那明君，顏世東，楊波，喬杰，劉旺，周振響，董欣

（東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030）

玉米紙筒缽苗移栽機輸送分苗裝置性能研究

那明君，顏世東，楊波，喬杰，劉旺，周振響，董欣*

（東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030）

探討自主研制玉米紙筒缽苗輸送分苗裝置作業(yè)性能及優(yōu)化試驗。采用二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合優(yōu)化方法，以喂苗速度、分苗盤轉(zhuǎn)速、紙缽間距為影響因子，分離率、工作效率為目標函數(shù)，對影響輸送分離裝置工作參數(shù)組合優(yōu)化試驗。結(jié)果表明，喂入速度為2.6～3.0 m·min-1、分苗盤轉(zhuǎn)速為16～19 r·min-1、紙缽間距為13 mm時，分苗率達95%，工作效率達61個·min-1。為玉米紙筒缽苗輸送分苗裝置設(shè)計，解決制約半自動缽苗移栽機缽苗自動喂入問題提供依據(jù)。

紙筒缽苗；玉米；輸送分苗裝置；優(yōu)化

那明君,顏世東,楊波,等.玉米紙筒缽苗移栽機輸送分苗裝置性能研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2016,47(10):51-57.

Na Mingjun,Yan Shidong,Yang Bo,et al.Study on conveying and separating seedling device of corn paper pot seedling transplanter[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(10):51-57.(in Chinese with English abstract)

玉米是我國主要糧食作物之一，玉米育苗移栽可增加有效積溫，延長作物生長期，提高產(chǎn)量。但人工移栽用工量大、勞動效率低、勞動強度高、投入產(chǎn)出比低，制約移栽技術(shù)推廣應(yīng)用。

機械化移栽可為玉米育苗移栽提供技術(shù)保障并解決作業(yè)成本和效率問題[1-4]。

喂苗形式直接影響移栽作業(yè)效率。傳統(tǒng)旱地移栽機械喂苗形式以人工喂苗為主，移栽機械作業(yè)速度難于突破60株·min-1。日本日立株式會社公司和意大利Ferrari公司將方形壓縮基質(zhì)置于秧盤中，移栽時用條形鏟取出一行缽苗置于輸送帶上，提高喂苗效率。意大利Ferrari公司及法國Pearson公司旱田全自動移栽機結(jié)構(gòu)復雜、成本高、效率低，主要用于經(jīng)濟作物移栽[5-8]。韓長杰等研究穴盤苗移栽機自動取喂系統(tǒng)，利用柔性鏈輸送喂入機構(gòu)逐個投放穴盤苗，PLC控制氣壓驅(qū)動，取喂苗速度高達70株·min-1[9]；耿端陽等根據(jù)玉米營養(yǎng)缽特性，研究設(shè)計栽植機導輪式缽苗排序裝置，工作時將成盤缽苗一次性送至輸送帶，當缽體到達導向輪時，導向輪將無序狀態(tài)缽苗排成有序列實現(xiàn)缽苗成盤喂入。但缽苗排序過程中輸送帶速度過快或?qū)蜉嗈D(zhuǎn)速太高，會出現(xiàn)缽體傾倒或堆積現(xiàn)象，影響排序效果[10]；趙作偉等研究甜菜鏈式紙缽苗分離裝置，利用分離輪與引出輪速度差形成拉力將缽苗撕裂拉斷實現(xiàn)缽苗分離[11-12]。

全自動移栽機因結(jié)構(gòu)復雜、成本高、育苗質(zhì)量影響栽植效率與質(zhì)量，未推廣應(yīng)用；目前我國玉米缽苗移栽機械均為半自動移栽機，技術(shù)成熟、成本低，但缽苗喂入過程排序速度低[7]為限制栽植速度主要原因。為解決玉米缽苗人工喂入效率低、勞動強度大等問題，本文針對玉米移栽紙質(zhì)可折疊秧盤及其紙筒缽苗物理特性，研究設(shè)計缽苗喂入輸送分苗機構(gòu)，實現(xiàn)缽苗自動輸送、排序和分苗；在自主研制試驗臺架上開展輸送分苗裝置性能試驗，研究工作參數(shù)對作業(yè)性能影響規(guī)律，為玉米紙筒缽苗移栽機械輸送分苗裝置設(shè)計、解決制約半自動缽苗移栽機缽苗自動喂入問題提供理論依據(jù)。

