吊籃式移栽機構(gòu)工作參數(shù)優(yōu)化與試驗

劉 洋, 毛罕平, 李亞雄, 李 斌, 王 濤

(1. 江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2. 江蘇大學(xué) 江蘇省農(nóng)業(yè)裝備與智能化高技術(shù)研究重點實驗室, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 3. 新疆農(nóng)墾科學(xué)院 機械裝備研究所, 新疆 石河子 832000)

吊籃式移栽機可以滿足作物鋪膜移栽種植的要求,在新疆加工番茄移栽種植過程中得到了應(yīng)用[1-2].吊籃式移栽機構(gòu)上的輔助喂苗裝置在向栽植器喂苗時,存在番茄穴盤苗不能可靠進(jìn)入栽植器內(nèi)部和苗缽質(zhì)量損失較大的問題[3-4].一些學(xué)者已經(jīng)對移栽時作物幼苗的投苗運動進(jìn)行了研究,文獻(xiàn)[5]將穴盤苗定義為一個質(zhì)點,認(rèn)為穴盤苗與導(dǎo)苗管碰撞后會沿著壁面下滑.文獻(xiàn)[6]研究了水稻穴盤苗在導(dǎo)苗管中的下滑速度和距離之間的關(guān)系.文獻(xiàn)[7]利用高速攝像觀測穴盤苗在導(dǎo)苗管中的運動,得出穴盤苗一邊沿壁面滑動,一邊繞與壁面接觸的點翻轉(zhuǎn)至與壁面接觸.文獻(xiàn)[8]根據(jù)源盤和目標(biāo)盤的位置規(guī)劃取苗路徑,將蔬菜穴盤苗從高密度穴盤移栽到低密度穴盤.文獻(xiàn)[9]設(shè)計了一種門架擺桿式取苗機構(gòu),可以實現(xiàn)緩慢取苗,快速投苗,將苗投入固定的導(dǎo)苗裝置中.這些研究都是將苗投落到固定不動的導(dǎo)苗裝置或穴盤中.對于吊籃式移栽機,栽植器相對機架運動,穴盤苗在栽植器中的運動復(fù)雜.番茄穴盤苗的苗莖具有韌性[10],不能忽略苗莖與栽植器碰撞對運動速度的影響,而且番茄穴盤苗在被輔助喂苗裝置投落時,下落的姿態(tài)具有隨機性[11],會使番茄穴盤苗的不同部位與栽植器碰撞,導(dǎo)致碰撞后番茄穴盤苗的運動速度和姿態(tài)發(fā)生改變.這些現(xiàn)象都會影響移栽機構(gòu)的喂苗準(zhǔn)確率和苗缽質(zhì)量的損失.

針對此問題,文中對番茄穴盤苗與栽植器的碰撞進(jìn)行接觸力學(xué)分析和高速攝像試驗,找到影響喂苗準(zhǔn)確率和苗缽質(zhì)量損失的主要因素,通過正交試驗和田間移栽試驗優(yōu)化工作參數(shù),達(dá)到提高喂苗準(zhǔn)確率和降低苗缽質(zhì)量損失的目的.

1 接觸力學(xué)分析

番茄穴盤苗被投苗杯投落后做自由落體運動,落入繞定軸勻速轉(zhuǎn)動的栽植器中.在此過程中,番茄穴盤苗與栽植器發(fā)生碰撞,如圖1所示.

碰撞前,番茄穴盤苗的角速度和水平方向速度都為0,在垂直方向的速度uY為

(1)

式中:H是垂直方向上處于投苗狀態(tài)的投苗杯到栽

植器轉(zhuǎn)動軸的距離;R是栽植器的轉(zhuǎn)動半徑;θ是處于接苗狀態(tài)的栽植器轉(zhuǎn)動半徑與水平面之間的夾角,即接苗角.

圖1 吊籃式移栽機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖和碰撞運動示意圖

栽植器做勻速圓周運動,其速度uE為

uE=ωR,

(2)

式中ω是栽植器的角速度.

