油菜基质块苗移栽机取苗装置设计与试验

针对油菜基质块苗机械化移栽过程中,缺乏取苗装置完成栽植作业的生产现状,该研究设计了一种油菜基质块苗移栽机取苗装置。取苗装置的工作过程包括:气动分苗及对辊取苗2个阶段,确定了取苗装置稳定运行的工作参数,构建了移栽过程中气动分苗阶段和对辊取苗阶段的运动学模型。开展了同步带线速度、载苗台安装角度、辊轮线速度对取苗成功率、取苗同步率影响的二次旋转正交组合试验。结果表明:同步带线速度为120.9 mm/s、辊轮线速度为238.2 mm/s、载苗台角度为31.9°时取苗效果较优。较优参数组合条件下,台架试验的取苗成功率为93.42%,取苗同步率为94.42%,田间试验的取苗同步率为92.71%,满足油菜基质块苗移栽机取苗技术要求。研究结果可为油菜基质块苗移栽机取苗装置的结构改进提供参考。     

油菜基质块苗移栽机对辊式取苗装置设计与试验

针对油菜基质苗移栽机栽植频率低和落苗稳定性差的问题,该研究对对辊式油菜基质块苗取苗装置进行分取苗联动结构改进与性能试验。结合基质块苗移栽机作业特点及栽植农艺要求,开展了取苗栽植过程稳定性分析,确定了取苗装置稳定运行的结构及工作参数。以适栽期油菜载苗基质块为对象,进行了单因素台架试验,并开展了载苗台角度、辊轮底端直径、辊轮转速对取苗成功率和取苗同步率影响的三因素三水平二次正交组合试验。结果表明：载苗台角度为30.7°、辊轮底端直径为26.4 mm、辊轮转速为2.2 r/s时取苗效果较优,台架试验的取苗成功率为94.62%、取苗同步率为95.35%;田间试验的取苗成功率为89.84%、同步率为92.01%,满足油菜基质块苗移栽机作业性能要求。     

全自动单摆式蔬菜钵苗取喂苗系统研制

为实现蔬菜钵苗高效、稳定移栽，在分析现有全自动移栽机取喂苗系统研究现状的基础上，该研究提出了一种全自动单摆式取喂苗系统。该系统通过苗盘输送机构、纵移机构实现穴苗盘在倾斜平面内的移位，采用往复机构和夹苗机构实现取苗、喂苗。对夹苗机构等关键机构进行参数设计和运动学分析，确定了其结构参数。综合考虑影响取喂苗性能的相关因素，以苗株种类z、基质含水率w、取苗深度h和工作气压p为试验参数，以取苗成功率S1和苗株完整率S2为评价指标，在双行移栽、90株/min取苗效率下进行多因素正交试验。试验结果表明，苗株基质含水率对取苗成功率和完整率影响最大，贡献率分别为58.92%和50.58%，其次是取苗深度；当苗株为番茄苗，基质含水率35%，取苗深度40 mm，气缸工作气压为0.4 MPa时，取喂苗效果最佳，取苗成功率为98.61%，苗株完整率为97.22%。研究结果可为移栽机的机构优化及自动化控制提供理论参考。     

活动苗盘脱苗力学分析及粘附力影响因素试验研究

为解决钵苗移栽过程中,因苗钵与苗盘间粘附力导致取苗过程中苗钵破损,进而影响取苗成功率及栽后幼苗长势的问题,对活动苗盘开启脱苗时苗钵和苗盘侧板进行受力分析并对苗钵与侧板间粘附力影响因素进行研究。发现苗钵粘附力与苗盘开启峰值力之间存在正相关关系,苗盘侧板倾角与苗钵粘附力呈负相关关系,苗盘开启部件速度和基质含水率与苗钵粘附力呈正相关关系。为进一步研究各因素对苗钵粘附力的影响规律,以苗盘开启峰值力表征苗钵粘附力作为优化指标,以苗盘侧板倾角、苗盘开启部件速度和基质含水率为试验因素,利用响应曲面方法进行优化试验设计,同时测算各试验组合中苗钵基质损失率。当苗盘侧板倾角为9.24°、基质含水率为55%、苗盘开启部件速度为7.98 mm/s时,苗盘开启峰值力可以达到最小值6.97N,即苗钵与侧板间粘附力达到最小值;应用优化后调整的参数进行的验证试验表明:苗盘脱苗开启峰值力最小值为7.12 N,相对预测值误差为2.1%,苗钵基质损失率为3.14%,相较于优化前最低4.39%的基质损失率,基质损失率明显降低,证明了粘附力变化影响苗钵基质损失率。该研究结果可为进一步研究钵苗移栽过程中基质损失机理提供理论支撑。     

