崔志超，管春松，徐 陶，李吉成，陳亞勇，宋井玲，鄭書河※

（1.福建農林大學機電工程學院，福州，350100；2.農業(yè)農村部南京農業(yè)機械化研究所，南京，210014；3.江蘇省農業(yè)科學院農業(yè)設施與裝備研究所，南京，210014；4.山東理工大學農業(yè)工程與食品科學學院，淄博，255000）

0 引言

蔬菜是中國僅次于糧食的第二大種植農作物，常年種植面積超2 000 萬hm2以上[1-2]，其中，以甘藍為代表的葉類蔬菜約占蔬菜總種植面積的25%[3]，育苗移栽是其主要種植方式。葉類蔬菜要求單株定植，自動化移栽是解決這一問題的有效途徑，目前葉類蔬菜自動移栽裝備缺乏或可靠性差[4-6]，現有蔬菜缽苗自動移栽機應用在葉類蔬菜上存在兩方面問題：一是送-分苗方法依賴秧苗自身優(yōu)勢，適于根系發(fā)達的茄果類長莖苗[7-8]，不適于闊葉、短莖的葉類蔬菜；二是送-分苗要求精度高，導致機器可靠性低，影響栽植效率。因此，亟需探索針對葉類蔬菜秧苗特點的育苗方式與送-分苗方法，解決葉類蔬菜優(yōu)質高效自動移栽的瓶頸問題。

基質塊苗是實現葉類蔬菜自動移栽的有效育苗方式，其載苗塊體規(guī)則，穩(wěn)定性好，苗齡大小與植株形態(tài)對送-分苗效果影響小[9]。歐洲國家在基質塊育苗移栽方面研究應用較早，意大利Ferrari 公司和Hortech 公司、法國CM&Regero 公司分別以輸送帶為送苗載體匹配氣動夾板實現整排基質塊苗的送-分功能，分苗效率在50～60 株/min 左右；荷蘭ISO Group (IG Agri Systems BV 公司)通過輸送帶和高速氣動推桿組合設計分苗效率可達120 株/min，自動化程度較高[10-11]。國內在基質塊苗移栽方面的研究起步略晚，許斌星[12]設計了開合板式自動分苗機構，設計凸輪輪廓參數通過連桿帶動開合板動作實現分苗功能，以基質塊棉花苗為對象進行試驗，綜合合格率90.26%；徐陶等[13]設計了一種基質塊苗移栽機專用送-取苗裝置，柵條式送-取苗機構配合作業(yè)實現送苗、分苗和栽苗，以基質塊甘藍苗為對象進行試驗，分苗頻率為55 株/min 時栽植合格率達到95.3%；廖慶喜等[14-17]基于同步帶送苗方式設計了氣動夾板式和對輥式分苗裝置，以油菜基質塊苗為對象，分別進行了試驗優(yōu)化，夾板式和對輥式分苗成功率分別為92.5%和88.67%，基本滿足油菜單株定植的要求。此外，VIKAS 等[18]基于LDR和LED 傳感系統(tǒng)研制了3 自由度串聯(lián)機械臂栽植機構，適用于圓柱形紙缽苗，由輸送鏈板實現整排秧苗平移，機械手取、分苗并完成栽植，送苗合格率94.7%，栽植合格率93.28%，但栽植效率較低僅20 株/min；宋玉潔等[19-20]針對玉米生物質方體缽盤苗設計了一種切塊式供分苗裝置，采用切割刀將整條缽盤苗切分成單株方塊苗，切分合格率79.2%，其送-分苗方法對基質塊苗具有較高參考價值。綜上，基質塊育苗對作物適應性較廣，國內外現有研究均采用同步帶或輸送帶實現整排基質塊苗的輸送，可靠性較高，但分苗機構種類繁多，技術尚未成熟，試驗效果參差不齊，高效低損的送-分苗裝置仍是基質苗自動移栽機所亟需攻克的核心技術。

