蔬菜缽苗高速移栽機(jī)吊杯式栽植器參數(shù)優(yōu)化_王永維.pdf

蔬菜缽苗高速移栽機(jī)吊杯式栽植器參數(shù)優(yōu)化 王永維 唐燕海 王俊 程紹明 浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院 杭州310058 摘 要 為了獲取高速狀態(tài)下蔬菜缽苗移栽機(jī)吊杯式栽植器的最佳工作參數(shù) 設(shè)計(jì)了移栽參數(shù)可調(diào)的栽植器試驗(yàn)臺(tái) 并進(jìn)行了缽苗移栽土槽試驗(yàn) 采用二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合設(shè)計(jì)法 以移栽速度 特征參數(shù)和吊杯傾角為影響因子 以直立度合格率 株距變異系數(shù)和栽植深度合格率為響應(yīng)值 利用SAS9 1軟件進(jìn)行回歸分析和響應(yīng)曲面分析 探究單因子及交互因子對(duì)響應(yīng)值的影響效應(yīng) 并結(jié)合非線性優(yōu)化計(jì)算方法 對(duì)栽植器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算 結(jié)果表明 在滿足栽植頻率大于90株 min的高速移栽狀態(tài)下 各因子對(duì)直立度合格率的影響貢獻(xiàn)大小為吊杯傾角 特征參數(shù) 移栽速度 對(duì)株距變異系數(shù)的影響貢獻(xiàn)大小為移栽速度 特征參數(shù) 吊杯傾角 對(duì)栽植深度合格率的影響貢獻(xiàn)大小為移栽速度 吊杯傾角 特征參數(shù) 優(yōu)化所得栽植器最佳參數(shù)條件 移栽速度為0 47m s 特征參數(shù)為1 18 吊杯傾角為87 此時(shí)理論最優(yōu)值為直立度合格率98 01 株距變異系數(shù)5 93 栽植深度合格率89 25 優(yōu)化后驗(yàn)證試驗(yàn)表明直立度合格率為96 6 株距變異系數(shù)為6 05 栽植深度合格率為87 8 試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果一致 所建立的回歸模型合理 優(yōu)化 后直立度合格率 栽植深度合格率較優(yōu)化前分別提高5 8 3 6個(gè)百分點(diǎn) 也高于國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)值 關(guān)鍵詞 蔬菜缽苗 高速移栽機(jī) 吊杯式栽植器 參數(shù)優(yōu)化中圖分類號(hào) S223 9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 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 method 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 method and responsesurface method both single factor and interactive factor on response values were analyzed Combined with nonlinearoptimization calculation method 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 performance before and after parameters optimization qualification ratio of perpendicularity and qualification ratio of planting depth increased by5 8 and 3 6 respectively and transplanting performance was superior to the technique indexes 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基金項(xiàng)目 國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃 863計(jì)劃 項(xiàng)目 2012AA10A504 作者簡(jiǎn)介 王永維 1975 男 博士 副教授 主要從事種植機(jī)械研究 E mail wywzju 通訊作者 王俊 1965 男 博士 教授 主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)與加工研究 E mail jwang 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間 2015 10 08 15 19 03 網(wǎng)絡(luò)出版地址 引言我國(guó)是世界上最大的蔬菜生產(chǎn)國(guó) 蔬菜的種植方式主要包括直播和育苗移栽兩種 