鏈缽育苗移栽機(jī)取苗斷鏈裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

關(guān)鍵詞移栽機(jī)；鏈?zhǔn)郊埨?；取苗裝置；響應(yīng)面參數(shù)優(yōu)化；缽苗移栽

育苗移栽是一種可克服作物苗期低溫災(zāi)害、有效化解氣候原因或連作種植模式造成的用地及生育期茬口矛盾的作物栽培技術(shù)，具有縮短作物生長(zhǎng)周期、提高土地復(fù)種指數(shù)、增加產(chǎn)量等優(yōu)點(diǎn)［1-2］。鏈?zhǔn)郊埨徲缫圃允且环N起源于日本的輕簡(jiǎn)高效作物移栽技術(shù)，通過(guò)缽體間紙帶使缽苗相互連接，實(shí)現(xiàn)不間斷供苗［3］，省去了缽苗逐個(gè)夾取過(guò)程，極大提升了移栽效率。

歐美國(guó)家較早展開(kāi)了育苗移栽機(jī)械相關(guān)研究［4-5］。日本甜菜株式會(huì)社于20世紀(jì)80年代開(kāi)始研制并陸續(xù)推出了系列化鏈?zhǔn)郊堎|(zhì)缽體育苗冊(cè)及配套的移栽機(jī)，其中所研發(fā)的單行手拉式鏈缽移栽機(jī)，通過(guò)拖拽展開(kāi)成鏈缽體苗實(shí)現(xiàn)作物連續(xù)固定株距移栽，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，適合于小型農(nóng)田，但移栽過(guò)程中鏈缽不切斷，無(wú)法實(shí)現(xiàn)株距調(diào)節(jié)［6］；美國(guó)PlantTape公司于2014年推出了一種可降解矩形截面栽植帶技術(shù)及配套的移栽機(jī)［7-8］，栽植帶成組制備并同步實(shí)現(xiàn)基質(zhì)填充和播種，配套的PT-7型鏈缽自動(dòng)移栽機(jī)，通過(guò)手指式栽植器連續(xù)取苗送苗，并在投苗前利用切刀切斷分苗斷鏈實(shí)現(xiàn)株距調(diào)節(jié)，該機(jī)移栽效率高，但設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，適合大田農(nóng)場(chǎng)。以上2家公司的制冊(cè)技術(shù)目前未向我國(guó)推廣，而大株距作物鏈缽育苗冊(cè)制冊(cè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制備難度大。

近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者對(duì)缽苗移栽方式以及配套移栽裝置進(jìn)行了相關(guān)研究，取得了一系列階段性成果［9］。韓長(zhǎng)杰等［10］設(shè)計(jì)了一款穴盤(pán)苗移栽裝置，通過(guò)氣缸控制夾苗裝置夾取缽苗莖稈，完成取苗、投苗過(guò)程，該裝置具有較快栽植速度，可實(shí)現(xiàn)辣椒穴盤(pán)苗的高效快速移栽，但育苗時(shí)需要充分煉苗，否則易造成夾莖損傷；俞高紅等［11］設(shè)計(jì)了一種基于大重合度非圓齒輪的取苗裝置，實(shí)現(xiàn)小青菜高密度穴盤(pán)苗的取苗，但對(duì)缽苗基質(zhì)塊一致性要求較高，且移栽過(guò)程中易發(fā)生帶苗現(xiàn)象；韓綠化等［12］通過(guò)對(duì)黃瓜穴盤(pán)苗力學(xué)特性研究，設(shè)計(jì)了一種兩針夾鉗式末端執(zhí)行器；胡建平等［13］研制了一種插針取苗式移栽機(jī)，實(shí)現(xiàn)葉菜類蔬菜穴盤(pán)苗的移栽；廖慶喜等［14-15］以及胡喬磊［16］依據(jù)缽苗動(dòng)力學(xué)參數(shù)分析，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)長(zhǎng)方體基質(zhì)塊苗的往復(fù)夾取式氣動(dòng)取苗裝置，實(shí)現(xiàn)油菜基質(zhì)塊苗的移栽，但氣動(dòng)取苗裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。綜上，國(guó)內(nèi)目前移栽多以穴盤(pán)苗為主，鏈缽苗移栽研究相對(duì)較少且多處于試驗(yàn)階段［17-18］。本研究基于筆者所在課題組前期研制的常規(guī)六邊形截面鏈缽育苗冊(cè)制冊(cè)技術(shù)［19］，設(shè)計(jì)驗(yàn)證一種針對(duì)番茄等大株距作物的鏈缽育苗移栽機(jī)的取苗斷鏈裝置，為鏈缽育苗移栽機(jī)整機(jī)開(kāi)發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 移栽裝置結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程

