玉米穴盤缽苗取苗栽植機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

黃興華，張 旭，董 欣，那明君

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院，上海 201306）

我國(guó)為玉米種植和消費(fèi)大國(guó)，玉米育苗移栽可延長(zhǎng)作物生長(zhǎng)期，提高玉米產(chǎn)量[1-2]。目前我國(guó)玉米育苗移栽機(jī)械均為半自動(dòng)移栽機(jī)[3]，需人工投苗，移栽效率較低，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，制約移栽技術(shù)應(yīng)用。

取苗栽植機(jī)構(gòu)為移栽機(jī)械核心部件，影響移栽效率和質(zhì)量。法國(guó)UT-2型鉗夾式移栽機(jī)由栽植手將玉米缽苗放入秧夾內(nèi)，在栽植盤旋轉(zhuǎn)作用下完成栽植[4]。日本TPA-1型全自動(dòng)移栽機(jī)工作時(shí)將玉米缽苗放在苗箱架上，由一套曲柄連桿機(jī)構(gòu)完成缽苗取苗和栽植作業(yè)，穩(wěn)定性較高[5]。日本久保田公司SKP-100（W）-KR型全自動(dòng)移栽機(jī)利用機(jī)械爪取苗將蔬菜缽苗輸送到栽植器，植入穴坑，作業(yè)效率0.01~0.167 hm2·h-1，適用于蔬菜、玉米移栽[6]。美國(guó)TTA公司FlexPlanter移栽選苗機(jī)作業(yè)時(shí)苗盤下方推進(jìn)器系統(tǒng)將缽苗從苗盤中頂出，通過(guò)苗盤上方植物抓手將缽苗抓取到穴坑中完成栽植作業(yè)[7]。澳大利亞HD系列全自動(dòng)移栽機(jī)和意大利FERRARI公司FPC型全自動(dòng)移栽機(jī)由機(jī)械代替人工完成取苗和栽植工作，提高移栽效率[8-9]。國(guó)內(nèi)以半自動(dòng)玉米移栽機(jī)械為主，黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院2ZYS-2型玉米育苗濾水移栽機(jī)作業(yè)時(shí)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(zhuǎn)動(dòng)植入穴坑中，作業(yè)行數(shù)2行，行距40~65 cm，株距15~30 cm，作業(yè)速度1.0~2.0 km·h-1，作業(yè)效率0.13~0.26 km2·h-1[10]；金利達(dá)機(jī)械制造有限公司2ZQ-2型移栽機(jī)適用于玉米、蔬菜等作物移栽，工作時(shí)需將人工放入喂入器的玉米缽苗轉(zhuǎn)到導(dǎo)苗管上方打開(kāi)，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(dá)60~70株·min-1[11]。

在自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)研究方面，日本Nakashima等提出一種機(jī)械手式取苗裝置，但單體取苗工作效率較低，通過(guò)增加機(jī)械手?jǐn)?shù)量可提高工作效率，成本增高，應(yīng)用受限[12]。荷蘭TTA公司全自動(dòng)移栽機(jī)采用氣動(dòng)式取苗機(jī)構(gòu)，自動(dòng)化程度高，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，成本高，不適合國(guó)內(nèi)推廣[13]。國(guó)內(nèi)胡顯威等提出擺桿取苗機(jī)構(gòu)，由擺桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器，末端執(zhí)行器內(nèi)通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)齒輪齒條運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)夾苗片張開(kāi)與閉合，完成取苗、植苗動(dòng)作，該取苗機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行器移栽軌跡不適用于玉米苗移栽，且移栽機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜[14]。王超等提出氣動(dòng)下壓式高速取苗裝置取苗速度可達(dá)120株·min-1，但基質(zhì)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(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題，本文針對(duì)玉米移栽穴盤及缽苗物理特性，考慮北方玉米缽苗移栽農(nóng)藝要求，研究設(shè)計(jì)一種基于非圓齒輪行星傳動(dòng)的夾取式玉米缽苗取苗栽植機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)缽苗自動(dòng)取苗栽植；利用課題組自主研制的試驗(yàn)臺(tái)架開(kāi)展取苗栽植機(jī)構(gòu)性能試驗(yàn)，研究其工作參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)及缽苗幾何參數(shù)對(duì)作業(yè)性能影響規(guī)律，以獲得較高移栽效率最優(yōu)參數(shù)組合，為玉米穴盤缽苗移栽機(jī)取苗栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、解決半自動(dòng)缽苗移栽機(jī)自動(dòng)取苗栽植提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置