近年來由于育苗技術(shù)的發(fā)展和基質(zhì)育苗的優(yōu)越性 育苗移栽已經(jīng)成為蔬菜種植的趨勢(shì) 1 3 蔬菜移栽機(jī)按照栽植器型式的不同分為鉗夾式 鏈夾式 撓性圓盤式 導(dǎo)苗管式以及吊杯式等 其中吊杯式栽植器由于對(duì)柔嫩秧苗 大缽秧苗及缽體易碎秧苗的適應(yīng)性強(qiáng) 獲得了廣泛的應(yīng)用 4 9 宋洪波等 10 建立了偏心吊杯式栽植器的運(yùn)動(dòng)方程 確定了較合理的機(jī)構(gòu)參數(shù)和栽植器運(yùn)動(dòng)參數(shù) 封俊等 11 分析了吊杯的運(yùn)動(dòng)軌跡 引入并證實(shí)了特征參數(shù)大于1是吊杯式栽植器設(shè)計(jì)的基本依據(jù)和滿足移栽直立度要求的必要條件 王文明等 12 針對(duì)2ZT 2型圓盤吊杯式移栽機(jī)進(jìn)行研究 得出適合甜菜產(chǎn)區(qū)的移栽機(jī)的最佳的特征參數(shù)值和鴨嘴開啟運(yùn)動(dòng)規(guī)律的匹配關(guān)系 張祖立等 13 確定了缽苗在落苗過程中的速度方程 并對(duì)樣機(jī)的主要性能指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn) 但上述移栽機(jī)均為半自動(dòng)型 受人工投苗速度的限制 一般是單行栽植頻率30 40株 min的常規(guī)移栽 對(duì)吊杯式栽植器運(yùn)動(dòng)過程的分析 基于零速投苗原理優(yōu)化和栽植性能改善等方面的研究也在低速移栽條件下進(jìn)行 也缺乏綜合栽植器結(jié)構(gòu)參數(shù) 工作參數(shù)對(duì)栽植性能進(jìn)行試驗(yàn)優(yōu)化 因而無法為單行 栽植頻率大于90株 min的蔬菜缽苗高速自動(dòng)移栽提供最佳的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行參數(shù) 為了滿足自動(dòng)取苗 植苗高速移栽的要求 提高機(jī)械化移栽質(zhì)量 本文建立了參數(shù)可調(diào)的栽植器試驗(yàn)臺(tái) 通過番茄缽苗移栽土槽試驗(yàn) 研究高速移栽條件下移栽速度 特征參數(shù)和吊杯傾角對(duì)栽植器移栽性能的影響規(guī)律 獲取栽植器最佳栽植參數(shù) 為蔬菜高速移栽機(jī)設(shè)計(jì)與工作提供借鑒 1 蔬菜缽苗高速移栽機(jī)吊杯式栽植器試驗(yàn)臺(tái)蔬菜缽苗高速移栽機(jī)吊杯式栽植器試驗(yàn)臺(tái)由機(jī)架 地輪 變頻控制箱 調(diào)速電動(dòng)機(jī) 吊杯式栽植器和土槽等組成 如圖1所示 機(jī)架 地輪 地輪軸 驅(qū)動(dòng)軸等組成行走底盤 調(diào)速電動(dòng)機(jī) 吊杯式栽植器安 裝在機(jī)架上 調(diào)速電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)軸通過鏈傳動(dòng)連接并驅(qū)動(dòng)行走底盤 變頻控制箱控制調(diào)速電動(dòng)機(jī)以調(diào)節(jié)試驗(yàn)臺(tái)的行進(jìn)速度即移栽速度 吊杯式栽植器的主軸設(shè)有不同齒數(shù)的鏈輪 通過驅(qū)動(dòng)軸上的鏈輪與主軸設(shè)有不同齒數(shù)的鏈輪構(gòu)成鏈傳動(dòng)改變吊杯式栽植器吊杯在植苗位置旋轉(zhuǎn)線速度 以實(shí)現(xiàn)在吊杯旋轉(zhuǎn)線速度與試驗(yàn)臺(tái)行走速度配比下進(jìn)行栽植試驗(yàn) 吊杯傾角可通過調(diào)節(jié)手板來調(diào)整 土槽內(nèi)盛放基質(zhì)并置于試驗(yàn)臺(tái)下方 移栽作業(yè)時(shí) 調(diào)節(jié)好試驗(yàn)臺(tái)參數(shù) 當(dāng)?shù)醣D(zhuǎn)至栽植器上部投苗位置時(shí)人工投入缽苗 吊杯繼續(xù)旋轉(zhuǎn)至土槽上方栽植位置時(shí)打開 缽苗被栽植入土 完成一次缽苗栽植土槽試驗(yàn) 圖1 蔬菜移栽機(jī)吊杯式栽植器試驗(yàn)臺(tái)Fig 1Test bedfor thedibble type plantingapparatusofvegetable pot seedlingtransplanter1 地輪軸 2 地輪 3 機(jī)架 4 聯(lián)接筋 5 調(diào)節(jié)手板 6 栽植器 7 吊杯 8 主軸 9 13 鏈輪 10 11 鏈條 12 調(diào)速電動(dòng)機(jī) 14 變頻控制箱 15 驅(qū)動(dòng)地輪 16 驅(qū)動(dòng)軸 17 土槽吊杯式栽植器由主軸 連桿 吊杯 偏心盤 軌道 轉(zhuǎn)動(dòng)盤和凸輪等組成 如圖2所示 偏心盤圓心O1與轉(zhuǎn)動(dòng)盤圓心O2水平距離為偏心距D 連桿左右鉸接點(diǎn)水平距離為L(zhǎng) 