1）鏈缽育苗冊(cè)結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)所用鏈缽育苗冊(cè)，育苗前呈冊(cè)狀折疊儲(chǔ)存，育苗時(shí)將紙冊(cè)撐開(kāi)至平鋪狀態(tài)，冊(cè)內(nèi)各缽體呈六邊形截面蜂巢狀平面聚焦分布，移栽時(shí)育苗缽體在牽引力作用下可呈鏈狀快速展開(kāi)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定供苗。如圖1所示，展開(kāi)時(shí)育苗冊(cè)內(nèi)缽體連接處長(zhǎng)度呈規(guī)律變化，同層相鄰缽體連接處長(zhǎng)度與單個(gè)缽體邊長(zhǎng)相同，為15.2mm。異層缽體連接處長(zhǎng)度為缽體邊長(zhǎng)的2倍，為30.4mm。缽體間連接處長(zhǎng)度每間隔6缽長(zhǎng)度變化1次，記作1個(gè)循環(huán)。

2）整機(jī)結(jié)構(gòu)。鏈缽育苗移栽機(jī)主要由臥式旋耕機(jī)和若干移栽單體組成，每個(gè)移栽單體的主動(dòng)鏈輪共用一套地輪傳動(dòng)系統(tǒng)，初步的整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

如圖3所示，每個(gè)移栽單體又由取苗斷鏈裝置、載苗滑槽、苗溝犁和覆土圓盤(pán)等組成，取苗斷鏈裝置主體由輔助喂入輪、斷鏈裝置和通過(guò)一組鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)的取苗運(yùn)苗撥指組成。

3）工作過(guò)程。工作時(shí)，旋耕機(jī)負(fù)責(zé)土壤疏松和苗床整備，移栽裝置在機(jī)組牽引作用下，地輪驅(qū)動(dòng)移栽單體完成取苗、運(yùn)苗、切割斷鏈和投苗等動(dòng)作，苗溝犁實(shí)現(xiàn)被動(dòng)拉溝，覆土圓盤(pán)在缽苗投入苗溝后完成覆土壓實(shí)。工作前準(zhǔn)備時(shí)，首先由人工將缽苗鏈狀牽引拉出并把首個(gè)苗缽置于載苗滑槽前端某組已合攏的取苗運(yùn)苗撥指的運(yùn)動(dòng)正前方，并調(diào)整好輔助喂入輪角度。工作時(shí)，取苗運(yùn)苗撥指在鏈條帶動(dòng)下將對(duì)應(yīng)的苗缽向前運(yùn)移，當(dāng)切割斷鏈裝置的傳感器檢測(cè)到苗缽到達(dá)設(shè)定位置時(shí)，刀片旋轉(zhuǎn)切斷鏈缽中間連接紙帶，得到獨(dú)立苗缽，并在取苗運(yùn)苗撥指推動(dòng)下運(yùn)移到載苗滑槽末端，撥指張開(kāi)，苗缽靠重力掉入苗溝完成投苗。鏈條正下方設(shè)置有安裝于機(jī)架的鏈條導(dǎo)軌，為鏈條提供精確位置導(dǎo)向，防止因自重導(dǎo)致鏈條垂度過(guò)大影響相鄰2個(gè)取苗運(yùn)苗撥指間的嚙合效果。

