蔬菜钵苗高速移栽机吊杯式栽植器参数优化_王永维.pdf

蔬菜钵苗高速移栽机吊杯式栽植器参数优化 王永维 唐燕海 王俊 程绍明 浙江大学生物系统工程与食品科学学院 杭州310058 摘 要 为了获取高速状态下蔬菜钵苗移栽机吊杯式栽植器的最佳工作参数 设计了移栽参数可调的栽植器试验台 并进行了钵苗移栽土槽试验 采用二次正交旋转中心组合设计法 以移栽速度 特征参数和吊杯倾角为影响因子 以直立度合格率 株距变异系数和栽植深度合格率为响应值 利用SAS9 1软件进行回归分析和响应曲面分析 探究单因子及交互因子对响应值的影响效应 并结合非线性优化计算方法 对栽植器的结构参数和工作参数进行优化计算 结果表明 在满足栽植频率大于90株 min的高速移栽状态下 各因子对直立度合格率的影响贡献大小为吊杯倾角 特征参数 移栽速度 对株距变异系数的影响贡献大小为移栽速度 特征参数 吊杯倾角 对栽植深度合格率的影响贡献大小为移栽速度 吊杯倾角 特征参数 优化所得栽植器最佳参数条件 移栽速度为0 47m s 特征参数为1 18 吊杯倾角为87 此时理论最优值为直立度合格率98 01 株距变异系数5 93 栽植深度合格率89 25 优化后验证试验表明直立度合格率为96 6 株距变异系数为6 05 栽植深度合格率为87 8 试验结果与理论结果一致 所建立的回归模型合理 优化 后直立度合格率 栽植深度合格率较优化前分别提高5 8 3 6个百分点 也高于国家和行业标准规定的指标值 关键词 蔬菜钵苗 高速移栽机 吊杯式栽植器 参数优化中图分类号 S223 9 文献标识码 AParameters optimization for the dibble type planting apparatus ofvegetable pot seedling transplanter in high speed conditionWang Yongwei Tang Yanhai Wang Jun Cheng Shaoming SchoolofBiosystemsEngineeringandFoodScience ZhejiangUniversity Hangzhou310058 China Abstract In order to obtain the optimum operating parameters for the dibble type planting apparatus of vegetable potseedling transplanter in high speed condition a test bed that could adjust the parameters was designed and a soil troughexperiment was conducted for seedling transplanting A central composite design of second order regressionorthogonal rotation was carried out with transplanting speed characteristic parameter and oblique angle of dibble asexperimental factors and with qualification ratio of perpendicularity variation coefficient of planting spacing and qualification ratio of planting depth as response values By using SAS9 1 regression analysis and responsesurface both single factor and interactive factor on response values were analyzed Combined with nonlinearoptimization calculation the structural parameters and working parameters were calculated optimally The resultsobtained in the condition of high transplanting