辣椒穴盤苗取苗栽植過程動力學(xué)分析與試驗

胡雙燕 胡敏娟 張文毅 葛迅一

摘要：辣椒穴盤苗夾莖式取苗過程中，取苗成功率與栽植直立度是評價栽植質(zhì)量的重要指標(biāo)。為探究影響栽植質(zhì)量的主要因素，通過幾何方法確定穴盤苗質(zhì)心，將取苗運(yùn)動軌跡分為取苗、持苗、栽植、回程四個階段，分析穴盤苗質(zhì)心在前三階段的受力情況，建立穴盤苗質(zhì)心在取苗點(diǎn)、脫盤點(diǎn)、栽植點(diǎn)三大關(guān)鍵點(diǎn)處的受力方程式，運(yùn)用MatLab軟件繪制質(zhì)心在取苗-栽植運(yùn)動過程中的受力關(guān)系曲線，分析關(guān)鍵點(diǎn)處穴盤苗莖稈的受力情況與穴盤苗姿態(tài)。確定影響栽植質(zhì)量的主要因素為：穴盤苗質(zhì)量、機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速、夾持裝置與穴盤苗莖稈之間的摩擦系數(shù)。通過控制變量法得到各因素的臨界條件：穴盤苗質(zhì)量臨界值為8.34g，機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速臨界值為105.4r/min，夾持部件摩擦系數(shù)臨界值為0.147。通過Box-Behnken響應(yīng)曲面試驗，得到三個因素最優(yōu)參數(shù)組合：穴盤苗質(zhì)量5.20g，機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速68r/min，夾持部件與穴盤苗莖稈之間的摩擦系數(shù)為0.36，最優(yōu)運(yùn)移成功率91.04%。

關(guān)鍵詞：辣椒；受力分析；動力學(xué)模型；臨界條件；參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號：S223.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：20955553 （2023） 070040

09

Dynamic analysis and experiment of seedling taking and planting process of pepper hole tray

Hu Shuangyan1， Hu Minjuan2， Zhang Wenyi2， Ge Xunyi1

（1. Jiangsu Agricultural Machinery Development and Application Center， Nanjing， 210017， China;

2. Nanjing Institute of Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing， 210014， China）

Abstract：? The success rate of seedling selection and the erect degree of planting are important indicators to evaluate the planting quality in the process of pepper seedling selection. In order to explore the main factors affecting planting quality， the centroid of the hole tray seedlings was determined by the geometric method. The movement track of the hole tray seedlings was divided into four stages： seedling， picking， holding， and planting return. Force equations of the hole tray seedling centroid at the three key points of the seedling picking point were established to analyze the force of the hole tray seedlings centroid in the first three stages. MatLab was used to draw the force relation curve of the centroid in the process of seedling extraction and planting， and analyze the force situation and the position of the hole tray seedlings at key points. The results showed that the main factors affecting the planting quality were the hole tray seedling quality， the rotational speed of the mechanism， and the friction coefficient between clamping parts and the stem of the hole tray seedling. The critical conditions of each factor were obtained using the control variable method. The critical value of the hole tray seedling quality was 8.34 g. The critical speed of the mechanism was 105.4 r/min. The critical value of the friction coefficient of the clamping part was 0.147. According to the Box-Behnken response surface test， the optimal parameter combination of three factors were： the quality of the hole tray seedling was 5.20 g， the rotational speed of mechanism was 68 r/min， and the friction coefficient between clamping parts and the stem of hole tray seedling was 0.36. The optimal migration success rate was 91.04%.