1.2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1）輔助喂入輪。鏈缽苗展開(kāi)后，呈6個(gè)1組循環(huán)，組內(nèi)缽體間距為組間間距的一半。為確保苗缽與均勻分布的取苗運(yùn)苗撥指之間相互協(xié)調(diào)，設(shè)計(jì)有1對(duì)輔助喂入輪，對(duì)稱安裝于載苗滑槽前端開(kāi)口處兩側(cè)。如圖4所示，輔助喂入輪圓周上均勻分布5個(gè)短齒和1個(gè)長(zhǎng)齒，其數(shù)量、位置與鏈缽循環(huán)規(guī)律具有嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系。作業(yè)時(shí)，根據(jù)鏈缽相對(duì)位置調(diào)整輔助喂入輪至合適相位，使夾指完成當(dāng)前缽苗夾取。運(yùn)動(dòng)時(shí)鏈條帶動(dòng)后續(xù)夾指沿滑槽側(cè)壁滑動(dòng)，2個(gè)夾指受到漸變滑槽側(cè)壁約束作用由打開(kāi)狀態(tài)逐漸閉合，夾指與2對(duì)稱喂入輪外側(cè)各齒的根部相接觸，以此推動(dòng)其做間歇圓周運(yùn)動(dòng)。當(dāng)夾取對(duì)象為同組缽體連接處時(shí)，夾指與短齒相接觸，僅帶動(dòng)輔助喂入輪轉(zhuǎn)動(dòng)而對(duì)鏈缽無(wú)輔助送苗作用；當(dāng)夾取對(duì)象為組間缽體連接處時(shí)，夾指與輔助喂入輪長(zhǎng)齒接觸，推動(dòng)缽苗向后移動(dòng)一定距離，抵消因連接處過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致夾取位置前移影響，實(shí)現(xiàn)該缽苗的位置補(bǔ)償。

輔助喂入輪由轉(zhuǎn)軸、長(zhǎng)齒、短齒和定位滾珠組成，其中定位滾珠通過(guò)與喂入輪表面凹槽相接觸實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位與間歇運(yùn)動(dòng)。長(zhǎng)、短齒均勻分布于喂入輪四周，其數(shù)量與位置同缽體間連接處長(zhǎng)度循環(huán)相對(duì)應(yīng)。

圖4A中點(diǎn)A1、B1為輔助喂入輪兩齒端點(diǎn)，為保證輔助喂入輪間歇運(yùn)動(dòng)，兩齒端點(diǎn)處弧長(zhǎng)應(yīng)小于取苗運(yùn)苗撥指間距，即：

式（1）中，ra為齒根部與圓心距離，mm。由于撥指夾取鏈缽位置固定，取苗運(yùn)苗撥指間距Lm由同層相鄰鏈缽間距決定，如圖4A所示，當(dāng)鏈缽展開(kāi)后兩相鄰?qiáng)A取點(diǎn)位距離為缽體邊長(zhǎng)的3倍，故Lm=3a=45.6mm。

為保證輔助喂入輪工作順暢且無(wú)干涉，應(yīng)滿足如下條件：

式（2）中，ha為長(zhǎng)齒齒高，mm；hb為輔助喂入輪圓心至長(zhǎng)齒末端最遠(yuǎn)距離，mm；ΔB為余量寬度，取值為5mm；La為載苗滑槽突出部長(zhǎng)度，mm；Lb為2個(gè)喂入輪間距最大值，mm。結(jié)合其他部件尺寸，確定ha取值為7mm，hb為59.5mm，ra為12mm，A1B1為23mm可確保輔助喂入輪平順運(yùn)行。

2）取苗運(yùn)苗撥指。取苗運(yùn)苗撥指如圖5所示，構(gòu)型為對(duì)開(kāi)式，由固定座、壓縮彈簧、夾指等構(gòu)成。非工作狀態(tài)下夾指為常開(kāi)狀態(tài)，經(jīng)鏈條牽引夾指在漸變滑槽約束及壓縮彈簧作用下逐漸閉合，待經(jīng)過(guò)投苗點(diǎn)離開(kāi)滑槽后，夾指不受側(cè)壁約束重新打開(kāi)。其中固定座將取苗運(yùn)苗撥指固定于鏈條某節(jié)鏈節(jié)之上，夾指用于夾取、推送缽苗。

