玉米穴盘钵苗取苗栽植机构参数优化与试验
2021-10-15黄兴华那明君
黄兴华，张 旭，董 欣，那明君
（1.东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030；2.上海电机学院机械学院，上海 201306）
我国为玉米种植和消费大国，玉米育苗移栽可延长作物生长期，提高玉米产量[1-2]。目前我国玉米育苗移栽机械均为半自动移栽机[3]，需人工投苗，移栽效率较低，劳动强度较大，制约移栽技术应用。
取苗栽植机构为移栽机械核心部件，影响移栽效率和质量。法国UT-2型钳夹式移栽机由栽植手将玉米钵苗放入秧夹内，在栽植盘旋转作用下完成栽植[4]。日本TPA-1型全自动移栽机工作时将玉米钵苗放在苗箱架上，由一套曲柄连杆机构完成钵苗取苗和栽植作业，稳定性较高[5]。日本久保田公司SKP-100（W）-KR型全自动移栽机利用机械爪取苗将蔬菜钵苗输送到栽植器，植入穴坑，作业效率0.01~0.167 hm2·h-1，适用于蔬菜、玉米移栽[6]。美国TTA公司FlexPlanter移栽选苗机作业时苗盘下方推进器系统将钵苗从苗盘中顶出，通过苗盘上方植物抓手将钵苗抓取到穴坑中完成栽植作业[7]。澳大利亚HD系列全自动移栽机和意大利FERRARI公司FPC型全自动移栽机由机械代替人工完成取苗和栽植工作，提高移栽效率[8-9]。国内以半自动玉米移栽机械为主，黑龙江省农业机械工程科学研究院2ZYS-2型玉米育苗滤水移栽机作业时将人工摆放在输送带上的玉米纸筒秧苗输送到橡胶圆盘上，随圆盘转动植入穴坑中，作业行数2行，行距40~65 cm，株距15~30 cm，作业速度1.0~2.0 km·h-1，作业效率0.13~0.26 km2·h-1[10]；金利达机械制造有限公司2ZQ-2型移栽机适用于玉米、蔬菜等作物移栽，工作时需将人工放入喂入器的玉米钵苗转到导苗管上方打开，玉米钵苗在自身重力作用下落入穴坑完成栽植，投苗频率达60~70株·min-1[11]。
在自动取苗机构研究方面，日本Nakashima等提出一种机械手式取苗装置，但单体取苗工作效率较低，通过增加机械手数量可提高工作效率，成本增高，应用受限[12]。荷兰TTA公司全自动移栽机采用气动式取苗机构，自动化程度高，机构复杂，成本高，不适合国内推广[13]。国内胡显威等提出摆杆取苗机构，由摆杆机构驱动末端执行器，末端执行器内通过气缸驱动齿轮齿条运动实现夹苗片张开与闭合，完成取苗、植苗动作，该取苗机构末端执行器移栽轨迹不适用于玉米苗移栽，且移栽机构结构较为复杂[14]。王超等提出气动下压式高速取苗装置取苗速度可达120株·min-1，但基质破碎率较高，需配备特有育苗盘，育苗成本较高[15]。
为解决人工投苗效率低、劳动强度大等问题，本文针对玉米移栽穴盘及钵苗物理特性，考虑北方玉米钵苗移栽农艺要求，研究设计一种基于非圆齿轮行星传动的夹取式玉米钵苗取苗栽植机构，实现钵苗自动取苗栽植；利用课题组自主研制的试验台架开展取苗栽植机构性能试验，研究其工作参数、结构参数及钵苗几何参数对作业性能影响规律，以获得较高移栽效率最优参数组合，为玉米穴盘钵苗移栽机取苗栽植机构设计、解决半自动钵苗移栽机自动取苗栽植提供依据。
1 试验装置
1.1 试验台架结构原理
试验台架主要由取苗栽植机构试验装置与控制系统构成，其中取苗栽植机构试验装置主要由电动机、传动系统、取苗栽植机构等构成；控制系统主要由变频器、控制柜等组成，试验台架机构如图1所示。
图1 试验台架机构Fig.1 Test bench mechanism