1.1 試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)原理

試驗(yàn)臺(tái)架主要由取苗栽植機(jī)構(gòu)試驗(yàn)裝置與控制系統(tǒng)構(gòu)成，其中取苗栽植機(jī)構(gòu)試驗(yàn)裝置主要由電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、取苗栽植機(jī)構(gòu)等構(gòu)成；控制系統(tǒng)主要由變頻器、控制柜等組成，試驗(yàn)臺(tái)架機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架機(jī)構(gòu)Fig.1 Test bench mechanism

利用變頻器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，改變?nèi)∶缭灾矙C(jī)構(gòu)移栽速度，以滿足取苗移栽機(jī)構(gòu)不同移栽頻率作業(yè)試驗(yàn)要求。取苗栽植機(jī)構(gòu)由調(diào)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制調(diào)速，以滿足取苗栽植機(jī)構(gòu)不同作業(yè)參數(shù)試驗(yàn)組合要求。試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)架模擬移栽機(jī)的送苗進(jìn)給（橫向、縱向）運(yùn)動(dòng)由電動(dòng)機(jī)控制驅(qū)動(dòng)，工作時(shí)，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸Ⅰ轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)軸Ⅰ通過(guò)帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞給軸Ⅱ，軸Ⅱ通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器將動(dòng)力傳至傳動(dòng)箱，通過(guò)錐齒輪換向?qū)鲃?dòng)軸Ⅱ橫向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成傳動(dòng)軸Ⅲ縱向運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)軸Ⅲ一端通過(guò)齒輪傳動(dòng)將動(dòng)力輸送到雙螺旋軸Ⅳ，雙螺旋軸Ⅳ通過(guò)其上滑套將動(dòng)力傳遞給與苗箱固聯(lián)的軸Ⅴ，通過(guò)雙螺旋軸Ⅳ轉(zhuǎn)動(dòng)將其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槊缦錂M向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)缽盤上缽苗橫向送苗進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，軸Ⅲ另一端通過(guò)二級(jí)鏈傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞至取苗栽植機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)取苗栽植運(yùn)動(dòng)。缽盤上缽苗縱向送苗進(jìn)給由手動(dòng)傳動(dòng)鏈完成。

1.2 取苗栽植機(jī)構(gòu)組成與工作原理

1.2.1 取苗栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

為完成缽苗從苗盤中順利取出，實(shí)現(xiàn)田間自動(dòng)移栽目的，缽苗移栽機(jī)取苗栽植機(jī)構(gòu)需滿足取苗—送苗—栽植—回程的功能要求。結(jié)合預(yù)試驗(yàn)研究，取苗栽植機(jī)構(gòu)需滿足玉米缽苗移栽農(nóng)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(gè)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?fù)粱|(zhì)不被破壞；送苗段BC為一光滑圓弧段，可平穩(wěn)快速實(shí)現(xiàn)缽苗輸送；栽植段CD滿足取苗栽植機(jī)構(gòu)執(zhí)行末端運(yùn)行達(dá)最低點(diǎn)C速度近似為零，實(shí)現(xiàn)零速投苗，使玉米苗平穩(wěn)且垂直落入穴坑；回程段DA為光滑曲線，栽植末端快速平穩(wěn)返回取苗點(diǎn)運(yùn)行下一次取苗作業(yè)，且不與缽苗盤發(fā)生干涉。

圖2 移栽軌跡Fig.2 Transplanting trajectory

1.2.2 取苗栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成

基于取苗栽植機(jī)構(gòu)移栽軌跡要求設(shè)計(jì)的夾取式取苗移栽機(jī)構(gòu)由非圓齒輪行星輪系傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和末端執(zhí)行器——栽植臂兩部分構(gòu)成，如圖3所示。非圓齒輪行星輪系傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與栽植臂通過(guò)其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