Keywords： pepper; force analysis; dynamical model; critical condition; parameter optimization

0 引言

辣椒、番茄等茄果類蔬菜是人們?nèi)粘２妥乐胁豢扇鄙俚氖卟祟愋汀Ｖ袊苯贩N植面積占世界總面積的40%，截止到2020年4月份，中國有28個省進(jìn)行辣椒的種植［1］。超過半數(shù)的辣椒種植采用育苗移栽［2］的方式，以人工移栽和使用半自動移栽機(jī)為主，人工移栽勞動量大，效率低下［3］。半自動移栽機(jī)的工作效率可以達(dá)到人工效率的3～5倍，但是使用過程中需要配備3～4名工人，成本較高且回收周期長［4］。

全自動穴盤苗移栽機(jī)研究重點(diǎn)是設(shè)計出可以植苗的取苗機(jī)構(gòu)，是實現(xiàn)移栽全程自動化的關(guān)鍵［5］。對穴盤苗進(jìn)行機(jī)理性質(zhì)［67］進(jìn)行研究，可掌握其生物學(xué)特性與力學(xué)特性，為取苗機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析提供移栽對象特性參數(shù)?？娦』ǖ龋?9］利用黃瓜穴盤苗，研究拉拔力與基質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系，進(jìn)行平板壓縮、加卸載循環(huán)和蠕變試驗，研究穴盤苗缽體的壓縮特性和塑變能力，為夾缽式取苗提供理論數(shù)據(jù)。劉姣娣等［10］利用番茄穴盤苗作為研究對象，研究缽體抗壓強(qiáng)度、基質(zhì)破碎壓縮量等因素，構(gòu)建缽體力學(xué)模型，確定夾缽式取苗的最適夾持部位以及影響取苗、植苗成功率的因素，為番茄缽苗移栽機(jī)夾缽式自動取苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計提供重要依據(jù)。與穴盤苗移栽相關(guān)的力學(xué)特性的研究主要是集中在與夾缽式取苗相關(guān)的缽體的各項力學(xué)特性［1112］，與夾莖式取苗相關(guān)的力學(xué)特性研究較少。宋琦等［13］以茄果類穴盤苗作為研究夾拔力測試實驗對象，發(fā)現(xiàn)茄果類穴盤苗盤根較好，莖稈抗拉斷性能很好，不易拉斷。南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所在水稻移栽的五桿雙曲柄分插技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過試驗驗證了水稻單穴內(nèi)拉拔力小于抗拉斷力，證明了夾莖式取苗方式能夠應(yīng)用于水稻移栽過程中，通過對栽植軌跡的優(yōu)化，能保證良好的立苗效果。本研究借鑒夾莖式移栽的經(jīng)驗，根據(jù)前期研究夾莖式取苗相關(guān)的力學(xué)參數(shù)設(shè)計出辣椒穴盤苗夾莖式取苗機(jī)構(gòu)。

夾莖式取苗機(jī)構(gòu)除了保證移栽頻次之外，還需要考慮穴盤苗運(yùn)動姿態(tài)與栽植立苗質(zhì)量［1416］。陳建能等［1718］基于偏心橢圓齒輪行星輪系栽植裝置構(gòu)建擺桿與栽植嘴的動力學(xué)模型，將缽苗在栽植器的運(yùn)動分為碰撞、下滑兩個階段，對缽苗進(jìn)行姿態(tài)分析并加以驗證。金鑫等［19］在此基礎(chǔ)上，將缽苗的運(yùn)動細(xì)分為6個階段，探究高速作業(yè)條件下缽苗栽植的運(yùn)動機(jī)理。胡喬磊等［2021］以油菜基質(zhì)塊苗作為研究對象，對載苗基質(zhì)塊進(jìn)行力學(xué)、生物學(xué)特性研究，針對油菜毯狀苗在移栽過程中出現(xiàn)脫苗現(xiàn)象，構(gòu)建了栽植過程中運(yùn)移苗階段油菜毯狀苗苗塊的動力學(xué)模型。本研究以蕭新19號甜椒為研究對象，研究辣椒穴盤苗形態(tài)特征與力學(xué)特性，為夾莖式取苗、栽植過程中分析穴盤苗植株的受力情況和姿態(tài)變化提供理論基礎(chǔ)，構(gòu)建夾莖式取苗栽植過程的動力學(xué)模型，確定影響移栽質(zhì)量的主要因素，并優(yōu)化得到影響因素的最佳參數(shù)組合。

1 夾莖式取苗過程動力學(xué)分析的理論基礎(chǔ)

