活动苗盘脱苗力学分析及粘附力影响因素试验研究.pdf

第 35 卷 第 12 期 农 业 工 程 学 报 Vol.35 No.12 2019 年 6月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jun. 2019 21 活动苗盘脱苗力学分析及粘附力影响因素试验研究冯世杰1,2，颜 波1，全 伟1，吴明亮1,3（ 1. 湖南农业大学工学院，长沙 410128； 2. 信阳农林学院园艺学院，信阳 464000； 3. 湖南现代农业装备工程技术研究中心，长沙 410128） 摘 要： 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 6.97 N，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。 关键词： 机械化；移栽；优化；苗盘；开启峰值力；粘附力；试验 doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.003 中图分类号： S223.9 文献标志码： A 文章编号： 1002-6819(2019)-12-0021-08 冯世杰， 颜 波， 全 伟， 吴明亮. 活动苗盘脱苗力学分析及粘附力影响因素试验研究J. 农业工程学报， 2019， 35(12)：2128. doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.003 http:/www.tcsae.org Feng Shijie, Yan Bo, Quan Wei, Wu Mingliang. Mechanical analysis of seedling detaching from movable tray and influence factors of adhesionJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(12): 21 28. (in Chinese with English abstract) doi ： 10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.003 http:/www.tcsae.org 0 引 言钵苗机械移栽是现代农业的一种种植方式，它可以增加复种指数、提高幼苗的质量和成活率，在提高农业生产效益中具有不可替代的作用1-3。 现有钵盘育苗移栽过程中，存在苗钵基质损失率高及由基质损失导致取苗不成功等问题4-5。针对这些问题国内学者进行了大量的研究，其中韩绿化等6-10通过对苗钵本身的力学特性进行研究来降低苗钵破损率，提高取苗成功率；高国华等11-15通过设计新型取苗爪并优化其工作参数来降低苗钵破损、 提高取苗成功率； 金鑫等16-19通过设计新型取送苗机构来降低基质损失率、提高取苗成功率；蒋兰等20建立移栽过程中苗块的动力学模型，研究毯状苗基质脱落的主影响要因素。 上述研究均直接或间接的将苗钵与苗盘间的粘附力视为取苗过程中苗钵基质损失的一个影响因素。任露泉收稿日期： 2018-12-16 修订日期： 2019-05-10 基金项目：国家科技支撑计划课题（ 2014BAD11B03） ；湖南省科技厅重点研发点项目（ 2017NK2131） 作者简介：冯世杰，博士生，讲师，主要从事农业机械研究。 Email： fsj_6688126.com 通信作者：吴明亮，教授，博士生导师，主要从事农业机械创新设计研究，Email： mlwuhunau.edu.cn 等21-24研究发现，土壤粘附力受土壤含水率、土壤与非土材料之间的正压力、土壤与非土材料分离速度等因素影响。本研究希望通过对苗钵与苗盘间粘附力影响因素的研究，寻求通过降低苗钵与苗盘间粘附力来解决取苗过程中苗钵基质破损的问题。基于此，本文在已有活动苗盘及相关试验研究基础上25-26，取活动苗盘单个钵体为研究对象（简称单钵苗盘），用橡胶圈代替原活动苗盘中的扭力弹簧，对单钵苗盘脱苗过程中粘附力及其影响因素进行试验研究，获取脱苗过程中最小粘附力产生的参数组合，为取苗过程中苗钵基质损失机理的研究提供理论支持。 1 单钵苗盘脱苗开启过程及力学分析 1.1 单钵苗盘脱苗开启过程 图 1 为单钵苗盘和苗盘开启部件。脱苗时单钵苗盘（图 1a）的 形侧板在开启部件（图 1b）的短推板作用下克服橡胶圈的束缚力绕连接支撑轴外摆，直至完全开启；随后在继续上行的短推板作用下 形侧板继续保持完全开启状态；当开启部件的长推板与 T 形侧板相作用时， T 形侧板克服橡胶圈的束缚力绕连接支撑轴外摆，直至单钵苗盘钵穴形状由倒四棱台变成四棱柱，此时苗钵和苗盘完全分离，脱苗过程结束。 