基于苗钵力学特性的自动移栽机执行机构参数优化试验

为有效减少加工番茄机械化移栽过程钵苗基质的损伤,提高移栽机取苗、植苗成功率,该文构建了移栽过程中取苗、植苗阶段加工番茄钵体的力学模型,结合钵体的抗压力学特性试验,研究移栽过程中造成钵苗基质破损、影响取苗、植苗成功率的因素,通过试验分析适合机械化移栽的钵体和移栽机执行机构的相关参数。参数组合重复性验证试验表明：钵体基质配比（珍珠岩：砾石：泥炭）为1∶1∶2,钵体绝对含水率为72%,取苗夹片插入穴孔深度为35 mm,取苗夹片对钵体的夹持角度为14°,投苗点与接苗碰撞点高度为90 mm,鸭嘴锥度为38°时,移栽成功率满足加工番茄穴盘苗机械移栽要求。该研究为机械化移栽的加工番茄钵苗培育农艺及移栽机参数优化设计提供了参考。     

顶出托举式钵苗脱盘装置设计与试验

针对现有自动取苗装置作业过程中出现苗体受损、钵体开裂、基质损失率高等问题,该研究设计了一种适应活动苗盘的托举式钵苗脱盘装置。设计了具有纵向、横向及竖直方向定位功能的苗盘三维定位机构和具有苗盘开启与钵苗托举功能的开启-托举机构,并设计了脱盘装置的PLC控制系统。为验证钵苗脱盘装置的作业效果,选取托举速度、端面类型及基质含水率为试验因素,以钵苗在托举台端面上的位置合格率和脱盘过程中钵体基质损失率为评价指标,以16穴活动苗盘模型培育的35 d苗龄油菜钵苗为对象,采用L9(34)正交表设计试验方案进行台架试验。试验结果表明,各因素对钵苗位置合格率和钵苗基质损失率影响的主次顺序依次为托举台端面类型、托举速度、基质含水率;试验获得影响因素的最优组合为托举速度32 mm/s、托举台端面为橡胶面、基质含水率55%。基于优选参数组合进行重复性验证试验,结果表明,钵苗脱盘后托举台端面上的位置合格率为100%,基质损失率为1.56%,满足实际作业需要。该研究可为钵苗自动移栽机取苗机构的研发提供参考。     

油菜机械移栽载苗基质块力学与生物学特性分析

为保证油菜载苗基质块具有良好的机械移栽适应性和幼苗生长质量,该文针对油菜机械移栽过程中载苗基质易出现破损导致取送苗失效问题,以正方体油菜载苗基质块为研究对象,对载苗基质块力学特性和生物学特性进行研究,开展以基质成分配比(蚯蚓粪:黄棕壤∶蛭石混合体积比为1∶2∶1、1∶1∶1和2∶1∶1)、基质压实度(基质与穴孔体积比为1.0、1.2和1.4)、硼硒营养液浓度(0.24%、0.27%和0.30%)为因素的正交试验。结果表明:基质成分配比和基质压实度对油菜载苗基质块力学特性影响分别为极显著和显著;基质成分配比及基质压实度对幼苗壮苗指数影响极显著,硼硒营养液浓度对其影响显著;基质成分配比和基质压实度均对基质包裹度及根系健壮度影响极显著,硼硒营养液浓度对基质包裹度及根系健壮度影响显著。采用综合评分法得出基质成分配比为1∶1∶1、基质压实度为1.2、硼硒营养液浓度为0.30%时油菜载苗基质块力学特性及幼苗生长质量较优。对上述因素组合所育油菜载苗基质块进行台架试验可知:在移栽机横向推苗速度20 mm/s,同步输送带速度30 mm/s,取苗频率40株/min试验条件下,基质损失率为2.57%、送取苗成功率为90.93%,满足机械移栽需求。     

