秦 偉，于英杰，*，賴慶輝，占才學(xué)，袁海闊，張海軍

(1.昆明理工大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇 南京 210014；3.吉林大學(xué) 生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

三七作為云南特色名貴中藥材，在中國(guó)有著廣泛的市場(chǎng)需求，截至2017年其種植面積已達(dá)6.67萬hm。為保證三七產(chǎn)量和品質(zhì)，一般在一年苗圃育苗后，需將三七秧苗移栽至種床。當(dāng)前三七種苗移栽作業(yè)全部依靠人工作業(yè)，人工移栽作業(yè)效率低標(biāo)準(zhǔn)化程度差。因此，為提高三七生產(chǎn)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)三七種苗移栽機(jī)械化是大勢(shì)所趨。

栽植機(jī)構(gòu)作為移栽機(jī)關(guān)鍵部件，其工作性能好壞是保證移栽作業(yè)質(zhì)量的關(guān)鍵因素。當(dāng)前對(duì)于栽植機(jī)構(gòu)的研究主要集中于蔬菜領(lǐng)域，主要機(jī)構(gòu)類型包括鏈夾式、導(dǎo)苗管式、鴨嘴式、紙缽移栽、行星輪式等；對(duì)于三七等長(zhǎng)根莖作物栽植機(jī)構(gòu)的研究較少。在國(guó)內(nèi)，徐高偉等研制的五桿丹參種苗栽植機(jī)構(gòu)，通過丹參種苗與鴨嘴的匹配性提高了丹參裸苗栽植合格率，但丹參裸苗主根長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于三七，且其移栽過程中無需完成定向，栽植農(nóng)藝與三七相差較大；韋利波等研制了一種鏈夾式甘草移栽機(jī)，解決了甘草栽苗問題，但該機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且需拖拉機(jī)動(dòng)力牽引，難以適應(yīng)坡耕地條件下的栽植作業(yè)，且其苗夾對(duì)三七種苗的瞬間夾持力沖擊大，易造成三七種苗的須根損傷；姜彩宇等研制了一種半自動(dòng)人參移栽機(jī)，采用機(jī)械化開溝培土和人工擺苗方式進(jìn)行作業(yè)，一定程度上解決了人工彎腰培土問題，但人工擺苗過程繁瑣且仍需反復(fù)彎腰屈伸。在國(guó)外，美國(guó)研制的1265吊籃式西洋參移栽機(jī)，通過吊籃入土成穴完成移栽作業(yè)，但栽植質(zhì)量依靠人工投苗精度確定；韓國(guó)研制的SM-205B移栽機(jī)，采用機(jī)械式凸輪控制技術(shù)和距離傳感器來保證人參栽植行距、株距的一致性，但該機(jī)對(duì)作業(yè)環(huán)境要求嚴(yán)格，經(jīng)濟(jì)成本高且不易推廣。

綜上所述，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)根莖類作物雖在一定程度上實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化移栽作業(yè)，但相關(guān)作業(yè)機(jī)械并不滿足當(dāng)前三七機(jī)械化移栽的實(shí)際情況，且目前尚無對(duì)長(zhǎng)根莖類作物定向移栽機(jī)構(gòu)的研究報(bào)道。為實(shí)現(xiàn)三七種苗機(jī)械化定向移栽，本文結(jié)合三七種苗的移栽農(nóng)藝和導(dǎo)苗管式栽植機(jī)構(gòu)傷苗率低的特點(diǎn)，研究導(dǎo)苗管式三七種苗栽植機(jī)構(gòu)，對(duì)其作業(yè)時(shí)的定向過程、導(dǎo)苗過程機(jī)理進(jìn)行分析，確定影響三七種苗移栽的主要因素，應(yīng)用離散元仿真軟件EDEM進(jìn)行種苗定向過程的仿真試驗(yàn)，根據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果搭建定向機(jī)構(gòu)臺(tái)架，進(jìn)行定向機(jī)構(gòu)定向性能的試驗(yàn)，確定定向機(jī)構(gòu)優(yōu)化后的工作參數(shù)。通過三因素五水平正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)進(jìn)行栽植機(jī)構(gòu)栽植性能的臺(tái)架試驗(yàn)，確定栽植機(jī)構(gòu)優(yōu)化后的工作參數(shù)組合，以期滿足三七種苗移栽的農(nóng)藝要求。