农业工程学报（ http:/www.tcsae.org） 2019 年 22 1.轴套 2.连接支撑轴 3.T形侧板 4.橡胶圈 5. 形侧板 6.长推板 7.短推板 8.正方形底板 1.Shaft sleeve 2.Connection support axis 3.T shape side plate 4.Rubber ring 5. shape side plate 6.Long push plate 7.Short push plate 8.Square bottom plate 注： L1、 CD、 C1D1为推板矩形部分宽度， m； H 为推板梯形部分高度， m；H1为短推板的高度， m； H2为长推板的高度， m； AF、 A1F1为推板顶部宽度， m； BE、 B1E1为推板与侧板初始接触点； 为推板梯形部分倾角， ()。 Note: L1, CD, C1D1are rectangular portion widths of push plate， m; H is height of trapezoidal part of push plate, m; H1is height of short push plate, m; H2is height of long push plate, m; AF, A1F1are widths of push plate top, m; B, E, B1, E1are starting points of contact between push plate and side plate; is trapezoidal inclination of push plate, (). 图 1 单钵苗盘和苗盘开启部件结构示意图 Fig.1 Structure diagram of single pot movable tray and opening parts 1.2 单钵苗盘脱苗开启过程力学分析 通过对苗盘开启过程分析可知，脱苗过程中苗盘所受到的力在 形侧板开启时、 形侧板开启后和 T形侧板开启时这 3 个时刻最具代表性， 受力分析如图 2所示。依据苗盘设计值26，苗盘钵穴上口宽 L=55 mm，侧板上下边距离 H=55 mm（图 2b），当相对两侧板绕连接支撑轴内摆至下边相交时，侧板倾角 取最大值，由几何关系得 max=30，即侧板倾角取值范围为： 0 30。受力分析中，忽略了连接支撑轴和轴套形成的铰接点处的相关力。 1.2.1 脱苗过程中 形侧板开启时刻受力 脱苗过程中 形侧板开启受力指脱苗时上行短推板的 B1、 E1两点与 形侧板接触时刻的受力（ B1、 E1两点受力相同，取 B1点分析），如图 2a 所示。支持力 F1垂直于短推板斜面； F1在水平方向分量为 FX1，竖直方向分量为 FY1； FG在 形侧板上的作用点为 形侧板与苗钵接触面的几何中心处， FN垂直于侧板指向苗钵。在开启部件作用下 形侧板克服橡胶圈的弹力 FL1和粘附力 FN绕连接支撑轴外摆，至短推板的 C1、 D1两点与 形侧板接触，此时 形侧板完全开启，此时单钵苗盘中的苗钵与 T 形侧板保持相对静止。要使 形侧板顺利开启，其摆动切线方向的合力方程为 11112cossin( )sintG NLtFF FFFFmg （ 1） 注： FG为苗钵对侧板的压力， N； FN为苗钵对侧板粘附力， kPa； FL1、 FL2、FL3为橡皮圈 3 个不同长度时拉力， N； Ff为苗钵对侧板的摩擦力， N； F1、F3为推板对侧板支持力， N； FM为推板与 形侧板间的摩擦力， N； T1为 形侧板开启时短推板向上推力， N； T2为 形侧板开启后短推板向上推力，N； T3为 T 形侧板开启时长推板向上推力， N； Ft1、 Ft3为 F1、 F3的切向分量， N； Fn1、 Fn3为 F1、 F3的法向分量， N； FX1、 FX 3为 F1、 F3在水平方向分量， N； FY1、 FY 3为 F1、 F3在竖直方向分量， N； FK为短推板对开启后 形侧板的支持力， N； 为侧板倾角， ()； m1g 为苗钵的重力， N； m2g 为单块侧板的重力， N。 