1.1 取苗機(jī)構(gòu)與工作原理

夾莖式取苗機(jī)構(gòu)采用雙曲柄連桿式機(jī)構(gòu)，由齒輪、主曲柄、副曲柄、連桿、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。如圖1所示，齒輪為原動件與驅(qū)動軸相接，兩齒輪分別做反方向轉(zhuǎn)動。曲柄分別與兩齒輪固接，隨著齒輪的轉(zhuǎn)動，連桿在曲柄的帶動下，保持在一個平面內(nèi)按照運(yùn)動軌跡往復(fù)運(yùn)動。末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)依靠凸輪實現(xiàn)夾持手爪的張合，完成對辣椒穴盤苗莖稈的夾取與釋放。

運(yùn)動軌跡包括取苗、持苗、栽植、回程四個部分，夾持手爪夾緊莖稈后，將攜帶基質(zhì)塊的穴盤苗拔取脫盤，沿運(yùn)動軌跡進(jìn)行持苗移栽動作，持苗動作流暢，穴盤苗姿態(tài)呈直立狀態(tài)，運(yùn)移至栽植點(diǎn)。到達(dá)栽植點(diǎn)，夾持手爪張開，釋放穴盤苗，穴盤苗栽入定植溝內(nèi)?；爻屉A段夾持手爪保持張開，快速歸位至取苗點(diǎn)，進(jìn)行下一周期的取苗動作。

1.2 單株穴盤苗質(zhì)心位置的確定

夾莖式取苗栽植過程動力學(xué)分析的首要任務(wù)是需要確定辣椒穴盤苗的質(zhì)心，即確定受力分析的作用點(diǎn)。研究辣椒穴盤苗植株的形態(tài)特征和質(zhì)量分布，獲得準(zhǔn)確的辣椒穴盤苗質(zhì)心的坐標(biāo)，保證夾莖式取苗動力學(xué)分析的準(zhǔn)確性。

育苗穴盤規(guī)格：穴盤為128孔，高度為45 mm，孔穴為正方形錐體，上、下孔邊長分別為32 mm、14 mm。育苗基質(zhì)為進(jìn)口泥炭、珍珠巖、蛭石體積比7∶2∶1。溫度白天控制在32 ℃以下，夜間控制在25 ℃以下，輔以澆水噴施育苗專用肥。用于本研究的辣椒穴盤苗形態(tài)參數(shù)如表1所示。

育苗過程中產(chǎn)生的邊際效應(yīng)的影響，會造成各個植株的質(zhì)量存在差異，整個穴盤苗的質(zhì)量范圍為4.22～6.39 g，基質(zhì)質(zhì)量范圍為2.26～4.12 g，裸苗質(zhì)量范圍為1.06～3.20 g。在整個穴盤苗的質(zhì)量占比中，基質(zhì)質(zhì)量占比約為60%，植株質(zhì)量占比約為40%。根據(jù)各部分占比構(gòu)建單株穴盤苗簡化模型如圖2所示，最后確定質(zhì)心位置C0。

根據(jù)菱形質(zhì)心公式可求出苗冠的質(zhì)心C1，根據(jù)等腰梯形質(zhì)心公式可求出基質(zhì)的質(zhì)心C2。

（s/h2）－lAB+lCD×h1=s

（1）

式中：

s——

基質(zhì)橫切面面積，mm2；

lAB——基質(zhì)下底面邊長，mm；

lCD——基質(zhì)上表面邊長，mm；

h1——

質(zhì)心C2到缽體下表面的距離，mm；

h2——

質(zhì)心C2到缽體上表面的距離，mm。

將穴盤苗各形態(tài)特征參數(shù)代入，可得到h2。根據(jù)多邊形質(zhì)心

x0=m1x1+m2x2m1+m2

（2）

式中：

m1——苗冠質(zhì)量，g；

m2——基質(zhì)質(zhì)量，g；

x1——

質(zhì)心C1到C0之間的距離，mm；

x2——

質(zhì)心C2到C0之間的距離，mm。

將C1與C2的坐標(biāo)代入，得到單株穴盤苗的質(zhì)心C0的位置到基質(zhì)上表面的距離為33.5 mm。

2 取苗栽植過程動力學(xué)分析

2.1 取苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)模型

取苗機(jī)構(gòu)末端端點(diǎn)形成的運(yùn)動軌跡即為辣椒穴盤苗的移栽軌跡，為分析取苗過程中穴盤苗的受力情況與運(yùn)動姿態(tài)變化，建立取苗機(jī)構(gòu)末端端點(diǎn)的運(yùn)動學(xué)模型。