1 試驗裝置和儀器設(shè)備

1.1 試驗裝置結(jié)構(gòu)

玉米紙筒缽苗輸送分苗裝置主要由輸送機構(gòu)、排序定位機構(gòu)和分苗機構(gòu)組成，如圖1所示。輸送機構(gòu)采用帶式輸送機構(gòu)，由兩條并排配置A型水平輸送帶3和4個帶輪1構(gòu)成；排序定位機構(gòu)由一條定位圓形帶2和帶有前端錐螺紋以及后端等距螺紋定位螺桿4構(gòu)成，配置于水平輸送帶之間；分苗機構(gòu)由兩個同軸、按一定間距配置高密度聚乙烯材質(zhì)分苗盤6構(gòu)成，配置于輸送帶內(nèi)一定距離，用來托住紙筒缽苗以保證紙筒缽苗可靠地進入分苗盤取缽槽內(nèi)。

此外，試驗采用儀器設(shè)備還有EMT260系列數(shù)字轉(zhuǎn)速表（上海隆拓儀器設(shè)備有限公司）、自主設(shè)計變頻調(diào)速控制系統(tǒng)及DHG-9420A型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海一恒科學儀器有限公司）。

圖1 玉米紙筒缽苗輸送分苗機構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.1Main structure of tests

1.2 試驗裝置工作原理

輸送、排序和分苗機構(gòu)分別由兩臺調(diào)速電動機驅(qū)動和控制調(diào)速，滿足運動機構(gòu)不同作業(yè)參數(shù)試驗組合要求。

作業(yè)時，置于輸送機構(gòu)上紙筒缽苗隨輸送帶運動至回轉(zhuǎn)定位螺桿區(qū)域時，紙缽底端被其托起與平皮帶短暫脫離，回轉(zhuǎn)定位螺桿與紙筒缽苗相互作用產(chǎn)生切向力保證紙缽運動至定位皮帶，使紙缽在缽體高度方向上對齊，產(chǎn)生軸向力保證紙缽繼續(xù)隨輸送帶水平方向運動以避免紙缽產(chǎn)生二次傾斜；當紙缽與分苗盤接觸時，在分苗盤作用下紙缽與平皮帶產(chǎn)生相對運動；如果紙缽軸線與分缽盤軸線成傾斜狀態(tài)，在摩擦力作用下紙缽與左右兩分缽盤完全接觸，并排序，分苗機構(gòu)結(jié)果如圖2所示。當分苗盤回轉(zhuǎn)至取苗槽位置時，紙缽隨分苗盤轉(zhuǎn)動逐漸靠近取苗槽內(nèi)，被其帶走實現(xiàn)分缽。輸送、排序和分苗機構(gòu)相互配合，實現(xiàn)紙筒缽苗輸送、排序和分離等連續(xù)作業(yè)后送入移栽機栽植機構(gòu)完成移栽作業(yè)。