1，開溝器；2，機(jī)架；3，電機(jī)；4，同步帶Ⅰ；5，同步帶Ⅱ；6，接苗盤；7，接苗斗；8，定向斗；9，定向盤；10，固定環(huán)；11，中間承接筒；12，導(dǎo)苗管；13，鎮(zhèn)壓輪。1，Ditcher;2，F(xiàn)rame;3，Motor;4，Synchronous belt Ⅰ;5，Synchronous belt Ⅱ;6，Seedling plate;7，Seedling hopper;8，Directional bucket;9，Directional plate;10，F(xiàn)ixed ring;11，Intermediate receptacle tube;12，Seedling tube;13，Packer wheel.圖1 導(dǎo)苗管式三七種苗栽植機(jī)構(gòu)Fig.1 Structure of seedling guiding tube transplanting machine of P.notoginseng seedling

1 栽植機(jī)構(gòu)及工作原理

導(dǎo)苗管式三七種苗栽植機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)具體結(jié)構(gòu)見圖1。導(dǎo)苗管式三七種苗栽植機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)，機(jī)器前進(jìn)并帶動(dòng)開溝器開出苗溝，同步帶Ⅰ、Ⅱ在電機(jī)帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)接苗盤與定向盤轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使安裝在接苗盤上的接苗斗和安裝在定向盤上的定向斗發(fā)生碰撞，完成種苗定向；而后三七種苗隨定向斗沿固定環(huán)軌道轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)定向斗運(yùn)動(dòng)到固定環(huán)軌道缺口時(shí)，定向斗下端在重力作用下開啟，種苗在重力和離心力作用下落入中間承接筒；中間承接筒在平衡了種苗離心力后，種苗落入導(dǎo)苗管并在管中下滑，最終落入苗溝，隨后覆土圓盤和鎮(zhèn)壓輪分別進(jìn)行覆土、鎮(zhèn)壓，完成移栽作業(yè)。

2 定向過程分析

三七種苗(一年生種苗)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括剪口、主根及須根三部分，三七種苗的質(zhì)量主要集中于剪口與主根區(qū)域，其質(zhì)心位于剪口區(qū)域與主根區(qū)域的交界位置附近。前期結(jié)合三七種苗的結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)了三七種苗完成定向所需的接苗斗和定向斗，以此為基礎(chǔ)對(duì)三七種苗的定向過程進(jìn)行分析。

圖2 三七種苗結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of P.notoginseng seedlings

自定向斗與接苗斗底端驅(qū)動(dòng)塊或種苗須根碰撞起，至種苗落至定向斗內(nèi)為止的過程為定向過程。當(dāng)三七種苗剪口朝下時(shí)，定向斗與接苗斗底端驅(qū)動(dòng)塊碰撞使接苗斗打開，隨后種苗垂直落入定向斗內(nèi)(圖3-a)。當(dāng)三七種苗剪口朝上時(shí)，定向斗首先與種苗須根接觸，而后種苗會(huì)以須根撞擊點(diǎn)為原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)180°，落入定向斗(圖3-b)。

圖3 三七種苗定向過程Fig.3 The directional process of P.notoginseng seedlings

圖4-a為定向斗未與種苗須根碰撞時(shí)的狀態(tài)，此時(shí)種苗在定向斗內(nèi)的受力平衡方程如式(1)所示：

圖4 定向過程三七種苗受力情況圖Fig.4 Force diagram of P.notoginseng seedling in directional process

(1)

式(1)中：1、2為接苗斗對(duì)三七種苗支持力；1、2為接苗斗對(duì)種苗摩擦力；1、2為接苗斗與種苗動(dòng)摩擦系數(shù)。

圖4-b為定向斗與三七須根碰撞后，三七種苗被定向斗與接苗斗驅(qū)動(dòng)塊夾持，種苗在重力作用下沿點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，此時(shí)可得種苗的力矩方程如式(2)所示：

=cos+1-1。

(2)

式(2)中：為三七種苗繞點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩；為種苗重心至點(diǎn)連線和水平方向之間的夾角；、分別為支持力、摩擦力到點(diǎn)的垂直距離。

圖4-c為接苗斗完全張開后的三七種苗翻轉(zhuǎn)過程，此時(shí)，種苗僅受重力與定向斗撞擊力的作用，可得種苗的力矩方程如式(3)所示：

=cos。

(3)