Note: FGis pressure of seedling pot against side plate, N; FNis adhesion force between soil matrix and side plate, kPa; FL1, FL2, FL3are tension of rubber ring at three different lengths, N; Ffis friction of seedling pot against side plate, N; F1, F3are supporting force of push plate against side plate， N; FMis friction between push plate and shape side plate， N; T1 is thrust of short push plate against shape side plate, N; T2 is thrust of short push plate against after shape side plate opening, N; T3 is thrust of long push plate against T shape side plate, N; Ft1, Ft3are tangential components of F1, F3, N; Fn1, Fn3are normal components of F1, F3, N; FX1,FX 3 are level components of F1 and F3， N； FY1, FY 3 are vertical components of F1, F3， N； FKis supporting force of short push plate against after shape side plate opening， N； is side plate angle, (); m1g is weight of seedling, N; m2g is weight of single side plate, N. 图 2 苗盘脱苗过程受力分析 Fig.2 Force analysis of detaching process of seedling from movable tray 据参考文献 21可知 =60，对式（ 1）整理得 121cos sinsin( )NGLFFF mgF （ 2） 由于 形侧板开启时 T1=4FY1=4F1cos，所以此时开启部件竖直方向推力最小值为 1212( cos sinsin( )NGLFFF mgT （ 3） 1.2.2 脱苗过程中 形侧板开启后受力 脱苗过程中 形侧板开启后受到的力只有继续上行的短推板对其产生的摩擦力 FM如图 2b 所示，摩擦力 FM持续到脱苗过程结束。 在短推板上行的过程中与单块 形侧板之间的摩擦力为 FM=2FL2， 为推板和侧板之间的摩擦系数。 此时苗盘开启部件竖直方向的推力值为 22=4LTF （ 4） 1.2.3 脱苗过程中 T 形侧板开启时刻受力 脱苗过程中 T 形侧板开启时刻受力指脱苗时长推板第 12 期 冯世杰等：活动苗盘脱苗力学分析及粘附力影响因素试验研究 23 的 B、 E 两点与 T 形侧板接触时刻的受力，如图 2c 所示。其中， F3垂直于长推板斜面； F3在水平方向分量为 FX3，竖直方向分量为 FY3；侧板还受到苗钵的压力 FG、橡 胶 圈的作用力 FL3和苗钵的粘附力 FN， 其中 FG在 形侧板上的作用点为 形侧板与苗钵接触面的几何中心处， FL3的作用点为橡胶圈的安装位置， FN垂直于侧板指向苗钵。在 T3作用下 T 形侧板克服橡胶圈的弹力 FL3和粘附力 FN绕连接支撑轴外摆，当长推板上行至 C、 D 两点与 T 形侧板接触时， T 形侧板完全开启。要保证 T 形侧板顺利开启，其摆动切线方向的合力 方程为 323cos sinsin( )NGLFFF mgF （ 5） 因为 T 形侧板开启时 FY3=F3cos，同时 形侧板与短推板之间有摩擦力存在，所以此时开启部件竖直方向的推力最小值为 3232cos sin2sin( )NGLLFFF mgTF （ 6） 通过对式（ 3）、式（ 4）、式（ 6）分析得 T3为脱苗过程中苗盘开启所需力的峰值。由式（ 6）可知在脱苗过程中苗盘开启峰值力可视为粘附力 FN和一个具体的“数值力”之和，因此可用苗盘开启峰值力来表征苗钵对苗盘侧板的粘附力。 2 脱苗过程中粘附力影响因素 文献 21-24表明：土壤与非土部件间的粘附力受两者间的正压力、实际接触面积及两者分离速度等因素影响。笔者在对活动苗盘的设计、研究中发现：侧板倾角决定了苗钵体积及苗钵对侧板的法向压力；侧板与苗钵分离速度取决于开启部件运行速度；基质含水率即影响苗钵的质量也影响苗钵与侧板之间实际接触面积。