非圓齒輪行星輪系傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為取苗栽植機(jī)構(gòu)核心部件，主要由相互嚙合的3個(gè)非圓齒輪（太陽(yáng)輪1、中間輪2、行星輪3）組成（見(jiàn)圖3a），其中非圓齒輪成型運(yùn)用拉格朗日插值法原理。太陽(yáng)輪固定于試驗(yàn)臺(tái)機(jī)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(yáng)輪、非圓行星輪相互嚙合，通過(guò)3個(gè)非圓齒輪相互嚙合傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)缽苗復(fù)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(jiàn)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(guò)螺栓與齒輪箱固接。凸輪與行星非圓齒輪傳動(dòng)的齒輪箱體通過(guò)螺栓固定連接，栽植臂箱體通過(guò)螺紋與連接盤17連接（見(jiàn)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(shí)現(xiàn)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(jī)構(gòu)工作原理

作業(yè)時(shí)，動(dòng)力由傳動(dòng)軸1輸入，驅(qū)動(dòng)齒輪箱體7（行星架）勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，其內(nèi)部太陽(yáng)輪2固定于機(jī)架，中間輪3隨行星架轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)與行星輪5相互嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)，中間輪與太陽(yáng)輪相互嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)；行星輪隨行星架公轉(zhuǎn)同時(shí)與中間輪嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)（見(jiàn)圖3a）。

行星輪軸帶動(dòng)栽植臂一起繞太陽(yáng)輪中心作非勻速運(yùn)動(dòng)，栽植臂在非圓齒輪行星輪系傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下形成缽苗移栽運(yùn)動(dòng)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(dòng)件）相互作用推動(dòng)推苗桿15作往復(fù)移動(dòng)，推苗桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)夾苗片夾緊與張開(kāi)，當(dāng)撥叉11從凸輪12小徑運(yùn)動(dòng)到大徑時(shí)，撥叉11推動(dòng)彈簧座向左運(yùn)動(dòng)壓縮彈簧，彈簧座帶動(dòng)推苗桿15向左移動(dòng)，推苗桿15帶動(dòng)夾緊夾苗片13收縮完成取苗（見(jiàn)圖3b實(shí)線）；當(dāng)撥叉11從凸輪12大徑運(yùn)動(dòng)到小徑時(shí)，壓縮彈簧14推動(dòng)彈簧座以及推苗桿15向右運(yùn)動(dòng)，夾苗片13松開(kāi)實(shí)現(xiàn)缽苗栽植的投苗動(dòng)作（見(jiàn)圖3b雙點(diǎn)劃線）。栽植臂取苗時(shí)，夾苗片夾取缽苗莖稈實(shí)現(xiàn)缽體與穴盤分離，壓縮彈簧14保證撥叉和凸輪作業(yè)時(shí)始終接觸，在栽植臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與推苗桿直線運(yùn)動(dòng)共同作用下，取苗栽植機(jī)構(gòu)按移栽軌跡循環(huán)作業(yè)完成取苗移栽作業(yè)。

圖3 取苗移栽機(jī)構(gòu)Fig.3 Transplanting mechanism

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2020年12月在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)收獲加工實(shí)驗(yàn)室完成。試驗(yàn)材料選用“華龍一號(hào)”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(gè)，縱向空穴12個(gè)。玉米穴盤缽苗長(zhǎng)至三葉一心至四葉一心、苗齡14 d時(shí)開(kāi)展穴盤缽苗取苗栽植臺(tái)架試驗(yàn)，經(jīng)測(cè)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(jù)GB/T1931-2009[16]測(cè)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(zhǎng)勢(shì)相同，含水率一致玉米缽苗作試驗(yàn)材料，如圖4所示。

圖4 穴盤育苗Fig.4 Corn pot seedling

2.2 試驗(yàn)因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)

為考查不同因素水平對(duì)取苗栽植質(zhì)量影響，選擇取苗栽植機(jī)構(gòu)移栽頻率、夾苗片長(zhǎng)度、缽苗株高為試驗(yàn)因素，依據(jù)JB-T10291-2013《旱地栽植機(jī)械》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[17]，結(jié)合本文設(shè)計(jì)的夾取式取苗栽植機(jī)構(gòu)工作性能要求，選取取苗成功率和傷苗率作為取苗栽植機(jī)構(gòu)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，探討3個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律。取苗成功率和傷苗率依據(jù)式（1）、式（2）計(jì)算，即