本文以葉類蔬菜典型代表甘藍作為基質塊苗培育試驗對象，設計一種輸送帶+擋銷組合式送-分苗裝置，測定基質塊苗力學特性，開展送-分苗過程理論分析，探究基質塊苗穩(wěn)定送-分苗條件，以高分苗成功率和低破損率為研究目標，搭建試驗臺驗證優(yōu)化裝置作業(yè)性能，以期為基質塊苗自動移栽機的研究提供參考。

1 基質塊苗力學特性測定

基質塊苗的形狀尺寸、力學與摩擦特性等是設計自動送-分苗裝置的基礎依據[21-22]，本文以甘藍基質塊苗為測試對象，通過測量基質塊苗外部尺寸、測定基質塊抗壓力F、基質塊摩擦系數 μ，為擋銷安裝高度、夾板夾力及輸送帶角度等部件的參數設計提供參考。

1.1 材料與儀器

育苗基質塊外形尺寸為40 mm×40 mm×40 mm 立方體，將黏土壤與商品育苗基質以體積比為1:2、壓縮比0.6 壓制成型，甘藍品種選用“中甘21”，播后生長期30 d，平均株高105.33 mm，葉片3～4 片。使用深圳三思縱橫科技股份有限公司生產的UTM6503 型電子萬能試驗機，進行送、分苗過程中基質塊受到的擠壓變形或破損試驗；運用自制的自然摩擦角測定裝置，包括提升機構、斜板和數顯傾角儀（Syntek 公司），測定送苗過程基質塊苗保持穩(wěn)定的最大傾角。

1.2 測試方法與結果

試驗前2 d 停止?jié)菜瑴y得基質塊平均含水率為12.2%～20.5%。如圖1a 所示，將基質塊苗置于UTM6503型電子萬能試驗機的工作臺，并保證固定在傳感器上的壓板與基質塊在同一垂線。設定電子萬能試驗機運行速度為50 mm/min，并執(zhí)行加載程序，當基質塊與壓板接觸直至破損，系統(tǒng)卸載壓板復位，以基質塊破損過程中對應的壓力峰值為基質塊最大抗壓力。隨機選擇3 組，每組10 株基質塊苗進行測試，記錄平均值。

圖1 基質塊苗抗壓及摩擦特性試驗Fig.1 Compression resistance and friction characteristics test of substrate block seedlings

如圖1b 所示，將摩擦角測定裝置鋼板貼上與輸送帶同材質的PVC 橡膠板，把單株基質塊苗與基質塊苗組分別沿鋼板升角方向放在鋼板上，緩慢啟動提升機構，當基質塊苗產生微滑動時，記錄角度測定儀的角度值，每項試驗測3 組（單苗塊試驗組累計9 株，基質塊苗組10 株為一組，累計90 株），取平均值。根據摩擦力與支持力的關系計算基質塊苗靜摩擦系數μ[23-24]。

由基質塊抗壓力-壓縮量曲線表明，基質塊壓縮量在0～2 mm 時，抗壓力呈近似線性急劇增加，基質塊內部顆粒產生滑移重新排列[25]，孔隙度減少，基質塊變緊實，體積相應減?。浑S著壓縮量繼續(xù)增加至2.55 mm 時，基質塊抗壓力抵達峰值108.44 N，基質塊開始出現裂紋，然后隨著壓縮量的增加抗壓力呈下降趨勢。

由摩擦特性測試結果可知，單株基質塊苗摩擦角平均為24.7°、摩擦系數平均為0.46，基質塊苗組（10 株為一組）摩擦角為28.9°、摩擦系數平均為0.55。同等摩擦材質下，基質苗組摩擦系數和提升角度均大于單株基質塊苗摩擦系數和提升角度，說明整排取苗輸送有利于避免送苗倒伏，可提高分苗成功率和栽植立直率。