因此本文将苗盘侧板倾角、开启部件速度及含水率作为活动苗盘脱苗过程中粘附力主要影响因素进行分析。 2.1 侧板倾角对粘附力的影响 侧板倾角 为苗盘侧板与竖直方向的夹角，其值决定了苗钵的体积和质量，随着 值的变化苗钵对侧板的法向作用力也随之变化，为研究侧板倾角与粘附力之间的关系，对单钵苗盘侧板和钵苗进行静力学分析，如图 3所示。其中 m1g、 m2g 分别为钵苗和苗盘侧板自身重力，苗钵基质对单块侧板压力为 FG，侧板对苗钵基质的作用力为 FG。因钵苗基质与侧板处于相对静止状态，故基质与侧板间摩擦力 Ff和切向粘附力 w均忽略不计。 根据钵苗的静力学分析可得 14sin 0GyF mg （ 7） 由式（ 7）得苗钵对单块侧板的法向压力 FG为 3241 sin 2sin cot3GFgL （ 8） 式中 为苗钵基质的密度， kg/m3； L 为苗钵上端面边长， m。 利用 MATLAB 的 plot 函数绘制式（ 8）在 取值范围内的数据曲线图，通过对所得数据曲线图分析可知， 角与苗钵对侧板的压力之间呈负相关关系。根据任露泉等研究结果27-28可知：侧板倾角的值与苗钵对侧板的粘附力呈负相关关系。 注： FG为侧板对苗钵的作用力， N； M 为橡皮圈产生的力矩， Nm； Fx、Fy为支撑轴对轴套的作用力， N。 Note: FGis the force of the side plate against the seedling pot, N; M is the moment produced by the rubber ring, Nm; Fx, Fyare the force of the supporting shaft on the sleeve, N. 图 3 苗钵及侧板受力分析 Fig.3 Force analysis of seedling pot and side plate 2.2 苗盘开启部件速度对粘附力的影响 苗盘脱苗过程中苗盘开启部件对侧板作用，推动侧板绕连接支撑杆外摆使苗盘开启 , 图 4 为侧板开启过程动力学分析。其中侧板绕连接支撑轴摆动的角速度即苗盘开启速度由苗盘开启部件上行速度决定，为研究苗盘开启速度对苗钵与侧板间粘附力的影响，将侧板视作一轻质杆 OB1， O 点与轴铰接。选取 B1点作为研究的动点，对苗盘开启过程中的侧板进行动力学分析： B1点的绝对运动是以 O 点为圆心 OB1为半径的圆周运动，绝对速度Va为 LOB1，方向与轻质杆 OB1轴线垂直； B1点的相对运动为沿推板斜面的直线运动， 相对速度 Vr方向沿 B1C1；牵连运动为推板在竖直方向上的匀速直线运动，牵连速度 Ve是推板上行速度，方向竖直向上。 注： FI为侧板运行惯性力， N； V0为推板向上运行速度， ms-1； Va为 B1点的绝对速度， ms-1； Vr为 B1点的相对速度， ms-1； Ve为 B1点的牵连速度，ms-1； Ff1为推板与侧板之间摩擦力， N。 Note: FIis the inertia force of side plate operation, N; V0 is upward running velocity of push plate, ms-1; Vais absolute velocity of point B1, ms-1； Vris relative velocity of point B1, ms-1； Ve is following velocity of point B1, ms-1；Ff1is the friction between push plate and side plate, N. 图 4 侧板开启过程动力学分析 Fig.4 Dynamic analysis in process of side plate opening 如图 4 所示，根据速度合成定理得 cossineavv （ 9） 农业工程学报（ http:/www.tcsae.org） 2019 年 24 则根据已知条件得侧板开启瞬时角加速度为 11121cos arccos2212 sin arccos22eeOBeOBOBvtvLvtLL（ 10） 结合图 4 对侧板的受力分析，由达朗贝尔原理得 111121212cos 314sin 60 2 22sin13cos sin 0221arccos22efLOBLNeOBmv mgmg F FLFmg F FvtL （ 11） 式中 LOB1为轻质杆长度， m； t1为侧板与苗钵分离时间， s。 利用 MATLAB 的 plot 函数在 取值范围内绘制式 （ 10）的数据曲线图，通过对数据曲线图分析可知苗钵对侧板的粘附力与苗盘开启速度正相关。 