因為碰撞時間很短,忽略苗缽與栽植器的摩擦力[12-13],苗缽與栽植器的碰撞方向垂直于栽植器壁面.碰撞方向的相對運動速度uN為

(3)

將苗缽與栽植器的碰撞瞬時定義為柔性球體與剛性平面的接觸,由赫茲理論可知[14],接觸方向上的力F為

(4)

由牛頓第二定理可得

(5)

式中:u1,u2為栽植器和番茄穴盤苗在碰撞方向的速度;M,m分別為栽植器和番茄穴盤苗的質(zhì)量.

由式(5)可得

(6)

整理式(6)可得

(7)

由式(4)和(7)可得

(8)

對式(8)進(jìn)行積分可得

(9)

(10)

將式(3)代入式(10),可以得到ω和θ與δmax的關(guān)系:

δmax=

對式(11)中的各參數(shù)賦值[15-16]:H為490 mm,R為240 mm,β為20°,E1為3.0×106Pa,E2為2.1×1011Pa,γ1為0.44,γ2為0.31,M為1 000 g,m為14.7 g,r為16.7 mm,可以得到角速度ω和接苗角θ對苗缽最大變形量δmax的影響曲面,如圖2所示.在圖中可以看到,當(dāng)角速度ω取較小值時,最大變相量δmax隨著接苗角θ的增大而減小,但是當(dāng)角速度ω取較大值時,最大變相量δmax的變化相反;當(dāng)接苗角θ固定在較小值時,隨著ω的增加,最大變相量δmax變化很小;當(dāng)接苗角θ固定在較大值時,最大變相量δmax隨著ω的增加而增大.

圖2 ω和θ對δmax的影響曲面

受勞動強度限制,人工投苗的頻率為45～50株·min-1,移栽機構(gòu)上一般安裝5個栽植器(圖1),此時栽植器轉(zhuǎn)動的角速度ω為0.91～1.05 rad·s-1.計算可得,當(dāng)ω為0.91 rad·s-1時,隨著θ的增加,δmax從2.47 mm減小到1.53 mm;當(dāng)ω為1.05 rad·s-1時,δmax從1.58 mm增大到2.41 mm.角速度ω和接苗角θ對δmax有影響,而δmax直接關(guān)系到苗缽的質(zhì)量損失.因此,栽植器的角速度ω和接苗角θ是影響苗缽質(zhì)量損失的主要因素.

2 碰撞運動分析

番茄穴盤苗與栽植器的碰撞運動復(fù)雜,進(jìn)一步利用高速攝像觀察番茄穴盤苗與栽植器的碰撞運動,找到影響苗缽質(zhì)量損失和喂苗準(zhǔn)確率的因素.

2.1 試驗材料與方法

番茄穴盤苗用128孔穴盤育苗,育苗基質(zhì)由草炭、蛭石和珍珠巖混合制成,1.2倍穴盤孔體積裝盤[10].試驗時苗齡45 d[17],株高12～20 cm,苗缽含水率50%～55%.

試驗設(shè)備為吊籃式移栽機構(gòu)試驗臺和高速攝像機(型號TS3-100L,美國FASTEC)如圖3所示.試驗臺架上調(diào)速電機和齒輪箱通過鏈條驅(qū)動移栽機構(gòu)轉(zhuǎn)動,可以通過調(diào)整調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速來改變栽植器的轉(zhuǎn)動速度,水平移動調(diào)位板可以改變栽植器的接苗角.試驗時高速攝像機圖片采集速度設(shè)定為500幅·s-1[18],移栽頻率為50株·min-1,接苗角為40°.

圖3 移栽機構(gòu)試驗臺

2.2 試驗結(jié)果與分析

為了全面地研究番茄穴盤苗與栽植器的碰撞運動,選擇具有代表性的苗缽和苗莖與栽植器碰撞進(jìn)行觀察分析.

苗缽與栽植器內(nèi)壁面的碰撞運動如圖4所示.0.012 s時苗缽與栽植器碰撞,碰撞后番茄穴盤苗相對栽植器轉(zhuǎn)動方向向前運動,0.024 s時可以看到苗缽上有育苗基質(zhì)散落(紅色圈中是散落的育苗基質(zhì)),在0.036 s苗莖與栽植器接觸后,番茄穴盤苗向下運動,0.060 s時下落到栽植器底部,番茄穴盤苗相對栽植器的運動停止.