當(dāng)偏心距D L時(shí) 栽植器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)吊杯在偏心盤 連桿和轉(zhuǎn)動(dòng)盤的共同作用下始終保持水平平動(dòng) 保證直立度要求 工作時(shí) 通過鏈條將動(dòng)力傳遞給主軸 主軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng) 偏心盤沿軌道與轉(zhuǎn)動(dòng)盤同步轉(zhuǎn)動(dòng) 并同時(shí)帶動(dòng)吊杯轉(zhuǎn)動(dòng) 當(dāng)?shù)醣\(yùn)動(dòng)到上 方投苗位置時(shí)投入缽苗 缽苗隨吊杯繼續(xù)運(yùn)動(dòng) 當(dāng)運(yùn)動(dòng)到底部栽植位置時(shí)吊杯在凸輪的作用下被打開 缽苗落入吊杯開好的孔里 完成一次栽植作業(yè)過程 a b 圖2 吊杯式栽植器結(jié)構(gòu)與工作原理圖Fig 2 Sketch andoperatingprinciple ofdibble type plantingapparatus a 吊杯式栽植器結(jié)構(gòu) b 工作原理1 聯(lián)接筋 2 連桿 3 吊杯 4 凸輪 5 偏心盤 6 轉(zhuǎn)動(dòng)盤 7 主軸 8 彈簧9 偏心盤鉸鏈 10 轉(zhuǎn)動(dòng)盤鉸鏈 11 軌道2 試驗(yàn)方案2 1 試驗(yàn)材料試驗(yàn)缽苗為浙雜809番茄苗 采用128孔標(biāo)準(zhǔn)穴盤溫室育苗 苗齡35d 秧苗長(zhǎng)勢(shì)良好 平均苗高142mm 平均莖粗3 86mm 2 2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)影響移栽機(jī)栽植質(zhì)量的因素有移栽速度 吊杯旋轉(zhuǎn)速度 缽苗質(zhì)量 定植田地等 其中缽苗定植瞬間線速度的水平分速度與移栽機(jī)前進(jìn)速度的比值即特征參數(shù) 是影響栽植質(zhì)量的主要因素之一 故在單因子預(yù)試驗(yàn)基礎(chǔ)上選擇移栽速度 特征參數(shù) 吊杯傾角為試驗(yàn)因素 移栽機(jī)的性能指標(biāo)包括栽植均勻度 栽植狀態(tài) 栽植生產(chǎn)率 移栽機(jī)適應(yīng)性和移栽自動(dòng)化等 14 其中栽植均勻度和栽植狀態(tài)是判定移栽機(jī)性能優(yōu)劣的主要指標(biāo) 故以直立度合格率 株距變異系數(shù)和栽植深度合格率為試驗(yàn)指標(biāo) 采用三因子五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)方法安排試驗(yàn) 目前 受人工送苗限制 移栽頻率通常為30 40 株 min 為了探究高速狀態(tài)下移栽機(jī)的栽植性能 試驗(yàn)設(shè)置移栽頻率大于90株 min 番茄缽苗栽植株距定為200 400mm 因吊杯式栽植器的優(yōu)化需遵循零速投苗原理 15 且應(yīng)保證特征參數(shù)大于1 11 根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn) 16 19 及預(yù)試驗(yàn)結(jié)果 選取試驗(yàn)因素編碼零水平移栽速度為0 47m s 特征參數(shù)為1 3 吊杯傾角為90 并確定試驗(yàn)因素水平編碼如表1所示 表1試驗(yàn)因素水平編碼表Table 1Codinglevels for factors ofexperiment 編碼值 因素移栽速度 m s 1 特征參數(shù) 吊杯傾角 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 試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)定2 3 1 直立度合格率測(cè)定直立度合格率指秧苗栽植后的直立狀態(tài) 為秧苗主莖與地面夾角不小于30 的秧苗占秧苗移栽的實(shí)測(cè)株數(shù)的百分比 不含漏栽 埋苗 傷苗和倒伏的株數(shù) 20 21 直立度合格率測(cè)定參照標(biāo)準(zhǔn)NY T 1924 2010 油菜移栽機(jī)作業(yè)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范 同時(shí)根據(jù)番茄缽苗移栽農(nóng)藝要求 設(shè)缽苗主莖與地面的夾角為 當(dāng) 80 90 為優(yōu)秀 70 80 為良好 55 70 為合格 55 為不合格 試驗(yàn)采用萬能角度尺 精度 1 測(cè)量移栽后番茄缽苗主莖與地面的夾角 并計(jì)算直立度合格率100 ZLNT N 1 式中 T為直立度合格率 N ZL為直立株數(shù) 株 N為測(cè)定的總株數(shù) 株 2 3 2 