蔬菜穴盘苗插入顶出式取苗装置研制

针对蔬菜穴盘苗自动取苗装置结构复杂、取苗性能差等问题，该研究综合顶出式取苗与插入夹持式取苗的优缺点，设计了一种插入顶出式取苗装置。首先对钵苗顶出过程进行受力分析，对抛出后的钵苗进行运动过程分析，得出造成顶出式取苗的钵苗翻滚的影响因素，提出插入顶出式取苗结构的优化目标，然后对送盘机构、插入顶出式取苗机构进行受力分析和参数优化。以辣椒钵苗为试验对象，选取苗龄、钵体含水率和取苗频率为影响因素，以取苗合格率、基质损失率和伤苗率为指标进行正交试验。试验结果表明：苗龄30 d、基质含水率60%、取苗频率120 株/min时，取苗成功率为97.22%，基质损失率为18.06%，伤苗率为1.39%，取苗效果最佳。以苗龄25 d的甘蓝和花椰菜苗进行不同蔬菜作物取苗验证试验，取苗合格率分别为93.75%和95.14%，基质损失率分别为17.21%和16.67%，伤苗率分别为4.17%和3.47%，满足蔬菜穴盘苗全自动移栽机取苗作业要求。研究结果可为蔬菜穴盘苗全自动移栽机的设计和作业参数优化提供参考。     

穴盘幼苗机械手取苗基质完整率影响因素试验与分析

当前国内外移栽机械研究中取苗环节是制约自动移栽机发展的瓶颈,该文试验研究重点是判别拟定的影响因素对穴盘幼苗机械手取苗影响显著与否。测试的影响因素为基质含水率(35%~65%),取苗执行器的执行结构外形特征(指针形状、压舌板形状、U型形状3种)和作物生长初期幼苗根系对基质抗剪性能提升的效果,并将基质完整率作为试验指标值。通过试验给出夹持力与夹持量的对应关系,明确了各取苗执行器执行结构的最佳夹持量,采用正交试验法得出主次影响因素和优水平。试验结果表明:执行结构外形特征是主要影响因素,并确定U型形状为最佳;基质含水率对取苗结果有一定影响,含水率在50%左右为最佳;在幼苗长出第1对真叶时取苗,幼苗根系对基质抗剪性能提升的效果对取苗影响不大,对最优水平组合做验证试验基质完整率均在80%以上,样本全都成功移栽到营养钵内。该文为进一步研究和改善穴盘幼苗移栽设备的关键技术点提供参考。     

旱地蔬菜钵苗自动移栽机栽植性能试验

为了提高蔬菜苗机械化移栽作业效率,实现旱地蔬菜钵体苗移栽自动化,研制了旱地蔬菜钵苗自动移栽机,主要由椭圆-不完全非圆齿轮行星系旋转式取苗机构、横向纵向间歇送苗机构、偏心圆盘吊杯式栽植器、动力传递系统等组成。为了获得该机的作业性能,以苗龄35 d的钵体番茄苗为移栽对象,分别在栽植频率45、60、75、84株/min时进行低速移栽试验,以96株/min的栽植频率进行高速移栽试验,按照机械行业标准JB/T 10291-2013《旱地栽植机械》测定了株距变异系数、漏栽率、栽植深度合格率、栽植合格率,参照农业行业标准NY/T 1924-2010《油菜移栽机质量评价技术规范》测定了直立度合格率。田间试验结果表明,在栽植频率为45~96株/min范围内,株距变异系数、漏栽率随栽植频率增加而略有增大,其平均值分别为6.6%~8.9%、1.7%~2.8%,栽植深度合格率、直立度合格率、栽植合格率随栽植频率增加略有下降,其平均值分别为97.5%~98.9%、96.7%~97.8%、91.1%~94.7%,株距变异系数、漏栽率、栽植深度合格率、栽植合格率均达到机械行业标准要求,直立度合格率也达到农业行业标准中的规定值。旱地蔬菜钵苗自动移栽机送苗机构、取苗机构、栽植器、整机行走配合协调,能够自动完成送苗、取苗、植苗、覆土等钵苗体移栽工序,作业性能良好。     

