玉米纸筒钵苗移栽机输送分苗装置性能研究

那明君，颜世东，杨波，乔杰，刘旺，周振响，董欣

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

玉米纸筒钵苗移栽机输送分苗装置性能研究

那明君，颜世东，杨波，乔杰，刘旺，周振响，董欣*

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

探讨自主研制玉米纸筒钵苗输送分苗装置作业性能及优化试验。采用二次正交旋转中心组合优化方法，以喂苗速度、分苗盘转速、纸钵间距为影响因子，分离率、工作效率为目标函数，对影响输送分离装置工作参数组合优化试验。结果表明，喂入速度为2.6～3.0 m·min-1、分苗盘转速为16～19 r·min-1、纸钵间距为13 mm时，分苗率达95%，工作效率达61个·min-1。为玉米纸筒钵苗输送分苗装置设计，解决制约半自动钵苗移栽机钵苗自动喂入问题提供依据。

纸筒钵苗；玉米；输送分苗装置；优化

那明君,颜世东,杨波,等.玉米纸筒钵苗移栽机输送分苗装置性能研究[J].东北农业大学学报,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)

玉米是我国主要粮食作物之一，玉米育苗移栽可增加有效积温，延长作物生长期，提高产量。但人工移栽用工量大、劳动效率低、劳动强度高、投入产出比低，制约移栽技术推广应用。

机械化移栽可为玉米育苗移栽提供技术保障并解决作业成本和效率问题[1-4]。

喂苗形式直接影响移栽作业效率。传统旱地移栽机械喂苗形式以人工喂苗为主，移栽机械作业速度难于突破60株·min-1。日本日立株式会社公司和意大利Ferrari公司将方形压缩基质置于秧盘中，移栽时用条形铲取出一行钵苗置于输送带上，提高喂苗效率。意大利Ferrari公司及法国Pearson公司旱田全自动移栽机结构复杂、成本高、效率低，主要用于经济作物移栽[5-8]。韩长杰等研究穴盘苗移栽机自动取喂系统，利用柔性链输送喂入机构逐个投放穴盘苗，PLC控制气压驱动，取喂苗速度高达70株·min-1[9]；耿端阳等根据玉米营养钵特性，研究设计栽植机导轮式钵苗排序装置，工作时将成盘钵苗一次性送至输送带，当钵体到达导向轮时，导向轮将无序状态钵苗排成有序列实现钵苗成盘喂入。但钵苗排序过程中输送带速度过快或导向轮转速太高，会出现钵体倾倒或堆积现象，影响排序效果[10]；赵作伟等研究甜菜链式纸钵苗分离装置，利用分离轮与引出轮速度差形成拉力将钵苗撕裂拉断实现钵苗分离[11-12]。

全自动移栽机因结构复杂、成本高、育苗质量影响栽植效率与质量，未推广应用；目前我国玉米钵苗移栽机械均为半自动移栽机，技术成熟、成本低，但钵苗喂入过程排序速度低[7]为限制栽植速度主要原因。为解决玉米钵苗人工喂入效率低、劳动强度大等问题，本文针对玉米移栽纸质可折叠秧盘及其纸筒钵苗物理特性，研究设计钵苗喂入输送分苗机构，实现钵苗自动输送、排序和分苗；在自主研制试验台架上开展输送分苗装置性能试验，研究工作参数对作业性能影响规律，为玉米纸筒钵苗移栽机械输送分苗装置设计、解决制约半自动钵苗移栽机钵苗自动喂入问题提供理论依据。

1 试验装置和仪器设备

1.1 试验装置结构

玉米纸筒钵苗输送分苗装置主要由输送机构、排序定位机构和分苗机构组成，如图1所示。输送机构采用带式输送机构，由两条并排配置A型水平输送带3和4个带轮1构成；排序定位机构由一条定位圆形带2和带有前端锥螺纹以及后端等距螺纹定位螺杆4构成，配置于水平输送带之间；分苗机构由两个同轴、按一定间距配置高密度聚乙烯材质分苗盘6构成，配置于输送带内一定距离，用来托住纸筒钵苗以保证纸筒钵苗可靠地进入分苗盘取钵槽内。