綜上所述，三七種苗定向翻轉(zhuǎn)過程中所受的力矩大小與定向斗碰撞種苗須根時(shí)的力大小無關(guān)。

3 導(dǎo)苗過程分析

導(dǎo)苗過程主要包括如下階段：(1)種苗自定向斗投入至中間承接筒；(2)種苗自承接筒斜拋至導(dǎo)苗管后沿導(dǎo)苗管壁下滑，最后落入苗溝。假設(shè)上述導(dǎo)苗動(dòng)作發(fā)生在一個(gè)平面內(nèi)，忽略空氣阻力且將種苗運(yùn)動(dòng)作質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)分析，以此為基礎(chǔ)建立了種苗在導(dǎo)苗管中的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，以確定影響導(dǎo)苗過程的具體因素。

3.1 中間承接筒

種苗自投苗處以水平初速度拋出后，與中間承接筒內(nèi)壁發(fā)生碰撞，隨后種苗以速度沿內(nèi)壁運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其在壁面運(yùn)動(dòng)垂直距離后，種苗將以斜拋?zhàn)藨B(tài)墜入導(dǎo)苗管壁面，如圖5所示。

圖5 種苗落入承接筒后運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.5 Movement sketch of seedlings falling into intermediate receptacle tube

由此得到種苗與中間承接筒在點(diǎn)碰撞時(shí)的瞬時(shí)速度：

(4)

種苗與中間承接筒內(nèi)壁發(fā)生碰撞后，由于須根緩沖作用，種苗垂直中間承接筒壁面的分速度瞬間衰減為0，如式(5)所示：

(5)

自點(diǎn)后，種苗在中間承接筒內(nèi)壁的滑動(dòng)可近似為勻加速直線運(yùn)動(dòng)，如式(6)所示:

(6)

式(6)中：為種苗質(zhì)量；為重力加速度；為種苗在點(diǎn)處所受支持力；為種苗沿中間承接筒內(nèi)壁滑落時(shí)加速度；為承接筒內(nèi)壁與軸夾角；為點(diǎn)與點(diǎn)之間垂直距離；為種苗與承接筒壁之間動(dòng)摩擦系數(shù)；為種苗在壁面勻加速運(yùn)動(dòng)時(shí)間；為點(diǎn)時(shí)種苗瞬時(shí)速度。

為保證種苗能沿承接筒壁面順利滑下，必須滿足：1)種苗在點(diǎn)發(fā)生碰撞后，其沿壁面方向的速度矢量大于0；2)種苗沿壁面運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度矢量大于0。由此可得約束方程：

(7)

3.2 導(dǎo)苗管

三七種苗斜拋至導(dǎo)苗管壁面點(diǎn)后，將會(huì)沿導(dǎo)苗管壁面繼續(xù)做勻加速直線運(yùn)動(dòng)至點(diǎn)，詳見圖6。種苗在點(diǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程如式(8)所示:

圖6 種苗落入導(dǎo)苗管后運(yùn)動(dòng)過程簡(jiǎn)圖Fig.6 Movement sketch of seedlings falling into seedling tube

(8)

式(8)中：20、20分別為種苗與導(dǎo)苗管在點(diǎn)碰撞瞬間的水平方向分速度、豎直方向分速度；為、點(diǎn)在豎直方向的距離。

在須根的緩沖作用下，垂直于導(dǎo)苗管平面的分速度為0，如式(9)所示：

(9)

種苗自點(diǎn)勻加速運(yùn)動(dòng)至點(diǎn)，如式(10)所示：

(10)

式(10)中：為種苗在點(diǎn)處所受支持力；為種苗沿導(dǎo)苗管內(nèi)壁滑落時(shí)的加速度；為導(dǎo)苗管內(nèi)壁與水平方向之間夾角；為、點(diǎn)之間垂直距離；為種苗與導(dǎo)苗管內(nèi)壁之間動(dòng)摩擦系數(shù)；為種苗在壁面勻加速運(yùn)動(dòng)時(shí)間；為點(diǎn)時(shí)種苗的瞬時(shí)速度。

3.3 種苗落地

如圖7所示，種苗自導(dǎo)苗管中拋出后，會(huì)以斜拋運(yùn)動(dòng)落至苗溝，種苗落入苗溝前瞬間的運(yùn)動(dòng)方程如式(11)所示：

圖7 種苗落地過程簡(jiǎn)圖Fig.7 Movement sketch of seedlings falling into ground

(11)