speed 90 seedlings per minute indicated that in terms of significantdegree the influence factors of qualification ratio of perpendicularity were oblique angle of dibble characteristicparameter and transplanting speed the influence factors of variation coefficient of planting spacing were transplantingspeed characteristic parameter and oblique angle of dibble the influence factors of qualification ratio of planting depthwere transplanting speed oblique angle of dibble and characteristic parameter The optimum parameter condition of thedibble type planting apparatus after optimizing was 0 47m s of transplanting speed 1 18 of characteristic parameter and87 of oblique angle of dibble At this time qualification ratio of perpendicularity achieved theoretical optimum value of98 01 variation coefficient of planting spacing was 5 93 and qualification ratio of planting depth was 89 25 Through verification by an experiment in optimum condition the experimental value of qualification ratio ofperpendicularity was 96 6 variation coefficient of planting spacing was 6 1 and qualification ratio of planting depthwas 87 8 which indicated that the experimental results and predicted results were consistent and regression modelsestablished by the experiment were appropriate According to comparison of transplanting perance before and after parameters optimization qualification ratio of perpendicularity and qualification ratio of planting depth increased by5 8 and 3 6 respectively and transplanting perance was superior to the technique inds of national andindustrystandards aswell Key words Vegetablepot seedling high speedtransplanter dibble type plantingapparatus Parameter optimization收稿日期 2015 06 03 修回日期 2015 06 22基金项目 国家高技术研究发展计划 863计划 项目 2012AA10A504 作者简介 王永维 1975 男 博士 副教授 主要从事种植机械研究 E mail wywzju 通讯作者 王俊 1965 男 博士 教授 主要从事农业机械和农产品品质检测与加工研究 E mail jwang 