取苗運(yùn)苗撥指工作時(shí)垂直于載苗滑槽平穩(wěn)推動(dòng)缽苗向投苗口處運(yùn)動(dòng)，理想狀態(tài)下，各撥指間相對(duì)位置保持不變。實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，因受自重及苗缽反作用力影響，撥指會(huì)發(fā)生一定程度上輕微傾轉(zhuǎn)，影響缽苗切斷、送苗和投苗效果［20］，因此需對(duì)固定座結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定設(shè)計(jì)優(yōu)化。如圖6所示，將固定座形狀設(shè)計(jì)為不規(guī)則曲線外形，處于送苗階段時(shí)，各撥指固定座間外形上經(jīng)過(guò)鏈輪圓周段運(yùn)動(dòng)嚙合后緊密貼合從而提供約束力，避免單個(gè)固定座因前后不均勻受力造成的搖擺現(xiàn)象，降低撥指位置偏移的程度和概率，提高送苗成功率。

圖6中，f1t為送苗階段夾指所受阻力，N；f2n、f3n為相鄰固定座支持力，N。由圖7知，2個(gè)夾指回轉(zhuǎn)中心距離為定值，夾指開(kāi)度的大小與間距直接影響取苗效果。為防止取苗階段夾指張開(kāi)狀態(tài)下與缽體發(fā)生干涉，2個(gè)夾指距離最小值應(yīng)大于缽體寬度；為防止張開(kāi)角度過(guò)大導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)過(guò)程阻力過(guò)大影響移栽效果，2個(gè)夾指距離應(yīng)小于最大載苗滑槽寬度，定義2個(gè)夾指距離最小值為夾指開(kāi)度，則夾指開(kāi)度應(yīng)滿足：

式（3）中，w為缽體寬度，取值為26mm；d為夾指開(kāi)度，mm；L3為載苗滑槽開(kāi)口處寬度，取值為120mm；w1為夾指寬度，取值為20mm。由此確定夾指開(kāi)度的理論范圍為36～68mm，其最佳開(kāi)度需要通過(guò)試驗(yàn)確定。

3）切割斷鏈裝置。為適應(yīng)大株距作物移栽需求，根據(jù)鏈缽特征，于載苗滑槽中部下端開(kāi)口并布置切割斷鏈裝置。采用旋轉(zhuǎn)切割方式按需切斷缽體連接紙帶，將鏈?zhǔn)矫缋彿指顬楠?dú)立單元，配合整機(jī)前進(jìn)速度及地輪傳動(dòng)比的變化實(shí)現(xiàn)移栽株距的按需調(diào)節(jié)。切割斷鏈裝置結(jié)構(gòu)如圖8所示，由步進(jìn)電機(jī)、切割刀片、刀架、激光反射傳感器和控制系統(tǒng)等組成。兩切割刀片呈中心對(duì)稱安裝于刀架兩側(cè)，刀架與步進(jìn)電機(jī)輸出軸相連。

為保證缽體連接紙帶順利切斷，切割刀片及刀架等的相關(guān)尺寸需滿足：

式（4）中，da為刀架旋轉(zhuǎn)中心距切割刀片頂點(diǎn)長(zhǎng)度，mm；db為刀架旋轉(zhuǎn)中心距載苗滑槽底端長(zhǎng)度，為22mm；dc為刀架旋轉(zhuǎn)中心距刀槽開(kāi)口頂點(diǎn)位置，為67mm；dd為載苗滑槽側(cè)壁與刀架旋轉(zhuǎn)中心水平距離，為26mm；de為載苗滑槽底端距刀槽開(kāi)口頂端距離，為40mm。缽體高度h為30mm，余量寬度ΔB為5mm，因此只有當(dāng)dagt;67mm才可保證缽體連接處被完整切斷且與滑槽不產(chǎn)生干涉，故取da為70mm。

取苗裝置開(kāi)始運(yùn)行后，鏈缽由取苗運(yùn)苗撥指以設(shè)定速度送至載苗滑槽進(jìn)入送苗階段，切割斷鏈裝置同步啟動(dòng)。當(dāng)夾指經(jīng)過(guò)探測(cè)點(diǎn)位時(shí)，激光束照射至金屬夾指發(fā)生光的表面反射，反射激光由傳感器接收后以電信號(hào)形式傳輸給單片機(jī)，控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)切割刀片以相應(yīng)轉(zhuǎn)速切斷缽體連接處，當(dāng)?shù)镀D(zhuǎn)角度達(dá)到180°即停止運(yùn)動(dòng)，隨后重復(fù)上述流程。