建立圖3所示直角坐標(biāo)系xOy，兩個齒輪的傳動比為1，速率關(guān)系恒定。已知常量為桿AE與EF之間的夾角γ、桿件AB與AE之間的夾角θ、曲柄OA、DC的初始相位角分別為α1、α2，各個桿件的長度l1、l2、l3、l4、l5、l6，兩直齒圓柱齒輪的直徑D。變量為曲柄轉(zhuǎn)動的角度φ1、φ2，定義所涉及的角度逆時針為正方向。

根據(jù)向量位移關(guān)系可得到A點(diǎn)的位移方程，如式（3）所示。

xA=l1cos（α1+φ1）

yA=l1sin（α1+φ1）

（3）

根據(jù)向量關(guān)系OA+AB=OD+DC+CB，聯(lián)立方程

xB=xA+l2cosφ5=xC+l3cos（－φ3）

yB=yA+l2sinφ5=yC+l3sin（－φ3）

（4）

式中：

φ5——

桿件AB轉(zhuǎn)過的角度，（°）；

φ3——

桿件BC轉(zhuǎn)過的角度，（°）。

F點(diǎn)的位移方程

xF=xA+l5cosφ4+l6cosφ6

yF=yA+l5sinφ4－l6sinφ6

（5）

式中：

φ4——

桿件AE轉(zhuǎn)過的角度，（°）；

φ6——

桿件EF轉(zhuǎn)過的角度，（°）。

φ6=2π－γ－（π－φ4）=π+φ4－γ，將φ4=θ－（2π－φ5）代入可得：φ6=θ+φ5－γ－π。

將式（5）對時間t求兩階導(dǎo)，得到F點(diǎn)的加速度方程。

ax=

-l12cos（α1+φ1）+

l5［sin（φ4）φ″4+cos（φ4）φ′4］－

l6［sin（φ6）φ″6+cos（φ6）φ′6］

ay=

-l12sin（α1+φ1）+

l5［cos（φ4）φ″4－sin（φ4）φ′4］－

l6［cos（φ6）φ″6－sin（φ6）φ′6］

（6）

式中：

ω——曲柄旋轉(zhuǎn)的角速度，rad/s。

2.2 取苗機(jī)構(gòu)末端端點(diǎn)與質(zhì)心坐標(biāo)變換

單株穴盤苗的質(zhì)心C0與取苗機(jī)構(gòu)末端端點(diǎn)F之間存在尺寸關(guān)系，設(shè)C0與F之間的偏移坐標(biāo)為（xc，yc），建立坐標(biāo)變換方程，便于后續(xù)分析穴盤苗受力情況。為了簡化穴盤苗的受力關(guān)系，以質(zhì)心C0為原點(diǎn)，垂直于桿件EF為x軸，建立起參照坐標(biāo)系，如圖4所示。

lC=（lFcosα－xc）2+（lFsinα-yc）2

（7）

αc=arctanlFsinα－yclFcosα-xc

（8）

式中：

lF——

取苗機(jī)構(gòu)末端端點(diǎn)到曲柄旋轉(zhuǎn)中心O的距離，mm；

α——

末端端點(diǎn)、曲柄旋轉(zhuǎn)中心連線與曲柄OA之間的夾角，（°）；

xc、yc——

質(zhì)心C0的橫、縱坐標(biāo)，mm；

αc——

質(zhì)心、曲柄旋轉(zhuǎn)中心連線與末端端點(diǎn)、曲柄旋轉(zhuǎn)中心連線之間的夾角，（°）。

曲柄OA、DC的初始相位角分別為150°與300°，求出α=22°。

根據(jù)牛頓第二定律可知，穴盤苗隨取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中的受力關(guān)系