株距變異系數(shù)測(cè)定株距變異系數(shù)定義為在一定的栽植區(qū)間內(nèi)所測(cè)得的實(shí)際株距的標(biāo)準(zhǔn)離差與平均值的百分比 株距變異系數(shù)是對(duì)移栽機(jī)縱向栽植均勻度的評(píng)價(jià) 體現(xiàn)移栽機(jī) 械對(duì)缽苗栽植的均勻程度 參照標(biāo)準(zhǔn)JB T10291 2013旱地栽植機(jī)械 用卷尺和直尺測(cè)量各試驗(yàn)組株距值 并計(jì)算株距變異系數(shù)100 xx SC X 2 1n ii XX n 3 2111 nx iiS X Xn 4 式中 C x為株距變異系數(shù) X為株距平均值 cm Sx為株距標(biāo)準(zhǔn)差 cm n為實(shí)測(cè)株距數(shù) 株 Xi為實(shí)測(cè)株距 cm 2 3 3 栽植深度合格率測(cè)定栽植深度合格率定義為在一定的栽植區(qū)間內(nèi)所測(cè)得栽植深度合格的秧苗數(shù)與總株數(shù)的百分比 它影響秧苗的緩苗和根系的再生 22 23 參照標(biāo)準(zhǔn) JB T10291 2013旱地栽植機(jī)械 試驗(yàn)測(cè)量的栽植深度為從秧苗與覆土表面交點(diǎn)到秧苗根部的垂直距離 栽植深度在理論深度的 1 2cm范圍內(nèi)為合格 栽植深度合格率計(jì)算公式為100 hNH N 5 式中 H為栽植深度合格率 Nh為栽植深度合格的總株數(shù) 株 N為測(cè)定的總株數(shù) 株 2 4 數(shù)據(jù)處理采用SAS9 1分析軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理 以栽植器性能評(píng)價(jià)指標(biāo) 直立度合格率 株距變異系數(shù)和栽植深度合格率 為響應(yīng)值 考察移栽速度 特征參數(shù)和吊杯傾角3個(gè)因素 自變量 對(duì)響應(yīng)值的影響效應(yīng) 響應(yīng)值與自變量的關(guān)系用二次多項(xiàng)式回歸模型表示為Y 0 1X1 2X2 3X3 12X1X2 13X1X3 23X2X3 11X12 22X22 33X32 6 式中 Y為試驗(yàn)響應(yīng)值 X1 X2 X3為自變量的編碼值 0 1 2 3 12 13 23 11 22 33為預(yù)測(cè)模型的回歸系數(shù) 通過t檢驗(yàn)對(duì)回歸模型各因素影響的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn) 并刪除無統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著意義的參數(shù) 回歸模型的充分性用決定系數(shù) R2 和失擬檢驗(yàn)表示 根據(jù)建立的栽植器響應(yīng)值 直立度合格率 株距變異系數(shù)和栽植深度合格率 與自變量 移栽速度 特征參數(shù)和吊杯傾角 編碼值關(guān)系的有效回歸方程 采用非線性優(yōu)化計(jì)算方法 結(jié)合Matlab軟件優(yōu)化工具箱 對(duì)試驗(yàn)高速狀態(tài)下栽植器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算 獲得符合缽苗移栽農(nóng)藝要求的最佳參 數(shù)組合 3 試驗(yàn)結(jié)果與分析3 1 試驗(yàn)結(jié)果回歸分析 試驗(yàn)于2015年2月5 6日在浙江大學(xué)進(jìn)行 試驗(yàn)實(shí)施方案及結(jié)果如表2所示 根據(jù)表2的試驗(yàn)結(jié)果 采用SAS9 1軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析 結(jié)果如表3所示 表2試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2Experimentscheme andtest results編號(hào) X1 X2 X3 直立度合格率Y1 株距變異系數(shù)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 試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Table 3Resultsof statistical analysis for experiment系數(shù) 直立度合格率Y1 株距變異系數(shù)Y2 栽植深度合格率Y3 系數(shù)值 F值 系數(shù)值 F值 系數(shù)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 失擬p 值 0 67 0 44 0 16R2 96 05 84 66 91 34 注 0 常數(shù)項(xiàng) 1 移栽速度一次項(xiàng)系數(shù) 2 特征參數(shù)一次項(xiàng)系數(shù) 3 吊杯傾角一次項(xiàng)系數(shù) 12 