利用变频器调节电动机转速，改变取苗栽植机构移栽速度，以满足取苗移栽机构不同移栽频率作业试验要求。取苗栽植机构由调速电动机驱动和控制调速，以满足取苗栽植机构不同作业参数试验组合要求。试验时，试验台架模拟移栽机的送苗进给（横向、纵向）运动由电动机控制驱动，工作时，启动电动机，电动机驱动传动轴Ⅰ转动，传动轴Ⅰ通过带传动将动力传递给轴Ⅱ，轴Ⅱ通过万向联轴器将动力传至传动箱，通过锥齿轮换向将传动轴Ⅱ横向运动转变成传动轴Ⅲ纵向运动，传动轴Ⅲ一端通过齿轮传动将动力输送到双螺旋轴Ⅳ，双螺旋轴Ⅳ通过其上滑套将动力传递给与苗箱固联的轴Ⅴ，通过双螺旋轴Ⅳ转动将其旋转运动转变为苗箱横向进给运动，实现钵盘上钵苗横向送苗进给运动。同时，轴Ⅲ另一端通过二级链传动将动力传递至取苗栽植机构，实现取苗栽植运动。钵盘上钵苗纵向送苗进给由手动传动链完成。
1.2 取苗栽植机构组成与工作原理
1.2.1 取苗栽植机构设计要求
为完成钵苗从苗盘中顺利取出，实现田间自动移栽目的，钵苗移栽机取苗栽植机构需满足取苗—送苗—栽植—回程的功能要求。结合预试验研究，取苗栽植机构需满足玉米钵苗移栽农艺要求和育苗方式，其移栽轨迹包括取苗段、送苗段、栽植段及回程段等4个阶段，如图2所示。
由图2可知，移栽轨迹取苗段AB近似为一条直线，钵苗能够垂直于苗盘方向从钵盘中取出，且钵土基质不被破坏；送苗段BC为一光滑圆弧段，可平稳快速实现钵苗输送；栽植段CD满足取苗栽植机构执行末端运行达最低点C速度近似为零，实现零速投苗，使玉米苗平稳且垂直落入穴坑；回程段DA为光滑曲线，栽植末端快速平稳返回取苗点运行下一次取苗作业，且不与钵苗盘发生干涉。
图2 移栽轨迹Fig.2 Transplanting trajectory
1.2.2 取苗栽植机构结构组成
基于取苗栽植机构移栽轨迹要求设计的夹取式取苗移栽机构由非圆齿轮行星轮系传动机构和末端执行器——栽植臂两部分构成，如图3所示。非圆齿轮行星轮系传动机构与栽植臂通过其传动机构中齿轮行星轴输出端花键与栽植臂箱体连接，使栽植臂完成不等速回转运动。
非圆齿轮行星轮系传动机构为取苗栽植机构核心部件，主要由相互啮合的3个非圆齿轮（太阳轮1、中间轮2、行星轮3）组成（见图3a），其中非圆齿轮成型运用拉格朗日插值法原理。太阳轮固定于试验台机架，中间非圆齿轮与行星架铰接，非圆行星轮铰接在行星架上，非圆中间轮分别与太阳轮、非圆行星轮相互啮合，通过3个非圆齿轮相互啮合传动实现钵苗复杂的移栽轨迹。
栽植臂与行星轮轴固定连接，主要由凸轮12、拨叉11、夹苗片13、压缩弹簧14、推苗杆15和栽植臂箱体9组成（见图3b）。拨叉与栽植臂箱体铰接，夹苗片与栽植臂箱体螺纹连接，栽植臂凸轮通过螺栓与齿轮箱固接。凸轮与行星非圆齿轮传动的齿轮箱体通过螺栓固定连接，栽植臂箱体通过螺纹与连接盘17连接（见图3c），栽植臂采用拨叉与凸轮相配合的方式完成取苗与栽苗，选择夹取钵苗茎秆方式实现取苗，与之配套钵盘为目前广泛使用的6×12穴育苗盘。
1.2.3 取苗栽植机构工作原理
作业时，动力由传动轴1输入，驱动齿轮箱体7（行星架）匀速转动，其内部太阳轮2固定于机架，中间轮3随行星架转动同时与行星轮5相互啮合转动，中间轮与太阳轮相互啮合转动；行星轮随行星架公转同时与中间轮啮合转动（见图3a）。
行星轮轴带动栽植臂一起绕太阳轮中心作非匀速运动，栽植臂在非圆齿轮行星轮系传动机构驱动下形成钵苗移栽运动轨迹。固接于齿轮箱7的凸轮12与铰接于栽植臂箱体9的拨叉11（凸轮从动件）相互作用推动推苗杆15作往复移动，推苗杆往复运动带动夹苗片夹紧与张开，当拨叉11从凸轮12小径运动到大径时，拨叉11推动弹簧座向左运动压缩弹簧，弹簧座带动推苗杆15向左移动，推苗杆15带动夹紧夹苗片13收缩完成取苗（见图3b实线）；当拨叉11从凸轮12大径运动到小径时，压缩弹簧14推动弹簧座以及推苗杆15向右运动，夹苗片13松开实现钵苗栽植的投苗动作（见图3b双点划线）。栽植臂取苗时，夹苗片夹取钵苗茎秆实现钵体与穴盘分离，压缩弹簧14保证拨叉和凸轮作业时始终接触，在栽植臂回转运动与推苗杆直线运动共同作用下，取苗栽植机构按移栽轨迹循环作业完成取苗移栽作业。