单垄单行甘薯联合收获机薯秧分离机构设计与参数优化

针对中国甘薯联合收获机作业薯秧分离机构分离不彻底、甘薯损伤数量多、茎秆缠绕机具部件等亟待解决的问题,该文基于自走式甘薯联合收获机设计了一种结构简单、摘净率高、伤薯率低以及防茎秆缠绕的薯秧分离机构。根据设计计算确定了分离机构结构参数,其中挖掘输送装置总长度为2050mm,水平倾角为24°;主动轴和摘辊半径分别为18、36 mm;输送装置下层杆条与摘辊间距为27 mm,最上端与摘辊之间距离为251 mm。经过理论分析明确了甘薯的运动特性及其影响作业质量的主要工作参数机具前进速度、主动轴转速、输送装置水平倾角。通过薯秧分离试验发现在甘薯收获期薯秧分离力与其含水率变化规律符合二次函数关系,进一步开展田间试验借助Box-BenhnKen的中心组合设计方法选取主要工作参数对摘净率和损伤率的影响并作试验设计,以此为基础开展三因素三水平一次回归正交试验。在DESIGNEXPERT中使用响应曲面法分析各因素对摘净率和损伤率影响效应并对回归模型的参数进行优化。当田间试验取最优参数组合机具前进速度1.2 m/s、主动轴转速895 r/min、输送装置水平倾角24°时,摘净率和损伤率分别为98.14%、2.76%,分离效果满足甘薯收获要求。该研究也为其他土下果实联合收获作业果秧分离机构提供思路。     

番茄钵苗移栽机自动取苗装置作业参数优化与试验

针对新疆地区番茄移栽机械自动化程度低、劳动强度大、作业效率低等问题,该文分析了一种番茄钵苗自动取苗装置的夹苗器凸轮运动过程,得到了凸轮运动过程参数,结合钵苗取苗作业要求搭建取苗试验台,对自动取苗装置主要工作参数进行优化。以适栽期番茄钵苗为试验对象,利用自动取苗试验台进行单因素试验。进一步结合理论分析及单因素试验,选取苗针长度、苗针开度、取苗频率为影响因素,以伤苗率、漏苗率和取苗成功率为评价指标进行三因素三水平二次旋转正交组合试验,通过Design-Expert.V8.0.6软件,得到理论最优参数组合:苗针长度198 mm,苗针开度19 mm,取苗频率57株/min,此参数组合下伤苗率为3.91%,漏苗率为1.56%,取苗成功率为94.69%。在自动取苗试验台上进行验证试验,取苗装置伤苗率为3.44%,漏苗率为1.72%,取苗成功率为94.38%,与优化结果基本吻合,验证了所建模型与优化参数的合理性。田间取苗试验伤苗率为3.65%,漏苗率为2.08%,取苗成功率为94.27%。田间试验取苗成功率与优化结果的误差为0.44%,表明取苗装置抗干扰能力较强。该研究结果可为番茄全自动移栽机取苗装置的结构改进和作业参数控制提供参考。     

嫁接机钢针顶起穴盘苗过程EDEM模拟验证及参数优化

针对该课题组自主开发研制的ZGM-7自动化穴盘苗嫁接机中出现的钢针顶起穴盘苗失败现象,该文在EDEM离散元分析软件中利用ECM粘结力弹塑性接触模型作为颗粒接触模型并建立多种不同材料属性的复杂颗粒模型来模拟真实的育苗基质,进而研究钢针与育苗基质的作用关系。并以顶起过程中的穴盘苗基质底面最大顶起高度作为指标参数,分析了不同钢针长度、不同钢针径粗、不同顶起速度条件下顶起穴盘苗的工作情况。利用响应曲面法设计并执行仿真和实际试验,仿真分析结果与试验结果得到了很好地验证,变化趋势基本一致,数值结果误差在0.7%~7.2%;钢针直径和顶起速度对指标参数影响显著,且存在显著的交互作用。以育苗基质底面竖直成功顶起的理论最大顶起高度144 mm为优化目标,利用Design_expert软件得到仿真优化参数结果:钢针直径2.28 mm,钢针长度12.28 mm,顶起速度0.09 m/s。仿真优化参数下进行试验,顶起机构顶起穴盘苗成功率高达95.3%,优化效果显著。该研究结果极大地提高了钢针顶起穴盘苗的运行效果,同时为钢针顶起离散基质等类似问题提供参考。     