移栽速度和特征參數(shù)交互項(xiàng)系數(shù) 13 移栽速度和吊杯傾角交互項(xiàng)系數(shù) 23 特征參數(shù)和吊杯傾角交互項(xiàng)系數(shù) 11 移栽速度二次項(xiàng)系數(shù) 22 特征參數(shù)二次項(xiàng)系數(shù) 33 吊杯傾角二次項(xiàng)系數(shù) 表示顯著 p 0 05 表示極顯著 p 0 01 根據(jù)直立度合格率Y1統(tǒng)計(jì)分析可知 在0 05水平上X1 X2 X3 X1X3 X12 X22和X32的系數(shù)顯著 其余不顯著 總模型的P值和決定系數(shù) R2 分別為0 0001和96 05 而失擬項(xiàng)的P值為0 67 說明回歸模型極其顯著且具有很高的擬合精度 失擬不顯著 回歸有效 同理 對(duì)于株距變異系數(shù)Y 2和栽植深度合格率Y3統(tǒng)計(jì)分析可知 總模型的P值分別為0 0005和0 0001 失擬項(xiàng)的P值分別為0 44和0 16 回歸模型都呈顯著 失擬均不顯著 且模型的決定系數(shù)分別為84 66 和91 34 回歸模型擬合精度高 將不顯著項(xiàng)刪除后得到各響應(yīng)值回歸方程如表4 表4響應(yīng)值回歸方程Table 4 Regressionequationsofresponse value響應(yīng)值 回歸方程直立度合格率Y 1 Y1 91 67 4 02X1 8 36X2 12X3 4 49X1X3 5 40X12 7 08X22 9 48X32株距變異系數(shù)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 單因子對(duì)響應(yīng)值的影響效應(yīng)分析采用降維方法分析單因子對(duì)響應(yīng)值的影響效應(yīng) 根據(jù)響應(yīng)值的回歸方程 將其他因子固定在零水平 采用單因子效應(yīng)方程描述該因子對(duì)響應(yīng)值的影響 單因子效應(yīng)曲線如圖3 3 2 1 單因子對(duì)直立度合格率影響效應(yīng)分析由圖3a知 直立度合格率與移栽速度 特征參數(shù) 吊杯傾角的關(guān)系均為上凸曲線 其極值點(diǎn)分別在編碼值為 0 37 0 59和 0 63處 當(dāng)各因子編碼值分別小于 其極值點(diǎn)處編碼值時(shí) 因子對(duì)直立度合格率的影響呈正效應(yīng) 當(dāng)各因子編碼值分別大于其極值點(diǎn)處編碼值時(shí) 因子對(duì)直立度合格率的影響呈負(fù)效應(yīng) 移栽速度編碼值為 0 37 實(shí)際對(duì)應(yīng)的移栽速度為0 46m s 此時(shí)直立度合格率最大為89 44 特征參數(shù)編碼值為 0 59 實(shí)際對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)為1 18 此時(shí)直立度合格率最大為91 14 吊杯傾角編碼值為 0 63 實(shí)際對(duì)應(yīng)吊杯傾角為86 8 此時(shí)直立度合格率最大為95 47 3 2 2 單因子對(duì)株距變異系數(shù)的影響效應(yīng)分析由圖3b知 株距變異系數(shù)與移栽速度 特征參數(shù)兩個(gè)因子的關(guān)系均為下凹曲線 其極值點(diǎn)分別在編碼值為 0 33 0 51處 而吊杯傾角對(duì)株距變異系數(shù)的影響不顯著 當(dāng)各因子編碼值分別小于其極值點(diǎn)處編碼 值時(shí) 因子對(duì)株距變異系數(shù)的影響呈負(fù)效應(yīng) 當(dāng)各因子編碼值分別大于其極值點(diǎn)處編碼值時(shí) 因子對(duì)直立度合格率的影響呈正效應(yīng) 移栽速度編碼值為 0 33 實(shí)際對(duì)應(yīng)的移栽速度為0 46m s 此時(shí)株距變異系數(shù)最低為5 60 特征參數(shù)編碼值為 0 51 實(shí)際對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)為1 20 此時(shí)株距變異系數(shù)最低為5 57 3 2 3 單因子對(duì)栽植深度合格率影響效應(yīng)分析由圖3c知 栽植深度合格率與移栽速度 特征參數(shù) 吊杯傾角的關(guān)系均為上凸曲線 其極值點(diǎn)分別在編碼值為 0 37 0 29和 0 51處 當(dāng)各因子編碼值分別小于其極值點(diǎn)處編碼值時(shí) 因子對(duì)栽植深度合格率的影響呈正效應(yīng) 當(dāng)各因子編碼值分別大于其極值點(diǎn)處編碼值時(shí) 因子對(duì)栽植深度合格率的影響呈負(fù)效應(yīng) 移栽速度 編碼值為 0 37 實(shí)際對(duì)應(yīng)的移栽速度為0 46m s 此時(shí)栽植深度合格率最大為88 79 特征參數(shù)編碼值為 0 29 