网络出版时间 2015 10 08 15 19 03 网络出版地址 引言我国是世界上最大的蔬菜生产国 蔬菜的种植方式主要包括直播和育苗移栽两种 近年来由于育苗技术的发展和基质育苗的优越性 育苗移栽已经成为蔬菜种植的趋势 1 3 蔬菜移栽机按照栽植器型式的不同分为钳夹式 链夹式 挠性圆盘式 导苗管式以及吊杯式等 其中吊杯式栽植器由于对柔嫩秧苗 大钵秧苗及钵体易碎秧苗的适应性强 获得了广泛的应用 4 9 宋洪波等 10 建立了偏心吊杯式栽植器的运动方程 确定了较合理的机构参数和栽植器运动参数 封俊等 11 分析了吊杯的运动轨迹 引入并证实了特征参数大于1是吊杯式栽植器设计的基本依据和满足移栽直立度要求的必要条件 王文明等 12 针对2ZT 2型圆盘吊杯式移栽机进行研究 得出适合甜菜产区的移栽机的最佳的特征参数值和鸭嘴开启运动规律的匹配关系 张祖立等 13 确定了钵苗在落苗过程中的速度方程 并对样机的主要性能指标进行了试验 但上述移栽机均为半自动型 受人工投苗速度的限制 一般是单行栽植频率30 40株 min的常规移栽 对吊杯式栽植器运动过程的分析 基于零速投苗原理优化和栽植性能改善等方面的研究也在低速移栽条件下进行 也缺乏综合栽植器结构参数 工作参数对栽植性能进行试验优化 因而无法为单行 栽植频率大于90株 min的蔬菜钵苗高速自动移栽提供最佳的结构与运行参数 为了满足自动取苗 植苗高速移栽的要求 提高机械化移栽质量 本文建立了参数可调的栽植器试验台 通过番茄钵苗移栽土槽试验 研究高速移栽条件下移栽速度 特征参数和吊杯倾角对栽植器移栽性能的影响规律 获取栽植器最佳栽植参数 为蔬菜高速移栽机设计与工作提供借鉴 1 蔬菜钵苗高速移栽机吊杯式栽植器试验台蔬菜钵苗高速移栽机吊杯式栽植器试验台由机架 地轮 变频控制箱 调速电动机 吊杯式栽植器和土槽等组成 如图1所示 机架 地轮 地轮轴 驱动轴等组成行走底盘 调速电动机 吊杯式栽植器安 装在机架上 调速电动机与驱动轴通过链传动连接并驱动行走底盘 变频控制箱控制调速电动机以调节试验台的行进速度即移栽速度 吊杯式栽植器的主轴设有不同齿数的链轮 通过驱动轴上的链轮与主轴设有不同齿数的链轮构成链传动改变吊杯式栽植器吊杯在植苗位置旋转线速度 以实现在吊杯旋转线速度与试验台行走速度配比下进行栽植试验 吊杯倾角可通过调节手板来调整 土槽内盛放基质并置于试验台下方 移栽作业时 调节好试验台参数 当吊杯旋转至栽植器上部投苗位置时人工投入钵苗 吊杯继续旋转至土槽上方栽植位置时打开 钵苗被栽植入土 完成一次钵苗栽植土槽试验 图1 蔬菜移栽机吊杯式栽植器试验台Fig 1Test bedfor thedibble type plantingapparatusofvegetable pot seedlingtransplanter1 地轮轴 2 地轮 3 机架 4 联接筋 5 调节手板 6 栽植器 7 吊杯 8 主轴 9 13 链轮 10 11 链条 12 调速电动机 14 变频控制箱 15 驱动地轮 16 驱动轴 17 土槽吊杯式栽植器由主轴 连杆 吊杯 偏心盘 轨道 转动盘和凸轮等组成 如图2所示 偏心盘圆心O1与转动盘圆心O2水平距离为偏心距D 连杆左右铰接点水平距离为L 当偏心距D L时 栽植器转动时吊杯在偏心盘 连杆和转动盘的共同作用下始终保持水平平动 保证直立度要求 工作时 通过链条将动力传递给主轴 主轴带动转动盘转动 偏心盘沿轨道与转动盘同步转动 并同时带动吊杯转动 当吊杯运动到上 方投苗位置时投入钵苗 钵苗随吊杯继续运动 当运动到底部栽植位置时吊杯在凸轮的作用下被打开 钵苗落入吊杯开好的孔里 完成一次栽植作业过程 a b 图2 吊杯式栽植器结构与工作原理图Fig 2 Sketch andoperatingprinciple ofdibble type plantingapparatus a 吊杯式栽植器结构 b 工作原理1 联接筋 2 连杆 3 吊杯 4 凸轮 5 偏心盘 6 转动盘 7 主轴 8 弹簧9 偏心盘铰链 10 转动盘铰链 11 轨道2 试验方案2 1 试验材料试验钵苗为浙杂809番茄苗 采用128孔标准穴盘温室育苗 苗龄35d 秧苗长势良好 平均苗高142mm 平均茎粗3 86mm 2 2 试验设计影响移栽机栽植质量的因素有移栽速度 吊杯旋转速度 钵苗质量 定植田地等 其中钵苗定植瞬间线速度的水平分速度与移栽机前进速度的比值即特征参数 