式(11)中：40、40分別為種苗脫離導(dǎo)苗管點(diǎn)時(shí)的水平方向分速度和豎直方向分速度；為機(jī)組前進(jìn)速度；為、點(diǎn)在豎直方向上的距離。

進(jìn)而可得種苗在落入苗溝前瞬間的水平位移如式(12)所示：

(12)

當(dāng)三七種苗觸碰至苗溝瞬間，其發(fā)生塑性形變，忽略種苗變形的時(shí)間和位移量，并假設(shè)碰撞后，種苗豎直方向速度迅速衰減為0，則可以得到缽苗落地碰撞后的近似速度如式(13)所示：

=40。

(13)

當(dāng)種苗落入種溝后，由于其自身的慣性作用，其將以點(diǎn)為中心發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

綜上所述，三七種苗導(dǎo)苗過程與種苗自身物料特性，種苗拋入中間承接筒水平速度，中間承接筒傾角、長(zhǎng)度，導(dǎo)苗管長(zhǎng)度、傾角、距離地面高度等因素有關(guān)。

4 仿真試驗(yàn)與分析

由于三七種苗定向過程較為復(fù)雜，單純采用理論分析很難有效確定定向機(jī)構(gòu)接苗斗與定向斗的具體結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)，為避免裝置設(shè)計(jì)過程中的盲目性，降低試制成本，結(jié)合離散元軟件EDEM對(duì)種苗定向過程進(jìn)行了仿真模擬。

4.1 種苗模型

結(jié)合文獻(xiàn)[17]可知，三七種苗表面無黏附力，本文將三七種苗與種苗、種苗與定向機(jī)構(gòu)間的接觸模型設(shè)置為Hertz-Mindlin無滑移接觸模型。依據(jù)三七種苗的三軸平均尺寸，首先在Solidworks軟件中繪制了種苗的三維模型，而后將種苗三維模型轉(zhuǎn)至.Stl.格式并導(dǎo)入EDEM軟件，以此為基礎(chǔ)對(duì)三七種苗進(jìn)行顆粒填充(圖8)。

圖8 顆粒填充Fig.8 Particle filling

4.2 定向機(jī)構(gòu)模型

為提高仿真效率，將定向機(jī)構(gòu)模型非接觸部分進(jìn)行簡(jiǎn)化，僅保留接苗斗與定向斗部分，同時(shí)將定向盤轉(zhuǎn)動(dòng)由圓周運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，將簡(jiǎn)化后的模型首先轉(zhuǎn)為.x_t格式，隨后在EDEM軟件中導(dǎo)入，如圖9所示。

圖9 定向機(jī)構(gòu)模型Fig.9 Directional mechanism model

4.3 仿真設(shè)置

在接苗斗上方設(shè)置顆粒工廠，每次生成一株三七種苗，設(shè)置三七種苗下落的初始速度為0，三七種苗剪口的朝向設(shè)置為隨機(jī)生成，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為5.5×10s，仿真總時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為2 s。定向仿真試驗(yàn)詳見圖10。

圖10 定向仿真試驗(yàn)Fig.10 Directional mechanism simulation test

4.4 單因素仿真試驗(yàn)

為得到各參數(shù)對(duì)定向機(jī)構(gòu)作業(yè)影響情況，決定以定向盤斗速、接苗斗角度和三七種苗大小為仿真試驗(yàn)因素，以三七定向合格率為仿真試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行單因素仿真試驗(yàn)，進(jìn)行仿真試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)因素選取三個(gè)水平；定向合格率的計(jì)算公式為：

(14)

式(14)中：為試驗(yàn)過程中所有三七種苗的數(shù)量；為定向合格的種苗數(shù)量。

試驗(yàn)前，依據(jù)三七種苗的質(zhì)量，將三七種苗分為三級(jí)，即三七種苗單株質(zhì)量在2.5 g以上為一級(jí)，單株重在1.25～2.50 g為二級(jí)，單株重在0.75～1.25 g為三級(jí)。

4.4.1 定向斗轉(zhuǎn)速對(duì)定向合格率的影響

在接苗角度為20°、三七種苗采用二級(jí)的條件下，分別進(jìn)行定向斗不同轉(zhuǎn)速條件下的仿真試驗(yàn)，結(jié)果見圖11-a，可知定向合格率隨定向斗轉(zhuǎn)速的增加呈下降趨勢(shì)。主要原因是當(dāng)定向斗的轉(zhuǎn)速增加時(shí)，定向斗和接苗斗撞擊時(shí)間變短，使得定向時(shí)間變短，進(jìn)而導(dǎo)致定向合格率下降，結(jié)合圖11-a，確定定向斗轉(zhuǎn)速為8 m·min時(shí)，定向合格率較優(yōu)。

