轴铰接。取点作为研究动对象，对钵穴开启过程进行运动学分析：点的绝对运动是以点为圆心、为半径的圆周运动，绝对速度V的大小为Lω，方向垂直于轻质杆轴线；点的相对运动为沿推板斜面的直线运动，相对速度V方向沿推板斜面向下；牵连运动为推板的匀速直线运动，牵连速度V的大小、方向与推板上行速度0一致。

注：V0为推板向上运行速度，mm·s-1；Va为A点的绝对速度，mm·s-1；Vr为A点的相对速度，mm·s-1；Ve为A点的牵连速度mm·s-1；β为推板斜面倾角，(°)；θ为苗盘锥角，(°)。

根据速度合成定理可得齿形板的开启瞬时速度为

由式（5）可知，齿形板开启的绝对速度V随着值增大而减小。参考文献[24]，取=45°。

当=45°时短推板的高度为

由式（6）、式（2）可得半Y形定位杆高H=180 mm。

由工作过程可知，矩形板完全开启时长推板与齿形板接触，此时长推板斜面与齿形板接触点到苗盘底部的间距为4，如图7所示，由此可得：

由式（7）得长推板的高度H=100.5 mm。

1.短推板 2.长推板 3.齿形板

1.Short push plate 2.Long push plate 3. Toothed plate

注：4为齿形板承载部位到苗盘底面间距，mm；5为齿形板承载部位与长推板梯形底边的间距，mm；6为2个齿形板承载部位间距，mm；7为6与1差值的二分之一，mm；8为6与钵穴下口径差值的二分之一，mm；9为6与1的间距，mm。

Note:4is distance between opening bearing part of toothed plate and bottom of movable tray, mm;5is distance between opening bearing part of toothed plate and trapezoidal bottom edge of long push plate, mm;6is distance of bearing parts of two toothed plate , mm;7is one-half of difference value between6and1, mm;8is one-half of difference value between6and diameter of lower mouth of pot hole, mm;9is distance between6and1, mm.

图7 长推板与齿形板相互位置关系示意图

Fig.7 Schematic diagram of mutual position relationship between long push plate and toothed plate

2.3 控制系统设计

针对托举式钵苗脱盘装置连续作业的特点，苗盘输送机构的驱动电机由步进驱动器根据PLC信号控制启停，用于驱动半Y形定位杆和开启-托举机构的电动缸由伺服驱动根据PLC信号控制，控制系统包括硬件和软件2部分。硬件主要由PLC控制器、操作触屏、红外传感器、步进电机、伺服电机、驱动器、电磁开关等组成，如图8a所示（虚线部分为后续作业中托持爪的驱动部分）。

根据钵苗脱盘装置中电机数量结合后续托持爪的作业需要，选用三菱FX3U 40MT型6轴PLC控制器，该控制器有24个输入接口和16个输出接口，内存容量8 000 k，具有主、从通讯和在线监视功能。其他硬件包括：步科触屏，型号ET100；OMDHON常开型红外传感器，型号E3JK-DS30M1，响应频率5 Hz；杰美康步进电机，型号57J1880EC-1000，驱动器型号2HSS57；伺服电机与伺服驱动器为台达公司生产，伺服电机型号ECMA-C20604SS，转速3 000 r/min，伺服驱动器型号ASD-B2-0421-B；电动缸为深圳市宇创机电设备公司生产，型号EDA60，行程 250 mm，推力1.36 kN，速度0～250 mm/s，丝杆导程5 mm；U型限位开关，型号PM-T45，响应频率1 Hz。

采用三菱梯形图编程软件根据钵苗脱盘装置各机构作业时的动作及顺序编写控制系统程序，实现对脱盘装置作业过程的控制，如图8b所示。试验时，通过触屏将电动缸运行参数（0～250 mm/s）输入软件系统，在PLC控制下伺服电机驱动电动缸运行，完成钵苗脱盘作业。

图8 PLC控制系统

3 钵苗脱盘试验与结果分析

3.1 试验材料

试验于2019年3月在湖南农业大学农业机械化工程实训中心进行。选用穴数为16（4×4布局）的活动苗盘进行育苗，苗盘横向长为346 mm、纵向长度为283 mm、高为72 mm，苗盘钵穴规格为下边长35 mm、上边长55 mm、高55 mm，钵苗品种为湘杂油420，苗龄35 d。钵体基质由泥炭、蛭石、珍珠岩、壤土（取自湖南农业大学科研基地耘园）按4:2:2:1体积比配制，压实度为1.1。试验材料及装置如图9所示。