式中，S1—移栽機(jī)構(gòu)從缽苗盤中成功取出缽苗的數(shù)量（株）；S2—移栽機(jī)構(gòu)取苗過(guò)程中缽?fù)粱|(zhì)破碎或莖稈折斷缽苗數(shù)量（株）；S—試驗(yàn)所用缽苗總數(shù)（株）。

取苗成功是指取苗時(shí)缽?fù)粱|(zhì)破壞程度小于總體質(zhì)量10%且缽苗莖稈不發(fā)生斷裂。栽植過(guò)程中，缽苗莖稈與地面夾角大于45°視為栽植成功。缽?fù)粱|(zhì)破壞程度大于10%、缽苗莖稈發(fā)生斷裂或栽植過(guò)程中缽苗倒伏（缽苗莖稈與地面夾≤45°）視為傷苗[18]。

2.3 試驗(yàn)因素水平

采用三因素五水平正交旋轉(zhuǎn)中心組合方法設(shè)計(jì)試驗(yàn)[19]，根據(jù)缽苗動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)與取苗栽植機(jī)構(gòu)單因素性能試驗(yàn)結(jié)果與理論分析，確定移栽頻率范圍30~60 r·min-1，考慮移栽結(jié)構(gòu)要求，夾苗片長(zhǎng)度范圍85~105 mm，即夾苗片尖點(diǎn)到缽?fù)粱|(zhì)表面距離為5~25 mm，試驗(yàn)因素水平編碼如表1所示，根據(jù)試驗(yàn)安排，每組處理試驗(yàn)連續(xù)取苗12株，試驗(yàn)指標(biāo)據(jù)式（1）、式（2）計(jì)算確定。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與結(jié)果分析應(yīng)用Design-Expert V8.0.6軟件完成。

表1 試驗(yàn)因素水平編碼Table 1 Experimental factors and levels

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)玉米穴盤苗取苗栽植機(jī)構(gòu)取苗成功率及傷苗率性能開(kāi)展試驗(yàn)，以X1、X2和X3表示移栽頻率、夾苗片長(zhǎng)度和缽苗株高的編碼值，Y1、Y2為試驗(yàn)指標(biāo)取苗成功率和傷苗率，考慮交互作用，試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)果，獲得以取苗成功率Y1和傷苗率Y2為相應(yīng)函數(shù)，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(yàn)顯著性。

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)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(yàn)結(jié)果表明，回歸模型F1=0.73F0.05(9,13)=4.19，說(shuō)明取苗成功率回歸方程在0.01水平極顯著，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)模型相符合。傷苗率檢驗(yàn)結(jié)果表明，回歸模型F1=1.39F0.01(9,13)=4.19，說(shuō)明傷苗率回歸方程在0.01水平極顯著，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)模型相符合。

對(duì)取苗成功率和傷苗率中各個(gè)回歸系數(shù)作F檢驗(yàn)，剔除模型信度在α=0.1以下不顯著系數(shù)項(xiàng)，分別獲得取苗成功率和傷苗率簡(jiǎn)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(duì)性能指標(biāo)影響主次分析

由表3可知，以一次項(xiàng)F值判斷各因素對(duì)取苗成功率和傷苗率貢獻(xiàn)率依次為X1>X2>X3，即移栽頻率>夾苗片長(zhǎng)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(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響分析

3.3.1 單因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)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(chǔ)，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(zhǎng)度、缽苗株高對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)取苗成功率影響模型如式（7~9），對(duì)傷苗率影響模型如式（10~12）。