實(shí)際對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)為1 24 此時(shí)栽植深度合 a 直立度合格率 b 株距變異系數(shù) c 栽植深度合格率圖3單因子效應(yīng)曲線Fig 3Curve ofsingle factor effect格率最大為88 25 吊杯傾角編碼值為 0 51 實(shí)際對(duì)應(yīng)的吊杯傾角為87 4 此時(shí)直立度合格率最大為89 04 3 3 交互因子對(duì)響應(yīng)值的影響效應(yīng)分析移栽速度 特征參數(shù)和吊杯傾角任意兩因子作為交互因子對(duì)直立度合格率 株距變異系數(shù) 栽植深度合格率的響應(yīng)曲面及等高線圖分別如圖4 6所示 3 3 1 交互因子對(duì)直立度合格率影響效應(yīng)分析由圖4a知 在吊杯傾角為90 時(shí) 隨著移栽速度 和特征參數(shù)的增大 直立度合格率先增大后減小 當(dāng)移栽速度編碼值在 1 682 0 5 移栽速度為0 40 0 49m s 特征參數(shù)編碼值在 1 682 0 5 特征參數(shù)為0 96 1 4 范圍內(nèi)時(shí) 直立度合格率有較大值 移栽速度和特征參數(shù)對(duì)直立度合格率的影響無交互作用 等高線圖表明 直立度合格率沿特征參數(shù)方向的變化速率較移栽速度方向的變化速率高 即栽植器工作時(shí)特征參數(shù)對(duì)直立度合格率的影響大于移栽速度對(duì)直立度合格率的影響 圖4交互因子對(duì)直立度合格率的影響Fig 4 Effectsof interactive factors onqualificationratio ofperpendicularity由圖4b知 在特征參數(shù)為1 3時(shí) 隨著移栽速度和吊杯傾角的增大 直立度合格率先增大后減小 當(dāng)移栽速度編碼值在 1 1 移栽速度為0 43 0 51m s 吊杯傾角編碼值在 1 682 0 5 吊杯傾角為82 92 5 范圍內(nèi)時(shí) 直立度合格率有較大值 移栽速度和吊杯傾角對(duì)直立度合格率的影響存在明顯交互作用 等高線圖表明 直立度合格率沿吊杯傾角方向的變化速率較移栽速度方向的變化速率高 即栽植器工作時(shí)吊杯傾角對(duì)直立度合格率的影響大于移栽速度對(duì)直立度合格率的影響 由圖4c知 在移栽速度為0 47m s時(shí) 隨著特征參數(shù)和吊杯傾角的增大 直立度合格率先增大后減小 當(dāng)特征參數(shù)編碼值在 1 682 0 5 特征參數(shù)為0 96 1 4 吊杯傾角編碼值在 1 682 0 5 吊杯傾角為82 92 5 范圍內(nèi)時(shí) 直立度合格率有較大值 特征參數(shù)和吊杯傾角對(duì)直立度合格率的影響無交互作用 等高線圖表明 直立度合格率沿吊杯傾角方向的變化速率較特征參數(shù)方向的變化速率高 即栽植器工作時(shí)吊杯傾角對(duì)株距變異系數(shù)的影響大于特征參數(shù)對(duì)株距變異系數(shù)的影響 另外由表 3 可知 移栽速度 特征參數(shù)和吊杯傾角的F值分別為11 61 50 23和103 62 結(jié)合響應(yīng)曲面及等高線圖的分析 各因素對(duì)于直立度合格率影響的貢獻(xiàn)率從高到低依次為吊杯傾角 特征參數(shù) 移栽速度 3 3 2 交互因子對(duì)株距變異系數(shù)影響分析由圖5a知 在吊杯傾角為90 時(shí) 隨著移栽速度和特征參數(shù)的增大 株距變異系數(shù)先減小后增大 當(dāng) 移栽速度編碼值在 1 0 5 移栽速度為0 43 0 49m s 特征參數(shù)編碼值在 1 682 0 5 特征參數(shù)為0 96 1 4 范圍內(nèi)時(shí) 株距變異系數(shù)有較小值 移栽速度和特征參數(shù)對(duì)株距變異系數(shù)的影響無交互作用 等高線圖表明 株距變異系數(shù)沿移栽速度方向的變化速率較特征參數(shù)方向的變化速率高 即栽植器工作時(shí)移栽速度對(duì)株距變異系數(shù)的影響大于特征參數(shù)對(duì)株距變異系數(shù)的影響 圖5交互因子對(duì)株距變異系數(shù)的影響Fig 5Effects ofinteractive factors onvariationcoefficient ofplantingspacing由圖5b知 在特征參數(shù)為1 3時(shí) 隨著移栽速度和吊杯傾角的增大 株距變異系數(shù)先減小后增大 當(dāng)移栽速度編碼值在 1 0 5 移栽速度為0 43 0 49m s 吊杯傾角編碼值在 0 5 0 5 吊杯傾角為87 5 92 5 范圍內(nèi)時(shí) 株距變異系數(shù)有較小值 移栽速度和吊杯傾角對(duì)株距變異系數(shù)的影響無交互作用 等高線圖表明 株距變異系數(shù)沿移栽速度方向的變化速率較吊杯傾角方向的變化速率高 即栽植器工作時(shí)移栽速度對(duì)株距變異系數(shù)的影響大于吊杯傾角對(duì)株距變異系數(shù)的影響 由圖5c知 