Fx=

-l1m2cos（α1+φ1）+

ml5［sin（φ4）φ4″+cos（φ4）φ4′］－

ml6［sin（φ6）φ6″+cos（φ6）φ6′］

Fy=

-l1m2sin（α1+φ1）+

ml5［cos（φ4）φ4″－sin（φ4）φ4′］－

ml6［cos（φ6）φ6″－sin（φ6）φ6′］

（9）

式中：

Fx——

穴盤苗在絕對坐標(biāo)下沿x軸方向的分力，N；

Fy——

穴盤苗在絕對坐標(biāo)下沿y軸方向的分力，N；

m——單株穴盤苗的質(zhì)量，g。

穴盤苗質(zhì)心C0隨取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中的受力關(guān)系表達(dá)式轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

Fx′=Fxcosφ+Fysinφ

Fy′=Fxsinφ+Fycosφ

（10）

φ=π-α-φ1+αc

（11）

式中：

φ1——

每一時刻曲柄轉(zhuǎn)動的角度，（°）。

2.3 取苗栽植過程中穴盤苗質(zhì)心受力分析

運(yùn)用MatLab建立穴盤苗在取苗栽植過程中的質(zhì)心點(diǎn)C0處水平加速度ax、豎直加速度ay與時間t之間的函數(shù)關(guān)系。通過牛頓第二定律得到參照坐標(biāo)系下穴盤苗受到取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動所產(chǎn)生的作用力F，分解為x軸方向的分力Fx′與y軸方向的分力Fy′。在MatLab中繪制出參考坐標(biāo)系下，質(zhì)心C0處x軸方向的分力Fx′與y軸方向的分力Fy′與時間的關(guān)系曲線，如圖5所示。

取苗栽植運(yùn)動過程中，穴盤苗受到x軸方向的分力Fx′和y軸方向的分力Fy′變化趨勢基本一致：負(fù)方向力的數(shù)值逐漸減小到0，正方向力的數(shù)值逐漸增大到極值；然后正方向力的數(shù)值逐漸減小到0，負(fù)方向力的數(shù)值逐漸增大到極值，再由極值逐漸減小到0。假設(shè)G與y軸之間的夾角為β，x軸方向的分力Fx′與穴盤苗重力G在x軸的分力G·sinβ之間的關(guān)系，可以分為以下三種情況。

Fx′與G·sinβ同向

Fx′與G·sinβ不同向

Fx′≥G·sinβ

Fx′

同理可得y軸方向的分力Fy′與G在y軸的分力G·cosβ之間的關(guān)系

Fy′與G·cosβ同向

Fy′與G·sinβ不同向

Fy′≥G·cosβ

Fy′

3 取苗栽植關(guān)鍵點(diǎn)處的力學(xué)方程

3.1 測定穴盤苗基質(zhì)與穴盤之間的粘附力

試驗材料：選用基質(zhì)完好、長勢良好的適栽期蕭新19號辣椒穴盤苗。

試驗儀器：INSTRON3343型單立柱電子萬能材料試驗機(jī)，量程為0～1 kN，由計算機(jī)控制自動完成加載、卸載及數(shù)據(jù)采集與分析。

利用夾具將辣椒穴盤苗采用夾持莖稈的方式固定于萬能材料試驗機(jī)的測試裝置上，保持莖稈與水平面垂直，將下方的苗缽利用夾具固定，既不隨拉力的作用向上移動，也不會橫向擠壓穴盤。加載方式為靜力加載，將穴盤苗完整從穴盤中取出，即為試驗結(jié)束，記錄粘附力、彈性模量，試驗重復(fù)20次，結(jié)果如表2所示。