1.3 移栽過(guò)程穩(wěn)定參數(shù)設(shè)計(jì)

1）取苗階段。取苗階段時(shí)，鏈缽經(jīng)由取苗運(yùn)苗撥指帶動(dòng)沿載苗滑槽向下運(yùn)動(dòng)，此階段撥指與鏈缽應(yīng)保證不發(fā)生滑動(dòng)現(xiàn)象［21］。如圖9所示，將鏈缽視為整體，對(duì)其進(jìn)行受力分析，應(yīng)滿足：

式（5）中，F(xiàn)a為夾指對(duì)缽苗推力，N；Fb為夾指對(duì)缽苗夾持力，N；fc為夾指對(duì)缽苗摩擦力，N；fd為載苗滑槽對(duì)缽苗摩擦力，N；FN1為載苗滑槽對(duì)缽苗支持力，N。由式（5）可得：

式（5）～（7）中，μ為缽苗與夾指、載苗滑槽間摩擦系數(shù)，取值0.6。因此，由式（6）可知，為保證送苗階段鏈缽苗于滑槽中平穩(wěn)移動(dòng)，載苗滑槽傾角需滿足α≤31°，最佳傾斜角度需通過(guò)試驗(yàn)確定。式（7）中，G為缽苗重力，取值0.098N；α為載苗滑槽傾角，取值20°；n為被夾取鏈缽苗數(shù)量，取值為5；Fa為夾指對(duì)缽苗推力，經(jīng)測(cè)量為6.5N；計(jì)算得夾指夾持力Fb=10.82N。

2）送苗階段。送苗階段時(shí)，鏈缽經(jīng)由斷鏈裝置切斷為單個(gè)缽苗，夾指推動(dòng)缽苗向投苗口運(yùn)動(dòng)。為保證載苗滑槽中缽苗狀態(tài)穩(wěn)定，需要防止栽植速度過(guò)快導(dǎo)致缽苗在接觸夾指瞬間發(fā)生傾翻現(xiàn)象。如圖10所示，對(duì)單個(gè)缽苗接觸夾指瞬間進(jìn)行分析。理想狀態(tài)下，夾指對(duì)缽苗推力Fa與缽苗質(zhì)心處于同一水平線，缽苗沿載苗滑槽向投苗口平穩(wěn)下滑，無(wú)翻轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生，不存在傾翻的可能，如圖10A所示。但實(shí)際過(guò)程中，過(guò)快的栽植速度會(huì)導(dǎo)致缽苗與載苗滑槽間形成夾角λ，夾指對(duì)缽苗推力Fa與缽苗質(zhì)心不再重合，加劇了傾翻的可能，如圖10B所示。

對(duì)此狀態(tài)下缽苗進(jìn)行受力分析，為保證缽苗不出現(xiàn)傾翻現(xiàn)象，需滿足：

夾指與缽苗接觸前后，缽苗所受合力對(duì)夾指的力矩始終為零，滿足能量守恒定律，因此臨界狀態(tài)下缽苗動(dòng)能與勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化［22］。當(dāng)缽苗處于傾翻臨界狀態(tài)時(shí)，缽苗動(dòng)能變化量為：

移栽過(guò)程中，每分鐘載苗滑槽中缽苗輸送數(shù)量與每分鐘從投苗處落入苗杯缽苗數(shù)量一致。因此，載苗滑槽中缽苗輸送速度與栽植頻率存在如下關(guān)系：

式（8）～（13）中，m為單個(gè)缽苗的質(zhì)量，取值10g；v為載苗滑槽中缽苗輸送速度，m/s；A為栽植頻率，株/min；x1為鏈?zhǔn)揭圃匝b置中2個(gè)夾指間距，取值45.6mm。當(dāng)λ為15°時(shí)，缽苗為傾翻臨界狀態(tài)，計(jì)算得輸送速度為0.042m/s，即栽植頻率55株/min。因此，為確保送苗過(guò)程缽苗與夾指接觸瞬間不發(fā)生傾翻，栽植頻率需小于55株/min。