在移栽速度為0 47m s時(shí) 隨著特征 參數(shù)和吊杯傾角的增大 株距變異系數(shù)先減小后增大 當(dāng)特征參數(shù)編碼值在 1 682 0 5 特征參數(shù)為0 96 1 4 吊杯傾角編碼值在 0 5 0 5 吊杯傾角為87 5 92 5 范圍內(nèi)時(shí) 株距變異系數(shù)有較小值 特征參數(shù)和吊杯傾角對(duì)株距變異系數(shù)的影響無交互作用 等高線圖表明 株距變異系數(shù)沿特征參數(shù)方向的變化速率較吊杯傾角方向的變化速率高 即栽植器工作時(shí)特征參數(shù)對(duì)株距變異系數(shù)的影響大于吊杯傾角對(duì)株距變異系數(shù)的影響 另外由表 3 可知 移栽速度 特征參數(shù)和吊杯傾角的F值分別為12 26 6 64和0 02 結(jié)合響應(yīng)曲面及等高線圖的分析 各因素對(duì)于株距變異系數(shù)影響的貢 獻(xiàn)率從高到低依次為移栽速度 特征參數(shù) 吊杯傾角 3 3 3 交互因子對(duì)栽植深度合格率影響分析由圖6a知 在吊杯傾角為90 時(shí) 隨著移栽速度和特征參數(shù)的增大 栽植深度合格率先增大后減小 當(dāng)移栽速度編碼值在 1 682 1 移栽速度為0 40 0 51m s 特征參數(shù)編碼值在 1 682 1 特征參數(shù)為0 96 1 5 范圍內(nèi)時(shí) 栽植深度合格率有較大值 移栽速度和特征參數(shù)對(duì)栽植深度合格率的影響無交互作用 等高線圖表明 栽植深度合格率沿移栽速度方向的變化速率較特征參數(shù)方向的變化速率高 即栽植器工作時(shí)移栽速度對(duì)株距變異系數(shù)的影響大于特征參數(shù)對(duì)栽植深度合格率的影響 由圖6b知 在特征參數(shù)為1 3時(shí) 隨著移栽速度和吊杯傾角的增大 栽植深度合格率先增大后減小 當(dāng)移栽速度編碼值在 1 682 1 移栽速度為0 40 0 51m s 吊杯傾角編碼值在 1 682 1 吊杯傾角為82 95 范圍內(nèi)時(shí) 栽植深度合格率有較大值 移栽速度和吊杯傾角對(duì)栽植深度合格率的影響存在明顯交互作用 等高線圖表明 直立度合格率沿移栽速度方向的變化速率較吊杯傾角方向的變化速率高 即栽植器工作時(shí)移栽速度對(duì)栽植深度合格率的影響大于吊杯傾角對(duì)栽植深度合格率的影響 由圖6c知 在移栽速度為0 47m s時(shí) 隨著特征 參數(shù)和吊杯傾角的增大 栽植深度合格率先增大后減小 當(dāng)特征參數(shù)編碼值在 1 682 0 5 特征參數(shù)為0 96 1 4 吊杯傾角編碼值在 1 682 0 5 吊杯傾角為82 92 5 范圍內(nèi)時(shí) 栽植深度合格率有較大值 特征參數(shù)和吊杯傾角對(duì)栽植深度合格率的影響無交互作用 等高線圖表明 栽植深度合格率沿吊杯傾角方向的變化速率較特征參數(shù)方向的變化速率高 即栽植器 工作時(shí)吊杯傾角對(duì)栽植深度合格率的影響大于特征參數(shù)對(duì)栽植深度合格率的影響 另外由表 3 知 移栽速度 特征參數(shù)和吊杯傾角的F值分別為19 32 8 76和15 05 各因素對(duì)于栽植深度合格率影響的貢獻(xiàn)率從高到低依次為移栽速度 吊杯傾角 特征參數(shù) 圖6交互因子對(duì)栽植深度合格率的影響Fig 6Effects ofinteractive factors onqualificationratioof plantingdepth4 栽植器參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證4 1 栽植器參數(shù)優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)JB T10291 2013旱地栽植機(jī)械規(guī)定的高速移栽機(jī)性能指標(biāo)要求 株距變異系數(shù)不高于15 且栽植深度合格率不低于75 在此約束條件下 對(duì)栽植器栽植后直立度合格率最大值進(jìn)行求解 建立目標(biāo)函數(shù) 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 約束條件 1 2 323 1 682 1 682 0 15 75 100 X X XYY 利用Matlab軟件進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算 得到高速狀態(tài)下栽植器作業(yè)過程中最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù) 栽植器參數(shù)優(yōu)化結(jié)果為 X1 0 12 X2 0 59 X3 0 60 即栽植器移栽速度為0 47m s 特征參數(shù)為1 18 吊杯傾角為87 此時(shí)理論上直立度合格率最優(yōu)為98 01 株距變異系數(shù)為5 93 栽植深度合格率為89 25 4 2 