图3 取苗移栽机构Fig.3 Transplanting mechanism
2 材料与方法
2.1 试验材料
试验于2020年12月在东北农业大学收获加工实验室完成。试验材料选用“华龙一号”玉米钵苗，采用穴盘育苗方式，所用穴盘穴孔表面尺寸为40 mm×40 mm正方形，穴盘孔深40 mm，横向穴孔6个，纵向空穴12个。玉米穴盘钵苗长至三叶一心至四叶一心、苗龄14 d时开展穴盘钵苗取苗栽植台架试验，经测定玉米穴盘钵苗株高均值（170.50±15.00）mm、茎秆直径（3.35±0.40）mm、茎秆拉断力（6.87±1.60）N，依据GB/T1931-2009[16]测定含水率钵苗（89.14±2.50）%，钵体（35.26±5.12）%。为防止玉米苗含水率变化，选取长势相同，含水率一致玉米钵苗作试验材料，如图4所示。
图4 穴盘育苗Fig.4 Corn pot seedling
2.2 试验因素与评价指标
为考查不同因素水平对取苗栽植质量影响，选择取苗栽植机构移栽频率、夹苗片长度、钵苗株高为试验因素，依据JB-T10291-2013《旱地栽植机械》行业标准[17]，结合本文设计的夹取式取苗栽植机构工作性能要求，选取取苗成功率和伤苗率作为取苗栽植机构性能评价指标，探讨3个试验因素对试验指标的影响规律。取苗成功率和伤苗率依据式（1）、式（2）计算，即
式中，S1—移栽机构从钵苗盘中成功取出钵苗的数量（株）；S2—移栽机构取苗过程中钵土基质破碎或茎秆折断钵苗数量（株）；S—试验所用钵苗总数（株）。
取苗成功是指取苗时钵土基质破坏程度小于总体质量10%且钵苗茎秆不发生断裂。栽植过程中，钵苗茎秆与地面夹角大于45°视为栽植成功。钵土基质破坏程度大于10%、钵苗茎秆发生断裂或栽植过程中钵苗倒伏（钵苗茎秆与地面夹≤45°）视为伤苗[18]。
2.3 试验因素水平
采用三因素五水平正交旋转中心组合方法设计试验[19]，根据钵苗动力学试验与取苗栽植机构单因素性能试验结果与理论分析，确定移栽频率范围30~60 r·min-1，考虑移栽结构要求，夹苗片长度范围85~105 mm，即夹苗片尖点到钵土基质表面距离为5~25 mm，试验因素水平编码如表1所示，根据试验安排，每组处理试验连续取苗12株，试验指标据式（1）、式（2）计算确定。试验方案设计与结果分析应用Design-Expert V8.0.6软件完成。
表1 试验因素水平编码Table 1 Experimental factors and levels
3 结果与分析
3.1 试验结果
根据试验设计，对玉米穴盘苗取苗栽植机构取苗成功率及伤苗率性能开展试验，以X1、X2和X3表示移栽频率、夹苗片长度和钵苗株高的编码值，Y1、Y2为试验指标取苗成功率和伤苗率，考虑交互作用，试验方案及试验结果如表2所示。
3.2 回归分析
3.2.1 回归方程及其显著性分析
利用软件Design Expert V.8.0.6分析表2试验结果，获得以取苗成功率Y1和伤苗率Y2为相应函数，以各影响因素水平编码值为自变量的回归方程如式（3）、式（4）所示，并用F检验显著性。
表2 试验方案及结果Table 2 Test plan and results
取苗成功率
伤苗率
式中，X1、X2和X3为各因素水平编码。
取苗成功率（Y1）和伤苗率（Y2）编码空间的回归方程式（3）、式（4）方差分析如表3所示。
检验结果表明，回归模型F1=0.73
对取苗成功率和伤苗率中各个回归系数作F检验，剔除模型信度在α=0.1以下不显著系数项，分别获得取苗成功率和伤苗率简化回归模型，如式（5）、式（6）所示。