基质块苗移栽机挡销式自动送苗分苗装置设计与试验

针对叶类蔬菜自动移栽送-分苗成功率低和伤苗率高的问题,该研究以甘蓝基质块苗为对象,设计了一种输送带+挡销组合式送-分苗装置,结合甘蓝基质块苗力学特性,开展送-分苗过程理论分析,确定装置稳定送-分苗条件和关键机构工作参数。搭建试验台进行单因素试验,确定关键因素参数范围,选取前输送带电机转速、后输送带电机转速和挡销频率为主要试验因素,以分苗成功率和基质块破损率为评价指标进行Box-Behnken中心组合试验,建立二阶回归模型,分析各影响因素对指标的影响关系并进行综合优化。试验结果表明：前输送带电机转速104 r/min、后输送带电机转速75 r/min、挡销频率1.85 s/次时送分苗效果较优,台架验证试验分苗成功率92.73%、基质块破损率4.09%,田间验证试验分苗成功率91.81%、基质块破损率4.62%,两指标的两次验证试验与优化结果相比误差值均小于2%,表明该装置具有较高的稳定性。该研究可为蔬菜自动移栽装备的设计提供参考。     

用于机械化栽植的西兰花钵苗力学特性试验

为了降低西兰花钵苗机械化栽植过程中的破损率,避免栽植嘴已经运行到栽植位置而钵苗还未滑到栽植嘴的底部而造成移栽失败,该文采用正交试验的方法,以土钵体积(表示穴盘规格)、苗龄和含水率为试验因素,针对栽植过程农艺要求,进行了不同方案下土钵的抗压强度试验和钵苗沿栽植嘴壁面下滑的运动阻力系数测试。通过建立西兰花土钵与栽植嘴壁面碰撞过程接触力学模型,分析得到为避免土钵破损钵苗和栽植嘴碰撞时不同组合允许的最大相对速度。以栽植作业中避免钵苗破损,同时运动阻力不能过大为目标,采用综合评分法,得到适宜机械化栽植的4个土钵体积、苗龄和含水率组合,进而对这4个组合进行模拟田间栽植试验,得到最优的组合:土钵体积为中(穴盘规格为128),苗龄为2~3片真叶,含水率约为63%。该研究为栽植机构的设计提供依据。     

夹茎式非圆齿轮玉米钵苗移栽机构设计与试验

为了更好地满足玉米钵苗机械化移栽的要求，该研究提出了一种夹茎式非圆齿轮五杆玉米钵苗移栽机构。以玉米钵苗为对象，分析了钵苗的物理力学特性，为移栽机构的设计提供理论依据；分析了非圆齿轮五杆机构的工作原理，建立了机构的运动学模型；建立了精确四位姿非圆齿轮五杆机构的数学模型；结合玉米钵苗的物理力学特性和移栽农艺要求，确定了移栽机构设计的优化目标；基于Matlab平台编写了辅助优化设计软件并优化出一组合适的机构参数；对非圆齿轮五杆玉米钵苗移栽机构进行了三维结构设计、仿真分析和试验验证。结果表明：移栽机构实际轨迹、仿真轨迹和理论设计轨迹基本一致；台架试验在移栽株距为300mm，频率60株/min时，取苗成功率为95.04%，栽植合格率为90.08%；移栽株距符合要求，钵苗直立度高，移栽效果好，满足玉米钵苗的移栽要求，验证了所提理论方法的正确性和移栽机构的可行性。     

花卉穴盘苗取栽一体式自动移栽机构设计与试验

为得到一种高效简便、通用性好的花卉自动移栽机械,设计了一种取苗和栽苗一体式花卉自动移栽机构,通过夹苗针相对移栽臂的运动规律设计,实现"双尖嘴"工作轨迹,建立了该机构运动学模型,并应用自主开发的计算机分析和优化软件,分析了机构参数变化对"双尖嘴"轨迹和姿态的影响,优选出符合取栽一体式移栽要求的机构参数,并通过模型仿真和样机试验相结合的方法,对该机构进行了验证分析,结果表明：仿真轨迹、样机测试轨迹与理论轨迹三者基本一致,验证了该取栽一体式移栽机构设计的正确性和可行性。试验选用"万寿菊"花卉穴盘苗,苗龄35 d,平均苗高约10 cm,试验设定机构转速为35 r/min（移栽速度70株/min）时,平均取苗成功率为97.27%,平均栽苗成功率为77.62%,表明该取栽一体式移栽机构具有较好的实用性。该研究可为自动化移栽关键技术的研究提供参考。