是影响栽植质量的主要因素之一 故在单因子预试验基础上选择移栽速度 特征参数 吊杯倾角为试验因素 移栽机的性能指标包括栽植均匀度 栽植状态 栽植生产率 移栽机适应性和移栽自动化等 14 其中栽植均匀度和栽植状态是判定移栽机性能优劣的主要指标 故以直立度合格率 株距变异系数和栽植深度合格率为试验指标 采用三因子五水平二次正交旋转组合设计方法安排试验 目前 受人工送苗限制 移栽频率通常为30 40 株 min 为了探究高速状态下移栽机的栽植性能 试验设置移栽频率大于90株 min 番茄钵苗栽植株距定为200 400mm 因吊杯式栽植器的优化需遵循零速投苗原理 15 且应保证特征参数大于1 11 根据相关文献 16 19 及预试验结果 选取试验因素编码零水平移栽速度为0 47m s 特征参数为1 3 吊杯倾角为90 并确定试验因素水平编码如表1所示 表1试验因素水平编码表Table 1Codinglevels for factors ofexperiment 编码值 因素移栽速度 m s 1 特征参数 吊杯倾角 1 682 0 40 0 96 82 1 0 43 1 1 850 0 47 1 3 901 0 51 1 5 951 682 0 54 1 64 982 3 试验指标测定2 3 1 直立度合格率测定直立度合格率指秧苗栽植后的直立状态 为秧苗主茎与地面夹角不小于30 的秧苗占秧苗移栽的实测株数的百分比 不含漏栽 埋苗 伤苗和倒伏的株数 20 21 直立度合格率测定参照标准NY T 1924 2010 油菜移栽机作业质量评价技术规范 同时根据番茄钵苗移栽农艺要求 设钵苗主茎与地面的夹角为 当 80 90 为优秀 70 80 为良好 55 70 为合格 55 为不合格 试验采用万能角度尺 精度 1 测量移栽后番茄钵苗主茎与地面的夹角 并计算直立度合格率100 ZLNT N 1 式中 T为直立度合格率 N ZL为直立株数 株 N为测定的总株数 株 2 3 2 株距变异系数测定株距变异系数定义为在一定的栽植区间内所测得的实际株距的标准离差与平均值的百分比 株距变异系数是对移栽机纵向栽植均匀度的评价 体现移栽机 械对钵苗栽植的均匀程度 参照标准JB T10291 2013旱地栽植机械 用卷尺和直尺测量各试验组株距值 并计算株距变异系数100 xx SC X 2 1n ii XX n 3 2111 nx iiS X Xn 4 式中 C x为株距变异系数 X为株距平均值 cm Sx为株距标准差 cm n为实测株距数 株 Xi为实测株距 cm 2 3 3 栽植深度合格率测定栽植深度合格率定义为在一定的栽植区间内所测得栽植深度合格的秧苗数与总株数的百分比 它影响秧苗的缓苗和根系的再生 22 23 参照标准 JB T10291 2013旱地栽植机械 试验测量的栽植深度为从秧苗与覆土表面交点到秧苗根部的垂直距离 栽植深度在理论深度的 1 2cm范围内为合格 栽植深度合格率计算公式为100 hNH N 5 式中 H为栽植深度合格率 Nh为栽植深度合格的总株数 株 N为测定的总株数 株 2 4 数据处理采用SAS9 1分析软件对试验数据进行分析处理 以栽植器性能评价指标 直立度合格率 株距变异系数和栽植深度合格率 为响应值 考察移栽速度 特征参数和吊杯倾角3个因素 自变量 对响应值的影响效应 响应值与自变量的关系用二次多项式回归模型表示为Y 0 1X1 2X2 3X3 12X1X2 13X1X3 23X2X3 11X12 22X22 33X32 6 式中 Y为试验响应值 X1 X2 X3为自变量的编码值 0 1 2 3 12 13 23 11 22 33为预测模型的回归系数 通过t检验对回归模型各因素影响的显著性进行检验 并删除无统计学显著意义的参数 回归模型的充分性用决定系数 R2 和失拟检验表示 根据建立的栽植器响应值 直立度合格率 株距变异系数和栽植深度合格率 与自变量 移栽速度 特征参数和吊杯倾角 编码值关系的有效回归方程 采用非线性优化计算方法 结合Matlab软件优化工具箱 对试验高速状态下栽植器的结构参数和工作参数进行优化计算 获得符合钵苗移栽农艺要求的最佳参 数组合 3 试验结果与分析3 1 试验结果回归分析 试验于2015年2月5 6日在浙江大学进行 试验实施方案及结果如表2所示 根据表2的试验结果 采用SAS9 1软件进行统计分析 结果如表3所示 表2试验方案及结果Table 