1.4 單因素與二次正交組合試驗(yàn)

為驗(yàn)證取苗斷鏈裝置效果與參數(shù)優(yōu)化合理性，搭建鏈缽移栽單體臺(tái)架試驗(yàn)平臺(tái)（圖11）。

1）單因素試驗(yàn)。根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)知，栽植頻率、載苗滑槽傾角和夾指開(kāi)度對(duì)取苗成功率、基質(zhì)損失率有較大影響，為明確各工作參數(shù)對(duì)移栽裝置性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響，對(duì)栽植頻率、載苗滑槽傾角和夾指開(kāi)度分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)。為保證缽苗最佳移栽效果，應(yīng)遵循“零速投苗”原則，落苗輸送帶運(yùn)動(dòng)速度與載苗滑槽中缽苗輸送速度保持一致。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)效果，試驗(yàn)時(shí)設(shè)定栽植頻率范圍為35～55株/min，每間隔5株/min為1個(gè)水平；設(shè)定傾角取值范圍15°～35°，每間隔5°為1個(gè)水平；設(shè)定夾指開(kāi)度設(shè)定為36、44、52、60、68mm共5個(gè)水平，單因素試驗(yàn)中其余變量取理論分析中間值。

定義缽苗自取苗階段開(kāi)始至落入苗溝結(jié)束，經(jīng)由取苗運(yùn)苗撥指夾取，無(wú)傾倒通過(guò)載苗滑槽，且未發(fā)生缽苗卡頓現(xiàn)象作為取苗成功；移栽過(guò)程結(jié)束后，取苗成功缽苗數(shù)量與缽苗移栽總數(shù)百分比為取送苗成功率P1，以缽苗完成移栽過(guò)程前后質(zhì)量差作為基質(zhì)損失率P2［23］，具體計(jì)算公式如下：

式（14）～（15）中，n為鏈缽苗總個(gè)數(shù)；ns為鏈缽苗取送苗失敗個(gè)數(shù)；mq移栽前鏈缽苗總質(zhì)量，g；mh移栽后鏈缽苗總質(zhì)量，g。

2）二次正交組合試驗(yàn)。為探究栽植頻率、載苗滑槽傾角、夾指開(kāi)度的最佳參數(shù)組合，使用Design-Expert軟件開(kāi)展三因素三水平二次正交試驗(yàn)［24］，因素水平編碼表如表1所示。

根據(jù)試驗(yàn)因素水平表，進(jìn)行17組移栽性能二次旋轉(zhuǎn)正交組合臺(tái)架試驗(yàn)，得所試驗(yàn)方案如表2所示，其中x1、x2、x3為因素編碼值。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

1）栽植頻率。由圖12A可知，隨著栽植頻率的加快，取苗成功率緩慢上升后快速下降，基質(zhì)損失率緩慢下降后急劇上升。當(dāng)栽植頻率為35～45株/min時(shí)，缽苗喂入效果良好，同時(shí)較慢的取苗頻率降低了缽苗與載苗滑槽間的滑動(dòng)摩擦力，基質(zhì)損失率保持較低水平；栽植頻率增大為45～55株/min時(shí)，取苗成功率急劇下降，基質(zhì)損失率呈逐漸增大趨勢(shì)，主要原因是栽植頻率過(guò)快致使撥指夾取精度下降影響鏈缽切斷，進(jìn)而導(dǎo)致取苗失敗，同時(shí)投苗階段缽苗落入苗溝時(shí)碰撞相對(duì)速度較大，基質(zhì)損失率也隨之上升。

2）載苗滑槽傾角。由圖12B可知，傾角在15°～25°時(shí)，取苗成功率隨傾斜角度增加小幅波動(dòng)，基質(zhì)損失率小幅上升后大幅下降，此時(shí)投苗處滑槽與苗溝相對(duì)高度最小，缽苗與苗溝接觸瞬間相對(duì)速度最小，故有較低基質(zhì)損失率；當(dāng)載苗滑槽角度為25°～35°時(shí)，隨著傾角提高，缽苗在軌道中傾翻滾幾率增加，基質(zhì)易受到擠壓、碰撞導(dǎo)致缽體破損，從而導(dǎo)致取苗成功率下降，基質(zhì)損失率上升。