2.3 含水率对粘附力的影响 根据塑限、液限的定义可知，钵苗生长期间基质含水量介于塑限和液限之间。粘附界面微粒在范德华力和氢键的作用下对紧靠其表面的水产生吸引力，在粘附界面表面微粒和侧板之间形成独立水环和水膜，此时粘附力取决于水环力和水膜粘滞力。设粘附界面表层微粒半径为 R1，微粒团聚体与侧板之间水膜半径为 R2，含水率变化对粘附力影响如图 5 所示。粘附界面表层是由微粒及微粒团聚体构成的多层次结构体。含水量低时，距离侧板最近的突起微粒和微粒团聚体与侧板之间形成水环和水膜，如图 5a 所示。随着含水量升高，距离侧板较近的不同层次上的突起微粒和微粒团聚体与侧板之间也逐渐形成水环和水膜，且已有水膜的半径逐渐增大，如图5b 所示。因此，随着含水量的升高水环数量增加、水膜的面积增大。 注： R1为突起微粒半径， m； R2为粘附界面水膜半径（低含水率）， m； R2为髙含水率水膜半径， m； 为水与侧板接触角， ()。 Note: R1 is particulate radius, m; R2is water film radius of adhesion interface of low moisture content, m; R2 is water film radius of high moisture content, m; is contact angle between water and side plat, (). 图 5 含水率对水环和水膜的影响示意图 Fig.5 Effect of moisture content on water ring and water film 由水环粘附力表达式29（ 12） 和水膜粘附力表达式30（ 13），得苗钵对侧板粘附力表达式（ 14）。 4cosLVFR 1水环（ 12） 式中 R1为突起微粒半径， m； LV为水的表面张力，N/m； 水与固体材料的接触角， ()。 24222123 114RFt hh 水膜（ 13） 式中 为土壤水黏度； R2为粘附界面水膜半径（低含水率）， m； h1为土壤与固体材料表面初始距离， m；h2为土壤与固体材料表面分离距离， m； t2为土壤和非土物质分离所用时间， s。 42211123 114cos4nmNLViiRFRt hh 21（ 14） 由式（ 14）可知，当含水率升高时粘附界面与侧板间的水环数量 n 增加、水膜半径 R2变大且数量 m 增多，即苗钵对侧板的粘附力 FN随含水率升高而变大。 3 脱苗试验 为深入研究上述因素对苗钵粘附力的影响，进行三因素试验。由于脱苗时苗钵与侧板间的粘附力值不能通过试验直接获得，且从式（ 6）可知苗盘脱苗开启峰值力为粘附力与一个数值力的和，因此试验中以苗盘脱苗开启峰值力为评价指标，来研究各试验因素对脱苗过程中苗钵与侧板间粘附力的影响。 3.1 试验材料与设备 试验于 2018 年 3 月在湖南农业大学农业机械化工程实训中心进行，图 6 为试验材料及试验装置。试验钵苗在湖南农业大学耘园培育， 品种为湘杂油 420， 苗龄 35 d。苗钵基质由泥炭、蛭石、珍珠岩、耘园壤土按 4:2:2:1 体积比配制，压实度为 1.1。育苗盘为自制单钵苗盘如图 1a所示。试验仪器为 CMT6104 型微机控制电子万能试验机（深圳新三思），选用量程为 980 N 的拉压传感器，测量精度为 0.01 N，横梁速度调节范围 0.001 500 mm/min，根据单钵苗盘结构特点，结合万能试验机结构及工作原理设计了单钵苗盘夹持台及辅助部件，如图 6b 所示。 a. 试验材料 a. Test materials b. 试验装置 b. Test equipment c. 脱盘后钵苗 c. Seedling after detaching图 6 试验材料及试验装置 Fig.6 Test materials and test equipment 3.2 试验因素及取值范围 综上所述，选取侧板倾角、苗盘开启部件速度和基质含水率作为试验因素。苗盘倾角水平值选定：在调查现有育苗钵盘锥角的基础上，试制倾角为 5、 7、 9、第 12 期 冯世杰等：活动苗盘脱苗力学分析及粘附力影响因素试验研究 25 11、 13共 5 种苗盘，并利用苗盘育苗进行苗钵直立率试验31。试验发现随着苗盘侧板倾角增大，苗钵底部面积减小导致钵苗直立率降低，结合为该苗盘设计的托举 -托持式取苗装置的作业特点， 侧板倾角取值范围为 7 11。 万能试验机横梁最大速度为 8.3 mm/s，且由式（ 10）可知苗盘开启部件运行速度与苗钵对侧板的粘附力正相关，同时苗盘开启部件运行速度关系到苗盘开启速度及取苗时间，因此苗盘开启部件运行速度取值范围为 48 mm/s。 