2 結構與工作原理

2.1 結構組成

基質塊苗自動送-分苗裝置由間歇送苗機構和自動分苗機構兩部分構成，如圖2 所示。間歇送苗機構由后輸送帶、輸送槽、氣缸Ⅰ、主動輪軸及支架等組成，后輸送帶傾斜布置，兩側設置輸送槽，輸送槽前方一側設置缺口裝有氣動間歇夾緊機構。自動分苗機構由前輸送帶、側邊輸送帶、擋銷、滑移機構、氣缸Ⅱ、機架等組成，前輸送帶一端靠近后輸送帶一端呈水平布置，兩側設置側邊輸送帶與其呈垂直方向；擋銷跨過側邊輸送帶A 位于前輸送帶上面，前輸送帶下方設置氣缸Ⅱ，氣缸Ⅱ通過多個連桿與擋銷連接，實現擋銷往復擺動；氣缸Ⅱ一側設置滑移機構，滑移機構上安裝側邊輸送帶A 固定座，滑移機構與機架之間設有彈簧，氣缸Ⅱ活塞桿上的推板與滑移機構實時接觸，氣缸Ⅱ與彈簧的共同作用促使側邊輸送帶A 隨滑移機構往復直線移動。

圖2 送-分苗裝置結構示意圖Fig.2 Structure diagram of conveying and separating device

2.2 工作原理

后輸送帶、前輸送帶及側邊輸送帶A、B 均由主動輪軸通過鏈條與齒輪傳遞動力。工作時，基質塊苗被整排放入后輸送帶槽內，當基質塊苗被輸送至間歇夾緊機構位置時，間歇夾緊機構在氣缸Ⅰ的帶動下繞支點往復擺動，完成對基質塊苗的夾緊與放行動作，實現后輸送帶上的基質塊苗間歇向分苗機構輸送?；|塊苗被輸送至前輸送帶位置時，氣缸Ⅱ帶動擋銷和側邊輸送帶實現分苗動作，一方面，氣缸Ⅱ活塞桿通過擋銷連桿帶動擋銷繞支點做往復擺動；另一方面，與氣缸Ⅱ活塞桿固定連接的推板推動與側邊輸送帶A 固定連接的滑移機構使其往復直線移動。擋銷與側邊輸送帶A、間歇夾緊機構呈反向運動，當擋銷擺出前輸送帶上方時，側邊輸送帶A 則靠近前輸送帶與側邊輸送帶B 共同夾緊基質塊苗，并配合前輸送帶實現單株基質塊苗快速送至栽植器，此時間歇送苗機構的夾板擺入輸送槽暫停送苗；當擋銷擺入前輸送帶上方時，側邊輸送帶A 遠離前輸送帶，間歇送苗機構夾板擺出輸送槽，擋銷擋住送苗機構送來的基質塊苗，從而保證栽植器未取苗之前前輸送帶頂端僅保留一株基質塊苗，實現基質塊苗的定量、定距栽植。

3 關鍵部件設計

間歇送苗機構和自動分苗機構經控制系統(tǒng)控制協(xié)同工作是該裝置穩(wěn)定作業(yè)的前提，因此需要對間歇送苗機構、自動分苗機構、控制系統(tǒng)開展送-分苗過程理論分析，設計邏輯控制方法，確定裝置穩(wěn)定送-分苗條件和關鍵機構工作參數。

3.1 間歇送苗機構

3.1.1 輸送槽參數設計

間歇送苗機構的主要功能是將輸送槽內的基質塊苗定量有序的向分苗機構輸送，為實現自動分苗動作提供條件，如圖3 所示。為保證間歇送苗機構能容納一整排基質塊苗，輸送帶設計長度不宜過長或過短，過長會使基質塊苗數量過多，推擠效應會增加前一基質塊苗的集中受力造成傾倒；過短則會增加取苗頻率。因此輸送帶長度應滿足：

圖3 間歇送苗機構簡圖Fig.3 Schematic diagram of intermittent conveying seedlings mechanism

式中Ls為輸送帶總長度，mm；n為整排基質塊苗數量，取值15 株；ks為相鄰兩基質塊苗間隙系數，取值0.25[26-27]；b為基質塊棱長，取值40 mm；ΔL為輸送帶長度余量，至少預留1 株基質塊苗的棱長尺寸，取值40～50 mm[12]。計算得輸送帶總長度Ls=603.5 mm，長度余量內取整650 mm。