圖2 紙缽受力分析Fig.2Paper pots force analysis

研制紙筒缽苗輸送分苗裝置目的是將其安裝在移栽機上，實現(xiàn)缽苗移栽過程的紙筒苗自動喂苗作業(yè)。因此紙筒苗喂苗速度須與移栽機作業(yè)速度協(xié)調(diào)，設(shè)計輸送分苗機構(gòu)以一定速度輸送紙筒缽苗模仿移栽機作業(yè)時缽苗輸送狀態(tài)。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗于2015年6月在東北農(nóng)業(yè)大學收獲加工實驗室進行。試驗采用紙筒缽苗玉米品種為“東農(nóng)253”，育苗紙筒直徑19 mm，長130 mm，每冊紙筒數(shù)1 400個。按農(nóng)藝要求，紙缽內(nèi)充滿黑鈣土并加入適當腐殖質(zhì)營養(yǎng)土后育苗，玉米紙筒缽苗長至三葉一心至四葉一心、苗齡為14 d時，作紙筒缽苗輸送分離試驗，經(jīng)測定紙筒缽苗高（271.3± 43.24）mm，缽苗葉寬（82.20±22.44）mm，缽苗直徑（1.96±0.16）mm，參照GB/T 1931-2009測得紙筒缽苗含水率均值26.73%±5.62%，試樣見圖3。

圖3 紙缽育苗Fig.3Paper-pot nursery

2.2 試驗因素與評價指標

選擇輸送機構(gòu)輸送喂苗速度、分苗機構(gòu)分苗盤轉(zhuǎn)速及紙筒缽苗間距作為試驗因素。

依據(jù)旱地栽植機械行業(yè)標準JB/T 10291-2001，基于紙筒缽苗移栽機輸送分苗機構(gòu)作業(yè)需均勻分離亂序紙筒缽苗并避免破壞紙筒完整性性能要求，選擇紙筒缽苗分苗率和工作效率作為紙筒缽苗輸送分苗裝置性能評價指標。

分苗率是單位試驗時間內(nèi)（1 min），第i組紙筒缽苗試樣被分離紙筒缽苗數(shù)與該組紙筒缽苗總數(shù)比值，即

式中，ai—第i組試驗被自動分離紙筒缽苗數(shù)量（個）；bi—第i組試驗用紙筒缽苗樣本總數(shù)（個）。

工作效率指單位時間內(nèi)，第i組試驗被自動分離總紙筒缽苗個數(shù)（個·min-1）。

2.3 試驗因素水平

試驗采用3因素5水平正交旋轉(zhuǎn)中心組合方法設(shè)計安排試驗，試驗因素水平編碼如表1所示，根據(jù)試驗安排，每組處理試驗5次，取5次測試結(jié)果均值作為試驗結(jié)果，試驗指標分苗率由式（1）計算確定。試驗方案設(shè)計及結(jié)果分析應(yīng)用Design Ex?pert6.0.10軟件完成。

表1 試驗因素水平編碼Table 1Experimental factors and levels

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果

根據(jù)試驗設(shè)計，對玉米紙筒缽苗移栽機輸送分苗裝置輸送、排序及分苗性能開展試驗，以X1、X2和X3表示喂苗速度、分苗盤轉(zhuǎn)數(shù)和紙缽間距編碼值，Y1、Y2為試驗指標分苗率和工作效率值，考慮各因素交互作用，試驗方案及試驗結(jié)果如表2所示。

表2 試驗方案與結(jié)果Table 2Experiment design and results

3.2 回歸分析

3.2.1 回歸方程及其顯著性分析

利用Design Expert 6.0.10軟件分析表2試驗結(jié)果，得到以試驗指標分苗率Y1和工作效率Y2為相應(yīng)函數(shù)，以各影響因素水平編碼值為自變量回歸方程如式（2）、式（3）所示，并用F檢驗顯著性。

分苗率

式中，X1、X2、X3為各因素水平編碼。

分苗率（Y1）和工作效率（Y2）編碼空間回歸方程式（2）、式（3）方差分析，如表2所示。分苗率檢驗結(jié)果表明，回歸模型F1=2.51＜F0.01(5,8)=6.63，說明擬合方差不顯著，回歸方程與實測值擬合較好；試驗指標分苗率F2=35.04＞F0.01(9,13)=4.19，說明回歸方程在0.01水平極顯著，試驗數(shù)據(jù)與所采用數(shù)學模型一致。工作效率檢驗結(jié)果表明，回歸模型F1=2.26＜F0.01(5,8)=6.63，說明擬合方差不顯著，回歸方程與實測值擬合較好；試驗指標工作效率F2=13.15＞F0.01(9,13)=4.19，說明回歸方程在0.01水平極顯著。