圖4 苗缽與栽植器落苗口邊緣碰撞

苗莖與栽植器的碰撞運動如圖5所示.在0.038 s時苗莖與栽植器碰撞,碰撞后番茄穴盤苗轉(zhuǎn)動的同時向下運動,0.058 s時番茄穴盤苗下落到栽植底部,碰撞運動結(jié)束.

圖5 苗莖與栽植器碰撞

苗缽與栽植器落苗口邊緣的碰撞運動如圖6所示.0.020 s時苗缽與栽植器落苗口邊緣碰撞,碰撞后番茄穴盤苗以苗缽為轉(zhuǎn)動中心向栽植器外側(cè)轉(zhuǎn)動,0.044 s時苗缽上有育苗基質(zhì)散落(紅色圈中是散落的育苗基質(zhì)),到0.074 s時可以看到番茄穴盤苗已轉(zhuǎn)動到栽植器外側(cè),喂苗失敗.

圖6 苗缽與栽植器落苗口邊緣碰撞

通過觀察番茄穴盤苗與栽植器的碰撞運動可以發(fā)現(xiàn),苗缽與栽植器的碰撞是導(dǎo)致苗缽質(zhì)量損失的主要原因,苗莖與栽植器碰撞可以避免苗缽質(zhì)量發(fā)生損失.苗缽和苗莖與栽植器碰撞后,番茄穴盤苗的運動速度和姿態(tài)都發(fā)生改變.在前2種碰撞情況下,番茄穴盤苗與栽植器直接碰撞后,都發(fā)生了第2次碰撞.由接觸力學(xué)分析可知,第2次碰撞時苗缽也會發(fā)生變形和質(zhì)量損失.由第2種碰撞情況可以看出,碰撞點的位置會影響喂苗準(zhǔn)確率.

在投苗杯內(nèi)徑一定的條件下,不同株高的番茄穴盤苗從投苗杯中下落時傾斜角不同,會使番茄穴盤苗的不同部位與栽植器發(fā)生碰撞.株高的變化會改變番茄穴盤苗質(zhì)心的位置,這也會影響碰撞后番茄穴盤苗的運動速度和姿態(tài).因此,番茄穴盤苗的株高也是影響喂苗準(zhǔn)確率和苗缽質(zhì)量損失的因素.

3 正交試驗與工作參數(shù)優(yōu)化

3.1 試驗因素和水平的選擇

通過接觸力學(xué)分析和高速攝像試驗可知,栽植器角速度、接苗角和番茄穴盤苗株高是影響喂苗準(zhǔn)確率和苗缽質(zhì)量損失的主要因素.為了得到最優(yōu)工作參數(shù),分別在移栽頻率為45和50株·min-1時進(jìn)行正交試驗.

吊籃式移栽機構(gòu)上,栽植器的接苗角θ的范圍為0°≤θ≤90°,試驗時接苗角取40°,60°和80°.加工番茄穴盤苗移栽時株高普遍為12～20 cm,試驗時株高取12,16和20 cm.各試驗因素的水平見表1,試驗用番茄穴盤苗和移栽機構(gòu)臺架與第2節(jié)相同.

表1 試驗因素與水平

3.2 試驗結(jié)果與分析

選用正交表L9(34)安排試驗,每組試驗重復(fù)3次,每次試驗喂苗200株.以喂苗準(zhǔn)確率Q和苗缽破損率P為試驗指標(biāo),計算公式為

(12)

(13)

式中:N是喂苗數(shù)量;S是沒有進(jìn)入栽植器內(nèi)部的番茄穴盤苗數(shù)量;M1是每次試驗前所有番茄穴盤苗的質(zhì)量;M2是每次試驗后所有番茄穴盤苗的質(zhì)量.

試驗時有2個指標(biāo)需要評價,文中采用綜合評分法來確定最優(yōu)方案[19].對喂苗準(zhǔn)確率和苗缽破損率進(jìn)行量綱一化處理.

達(dá)到最大化的喂苗準(zhǔn)確率量綱一化方程為

(14)

式中:Q*是各組試驗喂苗準(zhǔn)確率的量綱一化值;Qmax是各組試驗中喂苗準(zhǔn)確率的最大值;Qmin是各組試驗中喂苗準(zhǔn)確率的最小值;Q0是各組試驗喂苗準(zhǔn)確率的試驗值.