為使基質塊苗能順利放入輸送槽內，且平穩(wěn)的向前輸送，輸送槽寬度應略大于基質塊棱長，即輸送槽寬度應滿足：

式中Bs為輸送槽寬度，mm；ΔB為寬度余量，取b/8。計算得輸送槽寬度Bs=45 mm。

3.1.2 間歇送苗受力分析

夾板工作時應保證夾緊區(qū)的基質塊苗不會發(fā)生滑動，如圖4a 所示，假設夾緊區(qū)的基質塊苗為一個整體，對其進行受力分析，夾板應滿足受力關系：

圖4 間歇送苗受力分析Fig.4 Force analysis of intermittent seedlings delivery

圖4b 中，Ft為連續(xù)輸送區(qū)的基質塊苗對間歇輸送區(qū)的基質塊苗的推擠力，應對連續(xù)輸送區(qū)的基質塊苗進行受力分析，假設連續(xù)輸送區(qū)的基質塊苗為一個整體，其受力平衡方程為

聯(lián)立式（3）～（4）得：

式（3）～（5）中μ1為輸送帶與整排基質塊苗的摩擦系數，取值0.55；μ2為夾板與整排基質塊苗的摩擦系數，取值0.5；G為基質塊苗重力，取值0.98 N；γ為基質苗與水平面的夾角，取值12.5°；n1為夾緊區(qū)基質塊苗的數量，取值6 株；n2為連續(xù)輸送區(qū)基質塊苗的數量，取值9 株，計算得連續(xù)輸送區(qū)基質塊苗的推擠力Ft=6.65 N，夾板夾力F≥ 22.15 N。

3.1.3 間歇夾緊機構設計

如圖5 所示，在桿件尺寸、安裝位置等已知的情況下，夾板的夾力與氣缸Ⅰ的活塞桿伸展長度密切相關，夾板的轉動角度δ受氣缸活塞桿的直接影響，δ角過大，需要氣缸的尺寸越大，影響效率和安裝位置；δ角過小，則影響夾板夾緊力。為此，須分析氣缸在工作位置時AB′的所需長度和常態(tài)位置時AB的靜態(tài)長度。

圖5 基質塊苗被夾緊時機構簡圖Fig.5 Schematic diagram of the mechanism when the substrate block seedlings are clamped

以氣缸Ⅰ的鉸接點A為原點，建立平面直角坐標系，作B'C′延長線與過O點的x軸相交，建立虛擬O'點，根據幾何關系獲得所需坐標點O'點、C'點、B'點的位置，以O'點為引導點求得LO'B'和LO'A距離：

從而推導出氣缸工作行程：

式（8）～（9）中LOA為夾板下固定點到氣缸Ⅰ固定點的距離，取值40 mm；LOC為夾板下固定點到折點距離，取值95 mm；LBC為夾板上固定點到折點距離，取值38 mm；δ取值30°。計算得氣缸Ⅰ常態(tài)位置總長度LAB=139 mm、工作位置總長度LAB′=149 mm，可選用寧波亞德客自動化工業(yè)有限公司生產的B06-MI 16×10SCA復動型氣缸。

3.2 自動分苗機構

自動分苗機構是將整排基質塊苗按照一定頻率進行逐塊分離。該機構執(zhí)行部件采用氣壓傳動為直接動力配合多連桿機構實現復合運動。如圖6 所示，栽植器沿運動軌跡呈逆時針轉動，當接近傳感器未檢測到栽植器（即兩栽植器間隔處）時，PLC 控制電磁換向閥左路接通，氣缸Ⅱ活塞桿伸出，擋銷擺出前輸送帶上方實現放苗，基質塊苗由m1處被送至m2處，呈待取狀態(tài)；當栽植器轉至接近傳感器檢測域時PLC 控制電磁換向閥右路接通，氣缸Ⅱ活塞桿縮回，擋銷擺入前輸送帶上方實現擋苗，此時栽植器取走前輸送帶端部基質塊苗，依次循環(huán)。