對分苗率、工作效率中各回歸系數(shù)采用F檢驗，剔除模型中在信度α=0.05下不顯著系數(shù)項，獲得分苗率、工作效率回歸模型，如式（4）、（5）所示。

分苗率

3.2.2 各因素對性能指標影響主次分析

由表3可知，一次項F值可判斷各因素對分苗率評價指標貢獻率順序為分苗盤轉(zhuǎn)數(shù)＞紙缽間距＞喂苗速度；對工作效率評價指標貢獻率順序為喂入速度＞分苗盤轉(zhuǎn)數(shù)＞紙缽間距。

3.3 試驗因素對試驗指標影響分析

3.3.1 單因素對試驗指標分苗率和工作效率影響

上述分析可知，分苗盤轉(zhuǎn)速和紙缽間距單因素效應(yīng)對分苗率影響皆極顯著，而喂苗速度對其影響不顯著；喂苗速度、分苗盤轉(zhuǎn)速和紙缽間距單因素效應(yīng)對工作效率影響均極顯著，以式（4）、式（5）為基礎(chǔ)，取其他因素為0水平進行單因素分析，得到各單因素對分苗率影響模型如式（6）～（8），對工作效率影響模型如式（9）～（11）。

分苗率

根據(jù)上述方程得到各因素對分苗率、工作效率影響曲線，如圖4、5所示。定，且兩者正相關(guān)，隨喂入速度增加，喂入紙筒苗和成功分離紙筒苗個數(shù)均相應(yīng)增加，比值即分苗率達到穩(wěn)定狀態(tài)；在一定范圍內(nèi)，分苗盤轉(zhuǎn)速增加，分苗數(shù)提高，而當速度過大時，紙筒苗甩落，分苗失?。患埻查g距過小使紙筒運輸?shù)椒置绫P前時，由于分苗盤不能及時分苗，造成堆積疊

表3 回歸模型方差分析Table 3Variance analysis results of models

圖4 單因素對分苗率影響Fig.4Influence of single factor on separation rate

圖5 單因素對工作效率影響Fig.5Influence of single factor on working efficiency

由圖4可知，在下水平時，分苗率隨喂苗速度增加變化不顯著，而隨分苗盤轉(zhuǎn)速和紙缽間距增加而增大，分苗率在各因素零水平達最大值；在上水平時，分苗率隨因素喂苗速度、分苗盤轉(zhuǎn)速和紙缽間距增加而減小，變化趨勢一致。因為分苗率由成功分離紙筒苗數(shù)量和喂入總數(shù)量因素決

加，使分苗失敗，當間距達到喂入紙筒苗被分苗圓盤及時分離時，對分苗影響較小。

由圖5可知，工作效率隨紙筒缽苗間距增大而降低，在下水平時，工作效率隨喂苗速度和分苗盤轉(zhuǎn)速增加而增加，上水平影響明顯。隨紙筒間距增大，紙筒缽苗運輸時間延長，單位時間內(nèi)進入分苗盤紙筒苗個數(shù)下降，分苗個數(shù)下降，隨喂苗速度和分苗盤轉(zhuǎn)速增加，一定范圍內(nèi)進入分苗盤紙筒苗個數(shù)上升，分苗總個數(shù)增加，工作效率增加，當喂苗速度過大時，分苗盤成功分苗個數(shù)一定，不能及時將所有紙筒苗分離，而分苗盤轉(zhuǎn)速過大時，造成部分紙筒甩落，整體工作效率無變化。

3.3.2 雙因素對各試驗指標影響

對建立回歸方程式（4）和式（5），分別將3個試驗因素其中一個固定于零水平，得到各因素對分苗率和工作效率響應(yīng)曲面，如圖6、7所示。

圖6 試驗因素對分苗率影響響應(yīng)曲面Fig.6Response surface of the effects of all factors on separation rate

圖7 試驗因素對工作效率影響響應(yīng)曲面Fig.7Response surface of the effects of all factors on work efficiency