2Experimentscheme andtest results编号 X1 X2 X3 直立度合格率Y1 株距变异系数Y2 栽植深度合格率Y3 1 1 1 1 87 4 9 2 79 82 1 1 1 76 5 7 8 70 63 1 1 1 68 8 10 6 68 54 1 1 1 55 2 8 9 63 65 1 1 1 85 2 10 5 76 2 6 1 1 1 58 6 9 7 51 27 1 1 1 76 4 10 8 70 88 1 1 1 42 6 12 7 42 29 1 682 0 0 86 5 8 6 77 510 1 682 0 0 68 8 15 8 50 811 0 1 682 0 87 6 6 6 75 612 0 1 682 0 58 2 11 6 60 213 0 0 1 682 89 6 9 2 75 614 0 0 1 682 42 6 10 9 70 215 0 0 0 94 6 4 5 85 616 0 0 0 96 5 5 3 82 617 0 0 0 85 5 4 9 90 618 0 0 0 95 5 8 5 92 619 0 0 0 86 2 7 2 80 520 0 0 0 93 5 6 5 87 221 0 0 0 86 6 4 6 94 2 22 0 0 0 96 8 6 7 84 523 0 0 0 89 4 4 2 90 4表3 试验统计分析结果Table 3Resultsof statistical analysis for experiment系数 直立度合格率Y1 株距变异系数Y2 栽植深度合格率Y3 系数值 F值 系数值 F值 系数值 F值 0 91 67 5 84 87 62 1 4 02 11 61 1 41 12 26 6 37 19 32 2 8 36 50 23 1 04 6 64 4 29 8 76 3 12 00 103 62 0 06 0 02 5 62 15 05 12 1 89 1 5 0 1 0 04 0 49 0 8 13 4 49 8 48 0 525 0 99 4 94 6 80 23 1 24 0 64 0 3 0 32 0 09 0 96 11 5 40 24 36 2 11 31 75 8 65 41 48 22 7 08 41 89 1 01 7 32 7 33 29 74 33 9 48 75 19 1 35 12 98 5 56 17 12 模型p 值 0 0001 0 0005 0 0001 失拟p 值 0 67 0 44 0 16R2 96 05 84 66 91 34 注 0 常数项 1 移栽速度一次项系数 2 特征参数一次项系数 3 吊杯倾角一次项系数 12 移栽速度和特征参数交互项系数 13 移栽速度和吊杯倾角交互项系数 23 特征参数和吊杯倾角交互项系数 11 移栽速度二次项系数 22 特征参数二次项系数 33 吊杯倾角二次项系数 表示显著 p 0 05 表示极显著 p 0 01 根据直立度合格率Y1统计分析可知 在0 05水平上X1 X2 X3 X1X3 X12 X22和X32的系数显著 其余不显著 总模型的P值和决定系数 R2 分别为0 0001和96 05 而失拟项的P值为0 67 说明回归模型极其显著且具有很高的拟合精度 失拟不显著 回归有效 同理 对于株距变异系数Y 2和栽植深度合格率Y3统计分析可知 总模型的P值分别为0 0005和0 0001 失拟项的P值分别为0 44和0 16 回归模型都呈显著 失拟均不显著 且模型的决定系数分别为84 66 和91 34 回归模型拟合精度高 将不显著项删除后得到各响应值回归方程如表4 表4响应值回归方程Table 4 Regressionequationsofresponse value响应值 回归方程直立度合格率Y 1 Y1 91 67 4 02X1 8 36X2 12X3 4 49X1X3 5 40X12 7 08X22 9 48X32株距变异系数Y2 Y2 5 84 1 41X1 1 04X2 2 11X12 1 01X22 1 35X32栽植深度合格率Y3 Y3 87 62 6 37X1 4 29X2 5 62X3 4 94X1X3 8 65X12 7 33X22 5 56X323 2 单因子对响应值的影响效应分析采用降维方法分析单因子对响应值的影响效应 根据响应值的回归方程 将其他因子固定在零水平 