圖6 自動分苗機構示意圖Fig.6 Schematic diagram of automatic seedling separation mechanism

3.2.1 穩(wěn)定分苗條件

為保證擋銷處于擋苗狀態(tài)時，前輸送帶上始終存有基質塊苗供分苗，要求前輸送帶速度大于栽植器轉動速度，但前輸送帶速度過快會使基質塊苗在接觸擋銷瞬間發(fā)生傾翻。如圖7 所示，對基質塊接觸擋銷的瞬間進行分析。

圖7 基質塊苗接觸擋銷的瞬間受力Fig.7 Force at moment substrate block seedling contact with stop pin

擋銷對基質塊質心：

式中d為擋銷到基質塊質的垂直距離，mm。

如圖7a 理想狀態(tài)下，兩擋銷對基質塊質心所形成的力矩與力臂相等，且合力與基質塊質心位于同一水平線，不會產生翻轉力矩，因此基質塊不存在傾翻的可能。實際生產中，基質塊育苗期間塊體之間難免存在差異，兩擋銷合力難保位于每個基質塊的質心位置，若出現偏差，則出現傾翻的可能?；|塊在慣性力的作用下會翻轉到圖7b 狀態(tài)，基質塊碰到擋銷前，基質塊所受力對擋銷的力矩為0，基質塊碰到擋銷后，基質塊所受力對擋銷的力矩還為0，滿足能量守恒定律[27]，當基質塊苗處于臨界傾翻狀態(tài)時基質塊苗損失的動能轉化為勢能。

動能ΔEk的變化：

勢能ΔEm的變化：

動能轉化為勢能：

式（11）～（14）中m為基質塊苗的質量，取值100 g；v為基質塊苗獲得的輸送速度，m/s；當λ=45°時，基質塊苗為臨界傾倒狀態(tài)，計算得輸送速度v=0.16 m/s，所以，要保證基質塊苗接觸擋銷時不會發(fā)生傾翻，需保證前輸送帶速度小于基質塊苗理論輸送速度。

3.2.2 分苗機構設計

擋銷的擺動角度φ直接影響分苗效果，擋銷擺入前輸送帶上方與基質塊前進面保持平行接觸時視為理想擋苗狀態(tài)，擋銷擺出前輸送帶上方遠離基質塊體時視為理想放苗狀態(tài)。在擋銷與連接組件尺寸、安裝位置均已知的情況下，通過計算擋銷擺角φ和擺桿擺角η，可間接求得連桿兩端點繞支點擺動的直線距離，從而得出所需氣缸的工作行程。

如圖8 所示，以O2和O3各為坐標原點分別建立平面直角坐標系，獲得所需坐標點H、H'、E'、E''的位置。

圖8 擋銷工作原理簡圖Fig.8 Schematic diagram of working principle of stop pin

計算得出擋銷擺角φ：

由H點、H'點坐標和擋銷擺角φ 推導出G′到G′′的位移距離：

計算得出擋銷擺桿擺角η：

由E'點、E''點坐標和擺桿擺角η推導出氣缸Ⅱ活塞桿的行程為

計算得氣缸Ⅱ的活塞工作行程LE′E′′=18.5 mm，連桿往復行程LG′G′′=12 mm，φ=24.4°，η=13.8°，根據LE′E′′距離可選用寧波亞德客自動化工業(yè)有限公司生產的B06-MI 20×20 SCA 型復動型氣缸。

3.3 控制系統(tǒng)

3.3.1 控制原理

控制系統(tǒng)采用CP1H-X40DT-D 型PLC (programmable logic controller)控制，控制器與觸屏輸入顯示器連接實現人機交互，并通過控制信號啟動和調整間歇送苗機構、自動分苗機構以及立直栽苗機構工作。各部分機構內在組成和機構之間的能量供給關系、信號通路方向和秧苗栽植處理過程的空間處理過程如圖9 所示。