3.2 取苗栽植過程中關(guān)鍵點(diǎn)處力學(xué)條件方程

取苗、持苗、栽植三個階段中每個階段都存在一個關(guān)鍵點(diǎn)，分別是取苗點(diǎn)、脫盤點(diǎn)、栽植點(diǎn)，分析三個關(guān)鍵位置點(diǎn)處穴盤苗的受力情況，有利于更好的分析夾莖式取苗栽植過程中穴盤苗的姿態(tài)情況，受力情況如圖6所示。

取苗機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速設(shè)置為60 r/min，由圖6（a）可知，時間為0 s時，該點(diǎn)為取苗點(diǎn)，即第一關(guān)鍵點(diǎn)。此時Fx′與G·sinβ同向，方向為參考坐標(biāo)系的x軸的負(fù)方向，且Fx′≥G·sinβ，x軸方向的合力為負(fù)；此時Fy′與G·cosβ不同向，且Fy′≥G·cosβ，取苗點(diǎn)處，基質(zhì)與穴盤之間存在粘附力τ，方向為y軸正方向，根據(jù)物理特性研究可知，粘附力τ的最大值為1.951 N。與此同時，夾持裝置與莖稈之間存在靜摩擦力Ff，方向沿y軸負(fù)方向。

以C0為原點(diǎn)，垂直于夾持機(jī)構(gòu)方向為x軸建立的參照坐標(biāo)系下，可以通過分析取苗點(diǎn)處的受力情況，得到成功拔取穴盤苗的力學(xué)條件。

Fx′>G·sinβ

Fy′+Ff>G·cosβ+τ

（12）

式中：

β——

重力方向與y軸之間的夾角，（°）。

滿足式（12）中拔取穴盤苗的力學(xué)條件時，合力方向位于參考坐標(biāo)系的第三象限，由圖6（a）中穴盤苗質(zhì)心受力關(guān)系可知，取苗點(diǎn)處由于機(jī)構(gòu)運(yùn)動使穴盤苗質(zhì)心處受到x、y軸方向的力，其中Fx′值為-0.15 N，F(xiàn)y′值為-0.10 N。滿足拔取穴盤苗的力學(xué)條件，穴盤苗莖稈受到拉伸、彎曲作用力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于莖稈自身的承受極限，不會對莖稈造成損傷。

由圖6（b）可知，時間為0.27 s時，取苗機(jī)構(gòu)將穴盤苗連同基質(zhì)完整取出，完成整個取苗階段，該點(diǎn)為脫盤點(diǎn)，即第二關(guān)鍵點(diǎn)。此時Fy′與G·sinβ反向，方向為參考坐標(biāo)系的x軸的正方向，且Fx′>G·sinβ，x軸方向的合力為正；此時Fy′與G·cosβ同向，且Fy′>G·cosβ，合力方向為正。脫盤點(diǎn)處，穴盤苗基質(zhì)與穴盤之間完全分離，不存在粘附力τ。夾持手爪與莖稈之間仍然存在靜摩擦力Ff，且方向沿y軸負(fù)方向。通過分析第二關(guān)鍵點(diǎn)處的受力情況，得到穴盤苗脫盤的力學(xué)條件。

Fx′>G·sinβ

Ff>Fy′+G·cosβ

（13）

滿足式（13）中穴盤苗脫盤的力學(xué)條件時，合力方向位于參考坐標(biāo)系的第四象限。由圖5可知，脫盤點(diǎn)處由于取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動而使穴盤苗質(zhì)心處受到x軸方向的力Fx′值為0.46 N，F(xiàn)y′值為0.28 N。當(dāng)穴盤苗連帶基質(zhì)成功脫盤時，穴盤苗莖稈受到拉伸、彎曲作用力小于莖稈自身的承受極限，不會對莖稈造成損傷。穴盤苗受到沿取苗運(yùn)動軌跡方向的合力，該點(diǎn)處的穴盤苗可能會出現(xiàn)輕微振動的情況，穴盤苗處于被夾持的狀態(tài)，姿態(tài)并不受影響，但可能影響穴盤苗基質(zhì)的完整度。