3.3.2.1 試驗因素對分苗率影響

由圖6a可知，紙缽間距固定零水平時，分苗率隨分苗盤轉(zhuǎn)數(shù)增加逐漸呈先增后減趨勢，喂苗速度對分苗率影響作用不明顯；當分苗盤轉(zhuǎn)數(shù)為17 r·min-1，喂苗速度為2.7 m·min-1時，分苗率最大。在試驗水平下，分苗盤轉(zhuǎn)數(shù)對分苗率影響比喂苗速度顯著。

由圖6b可知，分苗盤轉(zhuǎn)數(shù)固定零水平時，分苗率隨紙缽間距增加呈先增后減趨勢，喂苗速度對分苗率影響作用不明顯；當喂入速度為2.6 m·min-1，紙缽間距為13 mm時，分苗率達最大。在試驗水平下，紙缽間距對分苗率影響比喂苗速度顯著。

由圖6c可知，喂苗速度固定零水平時，分苗率隨分苗盤轉(zhuǎn)數(shù)和紙缽間距增加均呈先增后減趨勢，當分苗盤轉(zhuǎn)數(shù)18 m·min-1，紙缽間距13 mm時，分苗率最大。在試驗水平下，分苗盤轉(zhuǎn)數(shù)對分苗率影響比紙缽間距顯著。

3.3.2.2 試驗因素對工作效率影響

由圖7a可知，紙缽間距固定零水平時，工作效率隨圓盤轉(zhuǎn)速增大呈增大趨勢。當喂苗速度較小(約＜2.7 m·min-1)時，喂苗速度變化對工作效率增

大趨勢影響顯著；當喂苗速度較大（約＞2.7 m·min）時，喂苗速度變化對工作效率增大趨勢影響變小。在試驗水平下，喂苗速度對工作效率影響比分苗盤轉(zhuǎn)數(shù)顯著。

由圖7b可知，喂苗速度固定零水平時，工作效率隨著分苗盤轉(zhuǎn)速增大呈逐漸增大趨勢，隨紙筒間距增加呈逐漸減小趨勢。當分苗盤轉(zhuǎn)速較?。s＜18 m·min-1）時，分苗盤轉(zhuǎn)速變化對工作效率增大趨勢影響顯著，分苗盤轉(zhuǎn)速較大（約＞18 m·min-1）時，分苗盤轉(zhuǎn)速變化對工作效率增大趨勢影響減小。在試驗水平下，分苗盤轉(zhuǎn)數(shù)對工作效率影響比紙缽間距顯著。

由圖7c可知，分苗盤轉(zhuǎn)數(shù)固定零水平時，工作效率隨喂苗速度增大呈逐漸減小趨勢，隨著紙缽間距增大呈逐漸增大趨勢。當喂苗速度較?。s＜2.7 m·min-1）時，喂苗速度變化對工作效率增大趨勢影響明顯；當喂苗速度較大（約＞2.7 m·min-1）時，喂苗速度變化對工作效率增大趨勢影響變小。在試驗水平下，喂苗速度對工作效率影響比紙缽間距顯著。

3.4 試驗參數(shù)優(yōu)化及驗證

按照高分苗率、高工作效率農(nóng)藝要求優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如圖8所示。當參數(shù)組合為喂入速度2.6～3.0 m·min-1，分苗盤轉(zhuǎn)速16～19 r·min-1，紙缽間距13 mm時，玉米紙筒缽苗分苗率可達95%，工作效率61個·min-1。

圖8 三因子參數(shù)優(yōu)化分析Fig.8Optimum analysis plot

為驗證優(yōu)化結(jié)果可靠性，按照上述優(yōu)化參數(shù)組合在試驗臺架上5次重復試驗驗證，驗證結(jié)果均值分苗率95%，工作效率61.33個·min。