圖9 控制原理圖Fig.9 Diagram of control principle

其中，送-分-栽苗機構之間的控制和反饋信號實現如下：人機交互結構的輸入和輸出信號通過VGA(video graphics array,1987)視頻信號實現，輸入的數字則轉化為PLC 的寄存器和E2PROM (electrically erasable programmable read-only memory)寄存器內。控制系統(tǒng)對電機的轉速控制是通過PWM(pulse width modulation)信號與電機驅動器通訊實現控制。此外，接近傳感器和PLC 之間的通訊方式為BCD8421 編碼的串口數字信號，接近傳感器通過紅外線檢測傳感器與每個周期上的栽植器距離轉化為BCD8421 的數字信號，并以閾值來判斷每個栽植器的實際動作周期，實現間歇送苗機構、自動分苗機構和直立栽苗機構的動作起點和周期保持同步。

接收PLC 系統(tǒng)控制信號的電機驅動器輸出電機控制信號，驅動后輸送帶給基質塊苗提供前進的速度，電磁閥在接收到控制信號后，驅動夾板間歇對秧苗夾緊，實現間歇送苗和整齊排列。前輸送帶和側輸送帶同步運行給秧苗提供運輸速度，使得秧苗的運動方向和輸送的末端位置有較高的穩(wěn)定性。栽植器的運動周期與自動分苗機構分苗動作的周期對應，若該部分的時間周期出現偏差時，接近傳感器通過PID 控制間歇送苗機構和自動分苗機構的送苗速度來調節(jié)。

3.3.2 控制流程

系統(tǒng)控制流程（圖10）主要通過PLC 控制器及其通訊部件來實現，主要包括：初始化、速度控制、秧苗移栽控制、中斷處理和速度控制算法。

圖10 控制流程圖Fig.10 Flow chart of control

由于系統(tǒng)需要將初始電位、時間基準、界面顯示、運動起始值與周期校準同步，因此在系統(tǒng)上電啟動后，首先進入系統(tǒng)初始化階段，包含系統(tǒng)的初始化、時鐘初始化、用戶界面初始化及運動狀態(tài)歸零初始化。初始化階段結束后系統(tǒng)進入指令等待狀態(tài)，由于秧苗移栽控制需要特定的開始時間和運行周期，此時需要用戶輸入啟動指令或速度修改指令。若用戶輸入速度后并按下啟動系統(tǒng)則按照用戶新輸入的速度值運行并更新歷史數據值；如果用戶直接啟動系統(tǒng)則讀取歷史存儲的速度數據值進行啟動，使得系統(tǒng)運行時保持與啟動前的最后一次運行一致的速度運行。此外，系統(tǒng)在運行過程中，可以通過中斷跳轉進行急停和停止操作，當執(zhí)行急停時，系統(tǒng)會立即停止；若指令為停止，系統(tǒng)則完成最后一個工作周期后，逐步慢速停止。其中，急停和停止的中斷等級不同，急停的中斷等級優(yōu)先于停止指令，這保證急停的觸發(fā)會在最快的速度下停止系統(tǒng)的所有動作，最大限度減少意外事故的發(fā)生。

3.3.3 PID 控制算法

由于分苗和栽苗機構部分互相獨立驅動，而栽苗機構在動作的過程中容易受到環(huán)境的不均勻阻力干擾(例如不同的土壤硬度帶來的阻力差異)，除此以外，電壓變化和控制信號也可能存在著周期性的隨機性干擾，這些干擾產生的微小位移差異會在周期性動作下產生積累作用進而影響整體的栽苗動作。為使分苗和栽苗機構部分的速度保持穩(wěn)定一致，避免由于受外力和其他干擾的誤差導致秧苗的漏送和多送問題，本文運用了PID（proportion integral derivative）控制算法[28]對間歇送苗機構的運行速度進行控制調整，實現分苗和栽植機構的運動之間的速度保持一致。

4 性能試驗

4.1 試驗條件與指標

為驗證所設計自動送-分苗裝置的實際分苗效果，以步進電機為動力源分別驅動前、后輸送帶，以電磁換向閥控制氣缸驅動擋銷與夾板，并搭建試驗臺，試驗獲取裝置最優(yōu)參數組合，如圖11 所示。試驗用苗為苗齡30 d 的甘藍基質塊苗，基質塊為棱長40 mm 立方體，基質塊之間無粘連、串根，送-分苗過程中，秧苗傾斜產生的力矩不影響試驗效果。試驗地點為農業(yè)農村部南京農業(yè)機械化研究所東區(qū)實驗室。