由圖6（c）可知，時間為0.48 s時，夾莖式取苗機(jī)構(gòu)攜帶穴盤苗到達(dá)栽植點(diǎn)，即第三關(guān)鍵點(diǎn)。此時夾持手爪張開，釋放穴盤苗，夾持手爪與莖稈之間不存在靜摩擦力Ff。Fx′的方向為參考坐標(biāo)系的x軸的正方向，F(xiàn)y′的方向為參考坐標(biāo)系的y軸正方向，且Fy′與G方向一致，合力方向為負(fù)。分析栽植點(diǎn)處的受力情況，得到穴盤苗釋放時的力學(xué)條件。

Fx′≥0

G+Fy′>0

（14）

滿足式（14）中栽植點(diǎn)處穴盤苗釋放的力學(xué)條件時，由圖5可知，此時穴盤苗質(zhì)心受到取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動產(chǎn)生的沿x、y軸方向的力Fx′值為0.007 3 N，F(xiàn)y′值為0.004 9 N，合力方向位于參考坐標(biāo)系的第一象限。穴盤苗莖稈受到拉伸、彎曲作用力幾乎為0，穴盤苗質(zhì)心在栽植點(diǎn)處的受力主要來自穴盤苗自身重力，不會對莖稈造成損傷。穴盤苗在釋放的瞬間受到的合力，會導(dǎo)致穴盤苗姿態(tài)向左側(cè)傾斜，影響栽植直立度。Fx′與Fy′越小，穴盤苗的傾斜程度就越小。必要情況下，可以配備覆土鎮(zhèn)壓裝置，在穴盤苗釋放的瞬間進(jìn)行覆土鎮(zhèn)壓，保證較好的栽植直立度，達(dá)到良好的移栽效果。

3.3 力學(xué)方程臨界條件

根據(jù)取苗栽植過程的力學(xué)條件方程，確定穴盤苗質(zhì)量、機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速、夾持裝置與穴盤苗莖稈之間的摩擦系數(shù)是影響栽植質(zhì)量的主要因素。運(yùn)用控制變量法，依次確定與穴盤苗拔取、脫盤、栽植釋放動作相關(guān)的各因素的臨界條件。

已知穴盤苗質(zhì)量為4.22～6.39 g、夾持裝置夾持力為12.885 N、粘附力τ的最大值為1.951 N，結(jié)合取苗栽植過程關(guān)鍵點(diǎn)處力學(xué)條件方程，將上述參數(shù)代入方程，求得臨界值：機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速的臨界值為105.4 r/min。穴盤苗質(zhì)量的臨界值為8.34 g。夾持裝置與穴盤苗莖稈之間的摩擦系數(shù)的臨界值為0.147。

4 穴盤苗栽植參數(shù)優(yōu)化試驗

4.1 試驗材料與設(shè)備

試驗于2021年9月在南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所內(nèi)進(jìn)行，辣椒穴盤苗品種為蕭新19號甜椒，穴盤孔為128孔，高度為45 mm，苗齡45天。儀器包括：穴盤苗夾莖式取苗機(jī)構(gòu)、托盤天平、計算機(jī)等。

4.2 試驗方法

根據(jù)穴盤苗拔取、脫盤、栽植點(diǎn)處的臨界條件，確定影響因素為機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速、穴盤苗質(zhì)量、夾持裝置與莖稈之間的摩擦系數(shù)。采用三因素三水平的Box-Behnken響應(yīng)曲面試驗法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化試驗，夾持裝置與莖稈之間的摩擦系數(shù)與夾片材料種類有關(guān)，選用各材料摩擦系數(shù)：橡膠（摩擦系數(shù)為0.6）>硅膠（摩擦系數(shù)為0.4）>尼龍（摩擦系數(shù)為0.2）。以運(yùn)移成功率Y為評價指標(biāo)，共進(jìn)行17組試驗，因素水平表如表3所示。