试验前将钵苗浇透水，在浇水后第 8 h 和第 24 h 进行含水率测定试验，用北京赛多利斯公司的水分快速测定仪（型号 MA150，精度 1 mg）对钵体进行水分测定，得到基质含水率分别为 65.13%、 54.71%， 根据文献 21,32可知该含水率能满足油菜生长需要，因此基质含水率取值范围为 55% 65%。 在进行与含水率 0 水平（表 1）相关的试验前，用水分快速测定仪对基质含水率进行测定，当含水率为60%0.4%时开始试验。 3.3 试验方法 采用响应曲面法（ RSM）常用的试验设计软件Design-Expert 中 BBD 试验设计方法，结合试验因素水平编码表（如表 1 所示）设计试验方案，并对试验中各影响因素参数进行优化。 表 1 试验因素与水平 Table 1 Experiment factors and levels 因素 Factors 水平 Level 侧板倾角 Dip angle of side plate A/() 开启部件速度 Speed of opening parts B/(mms-1) 基质含水率 Moisture content of soil matrix C/% -1 7 4 55 0 9 6 60 1 11 8 65 试验时单钵苗盘固定在苗盘夹持台上，苗盘开启部件和力换向杆与万能试验机横梁上的拉压传感器进行固连，由横梁带动苗盘开启部件运行。 4 试验结果与分析 4.1 试验结果 试验方案中每个组合重复 5 次，记录每次苗盘开启峰值力值，去除差异较大的数据，取平均值作为该组合的试验结果，如表 2 所示。同时测算每个组合试验后的苗钵基质损失率的平均值，发现活动苗盘脱苗基质损失率最小值为 4.39%， 且苗钵基质损失率与脱苗时苗盘开启峰值力之间呈正相关关系。 4.2 回归方程及方差分析 运用 Design-Expert 8.0.6 分析试验数据，得苗盘脱苗开启峰值力与各试验因素之间的回归方程为 T=39.3590.039A2.58B0.85C0.016AB0.027AC +0.034BC+0.086A2+0.055B2+7.810-3C2（ 15） 基于方差分析的回归方程显著性检验如表 3 所示 ，模型的 P 0.05，说明该模型显著；失拟项的 P 0.05 说明模型失拟不显著具有很好的拟合性。由模型影响显著系数可知，一次项 A、 C，二次项 A2，交互项 AC， BC 对苗盘开启峰值力影响显著（ P 0.05），一次项中开启部件速度对苗盘开启峰值力影响最小 F=1.40。 表 2 试验方案与结果 Table 2 Experiment scheme and results 试验因素 Factors 序号 No. 侧板倾角 Dip angle ofside plate A/() 开启部件速度 Speed of opening parts B/(mms-1) 基质含水率 Moisture content of soil matrix C/%苗盘开启 峰值力 Opening peak force of moveable tray/N 1 9 6 60 7.54 2 7 8 60 8.25 3 9 4 55 7.88 4 9 6 60 7.23 5 7 4 60 8.08 6 9 6 60 7.32 7 11 8 60 7.44 8 7 6 65 8.53 9 7 6 55 7.56 10 9 8 65 8.15 11 9 8 55 6.81 12 11 4 60 7.53 13 11 6 55 7.62 14 9 6 60 7.26 15 9 6 60 6.96 16 9 4 65 7.87 17 11 6 65 7.50 表 3 回归方程方差分析 Table 3 Variance analysis of regression equation 来源 Source 平方和Sum ofsquares自由度 Degree of freedom 均方 Mean square F 值 F value P 值 P value Model 3.06 9 0.34 7.55 0.007 1 A 0.68 1 0.68 15.7 0.006 0 B 0.063 1 0.063 1.40 0.275 5 C 0.59 1 0.59 13.19 0.008 4 AB 0.017 1 0.017 0.38 0.559 6 AC 0.30 1 0.30 6.59 0.037 1 BC 0.46 1 0.46 10.12 0.015 5 A20.50 1 0.50 11.06 0.012 7 B20.20 1 0.20 4.48 0.072 0 C20.16 1 0.16 2.69 0.099 2 残差 Residual 0.32 7 0.045 失拟项 Lack of fit 0.14 3 0.047 1.10 0.446 7 误差 Pure error 0.17 4 0.043 总和 Total 3.38 16 4.3 评价指标的双因素交互影响分析 双因素交互对苗盘脱苗开启峰值力的影响 如图 7所示 。 