此外，试验采用仪器设备还有EMT260系列数字转速表（上海隆拓仪器设备有限公司）、自主设计变频调速控制系统及DHG-9420A型电热恒温鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）。

图1 玉米纸筒钵苗输送分苗机构结构Fig.1Main structure of tests

1.2 试验装置工作原理

输送、排序和分苗机构分别由两台调速电动机驱动和控制调速，满足运动机构不同作业参数试验组合要求。

作业时，置于输送机构上纸筒钵苗随输送带运动至回转定位螺杆区域时，纸钵底端被其托起与平皮带短暂脱离，回转定位螺杆与纸筒钵苗相互作用产生切向力保证纸钵运动至定位皮带，使纸钵在钵体高度方向上对齐，产生轴向力保证纸钵继续随输送带水平方向运动以避免纸钵产生二次倾斜；当纸钵与分苗盘接触时，在分苗盘作用下纸钵与平皮带产生相对运动；如果纸钵轴线与分钵盘轴线成倾斜状态，在摩擦力作用下纸钵与左右两分钵盘完全接触，并排序，分苗机构结果如图2所示。当分苗盘回转至取苗槽位置时，纸钵随分苗盘转动逐渐靠近取苗槽内，被其带走实现分钵。输送、排序和分苗机构相互配合，实现纸筒钵苗输送、排序和分离等连续作业后送入移栽机栽植机构完成移栽作业。

图2 纸钵受力分析Fig.2Paper pots force analysis

研制纸筒钵苗输送分苗装置目的是将其安装在移栽机上，实现钵苗移栽过程的纸筒苗自动喂苗作业。因此纸筒苗喂苗速度须与移栽机作业速度协调，设计输送分苗机构以一定速度输送纸筒钵苗模仿移栽机作业时钵苗输送状态。

2 材料与方法

2.1 试验材料

试验于2015年6月在东北农业大学收获加工实验室进行。试验采用纸筒钵苗玉米品种为“东农253”，育苗纸筒直径19 mm，长130 mm，每册纸筒数1 400个。按农艺要求，纸钵内充满黑钙土并加入适当腐殖质营养土后育苗，玉米纸筒钵苗长至三叶一心至四叶一心、苗龄为14 d时，作纸筒钵苗输送分离试验，经测定纸筒钵苗高（271.3± 43.24）mm，钵苗叶宽（82.20±22.44）mm，钵苗直径（1.96±0.16）mm，参照GB/T 1931-2009测得纸筒钵苗含水率均值26.73%±5.62%，试样见图3。

图3 纸钵育苗Fig.3Paper-pot nursery

2.2 试验因素与评价指标

选择输送机构输送喂苗速度、分苗机构分苗盘转速及纸筒钵苗间距作为试验因素。

依据旱地栽植机械行业标准JB/T 10291-2001，基于纸筒钵苗移栽机输送分苗机构作业需均匀分离乱序纸筒钵苗并避免破坏纸筒完整性性能要求，选择纸筒钵苗分苗率和工作效率作为纸筒钵苗输送分苗装置性能评价指标。

分苗率是单位试验时间内（1 min），第i组纸筒钵苗试样被分离纸筒钵苗数与该组纸筒钵苗总数比值，即

式中，ai—第i组试验被自动分离纸筒钵苗数量（个）；bi—第i组试验用纸筒钵苗样本总数（个）。

工作效率指单位时间内，第i组试验被自动分离总纸筒钵苗个数（个·min-1）。

2.3 试验因素水平

试验采用3因素5水平正交旋转中心组合方法设计安排试验，试验因素水平编码如表1所示，根据试验安排，每组处理试验5次，取5次测试结果均值作为试验结果，试验指标分苗率由式（1）计算确定。试验方案设计及结果分析应用Design Ex⁃pert6.0.10软件完成。

表1 试验因素水平编码Table 1Experimental factors and levels

3 结果与分析

3.1 试验结果

根据试验设计，对玉米纸筒钵苗移栽机输送分苗装置输送、排序及分苗性能开展试验，以X1、X2和X3表示喂苗速度、分苗盘转数和纸钵间距编码值，Y1、Y2为试验指标分苗率和工作效率值，考虑各因素交互作用，试验方案及试验结果如表2所示。