圖11 各因素對(duì)定向合格率的影響Fig.11 Influence of various factors on directional qualification rate

4.4.2 接苗斗角度對(duì)定向合格率的影響

在定向斗轉(zhuǎn)速為8 m·min，三七種苗使用二級(jí)的條件下，分別對(duì)不同角度的接苗斗進(jìn)行仿真試驗(yàn)，結(jié)果見圖11-b?？芍?dāng)接苗斗角度在25°時(shí)，三七種苗定向合格率最高。當(dāng)接苗斗角度在20°和30°時(shí)，種苗定向率大體相近，結(jié)合圖11-b，確定接苗斗的角度為25°時(shí)，定向合格率較優(yōu)。

4.4.3 種苗等級(jí)對(duì)定向合格率的影響

在接苗斗角度為25°、定向斗轉(zhuǎn)速為8 m·min的條件下，分別對(duì)不同等級(jí)的三七種苗進(jìn)行仿真試驗(yàn)，結(jié)果見圖11-c。可知二級(jí)種苗定向合格率大于一級(jí)種苗與三級(jí)種苗，主要原因?yàn)槎?jí)種苗外形相對(duì)于一級(jí)種苗和二級(jí)種苗而言更加規(guī)則，種苗的質(zhì)心靠近種苗剪口且離須根距離越遠(yuǎn)，因此定向成功的機(jī)率高。

4.5 正交試驗(yàn)

4.5.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為優(yōu)化定向機(jī)構(gòu)的工作參數(shù)，以仿真試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，進(jìn)行定向機(jī)構(gòu)定向性能的試驗(yàn)，如圖12所示。選取定向斗轉(zhuǎn)速、種苗等級(jí)和接苗斗角度為試驗(yàn)因素，定向合格率為試驗(yàn)指標(biāo)，以正交表L(3)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，如表1所示。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)取其平均值。

表1 試驗(yàn)因素編碼Table 1 Code of test factors

圖12 定向機(jī)構(gòu)Fig.12 Directional mechanism

4.5.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)方案與結(jié)果見表2，結(jié)果顯示，×交互列的極差值為1.50，小于、、三列單因素極差值，因此認(rèn)為×交互列對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響為可以忽略，最終確定影響定向合格率的因素依次為>>；試驗(yàn)結(jié)果方差分析見表3，結(jié)果顯示接苗斗角度對(duì)定向合格率影響顯著(<0.05)，定向盤轉(zhuǎn)速對(duì)定向合格率影響極顯著(<0.01)；結(jié)合極差分析結(jié)果，綜合考慮各因素對(duì)定向機(jī)構(gòu)作業(yè)性能的影響，最終確定了最優(yōu)工作參數(shù)組合即定向盤轉(zhuǎn)速為20 r·min，接苗斗角度為20°，三七種苗等級(jí)為二級(jí)，此時(shí)定向合格率為89.35%。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 2 Experimental scheme and test results

表3 方差分析Table 3 Variance analysis

5 試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

為驗(yàn)證導(dǎo)苗管式三七種苗栽植機(jī)構(gòu)的栽植性能，經(jīng)過前期準(zhǔn)備，搭建了栽植機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)(圖13)，進(jìn)行栽植機(jī)構(gòu)栽植性能試驗(yàn)。試驗(yàn)材料為云南省文山州七丹藥業(yè)三七種植基地處理后的二級(jí)種苗，其平均質(zhì)量為1.773 9 g，密度為1.05 g·cm，含水率為69.4%。試驗(yàn)前剔除損傷種苗。

圖13 栽植機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)Fig.13 Bench test of transplanting machine

5.2 試驗(yàn)指標(biāo)

依據(jù)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10291—2013《旱地栽植機(jī)械》確定試驗(yàn)指標(biāo)為株距合格率(05<≤15)、重栽率(0<≤05)。其計(jì)算公式如式(15)所示：

(15)