侧板倾角与基质 含水率对开启峰值力的交互影响如图 7a 所示 ，在侧板倾角各水平下，苗盘开启峰值力随基质含水率的增加而增大，在侧板倾角较小时增大趋势农业工程学报（ http:/www.tcsae.org） 2019 年 26 较为明显；在含水率各水平下，苗盘开启峰值力随侧板倾角增大总体趋于下降，在高含水率的情况下较为显著。这也符合随基质含水率增加苗钵质量加大，当侧板倾角变大时苗钵对侧板产生压力变小的研究结果，两因素交互作用显著。 基质含水率与开启部件速度 对开启峰值力交互影响 如图 7b 所示，在开启部件速度各水平作用下苗盘开启峰值力在高速下随含水率增加而增大，在低速时开启峰值力先下降然后缓慢上升；在基质含水率因素各水平作用下，苗盘开启峰值力在低基质含水率时随速度增大呈缓慢下降趋势，而在高基质含水率时随速度的增大明显变大，两因素交互作用影响效果显著。 a. T(A,6,C) b. T(9,B,C) 图 7 各影响因素响应曲面 Fig.7 Response surface of factors 4.4 参数优化及验证 利用 Design-Expert 的优化功能，以苗盘脱苗开启所需峰值力最小值为目标，设定相关因素的目标及边界极限值，进行各变量组合寻优。得到满足约束条件的最小开启峰值力的最优参数组合：侧板倾角为 9.24、开启部件速度为 7.98 mm/s、含水率为 55%，苗盘开启峰值力为6.97 N。 为验证利用软件所得优化结果的可行性，采用优化后的参数组合进行验证试验，侧板倾角取 9.2，开启部件速度为 8 mm/s， 含水率为 55%。 试验重复 10 次取平均值，得苗盘脱苗开启峰值力为 7.12 N，苗钵基质损失率为3.14%，其峰值力相比模型预测值 6.97 N 的误差为 2.1%。 验证试验表明，通过优化各影响因素的参数能降低脱苗过程中苗钵与苗盘侧板间的粘附力，优化前后，苗钵基质损失率有明显下降。 5 结论与讨论 1）对单钵苗盘脱苗时苗钵和苗盘侧板进行受力分析，得到了脱苗过程中苗钵粘附力与苗盘开启峰值力之间存在正相关关系。对侧板倾角、苗盘开启部件速度及基质含水率与苗钵粘附力之间关系进行研究，发现苗盘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。 2）运用 Design-Expert 优化功能进行影响因素变量组合寻优，获取苗盘开启峰值力最小时相关参数的优化组合：侧板倾角为 9.24、苗盘开启部件速度为 7.98 mm/s、含水率为55%，苗盘开启峰值力为 6.97 N。验证试验表明：参数优化后的苗盘脱苗开启峰值力为 7.12 N， 与模型预测值相对误差为 2.1%， 苗钵基质损失率由优化前最低值 4.39%降为 3.14%。通过优化各影响因素的参数能降低脱苗过程中苗钵与苗盘侧板间的粘附力，优化前后，苗钵基质损失率有明显下降。 3）苗盘开启部件 7.98 mm/s 的运行速度满足生产效率的需要，后期在高速移栽的要求下，提高文中开启部件运行速度，缩短单次取苗时间、提高取苗频率，最终提高移栽效率是下一步继续研究的方向。 参 考 文 献 1 于晓旭，赵匀，陈宝成，等 . 移栽机械发展现状与展望 J. 农业机械学报， 2014， 45(8)： 44 53. Yu Xiaoxu, Zhao Yun, Chen Baocheng, et al. Development and prospect of transplanting machineryJ. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(8): 44 53. (in Chinese with English abstract) 2 张欣悦，李连豪，汪春，等 . 2BS-420 型水稻植质钵育秧盘精量播种机 J. 农业机械学报， 2013， 44(6)： 56 61. Zhang Xinyue, Li Lianhao, Wang Chun, et al. Type 2BS-420 precision seeder for rice s