采用单因子效应方程描述该因子对响应值的影响 单因子效应曲线如图3 3 2 1 单因子对直立度合格率影响效应分析由图3a知 直立度合格率与移栽速度 特征参数 吊杯倾角的关系均为上凸曲线 其极值点分别在编码值为 0 37 0 59和 0 63处 当各因子编码值分别小于 其极值点处编码值时 因子对直立度合格率的影响呈正效应 当各因子编码值分别大于其极值点处编码值时 因子对直立度合格率的影响呈负效应 移栽速度编码值为 0 37 实际对应的移栽速度为0 46m s 此时直立度合格率最大为89 44 特征参数编码值为 0 59 实际对应的特征参数为1 18 此时直立度合格率最大为91 14 吊杯倾角编码值为 0 63 实际对应吊杯倾角为86 8 此时直立度合格率最大为95 47 3 2 2 单因子对株距变异系数的影响效应分析由图3b知 株距变异系数与移栽速度 特征参数两个因子的关系均为下凹曲线 其极值点分别在编码值为 0 33 0 51处 而吊杯倾角对株距变异系数的影响不显著 当各因子编码值分别小于其极值点处编码 值时 因子对株距变异系数的影响呈负效应 当各因子编码值分别大于其极值点处编码值时 因子对直立度合格率的影响呈正效应 移栽速度编码值为 0 33 实际对应的移栽速度为0 46m s 此时株距变异系数最低为5 60 特征参数编码值为 0 51 实际对应的特征参数为1 20 此时株距变异系数最低为5 57 3 2 3 单因子对栽植深度合格率影响效应分析由图3c知 栽植深度合格率与移栽速度 特征参数 吊杯倾角的关系均为上凸曲线 其极值点分别在编码值为 0 37 0 29和 0 51处 当各因子编码值分别小于其极值点处编码值时 因子对栽植深度合格率的影响呈正效应 当各因子编码值分别大于其极值点处编码值时 因子对栽植深度合格率的影响呈负效应 移栽速度 编码值为 0 37 实际对应的移栽速度为0 46m s 此时栽植深度合格率最大为88 79 特征参数编码值为 0 29 实际对应的特征参数为1 24 此时栽植深度合 a 直立度合格率 b 株距变异系数 c 栽植深度合格率图3单因子效应曲线Fig 3Curve ofsingle factor effect格率最大为88 25 吊杯倾角编码值为 0 51 实际对应的吊杯倾角为87 4 此时直立度合格率最大为89 04 3 3 交互因子对响应值的影响效应分析移栽速度 特征参数和吊杯倾角任意两因子作为交互因子对直立度合格率 株距变异系数 栽植深度合格率的响应曲面及等高线图分别如图4 6所示 3 3 1 交互因子对直立度合格率影响效应分析由图4a知 在吊杯倾角为90 时 随着移栽速度 和特征参数的增大 直立度合格率先增大后减小 当移栽速度编码值在 1 682 0 5 移栽速度为0 40 0 49m s 特征参数编码值在 1 682 0 5 特征参数为0 96 1 4 范围内时 直立度合格率有较大值 移栽速度和特征参数对直立度合格率的影响无交互作用 等高线图表明 直立度合格率沿特征参数方向的变化速率较移栽速度方向的变化速率高 即栽植器工作时特征参数对直立度合格率的影响大于移栽速度对直立度合格率的影响 图4交互因子对直立度合格率的影响Fig 4 Effectsof interactive factors onqualificationratio ofperpendicularity由图4b知 在特征参数为1 3时 随着移栽速度和吊杯倾角的增大 直立度合格率先增大后减小 当移栽速度编码值在 1 1 移栽速度为0 43 0 51m s 吊杯倾角编码值在 1 682 0 5 吊杯倾角为82 92 5 范围内时 直立度合格率有较大值 移栽速度和吊杯倾角对直立度合格率的影响存在明显交互作用 等高线图表明 直立度合格率沿吊杯倾角方向的变化速率较移栽速度方向的变化速率高 即栽植器工作时吊杯倾角对直立度合格率的影响大于移栽速度对直立度合格率的影响 由图4c知 在移栽速度为0 47m s时 随着特征参数和吊杯倾角的增大 直立度合格率先增大后减小 当特征参数编码值在 1 682 0 5 特征参数为0 96 1 4 吊杯倾角编码值在 1 682 0 5 吊杯倾角为82 92 5 范围内时 直立度合格率有较大值 特征参数和吊杯倾角对直立度合格率的影响无交互作用 等高线图表明 直立度合格率沿吊杯倾角方向的变化速率较特征参数方向的变化速率高 即栽植器工作时吊杯倾角对株距变异系数的影响大于特征参数对株距变异系数的影响 