試驗選用生長狀態(tài)良好的適栽期穴盤苗作為試驗對象，用夾莖式取苗機(jī)構(gòu)樣機(jī)進(jìn)行取苗運(yùn)移試驗，記錄運(yùn)移成功率。機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速通過調(diào)速器進(jìn)行控制，穴盤苗質(zhì)量為4.00～7.00 g；通過更換不同材質(zhì)的夾持裝置改變摩擦系數(shù)，試驗結(jié)果如表4所示，A、B、C分別為機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速、穴盤苗質(zhì)量、摩擦系數(shù)的編碼值。

4.3 試驗結(jié)果與分析

由表5回歸方程分析可知，運(yùn)移成功率回歸模型P＜0.05，顯著，表明該回歸模型具有統(tǒng)計學(xué)意義；失擬項P＞0.05，表明該模型擬合度高；其校正決定系數(shù)R為0.951 4＞0.8，說明試驗值能由該模型解釋。置信度95%下采用F檢驗，回歸方程如式（15）所示。

Y=

90.67-1.67A-1.17B-1.00C+0.17AB-

0.16AC+0.16BC-4.08A2-3.08B2-

2.75C2

（15）

由回歸方程分析結(jié)果可知，一次項A、B和二次項A2、B2、C2對運(yùn)移成功率影響顯著。

由圖7可知，摩擦系數(shù)為0.4時，在穴盤苗質(zhì)量各個水平下，運(yùn)移成功率隨機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速的增大，先增加后減小。

機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速逐漸增大，穴盤苗受到?jīng)_擊力的作用，更容易在栽植點(diǎn)處順利脫苗，運(yùn)移成功率逐漸增大。超出范圍后，機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速越大，對穴盤苗產(chǎn)生的沖擊越大，穴盤苗無法保證良好的取苗質(zhì)量，造成穴盤苗運(yùn)移成功率下降。

質(zhì)量為5.50 g時，在機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速各個水平下，運(yùn)移成功率隨摩擦系數(shù)的增大，先增加后減小。其原因為機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速增大，穴盤苗質(zhì)心受到機(jī)構(gòu)運(yùn)動所產(chǎn)生的力增大，需要增大摩擦系數(shù)提供更大的摩擦力。當(dāng)超出提供摩擦力的范圍，運(yùn)移成功率降低。

利用Design-Expert 12軟件中約束條件求解模塊，得到最優(yōu)運(yùn)移成功率下的參數(shù)組合：機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速68 r/min，穴盤苗質(zhì)量5.20 g，摩擦系數(shù)0.36，最優(yōu)運(yùn)移成功率91.04%。

5 結(jié)論

1） 通過辣椒穴盤苗莖稈拉伸、彎曲力學(xué)特性試驗、穴盤苗脫盤力試驗，得到辣椒穴盤苗莖稈的力學(xué)特性參數(shù)。

2） 建立辣椒穴盤苗質(zhì)心模型、取苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)模型和動力學(xué)模型，運(yùn)用MatLab軟件繪制取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動所產(chǎn)生的作用力與時間關(guān)系曲線，分別得到取苗點(diǎn)、脫盤點(diǎn)、栽植點(diǎn)三大關(guān)鍵點(diǎn)處的力學(xué)方程。

3） 根據(jù)穴盤苗質(zhì)心的力學(xué)方程，確定穴盤苗質(zhì)量、機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速、夾持裝置與穴盤苗莖稈之間的摩擦系數(shù)是影響栽植質(zhì)量的主要因素。運(yùn)用控制變量法得到各因素的臨界值分別為：穴盤苗質(zhì)量臨界值為8.34 g，機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速臨界值為105.4 r/min，夾持部件與穴盤苗莖稈之間的摩擦系數(shù)的臨界值為0.147。

4） 采用Box-Behnken響應(yīng)曲面試驗法，對機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速、穴盤苗質(zhì)量、夾持裝置與穴盤苗莖稈之間的摩擦系數(shù)三個因素對穴盤苗運(yùn)移成功率的影響進(jìn)行分析并得到優(yōu)化后參數(shù)組合：機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速68 r/min，穴盤苗質(zhì)量5.20 g，摩擦系數(shù)0.36，最優(yōu)運(yùn)移成功率91.04%。

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