取苗成功率
伤苗率
3.2.2 各因素对性能指标影响主次分析
由表3可知，以一次项F值判断各因素对取苗成功率和伤苗率贡献率依次为X1>X2>X3，即移栽频率>夹苗片长度>钵苗株高。
表3 回归模型方差分析Table 3 Variance analysis results of models
3.3 试验因素对试验指标影响分析
3.3.1 单因素对试验指标取苗成功率和伤苗率的影响
以取苗成功率式（5）和伤苗率式（6）为基础，取其他因素为零水平作单因素分析，分别得到单因素——移栽频率、夹苗片长度、钵苗株高对试验指标取苗成功率影响模型如式（7~9），对伤苗率影响模型如式（10~12）。
取苗成功率
伤苗率
依据上述方程得到各因素对取苗成功率、伤苗率影响曲线，如图5、6所示。
图5 单因素对取苗成功率的影响Fig.5 Single factor influence on the success rate of seedling retrieval
由图5可知，取苗成功率随移栽频率增大呈减小趋势，随夹苗片长度、钵苗株高增大呈先增后减趋势，不考虑移栽频率下水平情况，取苗成功率最大值均出现在零水平，即移栽频率为45 r·min-1、夹苗片长度95 mm、钵苗株高170 mm。由图6可知，伤苗率随移栽频率、夹苗片长度与钵苗株高增大均呈先减后增趋势，因素在零水平时伤苗率达最小。因素在下水平时，移栽频率对取苗成功率作用大于夹苗片长度与钵苗株高，夹苗片长度对伤苗率作用大于移栽频率、钵苗株高；因素在上水平时，移栽频率对伤苗率作用高于夹苗片长度、钵苗株高，因素水平对取苗成功率的作用一致。
图6 单因素对伤苗率的影响Fig.6 Single factor influence on the rate of injured seedlings
3.3.2 双因素对试验指标影响
对建立的回归方程式（5）、（6），分别将3个试验因素其中一个固定于零水平，得到各因素对取苗成功率和伤苗率响应曲面，如图7和图8所示。
图7 试验因素对取苗成功率影响响应曲面Fig.7 Response surface of the effects of all factors on seedling success rate
图8 试验因素对伤苗率影响响应曲面Fig.8 Response surface of the effects of all factors on damaged seedling rate
3.3.2.1 试验因素对取苗成功率的影响
由图7a可知，钵苗株高固定零水平时，当移栽频率为30~45 r·min-1时，取苗成功率保持不变，维持在90%左右，随移栽频率>45 r·min-1，取苗成功率明显下降，这是因移栽频率增大，夹苗片尖点瞬时速度和加速度增大，夹苗片夹取力增大且达一定程度时破坏钵苗茎秆，导致取苗成功率下降；取苗成功率随夹苗片长度增加呈先升后降趋势，这是因钵苗茎秆不同位置所承受拉断力不同，造成取苗成功率发生变化。综上所述，移栽频率为30~45 r·min-1，夹苗片长度为94~97 mm时，取苗成功率达最大值。在试验水平下，移栽频率对取苗成功率的影响比夹苗片长度显著。
由图7b可知，夹苗片长度固定零水平时，当移栽频率为30~45 r·min-1时，取苗成功率无明显变化趋势，稳定在90%左右，取苗成功率随移栽频率大于45 r·min-1呈明显下降趋势；取苗成功率随钵苗株高增高呈先升后降趋势，这是因为当钵苗株高较小时，钵苗茎秆发育不完全，易被拉断，降低取苗成功率；钵苗株高较大时，易与移栽机构发生干涉引起钵苗茎秆折断，降低取苗成功率。综上所述，移栽频率30~45 r·min-1，钵苗株高168~175 mm，取苗成功率达最大值。在试验水平下，移栽频率对取苗成功率的影响比钵苗株高显著。