表2 试验方案与结果Table 2Experiment design and results

3.2 回归分析

3.2.1 回归方程及其显著性分析

利用Design Expert 6.0.10软件分析表2试验结果，得到以试验指标分苗率Y1和工作效率Y2为相应函数，以各影响因素水平编码值为自变量回归方程如式（2）、式（3）所示，并用F检验显著性。

分苗率

式中，X1、X2、X3为各因素水平编码。

分苗率（Y1）和工作效率（Y2）编码空间回归方程式（2）、式（3）方差分析，如表2所示。分苗率检验结果表明，回归模型F1=2.51＜F0.01(5,8)=6.63，说明拟合方差不显著，回归方程与实测值拟合较好；试验指标分苗率F2=35.04＞F0.01(9,13)=4.19，说明回归方程在0.01水平极显著，试验数据与所采用数学模型一致。工作效率检验结果表明，回归模型F1=2.26＜F0.01(5,8)=6.63，说明拟合方差不显著，回归方程与实测值拟合较好；试验指标工作效率F2=13.15＞F0.01(9,13)=4.19，说明回归方程在0.01水平极显著。

对分苗率、工作效率中各回归系数采用F检验，剔除模型中在信度α=0.05下不显著系数项，获得分苗率、工作效率回归模型，如式（4）、（5）所示。

分苗率

3.2.2 各因素对性能指标影响主次分析

由表3可知，一次项F值可判断各因素对分苗率评价指标贡献率顺序为分苗盘转数＞纸钵间距＞喂苗速度；对工作效率评价指标贡献率顺序为喂入速度＞分苗盘转数＞纸钵间距。

3.3 试验因素对试验指标影响分析

3.3.1 单因素对试验指标分苗率和工作效率影响

上述分析可知，分苗盘转速和纸钵间距单因素效应对分苗率影响皆极显著，而喂苗速度对其影响不显著；喂苗速度、分苗盘转速和纸钵间距单因素效应对工作效率影响均极显著，以式（4）、式（5）为基础，取其他因素为0水平进行单因素分析，得到各单因素对分苗率影响模型如式（6）～（8），对工作效率影响模型如式（9）～（11）。

分苗率

根据上述方程得到各因素对分苗率、工作效率影响曲线，如图4、5所示。定，且两者正相关，随喂入速度增加，喂入纸筒苗和成功分离纸筒苗个数均相应增加，比值即分苗率达到稳定状态；在一定范围内，分苗盘转速增加，分苗数提高，而当速度过大时，纸筒苗甩落，分苗失败；纸筒间距过小使纸筒运输到分苗盘前时，由于分苗盘不能及时分苗，造成堆积叠

表3 回归模型方差分析Table 3Variance analysis results of models

图4 单因素对分苗率影响Fig.4Influence of single factor on separation rate

图5 单因素对工作效率影响Fig.5Influence of single factor on working efficiency

由图4可知，在下水平时，分苗率随喂苗速度增加变化不显著，而随分苗盘转速和纸钵间距增加而增大，分苗率在各因素零水平达最大值；在上水平时，分苗率随因素喂苗速度、分苗盘转速和纸钵间距增加而减小，变化趋势一致。因为分苗率由成功分离纸筒苗数量和喂入总数量因素决

加，使分苗失败，当间距达到喂入纸筒苗被分苗圆盘及时分离时，对分苗影响较小。

由图5可知，工作效率随纸筒钵苗间距增大而降低，在下水平时，工作效率随喂苗速度和分苗盘转速增加而增加，上水平影响明显。随纸筒间距增大，纸筒钵苗运输时间延长，单位时间内进入分苗盘纸筒苗个数下降，分苗个数下降，随喂苗速度和分苗盘转速增加，一定范围内进入分苗盘纸筒苗个数上升，分苗总个数增加，工作效率增加，当喂苗速度过大时，分苗盘成功分苗个数一定，不能及时将所有纸筒苗分离，而分苗盘转速过大时，造成部分纸筒甩落，整体工作效率无变化。

3.3.2 双因素对各试验指标影响

对建立回归方程式（4）和式（5），分别将3个试验因素其中一个固定于零水平，得到各因素对分苗率和工作效率响应曲面，如图6、7所示。

图6 试验因素对分苗率影响响应曲面Fig.6Response surface of the effects of all factors on separation rate