取苗成功率

傷苗率

依據(jù)上述方程得到各因素對(duì)取苗成功率、傷苗率影響曲線，如圖5、6所示。

圖5 單因素對(duì)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(shì)，隨夾苗片長(zhǎng)度、缽苗株高增大呈先增后減趨勢(shì)，不考慮移栽頻率下水平情況，取苗成功率最大值均出現(xiàn)在零水平，即移栽頻率為45 r·min-1、夾苗片長(zhǎng)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(zhǎng)度與缽苗株高增大均呈先減后增趨勢(shì)，因素在零水平時(shí)傷苗率達(dá)最小。因素在下水平時(shí)，移栽頻率對(duì)取苗成功率作用大于夾苗片長(zhǎng)度與缽苗株高，夾苗片長(zhǎng)度對(duì)傷苗率作用大于移栽頻率、缽苗株高；因素在上水平時(shí)，移栽頻率對(duì)傷苗率作用高于夾苗片長(zhǎng)度、缽苗株高，因素水平對(duì)取苗成功率的作用一致。

圖6 單因素對(duì)傷苗率的影響Fig.6 Single factor influence on the rate of injured seedlings

3.3.2 雙因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響

對(duì)建立的回歸方程式（5）、（6），分別將3個(gè)試驗(yàn)因素其中一個(gè)固定于零水平，得到各因素對(duì)取苗成功率和傷苗率響應(yīng)曲面，如圖7和圖8所示。

圖7 試驗(yàn)因素對(duì)取苗成功率影響響應(yīng)曲面Fig.7 Response surface of the effects of all factors on seedling success rate

圖8 試驗(yàn)因素對(duì)傷苗率影響響應(yīng)曲面Fig.8 Response surface of the effects of all factors on damaged seedling rate

3.3.2.1 試驗(yàn)因素對(duì)取苗成功率的影響

由圖7a可知，缽苗株高固定零水平時(shí)，當(dāng)移栽頻率為30~45 r·min-1時(shí)，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(diǎn)瞬時(shí)速度和加速度增大，夾苗片夾取力增大且達(dá)一定程度時(shí)破壞缽苗莖稈，導(dǎo)致取苗成功率下降；取苗成功率隨夾苗片長(zhǎng)度增加呈先升后降趨勢(shì)，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(fā)生變化。綜上所述，移栽頻率為30~45 r·min-1，夾苗片長(zhǎng)度為94~97 mm時(shí)，取苗成功率達(dá)最大值。在試驗(yàn)水平下，移栽頻率對(duì)取苗成功率的影響比夾苗片長(zhǎng)度顯著。

由圖7b可知，夾苗片長(zhǎng)度固定零水平時(shí)，當(dāng)移栽頻率為30~45 r·min-1時(shí)，取苗成功率無(wú)明顯變化趨勢(shì)，穩(wěn)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(shì)；取苗成功率隨缽苗株高增高呈先升后降趨勢(shì)，這是因?yàn)楫?dāng)缽苗株高較小時(shí)，缽苗莖稈發(fā)育不完全，易被拉斷，降低取苗成功率；缽苗株高較大時(shí)，易與移栽機(jī)構(gòu)發(fā)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(dá)最大值。在試驗(yàn)水平下，移栽頻率對(duì)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(shí)，取苗成功率隨夾苗片長(zhǎng)度增大呈先升后降趨勢(shì)，隨缽苗株高增大先升后降趨勢(shì)。當(dāng)夾苗片長(zhǎng)度94~97 mm，缽苗株高168~175 mm，取苗成功率達(dá)最大值。在試驗(yàn)水平下，夾苗片長(zhǎng)度對(duì)取苗成功率的影響比缽苗株高顯著。

3.3.2.2 試驗(yàn)因素對(duì)傷苗率的影響

由圖8a可知，缽苗株高固定零水平時(shí)，當(dāng)移栽頻率為36~45 r·min-1時(shí)，傷苗率保持不變，處于較低水平；當(dāng)移栽頻率>45 r·min-1時(shí)，傷苗率隨移栽頻率增大呈迅速增大趨勢(shì)。當(dāng)夾苗片長(zhǎng)度小于95 mm時(shí)，傷苗率隨夾苗片長(zhǎng)度增大呈明顯下降趨勢(shì)；當(dāng)夾苗片長(zhǎng)度為95~100 mm時(shí)，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(zhǎng)度95~100 mm時(shí)，傷苗率率最??；在試驗(yàn)水平下，移栽頻率對(duì)傷苗率的影響比夾苗片長(zhǎng)度顯著。