另外由表 3 可知 移栽速度 特征参数和吊杯倾角的F值分别为11 61 50 23和103 62 结合响应曲面及等高线图的分析 各因素对于直立度合格率影响的贡献率从高到低依次为吊杯倾角 特征参数 移栽速度 3 3 2 交互因子对株距变异系数影响分析由图5a知 在吊杯倾角为90 时 随着移栽速度和特征参数的增大 株距变异系数先减小后增大 当 移栽速度编码值在 1 0 5 移栽速度为0 43 0 49m s 特征参数编码值在 1 682 0 5 特征参数为0 96 1 4 范围内时 株距变异系数有较小值 移栽速度和特征参数对株距变异系数的影响无交互作用 等高线图表明 株距变异系数沿移栽速度方向的变化速率较特征参数方向的变化速率高 即栽植器工作时移栽速度对株距变异系数的影响大于特征参数对株距变异系数的影响 图5交互因子对株距变异系数的影响Fig 5Effects ofinteractive factors onvariationcoefficient ofplantingspacing由图5b知 在特征参数为1 3时 随着移栽速度和吊杯倾角的增大 株距变异系数先减小后增大 当移栽速度编码值在 1 0 5 移栽速度为0 43 0 49m s 吊杯倾角编码值在 0 5 0 5 吊杯倾角为87 5 92 5 范围内时 株距变异系数有较小值 移栽速度和吊杯倾角对株距变异系数的影响无交互作用 等高线图表明 株距变异系数沿移栽速度方向的变化速率较吊杯倾角方向的变化速率高 即栽植器工作时移栽速度对株距变异系数的影响大于吊杯倾角对株距变异系数的影响 由图5c知 在移栽速度为0 47m s时 随着特征 参数和吊杯倾角的增大 株距变异系数先减小后增大 当特征参数编码值在 1 682 0 5 特征参数为0 96 1 4 吊杯倾角编码值在 0 5 0 5 吊杯倾角为87 5 92 5 范围内时 株距变异系数有较小值 特征参数和吊杯倾角对株距变异系数的影响无交互作用 等高线图表明 株距变异系数沿特征参数方向的变化速率较吊杯倾角方向的变化速率高 即栽植器工作时特征参数对株距变异系数的影响大于吊杯倾角对株距变异系数的影响 另外由表 3 可知 移栽速度 特征参数和吊杯倾角的F值分别为12 26 6 64和0 02 结合响应曲面及等高线图的分析 各因素对于株距变异系数影响的贡 献率从高到低依次为移栽速度 特征参数 吊杯倾角 3 3 3 交互因子对栽植深度合格率影响分析由图6a知 在吊杯倾角为90 时 随着移栽速度和特征参数的增大 栽植深度合格率先增大后减小 当移栽速度编码值在 1 682 1 移栽速度为0 40 0 51m s 特征参数编码值在 1 682 1 特征参数为0 96 1 5 范围内时 栽植深度合格率有较大值 移栽速度和特征参数对栽植深度合格率的影响无交互作用 等高线图表明 栽植深度合格率沿移栽速度方向的变化速率较特征参数方向的变化速率高 即栽植器工作时移栽速度对株距变异系数的影响大于特征参数对栽植深度合格率的影响 由图6b知 在特征参数为1 3时 随着移栽速度和吊杯倾角的增大 栽植深度合格率先增大后减小 当移栽速度编码值在 1 682 1 移栽速度为0 40 0 51m s 吊杯倾角编码值在 1 682 1 吊杯倾角为82 95 范围内时 栽植深度合格率有较大值 移栽速度和吊杯倾角对栽植深度合格率的影响存在明显交互作用 等高线图表明 直立度合格率沿移栽速度方向的变化速率较吊杯倾角方向的变化速率高 即栽植器工作时移栽速度对栽植深度合格率的影响大于吊杯倾角对栽植深度合格率的影响 由图6c知 在移栽速度为0 47m s时 随着特征 参数和吊杯倾角的增大 栽植深度合格率先增大后减小 当特征参数编码值在 1 682 0 5 特征参数为0 96 1 4 吊杯倾角编码值在 1 682 0 5 吊杯倾角为82 92 5 范围内时 栽植深度合格率有较大值 特征参数和吊杯倾角对栽植深度合格率的影响无交互作用 等高线图表明 栽植深度合格率沿吊杯倾角方向的变化速率较特征参数方向的变化速率高 即栽植器 工作时吊杯倾角对栽植深度合格率的影响大于特征参数对栽植深度合格率的影响 另外由表 3 知 移栽速度 特征参数和吊杯倾角的F值分别为19 32 8 76和15 05 各因素对于栽植深度合格率影响的贡献率从高到低依次为移栽速度 吊杯倾角 特征参数 图6交互因子对栽植深度合格率的影响Fig 6Effects