图7 试验因素对工作效率影响响应曲面Fig.7Response surface of the effects of all factors on work efficiency

3.3.2.1 试验因素对分苗率影响

由图6a可知，纸钵间距固定零水平时，分苗率随分苗盘转数增加逐渐呈先增后减趋势，喂苗速度对分苗率影响作用不明显；当分苗盘转数为17 r·min-1，喂苗速度为2.7 m·min-1时，分苗率最大。在试验水平下，分苗盘转数对分苗率影响比喂苗速度显著。

由图6b可知，分苗盘转数固定零水平时，分苗率随纸钵间距增加呈先增后减趋势，喂苗速度对分苗率影响作用不明显；当喂入速度为2.6 m·min-1，纸钵间距为13 mm时，分苗率达最大。在试验水平下，纸钵间距对分苗率影响比喂苗速度显著。

由图6c可知，喂苗速度固定零水平时，分苗率随分苗盘转数和纸钵间距增加均呈先增后减趋势，当分苗盘转数18 m·min-1，纸钵间距13 mm时，分苗率最大。在试验水平下，分苗盘转数对分苗率影响比纸钵间距显著。

3.3.2.2 试验因素对工作效率影响

由图7a可知，纸钵间距固定零水平时，工作效率随圆盘转速增大呈增大趋势。当喂苗速度较小(约＜2.7 m·min-1)时，喂苗速度变化对工作效率增

大趋势影响显著；当喂苗速度较大（约＞2.7 m·min）时，喂苗速度变化对工作效率增大趋势影响变小。在试验水平下，喂苗速度对工作效率影响比分苗盘转数显著。

由图7b可知，喂苗速度固定零水平时，工作效率随着分苗盘转速增大呈逐渐增大趋势，随纸筒间距增加呈逐渐减小趋势。当分苗盘转速较小（约＜18 m·min-1）时，分苗盘转速变化对工作效率增大趋势影响显著，分苗盘转速较大（约＞18 m·min-1）时，分苗盘转速变化对工作效率增大趋势影响减小。在试验水平下，分苗盘转数对工作效率影响比纸钵间距显著。

由图7c可知，分苗盘转数固定零水平时，工作效率随喂苗速度增大呈逐渐减小趋势，随着纸钵间距增大呈逐渐增大趋势。当喂苗速度较小（约＜2.7 m·min-1）时，喂苗速度变化对工作效率增大趋势影响明显；当喂苗速度较大（约＞2.7 m·min-1）时，喂苗速度变化对工作效率增大趋势影响变小。在试验水平下，喂苗速度对工作效率影响比纸钵间距显著。

3.4 试验参数优化及验证

按照高分苗率、高工作效率农艺要求优化，优化结果如图8所示。当参数组合为喂入速度2.6～3.0 m·min-1，分苗盘转速16～19 r·min-1，纸钵间距13 mm时，玉米纸筒钵苗分苗率可达95%，工作效率61个·min-1。

图8 三因子参数优化分析Fig.8Optimum analysis plot

为验证优化结果可靠性，按照上述优化参数组合在试验台架上5次重复试验验证，验证结果均值分苗率95%，工作效率61.33个·min。

4 结论

a.玉米纸筒钵苗输送分苗装置，分苗可靠，满足均匀分离纸筒钵苗性能要求。设计装置可降低对钵苗喂入姿态精度要求。

b.试验因素范围内，各因素对分苗率影响从大到小依次为分苗盘转速、纸钵间距、喂苗速度；对工作效率影响从大到小依次为喂苗速度、分苗盘转速、纸钵间距。

c.玉米纸筒钵苗输送分苗装置优化参数组合区域为：在喂苗速度2.6～3.0 m·min-1、分苗盘转速16～19 r·min-1、纸钵间距13 mm时，分苗率达95%，工作效率达61.33个·min-1。

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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

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

2016-07-18

黑龙江省应用技术研究与开发计划项目（GC13B604）

那明君（1965-），男，高级工程师，硕士生导师，研究方向为收获机械与移栽机械。E-mail:1620728310@qq.com

*通讯作者：董欣，教授，硕士生导师，研究方向为机械设计及理论。E-mail:Dongxin@neau.edu.cn