由图7c可知，移栽频率固定零水平时，取苗成功率随夹苗片长度增大呈先升后降趋势，随钵苗株高增大先升后降趋势。当夹苗片长度94~97 mm，钵苗株高168~175 mm，取苗成功率达最大值。在试验水平下，夹苗片长度对取苗成功率的影响比钵苗株高显著。
3.3.2.2 试验因素对伤苗率的影响
由图8a可知，钵苗株高固定零水平时，当移栽频率为36~45 r·min-1时，伤苗率保持不变，处于较低水平；当移栽频率>45 r·min-1时，伤苗率随移栽频率增大呈迅速增大趋势。当夹苗片长度小于95 mm时，伤苗率随夹苗片长度增大呈明显下降趋势；当夹苗片长度为95~100 mm时，伤苗率保持不变，处在较低水平。在移栽频率36~45 r·min-1，夹苗片长度95~100 mm时，伤苗率率最小；在试验水平下，移栽频率对伤苗率的影响比夹苗片长度显著。
由图8b可知，夹苗片长度固定零水平时，当移栽频率为36~45 r·min-1时，伤苗率保持不变，处于较低水平；当移栽频率>45 r·min-1时，伤苗率随移栽频率增大呈迅速增加趋势；伤苗率随钵苗株高增加呈先降后升趋势，钵苗株高在171 mm左右时，伤苗率最小。在移栽频率36~45 r·min-1，钵苗株高171 mm左右时，伤苗率最小；在试验水平下，移栽频率对伤苗率的影响比钵苗株高显著。
由图8c可知，移栽频率固定零水平时，当夹苗片长度<95 mm时，伤苗率随夹苗片长度增大呈明显下降趋势；当夹苗片长度在95~100 mm范围内时，伤苗率保持不变，处在较低水平。当钵苗株高在160~170 mm时，伤苗率无明显变化，处于较低水平。当钵苗株高大于170 mm时，伤苗率随钵苗株高增大呈明显增大趋势。在夹苗片长度95~100 mm，钵苗株高160~170 mm时，伤苗率达最小值。在试验水平下，夹苗片长度对伤苗率的影响比钵苗株高显著。
3.4 参数优化及验证
在满足取苗移栽农艺要求前提下，以取苗成功率>90%、伤苗率<5%农艺要求为目标作参数优化。利用Design-Expert.V8.0.6数据分析软件中Optimization-Graphical模块作优化求解，目标函数与优化条件如式（13）所示，优化结果如图9所示。
图9 参数优化分析Fig.9 Optimum analysis plot
当参数组合为移栽频率28~45 r·min-1，夹苗片长度94~103 mm，钵苗株高170 mm时，玉米穴盘苗取苗成功率91%，伤苗率3.5%，考虑移栽农艺要求，移栽频率选择为40~45 r·min-1。
为验证参数优化结果可靠性，选取优化参数组合范围内移栽频率40 r·min-1、夹苗片长度98 mm、钵苗株高170 mm作3次取苗性能验证试验，如图10所示；每次处理钵苗36株，共计试样108株，验证试验得到移栽机构取苗成功率均值91.67%，伤苗率均值3.71%，满足移栽机构设计要求。
图10 移栽机构关键位置姿态Fig.10 Position of key position of transplanting mechanism
4 结论
a.夹取式玉米穴盘苗取苗栽植机构，栽植臂回转一周可完成自动取苗、送苗、栽植和回程作业，满足玉米钵苗移栽轨迹设计要求。栽植机构结构简单，移栽效率较高。
b.试验因素范围内，各因素对移栽机构取苗成功率影响依次为移栽频率、夹苗片长度、钵苗株高；对伤苗率影响依次为移栽频率、夹苗片长度、钵苗株高。
c.玉米穴盘苗取苗栽植机构优化参数组合区域为：在移栽频率40~45 r·min-1，夹苗片长度94~103 mm，钵苗株高170 mm时，取苗栽植机构取苗成功率达91.67%，伤苗率3.71%。