式(15)中：為理論株距；為合格株數(shù)；為重栽株數(shù)。

5.3 試驗(yàn)方法

經(jīng)過前期仿真分析與試驗(yàn)，選取機(jī)組前進(jìn)速度()、定向盤轉(zhuǎn)速()、導(dǎo)苗管傾斜角度()作為試驗(yàn)因素，選取株距合格率()、重栽率()為試驗(yàn)指標(biāo)，采用三因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)法，尋求栽植機(jī)構(gòu)達(dá)到較優(yōu)栽植性能時(shí)的工作參數(shù)組合。試驗(yàn)因素水平表見表4。

表4 試驗(yàn)因素編碼Table 4 Code of test factors

試驗(yàn)于昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備實(shí)驗(yàn)室土槽試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，試驗(yàn)共有23組，每組試驗(yàn)重復(fù)5次，取其平均值。試驗(yàn)方案如表5所示。

表5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Table 5 Test design scheme and results

5.4 試驗(yàn)結(jié)果討論與分析

5.4.1 多元回歸分析

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，對(duì)株距合格率、重栽率的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元擬合，得到其回歸方程，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

通過多元擬合可得到各因素對(duì)株距合格率、重栽率的影響的回歸模型如式(16)、(17)所示：

(16)

(17)

表6為各試驗(yàn)因素對(duì)株距合格率、重栽率影響的顯著情況。由表6可知，株距合格率、重栽率的回歸模型均小于0.000 1，擬合極顯著；失擬項(xiàng)均大于0.05，說明方程能夠反映各試驗(yàn)因素及其交互項(xiàng)、二次項(xiàng)與株距合格率、重栽率之間的關(guān)系，剔除不顯著因素后得到株距合格率、重栽率新的回歸模型分別如式(18)、(19)所示：

表6 方差分析表Table 6 Table of variance analysis

(18)

(19)

5.4.2 響應(yīng)面分析

利用Origin 9.1軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了各因素交互項(xiàng)對(duì)株距合格率影響的響應(yīng)曲面圖，如圖14所示。圖14-a為導(dǎo)苗管傾斜角度固定在77°水平時(shí)，機(jī)組前進(jìn)速度與定向盤轉(zhuǎn)速交互作用對(duì)株距合格率的影響。定向盤轉(zhuǎn)速在一定水平時(shí)，隨機(jī)組前進(jìn)速度的增大株距合格率呈先升后降的趨勢(shì)；這是由于機(jī)組前進(jìn)速度的增加，使導(dǎo)苗管受到機(jī)組振動(dòng)影響的增加，一定程度的振動(dòng)提高了導(dǎo)苗管內(nèi)的種苗流動(dòng)性，促進(jìn)了種苗的有序栽植，但當(dāng)機(jī)組前進(jìn)速度過大時(shí)，導(dǎo)苗管內(nèi)的種苗受到不規(guī)則振動(dòng)的影響，使其在管內(nèi)的振動(dòng)處于無序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而使得相鄰種苗在導(dǎo)苗管中的間距呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，最終導(dǎo)致株距合格率降低。機(jī)組前進(jìn)速度在一定水平時(shí)，隨定向盤轉(zhuǎn)速的增加株距合格率呈逐漸上升的趨勢(shì)；這是由于隨著定向盤轉(zhuǎn)速的增加，在定向斗中的種苗獲得的水平速度也逐漸增大，種苗落入中間接苗筒的橫向距離亦增加，使得增大，種苗在中間承接筒垂直方向上的運(yùn)動(dòng)時(shí)間增加，進(jìn)而自中間接苗筒斜拋入導(dǎo)苗管時(shí)的速度增加，使種苗有較大的能量克服導(dǎo)苗管壁面摩擦阻力并沿著導(dǎo)苗管壁面下滑，不易在導(dǎo)苗管口產(chǎn)生堵塞。因此，當(dāng)機(jī)組前進(jìn)速度處在0.92～1.20 km·h，定向盤轉(zhuǎn)速處在23.00～30.31 r·min時(shí)，株距合格率處于較優(yōu)水平。

圖14 各因素對(duì)株距合格率影響的響應(yīng)面Fig.14 Response surface of factors affecting the qualified rate of planting space