3）夾指開(kāi)度。如圖12C所示，隨著夾指開(kāi)度的增大，取苗成功率先升后降，基質(zhì)損失率先降后升。當(dāng)開(kāi)度小于44mm時(shí)，撥指與鏈缽易發(fā)生干涉導(dǎo)致移栽過(guò)程中斷，致使取苗成功率下降，同時(shí)投苗階段較小張開(kāi)角度不利于缽苗脫離夾指，導(dǎo)致投苗位置偏移，造成苗床中缽體傾倒，基質(zhì)損失率升高；當(dāng)開(kāi)度大于60mm時(shí)，送苗過(guò)程中撥指所受摩擦阻力增大，易造成夾取位置改變，致使取苗失效、基質(zhì)損失率上升。

2.2 二次正交組合試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)單因素試驗(yàn)可知，栽植頻率、載苗滑槽傾角、夾指開(kāi)度對(duì)取苗成功率、基質(zhì)損失率有顯著影響。由表3可知，取苗成功率P1模型中有4個(gè)回歸項(xiàng)影響顯著，分別是一次項(xiàng)x1、x3、交互項(xiàng)x1x3以及二次項(xiàng)x32，其余項(xiàng)影響不顯著；基質(zhì)損失率P2模型中有7個(gè)回歸項(xiàng)影響顯著，分別是x1、x2、x3、x1x2、x2x3、x12、x32，其余項(xiàng)影響不顯著。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，剔除不顯著因素后的回歸模型為：

由回歸方程分析可知，取苗成功率、基質(zhì)損失率回歸方程模型P值小于0.05，證明回歸方程模型顯著，回歸模型在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)有較好擬合效果。

由表3可知，各因素對(duì)于取苗成功率P1影響程度由高到低依次為夾指開(kāi)度、栽植頻率、載苗滑槽傾角，各因素對(duì)基質(zhì)損失率P2的影響程度由高到低依次是夾指開(kāi)度、載苗滑槽傾角、栽植頻率。影響因素交互項(xiàng)x1x3的P值小于0.05，對(duì)取苗成功率有顯著影響；影響因素交互項(xiàng)x1x2、x2x3的P值小于0.05，對(duì)基質(zhì)損失率有顯著影響。利用Box-BehnkenDesign8.0.6對(duì)數(shù)據(jù)分析并生成響應(yīng)面曲線圖，如圖13所示。

由圖13A可知，當(dāng)載苗滑槽傾角穩(wěn)定不變時(shí)，取苗成功率P1隨著栽植頻率的增大而降低，隨著夾指開(kāi)度的增大呈現(xiàn)出先升高再降低的變化趨勢(shì)，響應(yīng)面沿夾指開(kāi)度方向變化較快，沿栽植頻率方向變化較慢。在傾斜角度一定的情況下，夾指開(kāi)度對(duì)取苗成功率的影響比栽植頻率的影響更加顯著。栽植頻率45株/min，夾指開(kāi)度為52mm時(shí)，取苗成功率最高。圖13B中，當(dāng)夾指開(kāi)度為52mm時(shí)，基質(zhì)損失率P2隨著栽植頻率和載苗滑槽傾角的增大呈先降后升趨勢(shì)，響應(yīng)面曲線沿栽植頻率方向變化較快，說(shuō)明在夾指開(kāi)度一定的情況下，栽植頻率對(duì)基質(zhì)損失率的影響比載苗滑槽傾角更加顯著。如圖13B栽植頻率為45株/min，載苗滑槽傾角為20°時(shí)，基質(zhì)損失率最低。由圖13C可知，栽植頻率為45株/min，基質(zhì)損失率P2隨著載苗滑槽傾角增大而減小，隨著夾指開(kāi)度的增大先減小后增大，響應(yīng)面沿夾指開(kāi)度方向變化較快，說(shuō)明在栽植頻率一定時(shí)，夾指開(kāi)度對(duì)基質(zhì)損失率的影響比載苗滑槽傾角更加顯著。夾指開(kāi)度為52mm、載苗滑槽傾角為25°時(shí)基質(zhì)損失率最低。