圖11 自動送-分苗臺架試驗Fig.11 Bench test of automatic conveying and separating

由理論分析可知，影響送-分苗效果的主要因素與前、后輸送帶送苗速度和擋-放苗頻率有關，因此，以前、后輸送帶電機轉速和擋銷頻率為試驗因素，以分苗成功率和基質塊破損率為評價指標進行性能試驗。

分苗成功率Y1為單株分離且保持完整、豎直狀態(tài)的苗塊NF占整排基質塊苗N的比例。

基質塊破損率Y2為分苗過程中基質塊因外部受力基質散落質量大于基質塊苗總質量1/3 的基質苗塊NP占總株數N的比例[29]。

4.2 單因素試驗

通過自動送-分苗試驗臺預試驗，前輸送帶電機轉速設置為88、99、110、121、132 r/min，后輸送帶電機轉速設置為66、73、79、86、92 r/min，擋銷頻率設置為1.6、1.8、2.0、2.2、2.4 s/次。分別設計以下單因素試驗，每組試驗選用120 株基質塊苗進行測試，重復試驗3 次取平均值，當對其中1 個因素進行試驗時，另外2 個因素各取中間值，分別考察各因素對對分苗成功率和基質塊破損率的影響。

由圖12a 和圖12c 可知前輸送帶電機轉速和擋銷頻率對分苗成功率與基質塊破損率的影響波動范圍較大，前輸送帶電機轉速在99～121 r/min，擋銷頻率在1.8～2.2 s/次時分苗成功率和基質塊破損率綜合性較佳。

圖12 單因素試驗結果Fig.12 Single factor test results

圖12b 后輸送帶電機轉速對分苗成功率整體影響波動范圍較小，轉速越高分苗成功率越高，但高轉速時對基質塊破損率影響較大，綜合分析分苗成功率和基質塊破損率試驗結果，當73～86 r/min 時綜合性較佳。

4.3 多因素試驗

4.3.1 試驗設計

為獲得最優(yōu)參數組合，驗證上述3 因素交互作用對分苗效果的影響，采用三因素三水平Box-Behnken 響應曲面分析法[30-31]。根據單因素試驗結果，選取前輸送帶電機轉速99、110、121 r/min，后輸送帶電機轉速73、79.5、86 r/min，擋銷頻率1.8、2.0、2.2 s/次設計試驗，試驗因素水平如表1 所示。試驗共17 組，每組試驗重復3 次，每次120 株基質塊苗，取3 次平均值記錄數據，試驗結果如表2 所示。

表2 試驗方案及結果Table 2 Experimental scheme and results

4.3.2 結果與分析

運用Design Expert8.0.6 軟件對試驗結果進行方差分析，由表3 可知，分苗成功率Y1的回歸模型中，回歸項X1、X3、X1X3、X12、X32對方程影響顯著（P＜0.05），其余項影響不顯著（P≥0.05）；基質塊破損率Y2的回歸模型中，回歸項X2、X3、X2X3、X22、X32其余項影響不顯著（P≥0.05）。剔除不顯著項，回歸方程分別為

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

4.3.3 交互作用分析

由圖13a 可知，當后輸送帶電機轉速為79.5 r/min 時，響應面變化趨勢隨前輸送帶電機轉速和擋銷頻率的增大而減小，表明前輸送帶電機轉速和擋銷頻率對分苗成功率均具有較大影響，前輸送帶電機轉速為99 r/min、擋銷頻率1.8 s/次時分苗成功率最高。

圖13 交互作用分析Fig.13 Interaction analysis

由圖13b 可知，當前輸送帶電機轉速為110 r/min 時，響應面變化趨勢沿后輸送帶電機轉速與擋銷頻率增大而似線性增大，后輸送帶電機轉速為73 r/min、擋銷頻率為1.8 s/次時，基質塊破損率最低。