圖14-b為定向盤轉(zhuǎn)速固定在27.03 r·min水平時(shí)，機(jī)組前進(jìn)速度與導(dǎo)苗管傾斜角度交互作用對(duì)株距合格率的影響，導(dǎo)苗管傾斜角度在一定水平時(shí)，隨機(jī)組前進(jìn)速度的增大株距合格率呈上升趨勢(shì)；當(dāng)機(jī)組前進(jìn)速度在一定水平時(shí)，隨導(dǎo)苗管傾斜角度的增加株距合格率呈先升后降的趨勢(shì)；這是由于隨著導(dǎo)苗管角度的增加，可以使種苗在沿導(dǎo)苗管重力方向的分力來克服壁面摩擦力，促進(jìn)種苗的流動(dòng)，但當(dāng)導(dǎo)苗管角度過大時(shí)，種苗在導(dǎo)苗管中運(yùn)動(dòng)時(shí)間變短，受機(jī)組振動(dòng)影響后其擺動(dòng)姿態(tài)糾正時(shí)間變短，導(dǎo)致相鄰種苗之間的間距變化幅度大，進(jìn)而影響了其株距合格率。因此，當(dāng)機(jī)組前進(jìn)速度處在0.92～1.17 km·h，導(dǎo)苗管傾斜角度處在69.15～79.14°時(shí)，株距合格率處于較優(yōu)水平。

圖14-c為機(jī)組前進(jìn)速度在1.04 km·h時(shí)，定向盤轉(zhuǎn)速與導(dǎo)苗管傾斜角度交互作用對(duì)株距合格率的影響，導(dǎo)苗管傾斜角度在一定水平時(shí)，隨定向盤轉(zhuǎn)速的增加株距合格率呈遞增趨勢(shì)；定向盤轉(zhuǎn)速在一定水平時(shí)，隨導(dǎo)苗管傾斜角度的增加株距合格率呈先升后降的趨勢(shì)。因此，當(dāng)定向盤轉(zhuǎn)速為23.6～30.24 r·min，導(dǎo)苗管傾斜角度為69.53～70.8°時(shí)，株距合格率處于較優(yōu)水平。

5.4.3 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證試驗(yàn)

為得到栽植機(jī)構(gòu)最優(yōu)工作參數(shù)組合，采用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和優(yōu)化，設(shè)定株距合格率大于90%，重栽率小于5%。將導(dǎo)苗管傾斜角度的水平固定為74.32°，設(shè)置的機(jī)組前進(jìn)速度為0.8～1.2 km·h，定向盤轉(zhuǎn)速范圍為20～35 r·min，在此條件下進(jìn)行優(yōu)化，得到了滿足栽植機(jī)構(gòu)作業(yè)性能預(yù)期要求的工作參數(shù)組合為：機(jī)組前進(jìn)速度為0.95～1.11 km·h，定向盤轉(zhuǎn)速為24.32～27.57 r·min。

對(duì)優(yōu)化后的導(dǎo)苗管式三七種苗栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，選取機(jī)組前進(jìn)速度為1 km·h，定向盤轉(zhuǎn)速為25 r·min，導(dǎo)苗管傾斜角度為75°，在相同試驗(yàn)條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)進(jìn)行5次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示，試驗(yàn)后得到導(dǎo)苗管式三七種苗栽植機(jī)構(gòu)的株距合格率為90.6%，重栽率為4.2%，滿足三七種苗移栽農(nóng)藝。

表7 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果Table 7 Results of tests

6 結(jié)論

(1)本文設(shè)計(jì)了一種導(dǎo)苗管式三七種苗栽植機(jī)構(gòu)，建立了三七種苗定向過程的離散元仿真模型，確定了影響栽植機(jī)構(gòu)栽植性能的各項(xiàng)因素。接苗斗角度對(duì)種苗定向合格率影響顯著，定向斗轉(zhuǎn)速對(duì)種苗定向合格率影響極顯著。確定定向機(jī)構(gòu)最優(yōu)工作參數(shù)組合為定向盤轉(zhuǎn)速為20 r·min，接苗斗角度為20°，三七種苗等級(jí)為二級(jí)。

(2)通過臺(tái)架試驗(yàn)確定了影響株距合格率的主次因素分別為定向盤轉(zhuǎn)速、機(jī)組前進(jìn)速度、導(dǎo)苗管傾斜角度。通過優(yōu)化分析，確定了滿足三七種苗移栽的農(nóng)藝要求的工作參數(shù)組合，即機(jī)組前進(jìn)速度為1 km·h，定向盤轉(zhuǎn)速為25 r·min，導(dǎo)苗管傾斜角度為75°；此時(shí)導(dǎo)苗管式三七種苗栽植機(jī)構(gòu)的株距合格率為90.6%，重栽率為4.2%。