图9 钵苗脱盘试验

3.2 试验评价指标

钵苗脱盘后，取苗装置的托持苗爪沿钵苗阵列纵向间隙伸入，对钵苗进行托持移送。如果钵苗在托举台上的位置偏差过大，托持苗爪在沿钵苗阵列间隙伸入时将导致钵体破损、开裂或钵苗移送失败；钵苗脱盘过程中基质损失率影响脱盘后钵苗质量及移栽质量。因此以钵苗在托举台上的位置合格率和基质损失率作为评价指标，以钵体在托举台上的横向位置偏移率来表征钵苗的位置合格率。

托举结束后，在苗盘顶端平面内用游标卡尺测量钵体与矩形板的距离L；根据设计参数计算处于托举端面中心位置的钵体在苗盘顶端平面内与矩形板的距离L，如图10所示。

1.位置零偏移的钵体 2.位置偏移的钵体 3.苗盘侧板 4.托举台

1.Pot body without position offset 2.Pot body with position offset 3.Side plate of movable tray 4.Lifting platform

注：L为发生偏移的钵体在活动苗盘顶端平面内与钵穴壁的间距，mm；L为位置零偏移的钵体在活动苗盘顶端平面内与钵穴壁的间距，mm。

Note: Lis distance between pot body with position offset and pot hole wall in plane of top of movable tray, mm;Lis distance between pot body without positional offset and pot hole wall in plane of top of movable tray, mm.

图10 钵苗位置示意图

Fig.10 Schematic diagram of pot seedling position

根据苗盘结构参数、钵苗托举高度及后续作业中托持苗爪的结构，取钵体在托举端面横向最大偏移量为5 mm。托举结束后钵体在托举端面上的位置偏移量应满足：

钵体基质损失率计算公式为

式中为钵体基质损失率，%；m为每盘钵苗脱盘基质损失质量，kg；m为每盘钵苗脱盘后基质质量，kg。

试验时将长800 mm、宽500 mm、高30 mm的金属盘放在脱盘装置作业区下方，收集试验中散落的基质。每次试验结束后用毛刷将底板上、托举台上、机架上及苗盘上的基质清扫到金属盘内，用电子天平（JJ200型，精度0.01 g）对金属盘内基质进行称量，计为该次试验中的钵体基质损失质量m；每次试验后沿钵体上端面将幼苗剪去称质量（忽略幼苗根系对钵体质量的影响），计为该次试验中的剩余基质质量m。

3.3 试验因素及方案

由文献[24-25]可知，活动苗盘脱苗过程中基质损失率与基质含水率及开启部件上行速度有关；根据动量守恒定律可知，随着上行速度的增加托举台对钵体的作用力逐渐增大，钵体会出现开裂、变形及完整性降低等情况；由于作业时托举台端面直接作用于钵体底部，托举端面由于材料或结构的不同与钵体接触时对钵底产生的作用力不同，进而影响托举质量和基质损失率，因此选取基质含水率、托举端面类型、托举台托举速度作为试验因素。

根据文献[26]可知，在油菜苗期，当土壤水分含量低于50%时，油菜净光合速率与对照相比开始下降。试验中取50%、55%、60%作为含水率的3个水平值，试验前对钵苗均匀浇水，用赛多利斯公司MA150型水分快速测定仪测定钵体含水率，含水率在水平值±1%范围内开始试验。

采用2.2.1节中所设计的3种类型端面进行试验，分析不同类型托举端面对钵苗位置合格率和基质损失率的影响。

托举台速度关系到钵苗脱盘后的钵体形变、基质损失率及脱盘装置的作业效率，为获取托举速度取值范围，进行单因素试验研究托举速度对脱盘钵苗稳定性及基质损失的影响。考虑到实际作业效率需要，试验中基质含水率为55%，托举台初次运行速度取20 mm/s，随后每次增加2 mm/s。试验发现，托举速度为38 mm/s时钵体底部开始出现开裂、形变现象，并且随着速度的增加钵体开裂、变形更加严重，基质损失率明显提高；托举速度达到42 mm/s后，脱苗过程中苗盘上端面出现明显的向上突起现象，并随着速度的增加该现象愈加严重。为保证钵苗的稳定托举及苗盘使用寿命，结合半Y形定位杆高度、苗盘的高度及脱盘装置的预期作业效率，试验中托举台托举速度取28、32和36 mm/s 共3个水平。