試驗(yàn)驗(yàn)證為了驗(yàn)證優(yōu)化后的最佳參數(shù)與優(yōu)化效果 分別對(duì) 優(yōu)化后移栽速度0 47m s 特征參數(shù)1 18 吊杯傾角87 和優(yōu)化前移栽速度0 47m s 特征參數(shù)1 3 吊杯傾角90 兩種不同試驗(yàn)參數(shù)條件下按上述方法進(jìn)行試驗(yàn) 測(cè)定相關(guān)性能指標(biāo) 試驗(yàn)過程如圖7 試驗(yàn)結(jié)果如表5 圖7栽植器試驗(yàn)臺(tái)土槽驗(yàn)證試驗(yàn)Fig 7 Validatingexperiment withsoiltrough for test bedoftheplantingapparatus表5參數(shù)優(yōu)化前后栽植性能對(duì)比Table 5Comparisonof transplantingperformance before andafter parameters optimization性能試驗(yàn) 直立度合格率Y 1 株距變異系數(shù)Y2 栽植深度合格率Y3 優(yōu)化前 90 8 6 9 84 2優(yōu)化后 96 6 6 1 87 8 由表5可知 優(yōu)化后試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果一致 其指標(biāo)值優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)NY T 1924 2010 油菜移栽機(jī)作業(yè)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范 標(biāo)準(zhǔn)JB T 10291 2013旱地栽植機(jī)械所設(shè)定的指標(biāo)值 因此 所建立的回歸模型是適合的 同時(shí)對(duì)比優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)可知 優(yōu)化后直立度合格率和栽植深度合格率均有較大幅度提高 分別提高5 8 3 6個(gè)百分點(diǎn) 株距更加均勻 變異系數(shù)較優(yōu)化前下降0 8個(gè)百分點(diǎn) 優(yōu)化后的栽植性能滿足高速移栽機(jī)移栽性能要求 5 結(jié)論 1 在滿足栽植頻率大于90株 min的高速移栽狀態(tài)下 各因子對(duì)直立度合格率的影響貢獻(xiàn)大小為吊杯傾 角 特征參數(shù) 移栽速度 對(duì)株距變異系數(shù)的影響貢獻(xiàn)大小為移栽速度 特征參數(shù) 吊杯傾角 對(duì)栽植深度合格率的影響貢獻(xiàn)大小為移栽速度 吊杯傾角 特征參數(shù) 2 直立度合格率與移栽速度 特征參數(shù) 吊杯傾角的關(guān)系均為上凸曲線 當(dāng)移栽速度為0 46m s 特征參數(shù)為1 18 吊杯傾角為86 8 直立度合格率分別取 得最大值 株距變異系數(shù)與移栽速度 特征參數(shù)兩個(gè)因子的關(guān)系均為下凹曲線 吊杯傾角對(duì)株距變異系數(shù)的影響不顯著 當(dāng)移栽速度為0 46m s 特征參數(shù)為1 20 株距變異系數(shù)分別取得最小值 栽植深度合格率與移栽速度 特征參數(shù) 吊杯傾角的關(guān)系均為上凸曲線 當(dāng)移栽速度為0 46m s 特征參數(shù)為1 24 吊杯傾角為87 4 栽植深度合格率分別取得最大值 3 通過優(yōu)化得到栽植器獲得最優(yōu)栽植性能的參數(shù)組合為 移栽速度為0 47m s 特征參數(shù)為1 18 吊杯傾角為87 此時(shí)理論上直立度合格率最優(yōu)為98 01 株距變異系數(shù)為5 93 栽植深度合格率為89 25 優(yōu)化后驗(yàn)證試驗(yàn)可得直立度合格率為96 6 株距變異系數(shù)為6 1 栽植深度合格率為87 8 試驗(yàn)結(jié)果與理論 結(jié)果一致 進(jìn)一步驗(yàn)證了回歸模型的正確性 優(yōu)化后的性能指標(biāo)明顯優(yōu)于優(yōu)化前 直立度合格率 栽植深度合格率較優(yōu)化前分別提高5 8 3 6個(gè)百分點(diǎn) 也優(yōu)于國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)值 優(yōu)化結(jié)果對(duì)蔬菜缽苗高速移栽機(jī)設(shè)計(jì)與運(yùn)行具有重要意義 參考 文獻(xiàn) 1 王俊 杜冬冬 胡金冰 等 蔬菜機(jī)械化收獲技術(shù)及其發(fā)展 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2014 45 2 81 87 Wang Jun Du Dongdong Hu Jinbing et al Vegetable mechanized harvesting technology and its development J Tra