由圖8b可知，夾苗片長(zhǎng)度固定零水平時(shí)，當(dāng)移栽頻率為36~45 r·min-1時(shí)，傷苗率保持不變，處于較低水平；當(dāng)移栽頻率>45 r·min-1時(shí)，傷苗率隨移栽頻率增大呈迅速增加趨勢(shì)；傷苗率隨缽苗株高增加呈先降后升趨勢(shì)，缽苗株高在171 mm左右時(shí)，傷苗率最小。在移栽頻率36~45 r·min-1，缽苗株高171 mm左右時(shí)，傷苗率最?。辉谠囼?yàn)水平下，移栽頻率對(duì)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(shí)，當(dāng)夾苗片長(zhǎng)度<95 mm時(shí)，傷苗率隨夾苗片長(zhǎng)度增大呈明顯下降趨勢(shì)；當(dāng)夾苗片長(zhǎng)度在95~100 mm范圍內(nèi)時(shí)，傷苗率保持不變，處在較低水平。當(dāng)缽苗株高在160~170 mm時(shí)，傷苗率無(wú)明顯變化，處于較低水平。當(dāng)缽苗株高大于170 mm時(shí)，傷苗率隨缽苗株高增大呈明顯增大趨勢(shì)。在夾苗片長(zhǎng)度95~100 mm，缽苗株高160~170 mm時(shí)，傷苗率達(dá)最小值。在試驗(yàn)水平下，夾苗片長(zhǎng)度對(duì)傷苗率的影響比缽苗株高顯著。

3.4 參數(shù)優(yōu)化及驗(yàn)證

在滿足取苗移栽農(nóng)藝要求前提下，以取苗成功率>90%、傷苗率<5%農(nóng)藝要求為目標(biāo)作參數(shù)優(yōu)化。利用Design-Expert.V8.0.6數(shù)據(jù)分析軟件中Optimization-Graphical模塊作優(yōu)化求解，目標(biāo)函數(shù)與優(yōu)化條件如式（13）所示，優(yōu)化結(jié)果如圖9所示。

圖9 參數(shù)優(yōu)化分析Fig.9 Optimum analysis plot

當(dāng)參數(shù)組合為移栽頻率28~45 r·min-1，夾苗片長(zhǎng)度94~103 mm，缽苗株高170 mm時(shí)，玉米穴盤苗取苗成功率91%，傷苗率3.5%，考慮移栽農(nóng)藝要求，移栽頻率選擇為40~45 r·min-1。

為驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化結(jié)果可靠性，選取優(yōu)化參數(shù)組合范圍內(nèi)移栽頻率40 r·min-1、夾苗片長(zhǎng)度98 mm、缽苗株高170 mm作3次取苗性能驗(yàn)證試驗(yàn)，如圖10所示；每次處理缽苗36株，共計(jì)試樣108株，驗(yàn)證試驗(yàn)得到移栽機(jī)構(gòu)取苗成功率均值91.67%，傷苗率均值3.71%，滿足移栽機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

圖10 移栽機(jī)構(gòu)關(guān)鍵位置姿態(tài)Fig.10 Position of key position of transplanting mechanism

4 結(jié)論

a.夾取式玉米穴盤苗取苗栽植機(jī)構(gòu)，栽植臂回轉(zhuǎn)一周可完成自動(dòng)取苗、送苗、栽植和回程作業(yè)，滿足玉米缽苗移栽軌跡設(shè)計(jì)要求。栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，移栽效率較高。

b.試驗(yàn)因素范圍內(nèi)，各因素對(duì)移栽機(jī)構(gòu)取苗成功率影響依次為移栽頻率、夾苗片長(zhǎng)度、缽苗株高；對(duì)傷苗率影響依次為移栽頻率、夾苗片長(zhǎng)度、缽苗株高。

c.玉米穴盤苗取苗栽植機(jī)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)組合區(qū)域?yàn)椋涸谝圃灶l率40~45 r·min-1，夾苗片長(zhǎng)度94~103 mm，缽苗株高170 mm時(shí)，取苗栽植機(jī)構(gòu)取苗成功率達(dá)91.67%，傷苗率3.71%。