综合以上分析，对钵苗脱盘试验因素水平编码，如表1所示。采用L9（34）正交表设计试验方案，共有9组试验，试验方案和结果如表2所示。

表1 正交试验因素与水平

3.4 试验结果与分析

试验结束后在苗盘上端面内测量钵体与矩形板的距离，以处于托举台中心位置的钵体在苗盘上端面内与矩形板的距离为标准，根据式（8）判断单个钵体位置是否合格，进而计算整盘钵体位置合格率；根据式（9）测算每次试验中的基质损失率。为降低误差每组试验重复3次，取均值作为试验结果记入表2。

用 SPSS 20.0 软件对试验数据做方差分析，如表3所示。

由表2可知，影响钵苗位置合格率和基质损失率的因素主次顺序均为；试验中钵苗位置合格率的最优组合为222，基质损失率的最优组合为131。

同时由表2可知，试验中基质损失率在1.35%~1.98%之间，平均值为1.62%，由于基质损失率较低，不影响钵苗的移栽质量[6-7]，因此本试验中以钵苗位置合格率来确定最优参数组合，即最优参数组合为222。

钵苗位置合格率随着托举端面类型的改变而不同，分析其原因主要为：金属端面的托举台与钵底间摩擦力较小，托举过程中钵体受金属面的冲击力的作用在金属面上产生滑移，钵苗位置合格率低；橡胶面在与钵体接触瞬间降低托举台对钵体的冲击力，同时橡胶面的表层有点状突起，增大了其与钵体底部的摩擦力，提高了钵苗位置合格率；金属面+钢针所构成的托举面受钢针几何参数和钵苗重心偏移（苗龄长，油菜茎叶偏斜引起）的影响，部分钢针未能完全刺入钵体导致钵苗倾倒，位置合格率低于橡胶面。

基质损失率随托举端面类型改变而改变，分析其原因为：当托举台以一定速度与钵体底部接触时，钵体受到托举台的冲击而产生振动破坏钵体基质之间的粘聚力使基质损失增加，因此随着托举速度的增加基质损失也逐渐增加；同等条件下，由于橡胶具有一定的弹塑性，当橡胶端面的托举台与钵体接触时，能缓解托举台对钵体的冲击而降低基质损失低；当托举端面为金属面+钢针时，在金属面与钵体底部接触之前有一个钢针刺入钵体的过程，使钵体与端面接触时的相对速度降低，有效降低基质损失率。

表2 正交试验方案与结果

表3 各指标方差分析

由表3可知，钵苗位置合格率方差分析中因素的>0.05(2,2)=19，<0.05，表明托举端面类型对钵苗位置合格率影响显著；基质损失率方差分析中因素与因素的>0.05(2,2)=19，<0.05，表明托举速度和托举端面类型对基质损失率影响显著；试验中基质含水率对钵苗位置合格率和基质损失影响均为不显著。

由上述分析可知，试验中最优参数组合为222，托举端面对钵苗位置合格率和基质损失率的影响均显著，托举速度对质损失率的影响显著。

4 验证试验

为验证优化参数组合的作业效果，利用最优参数组合进行重复性验证试验。试验采用与钵苗脱盘试验相同钵苗，试验中托举速度为32 mm/s，托举台端面为橡胶面，钵苗基质含水率为55%。试验方法同前，为降低试验误差，试验重复3次，试验结果如表4所示。由表4可知，最优参数组合下的钵苗位置合格率为100%，平均基质损失率为1.56%，钵苗脱盘过程中基质损失主要集中在钵体的4个棱和上下边沿，主要原因为钵体边沿部位苗根较少，基质间粘聚力小。

表4 优选参数组合重复性试验结果

Table 4 Experiment results of replicate test in combination scheme with optimal factors

5 结 论

1）针对活动苗盘的结构特点设计托举式钵苗脱盘装置，该装置主要由输送机构、定位机构、开启-托举机构及PLC控制系统组成，结构简单、钵苗脱盘后位置合格率高、基质损失率低。