達(dá)到最小化的苗缽破損率量綱一化方程為

(15)

式中:P*是各組試驗苗缽破損率的量綱一化值;Pmax是各組試驗中苗缽破損率的最大值;Pmin是各組試驗中苗缽破損率的最小值;P0是各組試驗苗缽破損率的試驗值.

移栽時,需要在保證喂苗準(zhǔn)確率的條件下,降低苗缽破損率,取它們的權(quán)重系數(shù)分別為0.65和0.35.綜合評分值K為

K=(0.65Q*+0.35P*)×100.

(16)

正交試驗結(jié)果如表2,3所示.

表2 移栽頻率45株·min-1時試驗結(jié)果

表3 移栽頻率50株·min-1時試驗結(jié)果

由表2可以看出,移栽頻率為45株·min-1時,試驗號為5,6和9的工作參數(shù)為較優(yōu)組合.由表3可以看出,移栽頻率為50株·min-1時,試驗號為5,6和7的工作參數(shù)為較優(yōu)組合.這時接苗角為60°和80°,番茄穴盤苗株高為12和16 cm.2種移栽頻率下,各因素對2個試驗指標(biāo)敏感性由大到小為接苗角和番茄穴盤苗株高.

4 田間移栽試驗

為了進(jìn)一步驗證綜合評分優(yōu)選得到的6組工作參數(shù)的實際工作效果,進(jìn)行田間移栽試驗.

4.1 試驗裝置和方案

試驗用設(shè)備為吊籃式移栽機(圖7a)[20],試驗地點在新疆兵團(tuán)第二師27團(tuán),育苗基質(zhì)由草炭、蛭石和營養(yǎng)土組成,試驗時苗齡48 d(圖7b).試驗前田間已鋪設(shè)地膜,土壤干燥.

田間試驗共進(jìn)行6組,分別是移栽頻率為45和50株·min-1時綜合評分K值較高的3組工作參數(shù).每組試驗重復(fù)3次,每次試驗移栽200株番茄穴盤苗.

圖7 吊籃式移栽機與試驗用番茄穴盤苗

4.2 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果見表4,由表可以看出田間試驗中各組試驗的喂苗準(zhǔn)確率都低于正交試驗的結(jié)果,這是因為試驗用地受整地質(zhì)量的影響,一些區(qū)域耕層較淺,栽植器入土?xí)r接觸到耕層下較硬的土壤,將移栽機構(gòu)頂起發(fā)生振動,導(dǎo)致喂苗準(zhǔn)確率降低.還可以看到,苗缽破損率小于正交試驗的結(jié)果,這是因為苗缽中的水分使栽植器內(nèi)壁面粘黏土壤[21],降低了苗缽與栽植器碰撞時的變形量.總體看來,田間試驗與臺架試驗結(jié)果基本一致,田間移栽生產(chǎn)作業(yè)時,移栽頻率并不是始終不變,會在45～50株·min-1之間變動,由田間試驗的結(jié)果可以看出,接苗角取60°,番茄穴盤苗株高小于16 cm,有利于提高喂苗準(zhǔn)確率和降低苗缽質(zhì)量損失.

表4 田間移栽試驗參數(shù)和結(jié)果

5 結(jié) 論

1) 用接觸力學(xué)研究碰撞時苗缽最大變形量與栽植器工作參數(shù)之間的關(guān)系,并用高速攝像觀察番茄穴盤苗與栽植器的碰撞運動,得出栽植器角速度、接苗角和番茄穴盤苗株高是影響喂苗準(zhǔn)確率和苗缽質(zhì)量損失的主要因素.

2) 在移栽頻率為45和50株·min-1時,以接苗角和番茄穴盤苗株高為因素,進(jìn)行正交試驗,并用綜合評分法對喂苗準(zhǔn)確率和苗缽破損率進(jìn)行評價,得出接苗角取60°和80°,番茄穴盤苗株高取12和16 cm時,綜合評分的分值較高.

3) 用綜合評分分值較高的6組試驗進(jìn)行田間移栽試驗,試驗結(jié)果與正交試驗基本一致,得出移栽頻率為45～50株·min-1時,接苗角取60°,番茄穴盤苗株高小于16 cm,有利于提高喂苗準(zhǔn)確率和降低苗缽質(zhì)量損失.

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