為確保取苗斷鏈裝置具有較好的工作性能，以取苗成功率和基質(zhì)損失率作為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行工作參數(shù)優(yōu)化，利用Design-Expert優(yōu)化模塊進(jìn)行優(yōu)化求解，其目標(biāo)函數(shù)與約束條件為：

優(yōu)化后得到影響因素最佳參數(shù)組合為栽植頻率45株/min、載苗滑槽傾角20°、夾指開(kāi)度52mm，在該參數(shù)組合下取苗成功率91.3%、基質(zhì)損失率14.2%。采用獲取的最佳參數(shù)組合進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果顯示：取苗成功率89.7%、基質(zhì)損失率16.12%。因缽苗個(gè)體生長(zhǎng)狀態(tài)差異，根系對(duì)土壤基質(zhì)的包裹度不一致，造成鏈缽?qiáng)A取運(yùn)移狀態(tài)下基質(zhì)松動(dòng)脫落存在差異，導(dǎo)致取苗送苗效果驗(yàn)證值與優(yōu)化結(jié)果分別存在1.60%和1.92%的誤差，但處于合理范圍內(nèi)。

2.3 土槽試驗(yàn)

2023年11月上旬于華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范基地土槽實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際作業(yè)效果試驗(yàn)（圖14）。試驗(yàn)前為移栽單體臺(tái)架加裝行走裝置，采用人力手拉方式進(jìn)行單行移栽，試驗(yàn)時(shí)作業(yè)速度設(shè)定為0.3～0.6km/h，設(shè)置栽植頻率45株/min，載苗滑槽傾角為20°，夾指開(kāi)度52mm。參考JB/T10291—2013《旱地栽植機(jī)械》中移栽相關(guān)試驗(yàn)方法，每次取連續(xù)的64株鏈缽苗作為數(shù)據(jù)樣本，進(jìn)行3組重復(fù)試驗(yàn)［25］，試驗(yàn)對(duì)象為苗齡35d的番茄鏈缽苗，單個(gè)缽苗質(zhì)量約為12g，試驗(yàn)結(jié)果如表4和表5所示。

土槽試驗(yàn)指標(biāo)平均值分別為取苗成功率87.5%，基質(zhì)損失率17.4%，滿足移栽成功率不低于85%的要求，與優(yōu)化結(jié)果相對(duì)誤差分別為3.8%和3.2%。

3 討論

基于常規(guī)六邊形截面鏈缽育苗冊(cè)制冊(cè)技術(shù)，結(jié)合鏈缽作業(yè)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)番茄等大株距作物的鏈缽育苗移栽機(jī)的取苗斷鏈裝置。闡述了該裝置工作原理，對(duì)移栽過(guò)程缽苗受力情況進(jìn)行理論分析，確定了機(jī)構(gòu)平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)取值范圍。開(kāi)展了以栽植頻率、載苗滑槽傾角和夾指開(kāi)度為變量，以取苗成功率、基質(zhì)損失率為評(píng)價(jià)指標(biāo)的單因素試驗(yàn)，確定了在栽植頻率為40～50株/min，載苗滑槽傾角為15°～25°，夾指開(kāi)度為44～60mm時(shí)具有較優(yōu)效果。進(jìn)行了栽植頻率、載苗滑槽傾角和夾指開(kāi)度對(duì)取苗成功率、基質(zhì)損失率影響的三因素三水平二次正交試驗(yàn)，采用響應(yīng)面法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，得到最佳參數(shù)組合：栽植頻率45株/min，載苗滑槽傾角20°，夾指開(kāi)度52mm，該參數(shù)組合下取苗成功率91.3%、基質(zhì)損失率14.2%，土槽試驗(yàn)結(jié)果為取苗成功率87.5%，基質(zhì)損失率17.4%，移栽裝置滿足番茄缽苗移栽機(jī)的基本作業(yè)要求。