2）选取钵苗位置合格率和基质损失率为试验指标，以托举速度、托举端面类型和基质含水率为试验因素，进行正交试验，获取各因素对钵苗位置合格率和钵苗基质损失率影响主次顺序为托举台端面类型、托举速度、基质含水率；获取优选参数组合为：托举速度32 mm/s、托举台端面为橡胶面、基质含水率55%，并基于优选参数验证试验，结果表明，钵苗脱盘后的位置合格率为100%，平均基质损失率为1.56%。

该钵苗脱盘装置在优选参数组合下的作业效果满足实际生产需要，下一步将把钵苗的托持、移送作为研究方向，实现托举式钵苗脱盘装置与栽植机构衔接。

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Design and test of eject lifting type pot seedling detaching device

Feng Shijie1,2, Wu Mingliang1,3※, Yan Bo1, Quan Wei1

(1.410128; 2.464000,; 3.,410128,)

Aiming at the problems of seedlings injury, seedling pot cracking and high matrix loss rate in the operation process of automatic seedling device, a eject lifting type device for pot seedling detaching from movable tray was designed. The device was mainly composed of seedling tray conveyor, tray positioning mechanism, opening and lifting mechanism and control system. According to the structure of the movable tray, a three-dimensional positioning mechanism composed of half Y shaped positioning bars, guidancepositioningwheels and positioning plates was designed to position the tray from longitudinal, transverse and vertical directions, so as to ensure that movable tray could be accurately positioned in operating area. According to the characteristics that the pot hole of movable tray could be opened, an opening and lifting mechanism consisting of short push plate, long push plate and lifting platform was designed. Short push plate and long push plate were sequentially opened by longitudinal side plate and lateral side plate which were used for movable tray positioning so as to separate seedling pot from pot hole. At the same time, after the separation, lifting platform lifted seedling pot which started to slide along the wall of pot hole from bottom and lifted it to the designed height for subsequent operations. The control system of device for seedling detaching from movable tray was designed. PLC controlled the operation of each driving motor according to the outputs signals of the movement sequence of each mechanism, so that each mechanism could coordinate in order to realize the automatic detaching of seedling pot from movable tray. In order to verify the operation effects of the device for seedling detaching from movable tray, bench experiments were carried out. Seedling pot lifting speed, type of the end face of lifting platform and moisture content of matrix of seedling pot were used as experimental factors. The qualified rate of position of seedling pot on the end face of the lifting platform and the loss rate of seedling pot matrix in process of seedling pot detaching from movable tray were taken as the evaluation indexes. Rapeseed seedlings of 35-day-old which were cultured in a 16-hole movable tray were used as the object. An experimental scheme of L9(34) orthogonal table was used for the bench experiments to study the influence of various factors on the evaluation indexes. Through the range analysis and variance analysis of experimental data, the influence order of each factor on the evaluation indexes were obtained, which were material type of end face of lifting platform, seedling pot lifting speed and moisture content of matrix of seedling pot. At the same time, the optimal parameter combination of the experimental factors was obtained in the experiments: the lifting speed was 32 mm/s, the material of the end face of lifting platform was rubber, and the moisture content of the matrix was 55%. Verification experiments with optimal parameter combination were carried out and the results showed the qualified rate of positions of seedling pot on the end face of the lifting platform was 100% and the loss rate of seedling pot matrix was 1.56%, which indicated that the device for seedling pot detaching from movable tray met the requirement of actual operations. The study provides important theoretical basis and reference for the design and further study on seeding automatic pick-up and transplanting mechanism.

agricultural machinery; design; tray; pot body; positioning mechanism; lifting platform; detaching device

2019-11-04

2020-01-18

国家油菜产业技术体系( CARS-12)；湖南农业大学“双一流”建设项目（SYL201802018）

冯世杰，讲师，博士生，主要从事农业机械研究。Email：fsj_6688@126.com

吴明亮，教授，博士生导师，主要从事农业机械创新设计研究，Email：mlwu@hunau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.006

S223.92

A

1002-6819(2020)-05-0050-09

冯世杰，吴明亮，颜 波，全 伟. 顶出托举式钵苗脱盘装置设计与试验[J]. 农业工程学报，2020，36(5)：50－58. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.006 http://www.tcsae.org

Feng Shijie, Wu Mingliang, Yan Bo, Quan Wei. Design and test of eject lifting type pot seedling detaching device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(5): 50－58. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.006 http://www.tcsae.org