ofinteractive factors onqualificationratioof plantingdepth4 栽植器参数优化与试验验证4 1 栽植器参数优化标准JB T10291 2013旱地栽植机械规定的高速移栽机性能指标要求 株距变异系数不高于15 且栽植深度合格率不低于75 在此约束条件下 对栽植器栽植后直立度合格率最大值进行求解 建立目标函数 1 1 22 3 1 3 12 22 3min 91 67 4 028 36 12 4 49 5 47 08 9 48 f Y XX X X X XX X 7 约束条件 1 2 323 1 682 1 682 0 15 75 100 X X XYY 利用Matlab软件进行优化计算 得到高速状态下栽植器作业过程中最佳结构参数和工作参数 栽植器参数优化结果为 X1 0 12 X2 0 59 X3 0 60 即栽植器移栽速度为0 47m s 特征参数为1 18 吊杯倾角为87 此时理论上直立度合格率最优为98 01 株距变异系数为5 93 栽植深度合格率为89 25 4 2 试验验证为了验证优化后的最佳参数与优化效果 分别对 优化后移栽速度0 47m s 特征参数1 18 吊杯倾角87 和优化前移栽速度0 47m s 特征参数1 3 吊杯倾角90 两种不同试验参数条件下按上述方法进行试验 测定相关性能指标 试验过程如图7 试验结果如表5 图7栽植器试验台土槽验证试验Fig 7 Validatingexperiment withsoiltrough for test bedoftheplantingapparatus表5参数优化前后栽植性能对比Table 5Comparisonof transplantingperance before andafter parameters optimization性能试验 直立度合格率Y 1 株距变异系数Y2 栽植深度合格率Y3 优化前 90 8 6 9 84 2优化后 96 6 6 1 87 8 由表5可知 优化后试验结果与理论结果一致 其指标值优于标准NY T 1924 2010 油菜移栽机作业质量评价技术规范 标准JB T 10291 2013旱地栽植机械所设定的指标值 因此 所建立的回归模型是适合的 同时对比优化前后的数据可知 优化后直立度合格率和栽植深度合格率均有较大幅度提高 分别提高5 8 3 6个百分点 株距更加均匀 变异系数较优化前下降0 8个百分点 优化后的栽植性能满足高速移栽机移栽性能要求 5 结论 1 在满足栽植频率大于90株 min的高速移栽状态下 各因子对直立度合格率的影响贡献大小为吊杯倾 角 特征参数 移栽速度 对株距变异系数的影响贡献大小为移栽速度 特征参数 吊杯倾角 对栽植深度合格率的影响贡献大小为移栽速度 吊杯倾角 特征参数 2 直立度合格率与移栽速度 特征参数 吊杯倾角的关系均为上凸曲线 当移栽速度为0 46m s 特征参数为1 18 吊杯倾角为86 8 直立度合格率分别取 得最大值 株距变异系数与移栽速度 特征参数两个因子的关系均为下凹曲线 吊杯倾角对株距变异系数的影响不显著 当移栽速度为0 46m s 特征参数为1 20 株距变异系数分别取得最小值 栽植深度合格率与移栽速度 特征参数 吊杯倾角的关系均为上凸曲线 当移栽速度为0 46m s 特征参数为1 24 吊杯倾角为87 4 栽植深度合格率分别取得最大值 3 通过优化得到栽植器获得最优栽植性能的参数组合为 移栽速度为0 47m s 特征参数为1 18 吊杯倾角为87 此时理论上直立度合格率最优为98 01 株距变异系数为5 93 栽植深度合格率为89 25 优化后验证试验可得直立度合格率为96 6 株距变异系数为6 1 栽植深度合格率为87 8 试验结果与理论 结果一致 进一步验证了回归模型的正确性 优化后的性能指标明显优于优化前 直立度合格率 栽植深度合格率较优化前分别提高5 8 3 6个百分点 也优于国家和行业标准规定的指标值 优化结果对蔬菜钵苗高速移栽机设计与运行具有重要意义 参考 文献 1 王俊 杜冬冬 胡金冰 等 蔬菜机械化收获技术及其发展 J 农业机械学报 2014 45 2 81 87 Wang Jun Du Dongdong Hu Jinbing et al Vegetable mechanized harvesting technology and its development J Tra