4 結(jié)論

a.玉米紙筒缽苗輸送分苗裝置，分苗可靠，滿足均勻分離紙筒缽苗性能要求。設(shè)計裝置可降低對缽苗喂入姿態(tài)精度要求。

b.試驗因素范圍內(nèi)，各因素對分苗率影響從大到小依次為分苗盤轉(zhuǎn)速、紙缽間距、喂苗速度；對工作效率影響從大到小依次為喂苗速度、分苗盤轉(zhuǎn)速、紙缽間距。

c.玉米紙筒缽苗輸送分苗裝置優(yōu)化參數(shù)組合區(qū)域為：在喂苗速度2.6～3.0 m·min-1、分苗盤轉(zhuǎn)速16～19 r·min-1、紙缽間距13 mm時，分苗率達95%，工作效率達61.33個·min-1。

[1] 張國鳳,趙勻,陳建能.水稻缽苗在空中和導苗管上運動特性分析[J].浙江大學學報:自然科學版,2009,43(3):529-534.

[2] 葉秉良,李麗,俞高紅等.蔬菜缽苗移栽機取苗臂凸輪機構(gòu)設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2014,30(8):21-29.

[3] 周福君,杜佳興,那明君.玉米紙筒缽苗移栽機研制與試驗[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2014,45(3):110-116.

[4] 張冕,姬江濤,杜新武.國內(nèi)外移栽機研究現(xiàn)狀與展望[J].農(nóng)業(yè)工程,2012,2(2):21-23.

[5]年玉寶,郭瑞,營晨光.日本CT-4S和CT-2S型甜菜紙筒育苗移栽機試驗示范[J].中國糖料,2004(2):32-35.

[6] 楊麗,蘇益明,張東興,等.玉米紙筒苗移栽機運動軌跡分析與性能試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2014(13):35-42.

[7] 封俊.中國玉米育苗栽植機械化現(xiàn)狀與問題[J].農(nóng)業(yè)工程學報,1998,14(3):103-107.

[8] 董鋒,耿端陽,汪遵元.帶式喂入缽苗栽植機研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2000,31(2):42-45

[9] 韓長杰,楊宛章,張學軍,等.穴盤苗移栽機自動取喂系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2013(8):51-61.

[10] 耿端陽,張鐵中.栽植機缽苗自動排序裝置設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2005(1):145-147.

[11] 趙作偉,陳海濤,賴慶輝,等.甜菜鏈式紙缽苗分離裝置參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2010(9):154-158.

[12] 任珂珂,陳海濤,賴慶輝,等.用于甜菜自動移栽機鏈式紙缽研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2010,41(12):113-118.

Study on conveying and separating seedling device of corn paper pot seedling transplanter

NA Mingjun,YAN Shidong,YANG Bo,QIAO Jie,LIU Wang,ZHOU

Zhenxiang,DONG Xin(School of Engineering,NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)

In order to explore operating performance of the self-developed corn paper pot conveying and separating seedling device,the optimization experiment was carried out.Conveying and separating device structure and working principle were described.With feed rate,separating disc rotation speed and paper pot spacing as influence factors and separation velocity and work efficiency as objective function, experimental studies on working parameters of conveying separation unit had been optimized by quadratic rotation-orthogonal combination design.The results showed that under the conditions of feed velocity of 2.6-3.0 m·min-1,separating disc rotation speed of 16-19 r·min-1and paper pot spacing of 13 mm,separation rate was 95%and work efficiency was 61 plant·min-1.This offers reference for the design of corn paper pot conveying and separating seedling device and solving the problem of automatic feeding of rice seedling transplanting machine.

paper pot seedling;corn;conveying and separating seedling device;optimization

S223.92；S513

A

1005-9369（2016）10-0051-07

時間2016-10-26 16:38:00[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20161026.1638.018.html

2016-07-18

黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計劃項目（GC13B604）

那明君（1965-），男，高級工程師，碩士生導師，研究方向為收獲機械與移栽機械。E-mail:1620728310@qq.com

*通訊作者：董欣，教授，碩士生導師，研究方向為機械設(shè)計及理論。E-mail:Dongxin@neau.edu.cn