4.3.4 參數優(yōu)化

為獲得較好的分苗效果，以高分苗成功率、低基質塊破損率為優(yōu)化目標，進行自動送-分苗裝置工作參數與結構參數優(yōu)化，利用Design Expert8.0.6 數據分析軟件中的Optimization-Numerical 模塊進行優(yōu)化求解，其目標函數與約束條件為

優(yōu)化后得到影響因素最佳參數組合為前輸送帶電機轉速104 r/min、后輸送帶電機轉速75 r/min、擋銷頻率1.85s/次，在該參數組合下分苗成功率93.26%、基質塊破損率3.35%。采用上述優(yōu)化獲取的最佳參數組合進行臺架驗證試驗，重復試驗3 次并取平均值作為試驗驗證值，試驗結果為：分苗成功率92.73%、基質塊破損率4.09%，驗證值與優(yōu)化結果分別相差0.53 和0.74 個百分點，基本一致。

4.3.5 田間試驗

將自動送-分苗裝置安裝到基質塊苗移栽機上并于2022 年5 月在常熟橫塘蔬菜專業(yè)合作社開展田間驗證試驗（圖14）。前、后輸送帶分別選用Z11、Z16的05B 鏈輪同步驅動，電磁換向閥得失電頻率設為1.85 s/次，設置參數組合為：前輸送帶轉速104 r/min、后輸送帶轉速75 r/min、擋銷頻率1.85 s/次。試驗重復3 次，每行連續(xù)共放120 株基質塊苗進行移栽計算結果取平均值。

圖14 田間試驗Fig.14 Field test

田間試驗結果：分苗成功率91.81%、基質塊破損率4.62%，由于鏈傳動存在誤差及田間試驗影響因素較多，與兩指標的優(yōu)化結果相對誤差分別為1.45 和1.27 個百分點，在樣機指標允許變動范圍之內，表明該裝置設計合理，工作性能穩(wěn)定。

5 結論

設計了一種基質塊苗移栽機專用的自動送-分苗裝置，闡述了整體結構與工作原理，根據測定的育苗基質塊抗壓力及摩擦角力學特性參數，設計了間歇送苗和自動分苗機構，通過理論分析獲得關鍵部件的受力與坐標函數，確定了送-分苗過程中基質塊苗穩(wěn)定送-分苗的機構工作條件。進行臺架優(yōu)化試驗和田間驗證試驗，得到如下結論：

1）以前、后輸送帶電機轉速和擋銷頻率為因素，以分苗成功率和基質塊破損率為評價指標進行性能試驗。通過單因素試驗確定了前輸送帶電機轉速范圍99～121 r/min，后輸送帶電機轉速范圍73～86 r/min，擋銷頻率范圍1.8～2.2 s/次。采用Box-Behnken 中心組合試驗法分析并建立優(yōu)化模型，得到最佳參數組合：前輸送帶電機轉速104 r/min，后輸送帶電機轉速75 r/min，擋銷頻率1.85 s/次，該參數組合下分苗成功率93.26%、基質塊破損率3.35%，驗證結果與優(yōu)化結果分別相差0.53 和0.74 個百分點，基本一致。

2）田間驗證試驗表明，分苗成功率91.81%、基質塊破損率4.62%，與兩指標的優(yōu)化結果相對誤差分別為1.45 和1.27 個百分點，均低于2 個百分點，在樣機指標允許變動范圍之內，該研究可為基質塊苗自動移栽關鍵部件設計及參數優(yōu)化提供參考。

基質塊育苗對秧苗種類不受約束，不僅適用于葉類蔬菜，對茄果類、結球類等蔬菜及扦插苗均具有較好的適應性?；|塊體積適中、形狀規(guī)則，具有較高的護根、保墑作用，尤其適用于北方嚴寒地區(qū)早春茬蔬菜種植。但目前基質塊育苗原料以進口泥炭為主成本較高，移栽裝備自動化、智能化水平有待提升，建議可從國產基質化配方改良替代進口泥炭育苗和自動化、智能化移栽裝備開發(fā)兩方面開展相關研究。